CN1534372A

CN1534372A - 仿生眼睛

Info

Publication number: CN1534372A
Application number: CNA031087914A
Authority: CN
Inventors: 李晓晨
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-06

Abstract

一种机器人用仿生眼睛，通过以透明液体为主要载体实现透镜功能，以液体控制变焦，并建立反馈电信号结构，该仿生眼睛符合智能机器人的功能要求。该仿生眼睛包括复眼结构。该仿生眼睛是现代机器人的理想使用品。

Description

仿生眼睛

所属技术领域：

仿生眼睛属机器人视觉领域。

背景技术：

目前机器人视觉均由透镜镜头及变焦传动机械结构等构成。其机械***存在着结构复杂、反应状态不理想等因素。

发明内容：

针对目前机器人视觉***有怕振动、机械传动形式不理想、灵活机动受限制等不足，仿生眼睛提供了一种新结构、新传动型式、新理念的视觉***。其技术方案：采用透明壳体、透镜、透明弹性壳休、透明液体等替代透镜、镜头功能，以控制液体、弹性膜实施变焦功能，取代变焦机械结构，以探测头上的“图像光电转换元件”作为图像光信号转换成电信号元件，以测量器、传感器作为反馈信号，构成位置反馈、速度反馈电信号结构。

仿生眼睛的技术特征从以下四个方面阐述：(一)视觉主体；(二)变焦控制结构；(三)反馈电信号结构；(四)多视觉主体结构仿生眼睛(复眼)。

(一)视觉主体由三部分构成。视觉主体前部、视觉主本后部和探测头、探杆、探杆安装架结构。视觉主体前部结构包括：透明壳体(图1、2)、透镜壳体(图5、10)、弹性壳体、透明弹性壳体、透明液体。透明壳体是厚度均匀的透明材料(图1、2)，透明壳体前部作透镜结构(图10)或透镜组结构(图5)，具有透镜或透镜组结构的透明壳体是透镜壳体。弹性壳体由前部的透镜或透镜组和弹性支持体(3)构成(图4、7)，透明弹性壳体由透镜和透明弹性支持体(2)构成(图3、19)。视觉主体后部结构包括：容积壳体、后容积壳体、探杆槽、弹性片、弹性膜、分隔膜、弹簧、控制液、固定架，透明壳体、透镜壳体或者是弹性壳体、透明弹性壳体与容积壳体构成内容积。分隔膜(6)分别与探测头后面或探杆固定与容积壳体或透明壳体，弹性壳体相固定，分隔膜使内容积分离成两个相互隔绝的容积“I”和“II”。“I”内充以透明液体，“II”内充以控制液体。后容积壳体与弹性膜构成后容积“III”。后容积内充以控制液体，弹性膜对控制液体提供一定的压力，弹性膜分别与后容积壳体固定与探杆后部固定(图1)。探测头由正面、侧面、后面构成，正面为主视区、侧面为非主视区，探测头内部空腔与探杆内部空腔相通，用于输送探测头电子元件的线路。探测头正面安装图像光信号转换为电信号的转换集成元件。探测头作透明保护层处理。探测头非主视区安装光电位置传感器(PSD)或电荷耦合器(CCD)，该传感器对主视区以外的物体景物投影实施光电信号转换，完成仿生眼睛对主视角以外运动物体的“感知功能”(相当于人眼的余光感知功能)，探测头与探杆一体，探杆槽是探测头和探杆移动的导向结构。探测头有三种透镜结构(图6、7、8)一种是探测头光电信号转换元件上面作透镜结构(如凝固透明树脂或胶接光学玻璃(7))；一种是安装支持结构在支持结构上加装透镜结构(图7)；一种是在探测头前安装透明壳体结构或透镜壳体结构。探杆安装架是安装固定测量器移动元件的结构。测量器的固定元件部分安装在固定架内或安装口位置。

视觉主体两种结构型式，一种结构型式是透明壳体(1)和透明液体构成透镜功能，使入射光线折射。透镜壳体与透明液体构成透镜功能。另一种结构型式(图3)是透明的弹性壳体和透明液体构成透镜功能；或者是和弹性壳体和透明液体构成透镜功能(图4、7)。

液体囊(图3、11)内控制液受到活塞的压力向内容积II输送控制液，内容积II液体量增加，产生压力，压力通过分隔膜传递给透明液体，透明液体传递压力给探测头，压力推动探测头向后运动(图1)，探杆随探测头向后运动，压缩弹簧，使所产生的压力与弹簧的压力(弹力)相等后，探测头静止。探测头与透明壳体或透镜壳体的距离增加。或者内容积II控制液量增加，产生压力，压力传递给弹性膜、弹性片，使弹性片、弹性膜向后移动。探测头、探杆与弹性片一体，与弹性片共同向后移动(图2)，探测头、探杆向后移动压缩弹簧，使所产生的压力与弹簧的压力(弹力)相等后探测头静止。探测头与透明壳体或透镜壳体的距离增加。或者内容积II控制液量增加，产生压力，压力通过分隔膜传递给透明液体，压力使弹性壳体、透明弹性壳体的弹性支持体拉伸变形，产生压力(弹力)，透镜或透镜组(5)向前移动(探测头、探杆与容积壳体成一体固定，为静止状态)，该压力与控制液所产生的压力相等后，透镜或透镜组静止，探测头与透镜或透镜组的距离增加。液体囊内控制液压力随活塞的向后移动而减小，内容积II控制液压力减小，该压力小于弹簧的压力(弹力)，弹簧所产生的压力作用于探杆和探测头，探测头传递弹簧压力给透明液体，透明液体通过分隔膜传递压力给内容积II的控制液。使控制液向液体囊输送，内容积II的控制液量减少，探测头向前移动。探测头与透明壳体或透镜壳体的距离减小(图1)，至压力平衡后探测头静止。或者内容积II的压力减小，该压力小于弹簧的压力，弹簧产生的压力作用探杆、以及弹性片、弹性膜、探测头，该压力传递给内容积控制液，使控制液向液体囊输送。内容积II内探制液量减少，探测头向前移动与透明壳体或透镜壳体距减小(图2)至，压力平衡后探测头静止。或者，内容积II控制液压力减小(图3)，小于弹性壳体(或透明弹性壳体)的弹性支持体产生的拉伸变形后回复位置状态的压力(弹力)，该压力作用透明液体，压力通过分隔膜传递给控制液，使内容积II内控制液向液体囊输送，内容积II的液体量减少。透镜或透镜组向后移动，与探测头距离减小，至压力平衡后静止。探测头距离的变动，起到了调整焦距的功能，使或近或远的图像光线投影在探测头的图像光电信号转换元件上，或者透镜、透镜组的前后移动起到了调整焦距的功能。内容积非透光区域的壳体内壁作吸光涂层和不透光涂层，保持内容积的暗室功能。固定架联接固定视觉主体的容积壳体，以及安装弹簧(19)测量器器件等。

(二)变焦控制结构：变焦控制结构有2种结构，一种是由输液管、液体囊、活塞、螺纹杆、气缸、伺服电动机(或步进电动机)构成。输液管联通内容积II和液体囊，活塞后部是螺纹结构与螺纹杆构成螺纹传动结构，螺纹杆与电动机轴联接固定，并可以驱动活塞在气缸内沿轴向移动。活塞向前运动对液体囊拖加压力，使液体囊产生压力液体向内容积II输送，活塞向后移动，使液体囊内的液体压力减小，伺服电动机内尾部带有测量器(编码器等)。该测量器反馈的电信号是控制反馈电信号，电动机旋转的角度(圈数)与活塞活动的距离成正比，与液体囊输出的液体量、内容积II液体增加量成正比，与探测头移动距离(或透镜、透镜组移动距离)成正比，电动机内测量器测得电动机旋转角度值反馈给***，提供速度、角度电信号。

另一种结构(图23)是电化学反应控制结构。由联通内容积II处的输液管(或复眼视觉主体的内容积导通管)进入内容积正负电极电线。内容积内设置两组电极(75、76)，分别与正负电极电线(73、74)联接，作为两电极组对电化学反应提供电荷、电压，内容积内充以控制液后密封电线入口，使之成为封闭的容积，控制液是可通过电荷控制电化学反应量、反应速度的电解质液体。该电化学反应正向电压、电量生成气体成份或反向电压、电量减少气体成份的电化学反应形式。通过电极电线控制内容积产生的气体量来控制内容积控制液对弹性膜产生的压力，实现通过电荷电量控制调整焦距的功能，内容积内设置压力传感器作为反馈电信号。

多视觉主体结构的外容积的气体控制形式之一，使用气压室结构(图20)气压室的气压由弹性膜(61)保持气压的恒定(小变化)。

(三)反馈电信号：探测头(探杆)的位置及移动的距离速度由测量器结构产生电信号作为反馈电信号，反馈电信号向***反馈位置、移动距离参数。测量器移动部分(20)是光电位置传感器(PSD)或电荷耦合器(CCD)固定在探杆安装架上随探杆一同移动。测量器的固定部分(K)是点光源信号，点光源由激光电子元件或发光二极管、透镜等构成，测量器可以在使用两个或两个以上实现精确测量。弹性壳体结构型式中透镜、透镜组的位置及移动距离与内容积液体的压力成正比关系，与压力传感器电信号的强弱成正比关系，以压力传感器的电信号作为透镜的位置、移动距离、速度的反馈电信号。

(四)多视觉主体结构是具有多视觉主体(二个以上)结构构成一个仿生眼睛(简称：“复眼”)，结构包括透明壳体(40)，独立视觉主体(41)，内容积(45)，外容积(44)，视觉主体容积(42)，结构壳体(46)，固定架(32)，密封容积(55)，导通管(53、54)，气压室结构，弹性膜(43)，压力传感器。独立视觉主体结构(图16、17、18)，包括：透镜(48)，基座(50)，密封体(51)，弹性支持体或透明弹性支持体(47)，紧固结构(56)，图像光信号转换电信号的转换集成元件(52)。视觉主体有两种结构型式，一种是：视觉主体容积内充以透明液体(透明液体与外界隔绝，是独立体积)，前部透明部分与透明壳体相固定(透明胶体固定)，基座与弹性膜(43)相互固定(弹性胶体固定)或相互非固定结构(密封体密封导线G与基座的间隙)，弹性支持体分别与透镜和基座相互固定。内容积中充以控制液体，外容积充以一定压力的气体或充以控制液体。内容积、外容积分别通过导通管与控制变焦结构的液体囊(或气压室结构或大气)相互联通。图像光电信号转换元件与基座相固定。多视觉主体结构的仿生眼睛变焦控制结构有两种：一种是内容积充以控制液体，外容积充以气体的控制结构；一种是内、外容积均充以控制液体的控制结构。内容积控制液通过导通管与液体囊相通，变焦控制结构与在前控制结构(图3)相同。外容积内充气体导通管与气压室结构相通，气压室(60)进气管(64)接气体压缩机秘过滤器，出气管(65)接导通管向外容积提供压力气体。气体压力由弹性膜(61)提供。气压室设置压力传感器(62)和放气阀(电磁控制阀)。气体由气体压缩机进入气压室，对弹性膜作功，弹性膜变形对气体产生压力。该压力由气体压缩机和放气阀控制。气压室压力传感器产生压力反馈电信号，反馈给***，气压室结构保持外容积有一个较恒定的气体压力值。或者外容积内充以一定压力气体后，封住导通管保持外容积恒定的气压值，或者外容积与大气相通(通过导通管53)。液体囊控制液受到活塞压力后向内容积输送控制液，内容积控制液量增加，控制液压力通过弹性膜传递给视觉主体容积和外容积，外容积的气压受控制液压力影响变化值较小。透明液体受到控制液的压力作用于弹性支持体，弹性支持体变形，产生变形压力抵消控制液的传递压力，基座(50)向透镜方向移动。当弹性支持体变形压力与内容积控制液压力、外容积气体压力相持平时基座静止。液体囊内控制液压力由活塞移动而减小，内容积内的压力减小。视觉主体弹性支持体变形产生的压力作用于透明液体，并传递给控制液和外容积，弹性支持体回复，基座向背离透镜方向移以，当弹性支持体的变形压力与内容积控制压力，外容积气体压力相持平时基座静止。基座在控制液压力的作用下移动，实现了变焦功能。外容积内充以控制液，该液体通过导通管与液体囊相联通。内容积联通的液体囊由活塞移动压力增加向内容积输送控制液，内容积控制液量增加，通过弹性膜对视觉主体容积和外容积传递压力。外容积联通的液体囊由活塞移动压力减小，外容积向液体囊输送液体，液体量减少，压力减小。视觉主体内透明液体在内容积控制液压力作用下对弹性支持体产生压力，弹性支持体变形产生压力(弹力)，基座向透镜方向移动。当弹性支持体与内容积压力外容积压力持平时基座静止。反之，内容积压力减小，液体量减少，外容积压力增加，液体量增加，弹性支持体变形压力作用透明液体，回复变形，基座向背离透镜方向移动，当弹性支持体变形压力与控制液的压力持平时，基座静止。基座的移动实出了变焦功能。独立视觉主体的另一种结构型式(图22)是一个视觉主体容积对应一个内容积-独立内容积。在结构壳体(46)上设置与视觉主体对应的空腔，空腔内胶接固定弹性膜(43)成为一个内容积-独立内容积，通过导通管与液体囊相通。导线(G)可以从弹性膜外部通过结构壳体，外容积通过导通管与大气相通。内容积可以是球形或其它形状，可以是不与空腔固定，自成一个密封容积的结构，控制内容积液体的压力，压力由弹性膜传递给透明液体，压力传递给弹性支持体产生相应的变形压力与控制液压力相平衡。从而控制基座与透镜的距离，实现调焦功能。

多视觉主体结构的仿生眼睛测量物体角度、距离(图21)。物体(66)的光线由透明壳体、透镜、透明液体形成的透镜功能结构(68)折射投影在图像光电转换元件(69)上某一位置(70)，视觉主体不同的位置的分布所在位置(71)之间形成角度，该角度使物体投影在不同的视觉主体的图像光电转换元件上的位置不同。该角度使得物体、透镜功能结构(68)、图像光电转换器元件上物体的位置之间成角度关系，角度关系符合逻辑运算关系。通过计算可知道物体的距离，单位时间内移动的距离。物体远去或离近等参数。从而确定物体的空间位置及状态。

本发明与现行机器人视觉结构相比较具有结构简单、功能全面等优点。透镜功能以透明液体为主要载体实现其功能，优于以透镜、机械结构组成的透镜组，以控制液体实现调整焦距功能，液体传动及变焦反应速度、质量优于机械结构，该发明结构独立，支持“眼睛”自身不依赖机器人头部而灵活转动，测量物体距离、运动速度更方便容易，在主视角范围之外对运动物体有感知功能，指导导机器人的动作方向，为机器人的智能化提供了新的条件。表面光滑(曲面)有利于擦拭结构的擦拭，有利于防水、防化等。实现反馈电信号结构，使控制变焦更精确，有利于智能控制形式。复眼功能强大，单独完成对运动物体运动的测距、测速等。各视觉主体之间的角度有利于计算***的运算，符合智能机器人眼睛功能要求。

附图说明：

图(1)是透明壳体结构视觉主体。透明壳体(1)与容积壳体(14)，分隔膜(6)构成内容积“I”和“II”，后容积壳体(10)与弹性膜11构成后容积III，弹性膜(11)使III内的控制液保持一定压力的作用并对探杆槽起润滑作用，弹簧(19)对探杆(21)提供压力，固定架32开有安装口33，安装口可以是一个以上，用于固定测量器不移动部件，25是输液管，“L”是探测头电子元件的电子线路。

图(2)是透明壳体结构视觉主体，容积壳体14与弹性片9，弹性膜8固定(胶接或焊接)，弹性片中间的探杆槽与探杆固定成一体。压力线传感器35产生反馈弹簧19压力变化电信号。15是探测头，31是壳体内非透光区域的不透光涂层，24是探测头正面，侧面电子元件感受光线的范围，是视觉主体的视角范围。

图(3)是透明弹性壳体结构视觉主体，透镜(5)与透明弹性支持体(2)通过透明胶体粘接固定。23是探测头正面电子元件感受光线的范围(由透镜和透明液体形成)，是探测头正面视角范围，即主视角范围，13是容积壳体的探杆槽，与探杆成一体固定。压力传感器34反馈内内容积II的压力变化电信号。气缸26、电动机M、螺纹杆29、活塞28、液体囊27共同构成变焦控制结构。

图(4)是弹性壳体结构视觉主体，由透镜组5，弹性支持体3，容积壳体14构成内容积。

图(5)是透镜壳体结构的结构说明图，4是形成透镜结构的透明壳体(包括透镜组)。

图(6)是探测头作透镜结构图，22是图像光信号转换电信号的电子元件，7是透明材料。

图(7)是弹性壳体结构图，探测头作透镜结构形式，透镜7通过支持结构固定在探测头前部，形成的腔内是气体或液体，透镜5与弹性支体粘接固定。

图(8)是探测头作透镜结构的另一形式图。7是透明材料，与透明壳体相同，前部可制成透镜结构，并与探测头后面相固定。

图(9)是分隔膜的固定位置结构图：分隔膜外周与壳体固定(胶接)，设置加强结构38，中间部分与探测头后面固定(胶接)，设置加强结构37，16、17是探测头的正面、侧面，21是探杆。

图(10)是透镜壳体结构的一种结构，前部作透镜结构。

图(11)是变焦控制结构，液本囊两端分别与活塞固定(胶接)与气缸固定，弹簧30提供一定压力。

图(12、13)是探杆安装架与测量器结构关系图：20是光电位置传感器(PSD)或电荷耦合器(CCD)与安装架固定，K是提供点光源的元件，安装架用于固定测量器随被测物体一同移动的部件。

图14是多视觉主体结构仿生眼睛的结构构成图，透明壳体40独立视觉主体结构(41)，视觉主体容积42(内充以透明液体)，结构壳体与弹性膜43构成内容积，其内控制液由导通管54与液体囊相通。压力传感器57检测外内容积和外容积(44)的压力，产生反馈电信号，密封容积55填充密封材料。外容积导通管53与气压室或大气或控制液相通，32是固定架。

图15是由三个独立视觉主体构成的多视觉主体结构仿生眼睛(复眼)。

图16是独立视觉主体结构的结构图：透明弹性支持体与透镜48固定与基座50固定，基座50用于固定图像光电信号转换元件52，58是固定元件同时起密封作用的树脂、胶体等材料，51是密封材料，密封电子线路与容积间隙，同时对电线起固定作用。视觉主体前部与透明壳体用透明胶体固定(胶接)，视觉主体后部基座与弹性膜可以不固定，电线G与弹性膜43使用弹性密封材料胶接密封，49是透明胶体。

图17是视觉主体的弹性支持体与基座外壁固定结构说明，56是加强结构。

图18是弹性支持体与透镜(48)固定结构。透镜与透明壳体由透明胶体固定，47是弹性支持体。

图19是透明弹性壳体一种结构图。

图20是气压室结构图：64是进气管，接气体压缩机和空气过滤器，出气管65与外容积导通管联接，进气管或出气管设置放气阀(电磁控制阀)，由气体压缩机和放气阀调整气压室的气体量。由弹性膜保持气压室气压值，由压力传感器产生的电信号作为气压值反馈信号。

图21是复眼测量物***置，状态的原理图：66是物体、68是代表透明壳体视觉主体的透镜，透明液体所形成的透镜功能结构，69是光电转换元件，70是物体不同的投影位置，71是视觉主体中心线，代表该视觉主体的位置。

图22是复眼的一种结构：该结构的结构壳体中部设置与视觉主***置相对应的空腔结构(59)，用于固定放置弹性膜(43)，弹性膜形成内容积，内容积可以由带有导通管的闭合弹性膜(如球形)胶固在空腔内，内充以控制液，该结构最适合使用电化学反应控制结构。54是内容积导通管。55是密封容积，G是光电转换元件的电子线路。

图23是内容积控制液压力的一种控制结构，导线74取代导通管结构。内容积控制液(72)是可发生电化学反应产生气体的电解质容液，75、76是电化学反应的正负丙组电极，可以是金属材料参与化学反应，也可以是导电高分子材料。

图24是变焦控制结构的控制路径图：H₁代表(图像光电信号转换器产生的)电信号、参数以及中央处理***和控制变焦功能的脉冲指令，H₂：位置控制单元，H₃代表速度控制单元，1H₄伺服电动机，2H₄电动机内测量反馈电信号，1H₅视觉主体探杆与调焦结构，2H₅视觉主体测量器或压力传感器反馈电信号，3H₅图像光电信号转换元件的电信号，H₆内容积电化学反应控制电量、电压。

具体实施方式：透明壳体、透镜壳体的材料，使用透光性好的光学玻璃或特种玻璃，或透明树脂等材料。该仿生眼睛前部是外表光滑的壳体结构，便于安装擦拭或壳体(或带有加注擦洗液体的结构)的装置。分隔膜、弹性膜、弹性支持体应有较好的弹性和抗老化，分隔膜透光或涂有(含有)吸光材料。复眼结构中的弹性膜的弹性应不少于弹性支持体的弹性，胶接使用的胶可以是带有一定弹性的胶，树脂等，透明弹性支持体与透镜与透明壳体的固定使用透明树脂或透明胶体(如硅酮胶)等。透明液体要求透明度高的液体、胶体(有一定的流动性、形变弹性)材质不限。在内容积II或复眼的视觉主体容积某个部位设置加注孔，加注透明液体至规定量后，用密封材料封口。容积III的加注方式相同，透明液体适当情况下或用气体代替。控制液(非电解质部分)要求流动性好，无腐蚀的液体。透明壳体、透镜壳体与容积壳体、结构壳体采用胶接固定，壳体内非透光区先涂不透明层，再涂吸光层，透明壳体、透镜壳体的结构造型可有其它变形。容积壳体、结构壳体可有其它结构变形，容积壳体结构壳体材料可以使用高分子材料，非导电材料、输液管、导通管是可弯曲的软质材料。测量器可选用其它光电或电磁测量方式的测量器，变焦控制结构中对液体囊实施压力的结构还可以是其它已有技术的结构形式，如电磁形成控制液体囊的压力。

Claims

1、一种机器人视觉结构，该视觉结构由视觉主体、变焦控制结构、反馈电信号结构、多视觉主本结构构成，其特征是：视觉主体结构的透明壳体、透镜壳体、弹性壳体、透明弹性壳体、容积壳体、后容积壳体、探杆槽、弹性片、弹性膜、分隔膜、弹簧、固定架、探测头、探杆、探杆安装架、探杆槽，充以透明液体的内容积I，充以控制液体的内容积II，弹性膜构成的后容积III、输液管结构构成视觉主体结构；变焦控制结构的液体囊、活塞、螺纹杆、气缸、伺服电动机结构构成的控制结构和由两组电极、封闭内容积、电解质液体结构构成的控制结构和气压室结构；反馈电信号结构的探杆安装架、测量器、压力传感器结构构成的反馈电信号结构，多视觉主体结构的透明壳体、独立视觉主体、内容积、外容积、视觉主体容积、密封容积、结构壳体、弹性膜、导通管、固定架结构构成的多视觉主体结构。

2、一种机器人视觉结构，其特征是：控制液体由变焦控制结构控制，增大或减小内容积内的控制液量和压力控制探测头、探杆、透镜、透镜组、基座(50)移动位置、距离，实现变焦功能。

3、如权利要求1所述的机器人视觉结构，其特征是：探测头的三种透镜结构。

4、如权利要求1所述的机器人视觉结构，其特征是：多视觉主体结构的独立视觉主体，由透镜、基座、密封体、弹性支持体、透明弹性支持体、紧固结构、光电信号转换元件(52)、视觉主体容积、透明液体和独立内容积结构构成的视觉主体。