CN209335619U - 多功能模组化的机器人头颅 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机械头颅结构，具体涉及一种多功能模组化的机器人头颅，包括面罩、眼球、唇片和眼皮，眼球、唇片和眼皮设置在面罩一侧且分别与面罩另一侧的驱动结构连接，该驱动结构包含：眼皮驱动机构，所述眼皮驱动机构包括：第三舵机、第三摆臂、钢丝绳和约束钢丝绳滑动轨迹的硬质胶管；本方案采用联动连杆设计的眼皮驱动机构，通过钢丝绳外部套装硬质胶管的结构来解决眼皮眨动，通过钢丝绳的柔韧性和硬质胶管的约束，恰当好处的解决了即要推拉动作，又有微变形量的需求。

Description

多功能模组化的机器人头颅

技术领域

本实用新型涉及机械头颅结构，具体涉及一种多功能模组化的机器人头颅。

背景技术

目前已有机器人头颅，主要采用一体化设计的结构，然而对于躯干与头颅的接口，每家公司都各有不同，每一个机械头颅必须配备特定的面罩、特定的接口和驱动方式等；目前的机械头颅主要应用于以下几种机器人：1、服务、陪护机器人，这种机械头颅结构设计，一般采用固定模式的卡通外形，只能进行摇头等简单动作，无法实现高仿真模拟动作；2、迎宾机器人，该种头颅结构虽然可以实现部分模拟人的动作功能；但是，其内部采用一体化结构设计，在眼睛的间距与头颅前后配合等方面无法做到按照需要调整。除此之外，对于躯干与头颅的接口，如果采用高仿真躯干，一般采用预埋线或外部走线的方式将头颅与躯干进行对接。

现有技术中机械头颅通常具有以下问题：

1、结构简单：无法模拟逼真的形体动作，例如无法协同完成张嘴说话、睁开眼睛摄像、点头或摇头、眼珠左右转等一系列人机交流动作；

2、内部结构互换性差、无法通用，例如同一个头颅结构，没有办法做到与其它面罩通用，只能以头颅结构来配置面罩，这样无法满足不同长相、神态面貌的外观设计需要，难以达到满足客户定制化的需求，对于躯干与头颅的接口，每家公司也基本都各有不同，互换性和通用性较差，无法达到综合兼容的目的。

实用新型内容

针对上述不足，本实用新型提供了一种多功能模组化的机器人头颅，通过以下技术方案予以实现：

一种多功能模组化的机器人头颅，包括面罩、眼球、唇片和眼皮，眼球、唇片和眼皮设置在面罩一侧且分别与面罩另一侧的驱动结构连接；驱动结构包含眼皮驱动机构；

为了满足眼皮眨动过程中推动的强度以及拉伸时的微变形量，通过钢丝绳和硬质胶管来实现“悬浮”牵引作用，进而模拟眨眼动作：

较为具体的，眼皮驱动机构包括：第三舵机、第三摆臂、钢丝绳和约束钢丝绳滑动轨迹的硬质胶管，眼皮为弧形且两侧与面罩横向转动连接，面罩上留有放置硬质胶管的安装孔，钢丝绳穿过该硬质胶管且能沿硬质胶管的内径来回滑动，第三舵机数量为2且分别通过转轴与钢丝绳竖向转动连接，钢丝绳数量为2且分别与眼皮中部连接，由于钢丝绳的柔韧性和胶管合适硬度的约束，从而可以达到“悬浮”牵引作用，即解决了推动时的强度，又解决了拉伸时的微变形量；

实际测试中，由于眼球为球状，眼皮需要沿眼球表面翻转实现模拟人眼眨动，因此将硬质胶管设计呈弯曲弧形状，使得眨动更加逼真，较为具体的，硬质胶管露出面罩的一端呈朝向眼皮方向弯曲弧形设置。

为了使唇片带动硅胶外皮处的下嘴唇一张一合，模仿真人说话神态；

上述驱动结构还包含唇片驱动机构，较为具体的，唇片驱动机构包括：第二舵机、第二摆臂和第二连杆，唇片尾端与面罩横向转动链接，唇片中部通过滚花转轴与第二连杆纵向转动链接，第二舵机通过转轴与第二摆臂一端转动连接，第二摆臂的另一端与第二连杆转动连接。

为了使得机器人头颅与躯干的装配连接简单，装配快速；

较为具体的，机器人头颅内部还设有第四舵机、滚花调节螺母和传动螺杆，第四舵机通过转接头带动传动螺杆转动，传动螺杆下方具有横截面为多边形的杆状端部，躯干上对应设有插孔，滚花调节螺母的上半部分与传动螺杆周围螺纹连接、下半部分与躯干上的螺杆螺纹连接。

作为方案的拓展，本方案还能增设较多现有机械头颅的功能和部件，较为具体的，面罩表面还设有显示屏、扬声器、开关和充电接口，面罩内还设有WIFI天线、电池、舵机控制板、主控板和散热风扇，主控板接受并处理机器人上各传感器的信号，并发送信号给舵机控制板进而使得相应的舵机工作。

为了保证舵机转动带动相应的部件动作时，与真人幅度相近，限制各种舵机的转动角度；

较为具体的，第二舵机的转动角度不大于27度；第三舵机逆时针或顺时针转动角度不大于36度；第四舵机逆时针或顺时针转动角度不大于27度。

相对于传统的机械头颅，本方案具有以下有益效果：

1、眼皮眨动，我们是通过钢丝绳外部套装硬质胶管的结构来解决的，钢丝绳的柔韧性和硬质胶管的约束，恰当好处的解决了即要推拉动作，又有微变形量的需求；

2、唇片驱动机构中，通过第二舵机的传动，恰当的结构设计，使唇片上下摆动的幅度刚好符合真人张合的幅度，并且张合的频率也符合真人频率；

3、头颅与躯干的简单便捷的连接方式，使不需要专业人士就能把头颅固定到躯干上，并且通过头颅内的第四舵机传动，带动头颅左右摇头，这样使该头颅高度智能仿真；

4、本方案采用模块化、通用化设计的结构，例如驱动结构中的驱动部分统一使用舵机、转轴、摆臂和连杆等结构来实现驱动，还有滚花转轴等接口结构，可以大幅度降低智能机器人头部制造的综合成本，缩短头部开发的周期。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为机器人头颅总装结构图；

图2为机器人头颅爆炸结构图；

图3为眼球驱动机构侧视图；

图4为眼球驱动机构后视图；

图5为第一舵机转动示意图；

图6为唇片驱动机构正视图；

图7为第二舵机转动示意图；

图8为眼皮驱动机构侧视图；

图9为第三舵机转动示意图；

图10为头颅与躯干接口示意图；

图11为第四舵机转动示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本方案提供的多功能模组化机器人头颅、可以模拟人，协同完成多个动作，可以广泛应用于智能迎宾机器人、高仿真机器人、陪护机器人和服务机器等智能机器人领域，例如不仅有张嘴说话、眨眼睛、摇头、眼珠左右看等回应人机交流功能，还可以确保躯干与头颅的电路畅通，接口标准化，从而达到语言与形体动作协调一致，提高人机交流的综合效果。

下面结合附图1-11以及实施例来详细说明多功能模组化的机器人头颅的具体结构：

实施例：

如图1所示为本方案中机器人头颅结构，包括面罩1、眼球2、唇片3和眼皮4，眼球2、唇片3和眼皮4设置在面罩1一侧且分别与面罩1另一侧的驱动结构5连接；驱动结构5包含眼球驱动机构5-1；

为了实现一个动力源(舵机)进行两个动作，节约成本；采用联动连杆设计的眼球驱动机构5-1，使左右眼睛转动同步，协调一致；

如图3-5所示为眼球驱动机构5-1，包括：眼球固定架5-1-1、第一舵机5-1-2、第一摆臂5-1-3和第一连杆5-1-4；第一连杆5-1-4数量为2并由彼此连接的横连杆5-1-4-1和纵连杆5-1-4-2构成，眼球2安装在该眼球固定架5-1-1上，眼球固定架5-1-1通过滚花转轴6与面罩1和纵连杆5-1-4-1连接，第一舵机5-1-2通过转轴7与第一摆臂5-1-3一端转动连接，第一摆臂5-1-3另一端两侧与横连杆5-1-4-1转动连接形成联动连杆。

为了使唇片3带动硅胶外皮处的下嘴唇一张一合，模仿真人说话神态；

上述驱动结构5还包含唇片驱动机构5-2，较为具体的，如图6-7所示，唇片驱动机构5-2包括：第二舵机5-2-1、第二摆臂5-2-2和第二连杆5-2-3，唇片3尾端与面罩1横向转动链接，唇片2中部通过滚花转轴6与第二连杆5-2-3纵向转动链接，第二舵机5-2-1通过转轴7与第二摆臂5-2-2一端转动连接，第二摆臂5-2-2的另一端与第二连杆5-2-3转动连接。

为了满足眼皮4眨动过程中推动的强度以及拉伸时的微变形量，通过钢丝绳和硬质胶管来实现“悬浮”牵引作用，进而模拟眨眼动作：

上述驱动结构5还包含眼皮驱动机构5-3，较为具体的，如图8-9所示，眼皮驱动机构5-3包括：第三舵机5-3-1、第三摆臂5-3-2、钢丝绳5-3-3和约束钢丝绳滑动轨迹的硬质胶管5-3-4，眼皮4为弧形且两侧与面罩1横向转动连接，面罩1上留有放置硬质胶管5-3-4的安装孔，钢丝绳5-3-3穿过该硬质胶管且能沿硬质胶管的内径来回滑动，第三舵机5-3-1数量为2且分别通过转轴7与钢丝绳5-3-3竖向转动连接，钢丝绳数量为2且分别与眼皮4中部连接，由于钢丝绳的柔韧性和胶管合适硬度的约束，从而可以达到“悬浮”牵引作用，即解决了推动时的强度，又解决了拉伸时的微变形量；

实际测试中，由于眼球2为球状，眼皮4需要沿眼球2表面翻转实现模拟人眼眨动，因此将硬质胶管5-3-4设计呈弯曲弧形状，使得眨动更加逼真，较为具体的，如图8-9，硬质胶管5-3-4露出面罩1的一端呈朝向眼皮4方向弯曲弧形设置。

为了使得机器人头颅与躯干的装配连接简单，装配快速；

较为具体的，如图10-11所示，机器人头颅内部还设有第四舵机8、滚花调节螺母9和传动螺杆10，第四舵机8通过转接头11带动传动螺杆10转动，传动螺杆10下方具有横截面为多边形的杆状端部，躯干上对应设有插孔，滚花调节螺母9的上半部分与传动螺杆10周围螺纹连接、下半部分与躯干上的螺杆螺纹连接。

作为方案的拓展，本方案还能增设较多现有机械头颅的功能和部件，较为具体的，如图1和图2所示，面罩1表面还设有显示屏1-1、扬声器1-2、开关1-3和充电接口1-4，面罩内还设有WIFI天线12、电池13、舵机控制板14、主控板15和散热风扇16，主控板15接受并处理机器人上各传感器的信号，并发送信号给舵机控制板14进而使得相应的舵机工作。

为了保证舵机转动带动相应的部件动作时，与真人幅度相近，限制各种舵机的转动角度；

眼球驱动机构5-1：如图4-5所示，第一舵机5-1-2的转动角度不大于36度，两只眼球通过第一舵机5-1-2，带动转轴7(左右旋转18°)；转轴7旋转，带动横向连杆5-1-4-1左右移动，传动到纵向连杆5-1-4-2；眼球固定架5-1-1固定在纵向连杆5-1-4-2上，从而带动眼球固定架5-1-1左右动；眼球2固定在眼球固定架上，从而实现眼睛左右转动功能。该结构的优点是：①一个动力源(舵机)实现两个动作，节约成本；②采用联动连杆，使左右眼睛转动同步，协调一致。

唇片上下摆动机构5-2：如图6-7所示，转轴7装配在第二舵机5-2-1上面；第二舵机5-2-1的转动角度不大于27度，带动转轴7转动；第二连杆5-2-2固定在转轴7上，转轴7转动带动第二连杆5-2-2上下升降；进而第二连杆5-2-2拉动唇片3上下转动；从而带动硅胶外皮处的下嘴唇一张一合，模仿真人说话。

眼皮驱动机构5-3：如图8-9，左右眼皮4的眨动，各采用独立的第三舵机5-3-1控制；并且通过软件控制协调同步眨眼睛；左右眼皮4正常状态都是睁开的；当左眼皮睁开时，第三舵机5-3-1与转轴7成54°角度，第三舵机5-3-1逆时针或顺时针转动角度不大于36度，如图9所示，第三舵机5-3-1逆时针转动36°，即转到90°时，带动转轴7，转轴7拉动钢丝绳5-3-3，眼皮4固定在钢丝绳5-3-3上，从而牵引左眼皮闭眼；当右眼皮睁开时，第三舵机5-3-1与转轴7成126°角度，第三舵机5-3-1顺时针转动36°，即转到90°时，带动转轴7，转轴7牵引钢丝绳5-3-3，钢丝绳牵引右眼皮闭眼；由于钢丝绳的柔韧性和硬质胶管5-3-4合适硬度的约束，从而可以达到“悬浮”牵引作用，即解决了推动时的强度，又解决了拉伸时的微变形量，保证了左右眼皮同步眨眼或分别眨眼。

躯干与头颅接口结构：如图2、10-11所示，传动螺杆10镶嵌在面罩1内；并且通过第四舵机8转动，带动传动螺杆10转动；传动螺杆10的四方杆插入躯干的插孔，并把滚花调节螺母9旋到躯干的螺杆上(先把滚花调节螺母9上半部分旋到传动螺杆10上，下半部分再旋到躯干的螺杆上)；这样，头颅就很方便的装配到躯干上了，连接简单，装配快速；如图11所示，第四舵机8逆时针或顺时针转动角度不大于27度，第四舵机90°时，正常状态(眼珠向前)；第四舵机8从90°转63°时，头颅向右转27°，第四舵机8从90°转到117°时，头颅向左转27°。

该方案的相对于现有技术而言具有如下优点：

眼球驱动机构5-1中，通过一个第一舵机5-1-2，带动左右眼球2左右同步协调转动，使结构简化，又节约成本，减小空间等优点；

唇片驱动机构5-2中，通过第二舵机5-2-1的传动，恰当的结构设计，使唇片3上下摆动的幅度刚好符合真人张合的幅度，并且张合的频率也符合真人频率；

眼皮眨动，我们是通过钢丝绳外部套装硬质胶管的结构来解决的，钢丝绳5-3-3的柔韧性和硬质胶管5-3-4的约束，恰当好处的解决了即要推拉动作，又有微变形量的需求；

头颅与躯干的简单便捷的连接方式，使不需要专业人士就能把头颅固定到躯干上，并且通过头颅内的第四舵机8传动，带动头颅左右摇头，这样使该头颅高度智能仿真；

本方案采用模块化、通用化设计的结构，例如驱动结构中的驱动部分统一使用舵机、转轴、摆臂和连杆等结构来实现驱动，还有滚花转轴等接口结构，可以大幅度降低智能机器人头部制造的综合成本，缩短头部开发的周期；

部件接口规范后，不仅确保内部走线，美化外观，头部转动灵活，还可以为后续智能机器人的产品标准和技术标准建立奠定基础。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种多功能模组化的机器人头颅，包括面罩、眼球、唇片和眼皮，所述眼球、唇片和眼皮设置在面罩一侧且分别与面罩另一侧的驱动结构连接，其特征在于，该驱动结构包含：

眼皮驱动机构，所述眼皮驱动机构包括：第三舵机、第三摆臂、钢丝绳和约束钢丝绳滑动轨迹的硬质胶管，所述眼皮为弧形且两侧与面罩横向转动连接，所述面罩上留有放置硬质胶管的安装孔，所述钢丝绳穿过该硬质胶管且能沿硬质胶管的内径来回滑动，所述第三舵机数量为2且分别通过转轴与钢丝绳竖向转动连接，所述钢丝绳数量为2且分别与眼皮中部连接。

2.如权利要求1所述的多功能模组化的机器人头颅，其特征在于，所述驱动结构还包含：

唇片驱动机构，所述唇片驱动机构包括：第二舵机、第二摆臂和第二连杆，所述唇片尾端与面罩横向转动链接，所述唇片中部通过滚花转轴与第二连杆纵向转动链接，所述第二舵机通过转轴与第二摆臂一端转动连接，所述第二摆臂的另一端与第二连杆转动连接。

3.如权利要求1所述的多功能模组化的机器人头颅，其特征在于，所述硬质胶管露出面罩的一端呈朝向眼皮方向弯曲弧形设置。

4.如权利要求1所述的多功能模组化的机器人头颅，其特征在于，所述机器人头颅内部还设有第四舵机、滚花调节螺母和传动螺杆，所述第四舵机通过转接头带动传动螺杆转动，所述传动螺杆下方具有横截面为多边形的杆状端部，躯干上对应设有插孔，所述滚花调节螺母的上半部分与传动螺杆周围螺纹连接、下半部分与躯干上的螺杆螺纹连接。

5.如权利要求1所述的多功能模组化的机器人头颅，其特征在于，所述面罩表面还设有显示屏、扬声器、开关和充电接口，所述面罩内还设有WIFI天线、电池、舵机控制板、主控板和散热风扇。

6.如权利要求2所述的多功能模组化的机器人头颅，其特征在于，所述第二舵机的转动角度不大于27度。

7.如权利要求3所述的多功能模组化的机器人头颅，其特征在于，所述第三舵机逆时针或顺时针转动角度不大于36度。

8.如权利要求4所述的多功能模组化的机器人头颅，其特征在于，所述第四舵机逆时针或顺时针转动角度不大于27度。