机器人面部表情控制机构及具有其的机器人的制作方法

本发明属于人机交互机器人应用设计技术领域，尤其涉及一种机器人面部表情控制机构及具有其的机器人。

背景技术：

仿人面部表情机器人的研究在上世纪九十年代就已经开始，从20世纪90年代的kismet机器人到日本早稻田大学研发的wr系列机器人，东京理工大学开发的saya机器人，表情机器人在过去的十几年中取得了迅速的发展。模仿人类做出一些基本表情是表情机器人研发的一大目标。但由于人脸表情复杂，目前实现表情的方式是逐一控制表情运动单元，因此这往往需要复杂的结构设计和控制方式，使得整个表情控制机构体积庞大，压缩了机器人的其他功能，同时也加大了机器人的生产成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种机器人面部表情控制机构及具有其的机器人，旨在解决现有技术中机器人表情控制机构体积庞大而压缩了机器人的其他功能的问题。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，一种机器人面部表情控制机构，包括：仿人头骨外壳，仿人头骨外壳具有中空安装空间，仿人头骨外壳上对应眉毛的位置处设有眉毛轨道槽，仿人头骨外壳上对应嘴巴的位置处设有唇部轨道槽；仿人硅胶面皮，仿人硅胶面皮覆盖在仿人头骨外壳上；至少一个眉毛运动控制机构，眉毛运动控制机构安装在中空安装空间中，眉毛运动控制机构包括第一安装基板、第一动力输出组件和第一传动组件，第一动力输出组件和第一传动组件均连接在第一安装基板上，第一动力输出组件驱动第一传动组件运动，第一传动组件穿过眉毛轨道槽与仿人硅胶面皮的眉毛部位连接；嘴唇运动控制机构，嘴唇运动控制机构安装在中空安装空间中，嘴唇运动控制机构包括第二安装基板、第二动力输出组件和第二传动组件，第二动力输出组件和第二传动组件均连接在第二安装基板上，第二动力输出组件驱动第二传动组件运动，第二传动组件穿过唇部轨道槽与仿人硅胶面皮的嘴唇部位连接。

进一步地，该机器人面部表情控制机构包括两个结构相同的眉毛运动控制机构，两个眉毛运动控制机构分别对应于仿人硅胶面皮的两个眉毛部位。

进一步地，眉毛轨道槽包括第一眉部槽段、第二眉部槽段和第三眉部槽段，第一眉部槽段的延伸方向与第三眉部槽段的延伸方向均仿照眉毛延伸方向，第二眉部槽段位于第一眉部槽段与第三眉部槽段之间，且第二眉部槽段沿竖直方向延伸；第一安装基板上设有第一眉部滑动槽、第二眉部滑动槽和第三眉部滑动槽，第一眉部滑动槽与第一眉部槽段对应且延伸方向相同，第二眉部滑动槽与第二眉部槽段对应且延伸方向相同，第三眉部滑动槽与第三眉部槽段对应且延伸方向相同；第一动力输出组件包括第一舵机和第一驱动连杆，第一舵机安装在第一安装基板上，第一驱动连杆的第一端与第一舵机的动力输出端连接；第一传动组件包括眉部中间延长杆、第一眉部侧边延长杆、第二眉部侧边延长杆和两个第一传动连杆，眉部中间延长杆的第一端与第一驱动连杆的第二端连接，眉部中间延长杆沿第二眉部滑动槽移动，两个第一传动连杆的第一端均连接于眉部中间延长杆的第一端，眉部中间延长杆的第二端穿过第二眉部槽段与仿人硅胶面皮连接，两个第一传动连杆的第二端分别与第一眉部侧边延长杆的第一端、第二眉部侧边延长杆的第一端连接，第一眉部侧边延长杆的第一端沿第一眉部滑动槽移动，第一眉部侧边延长杆的第二端穿过第一眉部槽段与仿人硅胶面皮连接，第二眉部侧边延长杆的第一端沿第三眉部滑动槽移动，第二眉部侧边延长杆的第二端穿过第三眉部槽段与仿人硅胶面皮连接。

进一步地，第一动力输出组件还包括两个第一连接块和两个第一转动舵机，两个第一连接块分别对应地安装在第一眉部滑动槽和第三眉部滑动槽中，两个第一转动舵机分别对应地安装在两个第一连接块上，第一眉部侧边延长杆的第一端和第二眉部侧边延长杆的第一端分别对应地连接于两个第一转动舵机的动力输出端上。

进一步地，第一动力输出组件还包括第二连接块和第二转动舵机，第二连接块安装在第二眉部滑动槽中，第二转动舵机安装在第二连接块上，眉部中间延长杆的第一端连接于第二转动舵机的动力输出端上。

进一步地，唇部轨道槽包括第一唇部槽段、第二唇部槽段和第三唇部槽段，第一唇部槽段和第三唇部槽段分别位于仿人头骨外壳的两侧唇角位置，第一唇部槽段的延伸方向和第三唇部槽段的延伸方向均仿照嘴唇延伸方向，第二唇部槽段位于仿人头骨外壳的人中位置，且第二唇部槽段沿竖直方向延伸；第二安装基板上设有第一唇部滑动槽、第二唇部滑动槽和第三唇部滑动槽，第一唇部滑动槽与第一唇部槽段对应且延伸方向相同，第二唇部滑动槽与第二唇部槽段对应且延伸方向相同，第三唇部滑动槽与第三唇部槽段对应且延伸方向相同；第二动力输出组件包括第二舵机和第二驱动连杆，第二舵机安装在第二安装基板上，第二驱动连杆的第一端与第二舵机的动力输出端连接；第二传动组件包括唇部中间延长杆、第一唇部侧边延长杆、第二唇部侧边延长杆和两个第二传动连杆，唇部中间延长杆的第一端与第二驱动连杆的第二端连接，唇部中间延长杆沿第二唇部滑动槽移动，两个第二传动连杆的第一端均连接于唇部中间延长杆的第一端，唇部中间延长杆的第二端穿过第二唇部槽段与仿人硅胶面皮连接，两个第二传动连杆的第二端分别与第一唇部侧边延长杆的第一端、第二唇部侧边延长杆的第一端连接，第一唇部侧边延长杆的第一端沿第一唇部滑动槽移动，第一唇部侧边延长杆的第二端穿过第一唇部槽段与仿人硅胶面皮连接，第二唇部侧边延长杆的第一端沿第三唇部滑动槽移动，第二唇部侧边延长杆的第二端穿过第三唇部槽段与仿人硅胶面皮连接。

进一步地，第二动力输出组件还包括两个第三连接块与两个第三转动舵机，两个第三连接块分别对应地安装在第一唇部滑动槽和第三唇部滑动槽中，两个第三转动舵机分别对应地安装在两个第三连接块上，第一唇部侧边延长杆的第一端和第二唇部侧边延长杆的第一端分别对应地连接于两个第三转动舵机的动力输出轴上。

进一步地，第二动力输出组件还包括第四连接块和第四转动舵机，第四连接块安装在第二唇部滑动槽中，第四转动舵机安装在第四连接块上，唇部中间延长杆的第一端连接于第四转动舵机的动力输出端上。

进一步地，该机器人面部表情控制机构还包括控制器，眉毛运动控制机构和嘴唇运动控制机构均由控制器进行智能控制。

根据本发明的另一方面，提供了一种机器人。该机器人包括前述的机器人面部表情控制机构。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

采用本发明设计的机器人面部表情控制机构，在实现了使机器人面部能够呈现出丰富的表情状态的同时，也实现了结构简单的设计目的，相对于现有技术中的具有相同控制功能的控制机构而言，本发明的机器人面部表情控制机构具有体积小巧的特点，能够为机器人的其他功能元器件的装配节省出更多的安装空间，空间利用更加合理。

附图说明

图1是本发明实施例的机器人面部表情控制机构中仿人头骨外壳、眉毛运动控制机构和嘴唇运动控制机构的拆分示意图；

图2是本发明实施例的机器人面部表情控制机构中眉毛运动控制机构的结构示意图；

图3是本发明实施例的机器人面部表情控制机构中嘴唇运动控制机构的结构示意图。

在附图中，各附图标记表示：

10、仿人头骨外壳；11、眉毛轨道槽；111、第一眉部槽段；112、第二眉部槽段；113、第三眉部槽段；12、唇部轨道槽；121、第一唇部槽段；122、第二唇部槽段；123、第三唇部槽段；30、眉毛运动控制机构；31、第一安装基板；311、第一眉部滑动槽；312、第二眉部滑动槽；313、第三眉部滑动槽；32、第一动力输出组件；321、第一舵机；322、第一驱动连杆；323、第一连接块；324、第二连接块；33、第一传动组件；331、眉部中间延长杆；332、第一眉部侧边延长杆；333、第二眉部侧边延长杆；334、第一传动连杆；40、嘴唇运动控制机构；41、第二安装基板；411、第一唇部滑动槽；412、第二唇部滑动槽；413、第三唇部滑动槽；42、第二动力输出组件；421、第二舵机；422、第二驱动连杆；423、第三连接块；424、第四连接块；43、第二传动组件；431、唇部中间延长杆；432、第一唇部侧边延长杆；433、第二唇部侧边延长杆；434、第二传动连杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述，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申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1至图3所示，本发明的机器人面部表情控制机构包括仿人头骨外壳10、仿人硅胶面皮(未图示)、嘴唇运动控制机构40和至少一个眉毛运动控制机构30，仿人头骨外壳10具有中空安装空间，仿人头骨外壳10上对应眉毛的位置处设有眉毛轨道槽11，仿人头骨外壳10上对应嘴巴的位置处设有唇部轨道槽12，仿人硅胶面皮覆盖在仿人头骨外壳10上，眉毛运动控制机构30安装在中空安装空间中，眉毛运动控制机构30包括第一安装基板31、第一动力输出组件32和第一传动组件33，第一动力输出组件32和第一传动组件33均连接在第一安装基板31上，第一动力输出组件32驱动第一传动组件33运动，第一传动组件33穿过眉毛轨道槽11与仿人硅胶面皮的眉毛部位连接，嘴唇运动控制机构40安装在中空安装空间中，嘴唇运动控制机构40包括第二安装基板41、第二动力输出组件42和第二传动组件43，第二动力输出组件42和第二传动组件43均连接在第二安装基板41上，第二动力输出组件42驱动第二传动组件43运动，第二传动组件43穿过唇部轨道槽12与仿人硅胶面皮的嘴唇部位连接。

将本发明的机器人面部表情控制机构装配在机器人上之后，通过眉毛运动控制机构30的第一动力输出组件32和第一传动组件33的配合，从而带动仿人硅胶面皮的眉毛部位进行动作，使得仿人硅胶面皮的眉毛部位呈现出不同形状运动，包括向上挑眉、向下挑眉以及平展眉毛等动作；同时，通过嘴唇运动控制机构40的第二动力输出组件42和第二传动组件43的配合，从而带动仿人硅胶面皮的嘴唇部位进行动作，使得仿人硅胶面皮的嘴唇部位呈现出不同形状运动，包括张大嘴、咧嘴微笑、紧闭嘴唇等动作。如此，当仿人硅胶面皮的眉毛部位与嘴唇部位同时呈现出不同形状的运动时，从而配合呈现出不同的表情动作，例如做出平静、开心、悲伤等表情动作。

采用本发明设计的机器人面部表情控制机构，在实现了使机器人面部能够呈现出丰富的表情状态的同时，也实现了结构简单的设计目的，相对于现有技术中的具有相同控制功能的控制机构而言，本发明的机器人面部表情控制机构具有体积小巧的特点，能够为机器人的其他功能元器件的装配节省出更多的安装空间，空间利用更加合理。

在本发明的实施例中，仿人硅胶面皮采用3d打印方式进行制造。

在仿人机器人中，都会仿照双眼的完整设计，因此，该机器人面部表情控制机构包括两个结构相同的眉毛运动控制机构30，两个眉毛运动控制机构30分别对应于仿人硅胶面皮的两个眉毛部位，并且，两个眉毛运动控制机构30的第一安装基板31一体成型而成，并且采用3d打印方式进行制造。

如图2所示，在该机器人面部表情控制机构中，眉毛轨道槽11包括第一眉部槽段111、第二眉部槽段112和第三眉部槽段113，第一安装基板31上设有第一眉部滑动槽311、第二眉部滑动槽312和第三眉部滑动槽313，第一动力输出组件32包括第一舵机321和第一驱动连杆322，第一传动组件33包括眉部中间延长杆331、第一眉部侧边延长杆332、第二眉部侧边延长杆333和两个第一传动连杆334。第一眉部槽段111的延伸方向与第三眉部槽段113的延伸方向均仿照眉毛延伸方向，实际设计中，眉毛的延伸形状是围绕眼眶中心呈弧形形状，而第一眉部槽段111与第三眉部槽段113两者形成的弧形方向则与眉毛的弧形形状相反，第二眉部槽段112位于第一眉部槽段111与第三眉部槽段113之间，且第二眉部槽段112沿竖直方向延伸。第一眉部滑动槽311与第一眉部槽段111对应且延伸方向相同，第二眉部滑动槽312与第二眉部槽段112对应且延伸方向相同，第三眉部滑动槽313与第三眉部槽段113对应且延伸方向相同。第一舵机321安装在第一安装基板31上，第一驱动连杆322的第一端与第一舵机321的动力输出端连接，眉部中间延长杆331的第一端与第一驱动连杆322的第二端连接，眉部中间延长杆331沿第二眉部滑动槽312移动，两个第一传动连杆334的第一端均连接于眉部中间延长杆331的第一端，眉部中间延长杆331的第二端穿过第二眉部槽段112与仿人硅胶面皮连接，两个第一传动连杆334的第二端分别与第一眉部侧边延长杆332的第一端、第二眉部侧边延长杆333的第一端连接，第一眉部侧边延长杆332的第一端沿第一眉部滑动槽311移动，第一眉部侧边延长杆332的第二端穿过第一眉部槽段111与仿人硅胶面皮连接，第二眉部侧边延长杆333的第一端沿第三眉部滑动槽313移动，第二眉部侧边延长杆333的第二端穿过第三眉部槽段113与仿人硅胶面皮连接。

在第一舵机321输出动力时，带动第一驱动连杆322动作，则带动眉部中间延长杆331沿第二眉部滑动槽312移动，同时眉部中间延长杆331带动两个第一传动连杆334动作而带动第一眉部侧边延长杆332沿第一眉部滑动槽311移动、第二眉部侧边延长杆333沿第三眉部滑动槽313移动，这样就带动了相应的仿人硅胶面皮的眉毛部位产生相应运动，从而形成不同的眉部动作，呈现出不同的眉部表情状态。

具体地，第一动力输出组件32还包括两个第一连接块323和两个第一转动舵机(未图示)，两个第一连接块323分别对应地安装在第一眉部滑动槽311和第三眉部滑动槽313中，两个第一转动舵机分别对应地安装在两个第一连接块323上，第一眉部侧边延长杆332的第一端和第二眉部侧边延长杆333的第一端分别对应地连接于两个第一转动舵机的动力输出端上。

第一动力输出组件32还包括第二连接块324和第二转动舵机(未图示)，第二连接块324安装在第二眉部滑动槽312中，第二转动舵机安装在第二连接块324上，眉部中间延长杆331的第一端连接于第二转动舵机的动力输出端上。

通过第二连接块324以及两个第一连接块323在相应的滑动槽移动而带动相应的眉部延长杆移动，并且通过第一转动舵机与第二转动舵机带动相应的眉部延长杆进行相应的转动动作，如此便使得仿人硅胶面皮的眉毛部位产生扭曲的变形运动，当扭曲变形运动幅度微小且频率较快时，这样呈现出来的眉毛部位表情则体现为眉毛在微微地颤动，进一步丰富了眉毛部位的表情状态。

另外，即使在没有装配第一转动舵机和第二转动舵机的情况下，同样使用第一连接块323和第二连接块324装配在相应的眉部滑动槽中，然后将相应的眉部延长杆连接于相应的滑动块上，从而完成组装。

如图3所示，在该机器人面部表情控制机构中，唇部轨道槽12包括第一唇部槽段121、第二唇部槽段122和第三唇部槽段123，第二安装基板41上设有第一唇部滑动槽411、第二唇部滑动槽412和第三唇部滑动槽413，第二动力输出组件42包括第二舵机421和第二驱动连杆422，第二传动组件43包括唇部中间延长杆431、第一唇部侧边延长杆432、第二唇部侧边延长杆433和两个第二传动连杆434。第一唇部槽段121和第三唇部槽段123分别位于仿人头骨外壳10的两侧唇角位置，第一唇部槽段121的延伸方向和第三唇部槽段123的延伸方向均仿照嘴唇延伸方向，第二唇部槽段122位于仿人头骨外壳10的人中位置，且第二唇部槽段122沿竖直方向延伸，第一唇部滑动槽411与第一唇部槽段121对应且延伸方向相同，第二唇部滑动槽412与第二唇部槽段122对应且延伸方向相同，第三唇部滑动槽413与第三唇部槽段123对应且延伸方向相同，第二舵机421安装在第二安装基板41上，第二驱动连杆422的第一端与第二舵机421的动力输出端连接，唇部中间延长杆431的第一端与第二驱动连杆422的第二端连接，唇部中间延长杆431沿第二唇部滑动槽412移动，两个第二传动连杆434的第一端均连接于唇部中间延长杆431的第一端，唇部中间延长杆431的第二端穿过第二唇部槽段122与仿人硅胶面皮连接，两个第二传动连杆434的第二端分别与第一唇部侧边延长杆432的第一端、第二唇部侧边延长杆433的第一端连接，第一唇部侧边延长杆432的第一端沿第一唇部滑动槽411移动，第一唇部侧边延长杆432的第二端穿过第一唇部槽段121与仿人硅胶面皮连接，第二唇部侧边延长杆433的第一端沿第三唇部滑动槽413移动，第二唇部侧边延长杆433的第二端穿过第三唇部槽段123与仿人硅胶面皮连接。

在第二舵机421输出动力时，带动第二驱动连杆422动作，则带动唇部中间延长杆431沿第二唇部滑动槽412移动，同时唇部中间延长杆431带动两个第二传动连杆434动作而带动第一唇部侧边延长杆432沿第一唇部滑动槽411移动、第二唇部侧边延长杆433沿第三唇部滑动槽413移动，这样就带动了相应的仿人硅胶面皮的嘴唇部位产生相应运动，从而形成不同的唇部动作，呈现出不同的唇部表情状态。

具体地，第二动力输出组件42还包括两个第三连接块423与两个第三转动舵机(未图示)，两个第三连接块423分别对应地安装在第一唇部滑动槽411和第三唇部滑动槽413中，两个第三转动舵机分别对应地安装在两个第三连接块423上，第一唇部侧边延长杆432的第一端和第二唇部侧边延长杆433的第一端分别对应地连接于两个第三转动舵机的动力输出轴上。

第二动力输出组件42还包括第四连接块424和第四转动舵机(未图示)，第四连接块424安装在第二唇部滑动槽412中，第四转动舵机安装在第四连接块424上，唇部中间延长杆431的第一端连接于第四转动舵机的动力输出端上。

通过第四连接块424和两个第三连接块423在相应的滑动槽移动而带动相应的唇部延长杆移动，并且通过第三转动舵机和第四转动舵机带动相应的唇部延长杆进行相应的转动，如此便使得仿人硅胶面皮的嘴唇部位产生扭曲变形运动，当扭曲变形运动幅度微小且频率较快时，这样呈现出来的嘴唇部位表情则体现为嘴唇在微微地颤动，进一步丰富了嘴唇部位的表情状态。

另外，即使在没有装配第三转动舵机和第四转动舵机的情况下，同样使用第三连接块423和第四连接块424装配在相应的唇部滑动槽中，然后将相应的唇部延长杆连接于相应的滑动块上，从而完成组装。

具体地，眉部中间延长杆331第二端、第一眉部侧边延长杆332的第二端、第二眉部侧边延长杆333的第二端、唇部中间延长杆431的第二端、第一唇部侧边延长杆432的第二端和第二唇部侧边延长杆433的第二端上均连接有椭圆形片，通过该椭圆形片与仿人硅胶面皮之间通过强力胶水粘接固定。

该机器人面部表情控制机构还包括控制器(未图示)，眉毛运动控制机构30和嘴唇运动控制机构40均由控制器进行智能控制，即：第一舵机321、两个第一转动舵机、第二转动舵机、第二舵机421、两个第三转动舵机和第四转动舵机均优控制器进行智能控制。实际上，机器人面部表情控制机构所采用的控制器即为该机器人的中央处理器。

根据本发明的另一方面，提供了一种机器人，该机器人包括前述的机器人面部表情控制机构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。