可任意角度注视、三维重建的仿生眼装置及仿生眼设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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、旋转电机、 行进电机、以及转轮，其中，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，所 述旋转电机和所述行进电机协调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。
[0006] 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、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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 本发明仿生眼装置的进一步改进在于，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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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：
[0019] 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；
[0020] 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，〇, 〇);
[0021] 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 (xOTd，yOTd，zOTd)，则有以下对应关系：
[0025] 其中，Φ1= cU/R度，Cl1为每次转动的距离，Θ i为每次朝向转动的角度；
[0026] 利用公式（1)、（2)、（3)，求出p (xOTd，yOTd，zOTd)，通过转换得到对应另一半球坐标的 P (Xendi y end? ^end^ ?
[0027] 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；
[0028] 根据三角函数而求出P点的空间坐标，包括：
[0029] 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；
[0030] 根据三角函数可求出：
[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 --··-· ----------，
[0043] 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】