CN106426295A - 一种机械仿生眼装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机械仿生眼装置，包括眼球架、眼皮架、眼球转动机构和眼皮开合机构。所述眼球架用于安装仿真眼球，眼皮架包括上眼皮架与下眼皮架，位于眼球架上下位置。上述眼球架的转动和眼皮架的开合，分别通过眼球转动机构和眼皮开合机构，由通过钢丝拉杆来传递驱动器的运动实现；其中仅应用了一个驱动器同时驱动上眼皮架与下眼皮架运动。本发明够模拟多种动物眼睛的转动和眨眼动作，自然逼真，且运动的灵活性。

Description

一种机械仿生眼装置

技术领域

本发明涉及机器人领域，仿生眼装置，具体来说，是一种可以模拟人及多种动物眼球及眼皮运动的机械装置。

背景技术

眼睛在人类进行交流时起到重要的作用。当今机器人技术快速发展，此背景下，一方面，需要机器人具有模拟眼睛运动的功能，以便提高机器人的真实感和被接受度。另一方面，机器人视觉也需要眼球模拟装置的转向配合，以便收集范围更广的影像信息，从而更好的服务于之后的图像处理过程。但是目前的解决方案往往复杂，且不能很好的将眼球运动和眼皮运动相集成。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种通过旋转型驱动器以及钢丝拉杆的配合模拟眼球两个方向转动，以及眼皮开合运动的机械仿生眼装置，具有机构简单、控制方便、集成设计和体积小等优点，还可以应用于其它转动机器人关节、指向机构以及影视道具等领域。

本发明机械仿生眼装置，包括眼球架、眼皮架、眼球转动机构和眼皮开合机构。所述眼球架为圆形框架结构，用来安装仿真眼球。沿眼球架一条直径设计有中轴；中轴中部铰接于支撑台，形成具有绕y轴转动的转动副。眼皮架包括上眼皮架与下眼皮架；上眼皮架与下眼皮架为半环形框架结构，位于眼球架上下位置，分别用来安装仿真上眼皮和仿真下眼皮。上眼皮架与下眼皮架两端端部重叠设置，分别与位于两侧的伸出臂铰接，形成绕x轴转动的转动副。上述眼球架由x轴转动控制支链控制眼球架绕x轴转动，由y轴转动控制支链控制眼球架绕y轴转动；而眼皮架由眼皮开合机构控制上眼皮架与下眼皮架绕x轴转动。

如权利要求1所述一种机械仿生眼装置，其特征在于：x轴转动控制支链包括x轴转动驱动舵机、球头扣、上端轴拉杆、摇臂头与上端轴；其中，x轴转动驱动舵机的输出轴沿x轴设置，输出轴上安装有舵机臂，舵机臂的输出端通过球头扣连接上端轴拉杆的输入端，上端轴拉杆输出端摇臂头铰接，形成具有绕y轴转动的转动副；摇臂头与上端轴铰接，形成转动副；上端轴固定安装于眼球架内，与中轴平行。

y轴转动运动支链包括y轴转动驱动舵机与中轴拉杆；其中，y轴转动驱动舵机的输出轴沿y轴设置，输出轴上安装有舵机臂；舵机臂的输出端与中轴拉杆的输入端铰接，型成具有绕y轴转动的转动副；中轴拉杆的输出端与中轴铰接，铰接位置靠近中轴端部，形成具有绕y轴转动的转动副。

由此，通过x轴转动驱动舵机的舵机臂摆动，可使眼球架旋转。通过y轴转动驱动舵机的舵机臂摆动时，可使中轴旋转，从而带动眼球架旋转。

眼皮开合机构包括开合驱动舵机、上眼皮架拉杆、下眼皮架拉杆；其中，开合驱动舵机输出轴沿x轴设置；开合驱动舵机输出轴上安装有舵机臂；舵机臂上眼皮架拉杆与下眼皮架拉杆的输入端分别铰接于舵机臂的输出端，形成具有绕x轴转动的转动副；上眼皮架拉杆与下眼皮架拉杆的输出端分别铰接于上眼皮架和下眼皮架外壁上，形成具有绕x轴转动的自由度。当开合驱动舵机运动时，开合驱动舵机的舵机臂摆动，可带动上眼皮架拉杆和下眼皮架拉杆同时运动，从而同时实现上眼皮架和下眼皮架的开合运动，使眨眼动作更加自然。

本发明的优点在于：

1、本发明机械仿生眼装置，能够模拟多种动物眼睛的转动和眨眼动作，且将所有的驱动器都固定在底座上，提高了运动的灵活性。

2、本发明机械仿生眼装置，在模拟眼皮运动时，设计了上下眼皮的联动方式，使用一个驱动器同时驱动上下眼皮，使得眨眼动作更自然逼真。

3、本发明机械仿生眼装置，使用了旋转式驱动器，避免了使用直线式驱动器，使得驱动器选型方便，成本较低。

4、本发明机械仿生眼装置，在设计眼球转动和眼皮运动时，使用钢丝拉杆来传递驱动器的运动，进一步降低了成本，并且可减轻装置的重量。

5、本发明机械仿生眼装置，采用了模块化设计，维修和拆装方便，而且在一定范围内，可以更换不同长度的钢丝拉杆，从而调节驱动器的位置，以便更好的适应不同的安装需求。

附图说明

图1为本发明机械仿生眼装置整体结构示意图；

图2为本发明机械仿生眼装置中眼球运动机构示意图；

图3为本发明机械仿生眼装置中眼皮架张开示意图；

图4为本发明机械仿生眼装置中眼皮架闭合示意图；

图5为本发明机械仿生眼装置的仿真安装效果图。

图中：

1-安装底板 2-眼球架 3-眼皮架

4-眼球转动机构 5-眼皮开合机构 6-仿生眼球

7-仿真上眼皮 8-仿真下眼皮 101-支撑台

102-伸出臂 201-中轴 401-x轴转动驱动舵机

402-球头扣 403-上端轴钢丝拉杆 404-摇臂头

405-上端轴 406-y轴转动驱动舵机 407-中轴钢丝拉杆

501-开合驱动舵机 502-上眼皮架钢丝拉杆 503-下眼皮架钢丝拉杆

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明机械仿生眼装置，包括安装底板1，眼球架2、眼皮架3、眼球转动机构4和眼皮开合机构5，如图1所示。

所述安装底板1前缘中部安装有支撑台101，用来定位支撑眼球架2。同时，安装底板1前缘左右两侧安装有伸出臂102，用来定位支撑眼皮架3。

所述眼球架2为圆形框架结构，用于安装仿生眼球6。沿眼球架2任意一条直径设计有中轴201，中轴201两端穿过眼球架2上相对位置设计的通孔后，套接卡环202，实现中轴201的定位，且形成转动副A；中轴201通过定位螺栓依次穿过中轴201中部以及支撑台101上开设的安装孔后，与螺母配合，实现中轴201与支撑台101间的铰接定位，形成转动副B，转动副B的轴线沿竖直的y轴方向。上述眼球架2处于初始状态时，转动副A的轴线沿水平x轴方向。

所述眼皮架3包括上眼皮架与下眼皮架，分别用来安装仿生上眼皮7与仿生下眼皮8。上眼皮架与下眼皮架为半环形框架结构，两端端部重叠设置，分别位于眼球架2与两侧的伸出臂102之间，通过螺栓依次穿过上眼皮架端部、下眼皮架端部以及伸出臂102上开设的通孔后，与螺母配合，实现上眼皮架、下眼皮架与伸出臂102间的铰接定位，形成转动副C；且在眼球架2处于初始状态时，转动副C的轴线与转动副B的轴线重合。

上述眼球架2由眼球转动机构4驱动，可实现眼球架2绕x轴与y轴的转动；而眼皮架3由眼皮开合机构5控制，可实现上眼皮架301与下眼皮架302绕x轴转动。

所述眼球转动机构4包括x轴转动控制支链和y轴转动控制支链。其中，x轴转动控制支链包括x轴转动驱动舵机401、球头扣402、上端轴钢丝拉杆403、摇臂头404与上端轴405。y轴转动运动支链包括y轴转动驱动舵机406与中轴钢丝拉杆407。

x轴转动控制支链中，x轴转动驱动舵机401的输出轴沿x轴设置，本体部分固定安装在安装底板1后部右侧。x轴转动驱动舵机401的输出轴上安装有舵机臂，舵机臂的输出端固定安装有球头扣402；球头扣402为具有三个转动自由度的球铰。上端轴钢丝拉杆403的输入端与球头扣402固连，输出端与摇臂头404铰接，形成转动副D，转动副D轴线沿y轴方向。摇臂头404套接于上端轴405中部，与上端轴405间铰接，形成转动副E，使两者间可相互转动。上端轴405设置于眼球架2内，与中轴201平行，两端穿过眼球架2上相对位置设计的通孔后，与螺母配合，实现上端轴与眼球架间的固定。

y轴转动运动支链中，y轴转动驱动舵机406的输出轴沿y轴设置，本体部分固定安装在安装底板1中部。y轴转动驱动舵机406输出轴上安装有舵机臂，舵机臂的输出端与中轴钢丝拉杆407的输入端铰接，形成转动副F，转动副F的轴线沿y轴方向。中轴钢丝拉杆407的输出端与中轴201铰接，铰接位置靠近中轴201端部，形成转动副G，转动副G的轴线同样沿y轴方向。

由此，在y轴转动驱动舵机406停止运动的情况下，仅x轴转动驱动舵机401运动时，x轴转动驱动舵机401的舵机臂摆动，可使眼球架2绕转动副A旋转。在x轴转动驱动舵机401停止运动的情况下，仅y轴转动驱动舵机406的舵机臂摆动时，可使中轴201绕转动副B旋转，从而带动眼球架5绕转动副B旋转。当x轴转动驱动舵机401与y轴转动驱动舵机406同时运动时，两者的舵机臂同时摆动，可使眼球架2同时沿绕转动副A与转动副B进行复合转动，从而实现仿真眼球6灵活转动。

所述眼皮开合机构5包括开合驱动舵机501、上眼皮架钢丝拉杆502、下眼皮架钢丝拉杆503，如图3、图4所示。其中，开合驱动舵机501输出轴沿x轴方向设置，本体部分固定安装在安装底板1后部左侧。开合驱动舵机501输出轴上安装有舵机臂；上眼皮架钢丝拉杆502与下眼皮架钢丝拉杆503的输入端分别铰接于舵机臂的输出端相对侧面，形成转动副H与转动副I；转动副H与转动副I的轴线均沿x轴方向；且上眼皮架钢丝拉杆502与下眼皮架钢丝拉杆503的输出端铰接位置沿舵机摇臂轴线布置，铰接轴轴线与舵机摇臂轴线相交；上眼皮架钢丝拉杆502的输入端铰接处靠近开合驱动舵机501的输出轴。上眼皮架钢丝拉杆502与下眼皮架钢丝拉杆503的输出端分别铰接于上眼皮架301和下眼皮架302外壁上，且分别靠近上眼皮架301与下眼皮架302端部，形成转动副J与转动副K；转动副J与转动副K的轴线均沿x轴方向。

由此，使得安装底板1、舵机臂、上眼皮架拉杆501和上眼皮架301构成一个平面四杆机构；同时，安装底板1、舵机臂、下眼皮架拉杆502和下眼皮架302也构成一个平面四杆机构。当开合驱动舵机501运动时，开合驱动舵机501的舵机臂摆动，可带动上眼皮架钢丝拉杆502和下眼皮架钢丝拉杆503同时运动，从而同时实现上眼皮架301和下眼皮架302的开合运动，使眨眼动作更加自然。

综上，在眼球架2、上眼皮架301和下眼皮架302上分别安装半球型仿真眼球6与1/4球面型的仿真上眼皮7和仿真下眼皮8，通过本发明机械仿生眼装置，可实现仿真眼球的灵活转动控制，以及仿真上眼皮7与仿真下眼皮8间相互开合控制，形成的眨眼动作，如图5所示。本发明中所有舵机采用型号均为Tower Pro SG90，该舵机体积较小，控制方便而且成本很低。

Claims (6)

1.一种机械仿生眼装置，其特征在于：包括眼球架、眼皮架、眼球转动机构和眼皮开合机构；

所述眼球架为圆形框架结构，用来安装仿真眼球；沿眼球架一条直径设计有中轴；中轴中部铰接于支撑台，形成具有绕y轴转动的转动副；眼皮架包括上眼皮架与下眼皮架；上眼皮架与下眼皮架为半环形框架结构，位于眼球架上下位置，分别用来安装仿真上眼皮和仿真下眼皮；上眼皮架与下眼皮架两端端部重叠设置，分别与位于两侧的伸出臂铰接，形成绕x轴转动的转动副；上述眼球架由x轴转动控制支链控制眼球架绕x轴转动，由y轴转动控制支链控制眼球架绕y轴转动；而眼皮架由眼皮开合机构控制上眼皮架与下眼皮架绕x轴转动。

2.如权利要求1所述一种机械仿生眼装置，其特征在于：x轴转动控制支链包括x轴转动驱动舵机、球头扣、上端轴拉杆、摇臂头与上端轴；其中，x轴转动驱动舵机的输出轴沿x轴设置，输出轴上安装有舵机臂，舵机臂的输出端通过球头扣连接上端轴拉杆的输入端，上端轴拉杆输出端摇臂头铰接，形成具有绕y轴转动的转动副；摇臂头与上端轴铰接，形成转动副；上端轴固定安装于眼球架内，与中轴平行。

3.如权利要求2所述一种机械仿生眼装置，其特征在于：球头扣具有三个转动自由度。

4.如权利要求1所述一种机械仿生眼装置，其特征在于：y轴转动运动支链包括y轴转动驱动舵机与中轴拉杆；其中，y轴转动驱动舵机的输出轴沿y轴设置，输出轴上安装有舵机臂；舵机臂的输出端与中轴拉杆的输入端铰接，型成具有绕y轴转动的转动副；中轴拉杆的输出端与中轴铰接，铰接位置靠近中轴端部，形成具有绕y轴转动的转动副。

5.如权利要求1所述一种机械仿生眼装置，其特征在于：眼皮开合机构包括开合驱动舵机、上眼皮架拉杆、下眼皮架拉杆；其中，开合驱动舵机输出轴沿x轴设置；开合驱动舵机输出轴上安装有舵机臂；舵机臂上眼皮架拉杆与下眼皮架拉杆的输入端分别铰接于舵机臂的输出端，形成具有绕x轴转动的转动副；上眼皮架拉杆与下眼皮架拉杆的输出端分别铰接于上眼皮架和下眼皮架外壁上，形成具有绕x轴转动的自由度。

6.如权利要求1所述一种机械仿生眼装置，其特征在于：x轴转动驱动舵机y轴转动驱动舵机与开合驱动舵机均采用Tower Pro SG90型号舵机。