十三自由度仿人机器人头部机构 【技术领域】
本发明涉及一种仿人机器人头部机构。
背景技术
目前的仿人机器人头部机构结构复杂、运动灵活性差、运动精度低，特别是眼睛的运动机构不够灵活，即眼睛的左右或上下转动是同步的；整体外观乃至局部的尺寸、以及每个器官所能运动的幅度都与人类的头部相差较大，整体机构的动作协调性不高。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种十三自由度仿人机器人头部机构，以解决目前仿人机器人头部机构结构复杂、灵活性差、运动精度低、整体机构的动作协调性不高的问题。本发明包括双眼独立偏转和仰俯运动、眼睑及嘴巴开合运动，眼眉的紧皱与舒缓、嘴角的移动共计十三个自由度。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明的十三自由度仿人机器人头部机构由两个眼眉机构、两个眼睛运动机构、嘴机构和底板组成；每个眼眉机构由眼眉舵机支架、两个眼眉伺服舵机、两个眼眉滑销、两个眼眉摆杆、两根眼眉轴、两个眼眉轴套和两个眼眉支撑杆组成；每个眼睛运动机构由眼睛支架、两个眼球伺服舵机、眼睑伺服舵机、眼球舵机支架、眼眶、四根眼眶轴、两个眼球滑销、外滑环、外滑环摆杆、两个外滑环轴套、内滑环、内滑环摆杆、两个内滑环轴套、眼球摆杆、眼球、眼球套、眼睑支撑架、两个眼睑轴套、眼睑滑销和眼睑摆杆组成；嘴机构由嘴架、两个嘴角舵机支架、两个嘴角伺服舵机、两个嘴角滑销、两个嘴角摆杆、两个嘴角轴套、两根嘴角轴、上嘴唇、嘴巴舵机支架、嘴巴伺服舵机、嘴巴滑销、下嘴唇、两根嘴巴轴和两个嘴巴轴套组成；
眼眉舵机支架和眼睛支架一一对应设置，眼睛支架和眼眉舵机支架由前至后固定在底板的上端面上，两个眼眉伺服舵机均固装在眼眉舵机支架上，每个眼眉伺服舵机的输出端与眼眉舵机曲柄的一端固接，两个眼眉舵机曲柄相对于眼眉舵机支架的中心对称设置在眼眉舵机支架外的两侧，每个眼眉舵机曲柄的另一端固装有一个眼眉滑销，眼睛支架外的两侧各设置有一个眼眉摆杆，眼眉滑销设置在眼眉摆杆一端设有的眼眉滑销长槽内，且二者滑动配合，眼眉摆杆的另一端与眼眉轴的一端连接，眼眉轴的另一端与眼眉支撑杆的后端连接，眼眉轴上套装有眼眉轴套且二者间隙配合，眼眉轴套装在眼睛支架侧壁上的眼眉轴套孔内且二者过盈配合；
所述两个眼球伺服舵机分别是眼球左右摆动伺服舵机和眼球仰俯转动伺服舵机，眼球左右摆动伺服舵机固装在眼睛支架的上横梁上，眼球仰俯转动伺服舵机和眼睑伺服舵机设置在眼睛支架与眼眉舵机支架之间且均固装在眼球舵机支架上，眼眶为圆环形，圆环形眼眶的外圆周端面上设有与圆环形眼眶的内环腔相通的四根眼眶轴，且圆环形眼眶的水平中心轴线和垂直中心轴线上各设置有两根眼眶轴，四根眼眶轴与圆环形眼眶制成一体，圆环形眼眶固定在眼睛支架的两侧和底板的上端面上，眼球仰俯转动伺服舵机的输出端与眼球仰俯舵机曲柄的一端固接，两个眼球滑销分别是眼球仰俯滑销和眼球摆动滑销，眼球仰俯舵机曲柄的另一端与眼球仰俯滑销固接，外滑环的一外侧壁与外滑环摆杆固接，外滑环摆杆上设有外滑环长槽，眼球仰俯滑销与外滑环摆杆上的外滑环长槽滑动配合，外滑环的两端各设有一个外滑环轴套孔，外滑环上的每个外滑环轴套孔内固装有一个外滑环轴套，每个外滑环轴套套装在位于圆环形眼眶水平中心轴线上的眼眶轴上且二者间隙配合；
眼球左右摆动伺服舵机的输出端与眼球左右摆动舵机曲柄的一端固接，眼球左右摆动舵机曲柄的另一端与眼球左右摆动滑销固接，内滑环的一外侧壁与内滑环摆杆固接，内滑环摆杆上设有内滑环长槽，眼球左右摆动滑销与内滑环摆杆上的内滑环长槽滑动配合，内滑环的两端各设有一个内滑环轴套孔，内滑环的每个内滑环轴套孔内固装有一个内滑环轴套，每个内滑环轴套套装在位于圆环形眼眶垂直中心轴线上的眼眶轴上且二者间隙配合，眼球摆杆的一端与眼球的中心位置连接，外滑环上设有外滑环滑道，内滑环上设有内滑环滑道，眼球摆杆的另一端穿过内滑环的内滑环滑道和外滑环的外滑环滑道设置在外滑环的外面，眼球套设置在眼球与圆环形眼眶之间，眼球套与圆环形眼眶过盈配合，眼球与眼球套间隙配合；
眼睑支撑架的两端各设有一个眼睑轴套孔，眼睑支撑架的每个眼睑轴套孔内固装有一个眼睑轴套，眼睑轴套套装在位于圆环形眼眶水平中心轴线上地眼眶轴上且二者间隙配合，眼睑伺服舵机的输出端与眼睑开合曲柄的一端固接，眼睑开合曲柄的另一端与眼睑滑销固接，眼睑摆杆与眼睑支撑架固接，眼睑滑销与眼睑摆杆上的眼睑长槽滑动配合；
嘴架的上端与底板的下端面固接，两个嘴角舵机支架均固定在嘴架上的后侧，每个嘴角舵机支架上固装有一个嘴角伺服舵机，每个嘴角伺服舵机的输出端与嘴角舵机曲柄的一端固接，嘴架的两侧各设置有一个嘴角舵机曲柄，每个嘴角舵机曲柄的另一端与嘴角滑销固接，每个嘴角滑销与相应的嘴角摆杆后端上的嘴角滑槽滑动配合，嘴角摆杆的前端为嘴角支撑点，嘴角摆杆的中部设有嘴角轴套孔，嘴角轴套固装在嘴角摆杆上的嘴角轴套孔内，每个嘴角轴套内装有与其间隙配合的嘴角轴，两根嘴角轴同轴设置，上嘴唇与嘴架的两侧固接，嘴巴舵机支架固定在嘴架上且位于嘴角伺服舵机的前侧，嘴巴伺服舵机的输出端与嘴巴舵机曲柄的一端固接，嘴巴舵机曲柄的另一端与嘴巴滑销固接，嘴巴滑销与下嘴唇侧壁上的下嘴唇滑槽滑动配合，嘴架的两侧各固装有一根嘴巴轴，两根嘴巴轴同轴设置，下嘴唇的两端各设有一个嘴巴轴套孔，下嘴唇上的每个嘴巴轴套孔内固装有一个嘴巴轴套，嘴巴轴套套装在嘴巴轴上且二者间隙配合。
本发明的有益效果是：一、本发明的头部机构自由度多达十三个，并采用摆杆和滑销作为驱动机构，使其运动灵活性提高，尤其是眼睛运动机构采用摆杆与眼球(球铰机构)的结合可以使眼球左右偏转在+40°～-40°范围内和仰俯转动在+20°～-20°范围内。二、本发明的整体结构乃至每个器官所能运动的幅度都与人类的头部相近。三、本发明的整体机构的动作协调性好，通过头部控制机构，以准确、谐调和迅速地实现多种表情头部器官所达到的位置，来表达机器人的多种表情状态，最终使机器人能通过丰富生动的表情与人进行自然流畅的情感交流。
【附图说明】
图1是本发明的整体结构主视图，图2是图1的俯视图，图3是图2的A-A剖视图，图4是图1的左视图，图5是图4的B-B剖视图，图6是图1的C部放大图，图7是图1的D部放大图。
【具体实施方式】
具体实施方式一：结合图1～图7说明本实施方式，本实施方式的十三自由度仿人机器人头部机构由两个眼眉机构、两个眼睛运动机构、嘴机构和底板8组成；每个眼眉机构由眼眉舵机支架32、两个眼眉伺服舵机1、两个眼眉滑销12、两个眼眉摆杆30、两根眼眉轴19、两个眼眉轴套18和两个眼眉支撑杆29组成；每个眼睛运动机构由眼睛支架4、两个眼球伺服舵机、眼睑伺服舵机42、眼球舵机支架43、眼眶3、四根眼眶轴44、两个眼球滑销、外滑环15、外滑环摆杆47、两个外滑环轴套21、内滑环13、内滑环摆杆48、两全内滑环轴套49、眼球摆杆14、眼球5、眼球套6、眼睑支撑架16、两个眼睑轴套20、眼睑滑销50和眼睑摆杆51组成；嘴机构由嘴架9、两个嘴角舵机支架33、两个嘴角伺服舵机52、两个嘴角滑销53、两个嘴角摆杆26、两个嘴角轴套25、两根嘴角轴24、上嘴唇28、嘴巴舵机支架34、嘴巴伺服舵机54、嘴巴滑销55、下嘴唇27、两根嘴巴轴23和两个嘴巴轴套22组成；
眼眉舵机支架32和眼睛支架4一一对应设置，眼睛支架4和眼眉舵机支架32由前至后固定在底板8的上端面上，两个眼眉伺服舵机1均固装在眼眉舵机支架32上，每个眼眉伺服舵机1的输出端与眼眉舵机曲柄1-1的一端固接，两个眼眉舵机曲柄1-1相对于眼眉舵机支架32的中心对称设置在眼眉舵机支架32外的两侧，每个眼眉舵机曲柄1-1的另一端固装有一个眼眉滑销12，眼睛支架4外的两侧各设置有一个眼眉摆杆30，眼眉滑销12设置在眼眉摆杆30一端设有的眼眉滑销长槽内，且二者滑动配合，眼眉摆杆30的另一端与眼眉轴19的一端连接，眼眉轴19的另一端与眼眉支撑杆29的后端连接，眼眉轴19上套装有眼眉轴套18且二者间隙配合，眼眉轴套18装在眼睛支架4侧壁上的眼眉轴套孔内且二者过盈配合；
所述两个眼球伺服舵机分别是眼球左右摆动伺服舵机40和眼球仰俯转动伺服舵机41，眼球左右摆动伺服舵机40固装在眼睛支架4的上横梁上，眼球仰俯转动伺服舵机41和眼睑伺服舵机42设置在眼睛支架4与眼眉舵机支架32之间且均固装在眼球舵机支架43上，眼眶3为圆环形，圆环形眼眶3的外圆周端面上设有与圆环形眼眶3的内环腔相通的四根眼眶轴44，且圆环形眼眶3的水平中心轴线和垂直中心轴线上各设置有两根眼眶轴44，四根眼眶轴44与圆环形眼眶3制成一体，圆环形眼眶3固定在眼睛支架4的两侧和底板8的上端面上，眼球仰俯转动伺服舵机41的输出端与眼球仰俯舵机曲柄41-1的一端固接，两个眼球滑销分别是眼球仰俯滑销45和眼球摆动滑销46，眼球仰俯舵机曲柄41-1的另一端与眼球仰俯滑销45固接，外滑环15的一外侧壁与外滑环摆杆47固接，外滑环摆杆47上设有外滑环长槽，眼球仰俯滑销45与外滑环摆杆47上的外滑环长槽滑动配合，外滑环15的两端各设有一个外滑环轴套孔，外滑环15上的每个外滑环轴套孔内固装有一个外滑环轴套21，每个外滑环轴套21套装在位于圆环形眼眶3水平中心轴线上的眼眶轴44上且二者间隙配合；
眼球左右摆动伺服舵机40的输出端与眼球左右摆动舵机曲柄40-1的一端固接，眼球左右摆动舵机曲柄40-1的另一端与眼球左右摆动滑销46固接，内滑环13的一外侧壁与内滑环摆杆48固接，内滑环摆杆48上设有内滑环长槽，眼球左右摆动滑销46与内滑环摆杆48上的内滑环长槽滑动配合，内滑环13的两端各设有一个内滑环轴套孔，内滑环13的每个内滑环轴套孔内固装有一个内滑环轴套49，每个内滑环轴套49套装在位于圆环形眼眶3垂直中心轴线上的眼眶轴44上且二者间隙配合，眼球摆杆14的一端与眼球5的中心位置连接，外滑环15上设有外滑环滑道15-1，内滑环13上设有内滑环滑道13-1，眼球摆杆14的另一端穿过内滑环13的内滑环滑道13-1和外滑环15的外滑环滑道15-1设置在外滑环15的外面，眼球套6设置在眼球5与圆环形眼眶3之间，眼球套6与圆环形眼眶3过盈配合，眼球5与眼球套6间隙配合；
眼睑支撑架16的两端各设有一个眼睑轴套孔，眼睑支撑架16的每个眼睑轴套孔内固装有一个眼睑轴套20，眼睑轴套20套装在位于圆环形眼眶3水平中心轴线上的眼眶轴44上且二者间隙配合，眼睑伺服舵机42的输出端与眼睑开合曲柄42-1的一端固接，眼睑开合曲柄42-1的另一端与眼睑滑销50固接，眼睑摆杆51与眼睑支撑架16固接，眼睑滑销50与眼睑摆杆51上的眼睑长槽滑动配合；
嘴架9的上端与底板8的下端面固接，两个嘴角舵机支架33均固定在嘴架9上的后侧，每个嘴角舵机支架33上固装有一个嘴角伺服舵机52，每个嘴角伺服舵机52的输出端与嘴角舵机曲柄52-1的一端固接，嘴架9的两侧各设置有一个嘴角舵机曲柄52-1，每个嘴角舵机曲柄52-1的另一端与嘴角滑销53固接，每个嘴角滑销53与相应的嘴角摆杆26后端上的嘴角滑槽滑动配合，嘴角摆杆26的前端为嘴角支撑点，嘴角摆杆26的中部设有嘴角轴套孔，嘴角轴套25固装在嘴角摆杆26上的嘴角轴套孔内，每个嘴角轴套25内装有与其间隙配合的嘴角轴24，两根嘴角轴24同轴设置，上嘴唇28与嘴架9的两侧固接，嘴巴舵机支架34固定在嘴架9上且位于嘴角伺服舵机52的前侧，嘴巴伺服舵机54的输出端与嘴巴舵机曲柄54-1的一端固接，嘴巴舵机曲柄54-1的另一端与嘴巴滑销55固接，嘴巴滑销55与下嘴唇27侧壁上的下嘴唇滑槽滑动配合，嘴架9的两侧各固装有一根嘴巴轴23，两根嘴巴轴23同轴设置，下嘴唇27的两端各设有一个嘴巴轴套孔，下嘴唇27上的每个嘴巴轴套孔内固装有一个嘴巴轴套22，嘴巴轴套22套装在嘴巴轴23上且二者间隙配合。本实施方式中所使用的伺服舵机均外购。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式以眼眉轴19的水平中心轴线为基准，眼眉支撑杆29的前端上下摆动范围在+5mm～-5mm以内。如此设置，可满足设计要求。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式以圆环形眼眶3的垂直中心轴线为基准，眼球5的左右转动范围在+40°～-40°之间。如此设置，可满足设计要求。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式以圆环形眼眶3的水平中心轴线为基准，眼球5的仰俯转动范围在+20°～-20°之间。如此设置，可满足设计要求。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图5说明本实施方式，本实施方式以嘴角轴24的水平中心轴线为基准，嘴角摆杆26的前端上下摆动范围在+10mm～-10mm之间。如此设置，可满足设计要求。其它与具体实施方式一或四相同。
工作原理
眼眉机构是通过控制一个眼眉两端点的上下移动实现的。眼眉伺服舵机1通过眼眉摆杆30驱动眼眉轴19绕眼眉轴套18转动，从而使眼眉支撑杆29摆动，可实现眼眉一端上下移动-5mm～+5mm，眼眉另一端也是如此。
眼睛运动机构中，眼球仰俯转动伺服舵机41通过眼球仰俯舵机曲柄41-1、眼球仰俯滑销45及外滑环摆杆47(即构成摆动导杆机构)驱动外滑环15摆动，能绕圆环形眼眶3水平中心轴线转动从而带动眼球摆杆14运动，实现眼球5的仰俯转动范围在+20°～-20°之间；眼球左右摆动伺服舵机40通过眼球左右摆动舵机曲柄40-1、眼球左右摆动滑销46及内滑环摆杆48(即摆动导杆机构)驱动内滑环13摆动，能绕圆环形眼眶3的垂直中心轴线转动从而带动眼球摆杆14运动，实现眼球5的左右转动范围在+40°～-40°之间；眼睑伺服舵机42通过眼睑开合曲柄42-1、眼睑滑销50和眼睑摆杆51(即摆动导杆机构)驱动眼睑支撑架16摆动，能绕圆环形眼眶3的水平中心轴线转动从而实现眼睑的开合；另一个眼睛也是如此。
嘴机构中，嘴角摆杆26的中部能绕固定在嘴架9上的嘴角轴24转动，嘴角伺服舵机52通过嘴角舵机曲柄52-1、嘴角滑销53及嘴角摆杆26(即摆动导杆机构)驱动嘴角摆杆26的前端实现嘴角一端上下-10mm～+10mm的运动；另一嘴角也是如此。嘴巴伺服舵机54通过嘴巴舵机曲柄54-1及嘴巴滑销55驱动下嘴唇27摆动，从而实现嘴巴的开合运动。