CN101670584B - 仿生机械眼球 - Google Patents
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Abstract
一种仿生机械眼球，它包括一个眼球和筒形外壳，眼球内腔装有CCD摄像机，筒形外壳后部内腔中，分别通过一个舵机安装架安装两个舵机，两个舵机分别各自通过传动机构驱动眼球左右和上下传动。本发明具有三个自由度，基本实现了模拟人单眼的运动。该机械眼球视角达到了40°，同时控制精度为0.5°。结构紧凑，控制精度高。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术，特别是一种仿生机械眼球。
背景技术
在科幻小说中，机器人的潜能被无限扩大，它们可以与人类进行眼神交流、身体接触并且还能自动适应外界环境，聪明、灵动甚至超过人类。我们知道眼睛是感觉之窗，人有90％以上的信息是靠视觉获取的。假如机器人也能有人一样的眼睛，智能机器人就不再是科幻故事中的迷人情节了。
事实上，能否造出“人工眼”让机器人也能像人那样识文断字，看东西，一直是智能自动化的重要课题。生活中，带视觉功能的机器人的应用场合范围还远大于此。仿生型机械眼球可用于如自动监视、智能机器人的眼睛、目标跟踪装置、汽车飞机等的自动操纵用视觉装置、遥操作用立体摄像装置等。美国麻省理工大学近期研制的新型智能机器人“多莫”，它的“眼睛”可以将“目光”锁定在人脸上。设计者称，这使得人们在与它交流的时候感觉很舒服。机器人拥有了这样的功能就可以照顾老人或者丧失活动能力的人们，还可以在生产线上与工人一起工作，提高生产效率，而且节约劳动力。
让机器人也具备人眼一样的视觉功能是机器人视觉技术的一个发展方向，这将是机器人应用技术的一个飞跃。人眼具备许多特殊的视觉功能，这与人眼的生理结构是密不可分的。
然而，仿生眼功能的实现主要取决于它的机械结构设计。一个好的机械结构设计可以使机器人在头部不用发生偏转的情况下就能获得多个方向的视觉，就像人眼一样实现眼球的灵活运动，此外还要在设计中考虑如何尽可能低的减小摩擦来获得优质的图像。
当今的机器人迫切需要具备人眼诸多特殊自然功能的仿生型机器人眼，有了这样的仿生机械眼，智能机器人将走进我们的日常生活。
发明内容
本发明的目的在于提出一种仿生机械眼球具有三自由度的机械眼球，以满足需要模拟人类视觉的多种实际要求。
本发明的构思是：用一个内部装有摄像机的球体来模拟人眼球，球体分为两半，两个半球靠螺纹连接。摄像机装于球体正中。为了美观，眼球前部加了一个盖子，不影响摄像机的成像效果。CCD传感器作用类似于人眼的视网膜，采集到的视觉信息用数据线从眼球后部的孔接到控制部分。眼球后半部有一个凸台，嵌入在两根摆杆的槽中，凸台可在槽内滑动。当摆杆转动时带动眼球旋转。两根摆杆分别通过两根拉杆与舵机输出轴上的转盘连接。当舵机转动时带动眼球向八个方向转动。眼球通过支撑固定在外壳内部，眼球与外壳并无直接接触，大大减小了眼球外表面所受的摩擦。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种仿生机械眼球，包括一个眼球和筒形外壳，其特征在于：所述眼球内腔装有一个CCD摄像机，眼球装在所述筒形外壳中部内腔中；在所述筒形外壳后部内腔中，分别通过一个舵机安装架安装一个舵机①和一个舵机②；所述舵机①通过传动机构①驱动所述眼球左右转动，所述舵机②通过传动机构②驱动所述眼球上下转动。
所述眼球是：一个前半球壳体与一个后半球壳体以螺纹旋配成眼球壳体，所述前半球壳体中央有通孔安装一个眼球体前盖，在眼球壳体中央安置所述CCD摄像机，CCD摄像机的镜头对准眼球体前盖中央孔。
所述眼球通过四个眼球支撑片支撑在所述外壳中部内腔中能自由转动；所述四个眼球支撑片在所述眼球表面的水平和垂直方向上均匀布置，所述眼球支撑片上有螺纹孔，通过双头螺柱固定在筒形外壳中部内，而球体前盖处在筒形外壳前部内。
所述传动机构①的结构是：所述舵机①的舵机转盘上的偏心销铰连一根拉杆①的一端，拉杆①的另一端铰连一根圆弧形摆杆①的一端，圆弧形摆杆①的两端分别与眼球的左右两极固定连接。
所述传动机构②的结构是：所述舵机②的舵机转盘上的偏心销铰连一根拉杆②的一端，拉杆②的另一端铰连一根圆弧形摆杆②的一端，圆弧形摆杆②的两端分别与眼球的上下两极固定连接。
所述后半球壳体中央有凸台，所述圆弧形摆杆①中有开槽，所述圆弧形摆杆②中亦有开槽，所述凸台滑配嵌在两个开槽内。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
(1)结构简单、紧凑，外型美观，节省安装空间；
(2)眼球由两个舵机通过传动机构驱动可向8个方向灵活转动，达到40°的视角，接近人单眼的运动范围；
(3)摩擦小，响应速度快、定位精度高、控制方便。
附图说明
图1是本发明眼球球体零件分解图。
图2是本发明后半部球壳体示意图。
图3是本发明眼球及其驱动机构结构示意图。
图4是本发明外观整体示意图。
图5是本发明眼球支撑示意图。
图6是本发明眼球支撑片示意图。
图7是本发明圆弧形摆杆示意图。
图8是本发明单根圆弧形摆杆示意图。
图9是图3的主视图。
图10是本发明舵机安装架示意图。
图11是本发明舵机安装示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明一个优选实施例作进一步的说明。
图1是眼球(17)的结构。眼球(11)分为两半，CCD摄像机(3)置于中间，两半球壳体(2、4)靠螺纹连接。眼球前盖(1)是为了美观。后半球壳体(4)上的凸台(18)的作用是使眼球转动。眼球后半球壳体(4)上打孔，便于将CCD摄像机(3)的数据线接到仿生眼后面的控制部分。
为使眼球能够三维旋转，采用图6所示的支撑片(13)将眼球支撑起来。如图5所示，4个支撑分别在眼球表面的水平和垂直方向上均匀布置，且恰好横跨前、后半球的连接缝，有利于减小眼球旋转时的摩擦。支撑片上有螺纹孔，用双头螺柱固定到筒形外壳中部(15)上。
眼球(17)的旋转主要靠圆弧形摆杆①(5)和圆弧形摆杆②(12)带动。单个圆弧形摆杆②(12)结构如图8所示。实现眼球(17)的三维旋转需要两根圆弧形摆杆(5、12)，圆弧形摆杆(5、12)布置如图7所示。圆弧形摆杆(5、12)上开有槽，后半球壳体(4)凸台(18)置于两根圆弧形摆杆(5、12)交叉处的框内，如图3所示。如图9所示，靠近眼球球体处，圆弧形摆杆①(5)的一个点a与支撑片(13)连接，一点b与拉杆①(6)连接，拉杆(6)的另一端固定在舵机①(7)转盘c点，舵机转盘中心为d点。设计时选择合适的长度，使abcd为平行四边形，则cd转过的角度恰好等于ab转动的角度，便于控制。
当舵机①(7)转轴转动时，拉杆①(6)带动圆弧形摆杆①(5)，眼球(7)上下旋转；当舵机②(9)转轴转动时，拉杆②(11)带动圆弧形摆杆②(12)，眼球(7)左右旋转；当用一定方法控制两个舵机(7、9)同时转动时，可使眼球(7)向偏离中心45°的方向转动。由舵机(2、9)直接控制眼球(7)的转动角度可精确到0.5°。
为了整体的美观及便于安装在别的场合，改仿生眼一开始就设计好如图4所示的整体外观。所以需要将舵机合适的布置在筒形外壳内。我们设计了独特的舵机安装架(8)和舵机安装架(10)。并将两个舵机(7、9)互相垂直90°放置。安装架(8、10)通过螺钉固定在筒形外壳后部(16)上。
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，都落在本方面的保护范围。
Claims (4)
1.一种仿生机械眼球，它包括一个眼球(17)和筒形外壳，其特征在于：
a.所述眼球(17)内腔装有一个CCD摄像机(3)，眼球(17)装在所述筒形外壳中部(15)内腔中；
b.在所述筒形外壳后部(16)内腔中，分别通过一个舵机安装架(10、8)安装一个舵机①(7)和一个舵机②(9)；
c.所述舵机①(7)通过传动机构①驱动所述眼球(17)左右转动，所述舵机②(9)通过传动机构②驱动所述眼球(17)上下转动；
所述眼球(17)是：一个前半球壳体(2)与一个后半球壳体(4)以螺纹旋配成眼球壳体，所述前半球壳体(2)中央有通孔安装一个眼球体前盖(1)，在眼球壳体中央安置所述CCD摄像机(3)，CCD摄像机(3)的镜头对准眼球体前盖(1)中央孔；
所述眼球(17)通过四个眼球支撑片(13)支撑在所述筒形外壳中部(15)内腔中能自由转动；所述四个眼球支撑片(13)在所述眼球(17)表面的水平和垂直方向上均匀布置，所述眼球支撑片(13)上有螺纹孔，通过双头螺柱固定在筒形外壳中部(15)内，而眼球体前盖(1)处在筒形外壳前部(14)内。
2.根据权利要求1所述的仿生机械眼球，其特征在于所述传动机构①的结构是：所述舵机①(7)的舵机转盘上的偏心销铰连一根拉杆①(6)的一端，拉杆①(6)的另一端铰连一根圆弧形摆杆①(5)的一端，圆弧形摆杆①(5)的两端分别与眼球(17)的左右两极固定连接。
3.根据权利要求2所述的仿生机械眼球，其特征在于所述传动机构②的结构是：所述舵机②(9)的舵机转盘上的偏心销铰连一根拉杆②(11)的一端，拉杆②(11)的另一端铰连一根圆弧形摆杆②(12)的一端，圆弧形摆杆②(12)的两端分别与眼球(17)的上下两极固定连接。
4.根据权利要求3所述的仿生机械眼球，其特征在于所述后半球壳体(4)中央有凸台(18)，所述圆弧形摆杆①(5)中有开槽(19)，所述圆弧形摆杆②(12)中亦有开槽(20)，所述凸台(18)滑配嵌在两个开槽(19，20)内。
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