可任意角度注視、三維重建的仿生眼裝置及仿生眼設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可任意角度注視、三維重建 的仿生眼裝置及仿生眼設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 人類感知客觀世界絕大多數(shù)信息都是需要借助眼睛而獲得的視覺(jué)信息，對(duì)機(jī)器人 來(lái)說(shuō)，"機(jī)器人眼睛"也是一個(gè)重要的感知設(shè)備。當(dāng)今的機(jī)器人急切需要具備人眼諸多功能 的仿生機(jī)器人眼。有了這樣的機(jī)器人眼，機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)將得到巨大的發(fā)展。
[0003] 雖然經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，但從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)看，現(xiàn)有的立體視覺(jué)技術(shù)還處于不 成熟階段，這不僅僅涉及到技術(shù)上的原因，也是因?yàn)槿祟悓?duì)自身視覺(jué)機(jī)制還沒(méi)有了解透徹。 目前的計(jì)算機(jī)視覺(jué)大多采用位置相對(duì)固定的兩臺(tái)攝像機(jī)裝置或可移動(dòng)的單個(gè)攝像機(jī)裝置， 這種視覺(jué)方式明顯和人類一雙可轉(zhuǎn)動(dòng)眼球形成的視覺(jué)相違背。通過(guò)二維圖像來(lái)獲取三維圖 像存在很多難以克服的問(wèn)題，比如：需要標(biāo)定物，十分麻煩；數(shù)據(jù)量大，計(jì)算效果不好；灰度 失真、幾何畸變、噪聲干擾等；目前的設(shè)備精度要求高、價(jià)格昂貴、處理過(guò)程復(fù)雜等，也影響 了在工程中的使用。另外，在實(shí)際的人機(jī)交互應(yīng)用上，固定眼球（攝像機(jī)）的體驗(yàn)遠(yuǎn)沒(méi)有靈 活轉(zhuǎn)動(dòng)的眼球體驗(yàn)優(yōu)越、互動(dòng)性強(qiáng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種可任意角度注視、三維重建的仿生眼裝置及仿生眼設(shè) 備，以解決現(xiàn)有技術(shù)中固定眼球（攝像機(jī)）所產(chǎn)生的操作繁瑣、設(shè)備及計(jì)算復(fù)雜度高、以及 體驗(yàn)效果欠佳等問(wèn)題。
[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題及其他技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種仿生眼裝置，包括：仿生眼 球框，具有內(nèi)凹的球形容納空間；懸置于所述仿生眼球框的開(kāi)口中心處的仿生眼球壁；活 動(dòng)內(nèi)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 框共屬同一球心，所述仿生眼球在所述仿生眼球壁內(nèi)繞所述球心轉(zhuǎn)動(dòng)；沿著通過(guò)所述球心 與所述仿生眼球框的直徑軸而在所述仿生眼球內(nèi)從外向內(nèi)依次布設(shè)的攝像機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、 行進(jìn)電機(jī)、以及轉(zhuǎn)輪，其中，所述球心、所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電機(jī)軸、以及所述轉(zhuǎn)輪與所述仿生眼 球框內(nèi)壁的接觸點(diǎn)成一直線，所述轉(zhuǎn)輪通過(guò)齒輪連接固定于所述行進(jìn)電機(jī)并在所述行進(jìn)電 機(jī)的帶動(dòng)下而在所述仿生眼球框內(nèi)壁上運(yùn)動(dòng)；所述行進(jìn)電機(jī)套接于所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電機(jī)軸 上，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)所述行進(jìn)電機(jī)和所述轉(zhuǎn)輪繞直徑軸旋轉(zhuǎn)以控制所述轉(zhuǎn)輪的朝向，所 述旋轉(zhuǎn)電機(jī)和所述行進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)作來(lái)控制所述轉(zhuǎn)輪在所述仿生眼球框內(nèi)壁上的運(yùn)動(dòng)朝 向和運(yùn)動(dòng)距離，從而帶動(dòng)所述仿生眼球轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0006] 如上所述，本發(fā)明提供的仿生眼裝置，包括仿生眼球框、仿生眼球壁、仿生眼球、沿 通過(guò)球心與仿生眼球框的直徑軸而在仿生眼球內(nèi)從外向內(nèi)依次布設(shè)的攝像機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、 行進(jìn)電機(jī)、以及轉(zhuǎn)輪，旋轉(zhuǎn)電機(jī)和行進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)作來(lái)控制轉(zhuǎn)輪的在仿生眼球框內(nèi)壁上的 運(yùn)動(dòng)朝向和運(yùn)動(dòng)距離，從而帶動(dòng)仿生眼球在仿生眼球壁內(nèi)繞球心靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)仿生化，使 得裝配有該仿生眼裝置的機(jī)器設(shè)備可以做到任意角度轉(zhuǎn)動(dòng)、注視，追蹤物體移動(dòng)，識(shí)別，對(duì) 周圍環(huán)境三維重建。我們的仿生眼主要利用眼球運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行三維重建，對(duì)于后期的手眼、 頭眼以及眼睛和自身運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)上，這項(xiàng)技術(shù)擁有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。
[0007] 本發(fā)明仿生眼裝置的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述仿生眼球壁是通過(guò)第一輻射狀固定架 固定于所述仿生眼球框的開(kāi)口中心處。
[0008] 本發(fā)明仿生眼裝置的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)是通過(guò)第二輻射狀固定架固 定于所述仿生眼球的中心軸處。
[0009] 本發(fā)明仿生眼裝置的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)和所述行進(jìn)電機(jī)之間設(shè)有用 于控制所述行進(jìn)電機(jī)沿所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電機(jī)軸來(lái)回伸縮的第一電磁開(kāi)關(guān)。
[0010] 本發(fā)明仿生眼裝置的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述行進(jìn)電機(jī)外周設(shè)有供其來(lái)回伸縮和旋 轉(zhuǎn)的軸承結(jié)構(gòu)，所述軸承結(jié)構(gòu)通過(guò)第三輻射狀固定架連接固定于所述仿生眼球。
[0011] 本發(fā)明仿生眼裝置的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述軸承結(jié)構(gòu)包括：通過(guò)所述第三輻射狀 固定架連接固定于所述仿生眼球的軸承外固定套，所述軸承外固定套具有多邊形的外固定 套內(nèi)圈；內(nèi)嵌于所述軸承外固定套內(nèi)的軸承外套，所述軸承外套具有與所述軸承外固定套 的外固定套內(nèi)圈相配的軸承外套外圈和呈圓形的軸承外環(huán)內(nèi)圈；以及內(nèi)嵌于所述軸承外套 內(nèi)的軸承，包括軸承外圈、軸承內(nèi)圈和卡位于所述軸承外圈和所述軸承內(nèi)圈之間的滾動(dòng)體， 所述軸承外圈與所述軸承外環(huán)內(nèi)圈相適配，所述軸承內(nèi)圈與所述行進(jìn)電機(jī)的電機(jī)殼相適 配。
[0012] 本發(fā)明仿生眼裝置的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述轉(zhuǎn)輪通過(guò)一支架定位于所述行進(jìn)電 機(jī)，所述轉(zhuǎn)輪的輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)于所述支架；以及所述行進(jìn)電機(jī)上設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸的端部 帶有齒盤，所述轉(zhuǎn)輪設(shè)有與所述齒盤嚙合的齒座。
[0013] 本發(fā)明仿生眼裝置的進(jìn)一步改進(jìn)在于，在所述轉(zhuǎn)輪的輪軸上設(shè)有位移傳感器來(lái)確 定所述轉(zhuǎn)輪相對(duì)于所述仿生眼球框內(nèi)壁的位置。
[0014] 本發(fā)明仿生眼裝置的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述仿生眼球壁上開(kāi)設(shè)有通孔，在所述通 孔內(nèi)裝配有用于控制所述仿生眼球鎖止/啟動(dòng)的第二電磁開(kāi)關(guān)。
[0015] 本發(fā)明仿生眼裝置的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述仿生眼球壁的周緣設(shè)有多個(gè)第一限制 結(jié)構(gòu)，所述第一限制結(jié)構(gòu)具有過(guò)孔，所述軸承外固定套的周緣設(shè)有多個(gè)第二限制結(jié)構(gòu)，所述 第二限制結(jié)構(gòu)具有過(guò)孔，利用一無(wú)彈性線依次穿過(guò)所述第一限制結(jié)構(gòu)的過(guò)孔和所述第二限 制結(jié)構(gòu)的過(guò)孔后首尾相接；所述第一限制結(jié)構(gòu)為吊環(huán)或懸掛式萬(wàn)向輪，所述第二限制結(jié)構(gòu) 為吊環(huán)或懸掛式萬(wàn)向輪。
[0016] 本發(fā)明仿生眼裝置的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)是舵機(jī)或者是步進(jìn)電機(jī)加位 移傳感器，所述行進(jìn)電機(jī)是步進(jìn)電機(jī)加位移傳感器。
[0017] 本發(fā)明另提供一種仿生眼設(shè)備，包括相互獨(dú)立的兩個(gè)仿生眼裝置。
[0018] 本發(fā)明仿生眼設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)在于，在所述攝像機(jī)的感光元件成像中心與所述 球心重疊的情況下，通過(guò)兩個(gè)仿生眼裝置中的兩個(gè)所述仿生眼球的各自運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間 物體進(jìn)行三維重建：
[0019] 針對(duì)任一仿生眼裝置，以所述仿生眼球的球心為原點(diǎn)建立一坐標(biāo)系xyz，其中，X 軸代表左右，y軸代表上下，Z軸與所述直徑軸重合而代表前后，R為所述仿生眼球框的球體 半徑；
[0020] x軸與第一次運(yùn)動(dòng)方向平行，所述轉(zhuǎn)輪的初始位置的坐標(biāo)（0, 0, R)，初始運(yùn)動(dòng)方向 (R，〇, 〇);
[0021] 設(shè)所述轉(zhuǎn)輪與所述仿生眼球框的內(nèi)壁接觸點(diǎn)朝任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)任意距離后的坐標(biāo) 位置為P (xOTd，yOTd，zOTd)，則有以下對(duì)應(yīng)關(guān)系：
[0025] 其中，Φ1= cU/R度，Cl1為每次轉(zhuǎn)動(dòng)的距離，Θ i為每次朝向轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；
[0026] 利用公式（1)、（2)、（3)，求出p (xOTd，yOTd，zOTd)，通過(guò)轉(zhuǎn)換得到對(duì)應(yīng)另一半球坐標(biāo)的 P (Xendi y end? ^end^ ?
[0027] 經(jīng)過(guò)分別位于兩個(gè)仿生眼裝置中兩個(gè)仿生眼球的坐標(biāo)原點(diǎn)連線，兩個(gè)坐標(biāo)系xyz 軸相互平行，以兩坐標(biāo)系原點(diǎn)經(jīng)X軸連線的中間點(diǎn)為新坐標(biāo)原點(diǎn)，建立新坐標(biāo)系XYZ，當(dāng)兩 個(gè)仿生眼裝置中的兩個(gè)仿生眼球同時(shí)注視同一點(diǎn)P時(shí)，它們的光軸同時(shí)交于這一點(diǎn)，因而 這一點(diǎn)P和左右兩個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)形成三角形，根據(jù)三角函數(shù)而求出P點(diǎn)的空間坐標(biāo)；
[0028] 根據(jù)三角函數(shù)而求出P點(diǎn)的空間坐標(biāo)，包括：
[0029] 假設(shè)：第一仿生眼裝置中仿生眼球的z軸與X軸的夾角為A夾角，第二仿生眼裝置 中仿生眼球的z軸與X軸的夾角為B夾角，所述A夾角平面或所述B夾角平面與X軸水平 面夾角為C夾角；
[0030] 根據(jù)三角函數(shù)可求出：
[0031] cosA = _x/R， (4)
[0032] cosB = _xf/R f， (5)
[0033] tanC = _z/_y， (6)
[0034] 利用公式（4)、（5)、（6)，求出A，B，C的角度；
[0035] 假設(shè)：兩個(gè)仿生眼中兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)連線之間的距離D ;根據(jù)公式：

- X --··-· ----------，
[0043] 將距離D代入以上公式（7)、（8)、（9)或（10)、（11)、（12)而求出空間任意一點(diǎn)坐 標(biāo) P(X，Y，Z)。
【附圖說(shuō)明】