[发明专利]基于柔索驱动并联机构的三自由度仿生眼睛平台

说明书

技术领域

本发明涉及机器人仿生视觉领域，是一种能应用于智能机器人视觉系统的基于柔索驱动并联机构的仿生眼睛。

背景技术

正如人类感知客观世界有90%以上的信息是通过眼睛获得的，对机器人来说,“眼睛”是一种重要的感知设备。人眼具有许多特殊的自然功能,如两眼只能注视和跟踪一个目标,能补偿头部运动引起的视线偏离,能快速切换注视目标,能平滑跟踪目标,能看清运动背景中的物体等,这些功能是由眼球运动中不同的运动形式实现的。机器人在非结构化的环境中工作时，姿态很容易发生变化，也迫切需要类似人眼的这种功能。而为了实现仿人眼的功能，一种能模仿人眼三自由度运动的新型灵巧机构是必不可少的。当今机器人产业迫切需要这样的具有人眼诸多特殊功能的机器人眼，而一旦有了这样的机器人仿生眼，机器人视觉技术乃至机器人产业会产生一个大的飞跃，对现有的许多产业也会造成深远的影响。

人眼具有六条肌肉，分别是上直肌，下直肌，内直肌，外直肌，上斜肌和下斜肌。这六条肌肉一端连接于晶状体上，另一端与总腱环连接。其中四条直肌带动眼球做围绕眼球中心的2自由度旋转运动，2条斜肌带动眼球做围绕视轴中心的1自由度运动，所以人眼具有三个自由度。

发明内容

本发明的目的在于针对以上问题，提出一种基于柔索驱动并联机构的机器人仿生眼，能做许多复杂的运动，保证视觉信息的获取。

为达到上述目的，本发明的方案是：

仿生眼球的中间隔板通过螺纹连接前后半球壳，隔板的前面中心位置安装一步进电机，该步进电机可以带动摄像头和陀螺仪做旋转运动，模拟人眼的自旋运动。通过利用一个弹簧的可调节张紧力，将仿生眼球嵌入具有球形腔的基体内，眼球的外径等于球形腔的内径，因此眼球可以在球形腔内进行有限角度的转动。因为弹簧的张紧作用，安装在眼球隔板前部的装置的重力影响可以忽略不计，因此眼球在不受外力时可以保持水平位置。隔板后面的边缘位置以120°的间隔固定三根柔索，柔索的另一端分别经过眼球的后部开口和基座上的定位孔缠绕在紧线器上。紧线器连接拉力传感器和直线步进电机，其作用是调节柔索的张紧力，且该张力可以通过拉力传感器测出。根据柔索驱动并联机构的特性：n个自由度的运动至少需要n+1根柔索驱动，因此三个直线步进电机可以模拟四条直肌的作用，通过控制柔索的长度驱动眼球在球型腔内转动。该转动是2个自由度的运动，外加隔板前面步进电机的转动的自由度，摄像头获得了三个自由度，从而可以做模仿人眼的运动。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于柔索驱动并联机构的三自由度仿生眼睛，包括眼球、基体、驱动部分，柔索和弹簧，其特征在于：所述眼球前端装有一个陀螺仪和一个摄像头，由一个步进电机连接驱动；所述眼球与基体球面配合活动连接；所述眼球由弹簧复位支撑，而由三根周向均匀分布的柔索连接三个直线步进电机；在步进电机和三个直线步进电机的驱动下，安装在眼球上的陀螺仪和摄像头可做三个自由度运动。所述眼球上，有一个隔板通过螺纹连接与一个前半球壳和一个后半球壳共同组成眼球外壳。在隔板的前面中心位置安装所述步进电机。该步进电机可通过一个托盘带动陀螺仪和摄像头旋转；所述基体上，有一个前护罩和一个后护罩通过螺纹连接，组成内凹的球形腔。后保护罩通过螺栓连接在基座板上。所述基座固定在底板上。所述驱动部分上，三个所述直线步进电机的输出轴通过螺纹分别和三个拉力传感器以及三个紧线器依次连接。三个所述步进直线电机固定在底板上。所述眼球和基体上的球形腔相吻合，两者共同组成球形转动副。所述眼球的隔板后面中心固定所述弹簧为一塔形弹簧。该弹簧的末端焊接一圆环，一个M10的螺栓穿过圆环和基座板上的中心孔，用一个M4螺栓紧固该螺栓的位置。所述眼球的隔板的边缘处以平均间隔120°开了三个通孔，三根柔索一端通过定位销固定在这三个孔内，另一端穿过基座板上的三个定位孔，缠绕在所述三个紧线器上。所述眼球的隔板以及基体的基座板上有镂空孔，方便电源线和数据线通过。所述眼球的后半球壳后部有较大开口，该开口可容纳三根柔索，弹簧，电源线和数据线通过，且在眼球转动的时候后半球壳不可与柔索干涉。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

1)三自由度柔索驱动并联机构的工作空间为半锥角为±15°的圆锥形，并在该圆锥形的任意位置上都能实现任意角度的自旋运动

2)与一般并联机构相比，本发明采用的柔索驱动并联机构具有结构简单，重量轻，成本低，适应性好等特点