CN106272563A - 基于串、并联控制的三自由度仿生眼 - Google Patents

基于串、并联控制的三自由度仿生眼 Download PDF

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Abstract

本发明属于仿生机器人技术领域，特别涉及一种仿生眼。基于串、并联控制的三自由度仿生眼，其技术方案是：基板固定在垂直支架上，垂直支架固定在水平支架上，眼球安装在基板上，由上四连杆机构实现眼球的左右运动，右四连杆机构实现眼球的上下运动，眼球内部设有第三电机，第三电机用于驱动传感器沿眼球光轴方向旋转。本发明通过简单的连杆并联机构可以实现仿生眼球的俯仰、方位转动，实现仿生眼球的沿光轴自旋运动，三个自由度的运动使仿生眼能够实现更高的定位精度。

Description

基于串、并联控制的三自由度仿生眼
技术领域
本发明属于仿生机器人技术领域，特别涉及一种仿生眼。
背景技术
眼睛是人类重要的器官之一，人类获得客观世界信息主要是通过眼睛。对于仿生机器人来说，“眼睛”也是其重要的感知设备，为机器人提供一双慧眼，能够提高机器人的自主性和环境适应性。因此研究机器人仿生眼睛是当今机器人领域的研究热点。
人眼的运动机理以及解剖学表明，人的眼睛近似球形，位于眼眶内。每只人眼有6条肌肉，三个自由度，双眼不单独运动，而是在神经控制下进行共轭运动(扫视运动，平滑追踪)、异向运动(辐辏运动，散开运动)、稳态注视运动(震颤，微扫视，慢漂移)、反射运动(前庭动眼反射，视动反射)等运动，而且人眼在头部保持不动的情况下通过眼球向各个方向转动扩大视野。
目前现有的相关专利有：专利201510649137.4中提出了三自由度的双目仿生机构，以及专利201510446391.4提出了一种三自由度仿生眼睛，采用电机直驱方式传动。专利200810060006.2是采用人工气动肌肉牵引的方式来实现仿生眼的三自由度运动。专利201010126955.3提出三自由度球面并联机构仿生眼睛，其运动空间为锥形，不足是结构复杂，体积大。专利201210551864.3提出了一种具有全景捕捉、定位功能的双目立体仿生眼机构。专利201420193242.2提出了一种仿生眼球，该专利没有实现仿生眼的三自由度运动，且仿生眼球不为球形。专利201510455662.2提出了可任意角度注视、三维重建的仿生眼装置及仿生眼设备，通过旋转电机、行进电机及转轮的驱动方式实现仿生眼设备的运动。
发明内容
本发明的目的是：提供一种小体积、简单化、高定位精度的三自由度仿生眼，实现仿生眼的左右(方位)、上下(俯仰)、沿光轴自旋三个方向大角度范围无偏心的眼球运动。
本发明的技术方案是：基于串、并联控制的三自由度仿生眼，它包括：眼球、基板、垂直支架、水平支架，电机驱动部分，上四连杆机构以及右四连杆机构；
眼球为由眼前球、眼后球卡接组成的球形腔体结构；眼前球和眼后球分别卡接在前眼球座和后眼球座上；前眼球座、后眼球座均固定在基板上；眼球内部设有第三电机，第三电机驱动用于采集图像的传感器沿眼球光轴方向旋转；眼后球的外壁中心处设有拨块；
电机驱动部分包括：第一电机及固定第一电机的第一电机座，第二电机及固定第二电机的第二电机座；
上四连杆机构水平设置在眼球的上方，包括：第一支杆，第一摆环，第一连杆，第一摆杆；第一摆环为与眼球同心的半圆形结构，竖直安装在眼后球外侧；第一摆杆的一端通过键固定连接第一电机，另一端通过深沟球轴承与第一连杆的一端铰接，第一连杆的另一端以及第一支杆的一端分别与第一摆环上圆弧端铰接，第一支杆的另一端与第一电机座固接，同时第一支杆通过向下延伸的支座固定在基板上；第一摆环的下圆弧端铰接在基板上；
右四连杆机构竖直设置在眼球的右侧，包括：第二支杆，第二摆环，第二连杆，第二摆杆；第二摆环为与眼球同心的半圆形结构，水平安装在第一摆环外侧，且与第一摆环不干涉；第二摆杆的一端通过键固定连接第二电机，另一端通过深沟球轴承与第二连杆的一端铰接，第二连杆的另一端以及第二支杆的一端分别与第二摆环的右圆弧端铰接，第二支杆的另一端固定在基板上；第二电机座也固定在基板上；第二摆环的左圆弧端与位于眼球左侧且固定在基板上的左侧板铰接；
第一摆环和第二摆环中间各设有滑槽，第一摆环和第二摆环呈十字形交叉，眼后球的外壁中心处的拨块依次穿过第一摆环和第二摆环上的滑槽；上四连杆机构实现眼球的左右运动，右四连杆机构实现眼球的上下运动，通过第一摆环和第二摆环的合成运动实现眼球的大范围无偏心二自由度运动；
基板固定在垂直支架上，垂直支架固定在水平支架上。
有益效果：(1)本发明通过简单的连杆并联机构可以实现仿生眼球的俯仰、方位转动，实现仿生眼球的沿光轴自旋运动，三个自由度的运动使仿生眼能够实现更高的定位精度。
(2)本发明机构简单，通过驱动、控制器件以及连接机构的一体化设计，实现了仿生眼机构紧凑型、小型化、轻量化。
(3)本发明设置了前眼球座和后眼球座，使眼球不能平移，只能转动，并且保持眼球中心位置不变。
附图说明
图1为本发明三维结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的右视图；
图4为图1的后视图。
具体实施方式
参见附图，基于串、并联控制的三自由度仿生眼，它包括：眼球1、基板2、垂直支架6、水平支架7，电机驱动部分5，上四连杆机构3以及右四连杆机构4；
眼球1为由眼前球20、眼后球21卡接组成的球形腔体结构；眼前球20和眼后球21分别卡接在前眼球座22和后眼球座23上，使眼球1不能沿其轴线平移，只能上下或左右摆动，并且眼球中心位置不变；前眼球座22、后眼球座23均固定在基板2上；眼球1内部设有第三电机，第三电机用于驱动眼球1内的图像采集传感器沿眼球1光轴方向旋转，此处实现对旋转自由度的串联控制；眼后球21的外壁中心处设有拨块24；
电机驱动部分5包括：第一电机及固定第一电机的第一电机座14，第二电机及固定第二电机的第二电机座19；
上四连杆机构3水平设置在眼球1的上方，包括：第一支杆8，第一摆环11，第一连杆12，第一摆杆13；第一摆环11为与眼球1同心的半圆形结构，竖直安装在眼后球21外侧；第一摆杆13的一端通过键固定连接第一电机，另一端通过深沟球轴承与第一连杆12的一端铰接，第一连杆12的另一端以及第一支杆8的一端分别与第一摆环11上圆弧端铰接，第一支杆8的另一端与第一电机座14固接，同时第一支杆8通过向下延伸的支座固定在基板2上；第一摆环11的下圆弧端铰接在基板2上；
右四连杆机构4竖直设置在眼球1的右侧，包括：第二支杆15，第二摆环16，第二连杆17，第二摆杆18；第二摆环16为与眼球1同心的半圆形结构，水平安装在第一摆环11外侧，且与第一摆环11不干涉；第二摆杆18的一端通过键固定连接第二电机，另一端通过深沟球轴承与第二连杆17的一端铰接，第二连杆17的另一端以及第二支杆15的一端分别与第二摆环16的右圆弧端铰接，第二支杆15的另一端固定在基板2上；第二电机座19也固定在基板2上；第二摆环16的左圆弧端与位于眼球1左侧且固定在基板2上的左侧板铰接；
第一摆环11和第二摆环16中间各设有滑槽，第一摆环11和第二摆环16呈十字形交叉，眼后球21的外壁中心处的拨块24依次穿过第一摆环11和第二摆环16上的滑槽。
上四连杆机构3用于实现眼球1的左右运动：由第一电机输出的动力通过第一摆杆13、第一连杆12传递至第一摆环11，使第一摆环11通过拨动拨块24在第二摆环16的滑槽内滑动，从而带动眼球1左右运动；右四连杆机构4用于实现眼球1的上下运动：由第二电机的输出的动力通过第二摆杆18、第二连杆17传递至第二摆环16，使第二摆环16拨动拨块24在第一摆环11的滑槽内滑动，从而带动眼球1上下运动；通过第一摆环11和第二摆环16的合成运动实现眼球1的大范围无偏心二自由度运动，此处为并联控制；
基板2固定在垂直支架6上，垂直支架6固定在水平支架7上；
第一摆环11连接用于确定眼球1左右转动绝对位置的第一编码器，第一编码器固定在第一编码器座25上，第一编码器座25固定在基板2上；第二摆环16连接用于确定眼球1上下转动绝对位置的第二编码器，第二编码器固定在第二编码器座26上；第二编码器座26固定在第三支杆27上；第三支杆27固定在基板2上。

Claims (2)

1.基于串、并联控制的三自由度仿生眼，它包括：眼球(1)、基板(2)、垂直支架(6)、水平支架(7)，电机驱动部分(5)，上四连杆机构(3)以及右四连杆机构(4)；其特征在于：
所述眼球(1)为由眼前球(20)、眼后球(21)卡接组成的球形腔体结构；所述眼前球(20)和所述眼后球(21)分别卡接在前眼球座(22)和后眼球座(23)上；所述前眼球座(22)、所述后眼球座(23)均固定在所述基板(2)上；所述眼球(1)内部设有第三电机，所述第三电机驱动用于采集图像的传感器沿所述眼球(1)光轴方向旋转；眼后球(21)的外壁中心处设有拨块(24)；
所述电机驱动部分(5)包括：第一电机及固定所述第一电机的第一电机座(14)，第二电机及固定所述第二电机的第二电机座(19)；
所述上四连杆机构(3)水平设置在眼球(1)的上方，包括：第一支杆(8)，第一摆环(11)，第一连杆(12)，第一摆杆(13)；所述第一摆环(11)为与所述眼球(1)同心的半圆形结构，竖直安装在所述眼后球(21)外侧；所述第一摆杆(13)的一端通过键固定连接所述第一电机，另一端通过深沟球轴承与所述第一连杆(12)的一端铰接，所述第一连杆(12)的另一端以及所述第一支杆(8)的一端分别与所述第一摆环(11)上圆弧端铰接，所述第一支杆(8)的另一端与所述第一电机座(14)固接，同时所述第一支杆(8)通过向下延伸的支座固定在所述基板(2)上；所述第一摆环(11)的下圆弧端铰接在所述基板(2)上；
所述右四连杆机构(4)竖直设置在眼球(1)的右侧，包括：第二支杆(15)，第二摆环(16)，第二连杆(17)，第二摆杆(18)；所述第二摆环(16)为与所述眼球(1)同心的半圆形结构，水平安装在所述第一摆环(11)外侧，且与所述第一摆环(11)不干涉；所述第二摆杆(18)的一端通过键固定连接所述第二电机，另一端通过深沟球轴承与所述第二连杆(17)的一端铰接，所述第二连杆(17)的另一端以及所述第二支杆(15)的一端分别与所述第二摆环(16)的右圆弧端铰接，所述第二支杆(15)的另一端固定在所述基板(2)上；所述第二电机座(19)也固定在所述基板(2)上；所述第二摆环(16)的左圆弧端与位于所述眼球(1)左侧且固定在所述基板(2)上的左侧板铰接；
所述第一摆环(11)和所述第二摆环(16)中间各设有滑槽，所述第一摆环(11)和所述第二摆环(16)呈十字形交叉，所述眼后球(21)的外壁中心处的所述拨块(24)依次穿过所述第一摆环(11)和所述第二摆环(16)上的滑槽；所述上四连杆机构(3)实现所述眼球(1)的左右运动，所述右四连杆机构(4)实现所述眼球(1)的上下运动，通过所述第一摆环(11)和所述第二摆环(16)的合成运动实现所述眼球(1)的大范围无偏心二自由度运动；
所述基板(2)固定在所述垂直支架(6)上，所述垂直支架(6)固定在所述水平支架(7)上。
2.如权利要求1所述的基于串、并联控制的三自由度仿生眼，其特征在于：它还包括用于确定所述眼球(1)左右转动绝对位置的第一编码器以及用于确定所述眼球(1)上下转动绝对位置的第二编码器；所述第一摆环(11)连接第一编码器，所述第一编码器通过第一编码器座(25)固定在所述基板(2)上；所述第二摆环(16)连接第二编码器，所述第二编码器通过第二编码器座(26)固定在第三支杆(27)上；所述第三支杆(27)固定在基板(2)上。
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