专利名称：基于球形超声电机的仿生机械眼球的制作方法
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球形超声电机的仿生机械眼球。
背景技术：
我们知道眼睛是感觉之窗，人类有90%以上的信息是由视觉获得。如果机器人也能跟人类一样具有诸多功能的“眼睛”，那么机器人视觉技术和机器人自动化技术将得到巨大的发展，智能机器人的潜力也将更加扩大。事实上，研究机器人“仿生眼”，使其能够看见东西、识别东西，一直是研究智能机器人的重要课题。随着近年来科技的不断进步，许多著名的类似眼球运动的机电系统装置涌现出来，这些眼球装置主要采用新结构、新材料或者新驱动方式等技术，不同程度地模仿眼球的运动特征。目前国内外比较典型的仿生眼有iCub仿人机器人的头眼视觉系统，主要是用齿轮、带传动等串联机构实现双目同时垂直方向运动和各iolite自水平运动；热那亚大学的并联柔性驱动仿生机器人眼，采用四个直流微电机驱动四根高强度的金属丝模拟眼球的上直肌、下直肌、内直肌和外直肌来驱动眼球运动；英国布里斯托大学的三自由度机器人视觉伺服系统主要采用同步带和推杆驱动的方式；加拿大麦吉尔大学的基于球面并联机构的机器人灵巧眼，该灵巧眼具有三个自由度，与人类眼球运动的特点相似；阿尔伯特大学利用记忆合金驱动方式，模拟眼球水平方向的运动，设计了一种单自由度的新型眼球机构；浙江大学用六个柔性执行器代替人类眼睛三对肌肉的结构，实现三自由度并联驱动的仿生眼；
但是上述几种结构都存在各自的弊端一类是采用齿轮或者带传动的串联机构的，这些机构中控制上下摆动的电机所受的扭矩非常大，整个结构刚度较差；另一类采用绳子或者柔性执行器驱动的，由于它们是弹性件，控制精度和响应速度都难以保证；第三类是运用并联机构的，无论是球面并联机构还是推杆并联机构，整个机构的尺寸非常大，运动空间小；最后一类的记忆合金驱动，目前只能做到一个自由度。所以如果要做到真正的仿生眼，眼球机构必须结构稳定、小巧，运动空间足够大，刚度好、精度高、响应快，至少具有三自由度等。
发明内容
本发明的目的在于针对以上问题，提出一种基于球形超声电机的仿生机械眼球以满足下述的性能要求一、眼球机构满足三自由度，整体结构尺寸要适当且具有较好的结构刚度、运动性能和运动空间；二、眼动平台的控制精度和响应速度俱佳；三、满足在颠簸环境下的机械性能要求，其他环境的适用性强；四、功能较全面的视觉系统开发平台。为了达到上述要求，本发明的构思是
基于行波型球形超声电机的原理，设计一种仿生机械眼球。普通的行波型球形超声电机包括一个球形转子和三个定子机构。将球形超声电机的转子改造成为一个内部装载有摄像头和姿态传感器的球体，来模拟人眼球。为了方便安装摄像头和传感器，球体被设计成壳体，并且分成前端盖和球壳体两部分，两者靠螺纹连接。前端盖的前端和球壳体的后端都有通孔，为了露出摄像头和数据线走线。摄像头为微型CMOS模组，其作用类似于人眼的视网膜，采集外界的视觉信息，由数据线传入计算机进行复杂的校正图像、目标识别、目标跟踪等图像处理。姿态传感器的作用是检测眼球姿态，主要将眼球的转角和转速信息传给控制部分，实现眼球系统的闭环控制。三个定子机构被设计用来驱动球形转子产生三自由度的转动，它主要由振动定子和压紧机构组成。振动定子包括齿形环状弹性体和压电陶瓷片，压电陶瓷片受到一定的激励电信号会产生变形，有两种类型的变形可带动齿形环状弹性体在齿面产生行波振动，即可通过摩擦传动驱动球形转子转动。压紧机构的作用是将三个定子压紧到球形转子上使其接触良好，并且自动调整球形转子位置。该压紧机构主要由碟形弹簧、压力传感器、定子支座和预紧螺钉组成，机构紧凑简单，压紧精度良好。最后三个完全相同的定子机构固定到一块基板上并呈空间轴回转120°对称分布，而且每个定子机构的弹性体环形圆所在平面与基板面夹角均为55° 75°，使弹性体环形齿内圆与球形转子紧密接触。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案
一种基于球形超声电机的仿生机械眼球，包括一个眼球、三个定子机构和一块基板，其特征在于
I)所述眼球即为球形超声电机的球形转子，外径尺寸为60mm壳体结构，由一个小半球的前端盖和大半球的球壳体以螺纹旋配而成。根据球形超声电机的驱动原理，球形转子表面将与驱动定子进行摩擦传动，所以眼球的表面和旋配接缝处需要做到平整光滑。所述眼球的内腔装有微型CMOS摄像头和姿态传感器，通过一些紧固零件固定到前端盖上。所述前端盖的正中央有通孔，使CMOS摄像头的镜头对准该中央孔，探出球壳采集视觉信息，所述前端盖有内、外螺纹，都与中央孔同轴的，其内螺纹用来固定摄像头压紧盖，其外螺纹与所述球壳体的内螺纹旋配成眼球。所述球壳体的正中央一侧是内螺纹，同轴另一侧还有个小通孔，用来引出摄像头和姿态传感器的数据线到控制部分。所述紧固零件包括姿态传感器底座、摄像头底座和摄像头压紧盖，姿态传感器固定在姿态传感器底座上，CMOS摄像头被摄像头底座和摄像头压紧盖压紧固定，摄像头底座与姿态传感器底座固连，最后将姿态传感器底座、姿态传感器、摄像头底座、CMOS摄像头和摄像头压紧盖组成一体螺纹旋配到前端盖上。2)所述三个定子机构完全相同，由一个振动定子和一个压紧机构组成。所述振动定子是背面(无齿面)用强力胶黏贴压电陶瓷片的齿形环状弹性体，其作用是通过对压电陶瓷片的激励产生逆压电效应，并带动齿形环状弹性体引起共振，当两相共振响应合理叠加会使得齿形环状弹性体正面(齿面)产生行波，即为摩擦驱动球形转子转动的驱动源。因此所述齿形环状弹性体设计成内圆环线接触型，即每个齿的内侧棱边与球形转子线接触并摩擦传动，所述压电陶瓷片按照超声电机的驱动原理合理圆周分布，并将驱动信号线点焊到每片压电陶瓷上。所述压紧机构主要由碟形弹簧、压力传感器、定子支座和预紧螺钉构成，其作用是为振动定子与眼球之间的摩擦传动提供合适的压紧力。所述碟形弹簧套在弹簧座上并受弹簧盖压紧，其作用是产生振动定子对眼球的压紧力，并且三个均匀分布后可使眼球自动调整中心；所述压力传感器嵌入到定子支座里，压力传感器前端圆突台顶住弹簧座并检测来自齿形环状弹性体对眼球的压紧力；所述压紧螺钉靠螺纹旋配在定子支座里，一端顶住压力传感器背部来调节压紧力的大小。3)所述基板上垂直安装三个定子机构，并以绕基板中央轴回转120°对称分布，眼球嵌入到三个环形振动定子内，使弹性体环形齿内圆与眼球紧密均匀接触。当每个定子机构的弹性体环形圆所在平面与基板面垂直时，眼球机构只能产生二自由度的转动，所以为使眼球机构产生三自由度的转动并且转速符合眼球运动特点，每个定子机构的弹性体环形圆所在平面与基板面夹角均为55° 75。，为此所述定子支座被设计成有100° 125°转角的折杆。所述基板可安装到其他移动平台上，其中心孔用来通过各数据线。上述眼球壳体的前端盖和球壳体采用酚醛树脂(代号PF)加工制成，酚醛树脂作为耐高温、耐摩擦、高刚度的高分子材料，非常适合应用于球形超声电机的转子；所述CMOS摄像头是含有1/4英寸的感光传感器、广角镜头和特制PCB板的微型高清CMOS摄像头模组，其结构小巧、清晰度高、采集频率高等特点满足了眼球进行目标跟踪所需的图像信息要求；所述姿态传感器是型号为3DM-GX3-25-0EM的三轴姿态惯性参考系统(AHRS)是一款非 常高端的MEMS传感器，为本眼球机构的良好性能提供保证；所述姿态传感器底座、摄像头底座和摄像头压紧盖用较轻的硬质PVC加工制成，以减少眼球的质量和转动惯量。上述齿形环状弹性体是经过模态分析、谐振分析和振动检测等多项过程优化设计的结果，采用耐磨损、耐腐蚀，具有良好的弹性和导电性的磷青铜加工制成，其外环直径为40mm±4mm,内齿环直径为30mm±3mm,齿高为3mm±0. 3mm,齿数为40±4 ;所述压电陶瓷片选用PZT-4型号，按作用分成三种第一种是利用其逆压电效应受激变形的压电陶瓷片共16片，两侧各8片镜像均匀分布；第二种是利用其压电效应反馈齿形环状弹性体变形信号的小压电陶瓷片I片，其尺寸是第一种的一半；第三种是接地的大压电陶瓷片I片，其尺寸是第二种的二倍。上述碟形弹簧选用的型号为MISUMI SSRBN-20A，通过其压紧变形产生振动定子对眼球的压紧力，又因三个定子机构的均匀分布可使眼球受力均匀并自动调整中心；所述压力传感器选用的是量程为IOKG的铝质H32A微型压力传感器，其作用是较准确地检测出碟形弹簧产生的变形弹性力，即齿形环状弹性体对眼球的压紧力；所述压紧螺钉(17)采用细牙螺钉，可以随时并精确调节压紧力的大小；为了满足整体机构的静力学和动力学要求，其它零件都采用硬质铝合金制成。本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点
(1)结构简单、紧凑，空间尺寸为94X 85 X 80 (mm3)，节省安装空间，外型美观；
(2)无任何齿轮等减速机构，控制精度高，响应速度快，且在低速转动时也具有较高的转动力矩；
(3)眼球可绕球心向任何方向旋转，视角可达48°，超过了人单眼的运动范围；
(4)可适用于诸多如有磁场、失重、非结构颠簸的复杂环境，掉电时能快速止动。
图I是本发明的眼球机构的整体结构示意图。图2是本发明的眼球球体零件分解图。图3是本发明的眼球球体装配示意图。
图4是本发明的定子机构零件分解图。图5是本发明的振动定子轴切面示意图。图6是本发明的振动定子的压电陶瓷片分布示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例作进一步的说明。实施例一
这里选择当摄像头正视前方时的眼球机构状态为例进行说明。参见图1，本基于球形超声电机的仿生机械眼球主要包括一个眼球(I)、三个定子机构(2 )和一块基板(3 )。 I)眼球(I)的具体零件组成如图2所示。从表面看是一个小半球型的前端盖(4)和大半球的球壳体(10)以螺纹旋配的方式形成眼球壳体，不过在加工上要做到前端盖(4)和球壳体(10)的接缝处平滑过渡。眼球壳体内部是CMOS摄像头(6)和姿态传感器(9)依靠姿态传感器底座(8 )、摄像头底座(7 )和摄像头压紧盖(5 )紧密固定。为了让这些元器件通过球壳体(10)的狭小的螺纹孔(①)，在装配时需安装一定的顺序首先，姿态传感器(9)固定在姿态传感器底座(8)上后一起倾斜放入球壳体(10);然后将摄像头底座(7)安装到姿态传感器底座(8)上，CMOS摄像头(6)倾斜放入球壳体(10)后嵌入摄像头底座(7)里；接着，把摄像头压紧盖(5 )安装到摄像头底座(7 )上从而固定CMOS摄像头(6 )，再有前端盖
(4)和摄像头压紧盖(5)螺纹旋配紧，如图3状态；最后就是把前端盖(4)和球壳体(10)螺纹旋配成眼球(I)。考虑到CMOS摄像头(6 )和姿态传感器(9 )的数据线的走线，球壳体(10 )中央尾部预留了通孔(②)，在摄像头底座(7)的侧边也留有通槽(③)。摄像头压紧盖(5)被设计成含有两个平行的侧台面(④)是为了与前端盖(4)另外旋配是方便夹持。2)图4是定子机构(2)的爆炸图。每个定子机构(2)包括振动定子(11)、弹簧盖
(12)、碟形弹簧(13)、弹簧座(14)、压力传感器(15)、定子支座(16)和压紧螺钉(17)各一个。它们的装配关系非常简单碟形弹簧(13)套在弹簧座(14)上；弹簧盖(12)压紧碟形弹簧(13)并固定在定子支座(16)上；振动定子(11)通过中心两个定位孔固定在弹簧座(14)上后无法沿其轴向转动；压力传感器(15)嵌入到定子支座(16)里，压力传感器(15)的前端圆突台(⑤)顶住弹簧座(14);压紧螺钉(17)靠螺纹旋配在定子支座(16)里，一端顶住压力传感器(15)背部。这样，碟形弹簧(13)产生振动定子(11)对眼球(I)所需的压紧力，并且三个均匀分布后可使眼球(I)自动调整中心，压力传感器(15)前端圆突台检测来自齿形环状弹性体(18)对眼球(I)的压紧力，压紧螺钉(17)调节压紧力的大小。定子支座(16)的115°转角上方有一个通孔(⑥)用来让压力传感器(15)的数据线安全通过。3) 一个眼球(I)、三个完全相同的定子机构(2-A、2_B、2_C)和一块基板(3)的空间布局是三个定子机构(2-A、2-B、2-C)垂直安装在基板(3)上，并以绕基板(3)中央轴回转120°对称分布，又因定子支座(16)100° 125°折杆设计使每个定子机构(2)的弹性体环形圆所在平面与基板(3)面夹角均为55° W。。装配时，眼球(I)位于基板(3)正中心上方，三个定子机构(2-A、2-B、2-C)以包夹的方式边调整边安装，使弹性体环形齿内圆都与眼球(I)紧密接触，安装完成后的眼球(I)就被限制在三个定子机构(2-A、2-B、2-C)之间无法移动。
实施例二本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下
所述的前端盖(4)和球壳体(10)都采用酚醛树脂(代号PF)加工制成，其中球壳体
(10)的壳体厚度为4. 5mm,与前端盖(4)旋配的螺纹孔为M36细牙螺纹孔；所述CMOS摄像头(6)采用含有1/4英寸的感光传感器、广角镜头和特制PCB板的微型CMOS摄像头模组；所述姿态传感器(9)采用型号为3DM-GX3-25-0EM的三轴姿态惯性参考系统(AHRS);所述姿态传感器底座、摄像头底座和摄像头压紧盖用较轻的硬质PVC加工制成，以减少眼球的质量和转动惯量。实施例三本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下
所述振动定子(11)的轴切面图如图5所示。齿形环状弹性体(18)经模态分析、谐响应分析和振动测试等多项优化后其外齿环(⑧)直径为40mm±4mm，内齿环(⑨)直径为30mm±3mm，齿高(⑩)为3mm±O. 3mm，齿数为40±4。齿形环状弹性体(18)的每个齿的内侧棱边(⑦)将与眼球(I)线接触并摩擦传动。压电陶瓷片(19)按照超声电机的驱动原理合 理圆周分布黏贴在齿形环状弹性体(18)背面，如图6所示。左侧正反相间的8片压电陶瓷片(19)将受A相电压激励，右侧正反相间的8片压电陶瓷片(19)将受B相电压激励，上方I片小压电陶瓷片用来反馈齿形环状弹性体(18)变形信号，下方I片大压电陶瓷片用来接地。最后将来自控制器的驱动信号线点焊到每片压电陶瓷片(19)上。所述齿形环状弹性体采用磷青铜加工制成；所述压电陶瓷片选用PZT-4型号。实施例四本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下
所述碟形弹簧(13)选用的型号为MISUMI SSRBN-20A ;所述压力传感器(15)选用的是量程为IOKG的铝质H32A微型压力传感器，;所述压紧螺钉(17)采用细牙螺钉，提高压紧力的调节精度；可以随时调节压紧力的大小；其它零件都采用硬质铝合金制成。本发明所述的结构并不限于具体实施方式
中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其它的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。
权利要求
1.一种基于球形超声电机的仿生机械眼球，包括一个眼球(I)、三个定子机构(2-A、2-B、2-C)和一块基板(3)，其特征在于 1)所述眼球(I)由前端盖(4)和球壳体(10)组成眼球壳体，眼球壳体内腔装载有一个CMOS摄像头(6)和一个姿态传感器(9);前端盖(4)与球壳体(10)通过螺纹连接组成眼球壳体，接缝处平滑过度；所述CMOS摄像头(6)由摄像头底座(7)和摄像头压紧盖(5)压紧固定，姿态传感器(9)固定在姿态传感器底座(8)上，摄像头底座(7)和姿态传感器底座(8)由螺栓紧固，摄像头压紧盖(5)通过螺纹固定到前端盖(4)上；球壳体(10)中央尾部预留的通孔(②)和摄像头底座(7)侧边预留的通槽(③)是为了方便数据线的走线； 2)所述三个定子机构(2-A、2-B、2-C)完全相同，都是由一个振动定子(11)和一个压紧机构组成；所述振动定子(11)的无齿的背面用强力胶黏贴了若干压电陶瓷片(19)的齿形环状弹性体(18)，而有齿的正面的内齿圆(⑦)与眼球(I)进行线接触摩擦传动；所述压紧机构包括了弹簧盖(12)、碟形弹簧(13)、弹簧座(14)、压力传感器(15)、定子支座(16)和压紧螺钉(17)各一个，碟形弹簧(13)套在弹簧座(14)上并受弹簧盖(12)压紧，弹簧座(14)穿过弹簧盖(12)与齿形环状弹性体(18)紧固，弹簧盖(12)固定在定子支座(16)上，压力传感器(15)嵌入到定子座里，压力传感器(15)前端圆突台顶住弹簧座(14)用来检测来自齿形环状弹性体(18)的压紧力，压力传感器(15)背部被压紧螺钉(17)压紧并可调节压紧力的大小； 3)所述基板(3)上固定三个定子机构(2-A、2-B、2-C)并使其呈中央轴回转120°对称分布并使定子支座(16)垂直安装到基板(3)上，使得眼球(I)位于基板(3)正中心上方，每个定子机构(2-A、2-B、2-C)的弹性体(18)环形圆所在平面与基板(3)面夹角均为55° ^75°，齿形环状弹性体(18)环形(18)齿内圆(⑦)都与眼球(I)紧密接触。
2.根据权利要求I所述的基于球形超声电机的仿生机械眼球，其特征在于所述CMOS摄像头(6)采用含有1/4英寸的感光传感器、广角镜头和特制PCB板的微型CMOS摄像头模组；所述姿态传感器(9)采用型号为3DM-GX3-25-0EM的三轴姿态惯性参考系统AHRS。
3.根据权利要求I所述的基于球形超声电机的仿生机械眼球，其特征在于所述齿形环状弹性体(18)呈内圆环线接触型，外环直径为40mm±4mm，内齿环直径为30mm±3mm，齿高为3mm±0. 3mm，齿数为40±4 ;所述压电陶瓷片(19)分成三种受激变形的压电陶瓷片、接地压电陶瓷片和用来反馈齿形环状弹性体(18)变形信号的小压电陶瓷片(FB)。
4.根据权利要求I所述的基于球形超声电机的仿生机械眼球，特征在于所述碟形弹簧(13)选用的型号为MISUMI SSRBN-20A,作用是产生振动定子(11)对眼球(I)的压紧力，并且三个压紧力均匀分布后可使眼球(I)自动调整中心；所述压力传感器(15)选用的是量程为IOKG的铝质H32A微型压力传感器，其作用是较准确地检测出自齿形环状弹性体(18)对眼球(I)的压紧力；所述压紧螺钉(17)可以随时调节压紧力的大小。
全文摘要
本发明涉及一种基于球形超声电机的仿生机械眼球。它由一个眼球、三个定子机构和一块基板组成，其中眼球内部装载有微型CMOS摄像头和姿态传感器，每个定子机构都由贴有压电陶瓷片的齿形环状弹性体和产生压紧力的压紧机构组成。眼球分别与三个定子机构的齿形环状弹性体的内齿圆相切线接触，并受各自压紧机构的压紧和对心。同时三个定子机构垂直固定在基板上并呈中央轴回转120°对称分布，眼球与每个定子机构的接触圆所在平面与基板面夹角为65°。本发明结构简单紧凑，响应速度快，控制精度高，机械眼球的视角达到了50°，可应用于各类复杂视觉系统。
文档编号B25J11/00GK102922526SQ20121041151
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者罗均, 黄潮炯, 李恒宇, 李磊, 谢少荣 申请人:上海大学