TWI383829B - Dynamic Module System of Human Body Robot Eye Mechanism - Google Patents

Description

人形機器人眼部機構之動態模組系統

本發明係屬於智慧型機器人眼部機構之技術領域，尤指應用於人形機器人臉部情緒仿真之眼部機構系統。

智慧型機器人是21世紀先進國家優先發展的新科技產業，關鍵技術涵蓋機構設計、馬達控制、影音感測技術、導航感測技術、嵌入式微處理器應用技術…等等整合機電知識的相關專業技術。一般而言，機器人可分類為產業用及服務用兩大類，智慧型機器人屬於知識、資本與技術密集的跨領域整合型新興產業。在科技日新月異的現代，具有多樣化表情或動作的智慧型機器人被創作出來，而舉凡這些智慧型機器人可應用於大樓保全或是作為娛樂商品。

為了使智慧型機器人的動作更貼近人類的行為，或增添與人們互動的表情，一直是從事機器人研究工作所追求之課題。人形機器人頭部的技術發展可分類為初階、中階與高階三個領域，其中大多數初階與中階的頭頸部技術發展主要投入在基本情緒機構與控制的技術創新，高階技術除了著重於面部情緒與環境的互動外，也強調細緻微調能明顯觸動機器人之所引起之情境變化，仿生機構設計、致動器控制與互動式情緒模擬分被視為是發展高階關鍵技術。就日本AIST(Advanced Industrial Science and Technology)與韓國KAIST(Korea Advanced Institute of Science and Technology)發展人形機器人的成功經驗可知，微型機構的製作工藝與控制為其關鍵因素。

有關於智慧型機器人臉部眼球、眼皮、眉毛…等先前的仿生技術多過於複雜，設計製作成本過高，造成人形機器人頭部過重，馬達驅動減速或傳動機構…等困擾。但對於臉部表情變化的仿真效果卻不見有突破性的進展，使得這些臉部仿生的程度大打折扣，無法猶如人類臉部表情的逼真。先前技術在人工眼球下加裝減速或傳動機構得做法，將配合低轉速、大扭力的微型機構與直流5伏微型致動器得到改善。

本發明之目的在提供應用於人形機器人臉部情緒仿真之眼部機構系統。利用重量僅9克以下的先進微型致動器(直流5伏之遙控(Remote Control；RC)伺服機或超音波馬達)的低功率、低轉速、大轉矩、微型輕量…等優勢，以簡化智慧型機器人微型機構的複雜性，以省略減速齒輪機構的傳動困擾。本微型機構提供微型致動器控制智慧型機器人眼球垂直與水平移動、眼皮垂直移動的功能。當直流5伏之致動器順時鐘或逆時鐘方向旋轉時，經由可調整撓性連桿以及固定軸承，致動器之扭力將瞬間傳遞至瞳孔中央槓桿，經由可調整撓性四連桿及滑動機構，將眼球作垂直與水平角度的撓性擺動，而眼球瞳孔的垂直與水平擺動角度可依需求設定為正負55~75度。另一方面，眼皮機構係由另一組微型致動器所控制垂直移動的功能，當直流5伏之致動器順時鐘或逆時鐘方向旋轉 時，經由可調整撓性連桿以及固定軸承，致動器之扭力將瞬間傳遞至眼皮拉力機構，經由可調整連桿將眼皮作垂直角度的閉合或開啟，而眼皮垂直的擺動角度可依需求設定為單向65~95度。

達到上述目的之人形機器人眼部機構之動態模組，具有兩組可獨立移動與控制之子系統，包括：一、眼球眼球2D曲柄機構子系統，用以提供具有可調整垂直與水平撓性之曲柄及滑動機構，將眼球作垂直與水平角度的撓性擺動，二、眼皮機構子系統，用以提供具有可調整撓性連桿以及固定軸承，可將眼皮作垂直角度的閉合或開啟，以及三、微型低功率致動器所控制，用以提供具有驅動人形機器人眼部機構之動態模組的動力來源。達到上述目的之智慧型機器人眼部機構之動態模組之電源來自於鋰電池串聯直流電源模組，提供的4.5-6伏(V)之直流電壓電源之平均為功率20瓦(W)，控制方式採用2.4GHz無線電控制模組或使用具有20個輸出入點的乙太網路(Ethernet)訊號傳輸之8051單晶片控制模組。

雖然本發明將參閱含有本發明較佳實施例之所附圖式予以充分描述，但在此描述之前應瞭解熟悉本行之人士可修改本文中所描述之發明，同時獲致本發明之功效。因此，須瞭解以下之描述對熟悉本行技藝之人士而言為一廣泛之揭示，且其內容不在於限制本發明。

請參閱第1圖，顯示本發明人形機器人臉部及眼部結構之示意圖。圖中包括有臉部結構1、眼球機構2及眼皮機構3 。其中臉部結構1可由可調整之仿真矽膠或橡膠材料製作而成，而眼球機構2可具有瞳孔等，眼皮機構3則可具有睫毛。

請參閱第2圖及第3圖，第2圖顯示本發明人形機器人頭顱骨示意圖，第3圖顯示為本發明人形機器人頭顱骨結構及眼部結構之示意圖，並配合參閱第1圖。圖中包括有眼結機構2、眼皮機構3、眼窩結構4、L型裂口5及瞳孔結構6。其中機器人眼窩結構4之顱骨外型可由FRP(Fiber Reinforced Plastic玻璃纖維強化塑膠)製作，而眼窩結構4的L型裂口5可提供眼部機構2的控制連桿(圖未示)之位移運動空間，而瞳孔結構6主要包含有CCD攝影機鏡頭。

繼續參考第4圖，第4圖顯示本發明人形機器人眼球機構之示意圖，並配合參閱第2圖及第3圖。圖中包括有眼球機構2、第一扭力輸入機件7、第二扭力輸入機件8、第一致動器9及第二致動器10。在此實施例中，眼球機構2內含有瞳孔結構6，而眼球機構2可藉由固定插銷11與曲柄機構12連結，固定插銷11並設於眼球機構2上，且曲柄機構12可與第一扭力輸入機件7及第二扭力輸入機件8連結，而第一扭力輸入機件7及第二扭力輸入機件8應分別與第一致動器9及第二致動器10連結，第一扭力輸入機件7及第二扭力輸入機件8分別使曲柄機構12可帶動眼球機構2的瞳孔結構6具有垂直與水平之二維調整位移，並使眼球機構2的瞳孔結構6之垂直與水平擺動角度介於正負55~77度，其中第一致動器9及第二致動器10使第一扭力 輸入機件7及第二扭力輸入機件8之旋轉角度設定為正負90度。其中第一致動器9及第二致動器10可為直流5伏微型致動器。

請參閱第5圖，係顯示本發明人形機器人眼皮機構之示意圖(單眼球獨立動作)，並配合參閱第1圖。圖中包括有眼皮機構3、撓性連桿13、第三扭力輸入機件14、可調整套筒15及第三致動器16。在此實施例中，撓性連桿13之一端連接有眼皮機構3及睫毛，其另一端可樞接於多孔圓盤17之一面之側緣上。且眼皮機構3之第三扭力輸入機件14亦連結於多孔圓盤17之另一面軸心處，而第三扭力輸入機件14可配置於第三致動器16，當第三致動器16於作動後使第三扭力輸入機件14帶動多孔圓盤17作動，進而達到第三致動器16彈性調整第三扭力輸入機件14之扭力輸出角度。可調整套筒15之內部具有螺牙(圖未示)，其可依需要彈性調整撓性連桿13之伸縮長度，第三致動器16可提供第三扭力輸入機件14作動，因而一併帶動撓性連桿13作動，而使撓性連桿13可將眼皮機構3及睫毛作動，其設定可使眼皮機構3及睫毛作單向65~95度的弧度擺動。而該第三扭力輸入機件14之允許旋轉角度設定為單向120度向下擺動。其中第三致動器16可為直流5伏微型致動器。上述之智慧型機器人眼部機構之動態模組之電源來自於鋰電池串聯直流電源模組，提供的4.5-6伏(V)直流電壓電源之平均為20瓦(W)之功率給予第一致動器9、第二致動器10及第三致動器16。其控制方式採用2.4GHz無線電控制模組或使用具有20個輸出入點的乙太 網路(Ethernet)訊號傳輸之8051單晶片控制模組(圖未示)。

請參閱第6圖(雙眼球同時動作)，顯示本發明人形機器人臉部及眼部機構，並配合參閱第1圖。圖中之眼球控制機構之動態模組包含有兩眼球機構20、水平位移機構21、垂直位移機構22、第一致動器23及第二致動器24，該眼球機構20具有瞳孔結構25及延伸端26。水平位移機構21之兩端可分別與兩眼球機構20之該延伸端26樞接，且水平位移機構21之表面具有一齒部27。垂直位移機構22之兩端樞接於兩眼球機構20上，第一致動器23可搭配具有齒輪28，且齒輪28結合於齒部27。第二致動器24與垂直位移機構22之一突起部29連結。其中，該第一致動器23作動使齒輪28轉動，而與齒輪28結合之齒部27使水平位移機構21產生位移，進而使兩眼球機構20可呈現水平的轉動，而該第二致動器24作動使垂直位移機構22產生縱向的轉動，進而使眼球機構20的瞳孔結構25呈現垂直的移動。其中第一致動器23及第二致動器24可為直流5伏微型致動器。上述之智慧型機器人眼部機構之動態模組之電源來自於鋰電池串聯直流電源模組，提供的4.5-6伏(V)直流電壓電源之平均為20瓦(W)之功率給予第一致動器23及第二致動器24。其控制方式採用2.4 GHz無線電控制模組或使用具有20個輸出入點的乙太網路(Ethernet)訊號傳輸之8051單晶片控制模組(圖未示)。其中，瞳孔結構25主要包含有CCD攝影機鏡頭。

本發明之優點在於：改善先前技術在人工眼球下加裝減 速或傳動機構得做法，將配合低轉速、大扭力的微型機構與直流5伏微型致動器(微型遙控(REMOTE CONTROL；RC)伺服機或微型超音波馬達)得到改良。

本發明將拋棄以往機器人臉部眼球、眼皮、眉毛…等機構設計對於減速齒輪機構的依賴，對於臉部表情變化的仿真效果將具有突破性的進展。使得以往機器人臉部眼球、眼皮、眉毛…等先前的仿生技術多過於複雜，設計製作成本過高，造成人形機器人頭部過重，馬達驅動減速或傳動機構…等問題不再成為困擾，人形機器人臉部仿生表情將更為逼真。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此，本發明之保護範圍，當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧臉部結構模組

2‧‧‧眼球機構

3‧‧‧眼皮機構

4‧‧‧眼窩結構

5‧‧‧L型裂口

6‧‧‧瞳孔結構

7‧‧‧第一扭力輸入機件

8‧‧‧第二扭力輸入機件

9‧‧‧第一致動器

10‧‧‧第二致動器

11‧‧‧固定插銷

12‧‧‧曲柄機構

13‧‧‧撓性連桿

14‧‧‧第三扭力輸入機件

15‧‧‧可調整套筒

16‧‧‧第三致動器

17‧‧‧多孔圓盤

20‧‧‧眼球機構

21‧‧‧水平位移機構

22‧‧‧垂直位移機構

23‧‧‧第一致動器

24‧‧‧第二致動器

25‧‧‧瞳孔結構

26‧‧‧延伸端

27‧‧‧齒部

28‧‧‧齒輪

29‧‧‧突起部

第1圖係顯示本發明人形機器人臉部及眼部結構之示意圖；第2圖係顯示本發明人形機器人頭顱骨之示意圖；第3圖係顯示為本發明人形機器人頭顱骨結構及眼部結構之示意圖；第4圖係顯示本發明人形機器人眼球機構之示意圖；第5圖係顯示本發明人形機器人眼皮機構之示意圖(單眼球獨立動作)；以及第6圖係顯示本發明人形機器人另一實施例之示意圖。

1‧‧‧臉部結構模組

2‧‧‧眼球機構

3‧‧‧眼皮機構

Claims (2)

1. 一種人形機器人眼部機構之動態模組系統，該動態模組系統具有可控制眼部移動之機構，包括：一眼球控制機構之動態模組，其包括有一眼球機構、一第一致動器及一第二致動器，該眼球機構內含有一瞳孔結構，而該眼球機構係藉由一固定插銷與一曲柄機構連結，該固定插銷一端設於該眼球機構上，該固定插銷另一端設於該曲柄機構上，且該曲柄機構係與一第一扭力輸入機件及一第二扭力輸入機件連結，而該第一扭力輸入機件及該第二扭力輸入機件應分別與該第一致動器及該第二致動器連結，使該曲柄機構上可帶動該眼球機構而具有垂直與水平之2維調整位移，並使該眼球機構之垂直與水平擺動角度介於正負55~77度，其中該第一致動器及該第二致動器使該第一扭力輸入機件及該第二扭力輸入機件之旋轉角度設定為正負90度；以及一眼皮控制機構之動態模組，其包括有一眼皮機構、一第三致動器、一撓性連桿、一可調整套筒及一第三扭力輸入機件，該眼皮機構係設置於該眼球機構之一側旁，且該撓性連桿之一端連結於該眼皮機構，其另一端樞接於一多孔圓盤之一面之側緣上，且該第三扭力輸入機件亦連結於該多孔圓盤之另一面軸心處，該第三扭力輸入機件係配置於該第三致動器，該第三致動器於作動後使該第三扭力輸入機件帶動該多孔圓盤作動，進而達到彈性調整該第三扭力輸入機件之扭力輸出角度，且進一步帶動該撓性連桿，以致於該撓性連桿使該眼皮做垂直的位移，其垂直擺動的為 單向65至95度，其中該可調整套筒具有內部螺牙，其可調整撓性連桿之伸縮長度，其中該第三致動器使該第三扭力輸入機件之旋轉角度設定為單向120度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之人形機器人眼部機構之動態模組系統，其中該第一致動器、該第二致動器及該第三致動器係為直流微型致動器，其被提供的4.5~6伏之直流電壓平均為20瓦，其控制方式為2.4 GHz無線電控制模組或使用具有20個輸出入點的乙太網路訊號傳輸之8051單晶片控制模組。