一种头部活动装置及机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种应用于机器人的头部活动装置以及包括该头部活动装置的机器人。

背景技术：

机器人(robot)是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以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的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。

“仿生机器人”是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。目前，机械宠物十分流行，另外，仿麻雀机器人可以担任环境监测的任务，具有广阔的开发前景。二十一世纪人类将进入老龄化社会，发展“仿人机器人”将弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，例如伴侣机器人，并能开辟新的产业，创造新的就业机会。仿生机器人每个关节类似生物关节，其活动的形态与人类类似。传统的仿生机器人的头部转动较为不灵活，转动过程刚硬且缓慢，仿生效果极差，难以满足现代社会对于高仿真机器人的需求。另外，传统的仿生机器人的头部拆装较为不方便，导致出现故障维修不方便等问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种头部活动装置，以克服上述现有的头部活动装置难以满足机器人高仿真、高效转动，无法模拟人类进行头部运动安装及拆卸过程不方便等问题。

本发明的目的之二在于提供一种机器人，以克服上述现有机器人无法实现模拟人类进行头部运动，安装及拆卸过程不方便等问题。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种头部活动装置，包括头部活动机构和颈部活动机构，所述头部活动机构用于控制头部上下转动，所述颈部活动机构用于控制头部水平转动；

所述头部活动机构包括第一轴承转动组件及第一电机，所述第一轴承转动组件包括第一轴承固定件及第一轴承内环，所述第一电机包括第一电机支架及第一转子；

所述第一电机支架设置成与颈部固定连接，所述第一轴承固定件设置成与头部固定连接，所述转子与第一轴承固定件固定连接；

所述颈部活动机构包括传动组件及第二电机，所述第二电机包括第二电机支架及第二转子；

所述第二电机支架设置成固定连接肩部，所述传动组件的一端与转子固定连接，所述传动组件的另一端用于固定连接颈部。

进一步地，所述第一转子的一端套接有第一联轴器，所述第一联轴器穿过第一轴承内环并与第一轴承固定件套接；

第一转子转动时驱动第一轴承固定件转动。

进一步地，还包括第二轴承转动组件，所述第一轴承转动组件与第二轴承转动组件并排设置于颈部两侧，且第一轴承转动组件与第二轴承转动组件同轴线；

所述第二轴承转动组件包括第二轴承固定件及第二轴承内环，所述第二轴承固定件设置成与头部固定连接，所述第二轴承内环设置成与颈部固定连接。

进一步地，颈部固定设置有电机槽，所述电机槽用于容置第一电机，且所述第一电机支架与电机槽固定连接；

所述电机槽上还固定设置有限位板固定件，所述限位板固定件与第二轴承内环固定连接。

进一步地，所述第二轴承固定件背向颈部一侧设置有第一限位电路板，所述第一限位电路板与第二轴承固定件固定连接，且所述第一限位电路板上设置有第一限位导电片；

所述限位板固定件向外延伸形成固定轴，所述固定轴依次穿过第二轴承内环及第一限位电路板，所述固定轴与第二轴承内环固定连接，且所述固定轴的末端设置有第一限位触碰件；

当第一电机转动时驱动头部相对于颈部上下转动，第一限位导电片相对于第一限位触碰件转动，且第一限位触碰件触碰第一限位导电片时第一电机停止转动。

进一步地，所述传动组件包括第二联轴器和头部转轴，所述头部转轴的一端设有用于容置第二联轴器的联轴孔；

所述第二联轴器的横截面的外轮廓呈正多边形，所述联轴孔的横截面设置成对应的正多边形。

进一步地，所述第二电机支架朝向头部一侧设置有第二限位电路板，所述第二限位电路板朝向头部一侧设置有第二限位开关，所述头部转轴朝向第二电机一侧设置有第二限位触碰件；

所述传动组件贯穿第二限位电路板，且所述传动组件两端分别与头部及第二转子连接；

第二电机驱动头部转轴及第二限位触碰件转动，所述第二限位触碰件转动至触碰第二限位开关时，第二电机停止转动。

进一步地，所述第二限位电路板上设置有一对第二限位导电片，一对第二限位导电片分别设于第二限位电路板的两处；

第二电机正向旋转至第二限位触碰件触碰其中一个第二限位导电片时，第二电机正向旋转停止，第二电机逆向旋转至第二限位触碰件触碰另一个第二限位导电片时，第二电机逆向旋转停止。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种机器人，包括上述任一项所述的头部活动装置。

进一步地，包括头部、颈部和肩部，所述肩部设有拨扭卡扣，所述颈部设有用于容置拨扭卡扣的拨扭卡槽；

头部、颈部与肩部组装时，拨扭卡扣插入拨扭卡槽。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明头部活动装置应用于机器人时，通过设置头部活动机构和颈部活动机构，其中头部活动机构用于控制头部上下转动，颈部活动机构用于控制头部水平转动。通过设置头部活动机构和颈部活动机构，高效控制机器人头部进行上下、左右转动，实现高效仿真效果，旋转灵活；另外，头部与躯体之间通过头部活动装置连接，也方便进行机器人头部安装以及维修拆卸。

(2)本发明机器人头部活动灵活，高效控制机器人头部进行上下转动，实现高效仿真效果，旋转灵活，也方便进行安装以及维修拆卸。

附图说明

图1为本发明机器人的整体结构示意图；

图2为图1所示机器人头-肩部的结构示意图；

图3为图2所示头-肩部的爆炸图；

图4为图3所示头-肩连接处的结构示意图

图5为颈部的俯视图；

图6为颈部活动机构的爆炸图；

图7为图6所示颈部活动机构的爆炸图

图8为图3所示头部活动机构的爆炸图；

图9为图8所示头部活动机构的局部爆炸图。

图中：1、头部；2、肩部；21、拨扭卡扣；3、颈部；30、拨扭卡槽；31、第二电机支架；32、第二限位电路板；33、第二限位开关；4、传动组件；41、第二联轴器；411、转子孔；42、头部转轴；421、转轴头；43、联轴孔；44、第二限位触碰件；5、第二电机；51、第二电机外壳；52、第二转子；61、第一轴承转动组件；611、第一轴承固定件；612、第一轴承内环；62、第一电机；621、第一电机支架；622、第一联轴器；63、第二轴承转动组件；631、第二轴承固定件；632、第二轴承内环；633、第一限位电路板；634、第一限位导电片；71、电机槽；72、限位板固定件；73、固定轴；74、第一限位触碰件。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例1

如图1所示，为本发明一种实施方式的机器人。如图1-4所示，该机器人包括头部1、肩部2和颈部3，头部1与肩部2之间通过颈部3进行连接。肩部2上设有拨扭卡扣21，颈部3设有用于容置拨扭卡扣21的拨扭卡槽30，头部1(包括颈部3)与肩部2进行组装时，可以将拨扭卡扣21插入到拨扭卡槽30中。由此，通过拨扭卡槽30卡接拨扭卡扣21的卡舌，实现头部1紧固安装在肩部2上。当需要拆卸头部1时，可以将拨扭卡扣21向一侧拔动，由此拨扭卡扣21的卡舌从拨扭卡槽30中退出，头部1与肩部2脱连接，方便将头部1从肩部2上拆卸下来。

作为优选的实施方式，拨扭卡扣21及拨扭卡槽30的数量均为一对，一对拨扭卡扣21分别设置于机器人的两肩上，相应地，一对拨扭卡槽30设于颈部3两侧(即头部1两侧太阳穴的下方)。安装该机器人时，可以从左右两侧拨动拨扭卡扣21，再将头部1放置到对应的肩部2上，此时松开两侧拨扭卡扣21，两侧拨扭卡扣21的卡舌伸入两侧的拨扭卡槽30中，实现头部1与肩部2的紧固连接。需要拆卸该机器人时，可以从左右两侧拔动拨扭卡扣21，此时两侧拨扭卡扣21的卡舌退出两侧的拨扭卡槽30，再将头部1从肩部2上取出，快速完成该机器人的拆装过程。

作为优选的实施方式，拨扭卡扣21内设有弹簧，自然状态下，弹簧将两侧拨扭卡扣21的卡舌顶出，也即将头部1安装到肩部2上时，拨扭卡扣21自然插入拨扭卡槽30中，起到紧固连接头部1与肩部2的作用。当需要取出头部1时，可以从两侧拨动拨扭卡扣21，弹簧受到压缩进而使得卡舌退出拨扭卡槽30，方便取出头部1。

实施例2

实施例2包含实施例1中的上述所有特征，实施例2的特点在于：如图1-7所示，该机器人颈部3下方设有颈部活动机构，该颈部活动机构的一端与肩部2(包括躯体部分)连接，该颈部活动机构的另一端与头部1(包括颈部上部分)连接。通过设置颈部活动机构，一方面能够支撑头部1的重量，另一方面也能通过颈部活动机构驱动头部1左右旋转，实现头部1与肩部2之间的活动连接。

作为优选的实施方式，颈部活动机构包括固定组件(即颈部3的固定结构)、传动组件4及第二电机5。其中，第二电机5包括第二电机外壳51(起到支撑电机的作用，即电机支架)及第二转子52，第二转子52嵌设于第二电机外壳51中，并且第二转子52相对于第二电机外壳51进行旋转。固定组件靠近第二电机5的一侧与第二电机外壳51固定连接，固定组件的靠近肩部2的一侧与肩部2固定连接，即第二电机外壳51通过固定组件与机器人肩部2固定住，实现第二转子52相对于肩部2进行旋转。传动组件4靠近第二电机5的一端与第二转子52固定连接，传动组件4靠近头部1的一端与头部1固定连接，即第二电机5转动时，第二转子52直接驱动头部1转动。在本实施例中，传动组件4及第二电机5均是垂直插入机器人躯体中(肩部2的下方)，因此，第二转子52旋转时，驱动头部1进行左右旋转，即头部1相对于肩部2旋转，以模拟人类左右摆头的姿势。

作为优选的实施方式，第二电机5为伺服电机，借助于伺服电机精准控制转子旋转的角度，能够有效控制头部1旋转的幅度，确保头部1左右摆头的最大幅度，防止头部1因旋转过度而损坏头部1及肩部2。

作为优选的实施方式，传动组件4包括第二联轴器41和头部转轴42，头部转轴42靠近第二电机5的一端设有用于容置第二联轴器41的联轴孔43。安装时，先将第二联轴器41套接第二转子52，再将头部转轴42插入头部1下方的接孔中，最后将第二联轴器41插入联轴孔43中，由此实现将第二电机5的动力输出至头部1，通过传动组件4的传动作用，有利于第二电机5的动力顺利传递至头部1，方便控制头部1的旋转过程。

作为优选的实施方式，第二联轴器41的横截面的外轮廓呈正六边形，对应的，联轴孔43的横截面设置成的正六边形。通过设置正六边形的第二联轴器41及联轴孔43，使得第二联轴器41在联轴孔43中旋转时，第二联轴器41驱动头部转轴42同步旋转，当需要拆卸第二联轴器41和头部转轴42时，也能直接将第二联轴器41从联轴孔43中拔出，方便传动组件4的安装及拆卸过程。

作为优选的实施方式，固定组件包括第二电机支架31，第二电机支架31与第二电机外壳51固定连接。第二电机支架31朝向头部1的一侧设置有第二限位电路板32，第二限位电路板32朝向头部1一侧还设置有第二限位开关33，即第二限位开关33固定设置于第二限位电路板32上，第二限位电路板32固定设置于第二电机支架31上，第二电机支架31固定设置于固定组件上，固定组件固定设置于肩部2上。因此，肩部2、固定组件、第二电机支架31、第二限位电路板32以及第二限位开关33固定设置在一起。对应的，头部转轴42朝向第二电机5一侧设置有第二限位触碰件44，在本实施例中，第二限位触碰件44为固定设置于头部转轴42上的挡块。传动组件4(包括第二联轴器41和头部转轴42)垂直贯穿第二电机支架31和第二限位电路板32，通过传动组件4的两端分别与颈部3及第二转子52连接，实现动力传输效果。使用过程中，第二电机5通电后旋转并驱动头部转轴42转动，头部转轴42进一步驱动第二限位触碰件44相对肩部2旋转，此时第二限位开关33相对于肩部2静止，即第二限位触碰件44相对第二限位开关33转动。当第二限位触碰件44转动至触碰第二限位开关33，第二限位开关33受挤压而发出电信号，进行控制第二电机5停止转动，起到限制头部1及颈部3转动幅度过大的作用。

作为优选的实施方式，第二限位电路板32上设置有一对第二限位开关33，一对第二限位开关33错位分布于第二限位电路板32的两处，且第二限位触碰件44处于两个第二限位开关33之间。当第二电机5正向旋转时，第二限位触碰件44旋转至触碰其中一个第二限位开关33时，第二电机5正向旋转停止。同理，当第二电机5逆向旋转时，第二限位触碰件44旋转至触碰另一个第二限位开关33时，第二电机5逆向旋转停止。通过设置两个第二限位开关33，即头部1的转动角度等于两个第二限位开关33的夹角，进而控制头部1的转动幅度，模拟人类的颈部转动幅度。

作为优选的实施方式，一对第二限位开关33彼此错位180°设置，由此确定了头部1的转动最大幅度为180°，类似人类颈部的转动最大幅度。

作为优选的实施方式，头部转轴42上远离联轴孔43的一端设有用于驱动头部1的转轴头421，对应的，头部1下方设置有转轴孔。转轴头421及转轴孔的横截面均类似d字形，其横截面轮廓包括一条长边以及五条短边围成的类弧形，一条长边与五条短边合围成d字形。借助于d字形的转轴头421与d字形的转轴孔配合，方便通过转轴头421驱动头部1进行旋转。另一方面，紧邻d字形的转轴头421的半圆孔可以用于设置电线，因为电线紧挨旋转中心设置，因旋转过程中电线的旋转路径较短，对电线的长度要求不高，也能有效克服头部1旋转过程中出现电线缠绕的问题。

作为优选的实施方式，第二联轴器41上设置有贯穿第二联轴器41两端的转子孔411，第二联轴器41套接第二转子52时，第二转子52插入转子孔411中。转子端头的横截面设置成半圆形，转子孔411的横截面设置成与转子端头相应的半圆形。通过上述半圆形设计的第二转子52及第二联轴器41，便于第二转子52驱动第二联轴器41旋转，进而起到良好的传动效果。

实施例3

实施例3与实施例2的区别在于：第二联轴器41的横截面的外轮廓呈正三角形、正四边形、正五边形、正七边形、正八边形或者d字形，对应的，联轴孔43的横截面设置成的正三角形、正四边形、正五边形、正七边形、正八边形或者d字形，具有相同的传动及方便拆装的效果。

实施例4

实施例4与实施例2的区别在于：转轴头421及转轴孔的横截面形状为半圆形、类半圆形、三角形、四边形、五边形或者六边形，具有相同的传动功能。

实施例5

实施例5包含实施例1中的所有特征，实施例2的特点在于：如图8所示，为图3所示的头颈部。该头颈部包括头部1及颈部3，头部1与颈部3活动连接，头部1可相对于颈部3进行上下转动(即头部1相对于颈部3进行抬头和低头动作)。安装时，可以将颈部3插入到躯体中，由此实现头部1相对于躯体进行抬头和低头动作，模仿人体的抬头和低头动作。

如图8-9所示，为图3所示头颈部的爆炸图。该头颈部包括头部1、颈部3及头部活动机构。其中头部1与颈部3通过头部活动机构连接，由此实现头部1相对于颈部3进行上下旋转，实现模拟头部1相对于颈部3进行抬头、低头的动作。

该头部活动机构包括第一轴承转动组件61及第一电机62，第一轴承转动组件61包括第一轴承固定件611及第一轴承内环612，第一轴承固定件611套接第一轴承内环612，且第一轴承固定件611相对于第一轴承内环612可旋转(即轴承座相对于内环转动)。第一电机62包括第一电机支架621及第一转子(图中未示出)，转子穿插于第一电机支架621中，且第一转子相对于第一电机支架621可旋转。在本实施例中，第一轴承固定件611与头部1固定连接(即第一轴承固定件611与头部1同步转动)，第一电机支架621与颈部3固定连接(即第一电机支架621与颈部3无法相对转动)，第一转子从电机支架621伸出后依次穿过第一轴承内环612及第一轴承固定件611，第一转子的末端与第一轴承固定件611固定连接(此处的固定连接为套接，即第一转子与第一轴承固定件611同步转动)。

由于第一电机支架621与颈部3固定连接，当第一转子旋转时驱动第一轴承固定件611旋转，进而第一轴承固定件611相对于第一电机支架621旋转。因为第一轴承固定件611与头部1固定连接，第一电机支架621与颈部3固定连接，由此驱动头部1相对于颈部3旋转。在本实施例中，第一轴承转动组件61及第一电机62均呈水平并排设置，由此，头部1环绕第一轴承转动组件61旋转时，即为相对于竖直设置的机器人躯体进行抬头或者低头。通过设置第一轴承转动组件61及第一电机62，方便机器人头部1进行上下转动，实现高效仿真效果，旋转灵活，也方便进行安装以及维修拆卸。

作为优选的实施方式，第一电机62为伺服电机，借助于伺服电机精准控制转子旋转的角度，能够有效控制头部1旋转的幅度，确保头部1低头和抬头的最大幅度，防止头部1因旋转过度而损坏头部1、颈部3及头部活动机构。

作为优选的实施方式，第一转子末端还套接有第一联轴器622，第一转子通过第一联轴器622驱动第一轴承固定件611旋转。在具体的实施方式中，第一联轴器622的横截面设置成正六边形，与之相对应的是，第一轴承固定件611上设有用于容置第一联轴器622的容置孔，该容置孔的横截面同样呈正六边形。由此，第一联轴器622穿过第一轴承内环612并与第一轴承固定件611套接，第一转子支撑第一轴承内环612，第一轴承内环612与颈部3固定连接。第一轴承固定件611套接于第一轴承内环612上，方便第一轴承固定件611相对于第一轴承内环612旋转，同时第一联轴器622的旋转驱动第一轴承固定件611旋转，进而带动头部1旋转。

作为优选的实施方式，该头部活动机构还包括第二轴承转动组件63，第一轴承转动组件61与第二轴承转动组件63并排且呈水平设置于头部1的两侧，对应于头部两侧太阳穴处，且第一轴承转动组件61的轴线与第二轴承转动组件63的轴线相同。由此，确保头部1相对于颈部3进行上下旋转时，借助于两侧的第一轴承转动组件61及第二轴承转动组件63，确保头部1相对于颈部3旋转过程中平衡受力，不至于因头部1的重力作用导致头部1倾斜，也能通过第一轴承转动组件61及第二轴承转动组件63均衡承担头部1的重力，确保头部1旋转过程平稳进行。

在具体的实施方式中，第二轴承转动组件63包括第二轴承固定件631及第二轴承内环632，第二轴承固定件631套接第二轴承内环632，且第二轴承固定件631相对于第二轴承内环632可旋转。第二轴承固定件631与头部1固定连接(即实现头部1旋转时同步驱动第二轴承固定件631旋转)，第二轴承内环632与颈部3固定连接(即实现头部1旋转时，确保第二轴承固定件631相对于第二轴承内环632旋转，方便头部1的旋转)，由此，当头部1相对于颈部3旋转时，头部1驱动第二轴承固定件631相对于第二轴承内环632旋转，由此，实现第一轴承转动组件61与第二轴承转动组件63从头部1的左右两侧支撑头部1，且提供头部1相对颈部3进行旋转的活动连接机构。

作为优选的实施方式，颈部3的顶部还固定设置有电机槽71，电机槽71用于容置第一电机62，且第一电机支架621与电机槽71固定连接。一方面，通过在颈部3的顶部设置电机槽71，方便容置第一电机62，防止第一电机62在头部1旋转过程中移位。另一方面，电机槽71也能确保颈部3与第一电机支架621之间的紧固连接。

作为优选的实施方式，电机槽71上还设置有限位板固定件72，限位板固定件72与电机槽71固定连接，限位板固定件72与第二轴承内环632固定连接，由此，确保颈部3与第二轴承内环632相对固定，实现头部1旋转时，第二轴承固定件631相对于第二轴承内环632旋转。

作为优选的实施方式，限位板固定件72背向电机槽71一侧还设置有第一限位电路板633，第一限位电路板633与第二轴承固定件631固定连接(即第一限位电路板633与第二轴承固定件631相对固定)，且第一限位电路板633上设置有第一限位导电片634，头部1驱动第二轴承固定件631旋转，进而驱动第一限位电路板633及第一限位导电片634旋转。限位板固定件72朝远离电机槽71一侧延伸形成固定轴73，固定轴73与限位板固定件72固定连接。固定轴73从右向左依次穿过第二轴承内环632及第一限位电路板633，且固定轴73与第二轴承内环632固定套接(即固定轴73与第二轴承内环632相对固定)。固定轴73的末端还设置有第一限位触碰件74，由此，第一限位触碰件74相对于颈部3固定。

当第一电机62转动时，第一电机62驱动头部1相对于颈部3转动，头部1驱动第一限位电路板633及第一限位导电片634旋转，颈部3及第一限位触碰件74处于静止状态。当第一限位导电片634旋转至第一限位触碰件74时，第一电机62停止转动。通过第一限位触碰件74及第一限位导电片634的设置，确保头部1旋转至一定幅度后停止继续转动，防止头部1旋转幅度过大而损坏机器人硬件设备，也能确保精准控制头部1的上下摆动过程。

作为优选的实施方式，第一限位电路板633上设置有一对第一限位导电片634，一对第一限位导电片634分别设于第一限位电路板633的两处，两个第一限位导电片634彼此间隔一定角度。第一电机62正向旋转，其中一个第一限位导电片634旋转至触碰第一限位触碰件74时，第一电机62正向旋转停止。同理，当第一电机62逆向旋转，另一个第一限位导电片634旋转至触碰第一限位触碰件74时，第一电机62逆向旋转停止。通过设置一对第一限位导电片634，确保第一电机62正向或者逆向旋转过程中均能定位，防止头部1抬头或者低头过程中因转动幅度过大而损坏硬件。

实施例6

实施例6与实施例5的不同之处在于：该头部活动机构仅包括第一轴承转动组件61及第一电机62，且第一轴承转动组件61设置于电机槽71的中部，该头部活动机构不包括第二轴承转动组件63。借助于中间位置的第一轴承转动组件61，同样能够起到支撑头部1重量的作用，同时，设置于电机槽71的中部(对应于头部1的重心)，也能确保头部1旋转过程中受力均衡。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。