CN113733054A - 一种气囊驱动的二自由度仿生眼 - Google Patents

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谢永浩
李恒宇
刘碧珊
王昶茹
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宋韬
谢少荣
罗均
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Abstract

本发明属于仿生机器人技术领域，具体公开了一种气囊驱动的二自由度仿生眼，包括半球型仿生眼，半球型仿生眼上设有二自由度驱动机构，二自由度驱动机构包括与半球型仿生眼平面侧相连接的气囊驱动结构，气囊驱动结构远离半球型仿生眼的一端设有固定底板；本发明通过在固定底板上设置三组间隙配合的气囊驱动器对半球型仿生眼的Z轴方向进行位置调节，通过对可伸缩气囊进行充放气动作，对可伸缩气囊的长度进行调节，经过球铰连杆端部的球铰头与球铰底座间的球铰连接，使得半球型仿生眼的具备X轴和Y轴方向上的二自由度运动，从而实现对半球型仿生眼X轴和Y轴的二自由度调节动作。

Description

一种气囊驱动的二自由度仿生眼
技术领域
本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种气囊驱动的二自由度仿生眼，同时还涉及该气囊驱动的二自由度仿生眼的方法。
背景技术
眼睛是人类获取客观世界信息最重要的器官，有90%以上的信息获取来自于人类的眼睛。眼睛拥有高度发达且完善的系统，能够根据环境的不同，进行自我调整和适应，而这也是人工设备无法比拟的优势。对于智能机器人来说“眼睛”也是一种十分重要的感知设备，智能机器人是集众多领域和研究智慧于一身的高科技产物，它的应用不仅仅是将传统的人工制造业带向智能化自动化，更是向其他行业和领域不断扩展，如医疗、军事、航空、工业测量等方面。随着应用领域的不断扩展，对于机器人的智能化程度要求也越来越高，为机器人配备智能型的机器视觉设备，使得机器人也可以获得和人类一样感知客观世界，获取相应的环境信息，同时也可以识别、跟踪、提取目标物等能力。仿生眼通过模拟人眼的诸多特殊自然功能，从而具备和人眼类似甚至在某些方面高于人眼的机器视觉设备。仿生眼的出现为很多产业和领域，产生了巨大的影响。
仿生眼搭载在机器设备上时，由于设备受到振动、姿态不稳定、环境因素等问题的影响，会影响仿生眼视轴的指向，不利于仿生眼采集图像信息。而仅仅是拥有电子稳像功能的仿生眼，也抵抗不了由于设备运行过程产生的不稳定因素，因此为了获得输出稳定且清晰的图像、视频信息，需要搭建一个稳定的仿生眼系统，将仿生眼的视轴与设备运行中的干扰因素隔离开来，使得仿生眼的视轴稳定在一个固定空间范围内，并且可以根据指令完成对目标物体的实时跟踪功能。由于保证了仿生眼光轴的稳定，从而实现了稳定控制仿生眼系统的图像输出能力。
发明内容
为了解决仿生眼在实际使用时遇到的一系列问题，本发明提供了一种结构简单紧凑、控制方便、驱动方式稳定可靠、运动灵活度高的气囊驱动的二自由度仿生眼，同时提供了相应的方法。
基于上述目的，本发明通过如下技术方案实现：
一种气囊驱动的二自由度仿生眼，包括半球型仿生眼，半球型仿生眼上设有二自由度驱动机构，二自由度驱动机构包括与半球型仿生眼平面侧相连接的气囊驱动结构，气囊驱动结构远离半球型仿生眼的一端设有固定底板。
优选地，气囊驱动结构包括三组间隙配合的气囊驱动器；气囊驱动器的一端与半球型仿生眼相连接，另一端与固定底板相连接。
优选地，气囊驱动器包括与半球型仿生眼平面侧相连接的球铰连杆，球铰连杆的端部设有与固定底板相连接的可伸缩气囊，可伸缩气囊上套设有气囊支撑架；气囊支撑架的一端与球铰连杆间隙配合，另一端与固定底板固定连接；可伸缩气囊上设有气管，气管上设有控制气阀；可伸缩气囊包括多个间隙配合的可折叠环形气囊圈，可折叠环形气囊圈通过气囊连接环相连接，气囊连接环间通过气囊伸缩弹簧相连接。
优选地，球铰连杆远离可伸缩气囊的一端设有球铰头，球铰头与设置在半球型仿生眼平面侧上的球铰底座相配合。
优选地，可伸缩气囊之间的夹角均呈120°。
优选地，可伸缩气囊相对半球型仿生眼的球心呈环形分布，可伸缩气囊与半球型仿生眼的球心间隙配合。
优选地，气囊支撑架包括与可伸缩气囊间隙配合的气囊支撑环，气囊支撑环靠近固定底板的一侧均布有多个与固定底板相连接的支撑环连杆。
优选地，半球型仿生眼的球面侧端部设有图像采集器，图像采集器的光轴通过半球型仿生眼的球心。
优选地，图像采集器上设有图像传感器，图像传感器通过图像传输线连接有图像分析处理器。
一种气囊驱动的二自由度仿生眼的方法，步骤包括：
步骤一，图像信息采集
在半球型仿生眼上设置图像采集器，图像采集器上设置的图像传感器获取图像信息，获取的图像信息通过图像传输线传送至图像分析处理器；
步骤二，图像信息分析处理
图像分析处理器对步骤一中获取的图像信息进行分析处理，判断是否存在目标物体；在进行目标物体判断时，通过预训练置入的方式或者通过手动选择添加的方式，将目标物体的特征信息置入到图像分析处理器内，便于图像分析处理器进行准确的目标物检测判断；
步骤三，仿生眼的二自由度调节
当步骤二判断存在目标物体时，则由图像分析处理器控制气囊驱动器对半球型仿生眼进行调节，使图像采集器的光轴正对目标物体的几何中心；
步骤四，重复步骤一至步骤三，使半球型仿生眼始终处于不断获取图像信息和控制半球型仿生眼运动的状态，同时图像采集器的光轴始终正对目标物体进行图像信息采集；
其中，步骤三中由图像分析处理器发出控制信号至气囊驱动器，进而对各个控制气阀进行控制，使气囊支撑架上的可伸缩气囊进行充放气动作，驱动半球型仿生眼进行二自由度运动，从而使图像采集器的光轴始终正对目标物体的几何中心；图像分析处理器根据图像传感器的图像像素坐标系上目标物体与图像几何中心的偏差值，将偏差值转换成物理坐标系上的实际偏差值，从而对半球型仿生眼的位姿变换进行确定，通过坐标转换等将位姿变换转换成气囊驱动器的调节变量，将调节变量转换到各个控制气阀的控制量中，进而对控制气阀的充放气量进行确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）本发明通过在固定底板上设置三组间隙配合的气囊驱动器对半球型仿生眼的Z轴方向进行位置调节，通过对可伸缩气囊进行充放气动作，对可伸缩气囊的长度进行调节，经过球铰连杆端部的球铰头与球铰底座间的球铰连接，使得半球型仿生眼具备X轴和Y轴方向上的二自由度运动，从而实现对半球型仿生眼X轴和Y轴的二自由度调节动作，通过上述调节使本发明能够模拟人类眼球的二自由度运动能力，且结构紧凑、控制方便，具备很好的运动灵活性。
（2）利用可伸缩气囊和气囊支撑架形成气囊驱动器，通过气管对各个可伸缩气囊进行充放气调节，使得可伸缩气囊在气囊支撑架内进行伸缩调节，从而实现对半球型仿生眼Z轴方向的调节动作，相对于其他驱动方式，通过可伸缩气囊驱动是利用了填充时的气体特性，利用气体填充时的稳定性和快速调节性等，使得气囊驱动器在运行过程更加稳定可靠、反应迅速，且能够减少对资源的损耗，增加半球型仿生眼二自由度调节的寿命。
（3）可伸缩气囊通过球铰连杆与半球型仿生眼平面侧连接，通过球铰连杆上的球铰头与半球型仿生眼平面侧上的球铰底座连接，利用球铰结构来连接可伸缩气囊和半球型仿生眼，不仅降低了连接处的摩檫力损失，还增加了半球型仿生眼的运动灵活度，通过球铰头与球铰底座的转动连接，方便半球型仿生眼在Z轴方向上的调节转化为半球型仿生眼在X轴和Y轴的二自由度调节，方便半球型仿生眼上的图像采集器通过二自由度调节对图像进行追踪采集及处理。
（4）可伸缩气囊之间的夹角均呈120°，方便各个可伸缩气囊进行配合，方便通过对各个气管上控制气阀流量的控制，便于实现对半球型仿生眼上图像采集器的光轴的调节；可伸缩气囊与半球型仿生眼的球心间隙配合，防止可伸缩气囊对半球型仿生眼产生影响，增加图像采集器采集图像的稳定性；通过图像分析处理器对采集到的图像进行分析处理，能够根据采集图像得到的图像数据及时调整各个可伸缩气囊充放气量，实现气囊驱动结构的调节，最终实现对图像的持续采集动作。
附图说明
图1是实施例1中本发明的结构示意图；
图2是实施例1中本发明的主视图；
图3是实施例1中本发明的后视图；
图4是实施例1中本发明的结构示意图。
图中，1、半球型仿生眼，2、可伸缩气囊，3、固定底板，4、气管，5、气囊支撑架，6、球铰连杆，7、图像传输线，8、图像采集器，9、气囊支撑环，10、支撑环连杆。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不限制本发明的范围。
实施例1：
一种气囊驱动的二自由度仿生眼，其结构如图1-图4所示，包括半球型仿生眼1，半球型仿生眼1上设有二自由度驱动机构，二自由度驱动机构包括与半球型仿生眼1平面侧相连接的气囊驱动结构，气囊驱动结构远离半球型仿生眼1的一端设有固定底板3。气囊驱动结构包括三组间隙配合的气囊驱动器；气囊驱动器的一端与半球型仿生眼1相连接，另一端与固定底板3相连接。
气囊驱动器包括与半球型仿生眼1平面侧相连接的球铰连杆6，球铰连杆6的端部设有与固定底板3相连接的可伸缩气囊2，可伸缩气囊2上套设有气囊支撑架5；气囊支撑架5的一端与球铰连杆6间隙配合，另一端与固定底板3固定连接；可伸缩气囊2上设有气管4，气管4上设有控制气阀；可伸缩气囊2包括多个间隙配合的可折叠环形气囊圈，可折叠环形气囊圈通过气囊连接环相连接，气囊连接环间通过气囊伸缩弹簧相连接。球铰连杆6远离可伸缩气囊2的一端设有球铰头，球铰头与设置在半球型仿生眼1平面侧上的球铰底座相配合。
可伸缩气囊2之间的夹角均呈120°。可伸缩气囊2相对半球型仿生眼1的球心呈环形分布，可伸缩气囊2与半球型仿生眼1的球心间隙配合。气囊支撑架5包括与可伸缩气囊2间隙配合的气囊支撑环9，气囊支撑环9靠近固定底板3的一侧均布有多个与固定底板3相连接的支撑环连杆10。
半球型仿生眼1的球面侧端部设有图像采集器8，图像采集器8的光轴通过半球型仿生眼1的球心。图像采集器8上设有图像传感器，图像传感器通过图像传输线7连接有图像分析处理器。
一种气囊驱动的二自由度仿生眼的方法，步骤包括：
步骤一，图像信息采集
在半球型仿生眼1上设置图像采集器8，图像采集器8上设置的图像传感器获取图像信息，获取的图像信息通过图像传输线7传送至图像分析处理器；
步骤二，图像信息分析处理
图像分析处理器对步骤一中获取的图像信息进行分析处理，判断是否存在目标物体；在进行目标物体判断时，通过预训练置入的方式或者通过手动选择添加的方式，将目标物体的特征信息置入到图像分析处理器内，便于图像分析处理器进行准确的目标物检测判断；
步骤三，仿生眼的二自由度调节
当步骤二判断存在目标物体时，则由图像分析处理器控制气囊驱动器对半球型仿生眼1进行调节，使图像采集器8的光轴正对目标物体的几何中心；
步骤四，重复步骤一至步骤三，使半球型仿生眼1始终处于不断获取图像信息和控制半球型仿生眼1运动的状态，同时图像采集器8的光轴始终正对目标物体进行图像信息采集；
其中，步骤三中由图像分析处理器发出控制信号至气囊驱动器，进而对各个控制气阀进行控制，使气囊支撑架5上的可伸缩气囊2进行充放气动作，驱动半球型仿生眼1进行二自由度运动，从而使图像采集器8的光轴始终正对目标物体的几何中心；图像分析处理器根据图像传感器的图像像素坐标系上目标物体与图像几何中心的偏差值，将偏差值转换成物理坐标系上的实际偏差值，从而对半球型仿生眼1的位姿变换进行确定，通过坐标转换等将位姿变换转换成气囊驱动器的调节变量，将调节变量转换到各个控制气阀的控制量中，进而对控制气阀的充放气量进行确定；其详细步骤为：通过图像采集器8不断采集图像数据，当图像数据中存在目标物时，通过图像分析处理器的预置算法确定目标物体几何中心的像素坐标系，同时判断目标物体是否存在方向偏移，并获得偏移量和像素坐标系，通过图像采集器8的标定参数，将像素坐标系的坐标进行差值转换，将差值转换为各个气管4的气体偏差量，气体偏差量通过各个气阀进行调节控制，从而实现对半球型仿生眼1的运动调节，保证目标物始终处于采集图像的正中心且无方向偏移状况，以保证采集图像数据的清晰稳定；
调节过程中，图像分析处理器发出控制信号，通过对各个控制气阀进行控制，通过气管4分别对三个气囊支撑架5上的可伸缩气囊2进行充放气动作，可伸缩气囊2在进行充气或放气过程中，可伸缩气囊2在气囊支撑环9、支撑环连杆10内伸长或缩短，由于固定底板3的限制，使球铰连杆6在Z轴方向上向半球型仿生眼1侧靠近或远离，通过三个球铰连杆6的调节，三个球铰连杆6端部的球铰头在半球型仿生眼1平面侧的球铰底座上转动，通过控制各个气管4的充气或放气量，使各个球铰头在球铰底座上转动相应的角度，对图像采集器8的光轴位置进行调节，使半球型仿生眼1实现X轴、Y轴方向上的二自由度运动，从而使图像采集器8的光轴始终正对目标物体的几何中心。
实施例2：
一种气囊驱动的二自由度仿生眼，与实施例1的不同之处在于：气囊支撑环9与可伸缩气囊2固定连接；支撑环连杆10为伸缩连杆；气囊支撑环9能够随可伸缩气囊2的伸缩而运动，带动支撑环连杆10进行伸展或收缩，能够对可伸缩气囊2进行持续固定动作。
实施例3：
一种气囊驱动的二自由度仿生眼，与实施例1的不同之处在于：固定底板3远离气囊支撑架5的一侧设有与气管4间隙配合的气管凹槽。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但不仅限于上述实例，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气囊驱动的二自由度仿生眼，其特征在于，包括半球型仿生眼，半球型仿生眼上设有二自由度驱动机构，二自由度驱动机构包括与半球型仿生眼平面侧相连接的气囊驱动结构，气囊驱动结构远离半球型仿生眼的一端设有固定底板。
2.根据权利要求1所述的气囊驱动的二自由度仿生眼，其特征在于，所述气囊驱动结构包括三组间隙配合的气囊驱动器；所述气囊驱动器的一端与半球型仿生眼相连接，另一端与固定底板相连接。
3.根据权利要求2所述的气囊驱动的二自由度仿生眼，其特征在于，所述气囊驱动器包括与半球型仿生眼平面侧相连接的球铰连杆，球铰连杆的端部设有与固定底板相连接的可伸缩气囊，可伸缩气囊上套设有气囊支撑架；所述气囊支撑架的一端与球铰连杆间隙配合，另一端与固定底板固定连接；所述可伸缩气囊上设有气管，气管上设有控制气阀。
4.根据权利要求3所述的气囊驱动的二自由度仿生眼，其特征在于，所述球铰连杆远离可伸缩气囊的一端设有球铰头，球铰头与设置在半球型仿生眼平面侧上的球铰底座相配合。
5.根据权利要求4所述的气囊驱动的二自由度仿生眼，其特征在于，所述可伸缩气囊之间的夹角均呈120°。
6.根据权利要求5所述的气囊驱动的二自由度仿生眼，其特征在于，所述可伸缩气囊相对半球型仿生眼的球心呈环形分布，可伸缩气囊与半球型仿生眼的球心间隙配合。
7.根据权利要求6所述的气囊驱动的二自由度仿生眼，其特征在于，所述气囊支撑架包括与可伸缩气囊间隙配合的气囊支撑环，气囊支撑环靠近固定底板的一侧均布有多个与固定底板相连接的支撑环连杆。
8.根据权利要求7所述的气囊驱动的二自由度仿生眼，其特征在于，所述半球型仿生眼的球面侧端部设有图像采集器，图像采集器的光轴通过半球型仿生眼的球心。
9.根据权利要求8所述的气囊驱动的二自由度仿生眼，其特征在于，所述图像采集器上设有图像传感器，图像传感器通过图像传输线连接有图像分析处理器。
10.一种气囊驱动的二自由度仿生眼的方法，其特征在于，步骤包括：
步骤一，图像信息采集
在半球型仿生眼上设置图像采集器，图像采集器上设置的图像传感器获取图像信息，获取的图像信息通过图像传输线传送至图像分析处理器；
步骤二，图像信息分析处理
图像分析处理器对步骤一中获取的图像信息进行分析处理，判断是否存在目标物体；在进行目标物体判断时，通过预训练置入的方式或者通过手动选择添加的方式，将目标物体的特征信息置入到图像分析处理器内，便于图像分析处理器进行准确的目标物检测判断；
步骤三，仿生眼的二自由度调节
当步骤二判断存在目标物体时，则由图像分析处理器控制气囊驱动器对半球型仿生眼进行调节，使图像采集器的光轴正对目标物体的几何中心；
步骤四，重复步骤一至步骤三，使半球型仿生眼始终处于不断获取图像信息和控制半球型仿生眼运动的状态，同时图像采集器的光轴始终正对目标物体进行图像信息采集；
其中，步骤三中由图像分析处理器发出控制信号至气囊驱动器，进而对各个控制气阀进行控制，使气囊支撑架上的可伸缩气囊进行充放气动作，驱动半球型仿生眼进行二自由度运动，从而使图像采集器的光轴始终正对目标物体的几何中心；图像分析处理器根据图像传感器的图像像素坐标系上目标物体与图像几何中心的偏差值，将偏差值转换成物理坐标系上的实际偏差值，从而对半球型仿生眼的位姿变换进行确定，通过坐标转换等将位姿变换转换成气囊驱动器的调节变量，将调节变量转换到各个控制气阀的控制量中，进而对控制气阀的充放气量进行确定。
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