CN101249027A - 基于柔性并联驱动的仿生人眼结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性驱动并联仿生人眼结构。包括仿生眼球，嵌入式CMOS图像传感器，六组每组分别由一条人工气动肌肉和装在人工气动肌肉前后两端的腱组成的仿生人眼外肌。六组仿生人眼外肌为四组直肌和两组斜肌，四组直肌的一端分别等分固定在仿生眼球上，仿生眼球与非完整球支撑面大端形成球面副，两组斜肌经腱的一端分别穿过在非完整球支撑上的滑车固定在仿生眼球上，六组外肌经腱的另一端汇聚并穿过仿生总腱环分别固定在仿生眼球后面的底座处，仿生眼球其数据传输与供电线路穿过仿生眼球通过仿生总腱环与外界联接实现空间三个自由度的旋转。本发明实现仿生人眼在空间三自由度转动，可用于仿生机器人、医学人工假眼、智能视频监控系统。

Description

基于柔性并联驱动的仿生人眼结构

技术领域

本发明涉及并联机器人、气动技术、柔性冗余驱动和仿生技术，尤其是涉及一种基于柔性并联驱动的仿生人眼结构。

背景技术

人类感知客观世界有90％以上的信息是通过眼睛。对机器人来说，“眼睛”也是一种重要的感知设备。在当今机器人系统的诸多共性技术的研究当中，仿生技术一直受到很大关注，这是由于人和许多动物体具有许多特殊的自然功能，这些功能是经过长时间进化而来。当今的机器人迫切需要具备和人类等生物感官一样完备的信息获取系统，仿生人眼结构就是其中最重要的一个组成部分。人眼本身具有许多特殊并且实用的功能：人通过双眼实现了立体视觉，可以获得深度信息、重建三维场景、可以对立体世界进行感知；双眼只能注视和跟踪同一目标，能补偿因头部运动引起的视线偏离，能快速切换视线注释的目标，能够使视线平滑的跟踪目标，能跟踪高速运动的物体等，这些功能都是由于眼球运动中不同的运动形式实现的。充分利用人眼运动的这些特点，并且集成机械学、电子学、计算机视觉、医学、生理学以及脑科学等相关学科的技术，对人眼进行信息采集、神经反应和运动控制等方面的模拟，进而将这些成果应用到机器人领域当中，并将产生革命性的成果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于柔性并联驱动的仿生人眼结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

它包括仿生眼球，嵌入式CMOS图像传感器，六组每组分别由一条人工气动肌肉和装在人工气动肌肉前后两端的腱组成的仿生人眼外肌，非完整球支撑面，仿生总腱环，底座，上滑车和下滑车；仿生人眼中六组仿生人眼外肌为上直肌、下直肌、左直肌、右直肌、上斜肌和下斜肌分别对应真实人眼中的四条直肌和两条斜肌，其中四组直肌仿生人眼外肌通过腱的一端分别等分固定在仿生眼球上，仿生眼球与非完整球支撑面大端形成球面副，上斜肌和下斜肌通过腱的一端分别穿过在非完整球支撑上固定的上滑车和下滑车固定在仿生眼球上，六组仿生人眼外肌通过腱的另一端汇聚并穿过仿生总腱环分别固定在仿生眼球后面的底座处，所述的仿生眼球由嵌入式CMOS图像传感器和微型镜头组成，其数据传输与供电线路穿过仿生眼球通过仿生总腱环与外界联接，仿生眼球模仿人眼实现空间三个自由度的旋转。

所述的腱材料为柔性不可拉伸且易于弯曲的材料，在仿生眼球和底座上均固定于点。

所述的非完整球面支撑为空心圆锥形状，大端有四个均匀分布包络仿生眼球的手爪，在手爪上安装有上滑车和下滑车，小端固定在底座处。

本发明具有的有益效果是：

本发明完全模仿真实人眼运动方式的结构，采用柔性驱动方式充分利用人工气动肌肉，即具有与人类肌肉接近的力-位移特性和收缩率，和腱驱动在多孔道结构中易于弯曲的特点，实现了与真实人眼结构和特性的模仿，为进一步研究和模仿人眼运动形式提供了一种可靠的研究平台。本发明可实现仿生人眼结构在空间三自由度转动，并可应用于各种仿生机器人、医学人工假眼、智能视频监控系统等。

附图说明

图1是仿生人眼轴侧图。

图2是仿生人眼后视图。

图3是仿生人眼正视图。

图4是仿生人眼左视图。

图5是图4的A-A剖面图。

图中：1、仿生眼球；2、CMOS图像传感器；3、上直肌；4、下直肌；5、左直肌；6、右直肌；7、上斜肌；8、下斜肌；9、非完整球支撑基体；10、仿生总腱环；11、底座；12、上滑车；13、下滑车；14、数据传输与供电线路。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明它包括仿生眼球1，嵌入式CMOS图像传感器2，六组每组分别由一条人工气动肌肉和装在人工气动肌肉前后两端的腱组成的仿生人眼外肌，非完整球支撑面9，仿生总腱环10，底座11，上滑车12和下滑车13；仿生人眼中六组仿生人眼外肌为上直肌3、下直肌4、左直肌5、右直肌6、上斜肌7和下斜肌8分别对应真实人眼中的四条直肌和两条斜肌，其中四组直肌仿生人眼外肌通过腱的一端分别等分固定在仿生眼球上，仿生眼球1与非完整球支撑面9大端形成球面副，上斜肌7和下斜肌8通过腱的一端分别穿过在非完整球支撑9上的上滑车12和下滑车13固定在仿生眼球上，六组仿生人眼外肌通过腱的另一端汇聚并穿过仿生总腱环10分别固定在仿生眼球1后面的底座11处，所述的仿生眼球1由嵌入式CMOS图像传感器2和微型镜头组成，其数据传输与供电线路14穿过仿生眼球1通过仿生总腱环10与外界联接，仿生眼球1模仿人眼实现空间三个自由度的旋转。

所述的腱材料为柔性不可拉伸且易于弯曲的材料，在仿生眼球和底座上均固定于点。

所述的非完整球面支撑9为空心圆锥形状，大端有四个均匀分布包络仿生眼球的手爪，在手爪上安装有上滑车12和下滑车13，小端固定在底座11处。

本发明具体工作原理如下：

仿生眼球为由嵌入式微型CMOS图像传感器和微型镜头组成的球体，球体结构采用聚四氟乙烯作为材料；球面运动副的支撑采用非完整球面支撑，降低球面副运动中由于接触表面加工精度导致受力不均匀的和卡死的风险，提高系统可靠性，球面支撑材料同为聚四氟乙烯，在与仿生眼球发生相对运动时减小摩擦力；仿生肌肉由一条人工气动肌肉和前后两端的腱组成一组，其中腱为不可伸缩且易于弯曲的材料；仿生人眼中共有六组仿生肌肉从结构和功能上分别对应真实人眼中的四条直肌和两条斜肌，仿生肌肉的一端通过腱固定在仿生眼球上，另一端汇聚并穿过仿生总腱环固定在眼球后底座处；仿生眼球中的视觉系统的数据传输和供电线路模仿人眼视觉神经系统，通过仿生总腱环与外界联接。利用控制连通人工气动肌肉的气管道中的气体流量及方向可使人工气动肌肉进行伸缩运动，六组仿生肌肉组成三对颉顽肌，每对颉顽肌中两组仿生肌肉在力学上起对抗作用，保证仿生眼球的稳定性，其中上直肌与下直肌、左直肌与右直肌、上斜肌与下斜肌分别组成三对颉顽肌，因此六组仿生肌肉通过其中的人工气动肌肉的伸缩运动和颉顽肌力学上的对抗作用来拉动仿生眼球在球面副中运动，实现以球面副中心点为转动中心的三自由度转动，如图1所示为固定坐标系，转动轴分别为竖直方向的Y轴，水平方向的x轴及沿光轴初始位置的Z轴；任何一个运动均通过若干条仿生肌肉的组合运动来实现，但其中均有一对颉顽肌作为主控制，其他两对作为辅助控制，如在沿Y轴顺时针转动时(从原点向Y轴正方向看去)，左直肌与右直肌作为主控制颉顽肌，其中左直肌收缩，右直肌伸长，对仿生眼球的旋转运动起控制作用，其他两对作为辅助控制颉顽肌，由于仿生眼球沿竖直轴的旋转使辅助控制颉顽肌中的仿生肌肉长度需要发生相对应的伸缩运动来维持仿生眼球的可控性和仿生眼球与非完整之称座之间球面副装配的稳定性，其他两对颉顽肌需要主动伸缩来满足转动之后以上特性的要求，其中上直肌与下直肌，上斜肌与下斜肌均收缩。由于结构中采用六组气动肌肉实现三个自由度的转动，为冗余驱动，具有增加系统工作空间，减少奇异点等优点。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1、一种基于柔性并联驱动的仿生人眼结构，其特征在于：它包括仿生眼球(1)，嵌入式CMOS图像传感器(2)，六组每组分别由一条人工气动肌肉和装在人工气动肌肉前后两端的腱组成的仿生人眼外肌，非完整球支撑面(9)，仿生总腱环(10)，底座(11)，上滑车(12)和下滑车(13)；仿生人眼中六组仿生人眼外肌为上直肌(3)、下直肌(4)、左直肌(5)、右直肌(6)、上斜肌(7)和下斜肌(8)分别对应真实人眼中的四条直肌和两条斜肌，其中四组直肌仿生人眼外肌通过腱的一端分别等分固定在仿生眼球上，仿生眼球(1)与非完整球支撑面(9)大端形成球面副，上斜肌(7)和下斜肌(8)通过腱的一端分别穿过在非完整球支撑(9)上的上滑车(12)和下滑车(13)固定在仿生眼球上，六组仿生人眼外肌通过腱的另一端汇聚并穿过仿生总腱环(10)分别固定在仿生眼球(1)后面的底座(11)处，所述的仿生眼球(1)由嵌入式CMOS图像传感器(2)和微型镜头组成，其数据传输与供电线路(14)穿过仿生眼球(1)通过仿生总腱环(10)与控制电路连接，仿生眼球(1)模仿人眼实现空间三个自由度的旋转。

2、根据权利要求1所述的一种基于柔性并联驱动的仿生人眼结构，其特征在于：所述的腱材料为柔性不可拉伸且易于弯曲的材料，在仿生眼球和底座上均固定于点。

3、根据权利要求1所述的一种基于柔性并联驱动的仿生人眼结构，其特征在于：所述的非完整球面支撑(9)为空心圆锥形状，大端有四个均匀分布包络仿生眼球的手爪，在手爪上安装有上滑车(12)和下滑车(13)，小端固定在底座(11)处。

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