TWI593524B - Bionic eyeball control mechanism - Google Patents

Description

仿生眼球機構之控制方法

本發明係關於一種眼球作動方法，特別係一種利用紅外線感測器及環境亮度感測器偵測的眼球移動及瞳孔縮放方法。

伴隨著科技水平的不斷提升，仿生技術日益受到關注，人們對於人型機器人的臉部表情或肢體要求也越來越高，因此仿生機器人為目前國內外學者研究的重點。

人類的情感大多係透過臉部表情來傳遞，其中，大部分的信息是通過人眼的上下、左右位移、眼皮運動與瞳孔縮放等動作來獲得的，因此作為機器人傳遞訊息也是重要的途徑，在仿生機器人的研究中佔據尤為重要的地位。然而，目前的機器人眼機構很少同時具備上述要求。

然而，習知的仿生眼球機構在偵測物體時係利用光攝影機來判斷物體之位置，然而，使用光攝影機將會產生大量的影像處理的成本，且光攝影機容易受到環境 背景光線的影響，使偵測錯誤率上升；此外，習知的仿生眼球機構係透過光敏電阻偵測環境亮度，然而光敏電阻容易受到溫度影響，對於瞳孔縮放的判斷也不夠準確。

基於上述理由，本發明的目的在於提供一種利用紅外線感測器偵測物體以控制眼球元件移動的方法。

另一目的在於提供一種利用環境亮度感測器偵測環境亮度以控制眼球元件之瞳孔裝置縮放的方法。

為達成前述目的，本發明提供一種仿生眼球機構之控制方法，係應用於仿生機器人或人型、動物玩具的一仿生眼球機構上，所述仿生眼球機構包括一眼球機構、一運動控制模組、一姿勢偵測模組及一環境光偵測模組；所述眼球機構包含有一用來控制一眼球元件左右轉動的X方位馬達、一用來控制眼球元件上下轉動的Y方位馬達以及一用來控制設在眼球元件之瞳孔裝置收縮或張開的瞳孔馬達。其中，X方位馬達驅動眼球元件的左右位移轉動，Y方位馬達驅動眼球元件的上下位移轉動，所述瞳孔裝置為一光圈轉筒，透過瞳孔馬達旋轉作動而使光圈轉筒收縮或張開。

所述運動控制模組電性連接X方位馬達、Y方位馬達與瞳孔馬達；所述姿勢偵測模組電性連接運動控制 模組，所述姿勢偵測模組用於偵測接近之物體的X、Y方向與距離，並傳送一訊號至運動控制模組，運動控制模組則控制X方位馬達與Y方位馬達各別作動，進而驅動眼球元件左右或上下轉動。

本發明之姿勢偵測模組為一紅外線感測器，可感測包含接近物體的左右、上下、遠近三度空間的位移，且不受環境背景光線的影響，相較於習知的可見光攝影機，大幅降低偵測錯誤率及影像處理的成本。

所述環境光偵測模組電性連接運動控制模組，環境光偵測模組用於偵測瞳孔裝置周邊一定距離內之環境的亮度，並將所偵測之亮度轉換為一訊號傳送至運動控制模組，運動控制模組則依訊號與程式之設計而控制瞳孔馬達作動，進而驅動瞳孔裝置作動。

當運動控制模組控制眼球元件運動時，係依下列步驟進行處理：將X方位馬達及Y方位馬達回歸原點，使眼球元件回到初始位置並初始化姿勢偵測模組，初始化之後，運動控制模組讀取姿勢偵測模組所偵測之一物體大小，並判斷物體大小的面積是否大於一預設面積。

若姿勢偵測模組所偵測之物體大小大於預設面積時，則讀取姿勢偵測模組所偵測之物體的X方位位置及Y方位位置，再由偵測的物體大小來判斷物體與瞳孔裝置的 距離R，並且根據距離R修正X方位位置之位移量，再透過運動控制模組控制X方位馬達與Y方位馬達運轉，使眼球元件上下左右轉動，以達到追蹤物體的動作；反之，若所偵測之物體小於預設面積或未偵測到物體，運動控制模組控制X方位馬達及Y方位馬達回復至原點，使眼球元件回到視線平視的位置，運動控制模組運轉完畢後，再重複讀取姿勢偵測模組所偵測之物體大小並判斷所偵測之物體之面積是否大於預設之面積，直到眼球機構關機。

其中，若姿勢偵測模組所偵測之物體小於預設面積或未偵測到物體時，姿勢偵測模組將會持續偵測一預定時間，若所偵測的物體大小依然未大於預設面積時，便會傳送X方位馬達及Y方位馬達回復至原點之訊息給運動控制模組，讓運動控制模組控制X方位馬達及Y方位馬達回復至原點位置。

然而，為了使仿真眼球機構更加逼真，本發明實進一步提供控制瞳孔裝置的方法。當運動控制模組控制瞳孔裝置作動時，係依下列步驟進行處理：將瞳孔馬達回歸原點並初始化環境光偵測模組，初始化之後，運動控制模組讀取環境光偵測模組所偵測之一環境亮度值，並計算出一環境亮度移動平均值，運動控制模組透過所計算出的環境亮度移動平均值來控制瞳孔馬達運轉，運轉完畢後，再重複讀取環境光偵測模組所偵測之環境亮度值、計算一環境亮度移動平均值與控制瞳孔馬達運轉，直到眼球 機構關機。

其中，本發明透過環境亮度感測器來偵測環境亮度，相較於習知的光敏電阻偵測量測亮度方式，本發明之環境亮度感測器可使瞳孔縮放準確度提升。

100‧‧‧眼球機構

110‧‧‧運動控制模組

120‧‧‧姿勢偵測模組

130‧‧‧環境光偵測模組

140‧‧‧X方位馬達

150‧‧‧Y方位馬達

160‧‧‧瞳孔馬達

210~290‧‧‧步驟

310~350‧‧‧步驟

圖1為顯示本發明最佳實施例之仿生眼球機構的示意圖。

圖2為顯示本發明最佳實施例的仿生眼球機構之控制方法的眼球元件作動流程圖。

圖3為顯示本發明最佳實施例的仿生眼球機構之瞳孔裝置的作動流程圖。

以下，參考伴隨的圖式，詳細說明依據本發明的實施例，俾使本領域者易於瞭解。所述之創作可以採用多種變化的實施方式，當不能只限定於這些實施例。本發明省略已熟知部分(well-known part)的描述，並且相同的參考號於本發明中代表相同的元件。

圖1為顯示本發明最佳實施例之仿生眼球機構的示意圖。如圖1所示，本發明所提供的一種仿生眼球機構之控制方法，係應用於仿生機器人或人型、動物玩具的 一仿生眼球機構100上，其中，所述仿生眼球機構之控制方法係包括一眼球機構100、一運動控制模組110、一姿勢偵測模組120及一環境光偵測模組130；所述眼球機構100包含有一用來控制一眼球元件(未示出)左右轉動的X方位馬達140、一用來控制眼球元件(未示出)上下轉動的Y方位馬達150以及一用來控制設在眼球元件(未示出)內之瞳孔裝置收縮或張開的瞳孔馬達160。其中，X方位馬達140驅動眼球元件(未示出)的左右轉動，Y方位馬達150驅動眼球元件(未示出)的上下位轉動。在本發明實施例中瞳孔裝置為一光圈轉筒，透過瞳孔馬達160旋轉而使光圈轉筒收縮或張開，然而瞳孔裝置不限於此，製造者可依照需求更改。

所述運動控制模組110電性連接X方位馬達140、Y方位馬達150與瞳孔馬達160；所述姿勢偵測模組120電性連接運動控制模組110，所述姿勢偵測模組120用於偵測接近之物體的X、Y方向與距離，並傳送一訊號至運動控制模組110，運動控制模組110則控制X方位馬達140與Y方位馬達150個別作動，進而驅動眼球元件(未示出)左右與上下轉動。

其中，在本發明實施例中，所述姿勢偵測模組120為一紅外線感測器，可感測包含接近物體的左右、上下、遠近三度空間的位移，且不受環境背景光線的影響，相較於習知的可見光攝影機，大幅降低偵測錯誤率及影像處理的成本。

所述環境光偵測模組130電性連接運動控制模組110，環境光偵測模組130用於偵測瞳孔裝置周邊一定距離內之環境的亮度，並將所偵測之亮度轉換為一訊號傳送至運動控制模組110，運動控制模組110則依訊號與程式之設計而控制瞳孔馬達160作動，進而驅動瞳孔裝置作動。

其中，本發明在眼球機構100通電開機時，依下列步驟進行處理。圖2為顯示本發明最佳實施例的仿生眼球機構之控制方法的眼球元件作動流程圖。如圖2所示，眼球機構100啟動後執行步驟210，X位移馬達140及Y位移馬達150將依步驟210旋轉回初始位置，使眼球回到平視之位置；再進行步驟220將姿勢偵測模組120初始化，初始化後姿勢偵測模組120將會開始偵測前方之物體大小；運動控制模組110根據步驟230讀取姿勢偵測模組120所偵測之物體大小，並執行步驟240來判斷物體大小的面積是否大於一預設面積。

若姿勢偵測模組120所偵測之物體大小大於所設定之預設面積時，則進行步驟250；運動控制模組110先經由步驟250讀取姿勢偵測模組120所偵測之物體的一X方位位置及一Y方位位置，再根據偵測的物體大小進行步驟260來判斷物體與瞳孔裝置的一距離R，並根據距離R進行步驟270來修正X方位位置之位移量，隨後運動控制模組110執行步驟290來控制X位移馬達140與Y位移馬達150運轉；反之 若姿勢偵測模組120所偵測之物體大小小於所設定之預設面積或未偵測到物體時，姿勢偵測模組120將會經由步驟280發送X位移馬達140及Y位移馬達150回復至原點的訊息給運動控制模組110，運動控制模組110將會進行步驟290來控制X位移馬達140及Y位移馬達150回復至原點，使眼球機構100之眼球調回平視之位置。

當運動控制模組110運轉完畢後，再重複執行步驟230讀取姿勢偵測模組120所偵測之物體大小及步驟240判斷所偵測之物體之面積是否大於預設之面積，直到眼球機構100關機。其中，姿勢偵測模組120所偵測之物體小於預設面積或未偵測到物體時，姿勢偵測模組120將會持續偵測一預定時間，若所偵測的物體大小依然未大於預設面積時，再傳送X方位馬達140及Y方位馬達150回復至原點之訊息至運動控制模組110。

其中，所述預設面積可設定為姿勢偵測模組120所偵測的總面積的50%。本發明之步驟240將會依據預設面積來進行後續的判斷，值得注意的是，此實施例中的預設面積僅為方便說明，預設面積之數值不限於此。

圖3為顯示本發明最佳實施例的仿生眼球機構之瞳孔裝置的作動流程圖。如圖3所示，當運動控制模組110控制瞳孔裝置作動時，係依下列步驟進行處理：先執行步驟310將瞳孔馬達160回歸原點，再執行步驟320初始化環 境光偵測模組130，初始化之後，運動控制模組110將會進行步驟330來讀取環境光偵測模組130所偵測之一環境亮度值，並進行步驟340計算出一環境亮度移動平均值，運動控制模組110透過所計算出的環境亮度移動平均值來查表對照瞳孔馬達160所要旋轉的移動量，並透過步驟350控制瞳孔馬達160運轉，當運轉完畢後，再重複步驟330運動控制模組110讀取環境光偵測模組130所偵測之環境亮度值、步驟340計算一環境亮度移動平均值與步驟350控制瞳孔馬達160運轉，直到眼球機構關機。

其中，本發明透過環境亮度感測器130來偵測環境亮度，相較於習知的光敏電阻偵測量測亮度方式，本發明之環境亮度感測器130可使瞳孔縮放準確度提升。其中，瞳孔馬達160之旋轉移動量可依據環境亮度移動平均值對應表進行查表，以得到不同環境亮度移動平均值所相對應的瞳孔馬達160移動數據。

值得一提的是，本發明實施例中眼球機構100同時具有姿勢偵測模組120及環境光偵測模組130，然而使用者可依照需求更改，使眼球機構100僅具有姿勢偵測模組120或環境光偵測模組130其中之一。

本發明所提供的仿生眼球機構之控制方法，透過姿勢偵測模組偵測接近物體之X方位位置與Y方位位置，並依據與物體之距離R來修正X方位位置，使眼球能進 行更準確的物體追蹤，其中，可藉由這些參數控制雙眼眼球分別移動至不同方向，且透過環境光偵測模組來偵測環境亮度，並依據環境亮度計算一平均值以控制瞳孔縮放之大小，使瞳孔縮放的準確度提升，增強仿人的眼部擬人效果，而使仿人機器人更加逼真，達到發明之目的。

惟，以上所揭露之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例而已，非為用以限定本發明之實施，大凡熟悉該項技藝之人士其所依本發明之精神，所作之變化或修飾，皆應涵蓋在以下本案之申請專利範圍內。

100‧‧‧眼球機構

110‧‧‧運動控制模組

120‧‧‧姿勢偵測模組

130‧‧‧環境光偵測模組

140‧‧‧X方位馬達

150‧‧‧Y方位馬達

160‧‧‧瞳孔馬達

Claims (5)

1. 一種仿生眼球機構之控制方法，包括：提供一眼球機構，該眼球機構包含有一用來控制一眼球元件左右轉動的X方位馬達、一用來控制該眼球元件上下轉動的Y方位馬達以及一用來控制設在該眼球元件之一瞳孔裝置收縮或張開的瞳孔馬達；提供一運動控制模組，電性連接該X方位馬達、該Y方位馬達與該瞳孔馬達；提供一姿勢偵測模組，電性連接該運動控制模組，該姿勢偵測模組用於偵測接近之物體的X、Y方向與距離，並傳送一訊號至該運動控制模組，該運動控制模組則控制該X方位馬達與該Y方位馬達各別作動，進而驅動該眼球元件左右或上下轉動；提供一環境光偵測模組，電性連接該運動控制模組，該環境光偵測模組用於偵測該瞳孔裝置周邊一定距離內之環境的亮度，並將所偵測之亮度轉換為一訊號傳送至該運動控制模組，該運動控制模組則依該訊號與程式之設計而控制該瞳孔馬達作動，進而驅動該瞳孔裝置作動。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之仿生眼球機構之控制方法，其中，該姿勢偵測模組是一種利用發射紅外線來偵測物體的偵測模組。
3. 根據申請專利範圍第2項所述之仿生眼球機構之控制方法，其中，該運動控制模組控制該眼球元件運動時，係依下列步驟進行處理：將該X方位馬達及該Y方位馬達回歸原點；初始化該姿勢偵測模組；該運動控制模組讀取該姿勢偵測模組所偵測之一物體大小；判斷該物體大小的面積是否大於一預設面積；若該物體大小大於該預設面積，則讀取該姿勢偵測模組所偵測之該物體的X方位位置及Y方位位置，再由偵測的物體大小來判斷該物體與該瞳孔裝置的距離R，並且根據該距離R修正該X方位位置之位移量，隨後該運動控制模組控制該X方位馬達與該Y方位馬達運轉；反之，若所偵測之物體小於該預設面積或未偵測到物體，該運動控制模組控制該X方位馬達及該Y方位馬達回復至原點；以及重複讀取該姿勢偵測模組所偵測之該物體大小並判斷所偵測之物體之面積是否大於該預設之面積，直到該眼球機構關機。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之仿生眼球機構之控制方法，其中，所偵測之物體小於該預設面積或未偵測到物體，該姿勢偵測模組將會持續偵測一預定時間，若所偵測的物體大小依然未大於該預設面積時，再傳送該X方位馬達及該Y方位馬達回復至原點之訊息至該運動控制模組。
5. 根據申請專利範圍第3項所述之仿生眼球機構之控制方法，其中，該運動控制模組控制該瞳孔裝置作動時，係依下列步驟進行處理：將該瞳孔馬達回歸原點；初始化該環境光偵測模組；該運動控制模組讀取該環境光偵測模組所偵測之一環境亮度值；計算一環境亮度移動平均值；控制該瞳孔馬達運轉；以及重複讀取該環境光偵測模組所偵測之該環境亮度值、計算一環境亮度移動平均值與控制該瞳孔馬達運轉，直到該眼球機構關機。