机械马头部运动仿生系统的制作方法

本发明涉及一种机械马头部运动仿生系统。

背景技术：

随着机器人技术的不断发展，现代生活中机器人技术的应用日益增多。特别是在大型文旅及游乐行业，大型的仿生动物开始引入，特别是仿生马。

而仿生马的象形程度，需要设备外形的精密程度进行配合，尤其是仿生马头部的设计，尤其重要。

现有技术中，仿生马头部为一体成型的铸件，不具备驱动结构，仿生马头不具备五官变化，使游客缺少娱乐性，达不到大型文旅及游乐行业的进一步应用需要。

技术实现要素：

根据上述提出现有技术中，仿生马头部为一体成型的铸件，不具备驱动结构，达不到大型文旅及游乐行业的进一步应用需要的技术问题，而提供一种机械马头部运动仿生系统。本发明主要利用手柄、主控制器以及具体的驱动组成部件，从而起实现机械马头部眼、耳、嘴、鼻、舌等的仿生联动。

本发明采用的技术手段如下：

一种机械马头部运动仿生系统，包括：

手柄，物理驱动后，将物理信号转化为数字信号传递至主控制器；

主控制器，接收手柄传递的数字信号，运算后传递至伺服控制器控制第一动作机构，或直接控制第二动作机构；

所述第一动作机构包括左眼转动机构、右眼转动机构、左眼翻转机构、右眼翻转机构、左眼眨眼机构、右眼眨眼机构、左耳转动机构和右耳转动机构；

所述第二动作机构包括左耳摆动机构、右耳摆动机构、舌头伸缩机构、鼻头翘起机构、鼻孔扩张机构、上唇翻转机构、下唇翻转机构、嘴巴张合机构、用于模仿马发声的音响系统和用于模仿马喘气的喷淋系统。

进一步地，仿生马闭眼动作具体为，当操作手柄的右驱动杆前推，将手柄的物理行程转化为数字信号x，然后通过can通讯总线，将数字信号x传送至主控制器，主控制器根据预植算法：y＝(x/l1)×(l2×b)，其中l1为手柄总量程，l2为眼皮总行程，b为伺服系统减速比；得出伺服电机转动圈数y，然后将数字信号y通过can通讯总线传送至伺服控制器，伺服控制器将数字信号y转换为电流信号驱动伺服电机转动，进而控制左眼眨眼机构和右眼眨眼机构，完成闭眼动作。

进一步地，仿生马眼睛左右动作具体为，当操作手柄的右驱动杆左右推动时，将手柄将物理行程转化为数字信号x，然后通过can通讯总线，将数字信号x传送至主控制器，主控制器根据预植算法：y＝(x/l1)×(l2×b)，其中l1为手柄总量程，l2为眼睛转动总行程，b为伺服系统减速比；得出伺服电机转动圈数y，然后将数字信号y通过can通讯总线传送至伺服控制器，伺服控制器将数字信号y转换为电流信号驱动伺服电机转动，进而控制左眼转动机构和右眼转动机构，完成眼睛左右转动动作。

仿生马眼睛上下转动动作具体为，当操作手柄按动指定眼睛按键1次，主控制器收到按键动作信号后，通过can通讯总线将信号传送至伺服控制器，伺服控制器收到命令后，根据预先设定的行程驱动伺服电机转动，左眼翻转机构和右眼翻转机构，完成眼睛上下转动动作。

进一步地，仿生马张嘴闭嘴动作具体为，当操作手柄的左驱动杆前后推动时，将手柄将物理行程转化为数字信号x，然后通过can通讯总线，将数字信号x传送至主控制器，主控制器根据预植算法：y＝(x/l1)×(l2/s)，其中，l1为手柄总量程，l2为嘴部油缸总行程，s为油缸速度参数；得出电磁阀动作时间y，另有电感接近开关作为冗余防护措施，当嘴部张开至最大幅度和完全闭合时，相应电感接近开关动作，信号直接送至主控制器，中断主控制器对电磁阀的输出，完成仿生马嘴巴张合机构的张嘴闭嘴动作。

进一步地，仿生马唇部动作具体为，当操作手柄的左驱动杆左右推动时，手柄将物理行程转化为数字信号x，然后通过can通讯总线，将数字信号x传送至主控制器，主控制器根据预植算法：y＝(x/l1)×(l2/s)，其中l1为手柄总量程，l2为电缸总行程，s为电缸速度参数；得出电缸动作时间y，另有电感接近开关作为冗余防护措施，当唇部翻转后，相应电感接近开关动作，信号直接送至主控制器，中断主控制器对电磁阀的输出，完成仿生马上唇翻转机构和下唇翻转机构的唇部翻转动作。

进一步地，仿生马舌头动作具体为，当操作手柄按动指定舌头按键1次，主控制器收到按键动作信号后，主控制器首先判断嘴巴张合机构的张嘴到位电感开关是否动作，嘴巴张合机构的嘴部张开动作条件满足后，主控制器驱动电缸动作，主控制器根据预设时间t定时，到时后开始收缩驱动电缸，驱动电缸收缩后到位电感开关动作，主控制器收到信号后，舌头伸缩机构动作，判断舌头1次动作结束。

进一步地，仿生马鼻头动作具体为，当操作手柄按动指定鼻头按键1次，主控制器收到按键动作信号后直接驱动电缸动作，然后根据预设时间t定时，到时后开始收缩电缸，鼻头翘起机构完成1次动作。

仿生马鼻孔动作具体为，当操作手柄按动指定鼻孔按键1次，主控制器收到按键动作信号后直接驱动电缸动作，然后根据预设时间t定时，到时后开始收缩电缸，鼻孔扩张机构完成1次动作。

进一步地，仿生马耳朵摆动动作具体为，当操作手柄按动指定耳朵摆动按键1次，主控制器收到按键动作信号后直接驱动电缸动作，然后根据预设时间t1确定电缸伸出时长，t2确定电缸缩回时长，t3确定电缸回中位时长，左耳摆动机构和右耳摆动机构完成1次动作。

仿生马耳朵转动动作具体为，当操作手柄按动指定耳朵转动按键1次，主控制器收到按键动作信号后，通过can通讯总线将信号传送至伺服控制器，伺服控制器收到命令后直接驱动伺服电机转动，然后根据预设值x1和t1确定电机正转圈数和时长，x2和t2确定电机反转圈数和时长，x3和t3确定电机回中位圈数和时长，左耳转动机构和右耳转动机构完成1次动作。

进一步地，仿生马音效动作具体为，当操作手柄按动指定音效按键1次，主控制器收到按键动作信号后，通过can通讯总线和rs485通讯协议将命令传至音响系统，播放1次相应音效。

仿生马喷雾动作具体为，当操作手柄按动指定喷雾按键1次，主控制器收到按键动作信号后，通过can通讯总线将命令传至伺服控制器，伺服控制器跟据收到的指定命令和预设时间，控制指定电磁阀动作时长，完成1次指定位置的喷雾动作。

进一步地，仿生马嘶鸣复合动作具体为，当操作手柄按动指定嘶鸣按键1次，主控制器收到按键动作信号后，首先判断嘴巴张合机构的嘴部是否闭合状态、左眼眨眼机构和右眼眨眼机构中眼睛是否睁开状态、五观是否归位状态；条件满足后，开始执行嘶鸣程序，首先嘴巴张合机构控制张嘴，当张嘴到位后开始在舌头伸缩机构的控制下伸舌头，同时在上唇翻转机构和下唇翻转机构的控制下，上下嘴唇外翻，舌头伸到位后鼻孔扩张机构控制鼻孔开始扩张，同时鼻头翘起机构控制鼻头翘起，并在音响系统控制下播放嘶鸣音效，音效播放完后鼻头鼻孔开始收缩回位，同时在喷淋系统控制下鼻孔喷细雾，同时舌头收缩回位，当舌头完全归位后嘴部开始闭合，当嘴部完成闭合后，嘶鸣程序完成。

与现有技术相比较，本发明所述的机械马头部运动仿生系统，能够通过手柄和主控制器驱动左眼转动机构、右眼转动机构、左眼翻转机构、右眼翻转机构、左眼眨眼机构、右眼眨眼机构、左耳转动机构、右耳转动机构、左耳摆动机构、右耳摆动机构、舌头伸缩机构、鼻头翘起机构、鼻孔扩张机构、上唇翻转机构、下唇翻转机构、嘴巴张合机构、用于模仿马发声的音响系统和用于模仿马喘气的喷淋系统，分别执行眼睛左右转动、眼睛上下转动、眨眼、耳朵转动并摆动、舌头伸缩、鼻头翘起、鼻孔扩张、上下嘴唇翻转、嘴巴张合等一系列仿生动作，音响系统用来模仿动物发声，喷雾系统模仿动物喘气；通过对各执行机构的动作时间和动作幅度等的控制实现马的嘶鸣、打哈欠、喘气等复合动作，从而实现仿生马头部的简单、精准控制，系统稳定性高，仿生效果形象匹配度更高。

本发明所述的机械马头部运动仿生系统，参与游乐展示，增加仿生效果，增强观众观感体验，大大增加了仿生马设备的观赏性，体现了大型机械设备在精细动作领域的极致发挥。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明机械马头部运动仿生系统示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种机械马头部运动仿生系统，包括：手柄、主控制器、第一动作机构和第二动作机构。所述手柄物理驱动后，将物理信号转化为数字信号传递至主控制器；所述主控制器接收手柄传递的数字信号，运算后通过通讯控制器传递至伺服控制器控制第一动作机构，或直接控制第二动作机构；所述第一动作机构包括左眼转动机构、右眼转动机构、左眼翻转机构、右眼翻转机构、左眼眨眼机构、右眼眨眼机构、左耳转动机构和右耳转动机构；所述第二动作机构包括左耳摆动机构、右耳摆动机构、舌头伸缩机构、鼻头翘起机构、鼻孔扩张机构、上唇翻转机构、下唇翻转机构、嘴巴张合机构、用于模仿马发声的音响系统和用于模仿马喘气的喷淋系统。

并且主控制器同左耳摆动机构、右耳摆动机构、舌头伸缩机构、鼻头翘起机构、鼻孔扩张机构、上唇翻转机构、下唇翻转机构、嘴巴张合机构、音响系统和喷淋系统，以及电感接近开关和霍尔同步传感器构成闭环控制回路。

伺服控制器同左眼转动机构、右眼转动机构、左眼翻转机构、右眼翻转机构、左眼眨眼机构、右眼眨眼机构、左耳转动机构和右耳转动机构构成闭环控制回路。

操作员右手柄前推时眼皮闭合，前推幅度对应眼皮闭合程度；仿生马闭眼动作具体为，当操作手柄的右驱动杆前推，将手柄的物理行程转化为数字信号x，然后通过can通讯总线，将数字信号x传送至主控制器，主控制器根据预植算法：y＝(x/l1)×(l2×b)，其中l1为手柄总量程，l2为眼皮总行程，b为伺服系统减速比；得出伺服电机转动圈数y，然后将数字信号y通过can通讯总线传送至伺服控制器，伺服控制器将数字信号y转换为电流信号驱动伺服电机转动，进而控制左眼眨眼机构和右眼眨眼机构，完成闭眼动作。

操作员右手柄左右推动时眼睛左右转动，左右推动幅度对应眼睛左右转动的程度；仿生马眼睛左右动作具体为，当操作手柄的右驱动杆左右推动时，将手柄将物理行程转化为数字信号x，然后通过can通讯总线，将数字信号x传送至主控制器，主控制器根据预植算法：y＝(x/l1)×(l2×b)，其中l1为手柄总量程，l2为眼睛转动总行程，b为伺服系统减速比；得出伺服电机转动圈数y，然后将数字信号y通过can通讯总线传送至伺服控制器，伺服控制器将数字信号y转换为电流信号驱动伺服电机转动，进而控制左眼转动机构和右眼转动机构，完成眼睛左右转动动作；

操作员按动相应按键1次，眼睛向下转动1次；仿生马眼睛上下转动动作具体为，当操作手柄按动指定眼睛按键1次，主控制器收到按键动作信号后，通过can通讯总线将信号传送至伺服控制器，伺服控制器收到命令后，根据预先设定的行程驱动伺服电机转动，左眼翻转机构和右眼翻转机构，完成眼睛上下转动动作。

操作员左手柄前后推动，对应嘴部的张开闭合，推动幅度对应嘴部张合程度；仿生马张嘴闭嘴动作具体为，当操作手柄的左驱动杆前后推动时，将手柄将物理行程转化为数字信号x，然后通过can通讯总线，将数字信号x传送至主控制器，主控制器根据预植算法：y＝(x/l1)×(l2/s)，其中，l1为手柄总量程，l2为嘴部油缸总行程，s为油缸速度参数；得出电磁阀动作时间y，另有电感接近开关作为冗余防护措施，当嘴部张开至最大幅度和完全闭合时，相应电感接近开关动作，信号直接送至主控制器，中断主控制器对电磁阀的输出，完成仿生马嘴巴张合机构的张嘴闭嘴动作。

操作员左手柄左右推动，对应唇部的张开闭合，推动幅度对应唇部张合程度；仿生马唇部动作具体为，当操作手柄的左驱动杆左右推动时，手柄将物理行程转化为数字信号x，然后通过can通讯总线，将数字信号x传送至主控制器，主控制器根据预植算法：y＝(x/l1)×(l2/s)，其中l1为手柄总量程，l2为电缸总行程，s为电缸速度参数；得出电缸动作时间y，另有电感接近开关作为冗余防护措施，当唇部翻转后，相应电感接近开关动作，信号直接送至主控制器，中断主控制器对电磁阀的输出，完成仿生马上唇翻转机构和下唇翻转机构的唇部翻转动作。

操作员相应按键1次，对应舌头伸缩1次；仿生马舌头动作具体为，当操作手柄按动指定舌头按键1次，主控制器收到按键动作信号后，主控制器首先判断嘴巴张合机构的张嘴到位电感开关是否动作，嘴巴张合机构的嘴部张开动作条件满足后，主控制器驱动电缸动作，主控制器根据预设时间t定时，到时后开始收缩驱动电缸，驱动电缸收缩后到位电感开关动作，主控制器收到信号后，舌头伸缩机构动作，判断舌头1次动作结束。

操作员相应按键1次，对应鼻头伸缩1次；仿生马鼻头动作具体为，当操作手柄按动指定鼻头按键1次，主控制器收到按键动作信号后直接驱动电缸动作，然后根据预设时间t定时，到时后开始收缩电缸，鼻头翘起机构完成1次动作。

操作员相应按键1次，对应鼻孔伸缩1次；仿生马鼻孔动作具体为，当操作手柄按动指定鼻孔按键1次，主控制器收到按键动作信号后直接驱动电缸动作，然后根据预设时间t定时，到时后开始收缩电缸，鼻孔扩张机构完成1次动作。

操作员按动相应按键1次，对应耳朵前后摆动1次；仿生马耳朵摆动动作具体为，当操作手柄按动指定耳朵摆动按键1次，主控制器收到按键动作信号后直接驱动电缸动作，然后根据预设时间t1确定电缸伸出时长，t2确定电缸缩回时长，t3确定电缸回中位时长，左耳摆动机构和右耳摆动机构完成1次动作。

操作员按动相应按键1次，耳朵前后转动1次；仿生马耳朵转动动作具体为，当操作手柄按动指定耳朵转动按键1次，主控制器收到按键动作信号后，通过can通讯总线将信号传送至伺服控制器，伺服控制器收到命令后直接驱动伺服电机转动，然后根据预设值x1和t1确定电机正转圈数和时长，x2和t2确定电机反转圈数和时长，x3和t3确定电机回中位圈数和时长，左耳转动机构和右耳转动机构完成1次动作。

操作员按动相应按键1次，对应音效播放1次；仿生马音效动作具体为，当操作手柄按动指定音效按键1次，主控制器收到按键动作信号后，通过can通讯总线和rs485通讯协议将命令传至音响系统，播放1次相应音效；

操作员按动相应按键1次，对应位置喷雾1次；仿生马喷雾动作具体为，当操作手柄按动指定喷雾按键1次，主控制器收到按键动作信号后，通过can通讯总线将命令传至伺服控制器，伺服控制器跟据收到的指定命令和预设时间，控制指定电磁阀动作时长，完成1次指定位置的喷雾动作。

操作员按动相应按键“嘶鸣”1次，对应头部主要器官进行1次联合动作；仿生马嘶鸣复合动作具体为，当操作手柄按动指定嘶鸣按键1次，主控制器收到按键动作信号后，首先判断嘴巴张合机构的嘴部是否闭合状态、左眼眨眼机构和右眼眨眼机构中眼睛是否睁开状态、五观是否归位状态。

条件满足后，开始执行嘶鸣程序，首先嘴巴张合机构控制张嘴，当张嘴到位后开始在舌头伸缩机构的控制下伸舌头，同时在上唇翻转机构和下唇翻转机构的控制下，上下嘴唇外翻，舌头伸到位后鼻孔扩张机构控制鼻孔开始扩张，同时鼻头翘起机构控制鼻头翘起，并在音响系统控制下播放嘶鸣音效，音效播放完后鼻头鼻孔开始收缩回位，同时在喷淋系统控制下鼻孔喷细雾，同时舌头收缩回位，当舌头完全归位后嘴部开始闭合，当嘴部完成闭合后，嘶鸣程序完成，整个嘶鸣动作连贯有序。

本发明所述的机械马头部运动仿生系统，包括数据采集模块、通信模块、数据分析模块和动作执行模块等；数据采集模块包括：3个位置接近开关、1对霍尔同步传感器、1套伺服系统和1套人机交互系统；通信模块包括：1个伺服系统数据通讯器和1个多协议数据交互器；数据分析模块包括：4个主控制器和1个伺服系统控制器；动作执行模块包括7个电动直行机构、8个伺服电机、2个液压直行机构、音响系统、喷雾系统和仿生结构件等。

本发明通过预先在主控制器里植入的算法或人机交互系统，将要执行的数据通过通信模块发送至伺服控制器，或直接通过电气控制回路实现连续或单步仿生动作；8个伺服电机和7个电动执行器和2个液压执行器分别执行眼睛左右转动、眼睛上下转动、眨眼、耳朵转动并摆动、舌头伸缩、鼻头翘起、鼻孔扩张、上下嘴唇翻转、嘴巴张合等一系列仿生动作，音响系统用来模仿动物发声，喷雾系统模仿动物喘气；通过算法对各执行机构的动作时间和动作幅度等的控制实现马的嘶鸣、打哈欠、喘气等复合动作。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。