CN204329962U - 一种高精度新型仿生眼装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度新型仿生眼装置，装置由旋转俯仰云台、双向滚珠丝杠滑台、两个tricept仿生眼及计算机构成。旋转俯仰云台可以实现两个仿生眼绕旋转电机轴的转动以及俯仰运动，用于空间大范围的目标搜索、跟踪。双向滚珠丝杠滑台固定在旋转俯仰云台的俯仰座上，用于根据典型动物视觉模型调节两只仿生眼之间的距离。两个tricept机构能够模仿动物眼部肌肉，实现眼球的扫视动作，tricept机构由三根带有位置反馈的电动缸驱动，用于对摄像头位姿的高精度调节。此装置探测范围广，精度高，刚度大，能够根据多种动物视觉系统的探测机理自适应调节两只“眼睛”的位姿，从而有效保证探测结果的准确性，便于在工业、农业、医疗、科研、军工等方面的应用。

Description

一种高精度新型仿生眼装置

技术领域

本发明涉及机器人仿生视觉领域，具体地说是一种基于多种动物视觉机理的仿生眼装置，特别是一种高精度新型仿生眼装置。

背景技术

随着电子技术、控制技术、传感测量技术、信号处理技术、计算机技术及仿生技术的发展，机器视觉已在农业、服务业、医疗、科研及工业生产中得到了广泛应用。仿生视觉是通过对长期进化的动物视觉机理的研究，采用软硬件控制的方式来模仿各种动物的优势视觉特征，从而将机器视觉更好地应用于生产、生活过程中。本发明是在对动物界中处于食物链不同位置的动物视觉系统研究的基础上，提出了一种可以模仿多种动物视觉系统的仿生眼机构，具有探测范围广，精度高，刚度大，能够根据多种动物视觉系统的探测机理自适应调节两只“眼睛”的位姿，利用动物长期进化保留下来的优势特征，从而有效保证探测的快速性及准确性等优点。对科学研究和工业生产都能带来很大的便利，具有非常重要的研究价值及现实意义。

发明内容

本发明的发明目的是：

提供一种探测范围广，响应速度快，精度高，刚度大，可以模仿多种动物视觉系统，能够根据实际情况自主选择最优视觉方式的仿生眼装置。

为达到上述目的，本发明采取如下技术方案；

方案一：一种基于tricept机构的新型仿生眼装置，包括：一tricept机构、一摄像头、一陀螺仪，其中：该tricept机构主要由上平台、下平台、三条主动支链组成，该三条主动支链一端与上平台连接，另一端与下平台连接，用以实现该上平台的三自由度运动；该摄像头及陀螺仪均安装在上平台。

进一步地，上述三条主动支链，每条主动支链都由万向铰链、电动缸、球铰链以及球铰链固定件组成。

进一步地，还包括一个被动支链，该被动支链由万向铰链、导向杆以及导向套组成，起约束机构运动及导向的作用。

进一步地，所述摄像头通过同轴电缆与计算机连接，计算机还接有控制芯片STM32F104ZET，控制芯片STM32F104ZET输入端接有陀螺仪，输出端分别接有第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器和第三伺服电机驱动器，第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器和第三伺服电机驱动器的另一端还分别接有第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机伺服电机通过同步带与各自对应的电动缸连接，用于控制三条主动支链的电动缸的运动。

方案二： 一种高精度自适应目标探测的双目仿生眼装置，包括：旋转俯仰云台、双向滚珠丝杠滑台、两个tricept仿生眼及计算机，其中：该双向滚珠丝杠滑台上设有两个滑块，每个滑块上固定一个tricept仿生眼，该tricept仿生眼包括包括：一tricept机构、一摄像头、一陀螺仪，tricept机构主要由上平台、下平台、三条主动支链组成，三条主动支链一端与上平台连接，另一端与下平台连接，用以实现该上平台的三自由度运动；所述摄像头和陀螺仪均安装在上平台；旋转俯仰云台与双向滚珠丝杠滑台固定连接，用以实现双向滚珠丝杠机构和两个tricept仿生眼绕旋转轴的360度转动以及俯仰运动；

进一步地，旋转俯仰云台由旋转电机、旋转座、俯仰电机和俯仰座构成，双向滚珠丝杠机构固定在旋转俯仰云台的俯仰座上。

进一步地，双向滚珠丝杠机构主要由滚珠丝杠基座、双向滚珠丝杠以及丝杠驱动电机组成，基座两端各设有一个固定板，双向滚珠丝杠安装在两个固定板之间，丝杠驱动电机安装在其中一个固定板外侧，丝杠驱动电机通过联轴器与双向滚珠丝杠连接。

进一步地，在双向滚珠丝杠机构的两个固定板之间，双向滚珠丝杠两侧还各设有一个直线光轴，所述的两个滑块穿过光轴，且关于旋转电机转动轴对称分布。

进一步地，三条主动支链，每条主动支链都由万向铰链、电动缸、球铰链以及球铰链固定件组成。

进一步地，还包括一个被动支链，该被动支链由万向铰链、导向杆以及导向套组成，起约束机构运动及导向的作用。

进一步地，两个数字摄像头分别通过同轴电缆与计算机连接，计算机还接有三个控制芯片STM32F104ZET，其中一个用于控制旋转俯仰云台上的旋转电机、俯仰电机以及双向滚珠丝杠滑台上的丝杠驱动电机，另外两个输入端均接有陀螺仪，输出端均与三个伺服电机驱动器相连，伺服电机通过同步带与各自对应的电动缸连接，用于控制三条主动支链的电动缸的运动。

基上所述方案一和方案二中，摄像头采用型号为MR-130USB/W7的高清数字摄像头，陀螺仪型号为MPU6050。

本发明的有益效果是：1.本发明从仿生学角度出发提出了一种探测范围广，响应速度快，精度高，刚度大，可以模仿多种动物视觉特征的新型仿生眼装置，通过对生物长期进化所保留的优势特征的模仿，从而有效保证探测结果的准确性；2.本发明装置通过旋转俯仰云台和双向滚珠丝杠机构实现了“机器眼睛”的灵活转动和一定的平动，大大扩展了“机器眼睛”的搜索范围和灵活性，适用于工业、农业、医疗、科研、军工等多种利用机器视觉的场合，为后续仿生机器视觉的研究提供了一种新的思路，具有非常重要的研究价值及现实意义。

附图说明

下面结合附图和较佳实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为tricept仿生眼装置主视图；

图2为tricept仿生眼装置轴侧图；

图3是基于tricept机构的新型仿生眼装置的控制信号流程图；

     图4是基于tricept机构的新型仿生眼装置的运动控制流程图；

     图5是自适应目标探测的双目仿生眼装置结构示意图；

     图6是旋转俯仰云台示意图；

     图7是双向滚珠丝杠滑台示意图；

     图8是仿生眼装置的控制电路原理框图；

     图9是仿生眼装置的运动控制流程图；

     图中标号的具体含义为：1为旋转俯仰云台，2为双向滚珠丝杠机构，3为右tricept仿生眼，4为左tricept仿生眼，5为旋转电机，6为旋转座，7为俯仰电机，8为俯仰座，9为丝杠驱动电机，10为固定板，11为联轴器，12为双向滚珠丝杠，13为直线光轴，14为滑块，15为滚珠丝杠基座，16为 摄像头，17为 上平台，18为第一球铰链固定件，19为第一球铰链，20为导向套，21为第一电动缸，22为 导向杆，23为第二电动缸，24为第二伺服电机，25为第一伺服电机，26为第二万向铰链，27为第一万向铰链，28为第四万向铰链，29为下平台，30为第二球铰链固定件，31为第二球铰链，32为第三球铰链固定件，33为第三球铰链，34为陀螺仪，35为第三电动缸，36为第三伺服电机，37为第三万向铰链。

具体实施方式

实施例一，参见图1至图4，图中所示为一种基于tricept机构的高精度新型仿生眼装置，包括tricept机构以及安装在tricept机构上的摄像头16和陀螺仪34，其中，tricept机构由上平台17、下平台29、三条主动支链和一条被动支链构成，第一条主动支链由第一球铰链固定件18、第一球铰链19、第一电动缸21和第一万向铰链27构成；第二条主动支链由第二球铰链固定件30、第二球铰链31、第二电动缸23和第二万向铰链26构成；第三条主动支链由第三球铰链固定件32、第三球铰链33、第三电动缸35和第三万向铰链37构成；被动支链由导向套20、导向杆22和第四万向铰链28构成，起约束机构运动及导向的作用。这三条主动支链一端与上平台17连接，另一端与下平台29连接，用以实现该上平台的三自由度运动；摄像头16及陀螺仪34安装在上平台17，电动缸由伺服电机通过同步带进行驱动，进一步地，摄像头16通过同轴电缆与计算机连接，计算机还接有控制芯片STM32F104ZET，控制芯片STM32F104ZET输入端接有陀螺仪，输出端分别接有第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器和第三伺服电机驱动器，第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器和第三伺服电机驱动器的另一端还分别接有第一伺服电机25、第二伺服电机24和第三伺服电机36，伺服电机通过同步带与各自对应的电动缸连接，用于控制三条主动支链的电动缸的运动，本实施例中，摄像头采用型号为MR-130USB/W7的高清数字摄像头，陀螺仪型号为MPU6050。

该装置在使用时首先需要完成标定工作，标定是为了获取摄像头较为准确的诸如焦距、畸变参数等内参数，以减小识别误差；其次，在当前视野范围内搜索目标，若目标在当前视野中则只需微调tricept机构使目标落在视野中心附近，若目标不在当前视野中，则需不断调节tricept机构的俯仰角（必要的时候还可以伸缩“眼睛”），直至目标落在视野中心附近；最后，控制板读取当前陀螺仪的测量值，以便机器人或其它工业设备进行相应的操作。

实施例二，参见图1，图2以及图5至图9，图中所示为一种高精度自适应目标探测的双目仿生眼装置，包括：旋转俯仰云台1、双向滚珠丝杠机构2、两个tricept仿生眼（左tricept仿生眼4，右tricept仿生眼3）及计算机，其中：该双向滚珠丝杠机构的双向滚珠丝杠上设有两个滑块14，每个滑块14上固定一个tricept仿生眼；该tricept仿生眼由tricept机构以及安装在tricept机构上的摄像头16和陀螺仪34组成，其中，tricept机构由上平台17、下平台29、三条主动支链和一条被动支链构成，第一条主动支链由第一球铰链固定件18、第一球铰链19、第一电动缸21和第一万向铰链27构成；第二条主动支链由第二球铰链固定件30、第二球铰链31、第二电动缸23和第二万向铰链26构成；第三条主动支链由第三球铰链固定件32、第三球铰链33、第三电动缸35和第三万向铰链37构成；被动支链由导向套20、导向杆22和第四万向铰链28构成，起约束机构运动及导向的作用。这三条主动支链一端与上平台17连接，另一端与下平台29连接，用以实现该上平台的三自由度运动；摄像头16及陀螺仪34安装在上平台17，双向滚珠丝杠机构主要由滚珠丝杠基座15、双向滚珠丝杠12以及丝杠驱动电机9组成，滚珠丝杠基座15两端各设有一个固定板10，双向滚珠丝杠12安装在两个固定板之间，丝杠驱动电机9安装在其中一个固定板外侧，丝杠驱动电机9通过联轴器11与双向滚珠丝杠12连接，在双向滚珠丝杠机构的两个固定板之间、双向滚珠丝杠两侧还各设有一个直线光轴13，两个滑块14穿过光轴，且关于旋转电机5转动轴对称分布，左tricept仿生眼4和右tricept仿生眼3上的摄像头分别通过同轴电缆与计算机连接，计算机还接有三个控制芯STM32F104ZET，其中一个用于控制旋转俯仰云台上的旋转电机、俯仰电机以及双向滚珠丝杠滑台上的丝杠驱动电机，另外两个输入端均接有陀螺仪，输出端均与三个伺服电机驱动器相连，伺服电机通过同步带与各自对应的电动缸连接，用于控制三条主动支链的电动缸的运动。

该装置在使用时首先需要完成标定工作，标定是为了获取摄像头较为准确的诸如焦距、畸变参数等内参数，以减小识别误差；其次，在程序初始化时，仿照典型被捕食动物的视觉特征，将左右两个tricept仿生眼关于旋转俯仰云台的旋转电机转动轴对称布置，两个摄像头的光轴与两滑块中心连线在同一平面内，且两摄像头的光轴与两滑块中心连线均成45°角斜向上；再次，在初始化位置，先检测两个摄像头是否搜索到目标，若其中一个已经搜索到目标，则在保证目标不丢失的情况下，仿照典型中间捕食者视觉特征，调节旋转俯仰云台的旋转电机、俯仰电机和两tricept机构使目标同时位于两摄像头的视野中，若在初始位置两个摄像头视野中都没有待测目标，则保持两tricept机构不动，使旋转电机匀速转动，直至目标出现在其中一个摄像头的视野中，随后按照前面所述步骤将机构调节到目标同时位于两摄像头的视野中；随后，仿照典型捕食者的视觉特征，调节两滑块之间的距离及两tricept机构的姿态，使待测目标位于两摄像头视野中心，以便于对待测目标方位的高精度测量；最后，根据双目测量原理得到待测目标相对于仿生眼装置的方位，为后续控制提供相关参数。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种高精度新型仿生眼装置，其特征在于，包括：一tricept机构、一摄像头、一陀螺仪，其中该tricept机构主要由上平台、下平台以及三条主动支链组成，所述的三条主动支链，每条主动支链都由万向铰链、电动缸、球铰链以及球铰链固定件组成，该三条主动支链一端与上平台连接，另一端与下平台连接，用以实现该上平台的三自由度运动；该摄像头及陀螺仪均安装在上平台。

2.如权利要求1所述的高精度新型仿生眼装置，其特征在于：所述摄像头通过同轴电缆与计算机连接，计算机还接有控制芯片STM32F104ZET，控制芯片STM32F104ZET输入端接有陀螺仪，输出端分别接有第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器和第三伺服电机驱动器，第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器和第三伺服电机驱动器的另一端还分别接有第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机，伺服电机通过同步带与各自对应的电动缸连接，用于控制三条主动支链的电动缸的运动； 所述摄像头采用型号为MR-130USB/W7的高清数字摄像头,陀螺仪型号为MPU6050；该仿生眼装置还包括一个被动支链，该被动支链由万向铰链、导向杆以及导向套组成。

3.一种高精度自适应目标探测的双目仿生眼装置，其特征在于，包括：一旋转俯仰云台、一双向滚珠丝杠机构、两个tricept仿生眼及计算机，其中该tricept仿生眼包括：一tricept机构、一摄像头、一陀螺仪，tricept机构主要由上平台、下平台以及三条主动支链组成，所述的三条主动支链，每条主动支链都由万向铰链、电动缸、球铰链以及球铰链固定件组成，该三条主动支链一端与上平台连接，另一端与下平台连接，用以实现该上平台的三自由度运动，所述摄像头和陀螺仪均安装在上平台，所述摄像头通过同轴电缆与计算机连接；该双向滚珠丝杠机构的滚珠丝杠上设有两个滑块，每个滑块上均固定一个tricept仿生眼；该旋转俯仰云台与双向滚珠丝杠机构固定连接，用以实现双向滚珠丝杠机构和两个tricept仿生眼的360度转动以及俯仰运动。

4.如权利要求3所述的高精度自适应目标探测的双目仿生眼装置，其特征在于：所述旋转俯仰云台由旋转电机、旋转座、俯仰电机和俯仰座构成，双向滚珠丝杠机构固定在旋转俯仰云台的俯仰座上。

5.如权利要求4所述的高精度自适应目标探测的双目仿生眼装置，其特征在于：所述双向滚珠丝杠机构主要由滚珠丝杠基座、双向滚珠丝杠以及丝杠驱动电机组成，滚珠丝杠基座两端各设有一个固定板，双向滚珠丝杠安装在两个固定板之间，丝杠驱动电机安装在其中一个固定板外侧，丝杠驱动电机通过联轴器与双向滚珠丝杠连接。

6.如权利要求5所述的高精度自适应目标探测的双目仿生眼装置，其特征在于：在双向滚珠丝杠机构的两个固定板之间、双向滚珠丝杠两侧还各设有一个直线光轴，所述的两个滑块穿过光轴，且关于旋转电机转动轴对称分布。

7.如权利要求6所述的高精度自适应目标探测的双目仿生眼装置，其特征在于：计算机还接有三个控制芯片STM32F104ZET，其中一个用于控制旋转俯仰云台上的旋转电机、俯仰电机以及双向滚珠丝杠滑台上的丝杠驱动电机，另外两个输入端均接有陀螺仪，输出端均与三个伺服电机驱动器相连，伺服电机通过同步带与各自对应的电动缸连接，用于控制三条主动支链的电动缸的运动。

8.如权利要求3至7任一项所述的高精度自适应目标探测的双目仿生眼装置，其特征在于：还包括一个被动支链，该被动支链由万向铰链、导向杆以及导向套组成。

9.如权利要求8所述的高精度自适应目标探测的双目仿生眼装置，其特征在于：所述摄像头采用型号为MR-130USB/W7的高清数字摄像头，陀螺仪型号为MPU6050。