一种组合式面部表情仿真装置

摘要

本发明公开了一种组合式面部表情仿真装置，采用以凸轮机构为主的经典机械传动方式，通过单路输入多路输出结构，操作人员只需转动手柄输入动力，主轴和副轴带动齿轮、凸轮、连杆组件运动，进而带动凸轮组运动，摆杆随之而动，拉动钢丝绳带动各个表情执行机构的运动，即形成一套完整的面部表情；采用柔性管引导钢丝绳，柔性管可任意弯曲而不会影响到钢丝绳在其中滑动，使整个系统传动更加稳定,结构简单。若转换表情，通过相应的拨叉拨动，带动相应凸轮组在轴上左右移动至预定的位置，并将拨叉扣至方形槽内，再转动手柄输入动力，表情仿真装置则形成另一套新的面部表情，操作控制方便。表情组件均采用模块化设计，便于批量生产。

权利要求

1.一种组合式面部表情仿真装置，包括头部机构、中间连接支架、操作箱,其特征在于:所述头部机构由头部上面板、头部右侧面板、头部下面板、头部左侧面板、头部后侧面板、第一固定支架、第二固定支架、第三固定支架、第四固定支架、第一销轴、第二销轴、眉毛组件、眼皮组件、眼珠组件、胡须组件、嘴巴组件和柔性管、钢丝绳、弹簧组成，五块面板胶接形成头部框体，眉毛组件通过螺栓分别固定在头部上面板上，第一固定支架与第二固定支架一端通过螺钉固连，眉毛组件与第二固定支架另一端通过螺钉连接，柔性管固定在第一固定支架一端，钢丝绳穿过柔性管与眉毛组件一端连接，眉毛组件另一端与第一固定支架的另一端通过弹簧连接；眼珠组件与第四固定支架一端连接，钢丝绳穿过柔性管，与弹簧分别连接在眼珠组件和第四固定支架两端，眼皮组件通过钢丝绳和柔性管固定在第四固定支架上，第四固定支架另一端通过螺栓固定在头部后侧板上；胡须组件和嘴巴组件分别通过第一销轴和第二销轴固连在第三固定支架上，柔性管固定在第三固定支架一端，钢丝绳穿过柔性管，与弹簧分别连接在胡须组件和嘴巴组件上，第三固定支架另一端通过螺栓固定在头部下面板上；

所述操作箱包括操作箱上面板、操控面板、操作箱左侧板、操作箱后侧板、操作箱右侧板、前主轴、后主轴、前端弹簧固定杆、后端弹簧固定杆、第一固定板、第二固定板、副轴、手柄、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、轴承、拨叉、摆杆、凸轮组，操控面板和四块侧板通过螺栓连接形成箱体；前主轴与后主轴的两端分别与轴承过盈配合，轴承嵌入在操作箱左右侧板上；凸轮组与主轴通过键连接，每个凸轮组连接有拨叉，用来拨动对应的凸轮组相对主轴滑移，凸轮组上方对应有摆杆，摆杆与相对应的钢丝绳连接，钢丝绳穿过柔性管分别固定在第一固定板和第二固定板上；第一固定板、第二固定板分别与操作箱左右侧板通过螺栓固连，弹簧分别与前端弹簧固定杆和后端弹簧固定杆连接，两个弹簧固定杆固定在操作箱左右侧板上；摆杆通过带动套有柔性管的钢丝绳带动头部机构运动；第一齿轮和第三齿轮分别与前主轴和后主轴的一端固连，第二齿轮与副轴一端固连，且与第一齿轮和第三齿轮啮合传动，手柄与副轴另一端固连；操作箱操控面板上设置有十三个区域的拨叉放置槽；

所述中间连接支架为中空长方体,两端各有二个通孔,中间连接支架位于头部机构下方,套有柔性管的钢丝绳从中间穿过与头部机构各组件连接,中间连接支架与头部机构、操作箱通过螺栓固连。

说明书

一种组合式面部表情仿真装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种机械操控的仿真装置，具体地说,涉及一种组合式面部表情仿真装置。

背景技术

[0002] 国内现有的机器人仿真技术多以实验研究及软件仿真为主，尚不能完全实现面部表情的仿真。国外现有的仿真机器人技术多以程序和电机控制为主，来实现面部表情的仿真；例如日本大阪大学机器人设计师石黑浩研制的Geminoid F仿真机器人；美国的“泽诺”系列机器人。但是，现有的面部表情仿真机器人多数依赖于电力电子控制，利用程序完成既定的表情动作；这样不但其内部机构复杂，耗电量大，操作控制困难，而且内部构架也决定了其表情单调。更为突出的问题是成本昂贵，不适合广泛推广使用。

发明内容

[0003] 为了避免现有技术存在的不足，克服其表情仿真机器人机构复杂、操控困难、表情单调、成本昂贵的问题，本发明提出一种组合式面部表情仿真装置。该仿真装置将复杂的面部表情分解为十三个简单的以机械操控的机械运动，即左眉毛、右眉毛的上下运动，左眉毛、右眉毛的旋摆运动，左眼皮、右眼皮的上下运动，左眼睛、右眼睛的上下运动，左眼睛、右眼睛的左右运动，左胡须、右胡须的旋摆运动，嘴巴的上下运动；每个独立运动由各自对应的凸轮组件及摆杆组成的摆动推杆盘形凸轮机构带动，再将这些独立的运动随机组合，即形成完整的面部表情。

[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括头部机构、中间连接支架、操作箱,其特点是，所述头部机构由头部上面板、头部右侧板、头部下面板、头部左侧板、头部后侧板、第一固定支架、第二固定支架、第三固定支架、第四固定支架、第一销轴、第二销轴、眉毛组件、眼皮组件、眼珠组件、胡须组件、嘴巴组件和柔性管、钢丝绳、弹簧组成，五块面板胶接形成头部框体，眉毛组件通过螺栓分别固定在头部上面板上，第一固定支架与第二固定支架一端通过螺钉固连，眉毛组件与第二固定支架另一端通过螺钉连接，柔性管固定在第一固定支架一端，钢丝绳穿过柔性管与眉毛组件一端连接，眉毛组件另一端与第一固定支架的另一端通过弹簧连接；眼珠组件与第四固定支架连接，钢丝绳穿过柔性管，与弹簧分别连接在眼珠组件和第四固定支架两端，眼皮组件通过钢丝绳和柔性管固定在第四固定支架上，第四固定支架另一端通过螺栓固定在头部后侧板上；胡须组件和嘴巴组件分别通过第一销轴和第二销轴固连在第三固定支架上，柔性管固定在第三固定支架一端，钢丝绳穿过柔性管，与弹簧分别连接在胡须组件和嘴巴组件上，第三固定支架另一端通过螺栓固定在头部下面板上；

[0005] 所述操作箱包括操作箱上面板、操控面板、操作箱左侧板、操作箱后侧板、操作箱右侧板、前主轴、后主轴、前端弹簧固定杆、后端弹簧固定杆、第一固定板、第二固定板、副轴、手柄、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、轴承、拨叉、摆杆、凸轮组，操控面板和四块侧板通过螺栓连接形成箱体；前主轴与后主轴的两端分别与轴承过盈配合，轴承嵌入在操作箱左右侧板上；凸轮组与主轴通过键连接，每个凸轮组连接有拨叉，用来拨动对应的凸轮组相对主轴滑移，凸轮组上方对应有摆杆，摆杆与相对应的钢丝绳连接，钢丝绳穿过柔性管分别固定在第一固定板和第二固定板上；第一固定板、第二固定板分别与操作箱左右侧板通过螺栓固连，弹簧分别与前端弹簧固定杆和后端弹簧固定杆连接，两个弹簧固定杆固定在操作箱左右侧板上；摆杆通过带动套有柔性管的钢丝绳带动头部机构运动；第一齿轮和第三齿轮分别与前主轴和后主轴的一端固连，第二齿轮与副轴一端固连，且与第一齿轮和第三齿轮啮合传动，手柄与副轴另一端固连；操作箱操控面板上设置有十三个区域的拨叉放置槽；

[0006] 所述中间连接支架为中空长方体,两端各有二个通孔,中间连接支架位于头部机构下方,套有柔性管的钢丝绳从中间穿过与头部机构各组件连接,中间连接支架与头部机构、操作箱通过螺栓固连。

[0007] 有益效果

[0008] 本发明提出的一种组合式面部表情仿真装置，采用以凸轮机构为主的经典机械传动方式，通过单路输入多路输出结构，操作人员只需转动手柄输入动力，主轴和副轴带动齿轮、凸轮、连杆及其它机件运动，进而带动凸轮组运动，摆杆随之而动，拉动钢丝绳带动各个表情执行机构的运动，即形成一套完整的面部表情；采用柔性管引导钢丝绳，柔性管可任意弯曲而不会影响到钢丝绳在其中滑动，使整个系统传动更加稳定,结构简单。若转换表情，通过相应的拨叉拨动，带动相应凸轮组在轴上左右移动至预定的位置，并将拨叉扣至操控面板上方形槽内，再转动手柄输入动力，表情仿真装置则形成另一套新的面部表情，操作控制方便。

[0009] 本发明组合式面部表情仿真装置，摒弃以往表情机器人利用程序和电子控制电机的传动方式，各部分面部表情组件均采用模块化设计，成本价格低廉，便于批量生产，并使整个产品的环境适应性得到提升。

附图说明

[0010] 下面结合附图和实施方式对本发明一种组合式面部表情仿真装置作进一步详细说明。

[0011] 图1为本发明组合式面部表情仿真装置示意图。

[0012] 图2为去除左侧板的头部结构示意图。

[0013] 图3为去除眼皮时眼珠组件俯视图。

[0014] 图4为头部机构各组件连接部位示意图。

[0015] 图5为头部机构各组件连接部位A-A剖视图。

[0016] 图6为中间连接支架轴测图。

[0017] 图7为操作箱结构示意图。

[0018] 图8为凸轮工作原理图。

[0019] 图中:

[0020] 1.头部上面板2.头部右侧板3.第一固定支架4.眉毛组件5.眼皮组件6.眼珠组件7.胡须组件8.嘴巴组件9.中间连接架10.操作箱上面板11.副轴12.手柄13.操控面板14.前摆杆固定轴15.前端弹簧固定杆16.后摆杆固定轴17.后端弹簧固定杆18.头部下面板19.第一销轴20.头部左侧板21.第二固定支架22.第三固定支架23.第二销轴24.第四固定支架25.头部后侧板26.第一齿轮27.后主轴28.第二齿轮29.第三齿轮30.前主轴31.第一固定板32.第二固定板33.操作箱左侧板34.操作箱后侧板35.操作箱右侧板36.轴承37.拨叉38.摆杆39.凸轮组

具体实施方式

[0021] 本实施例是一种组合式面部表情仿真装置。

[0022] 实施例一

[0023] 参阅图1-图8，本实施例组合式面部表情仿真装置，包括头部机构、中间连接支架、操作箱；头部机构由头部上面板1、头部右侧板2、头部下面板18、头部左侧板20、头部后侧板25、第一固定支架3、第二固定支架21、第三固定支架22、第四固定支架24、第一销轴19、第二销轴23、眉毛组件4、眼皮组件5、眼珠组件6、胡须组件7、嘴巴组件8和柔性管、钢丝绳、弹簧组成，头部上面板1、头部右侧板2、头部下面板18、头部左侧板20、头部后侧板25五块面板胶接形成头部框体结构；眉毛组件4通过螺栓分别固定在头部上面板1上，第一固定支架3与第二固定支架21一端通过螺钉固连，眉毛组件4与第二固定支架21另一端通过螺钉连接，柔性管固定在第一固定支架3一端，钢丝绳穿过柔性管与眉毛组件4一端连接，眉毛组件4另一端与第一固定支架3的另一端通过弹簧连接。

[0024] 眼珠组件6与第四固定支架24通过铰链连接，钢丝绳穿过柔性管，钢丝绳和弹簧分别连接在眼珠组件6与第四固定支架24两端，眼皮组件5通过钢丝绳和柔性管固定在第四固定支架24上，第四固定支架24另一端通过螺栓分别固定在头部后侧板25上。

[0025] 胡须组件7和嘴巴组件8分别通过第一销轴19和第二销轴23固连在第三固定支架22上，柔性管固连在第三固定支架22一端，钢丝绳穿过柔性管，钢丝绳和弹簧分别连接在胡须组件7、嘴巴组件8上，第三固定支架22另一端通过螺栓固定在头部下面板18上。

[0026] 操作箱包括操作箱上面板10、操控面板13、操作箱左侧板33、操作箱后侧板34、操作箱右侧板35、前主轴30、后主轴27、前摆杆固定轴14、前端弹簧固定杆15、后摆杆固定轴16、后端弹簧固定杆17、第一固定板31、第二固定板32、副轴11、手柄12、第一齿轮26、第二齿轮28、第三齿轮29、轴承36、拨叉37、摆杆38、凸轮组39；操控面板13分别和操作箱上面板10、操作箱左侧板33、操作箱右侧板35及操作箱后侧板34通过螺栓连接形成箱体结构。前主轴30与后主轴27的两端分别与轴承36过盈配合，轴承36分别嵌入在操作箱左侧板33和操作箱右侧板35上；凸轮组39与前主轴30、后主轴27通过键连接，每个凸轮组
39连接一个拨叉37，用来拨动对应的凸轮组相对主轴滑移，凸轮组39上方对应有摆杆38，摆杆38与相对应的钢丝绳固定连接，钢丝绳穿过柔性管分别固定在第一固定板31和第二固定板32上；第一固定板31、第二固定板32与操作箱左侧板33、操作箱右侧板35通过螺栓固连，弹簧分别与前端弹簧固定杆15和后端弹簧固定杆17连接，两个弹簧固定杆两端通过螺母固定在操作箱左侧板33和操作箱右侧板35上。摆杆38通过带动套有柔性管的钢丝绳运动，从而带动头部机构运动；第一齿轮26和第三齿轮29分别与前主轴30和后主轴
27的一端固定连接，第二齿轮28与副轴11一端固定连接，且与第一齿轮26和第三齿轮29啮合传递运动；手柄12与副轴11另一端固定连接；操作箱前端倾斜的操控面板13上设置有表情组件十三个区域的拨叉37放置槽。

[0027] 中间连接支架9为中空长方体,两端各有二个通孔,中间连接支架9位于头部机构下方,套有柔性管的钢丝绳从中间穿过与头部机构各组件连接,中间连接支架9两端分别和头部机构、操作箱通过螺栓固连。

[0028] 操控人员摇动手柄12输入动力，带动副轴11转动，通过第二齿轮28与第一齿轮26、第三齿轮29啮合传动，带动前主轴30和后主轴27转动，进而带动凸轮组39运动，摆杆
38随之而动，拉动钢丝绳带动各个表情组件的运动，即形成一套完整的面部表情。

[0029] 实施例二

[0030] 操控人员将前摆杆固定轴14、后摆杆固定轴16抬起，找到相应的拨叉37，向上抬起拨叉37，再左、右移动拨至预定的位置，带动相应的凸轮组39在轴上移动，并将拨叉37扣至操控面板13上设置的拨叉放置槽，然后，将前摆杆固定轴14、后摆杆固定轴16放下并用螺母固定，摇动手柄12输入动力，各个表情组件运动，即形成另一套完整的面部表情。设定每个凸轮组上有ai个凸轮，其中，i=1,2,3......13；13个凸轮组组合出∏ai种表情，其中，i=1,2,3......13；即形成丰富的面部表情。