CN209380732U - 一种多自由度声控仿真机械头 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于人工智能技术领域，具体涉及一种多自由度声控仿真机械头，包括：头部，头部包括头骨以及包覆在头骨外侧的仿真皮肤；颈部舵机群，颈部舵机群包括依次连接的第一颈部舵机、第二颈部舵机和第三颈部舵机，第一颈部舵机与头骨连接，第三颈部舵机与躯干骨连接；控制器，控制器分别与第一颈部舵机、第二颈部舵机和第三颈部舵机电连接；遥控器，遥控器与控制器电连接，适于发送控制指令。本实用新型通过在机器人头部使用多个舵机，并通过每个舵机控制一个动作实现机械头多自由度的活动，可以模仿人类动作，且与真人的动作高度吻合，不仅能够完成更多的工作，且能够与人交互，成为人们生活中的助手，应用于更广阔的空间。

Description

一种多自由度声控仿真机械头

技术领域

本实用新型属于人工智能技术领域，具体涉及一种多自由度声控仿真机械头。

背景技术

随着科技一日千里的发展，各种人工智能设备应运而生，作为人工智能的载体，机器人作为自动执行工作的机器装置不断出现在各行各业。它既可以接收人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业或危险的工作。因此，可以说机器人就是具有生物功能的实际空间运行工具，可以代替人类完成一些危险或难以进行的劳作、任务等。但是大多的机器人的面孔要么是电脑屏幕、要么是钢铁外壳、要么是硬塑料，均呈现出一副冷冰冰的状态，让人敬而远之。而当前的仿真机器人大多处于实验阶段，用于构成仿真机器人的主要材料大多采用3D打印的方式制作，但是制作出的头骨结构固定，所能完成的动作较少，且动作僵硬不自然，即仿真程度不高；此外通过这种方式制作的头骨虽然精度高，但是结构复杂，本身重量也高，需要使用大扭力的舵机提供支撑作用，因此机械头整体的重量大，一般在三公斤左右；而头部重量过大导致机器人躯干部分的负重压力增大，需要提升自身的重量去支撑，因此间接导致机器人整体的体积较大；体积增大也相应提高了机器人的制作成本，不利于机器人的普遍推广，适用性不强。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种多自由度声控仿真机械头，以解决现有技术中机器人仿真程度不高且制作成本高的问题。

本实用新型提供的多自由度声控仿真机械头，包括：头部，所述头部包括头骨以及包覆在所述头骨外侧的仿真皮肤，所述仿真皮肤上设有口部、鼻和眼框，且口部内设有舌头，眼眶内设有眼球；颈部舵机群，所述颈部舵机群包括依次连接的第一颈部舵机、第二颈部舵机和第三颈部舵机，所述第一颈部舵机与所述头骨连接，所述第三颈部舵机与躯干骨连接；控制器，所述控制器分别与所述第一颈部舵机、第二颈部舵机和第三颈部舵机电连接；所述控制器适于控制所述第三颈部舵机驱动所述头部旋转，控制所述第二颈部舵机驱动所述头部左右摆动，控制所述第一颈部舵机驱动所述头部前后摆动；声音传感器，所述声音传感器安装于所述头骨上，并与所述控制器电连接。

如上所述的多自由度声控仿真机械头，进一步优选为，所述头骨包括下颌体，所述下颌体转动式连接在所述头骨上；还包括口部舵机群，所述口部舵机群包括第一口部舵机和第二口部舵机，所述第一口部舵机和所述第二口部舵机均安装于所述头骨上，所述第一口部舵机与所述下颌体连接，所述第二口部舵机与舌头的端部连接；所述第一口部舵机和第二口部舵机分别与所述控制器连接；所述第一口部舵机适于通过控制所述下颌体转动，使所述仿真皮肤的口部开合；所述第二口部舵机适于驱动所述舌头伸缩。

如上所述的多自由度声控仿真机械头，进一步优选为，还包括：眼部舵机群，所述眼部舵机群包括第一左眼舵机和第一右眼舵机，所述第一左眼舵机和第一右眼舵机均安装于所述头骨上，所述第一左眼舵机与左眼球连接，所述第一右眼舵机与右眼球连接；且所述第一左眼舵机和第一右眼舵机还分别与所述控制器电连接，适于在所述控制器的控制下分别驱动左眼球和右眼球上下转动。

如上所述的多自由度声控仿真机械头，进一步优选为，所述眼部舵机群还包括第二左眼舵机和第二右眼舵机，所述第二左眼舵机连接在所述头骨与所述第一左眼舵机之间，所述第二右眼舵机连接在所述头骨与所述第一右眼舵机之间，且所述第二左眼舵机和第二右眼舵机还分别与所述控制器电连接，适于在所述控制器的控制下分别驱动左眼球和右眼球左右转动。

如上所述的多自由度声控仿真机械头，进一步优选为，所述眼球的外表面设有眼睑；所述眼睑包括左眼睑与右眼睑；所述眼部舵机群还包括第三左眼舵机和第三右眼舵机，所述第三左眼舵机和所述第三右眼舵机均安装于所述头骨上，所述第三左眼舵机与所述左眼睑连接，所述第三右眼舵机与所述右眼睑连接；且所述第三左眼舵机、所述第三右眼舵机还分别与所述控制器连接，适于在所述控制器的控制下驱动所述左眼睑、右眼睑打开或闭合。

如上所述的多自由度声控仿真机械头，进一步优选为，还包括电源装置，所述电源装置分别与所述控制器、所述颈部舵机群、所述口部舵机群、所述眼部舵机群电连接。

如上所述的多自由度声控仿真机械头，进一步优选为，所述第一颈部舵机的扭矩大于所述第一口部舵机的扭矩。

如上所述的多自由度声控仿真机械头，进一步优选为，所述第三颈部舵机驱动所述头骨旋转的角度为150°-210°；所述第二颈部舵机驱动所述头骨向左或向右摆动的角度为35°-60°；所述第一颈部舵机驱动头骨向前或向后摆动的角度为35°-60°。

如上所述的多自由度声控仿真机械头，进一步优选为，所述控制器为24 路舵机控制板。

如上所述的多自由度仿真机械头，进一步优选为，还包括扬声器，所述扬声器安装于所述第二口部舵机上，并与所述控制器电连接。

本实用新型的上述技术方案，相比现有技术具有以下优点：

(1)本实用新型提供的多自由度声控仿真机械头，包括头部、颈部舵机群、口部舵机群、眼部舵机群、控制器和声音传感器，且所述颈部舵机群中的第一颈部舵机、第二颈部舵机和第三颈部舵机分别使得头部能够左右摆动、前后摆动和旋转，口部舵机群中的第一口部舵机和第二口部舵机分别用于控制口部的开合以及舌头的伸缩，眼部舵机群中的第一左眼舵机、第一右眼舵机、第二左眼舵机和第二右眼舵机分别使得左眼珠、右眼珠能够左右、上下转动，眼部舵机群中第三左眼舵机、第三右眼舵机分别控制左眼、右眼开合，即本实用新型中通过上述舵机的使用，模拟了人类的点头、摇头、头部左右摆动以及张 /闭口、伸/缩舌、左眼眨动、右眼眨动、左眼球上下转动、左眼球左右转动、右眼球上下转动以及右眼左右转动等共计十一个动作，实现了十一自由度的人体仿真；上述机械头的仿真控制通过声音传感器所获取的语音信息控制完成，且与真人的动作高度吻合，生动自然。

附图说明

图1为本实用新型中多自由度声控仿真机械头的颈部舵机群的结构示意图；

图2为本实用新型中口部舵机群和眼部舵机群的结构分布图；

图3为本实用新型中仿真皮肤的结构示意图。

附图标记说明：

1-第一颈部舵机，2-第二颈部舵机，3-第三颈部舵机，4-头骨，5-第一口部舵机，6-第二口部舵机，7-第一左眼舵机，8-第一右眼舵机，9-第二左眼舵机，10-第二右眼舵机，11-第三左眼舵机，12-第三右眼舵机，13-仿真皮肤， 14-控制器，15-声音传感器。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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做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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1-3所示，本实施例提供的多自由度声控仿真机械头，包括：头部，所述头部包括头骨4以及包覆在所述头骨4外侧的仿真皮肤，所述仿真皮肤上设有口部、鼻和眼眶，且口部内设有舌头，眼眶内设有眼球；颈部舵机群，所述颈部舵机群包括依次连接的第一颈部舵机1、第二颈部舵机2和第三颈部舵机3，所述第一颈部舵机1与所述头骨4连接，所述第三颈部舵机3与躯干骨连接；控制器14，所述控制器14分别与所述第一颈部舵机1、第二颈部舵机2和第三颈部舵机3电连接；所述控制器12适于控制所述第三颈部舵机3驱动所述头部旋转，控制所述第二颈部舵机2驱动所述头部左右摆动，控制所述第一颈部舵机1驱动所述头部前后摆动；声音传感器15，所述声音传感器15 安装于所述头骨上，并与所述控制器电连接。本实施例中的机器人头部包括主要头骨4和仿真皮肤13，头骨4用于提供支撑，仿真皮肤13则用于提供仿真的外形，使其与人的外形相似，具有人的五官。所述第一颈部舵机1、第二颈部舵机2和第三颈部舵机3依次连接，适于将各部分的动作耦合到一起，并具体通过头骨4表现出来，即所述头骨4可以在所述第一颈部舵机1、第二颈部舵机2和第三颈部舵机3的驱动下前后摆动、左右摆动以及旋转。控制器和所述遥控器的设置则适于人为驱动控制。声音传感器15的设置使得语音成为本实施例中仿真机械头的控制信号之一，加强了仿真机械头与人之间的交互，能更好的陪伴。

声音传感器15的作用相当于一个话筒(麦克风)，用来接收声波，并将其传递至控制器，本实施例中控制器相当于一个中央处理器，能接受处理所述声音传感器15所接受的声波并识别其指令，并根据声波中的指令对应控制机械头进行点头、摇头、头部左右摆动以及张/闭口、伸/缩舌、左眼眨动、右眼眨动、左眼球上下转动、左眼球左右转动、右眼球上下转动以及右眼左右转动等共计十一个动作的仿真活动。

如图1-3所示，进一步的，在本实施例所公开的多自由度声控仿真机械头中，所述头骨4包括下颌体，所述下颌体转动式连接在所述头骨4上，优选的，所述下颌体通过螺栓安装在所述头骨4上，且下颌体上开设的孔大于所述螺栓的直径；还包括口部舵机群，所述口部舵机群包括第一口部舵机5和第二口部舵机6，所述第一口部舵机5和所述第二口部舵机6均安装于所述头骨上，所述第一口部舵机5与所述下颌体连接，所述第二口部舵机6与舌头的端部连接；所述第一口部舵机5和第二口部舵机6分别与所述控制器连接；所述第一口部舵机5适于通过控制所述下颌体转动，使所述仿真皮肤13的口部开合；所述第二口部舵机6适于驱动所述舌头伸缩。实际使用时，口部的开合与舌头的伸缩需要设定条件，即口部张开状态时舌头才可以伸缩，否则，舌头不进行伸缩动作；舌头收缩状态时，口部才可以自由开合，否则，口部只能张开不能合拢，上述条件需要写入控制器中并严格执行。本实施例中，舌头的根部直接通过所述第二口部舵机6安装在头骨4上，并在所述第二口部舵机6的作用下伸缩；下颌骨则是头骨4中的活动部分，第一口部舵机5固定在所述头骨4的固定部分上，并与所述下颌骨连接，适于驱动下颌骨上下移动，进而通过下颌骨的移动牵扯包覆在下颌骨外侧的仿真皮肤13动作，实现口部的开合。

如图1-3所示，进一步的，在本实施例所公开的多自由度声控仿真机械头中，还包括：眼部舵机群，所述眼部舵机群包括第一左眼舵机7和第一右眼舵机8，所述第一左眼舵机7和第一右眼舵机8均安装于所述头骨4上，所述第一左眼舵机7与左眼球连接，所述第一右眼舵机8与右眼球连接；且所述第一左眼舵机7和第一右眼舵机8还分别与所述控制器14电连接，适于在所述控制器14的控制下分别驱动左眼球和右眼球上下转动。进一步的，所述眼部舵机群还包括第二左眼舵机9和第二右眼舵机10，所述第二左眼舵机9连接在所述头骨4与所述第一左眼舵机7之间，所述第二右眼舵机10连接在所述头骨4与所述第一右眼舵机之间，且所述第二左眼舵机9和第二右眼舵机10还分别与所述控制器14电连接，适于在所述控制器14的控制下分别驱动左眼球和右眼球左右转动。因机器人头部具有两只眼睛，为单独控制两只眼睛，本实施例中分别设置了第一左眼舵机7、第一右眼舵机8以及第二左眼舵机9和第二右眼舵机，且第一左眼舵机7与第二左眼舵机9连接，第一右眼舵机8与第二右眼舵机10连接，适于通过眼球表现出两个舵机的控制效果，实现上下翻转和左右翻转。

如图1-3所示，进一步的，在本实施例所公开的多自由度声控仿真机械头中，所述眼球的外表面设有眼睑；所述眼睑包括左眼睑与右眼睑；所述眼部舵机群还包括第三左眼舵机11和第三右眼舵机12，所述第三左眼舵机11和所述第三右眼舵机12均安装于所述头骨4上，所述第三左眼舵机11与所述左眼睑连接，所述第三右眼舵机12与所述右眼睑连接；且所述第三左眼舵机11、所述第三右眼舵机12还分别与所述控制器14连接，适于在所述控制器14的控制下驱动所述左眼睑、右眼睑打开或闭合。

如图1-3所示，进一步的，在本实施例所公开的多自由度声控仿真机械头中，还包括电源装置，所述电源装置分别与所述控制器、所述颈部舵机群、所述口部舵机群、所述眼部舵机群电连接，适于通过电源装置为所述控制器、所述颈部舵机群、所述口部舵机群、所述眼部舵机群供电。

如图1-3所示，进一步的，在本实施例所公开的多自由度声控仿真机械头中，所述第一颈部舵机1、第二颈部舵机2、第三颈部舵机3、第二左眼舵机9 和第二右眼舵机采用同一型号舵机；所述第一口部舵机5、第二口部舵机6、第一左眼舵机7、第一右眼舵机8、第三眼部舵机11采用同一型号舵机；且所述第一颈部舵机1的功率大于所述第一口部舵机5的功率。优选的所述第一颈部舵机1、第二颈部舵机2、第三颈部舵机3、第二左眼舵机9和第二右眼舵机使用25kg舵机，优选使用市售的型号为powerHD LF-20MG的舵机，所述第一口部舵机5、第二口部舵机6、第一左眼舵机7、第一右眼舵机8、第三眼部舵机11使用同一品牌的9g舵机。本实施例中所述第一颈部舵机1、第二颈部舵机2、第三颈部舵机3、第二左眼舵机9和第二右眼舵机采用同一型号舵机除了完成其本身的功能外，还需要提供支撑，而所述第一口部舵机5、第二口部舵机6、第一左眼舵机7、第一右眼舵机8、第三眼部舵机11则只需要完成其本身的功能。

如图1-3所示，进一步的，在本实施例所公开的多自由度声控仿真机械头中，所述第三颈部舵机3驱动所述头骨4旋转的角度为150°-210°；所述第二颈部舵机2驱动所述头骨4向左或向右摆动的角度为35°-60°；所述第一颈部舵机1驱动所述头骨4向前或向后摆动的角度为35°-60°。优选的，所述第三颈部舵机3驱动所述头骨4旋转180°；所述第二颈部舵机2驱动所述头骨4向左或向右摆动的角度为45°；所述第一颈部舵机1驱动所述头骨4 向前或向后摆动的角度为45°。

如图1-3所示，进一步的，在本实施例所公开的多自由度声控仿真机械头中，所述控制器为24路舵机控制板，购自众灵科技有限公司的型号为24路舵机机器人控制板，可实现电脑、手机、远程、wifi等多种控制方式，还可以通过电脑编程的方法设计各种动作。所述声音传感器15采用品牌为seeed studio 的Heelight Core的数字声音传感器，即IOT语音识别传感器。需要说明的是，上述控制器以及仅为本实施例中采用的产品来源，本领域技术人员还可采用其他市售常规的产品，不同厂家、型号的控制器并不影响本实用新型技术方案的实施及技术效果的实现。进一步的，如上所述的多自由度仿真机械头，进一步优选为，还包括扬声器，所述扬声器安装于所述第二口部舵机上，并与所述控制器电连接。扬声器适于发声，并可与现有的语音合成软件连接，让机器头或说话、会唱歌。本实施例中可通过外部语音的控制，实现机械头发声与口舌同步动作，实现与真人说话相仿的动作表情，提高拟真程度。未来，机械头还可以与图像识别技术等对接，为机器人的推广应用提供大量空间，使其市场前景广阔，并对人工智能的发展起到积极作用。

本实施例中的多自由度声控仿真机械头通过使用仿真皮肤13，使得机械头形象逼真，配合多自由度舵机，模拟了人类的点头、摇头、头部左右摆动以及张/闭口、伸/缩舌、左眼眨动、右眼眨动、左眼球上下转动、左眼球左右转动、右眼球上下转动以及右眼左右转动等共计十一个动作，实现了十一自由度的人体仿真，且与真人的动作高度吻合，使其可以模仿人类的各种表情，且与真人的工作高度吻合，生动自然。此外本实施例中机械头的硬件部分可通过组装的方式构成，各组件选择性购置成本低且重量轻的材料，控制程序内置于硬件产品中，可以直接使用；且后期制作简单，加工难度低，且加工后的成品重量低、体积小，容易普及，可以应用于各个行业，同时配件很容易获得，维护方便。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种多自由度声控仿真机械头，其特征在于，包括：

头部，所述头部包括头骨以及包覆在所述头骨外侧的仿真皮肤，所述仿真皮肤上设有口部、鼻和眼眶，且口部内设有舌头，眼眶内设有眼球；

颈部舵机群，所述颈部舵机群包括依次连接的第一颈部舵机、第二颈部舵机和第三颈部舵机，所述第一颈部舵机与所述头骨连接，所述第三颈部舵机与躯干骨连接；

控制器，所述控制器分别与所述第一颈部舵机、第二颈部舵机和第三颈部舵机电连接；所述控制器适于控制所述第三颈部舵机驱动所述头部旋转，控制所述第二颈部舵机驱动所述头部左右摆动，控制所述第一颈部舵机驱动所述头部前后摆动；

声音传感器，所述声音传感器安装于所述头骨上，并与所述控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的多自由度声控仿真机械头，其特征在于，所述头骨包括下颌体，所述下颌体转动式连接在所述头骨上；

还包括口部舵机群，所述口部舵机群包括第一口部舵机和第二口部舵机，所述第一口部舵机和所述第二口部舵机均安装于所述头骨上，所述第一口部舵机与所述下颌体连接，所述第二口部舵机与舌头的端部连接；所述第一口部舵机和第二口部舵机分别与所述控制器连接；所述第一口部舵机适于通过控制所述下颌体转动，使所述仿真皮肤的口部开合；所述第二口部舵机适于驱动所述舌头伸缩。

3.根据权利要求2所述的多自由度声控仿真机械头，其特征在于，还包括：

眼部舵机群，所述眼部舵机群包括第一左眼舵机和第一右眼舵机，所述第一左眼舵机和第一右眼舵机均安装于所述头骨上，所述第一左眼舵机与左眼球连接，所述第一右眼舵机与右眼球连接；且所述第一左眼舵机和第一右眼舵机还分别与所述控制器电连接，适于在所述控制器的控制下分别驱动左眼球和右眼球上下转动。

4.根据权利要求3所述的多自由度声控仿真机械头，其特征在于，

所述眼部舵机群还包括第二左眼舵机和第二右眼舵机，所述第二左眼舵机连接在所述头骨与所述第一左眼舵机之间，所述第二右眼舵机连接在所述头骨与所述第一右眼舵机之间，且所述第二左眼舵机和第二右眼舵机还分别与所述控制器电连接，适于在所述控制器的控制下分别驱动左眼球和右眼球左右转动。

5.根据权利要求4所述的多自由度声控仿真机械头，其特征在于，所述眼球的外表面设有眼睑；所述眼睑包括左眼睑与右眼睑；

所述眼部舵机群还包括第三左眼舵机和第三右眼舵机，所述第三左眼舵机和所述第三右眼舵机均安装于所述头骨上，所述第三左眼舵机与所述左眼睑连接，所述第三右眼舵机与所述右眼睑连接；且所述第三左眼舵机、所述第三右眼舵机还分别与所述控制器连接，适于在所述控制器的控制下驱动所述左眼睑、右眼睑打开或闭合。

6.根据权利要求5所述的多自由度声控仿真机械头，其特征在于，还包括电源装置，所述电源装置分别与所述控制器、所述颈部舵机群、所述口部舵机群、所述眼部舵机群电连接。

7.根据权利要求6所述的多自由度声控仿真机械头，其特征在于，所述第一颈部舵机的扭矩大于所述第一口部舵机的扭矩。

8.根据权利要求7所述的多自由度声控仿真机械头，其特征在于，所述第三颈部舵机驱动所述头骨旋转的角度为150°-210°；所述第二颈部舵机驱动所述头骨向左或向右摆动的角度为35°-60°；所述第一颈部舵机驱动所述头骨向前或向后摆动的角度为35°-60°。

9.根据权利要求8所述的多自由度声控仿真机械头，其特征在于，所述控制器为24路舵机控制板。

10.根据权利要求9所述的多自由度声控仿真机械头，其特征在于，还包括扬声器，所述扬声器安装于所述第二口部舵机上，并与所述控制器电连接。