CN114244974B - 仿生眼 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿生机器人技术领域，本发明公开了一种仿生眼，包括同轴设置并且依次连接的眼白模块，直弹簧，连接模块，塔式弹簧和底座，塔式弹簧的小径端与连接模块连接，塔式弹簧的大径端与底座连接，眼白模块用于固定摄像模块，仿生眼还包括四个驱动模块，四个驱动模块以仿生眼的轴线为中心线呈中心对称分布，驱动模块包括驱动部和连接件，驱动部能够通过驱动连接件调整眼白模块的姿态，仿生眼还包括检测模块和控制模块。该仿生眼的塔式弹簧负责眼白模块的伸缩运动，直弹簧紧接着眼白模块连接负责眼白模块的姿态变化，通过四个驱动模块实现对眼白模块三个自由度的控制，同时实现能够偏航、俯仰和伸缩运动的仿生眼球平台。

Description

仿生眼

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种仿生眼。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。

迄今，视觉图像技术被广泛的应用在现代的生产和生活中的多个领域；较大视场和保真率高的图像有利于对目标的快速定位和识别，是人们一直以来的设计目标。然而随着视场的扩大，成像模型出现非线性、边缘畸变大等问题，为了增加视觉模块的视场和图像质量，可以从视觉模块的设计和视觉模块的应用两方面入手。其中仿鱼眼设计的摄像头的视场范围能够达到180°到220°，但是这款摄像头获取到的图像畸变较大。另一种是通过给视频模块增加运动达到增加视频模块视场的目的。但是往往很多用于搭载视频模块的机构大大限制了视频模块的可视范围。针对这一问题，一些设备可以通过控制其他部分机构的运动，例如颈部、腰部机构的运动，实现对视场范围的进一步扩大，可减少用于搭载视频模块机构对视场的限制。而引入其他机构或机体的运动来实现对视场的扩大，往往存在能耗高、运动笨拙，不易控制等问题；通常情况下还需要依赖其他传感器对目标完成粗定位后，才能接触其他机构完成对视频模块方向调整，实现对视场范围的扩大，这样不仅增加系统的复杂度也增加了系统的能耗，同时降低了视频系统的可移植性。

发明内容

本发明的目的是至少解决现有技术中仿生眼可视范围小及视场边缘图像畸变的问题，该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提出了一种仿生眼，包括同轴设置并且依次连接的眼白模块、直弹簧、连接模块、塔式弹簧和底座，所述塔式弹簧的小径端与所述连接模块连接，所述塔式弹簧的大径端与所述底座连接，所述眼白模块用于固定摄像模块，且所述眼白模块的底部用于安装姿态测量装置，所述仿生眼还包括四个驱动模块，四个所述驱动模块以所述仿生眼的轴线为中心线呈中心对称分布，并且相邻的两个所述驱动模块的周向夹角为直角，所述驱动模块包括驱动部和连接件，所述驱动部设于所述底座上，所述驱动部通过所述连接件与所述眼白模块连接，所述驱动部能够通过驱动所述连接件调整所述眼白模块的姿态，所述仿生眼还包括检测模块和控制模块，所述检测模块用于监测所述眼白模块的位移信息，所述控制模块与所述检测模块和所述驱动模块电连接。

本发明提出的仿生眼针对现有仿生眼可视范围小及视场边缘图像畸变的问题，参照变色龙眼睛的运动特点，采用直弹簧和塔弹簧相结合的方式，塔式弹簧安装在底部负责眼白模块的伸缩运动，直弹簧紧接着眼白模块连接负责眼白模块的姿态变化，通过四个驱动模块实现对眼白模块三个自由度的控制。本发明通过直弹簧和塔式弹簧相结合的方式同时实现能够偏航、俯仰和伸缩运动的仿生眼球平台；该平台增加眼球的伸缩功能，能够将眼球推送出眼窝机构，从而增加眼球偏航和俯仰运动范围，达到增加眼睛可视范围的目的。

另外，根据本发明的仿生眼，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述驱动部包括电机，所述连接件包括绳索，所述电机安装在所述底座上，所述眼白模块设有四个过线孔，所述过线孔靠近所述眼白模块的外缘设置，所述过线孔以所述仿生眼的轴线为中心线呈中心对称分布，并且相邻的两个所述过线孔的周向夹角为直角，所述绳索的一端与所述电机的输出端连接，所述绳索的另一端与所述过线孔连接。

在本发明的一些实施例中，所述连接模块对应所述绳索的位置设有穿线孔，所述绳索穿设于所述穿线孔内。

在本发明的一些实施例中，所述过线孔的位置位于所述直弹簧与所述眼白模块连接处的径向外侧，所述穿线孔的位置位于所述直弹簧与所述连接模块连接处的径向外侧。

在本发明的一些实施例中，所述绳索与所述电机的输出端的连接处至所述仿生眼的轴线的水平距离大于所述穿线孔至所述仿生眼的轴线的水平距离。

在本发明的一些实施例中，所述眼白模块为半球形结构，所述眼白模块上设有用于安装所述摄像模块的通孔，所述眼白模块的外缘与所述直弹簧卡接。

在本发明的一些实施例中，所述连接模块为环型结构，所述连接模块的顶端与所述直弹簧卡接，所述连接模块的底端与所述塔式弹簧卡接，所述控制模块安装在所述连接模块上。

在本发明的一些实施例中，所述仿生眼还包括包覆在所述弹簧上的类肤涂层。

在本发明的一些实施例中，所述检测模块包括角度传感器，所述角度传感器安装在所述眼白模块上，所述角度传感器与所述控制模块电连接，所述角度传感器用于监测所述眼白模块的偏转角度。

在本发明的一些实施例中，所述直弹簧的刚度小于所述塔式弹簧的刚度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的仿生眼的结构示意图；

图2示意性地示出了根据本发明实施方式的仿生眼的剖视示意图；

附图中各标记表示如下：

10：眼白模块、11：直弹簧、12：连接模块、13：塔式弹簧、14：底座、15：过线孔、16：绳索、17：电机、18：输出轴、19：通孔、20：轴承。

具体实施方式

下面将参照附图更详细描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

如图1和图2所示，本发明提出了一种仿生眼，包括同轴设置并且依次连接的眼白模块10、直弹簧11、连接模块12、塔式弹簧13和底座14，塔式弹簧13的小径端与连接模块12连接，塔式弹簧13的大径端与底座14连接，眼白模块10用于固定摄像模块，且眼白模块10的底部用于安装姿态测量装置，仿生眼还包括四个驱动模块，四个驱动模块以仿生眼的轴线为中心线呈中心对称分布，并且相邻的两个驱动模块的周向夹角为直角，驱动模块包括驱动部和连接件，驱动部设于底座14上，驱动部通过连接件与眼白模块10连接，驱动部能够通过驱动连接件调整眼白模块10的姿态，仿生眼还包括检测模块和控制模块，检测模块用于监测眼白模块10的位移信息，控制模块与检测模块和驱动模块电连接。

需要说明的是，眼白模块10可为类似眼球眼白部分的半球形，也可以是球形，通过轻质塑料制成以减小重量。眼白模块10的底端可设置与直弹簧11的顶端轮廓相匹配的凹槽，通过直弹簧11卡接在凹槽中实现两者的连接，还可以在眼白模块10的底端设置卡扣，例如J型的卡勾，通过直弹簧11卡接在上述卡勾中实现两者连接。直弹簧11为常规的圆柱形弹簧。连接模块12可以是圆盘型也可是多边形，优选为与弹簧轮廓匹配的圆盘型，连接模块12的轴向两端同样可设置凹槽或者卡扣与直弹簧11和塔式弹簧13连接，塔式弹簧13为圆台型结构，塔式弹簧13的小径端的直径与直弹簧11的直径相等，以通过连接模块12连接，并且方便布置连接件。

驱动模块的一种实施例为电机17配合绳索16，电机17的输出轴18与绳索16连接，当输出轴18转动时绳索16被拉紧，进而拉动眼白模块10，当四个驱动模块一起拉紧绳索16时，眼白模块10被均匀拉动，同时直弹簧11和塔式弹簧13被压缩，实现眼白模块10的伸缩运动，在实际应用中可实现仿生眼缩进眼窝结构。当四个驱动模块一起防松绳索16时，由于直弹簧11和塔式弹簧13的弹簧力可实现仿生眼伸出眼窝结构。当四个驱动模块中的部分驱动模块拉紧绳索16时，直弹簧11的部分受力被压缩，可实现眼白单元的偏航和俯仰。

驱动模块的另一种实施例是电机17配合连接杆的形式，电机17的输出轴18上设有齿轮，连接杆沿轴向设有齿型带，连接杆可通过径向限位支架与底盘支架连接，输出轴18上的齿轮与连接杆的第一端的齿型带啮合，连接杆的另一端与眼白模块10连接，当输出轴18转动时，连接杆被齿轮带动，从而实现眼白单元被带动而运动。

检测模块可以包括角度传感器和位移传感器，其用于监测眼白模块10的位移信息，控制模块与检测模块和驱动模块电连接，控制模块还具有能够与外部控制系统连接的通讯单元，通信单元可以通过无线或有线的方式与外部控制系统，例如机器人或者无人机的控制系统连接。

本发明提出的仿生眼针对现有仿生眼可视范围小及视场边缘图像畸变的问题，参照变色龙眼睛的运动特点，采用直弹簧11和塔弹簧相结合的方式，塔式弹簧13安装在底部负责眼白模块10的伸缩运动，直弹簧11紧接着眼白模块10连接负责眼白模块10的姿态变化，通过四个驱动模块实现对眼白模块10三个自由度的控制。本发明通过直弹簧11和塔式弹簧13相结合的方式同时实现能够偏航、俯仰和伸缩运动的仿生眼球平台；该平台增加眼球的伸缩功能，能够将眼球推送出眼窝机构，从而增加眼球偏航和俯仰运动范围，达到增加眼睛可视范围的目的。

具体地，驱动部包括电机17，连接件包括绳索16，电机17嵌入在底座14上的电机17安装槽上，或者通过固定支架将电机17压设在固定支架与底座14之间，眼白模块设有四个过线孔15，过线孔15靠近眼白模块的外缘设置，过线孔15以仿生眼的轴线为中心线呈中心对称分布，并且相邻的两个过线孔15的周向夹角为直角，绳索16的一端与电机17的输出端连接，绳索16的另一端与过线孔15连接，可以用螺栓将绳索16压在过线孔15内，还可以将绳索16的一端系在过线孔15处。

进一步地，连接模块12对应绳索16的位置设有穿线孔，绳索16穿设于穿线孔内，穿线孔内还可以设置轴承20，绳索16从与轴承20的外圈抵接以减少绳索16对连接模块12的磨损，并且减少摩擦。

进一步地，过线孔15的位置位于直弹簧11与眼白模块10连接处的径向外侧，穿线孔的位置位于直弹簧11与连接模块12连接处的径向外侧，使得绳索16故障时方便更换。

进一步地，绳索16与电机17的输出端的连接处至仿生眼的轴线的水平距离大于穿线孔至仿生眼的轴线的水平距离，使得电机17能够靠外布置，留出底座14上较大的空余空间，方便布置更多的设备。

在本发明的一些实施例中，眼白模块10为半球形结构，模拟眼球结构，眼白模块10上设有用于安装摄像模块的通孔19，模拟瞳孔结构，眼白模块10的外缘与直弹簧11卡接。

具体地，连接模块12为环型结构，连接模块12的顶端与直弹簧11卡接，连接模块12的底端与塔式弹簧13卡接，控制模块安装在连接模块12上，连接模块12的顶端面设有用于固定控制模块(电路板及电路元器件)的螺栓或者卡扣。

在本发明的一些实施例中，仿生眼还包括包覆在弹簧上的类肤涂层，喷涂可变色材料，实现对情绪的表达。

具体地，检测模块包括角度传感器，可选用mpu6050型号角度传感器，角度传感器安装在眼白模块10上，优选为眼白模块10的底部中心位置，以方便监测眼白模块10的运动角度，角度传感器与控制模块电连接，角度传感器用于监测眼白模块10的偏转角度。

在本发明的一些实施例中，直弹簧11的刚度小于塔式弹簧13的刚度。直弹簧11负责提供眼白模块10姿态变化，塔式弹簧13用于推动眼白模块10伸缩，尽可能不发生歪斜。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种仿生眼，其特征在于，包括同轴设置并且依次连接的眼白模块、直弹簧、连接模块、塔式弹簧和底座，所述塔式弹簧的小径端与所述连接模块连接，所述塔式弹簧的大径端与所述底座连接，所述眼白模块用于固定摄像模块，且所述眼白模块的底部用于安装姿态测量装置，所述仿生眼还包括四个驱动模块，四个所述驱动模块以所述仿生眼的轴线为中心线呈中心对称分布，并且相邻的两个所述驱动模块的周向夹角为直角，所述驱动模块包括驱动部和连接件，所述驱动部设于所述底座上，所述驱动部通过所述连接件与所述眼白模块连接，所述驱动部能够通过驱动所述连接件调整所述眼白模块的姿态，所述仿生眼还包括检测模块和控制模块，所述检测模块用于监测所述眼白模块的位移信息，所述控制模块分别与所述检测模块和所述驱动模块电连接。

2.根据权利要求1所述的仿生眼，其特征在于，所述驱动部包括电机，所述连接件包括绳索，所述电机安装在所述底座上，所述眼白模块设有四个过线孔，所述过线孔靠近所述眼白模块的外缘设置，所述过线孔以所述仿生眼的轴线为中心线呈中心对称分布，并且相邻的两个所述过线孔的周向夹角为直角，所述绳索的一端与所述电机的输出端连接，所述绳索的另一端与所述过线孔连接。

3.根据权利要求2所述的仿生眼，其特征在于，所述连接模块对应所述绳索的位置设有穿线孔，所述绳索穿设于所述穿线孔内。

4.根据权利要求3所述的仿生眼，其特征在于，所述过线孔的位置位于所述直弹簧与所述眼白模块连接处的径向外侧，所述穿线孔的位置位于所述直弹簧与所述连接模块连接处的径向外侧。

5.根据权利要求3所述的仿生眼，其特征在于，所述绳索与所述电机的输出端的连接处至所述仿生眼的轴线的水平距离大于所述穿线孔至所述仿生眼的轴线的水平距离。

6.根据权利要求1所述的仿生眼，其特征在于，所述眼白模块为半球形结构，所述眼白模块上设有用于安装所述摄像模块的通孔，所述眼白模块的外缘与所述直弹簧卡接。

7.根据权利要求1所述的仿生眼，其特征在于，所述连接模块为环型结构，所述连接模块的顶端与所述直弹簧卡接，所述连接模块的底端与所述塔式弹簧卡接，所述控制模块安装在所述连接模块上。

8.根据权利要求1所述的仿生眼，其特征在于，所述仿生眼还包括类肤涂层，所述类肤涂层分别包覆在所述直弹簧和所述塔式弹簧上。

9.根据权利要求1所述的仿生眼，其特征在于，所述检测模块包括角度传感器，所述角度传感器安装在所述眼白模块上，所述角度传感器与所述控制模块电连接，所述角度传感器用于监测所述眼白模块的偏转角度。

10.根据权利要求1至9任一项所述的仿生眼，其特征在于，所述直弹簧的刚度小于所述塔式弹簧的刚度。

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