CN111687886A - 一种基于磁悬浮驱动的3-dof仿生眼运动装置及其运动方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机视觉和仿生机器人领域，涉及一种高精度仿生眼装置，具体涉及一种基于磁悬浮驱动的3‑DOF仿生眼运动装置及其运动方法。本发明基于磁悬浮驱动的3‑DOF仿生眼运动装置包括仿生眼球和驱动仿生眼球转动的三自由度球面并联机构，仿生眼球上固定有摄像装置；三自由度球面并联机构通过磁悬浮驱动仿生眼球转动。本发明采用磁悬浮驱动仿生眼球转动的方式，相对于现有的机械连杆传动方式，机械结构更为简单，且传动精度更高、噪音更小。

Description

一种基于磁悬浮驱动的3-DOF仿生眼运动装置及其运动方法

技术领域

本发明属于计算机视觉和仿生机器人领域，涉及一种高精度仿生眼装置，具体涉及一种基于磁悬浮驱动的3-DOF仿生眼运动装置及其运动方法。

背景技术

随着计算机视觉和仿生机器人领域的快速发展，能够实现快速、灵活变换视场的视觉平台变得尤其重要。大自然最具艺术性的产物——人眼得到了人们的关注。实现一种类似人眼的视觉平台对于上述领域的研究来说会是一大突破。因此仿生眼装置的研究变得越来越热门。

在现有的仿生眼装置中，大多是由机械传动的方式进行驱动，控制虽然相对简单，但机械结构复杂、传动精度和定位精度不高，无法满足某些高精度运动的需求，而且机械传动会产生较大的噪音。而对于一些柔性驱动的仿生眼机构，则其往往存在刚度不足的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高仿生眼的运动精度、降低运动噪音的基于磁悬浮驱动的3-DOF仿生眼运动装置及其运动方法。

基于上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于磁悬浮驱动的3-DOF仿生眼运动装置，包括仿生眼球和驱动仿生眼球转动的三自由度球面并联机构，仿生眼球上固定有摄像装置，三自由度球面并联机构通过磁悬浮驱动仿生眼球转动。

进一步地，三自由度球面并联机构包括固定于仿生眼球底部的运动平台，运动平台的下方设有圆环状的磁悬浮导轨；运动平台与磁悬浮导轨通过三个弧形驱动杆相连接；三个弧形驱动杆的顶端分别与运动平台固定连接，三个弧形驱动杆的底端分别与磁悬浮导轨磁性配合，磁悬浮导轨内设有控制三个弧形驱动杆运动的磁悬浮控制系统。磁悬浮导轨驱动弧形驱动杆运动，从而带动运动平台转动，并最终带动固定于运动平台上的仿生眼球转动。

进一步地，每个弧形驱动杆与磁悬浮导轨相连接的端部均固定有滑块，滑块与磁悬浮导轨间隙配合，使得滑块在磁力作用下悬浮于磁悬浮导轨上；磁悬浮导轨和滑块的接触面上均开设有凹槽，磁悬浮导轨上的凹槽内固定有导轨磁片，滑块上的凹槽内固定有滑块磁片；磁悬浮控制系统与导轨磁片相连接。

进一步地，运动平台为具有三个顶角的三角连接盘，相邻两个顶角与运动平台中心连线形成的夹角为120°，三个顶角均固定有连接副，设置在三个顶角处的连接副分别与三个弧形驱动杆的顶端转动连接。

进一步地，运动平台的中部设有安装孔，仿生眼球底部设有与安装孔相配合的凸台；所述凸台与安装孔卡接固定。

进一步地，滑块的顶部固定有旋转副，每个滑块均通过其上的旋转副与相应的弧形驱动杆底端转动连接。

进一步地，磁悬浮导轨的纵截面呈“T”型；磁悬浮导轨上的凹槽在磁悬浮导轨的上表面、外侧面和内侧面均呈环形阵列分布；磁悬浮导轨上表面、外侧面和内侧面设置的凹槽数量相同且一一对应。即磁悬浮导轨上同一位置处，设置于磁悬浮导轨内表面、外表面以及上表面的凹槽的中心位于同一平面上，且该平面经过磁悬浮导轨的回转中心。

进一步地，滑块位于磁悬浮导轨凹槽中的导轨磁片上表面与磁悬浮导轨的上表面平齐；位于滑块凹槽中的滑块磁片与滑块表面平齐；使得滑块在磁悬浮导轨上能够自由滑动。

基于上述的3-DPF仿生眼运动装置调整仿生眼运动的方法，具体如下：在仿生眼球的初始位置，仿生眼球的中心轴线与水平面相垂直；当需要调整仿生眼球的视场时，通过磁悬浮控制系统调节磁悬浮导轨磁力，驱动与磁悬浮导轨磁性配合的弧形驱动杆的位移，弧形驱动杆带动位于运动平台上的仿生眼在水平、垂直方向上产生角度变化，从而达到调整仿生眼视场的目的。

进一步地，通过调整磁悬浮导轨磁力以调整仿生眼球视场的具体过程为：通过磁悬浮控制系统控制导轨磁片的磁力方向、磁力大小，控制导轨磁片与滑块磁片之间的引力、斥力以及作用力强度，控制滑块在磁悬浮导轨上的位移，滑块移动带动与滑块相连接的弧形驱动杆的顶端相应地进行水平旋转或俯仰运动，从而使得固定于弧形驱动杆顶部的仿生眼球的视场在水平、垂直方向上的角度变换。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）本发明装置包括仿生眼球和驱动仿生眼球转动的三自由度球面并联机构，三自由度球面并联机构通过磁悬浮驱动仿生眼球转动，本发明装置结构简单，采用磁悬浮与机械运动相结合的方式，极大减小了传动过程中各零件的接触阻力，传动效率高；另外，本发明装置具有较高的传动精度、定位精度，且具有较高的刚度，便于推广应用于机器人等平台。

（2）本发明三自由度球面并联机构包括固定于仿生眼球底部的运动平台，运动平台的下方设有圆环状的磁悬浮导轨；运动平台与磁悬浮导轨通过三个弧形驱动杆相连接，通过磁悬浮导轨分别驱动三个弧形驱动杆的底端在磁悬浮导轨上的位移以及三者之间的相对位移，从而调整与弧形驱动杆顶部相连接的运动平台的转动方向和偏转角度，从而调整固定于运动平台上的仿生眼球的视场。相对于现有仿生眼装置通过机械传动，需要利用各个传动部件的运动叠加以对仿生眼球进行调整的方式，本发明装置综合利用磁悬浮驱动以及三个弧形驱动杆进行传动，使得仿生眼球的运动方式更为连贯，而非不同驱动之间的叠加。此外，相对于现有仿生眼驱动装置，本发明装置能够实现更为复杂的空间曲面运动，使得本发明仿生眼装置的运作效率高，仿生效果更为明显。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为仿生眼球结构示意图；

图3为运动平台结构示意图；

图4为磁悬浮导轨结构示意图；

图5为导轨凹槽在磁悬浮导轨上布局示意图；

图6为滑块结构示意图；

图7为本仿生眼球运动时其几何中心示意图；

图8为仿生眼球自旋转运动示意图；

图9为仿生眼球运动状态示意图。

图中：1、仿生眼球；11、摄像头；12、凸台；2、运动平台；21、连接副；22、安装孔；3、弧形驱动杆；4、磁悬浮导轨；41、磁悬浮控制系统；42、导轨凹槽；5、滑块；51、滑块凹槽；52、旋转副。

具体实施方式

实施例1

一种基于磁悬浮驱动的3-DOF仿生眼运动装置，如图1和图2所示，包括仿生眼球1和驱动仿生眼球1转动的三自由度球面并联机构，仿生眼球1内部嵌入安装有摄像头11；仿生眼球1通过设于其底部的凸台安装在三自由度球面并联机构上；三自由度球面并联机构通过磁悬浮驱动仿生眼球1转动。

三自由度球面并联机构包括固定于仿生眼球1底部的运动平台2，设于运动平台2下方的磁悬浮导轨4，以及连接磁悬浮导轨4和运动平台2的三个结构、尺寸均相同弧形驱动杆3，三个弧形驱动杆3底端均通过与其一一对应的滑块5与磁悬浮导轨4相连接。磁悬浮导轨4驱动滑块5在磁悬浮导轨上移动，带动与滑块5相连接的弧形驱动杆3的底端在磁悬浮导轨4上产生相对运动，驱动固定于弧形驱动杆3的顶端运动平台2产生转动，并最终带动仿生眼球1转动。

其中，运动平台2的结构如图3和图4所示，运动平台2为具有三个顶角的三角连接盘，相邻两个顶角与运动平台2中心连线形成的夹角为120°，三个顶角均固定有连接副21，设置在三个顶角处的连接副21分别与三个弧形驱动杆3的顶端转动连接。运动平台2的中部设有安装孔22，仿生眼球通过底部的凸台安装于运动平台2中部的安装孔22中，摄像装置的顶部略凸出仿生眼球1的顶部，摄像装置可采用现有的摄像头11等装置。

磁悬浮导轨4为回转类零件，呈圆环状；磁悬浮导轨4的纵截面呈“T”型，如图3和图5所示，磁悬浮导轨4的顶部、内侧面、外侧面均开设有导轨凹槽42，导轨凹槽42为矩形槽，且在磁悬浮导轨4上呈环形阵列均布。在磁悬浮导轨4顶部、内侧面、外侧面这三个不同面上开设的导轨凹槽42的数量相同且一一对应，并且磁悬浮导轨4上同一位置处，设置于磁悬浮导轨4内表面、外表面以及上表面的导轨凹槽42的中心位于同一平面上，且该平面经过磁悬浮导轨4的回转中心，位于该同一平面上的导轨凹槽42为一组导轨凹槽。

磁悬浮导轨4上的导轨凹槽42中均固定有导轨磁片，导轨磁片的顶面与磁悬浮导轨4表面平齐，以便滑块5在磁悬浮导轨4上顺畅滑动。磁悬浮导轨4内设有磁悬浮控制系统41，磁悬浮控制系统41与每一个导轨磁片相连接，以控制相应导轨磁片的磁通量大小、方向等。

磁悬浮导轨4卡接有滑块5，其结构如图6所示，滑块5与磁悬浮导轨4磁性配合，滑块5上开设有与磁悬浮轨道相配合的滑块凹槽51，滑块凹槽51开设于滑块与磁悬浮导轨相卡接的内侧面，滑块凹槽51与同一组导轨凹槽一一对应。滑块凹槽51内固定有与导轨磁片磁性配合的滑块磁片，滑块磁片的顶面与滑块5内表面平齐，以便滑块5在磁悬浮导轨4上自由滑动。通过磁悬浮控制系统41调整导轨磁片的磁通量大小、方向，从而调整导轨磁片与滑块磁片之间的作用力大小和方向，从而控制滑块5在磁悬浮导轨4上的位移大小及方向。

滑块5的顶部固定有斜块，斜块的斜面上固定有旋转副52，当滑块5与磁悬浮导轨4卡接时，旋转副52朝向仿生眼装置内部。滑块5上的旋转副52与弧形驱动杆3的底端转动连接。

本实施例基于磁悬浮驱动的3-DOF仿生眼运动装置的工作原理如下：通过磁悬浮控制系统41分别调节三个滑块5所在位置处的导轨磁片的磁通量大小及方向，对滑块5内固定的滑块磁片产生引力或斥力，调节三个滑块5在磁悬浮导轨4上的位移，使得与三个滑块5分别连接的三个弧形驱动杆3的底端在磁悬浮导轨4上移动，从而使得与弧形驱动杆3相连接的运动平台2以及固定于运动平台2上的仿生眼球1产生相应运动，即通过磁悬浮控制系统41调节滑块5所处位置处的导轨磁片的磁通量大小及方向，实现对仿生眼球1运动的精准控制。

实施例2

利用实施例1中的基于磁悬浮驱动的3-DOF仿生眼运动装置进行调整仿生眼运动的方法，如图7～9所示，具体如下：

在仿生眼球1的初始位置，仿生眼球1的中心轴线与水平面相垂直；如图7和图8所示，每个弧形驱动杆3的上下两端分别与固定于运动平台2上的连接副21以及固定于滑块5上的旋转副52相连接，且连接同一弧形驱动杆3的连接副21、旋转副52交错设置。

当需要调整仿生眼球1的视场时，通过磁悬浮控制系统41控制导轨磁片的磁力方向、磁力大小，控制导轨磁片与滑块磁片之间的引力、斥力以及作用力强度，控制滑块5在磁悬浮导轨4上的位移，滑块5移动带动与滑块5相连接的弧形驱动杆3的顶端相应地进行水平旋转或俯仰运动，从而使得固定于弧形驱动杆3顶部的仿生眼球1的视场在水平、垂直方向上的角度变换。

如当需要调整仿生眼球1的视场对正，避免倾斜时，即需要仿生眼球1绕其轴线作自旋转运动，如图8所示，具体方法为：在初始状态时，三个滑块5在磁悬浮导轨4上呈正三角形分布，即三个弧形驱动杆3的状态一致，此时运动平台2及仿生眼球1处于水平状态，磁悬浮控制系统41控制三个滑块5所处位置的导轨磁片的磁通量大小和方向均相同，使得三个滑块5在磁悬浮导轨4上同步运动，保持三个滑块5在运动过程中的相对位置不变，从而带动与滑块5相连接的三个弧形驱动杆3进行旋转，即使得运动平台2保持水平旋转状态，从而对固定于运动平台2上的仿生眼球1进行水平方向自旋转。

如当需要仿生眼球1作其他不规整的运动时，即实现任意方向的旋转运动，如图9所示，通过磁悬浮控制系统41分别调节三个滑块5所处位置处的导轨磁片的磁通量大小及方向，使得三个滑块5在磁悬浮导轨4上的相对位置发生变化，三个滑块5的运动分别给三个对应的弧形驱动杆3不同的驱动力，该驱动力通过连接副21传递至运动平台2，使得运动平台2实现预定轨迹的运动。

Claims (10)

1.一种基于磁悬浮驱动的3-DOF仿生眼运动装置，其特征在于，包括仿生眼球和驱动仿生眼球转动的三自由度球面并联机构，所述仿生眼球上固定有摄像装置；所述三自由度球面并联机构通过磁悬浮驱动仿生眼球转动。

2.根据权利要求1所述的基于磁悬浮驱动的3-DPF仿生眼运动装置，其特征在于，所述三自由度球面并联机构包括固定于仿生眼球底部的运动平台，运动平台的下方设有圆环状的磁悬浮导轨；所述运动平台与磁悬浮导轨通过三个弧形驱动杆相连接；所述三个弧形驱动杆的顶端分别与运动平台固定连接，所述弧形驱动杆的底端分别与磁悬浮导轨磁性配合，所述磁悬浮导轨内设有控制三个弧形驱动杆运动的磁悬浮控制系统。

3.根据权利要求2所述的基于磁悬浮驱动的3-DPF仿生眼运动装置，其特征在于，所述每个弧形驱动杆的底端通过滑块与磁悬浮导轨间隙配合；所述磁悬浮导轨和滑块的接触面上均开设有凹槽，所述磁悬浮导轨上的凹槽内固定有导轨磁片，所述滑块上的凹槽内固定有滑块磁片；所述磁悬浮控制系统与导轨磁片相连接。

4.根据权利要求3所述的基于磁悬浮驱动的3-DPF仿生眼运动装置，其特征在于，所述运动平台为具有三个顶角的三角连接盘，相邻两个顶角的夹角为120°，所述三个顶角通过连接副分别与三个弧形驱动杆的顶端转动连接。

5.根据权利要求4所述的基于磁悬浮驱动的3-DPF仿生眼运动装置，其特征在于，所述运动平台的中部设有安装孔，所述仿生眼球底部设有与安装孔卡接固定的凸台。

6.根据权利要求5所述的基于磁悬浮驱动的3-DPF仿生眼运动装置，其特征在于，所述每个滑块的通过其顶部的旋转副与相应的弧形驱动杆底端相连接。

7.根据权利要求3～6任一所述的基于磁悬浮驱动的3-DPF仿生眼运动装置，其特征在于，所述磁悬浮导轨的纵截面呈“T”型；所述磁悬浮导轨上的凹槽在磁悬浮导轨的上表面、外侧面和内侧面均呈环形阵列分布；所述磁悬浮导轨上表面、外侧面和内侧面设置的凹槽数量相同且一一对应。

8.根据权利要求7所述的基于磁悬浮驱动的3-DPF仿生眼运动装置，其特征在于，所述滑块位于磁悬浮导轨凹槽中的导轨磁片上表面与磁悬浮导轨的上表面平齐；所述位于滑块凹槽中的滑块磁片与滑块表面平齐；所述滑块在磁悬浮导轨上自由滑动。

9.基于权利要求2～6、8中任一所述的3-DPF仿生眼运动装置调整仿生眼运动的方法，其特征在于，包括如下过程：在仿生眼球的初始位置，仿生眼球的中心轴线与水平面相垂直；当需要调整仿生眼球的视场时，通过磁悬浮控制系统调节磁悬浮导轨磁力，驱动与磁悬浮导轨磁性配合的弧形驱动杆的位移，弧形驱动杆带动位于运动平台上的仿生眼在水平、垂直方向上产生角度变化，从而达到调整仿生眼球视场的目的。

10.根据权利要求9所述的调整仿生眼运动的方法，其特征在于，通过调整磁悬浮导轨磁力以调整仿生眼球视场的具体过程为：通过磁悬浮控制系统控制导轨磁片的磁力方向、磁力大小，控制导轨磁片与滑块磁片之间的引力、斥力以及作用力强度，控制滑块在磁悬浮导轨上的位移，滑块移动带动与滑块相连接的弧形驱动杆的顶端相应地进行水平旋转或俯仰运动，从而使得固定于弧形驱动杆顶部的仿生眼球的视场在水平、垂直方向上的角度变换。

Images