CN104999480B - 可任意角度注视、三维重建的仿生眼装置及仿生眼设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可任意角度注视、三维重建的仿生眼装置及仿生眼设备，仿生眼装置包括：仿生眼球框，具有球形或近球形容纳空间；悬置于仿生眼球框开口的仿生眼球壁；内套于仿生眼球壁的仿生眼球，仿生眼球、仿生眼球壁、和仿生眼球框共属同一球心；通过直径轴而在仿生眼球内从外向内依次布设的摄像机、电机、和转轮；通过电机运作来控制转轮在仿生眼球框内壁上的运动朝向和运动距离，从而带动仿生眼球转动在仿生眼球壁内绕球心灵活转动，实现仿生眼球任意角度转动、注视以及三维重建。

Description

可任意角度注视、三维重建的仿生眼装置及仿生眼设备

技术领域

本发明属于智能仿生机器人技术领域，特别涉及一种可任意角度注视、三维重建的仿生眼装置及仿生眼设备。

背景技术

人类感知客观世界绝大多数信息都是需要借助眼睛而获得的视觉信息，对机器人来说，“机器人眼睛”也是一个重要的感知设备。当今的机器人急切需要具备人眼诸多功能的仿生机器人眼。有了这样的机器人眼，机器人视觉技术和机器人技术将得到巨大的发展。

虽然经过20多年的发展，但从实际应用角度来看，现有的立体视觉技术还处于不成熟阶段，这不仅仅涉及到技术上的原因，也是因为人类对自身视觉机制还没有了解透彻。目前的计算机视觉大多采用位置相对固定的两台摄像机装置或可移动的单个摄像机装置，这种视觉方式明显和人类一双可转动眼球形成的视觉相违背。通过二维图像来获取三维图像存在很多难以克服的问题，比如：需要标定物，十分麻烦；数据量大，计算效果不好；灰度失真、几何畸变、噪声干扰等；目前的设备精度要求高、价格昂贵、处理过程复杂等，也影响了在工程中的使用。另外，在实际的人机交互应用上，固定眼球(摄像机)的体验远没有灵活转动的眼球体验优越、互动性强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可任意角度注视、三维重建的仿生眼装置及仿生眼设备，以解决现有技术中固定眼球(摄像机)所产生的操作繁琐、设备及计算复杂度高、以及体验效果欠佳等问题。

为解决上述技术问题及其他技术问题，本发明提供一种仿生眼装置，包括：仿生眼球框，具有内凹的球形或近球形容纳空间；悬置于所述仿生眼球框的开口中心处的仿生眼球壁；活动内套于所述仿生眼球壁的仿生眼球，所述仿生眼球、所述仿生眼球壁、以及所述仿生眼球框共属同一球心，所述仿生眼球能在所述仿生眼球壁内绕所述球心转动；沿着通过所述球心与所述仿生眼球框的直径轴而在所述仿生眼球内从外向内依次布设的摄像机、电机、以及转轮；通过所述电机运作来控制所述转轮在所述仿生眼球框内壁上的运动朝向和运动距离，从而带动所述仿生眼球转动。

如上所述，本发明提供的仿生眼装置，包括仿生眼球框、仿生眼球壁、仿生眼球、沿通过球心与仿生眼球框的直径轴而在仿生眼球内从外向内依次布设的摄像机、电机、以及转轮，通过所述电机运作来控制转轮的在仿生眼球框内壁上的运动朝向和运动距离，从而带动仿生眼球在仿生眼球壁内绕球心灵活转动，实现仿生化，使得装配有该仿生眼装置的机器设备可以做到任意角度转动、注视，追踪物体移动，识别，对周围环境三维重建。我们的仿生眼主要利用眼球运动信息进行三维重建，对于后期的手眼、头眼以及眼睛和自身运动协调上，这项技术拥有不可比拟的优势。

本发明仿生眼装置的进一步改进在于，所述仿生眼球壁是通过第一辐射状固定架固定于所述仿生眼球框的开口中心处。

本发明仿生眼装置的进一步改进在于，所述电机包括旋转电机和行进电机，所述球心、所述旋转电机的电机轴、以及所述转轮与所述仿生眼球框内壁的接触点成一直线，所述转轮通过齿轮连接固定于所述行进电机并在所述行进电机的带动下而在所述仿生眼球框内壁上运动；所述行进电机套接于所述旋转电机的电机轴上，所述旋转电机带动所述行进电机和所述转轮绕直径轴旋转以控制所述转轮的朝向。

本发明仿生眼装置的进一步改进在于，所述旋转电机是通过第二辐射状固定架固定于所述仿生眼球的中心轴处；以及，所述旋转电机和所述行进电机之间设有用于控制所述行进电机沿所述旋转电机的电机轴来回伸缩的第一电磁开关。

本发明仿生眼装置的进一步改进在于，所述行进电机外周设有供其来回伸缩和旋转的轴承结构，所述轴承结构通过第三辐射状固定架连接固定于所述仿生眼球。

本发明仿生眼装置的进一步改进在于，所述轴承结构包括：通过所述第三辐射状固定架连接固定于所述仿生眼球的轴承外固定套，所述轴承外固定套具有多边形的外固定套内圈；内嵌于所述轴承外固定套内的轴承外套，所述轴承外套具有与所述轴承外固定套的外固定套内圈相配的轴承外套外圈和呈圆形的轴承外环内圈；以及内嵌于所述轴承外套内的轴承，包括轴承外圈、轴承内圈和卡位于所述轴承外圈和所述轴承内圈之间的滚动体，所述轴承外圈与所述轴承外环内圈相适配，所述轴承内圈与所述行进电机的电机壳相适配。

本发明仿生眼装置的进一步改进在于，所述转轮通过一支架定位于所述行进电机，所述转轮的轮轴转动于所述支架；以及所述行进电机上设有转动轴，所述转动轴的端部带有齿盘，所述转轮设有与所述齿盘啮合的齿座。

本发明仿生眼装置的进一步改进在于，在所述转轮的轮轴上设有位移传感器来确定所述转轮相对于所述仿生眼球框内壁的位置。

本发明仿生眼装置的进一步改进在于，所述旋转电机是舵机或者是步进电机加位移传感器，所述行进电机是步进电机加位移传感器。

本发明仿生眼装置的进一步改进在于，所述仿生眼球壁上开设有通孔，在所述通孔内装配有用于控制所述仿生眼球锁止/启动的第二电磁开关。

本发明仿生眼装置的进一步改进在于，所述仿生眼球壁的周缘设有多个第一限制结构，所述第一限制结构具有过孔，所述轴承外固定套的周缘设有多个第二限制结构，所述第二限制结构具有过孔，利用一无弹性线依次穿过所述第一限制结构的过孔和所述第二限制结构的过孔后首尾相接；所述第一限制结构为吊环或悬挂式万向轮，所述第二限制结构为吊环或悬挂式万向轮。

本发明另提供一种仿生眼设备，包括相互独立的两个仿生眼装置。

本发明仿生眼设备的进一步改进在于，在所述摄像机的感光元件成像中心与所述球心重叠的情况下，通过两个仿生眼装置中的两个所述仿生眼球的各自运动，实现对空间物体进行三维重建：

针对任一仿生眼装置，以所述仿生眼球的球心为原点建立一坐标系xyz，其中，x轴代表左右，y轴代表上下，z轴与所述直径轴重合而代表前后，R为所述仿生眼球框的球体半径；

x轴与第一次运动方向平行，所述转轮的初始位置的坐标(0,0,R)，初始运动方向(R,0,0)；

设所述转轮与所述仿生眼球框的内壁接触点朝任意方向转动任意距离后的坐标位置为p(x_end,y_end,z_end)，则有以下对应关系：

其中，φ_i＝d_i/R度，d_i为每次转动的距离，θ_i为每次朝向转动的角度；

利用公式(1)、(2)、(3)，求出p(x_end,y_end,z_end)，通过转换得到对应另一半球坐标的p’(-x_end,-y_end,-z_end)；

经过分别位于两个仿生眼装置中两个仿生眼球的坐标原点连线，两个坐标系xyz轴相互平行，以两坐标系原点经x轴连线的中间点为新坐标原点，建立新坐标系XYZ，当两个仿生眼装置中的两个仿生眼球同时注视同一点P时，它们的光轴同时交于这一点，因而这一点P和左右两个坐标原点形成三角形，根据三角函数而求出P点的空间坐标；

根据三角函数而求出P点的空间坐标，包括：

假设：第一仿生眼装置中仿生眼球的z轴与X轴的夹角为A夹角，第二仿生眼装置中仿生眼球的z轴与X轴的夹角为B夹角，所述A夹角平面或所述B夹角平面与X轴水平面夹角为C夹角；

根据三角函数可求出：

cosA＝-x/R， (4)

cosB＝-x_f/R_f， (5)

tanC＝-z/-y， (6)

利用公式(4)、(5)、(6)，求出A，B，C的角度；

假设：两个仿生眼中两个坐标系原点连线之间的距离D；根据公式：

或者

将距离D代入以上公式(7)、(8)、(9)或(10)、(11)、(12)而求出空间任意一点坐标P(X,Y,Z)。

附图说明

图1为本发明仿生眼装置在一具体实施方式中的立体侧视图。

图2为图1的分解示意图。

图3为本发明仿生眼设备在一具体实施方式中整体结构的立体侧视图。

具体实施方式

本发明提供了一种仿生眼装置及包括相互独立的两个仿生眼装置的仿生眼设备，仿生眼装置均包含有利用转动机构而实现灵活转动的仿生眼球和装配于仿生眼球上的摄像机，使得装配有仿生眼装置的机器设备可以做到注视，追踪物体移动，识别，对周围环境三维重建。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

请再参阅图1和图2，其中，图1为仿生眼装置在一具体实施方式中的立体侧视图，图2为图1的分解示意图。现结合图1和图2，本发明仿生眼装置11包括：仿生眼球框101、仿生眼球壁103、以及相对仿生眼球框101和仿生眼球壁103转动的仿生眼球结构。

仿生眼球框101，为半球形结构，具有内凹的球形或近球形容纳空间作为眼窝。

仿生眼球壁103，悬置于仿生眼球框101的开口中心处，在本实施例中，仿生眼球壁103为球环结构，其是通过第一辐射状固定架102固定于仿生眼球框101的开口中心处，第一辐射状固定架102中包括均匀设置的多个安装辐条。

所述仿生眼球结构中包括有活动内套于仿生眼球壁103的可任意转动的仿生眼球105。在本实施例中，仿生眼球105为与仿生眼球壁103的球环结构。特别地，在一优选的情形下，仿生眼球105、仿生眼球壁103、以及仿生眼球框101都具有空心球结构，且三者为同球心设置，即，仿生眼球105、仿生眼球壁103、以及仿生眼球框101共属同一球心，如此，仿生眼球105在仿生眼球壁103内绕所述球心转动。

仿生眼球结构中还包括沿通过所述球心与仿生眼球框101的直径轴而在仿生眼球105内从外向内依次布设的摄像机107、旋转电机109、行进电机111、以及转轮113，其中，包括所述球心、旋转电机109的电机轴、以及转轮113与仿生眼球框101的内壁的接触点在内的三个部分成一直线(即，该直线与所述直径轴重合)。在本实施例中，摄像机107可根据应用场景配置相应的镜头(例如广角镜)。

旋转电机109是通过第二辐射状固定架104连接固定于仿生眼球105的中心轴处，第二辐射状固定架104中包括均匀设置的多个安装辐条。在本实施例中，旋转电机109可采用舵机，但并不以此为限，在其他实施例中，旋转电机109也可采用步进电机，同时配置有与所述步进电机结合的位移传感器。

行进电机111套接于旋转电机109的电机轴108，行进电机111外周设有供其来回伸缩和旋转的轴承结构，所述轴承结构通过第三辐射状固定架106连接固定于仿生眼球105，如此，在旋转电机109的电机轴108运转下可带动行进电机111整体通过所述轴承结构而旋转。在本实施例中，旋转电机109可采用步进电机，同时配置有与所述步进电机结合的位移传感器。进一步地，所述轴承结构更包括：通过第三辐射状固定架106(第三辐射状固定架106中包括均匀设置的多个安装辐条)凸设于仿生眼球105的轴承外固定套121，轴承外固定套121具有多边形的外固定套内圈；内嵌于轴承外固定套121内的轴承外套123，轴承外套123具有与轴承外固定套121的外固定套内圈相配的轴承外套外圈和呈圆形的轴承外环内圈；以及内嵌于轴承外套123内的轴承125，包括轴承外圈、轴承内圈和卡位于所述轴承外圈和所述轴承内圈之间的滚动体，所述轴承外圈与所述轴承外环内圈相适配，所述轴承内圈与行进电机111的电机壳110相适配，行进电机111的电机壳110具有供旋转电机109的电机轴108插设的插置孔，行进电机111的电机112则内置于电机壳110内。行进电机111不仅可以通过旋转电机109的电机轴108而被旋转电机109带动旋转，还可沿着旋转电机109的电机轴108活动伸缩于旋转电机109，因此，在旋转电机109的电机轴108上还设有第一电磁开关(未在图式中予以显示)，这样，通过所述第一电磁开关可以控制行进电机111沿着电机轴108而活动伸缩于旋转电机109。优选地，在电机轴108上还可套设有弹性件(例如拉伸弹簧、弹性垫圈等)或者在所述插置孔的底部设置对应于电机轴108端部的弹性件(例如拉伸弹簧、弹性垫圈等)，如此，在所述第一电磁开关的控制下，利用弹性件来更好地控制行进电机111沿着电机轴108而活动伸缩于旋转电机109。

转轮113通过齿轮连接固定于行进电机111，在本实施例中，转轮113通过一支架114定位于行进电机111并通过齿轮联动于行进电机111，转轮113的轮轴转动于支架114，进一步地，行进电机111上设有与电机112相连的转动轴，转动轴的端部带有齿盘，转轮113上则设有与所述齿盘啮合的齿座。再有，转轮113的轮轴上设有位移传感器115，优选地，位移传感器115为光电位移传感器，用来反馈转轮113的自身位置，从而可以直接确定仿生眼球105相对于仿生眼球框101的球形内壁的位置。另外，由于转轮113是定位于行进电机111的，因此，在仿生眼球框101的直径轴上，转轮113和行进电机111是同步运动的。在本实施例中，如前所述，通过所述第一电磁开关可以控制行进电机111沿着电机轴108而活动伸缩于旋转电机109，实际上，严格地说，即，通过所述第一电磁开关可以控制行进电机111和转轮113沿着电机轴108而活动伸缩于旋转电机109，其中：当行进电机111和转轮113沿着电机轴108而活动伸出并远离旋转电机109时，此时的转轮113是抵靠于仿生眼球框101的球形内壁；当行进电机111和转轮113沿着电机轴108而活动收缩并靠近旋转电机109时，此时的转轮113是远离于仿生眼球框101的球形内壁且处于悬空状态。

为避免仿生眼球105相对于仿生眼球壁103产生误转动，发生不需要或不必要的转动，优选地，仿生眼球壁103上还开设有通孔116，在通孔116内装配有用于控制仿生眼球105锁止/启动的第二电磁开关117。具体地，在所述通孔内穿设有一制动插销，所述制动插销受第二电磁开关117控制而可实现伸缩以起到车闸的作用。具体地：当第二电磁开关117关闭(或启动)时，所述制动插销受控活动伸出于所述通孔(朝向仿生眼球壁103内的仿生眼球105运动)并顶靠于仿生眼球壁103内的仿生眼球105的外壁，起到控制仿生眼球105锁止作用；当第二电磁开关117开启(或关闭)时，所述制动插销受控活动收缩于所述通孔(朝向仿生眼球壁103外的第二电磁开关117运动)，使得制动插销不再对仿生眼球壁103内的仿生眼球105产生干涉，起到控制仿生眼球105启动作用。

还有，在运行过程中，为防止出现仿生眼球105产生绕所述直径轴自身旋转的问题，仿生眼球壁103的周缘设有多个第一限制结构118，第一限制结构118具有过孔，轴承外固定套121的周缘设有多个第二限制结构122，第二限制结构122具有过孔，利用一无弹性线依次穿过第一限制结构118的过孔和第二限制结构122的过孔后首尾相接。在一优选实施例中：第一限制结构118和第二限制结构122为固接的吊环，或者，第一限制结构118和第二限制结构122为固接的悬挂式万向轮。所述无弹性线可采用拉伸度极低的钢丝绳。以悬挂式万向轮和钢丝绳为例，仿生眼球壁103的周缘设置有4个悬挂式万向轮，轴承外固定套121的周缘设置有4个悬挂式万向轮，用一条无弹性线(例如钢丝绳)上下依次穿过这8个悬挂式万向轮的过孔之后首尾相接，即可防止仿生眼球105绕所述直径轴自身旋转，同时亦可以任意角度移动。

以下针对单个仿生眼装置11的整体运作一大致说明：

在理想条件下，我们希望摄像机107的光轴和与仿生眼球框101的直径轴重合，摄像机107中的感光元件的中心与仿生眼球框101的球心重合。假设我们预先拟定了配置有摄像机107的仿生眼球105的目标位置，根据当前位置(可通过设于转轮113的轮轴上的作为位移传感器115的光电位移传感器来确定)和拟定的目标位置来确定仿生眼球105的运动轨迹；在仿生眼球105锁止的情形下(利用第二电磁开关117控制制动插销活动伸出于所述通孔(朝向仿生眼球壁103内的仿生眼球105运动)并顶靠于仿生眼球壁103内的仿生眼球105的外壁，锁止住仿生眼球105)，利用第一电磁开关控制行进电机111沿着电机轴108而活动收缩并靠近旋转电机109，使得行进电机111带动转轮113离开仿生眼球框101的内壁且处于悬空状态；旋转电机109启动，通过旋转电机109上的电机轴108而带动行进电机111及转轮113旋转，从而使得转轮113根据确定的所述运动轨迹而偏转相应的行走角度以得到在仿生眼球框101内壁上的运动朝向，且在转轮113偏转到位后，旋转电机109即停止；利用所述第一电磁开关控制行进电机111沿着电机轴108而活动伸出并远离旋转电机109，使得行进电机111带动转轮113靠近于仿生眼球框101并最终以调整好的运动朝向接触于仿生眼球框101的内壁；利用第二电磁开关117控制所述制动插销活动收缩于所述通孔(朝向仿生眼球壁103外的第二电磁开关117运动)，使得制动插销不再对仿生眼球壁103内的仿生眼球105产生干涉，启动仿生眼球105；行进电机111运转，行进电机111的转动轴转动，通过转动轴端部的齿盘与转轮113上的齿座的配合，带动转轮113转动，在仿生眼球框101的内壁上以调整好的运动朝向行进，带动仿生眼球105转动，利用行进电机111，可控制转轮113在仿生眼球框103内壁上的运动距离；通过上述第一电磁开关、旋转电机109、以及行进电机111的运转，使得转轮113最终行进到目标位置，行进到位后，第二电磁开关117控制制动插销活动伸出于所述通孔(朝向仿生眼球壁103内的仿生眼球105运动)并顶靠于仿生眼球壁103内的仿生眼球105的外壁，锁止住仿生眼球105。如此，完成仿生眼球结构的活动。

以下我们针对本发明仿生眼装置实现注视及三维重建进行说明：对于任意注视点，通过二维图像求出坐标(x,y)，分别表示上下和左右，通过摄像机焦距得出(z)，表示前后深度，整合在一起(x,y,z)即表示任意注视点空间坐标。

请参阅图3，为本发明仿生眼设备在一具体实施方式中整体结构的立体侧视图。如图3所示，本发明仿生眼设备包括相互独立的两个仿生眼装置11，在本实施例中，两个仿生眼装置11是通过位于两者之间的连接架12连接在一起的，这里的连接架12例如为平直的连接板，两个仿生眼装置11分列于连接架12的相对两端且为同一朝向(朝前)。但，需说明的是，上述连接架12的结构及两个仿生眼装置11的设置仅为一实例说明，并非用于限制本发明，在其他实施例中，连接架12的结构仍可有其他变化，例如：在一变化实施例中，连接架12为三角镖型或弧形结构，从而使得由连接架12连接的两个仿生眼装置11的视野朝向具有一定的夹角；在另一变化实施例中，连接架并非必要结构，即，在本发明仿生眼设备中，也可省略掉连接架，两个仿生眼装置11之间无需借助连接架而连接在一起，只要两个仿生眼装置11能通过其他支撑结构予以支撑即可，这样两个仿生眼装置11可以有更多的设置方式，它们配合形成的仿生眼设备就可实现更多的视野变化，能适应于更多的应用场景中。

结合图1、图2及图3，本发明提供的仿生眼设备，包括了相互独立的两个仿生眼装置11，每一个仿生眼装置11包括仿生眼球框101、仿生眼球壁103、仿生眼球105、沿通过球心与仿生眼球框101的直径轴而在仿生眼球105内从外向内依次布设的摄像机107、旋转电机109、行进电机111、以及转轮113。

以下我们针对本发明仿生眼设备中的两个仿生眼装置实现注视的过程进行说明：

1)、初始化仿生眼球105的位置和转轮113的角度(例如水平0度)；

2)、提取摄像机107拍摄的2D图像；

3)、该摄取的2D图像的中心即为当前注视点C(0,0)，假设下一个要注视的物体坐标为N，二维图像上坐标设为N(x,y)，识别出N处物体形状；

4)、根据坐标N(x,y)，求出旋转角度tanα＝x/y，依次控制第二电磁开关117和第一电磁开关，锁止仿生眼球105以及分离转轮113与仿生眼球眶101内壁的接触；

5)、由旋转电机109带动转轮转动α度，依次控制第一电磁开关和第二电磁开关117，使转轮113与仿生眼球框101内壁接触后而启动行进电机；

6)、行进电机转动，控制转轮113在仿生眼球框101内壁行进；

7)、从当前注视点C(0,0)到目标注视点N(x,y)过程中，对比各帧图像中心或特定区域不断变化的物体形状和N处的物体形状，当对比结果相同时，行进电机111停止转动；

8)、此时图像的中心点(即，目标注视点)的物体为原来图像上N(x,y)处的物体，完成了从C(0,0)点到N(x,y)点的注视过程。

当左右两个仿生眼同时注视这个N(x,y)点，循环此过程，即可模拟人眼的注视过程。

利用本发明仿生眼设备进行三维重建过程进行详细说明：

(一)、在理想情况下(摄像机的光轴和与仿生眼球框的直径轴重合，摄像机中的感光元件的中心与仿生眼球框的球心重合)

通过左右两个仿生眼装置11中仿生眼球的运动信息，建立如下数学模型，对空间物体进行三维重建：

针对任一仿生眼装置11，以仿生眼球105的球心为原点建立一坐标系xyz，其中，x轴代表左右，y轴代表上下，z轴与所述直径轴重合而代表前后，R为所述仿生眼球框的球体半径；

x轴与第一次运动方向平行，转轮113的初始位置的坐标(0,0,R)，初始运动方向(R,0,0)；

设转轮113与仿生眼球框101的内壁接触点朝任意方向转动任意距离后的坐标位置为p(x_end,y_end,z_end)，则有以下对应关系：

其中，φ_i＝d_i/R度，d_i为每次转动的距离，θ_i为每次朝向转动的角度；

利用公式(1)、(2)、(3)，求出p(x_end,y_end,z_end)，通过转换得到对应另一半球坐标的p’(-x_end,-y_end,-z_end)；

经过分别位于两个仿生眼装置11中两个仿生眼球105的坐标原点连线，两个坐标系xyz轴相互平行，以两坐标系原点经x轴连线的中间点为新坐标原点，建立新坐标系XYZ，当两个仿生眼装置11中的两个仿生眼球105同时注视同一点P时，它们的光轴同时交于这一点，因而这一点P和左右两个坐标原点形成三角形，根据三角函数而求出P点的空间坐标。

假设：左仿生眼装置11中仿生眼球105的z轴与X轴的夹角为A夹角，右仿生眼装置11中仿生眼球105的z轴与X轴的夹角为B夹角，所述A夹角平面或所述B夹角平面与X轴水平面夹角为C夹角；

根据三角函数可求出：

cosA＝-x/R， (4)

cosB＝-x_f/R_f， (5)

tanC＝-z/-y， (6)

利用公式(4)、(5)、(6)，求出A，B，C的角度；

假设：两个仿生眼中两个坐标系原点连线之间的距离D；根据公式：

或者

将距离D代入以上公式(7)、(8)、(9)或(10)、(11)、(12)而求出空间任意一点坐标P(X,Y,Z)。

(二)、在非理想条件下(即现今的制造工艺能使摄像机的光轴尽量和半径轴重叠，摄像机感光元件的中心尽量和球心重叠，但很难能做到完全重叠)，当摄像机107在仿生眼球105内的位置固定后，眼球注视过程的运动信息即和二位图像中的点产生对应关系，这种关系可以通过数学拟合的方式得出函数，进行三维重建。

综上所述，本发明提供了仿生眼装置及包括相互独立的两个仿生眼装置的仿生眼设备，仿生眼装置包括仿生眼球框、仿生眼球壁、仿生眼球、沿通过球心与仿生眼球框的直径轴而在仿生眼球内从外向内依次布设的摄像机、旋转电机、行进电机、以及转轮，旋转电机和行进电机协调运作来控制转轮的在仿生眼球框内壁上的运动朝向和运动距离，从而带动仿生眼球在仿生眼球壁内绕球心灵活转动，实现仿生化，使得装配有该仿生眼装置的机器设备可以做到注视，追踪物体移动，识别，对周围环境三维重建。我们的仿生眼主要利用眼球运动信息进行三维重建，对于后期的手眼、头眼以及眼睛和自身运动协调上，这项技术拥有不可比拟的优势。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种可任意角度注视、三维重建的仿生眼装置，其特征在于，包括：

仿生眼球框，具有内凹的球形或近球形容纳空间；

悬置于所述仿生眼球框的开口中心处的仿生眼球壁；

活动内套于所述仿生眼球壁的仿生眼球，所述仿生眼球、所述仿生眼球壁、以及所述仿生眼球框共属同一球心，所述仿生眼球能在所述仿生眼球壁内绕所述球心转动；

沿着通过所述球心与所述仿生眼球框的直径轴而在所述仿生眼球内从外向内依次布设的摄像机、电机、以及转轮；通过所述电机运作来控制所述转轮在所述仿生眼球框内壁上的运动朝向和运动距离，从而带动所述仿生眼球转动；

进一步的，所述电机包括旋转电机和行进电机，所述球心、所述旋转电机的电机轴、以及所述转轮与所述仿生眼球框内壁的接触点成一直线，所述转轮通过齿轮连接固定于所述行进电机并在所述行进电机的带动下而在所述仿生眼球框内壁上运动；所述行进电机套接于所述旋转电机的电机轴上，所述旋转电机带动所述行进电机和所述转轮绕直径轴旋转以控制所述转轮的朝向。

2.如权利要求1所述的仿生眼装置，其特征在于，所述仿生眼球壁是通过第一辐射状固定架固定于所述仿生眼球框的开口中心处。

3.如权利要求1所述的仿生眼装置，其特征在于，

所述旋转电机是通过第二辐射状固定架固定于所述仿生眼球的中心轴处；以及

所述旋转电机和所述行进电机之间设有用于控制所述行进电机沿所述旋转电机的电机轴来回伸缩的第一电磁开关。

4.如权利要求1所述的仿生眼装置，其特征在于，所述行进电机外周设有供其来回伸缩和旋转的轴承结构，所述轴承结构通过第三辐射状固定架连接固定于所述仿生眼球。

5.如权利要求4所述的仿生眼装置，其特征在于，所述轴承结构包括：

通过所述第三辐射状固定架连接固定于所述仿生眼球的轴承外固定套，所述轴承外固定套具有多边形的外固定套内圈；

内嵌于所述轴承外固定套内的轴承外套，所述轴承外套具有与所述轴承外固定套的外固定套内圈相配的轴承外套外圈和呈圆形的轴承外环内圈；以及

内嵌于所述轴承外套内的轴承，包括轴承外圈、轴承内圈和卡位于所述轴承外圈和所述轴承内圈之间的滚动体，所述轴承外圈与所述轴承外环内圈相适配，所述轴承内圈与所述行进电机的电机壳相适配。

6.如权利要求1所述的仿生眼装置，其特征在于，

所述转轮通过一支架定位于所述行进电机，所述转轮的轮轴转动于所述支架；以及

所述行进电机上设有转动轴，所述转动轴的端部带有齿盘，所述转轮设有与所述齿盘啮合的齿座。

7.如权利要求6所述的仿生眼装置，其特征在于，在所述转轮的轮轴上设有位移传感器来确定所述转轮相对于所述仿生眼球框内壁的位置。

8.如权利要求1所述的仿生眼装置，其特征在于，所述旋转电机是舵机或者是步进电机加位移传感器，所述行进电机是步进电机加位移传感器。

9.如权利要求1所述的仿生眼装置，其特征在于，所述仿生眼球壁上开设有通孔，在所述通孔内装配有用于控制所述仿生眼球锁止/启动的第二电磁开关。

10.如权利要求1所述的仿生眼装置，其特征在于，所述仿生眼球壁的周缘设有多个第一限制结构，所述第一限制结构具有过孔，所述仿生眼球的轴承外固定套的周缘设有多个第二限制结构，所述第二限制结构具有过孔，利用一无弹性线依次穿过所述第一限制结构的过孔和所述第二限制结构的过孔后首尾相接；所述第一限制结构为吊环或悬挂式万向轮，所述第二限制结构为吊环或悬挂式万向轮。

11.一种仿生眼设备，其特征在于，包括相互独立的两个如权利要求1至10中任一项所述的仿生眼装置。

12.如权利要求11所述的仿生眼设备，其特征在于，

在所述摄像机的感光元件成像中心与所述球心重叠的情况下，通过两个仿生眼装置中的两个所述仿生眼球的各自运动，实现对空间物体进行三维重建：

针对任一仿生眼装置，以所述仿生眼球的球心为原点建立一坐标系xyz，其中，x轴代表左右，y轴代表上下，z轴与所述直径轴重合而代表前后，R为所述仿生眼球框的球体半径；

x轴与第一次运动方向平行，所述转轮的初始位置的坐标(0,0,R)，初始运动方向(R,0,0)；

设所述转轮与所述仿生眼球框的内壁接触点朝任意方向转动任意距离后的坐标位置为p(x_end,y_end,z_end)，则有以下对应关系：

$\left(\begin{array}{c}{x}_{end}\\ y_{end}\\ z_{end}\end{array}\right)=Y\left({\mathrm{\φ}}_1\right)Z\left({\mathrm{\θ}}_2\right)Y\left({\mathrm{\φ}}_2\right)...Z\left({\mathrm{\θ}}_n\right)Y\left({\mathrm{\φ}}_n\right)\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ R\end{array}\right),---\left(1\right)$

$Z\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\θ}}_i& -{\mathrm{sin\θ}}_i& 0\\ {\mathrm{sin\θ}}_i& {\mathrm{cos\θ}}_i& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],---\left(2\right)$

$Y\left({\mathrm{\φ}}_1\right)=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\φ}}_i& 0& {\mathrm{sin\φ}}_i\\ 0& 1& 0\\ -{\mathrm{sin\φ}}_i& 0& {\mathrm{cos\φ}}_i\end{array}\right],---\left(3\right)$

其中，φ_i＝d_i/R度，d_i为每次转动的距离，θ_i为每次朝向转动的角度；

利用公式(1)、(2)、(3)，求出p(x_end,y_end,z_end)，通过转换得到对应另一半球坐标的p’(-x_end,-y_end,-z_end)；

经过分别位于两个仿生眼装置中两个仿生眼球的坐标原点连线，两个坐标系xyz轴相互平行，以两坐标系原点经x轴连线的中间点为新坐标原点，建立新坐标系XYZ，当两个仿生眼装置中的两个仿生眼球同时注视同一点P时，它们的光轴同时交于这一点，因而这一点P和左右两个坐标原点形成三角形，根据三角函数而求出P点的空间坐标；

根据三角函数而求出P点的空间坐标，包括：

假设：第一仿生眼装置中仿生眼球的z轴与X轴的夹角为A夹角，第二仿生眼装置中仿生眼球的z轴与X轴的夹角为B夹角，所述A夹角平面或所述B夹角平面与X轴水平面夹角为C夹角；

根据三角函数可求出：

cosA＝-x/R， (4)

cosB＝-x_f/R_f， (5)

tanC＝-z/-y， (6)

利用公式(4)、(5)、(6)，求出A，B，C的角度；

假设：两个仿生眼中两个坐标系原点连线之间的距离D；根据公式：

$X=\frac{1}{2}D\frac{\tan B-\tan A}{\tan B+\tan A},---\left(7\right)$

$Y=\frac{1}{2}D*\sin C*\tan A*(1+\frac{\tan B-\tan A}{\tan B+\tan A}),---\left(8\right)$

$Z=\frac{1}{2}D*\cos C*\tan A*(1+\frac{\tan B-\tan A}{\tan B+\tan A}),---\left(9\right)$

或者

$X=\frac{1}{2}D\frac{\tan B-\tan A}{\tan B+\tan A},---\left(10\right)$

$Y=\frac{1}{2}D*\sin C*\tan B*(1-\frac{\tan B-\tan A}{\tan B+\tan A}),---\left(11\right)$

$Z=\frac{1}{2}D*\cos C*\tan B*(1-\frac{\tan B-\tan A}{\tan B+\tan A}),---\left(12\right)$

将距离D代入以上公式(7)、(8)、(9)或(10)、(11)、(12)而求出空间任意一点坐标P(X,Y,Z)。