一種雙面機器人頭部結構設計

周潘偉

ZHOU Pan-wei

（中國科學院 上海技術物理研究所，上海 200083）

0 引言

擬人機器人是一種理想的能與人進行互動，為人提供服務，使生活便捷的理想機器人。擬人機器人是多門基礎學科、多項高技術的集成，代表了尖端的機器人技術，成為機器人領域的研究熱點[1]。隨著經濟的發展，人們對于擬人機器人的研究也越來越深入，而能實現擬人機器人頭部眼球、眼瞼及嘴部等器官運動的機器人頭部裝置也隨之發展。

現有的機器人頭部裝置一般是利用各種驅動元件驅動機器人頭部器官運動，從而實現擬人機器人頭部眼球、眼瞼及嘴部等器官運動，做出各種不同的機器人面部表情的機械裝置。如美國麻省理工學院研制的名為Kismet的機器人頭部，就是通過控制機器人頭部各部位的運動，實現各種面部表情[2]。一般機器人頭部裝置只能實現機器人單面的頭部器官運動，對于雙面結構要求則無能為力，且結構復雜繁瑣、成本高。

擬人機器人頭部的研究是機器人技術中比較領先的技術，研究主要集中在美國和日本的一些大學和科研機構[3]。目前從我國所進行的一些研究的進展看，與國外的技術差距還是比較大，可以研究和發展的空間非常廣泛[4]。雙面機器人頭部結構設計的目的在于克服現有機器人頭部裝置復雜繁瑣、成本高且不能實現雙面機器人頭部器官運動的缺點，提供一種結構簡單緊湊、低成本的雙面機器人頭部裝置，有效實現擬人機器人頭部雙面的眼球、眼瞼及嘴部等器官運動，做出各種不同的機器人面部表情的機械裝置。本設計結構簡單緊湊、成本低，按照與真人比例約為1：1設計，共有四個自由度，采用盡可能少的微型電機驅動，可以實現機器人雙面眼球的水平轉動，眼球的垂直轉動，眼瞼的張合及嘴部的張合。

1 機器人頭部設計指標

雙面機器人頭部結構為模塊化設計，為了使結構簡單緊湊，采用四自由度形式，分別為機器人雙面四個眼球水平轉動、雙面四個眼球垂直轉動、雙面四個眼瞼張合及雙面嘴部上下顎張合。機器人兩眼球采用同步轉動方式，且機器人兩面眼球運動方向相反。兩眼瞼同時張開或閉合，嘴部上下顎張開或閉合，且機器人兩面的眼瞼和嘴部運動方向相反。機器人頭部采用四個微型步進電機并連接編碼器的形式驅動，在極限位置安裝微動開關感測，實現頭部各部件的精確定位。機器人頭部雙面各部位的運動指標如表1所示。

表1 機器人頭部雙面各部位的運動指標

2 機器人頭部總體設計

雙面機器人頭部總體結構示意圖及圖示A-A、B-B剖視圖分別如圖1(a)、1(b)和1(c)所示?？傮w結構包括：四眼球水平轉動部件、四眼瞼部件、雙嘴部件、四個微型步進電機、兩個同步帶傳動組件、四個微動開關、眼部支撐架、嘴部安裝架、電機安裝板一、電機安裝板二、眼球垂直轉動限位板和眼瞼限位塊，眼部支撐架下面固定連接嘴部安裝架，微型步進電機二和微型步進電機三固定安裝在眼部支撐架上，在眼部支撐架上安裝四眼球水平轉動部件，同步帶傳動組件二與四眼球水平轉動部件連接，微型步進電機二通過同步帶傳動組件二傳動來驅動四眼球水平轉動部件；四眼瞼部件安裝在四眼球水平轉動部件上，同步帶傳動組件一套裝在四眼球水平轉動部件上，并與四眼瞼部件連接，微型步進電機三通過同步帶傳動組件一傳動來驅動四眼瞼部件；在嘴部安裝架上安裝雙嘴部件，微型步進電機四固定安裝在嘴部安裝架上，雙嘴部件由微型步進電機四驅動。

控制微型步進電機二啟動正轉或反轉，通過同步帶傳動組件二的傳動，驅動四眼球水平轉動部件垂直轉動，可實現機器人雙面四個眼球的垂直轉動。微型步進電機一安裝在四眼球水平轉動部件上，可驅動機器人四眼球水平轉動。四眼瞼部件空套在四眼球水平轉動部件上，當微型步進電機三啟動正轉或反轉，通過同步帶傳動組件一的傳動，驅動四眼瞼部件轉動，實現了機器人雙面四個眼瞼的張開或閉合。當微型電機四啟動轉動，可驅動雙嘴部件運動，實現了機器人雙面嘴部上下顎的張開或閉合。

眼球垂直轉動限位板對四眼球水平轉動部件垂直轉動范圍進行機械限位，眼瞼限位塊對四眼瞼部件開合范圍進行機械限位。微動開關一對四眼瞼部件運動極限位置進行精確定位，微動開關二對四眼球水平轉動部件中眼球的水平運動極限位置進行精確定位，微動開關三對雙嘴部件的張合極限位置進行精確定位，微動開關四對四眼球水平轉動部件的垂直運動極限位置進行精確定位。通過四個微動開關的反饋控制雙面機器人頭部各部件的精確運動。

圖1 雙面機器人頭部總體設計

雙面機器人頭部結構中四眼瞼部件安裝在四眼球水平轉動部件上，使得眼瞼與眼球轉動中心位于同一平面，眼球可轉動范圍增加。眼球垂直轉動與眼瞼轉動采用同步帶傳動方式，使得機械結構更加緊湊，機器人頭部尺寸減小。眼球與眼瞼轉動中心后移，簡化結構。

3 各部件詳細設計

3.1 四眼球水平轉動部件

四眼球水平轉動部件俯視圖及軸側圖分別如圖2(a)和2(b)所示。部件結構包括：水平連接軸一、水平連接軸二、水平連接軸三、前后水平轉軸一、連接桿、前后水平轉軸二、眼球、水平限位塊、水平支架和銷軸，微型步進電機一安裝在四眼球水平轉動部件上。

水平連接軸二與兩個水平支架固定連接，在兩個水平支架的外側固定連接水平連接軸一和水平連接軸三；前后水平轉軸一與前后水平轉軸二分別平行安裝在兩個水平支架內，四個眼球分別固定連接在前后水平轉軸一或前后水平轉軸二兩端上，前后水平轉軸一和前后水平轉軸二與連接桿的兩端通過兩根銷軸鉸接，構成一個連桿結構；前后水平轉軸二與微型步進電機一的輸出軸連接；兩個水平限位塊與水平轉軸二固定連接。

控制微型步進電機一啟動正轉或反轉，驅動前后水平轉軸二水平擺動，通過前后水平轉軸一、連接桿和前后水平轉軸二鉸接構成的連桿機構傳動，驅動前后水平轉軸一水平擺動，從而使四個眼球水平擺動，實現了機器人雙面眼球的水平轉動，通過水平限位塊限制前后水平轉軸二水平擺動范圍，從而對機器人雙面眼球水平轉動進行機械限位。

圖2 四眼球水平轉動部件

3.2 四眼瞼部件

四眼瞼部件結構示意圖如圖3所示。部件結構包括：眼瞼旋轉軸一、眼瞼旋轉軸二、眼瞼和固定連接件，正面的兩個眼瞼分別與一個固定連接件固定連接并聯，而兩端通過眼瞼旋轉軸一和眼瞼旋轉軸二與反面兩個并聯的眼瞼的兩端固定連接；圖1(a)所示的同步帶傳動組件一與眼瞼旋轉軸一固定連接。當圖1(a)所示的微型步進電機三驅動四眼瞼部件轉動，就實現了機器人雙面四個眼瞼的張開或閉合。

圖3 四眼瞼部件結構示意圖

3.3 雙嘴部件

雙嘴部件結構示意圖如圖4所示。部件結構包括凸輪、嘴旋轉軸、扭簧和旋轉芯軸，前后上下四個嘴旋轉軸分別與兩個扭簧套裝在前后兩根旋轉芯軸上，扭簧末端壓緊嘴旋轉軸，嘴旋轉軸末端壓緊凸輪，凸輪連接微型步進電機四的輸出軸，構成一個凸輪結構。微型步進電機四啟動轉動，驅動凸輪旋轉，從而使得前后各一對嘴的旋轉軸周期張開和閉合，即機器人雙面上下顎張合，從而實現了機器人雙面嘴部的張開閉合。

圖4 雙嘴部件結構示意圖

4 運動控制設計

雙面機器人頭部結構運動采用微型步進電機驅動，通過同步帶、連桿機構及凸輪機構傳遞運動，利用微動開關感測機器人頭部各部件的極限位置運動。雙面機器人頭部通過工控機控制微型步進電機驅動器的形式實現運動控制，并安裝編碼器進行位置反饋，編碼器與微動開關極限位置檢測共同實現運動精確定位。雙面機器人頭部運動控制圖如圖5所示。

5 結束語

本文所設計的雙面機器人頭部結構特點在于結構合理、簡單、緊湊、制造容易、成本低和使用方便，適于各種模塊化機器人使用，并采用盡可能少的驅動電機實現機器人雙面眼球、眼瞼和嘴部的運動。結構創新性地采用同步帶、連桿機構及凸輪機構傳動運動，使得機械結構更加緊湊，機器人頭部尺寸減小。眼球與眼瞼轉動中心后移，簡化結構。目前，該雙面機器人頭部結構已經制造出，運行良好，達到了預期設計要求。

圖5 雙面機器人頭部運動控制圖

[1]張小俊,張明路,戴士杰. 擬人機器人頭部研究綜述[J].儀器儀表學報,2009, 30(1):219-224.

[2]Breazeal C.Emotive qualities in robot speech[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Intelligent Robots and System,2001:1388-1394.

[3]鹿麟,吳偉國,孟慶梅.具有視覺及面部表情的仿人頭像機器人系統設計與研制[J].機械設計,2007,24(7):20-24.

[4]董方.仿人形機器人頭部的結構和控制的研究[D].天津:河北工業大學,2006:12.