CN110434897B - 一种基于二自由度电磁驱动旋转机构的紧凑型仿生眼装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于二自由度电磁驱动旋转机构的紧凑型仿生眼装置，可作为人形机器人等仿生机器人的视觉传感器，主要由转子、定子铁心、绕组、角位移摄像头、球铰压块、定子连接件、相机、球铰、相机连接件、转子连接件、外球壳构成。本发明通过调节4个定子的绕组电流，驱动转子实现俯仰与偏航自由度的有限转动。本发明使用的二自由度电磁旋转机构结构紧凑，能实现人眼尺度的仿生眼装置，为仿生眼真正应用于人形机器人提供了重要基础。

Description

一种基于二自由度电磁驱动旋转机构的紧凑型仿生眼装置
技术领域
本发明涉及一种基于二自由度电磁驱动旋转机构的紧凑型仿生眼装置，可作为人形机器人等仿生机器人的视觉传感器。
背景技术
机器人的广泛应用是工业社会的重要支柱和发展趋势。人形机器人模仿人类进化结果，在与人协同作业或代替人从事有关工作方面具有更好的灵活性和适应性，是机器人的重要门类。人眼是人类获取信息的最主要器官，从模仿人类的角度而言，视觉传感器将成为人形机器人获取外部信息的最主要装置。仿生眼是一种能够实现两自由度或三自由度旋转运动的视觉传感器，通过外加相应的控制硬件和处理软件，可以模仿人类视觉实现目标识别、目标跟踪(包括共轭运动、非共轭运动、反射性运动)等功能，成为人形机器人视觉传感器的重要发展方向。
由于电机是门类最齐全、技术最成熟的驱动方式，目前的仿生眼主要采用三电机并联式或两电机串联式来实现三自由度或两自由度运动。由于电机必须具备一定的输出力矩才能保证仿生眼的运动加速度，且内部部件多，结构复杂，体积存在较大的下限，导致仿生眼整机体积比人眼尺度大得多，限制了仿生眼在人形机器人中的实际应用。为了缩减仿生眼体积，目前主要有三种方案：a)用人工肌肉型的执行机构代替电机，这是一种更为彻底的仿生眼思路，但由于人工肌肉的研究尚处于初期阶段，力输出的非线性严重，分辨率和精度性能均很差，因而有的仿生眼中采用直线电机+柔索来模拟人工肌肉，然而同等出力的直线电机比旋转电机的体积更大，实际上无法降低仿生眼的体积；b)用体积较小的舵机取代电机，但是舵机主要是由电机和减速机构构成，舵机体积的缩小往往是通过部件精简或低精度部件替代来实现，即以驱动精度的显著下降为代价，因而难以满足仿生眼的运动精度需求；c)用一台两自由度电机代替两台单自由度电机，通过一体化设计降低整机体积，但由于仍然沿用传统电机架构，在降低仿生眼体积方面的效果不明显，反而因磁路耦合、机械摩擦、不平衡力矩等因素影响仿生眼的运动性能。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服因现有执行机构体积大导致仿生眼体积过大的问题，用一种部件少、结构简单的二自由度电磁驱动旋转机构代替两台单自由度电机，通过一体化设计实现人眼尺度的仿生眼装置。
本发明的技术解决方案是：一种基于二自由度电磁驱动旋转机构的紧凑型仿生眼装置，由定子组件和转子组件组成，定子组件包括外球壳、定子铁心、定子连接件、角位移摄像头、球铰压块和绕组；转子组件包括相机、转子、转子连接件、球铰和相机连接件。四个定子铁心与外球壳固联，沿外球壳大圆周向均布，定子连接件位于四个定子铁心的中心位置，用于连接和固定四个定子铁心；转子连接件、球铰和相机连接件三者构成传动杆，球铰中心位于转子中心球面的球心，约束转子组件绕转子中心球面球心定点运动；球铰的相机侧和转子侧分别为球铰压块和定子连接件，三者构成球副。
所述的转子为一个四分块的类半球壳结构，每个分块被过定轴的任意平面切割后的截面为一个扇环，定轴为该四分块与对侧四分块对称平面上与转子端面圆平行的唯一直线，截面扇环宽度为2d，且d＝dmax-ηdθ/θmax，其中θ为割面与对称面的夹角，dmax为θ＝0时截面扇环宽度的一半，θmax为θ的最大值，ηd是表征截面扇环宽度随θ增大而减小的一个常数。
所述的定子铁心、转子和绕组构成四个双气隙电磁铁，其中每个定子铁心与一个转子四分块对应，且定子磁极表面与转子表面平行，定子铁心和转子均由导磁材料制成。
每两个相对的电磁铁驱动转子组件做一个自由度的运动，通过调节4个绕组的电流大小，能够分别驱动转子组件实现正/负向俯仰、正/负向偏航两个自由度的运动。
所述的角位置摄像头用于拍摄转子底部特征图像，经图像处理可以计算出转子的实际转角，即偏航角和俯仰角。
所述的紧凑型仿生眼装置，可以外接包含转角闭环控制算法的控制器，根据转子组件实际转角相对于给定转角的偏差，计算出各绕组电流的调节量，调节绕组电流，驱动转子组件运动，使转子组件实际转角趋于给定转角。
本发明的原理是：角位移摄像头实时拍摄转子外表面底部的特征图像，通过图像处理得到特征点的图像坐标，进而计算出转子的实际偏航角和俯仰角；通过向电磁铁绕组通入电流，使双气隙电磁铁中的两个磁极对转子产生电磁吸力，由于两个吸力均垂直于转子表面，而转子内外表面之间存在一个很小的夹角，因而合力指向转子的切向，即沿转子正/负俯仰、正/负偏航的方向；根据转子实际转角相对于给定转角的偏差，计算出各绕组电流的调节量，调节绕组电流，即可驱动转子组件的俯仰角和偏航角趋于给定转角。
相较于现有仿生眼装置，本发明的优势在于：充分利用仿生眼旋转角度范围有限的特点，采用一种二自由度电磁驱动的有限旋转机构作为执行机构，部件少，结构简单，体积小，通过一体化设计可以实现紧凑型仿生眼结构，显著缩减仿生眼的体积，实现人眼尺度的仿生眼装置。
附图说明
图1为本发明的一种基于二自由度电磁驱动旋转机构的紧凑型仿生眼装置的结构图；
图2为本发明的一种基于二自由度电磁驱动旋转机构的紧凑型仿生眼装置的内部三维图；
图3为本发明的一种基于二自由度电磁驱动旋转机构的紧凑型仿生眼装置的控制系统流程图；
图4为本发明的一种基于二自由度电磁驱动旋转机构的紧凑型仿生眼装置一个电磁铁磁路的电磁场有限元分析结果。
具体实施方式
如图1所示为仿生眼装置的结构图，装置整体由定子组件和转子组件组成，定子组件包括外球壳、定子铁心、定子连接件、角位移摄像头、球铰压块和绕组；转子组件包括相机、转子、转子连接件、球铰和相机连接件。四个定子铁心与外球壳固联，沿外球壳大圆周向均布，定子连接件位于四个定子铁心的中心位置，用于连接和固定四个定子铁心；转子连接件、球铰和相机连接件三者构成传动杆，球铰中心位于转子中心球面的球心，约束转子组件绕转子中心球面球心定点运动；球铰的相机侧和转子侧分别为球铰压块和定子连接件，三者构成球副。
图1中的转子为一个四分块的类半球壳结构，每个分块被过定轴的任意平面切割后的截面为一个扇环，定轴为该四分块与对侧四分块对称平面上与转子端面圆平行的唯一直线，截面扇环宽度为2d。按人眼尺度要求，外球壳直径为24mm，转子中心球面半径为7.5mm，若θ为割面与对称面的夹角，可取θ＝0°时截面扇环宽度的一半为dmax＝0.8mm，θ的最大值为θmax＝86°，表征截面扇环宽度随θ增大而减小的一个常数为ηd＝0.215，则d＝0.8-0.215θ/86(mm)。
如图2所示为仿生眼装置的内部三维图，其中定子铁心、转子和绕组构成四个双气隙电磁铁，其中每个定子铁心与一个转子四分块对应，且定子磁极表面与转子表面平行，定子铁心和转子均由导磁材料制成。每两个相对的电磁铁驱动转子组件做一个自由度的运动，通过调节4个绕组的电流大小，能够分别驱动转子组件实现正/负向俯仰、正/负向偏航两个自由度的运动。
如图3所示为仿生眼装置的控制系统流程图，仿生眼装置可以外接包含转角闭环控制算法的控制器，根据转子组件实际转角相对于给定转角的偏差，计算出各绕组电流的调节量，调节绕组电流，驱动转子组件运动，使转子组件实际转角趋于给定转角。角位置摄像头用于拍摄转子底部特征图像，经图像处理可以计算出转子的实际转角，即偏航角和俯仰角。
在仿生眼转子绕x轴转动30°后，对引起该转动的+y电磁铁的磁路进行电磁场有限元分析，结果如图4所示，其中沿x、y、z轴上的电磁力依次为0.66231×10-3N、0.21417×10- 2N、0.20977×10-2N，绕x轴的驱动力矩为0.22484×10-4Nm，能提供的角加速度达到153.91rad/s-2。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于二自由度电磁驱动旋转机构的紧凑型仿生眼装置，该装置由定子组件和转子组件构成，其特征在于：定子组件包括外球壳(2)、四个定子铁心(3)、定子连接件(5)、角位移摄像头(6)、球铰压块(9)和四个绕组(10)；转子组件包括相机(1)、转子(4)、转子连接件(7)、球铰(8)和相机连接件(11)；四个定子铁心(3)与外球壳(2)固联，沿外球壳(2)大圆周向均布；定子连接件(5)位于四个定子铁心(3)的中心位置，用于连接和固定四个定子铁心(3)；转子连接件(7)、球铰(8)和相机连接件(11)三者构成传动杆，球铰(8)中心位于转子(4)中心球面的球心，约束转子组件绕转子(4)中心球面球心定点运动；球铰(8)的相机侧和转子侧分别为球铰压块(9)和定子连接件(5)，三者构成球副。
2.根据权利要求1所述的一种基于二自由度电磁驱动旋转机构的紧凑型仿生眼装置，其特征在于：所述的转子(4)为一个类半球壳结构，且包含四个分块，每个分块被过定轴的任意平面切割后的截面为一个扇环，定轴为该分块与对侧分块的对称平面上与转子端面圆平行的唯一直线，截面扇环宽度为2d，且d＝dmax-ηdθ/θmax，其中θ为割面与对称平面的夹角，dmax为θ＝0时截面扇环宽度的一半，θmax为θ的最大值，ηd是表征截面扇环宽度随θ增大而减小的一个常数。
3.根据权利要求1所述的一种基于二自由度电磁驱动旋转机构的紧凑型仿生眼装置，其特征在于：所述的四个定子铁心(3)、四个绕组(10)与转子(4)的四个分块构成四个双气隙的电磁铁，每个定子铁心(3)与一个转子(4)分块对应，且定子磁极表面与转子(4)表面平行，定子铁心(3)和转子(4)均由导磁材料制成；每两个相对的电磁铁驱动转子组件做一个自由度的运动，通过调节四个绕组(10)的电流大小，能够分别驱动转子组件实现正/负向俯仰、正/负向偏航两个自由度的运动。
4.根据权利要求1所述的一种基于二自由度电磁驱动旋转机构的紧凑型仿生眼装置，其特征在于：所述的角位移摄像头(6)用于拍摄转子底部特征图像，经图像处理计算出转子(4)的实际转角，即偏航角和俯仰角。
5.根据权利要求1所述的一种基于二自由度电磁驱动旋转机构的紧凑型仿生眼装置，其特征在于：外接包含转角闭环控制算法的控制器，根据转子组件实际转角相对于给定转角的偏差，计算出四个绕组(10)电流的调节量，调节四个绕组(10)的电流，驱动转子组件运动，使转子组件实际转角趋于给定转角。
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