一种模拟眼运动的装置及控制方法与流程

1.本发明涉及机器人领域，具体涉及到一种模拟眼运动的装置及控制方法。


背景技术：

2.机器人本身并不具有视觉感知能力，需要赋予机器人一双“眼睛”，让机器人像人一样具备检测、判断、识别等能力。
3.目前，在一个眼底成像系统中，无论是眼底相机、线扫描成像或是点扫描成像，在进行人眼测试之前，都需要一个模拟眼来进行功能性测试。在以往的测试方法中，一般都要求模拟眼的材质和形状符合人眼的特质，一个透镜和一张纸片构成的简单系统就是一个模拟眼，但是从未对模拟眼的运动方式有所要求。
4.在共聚焦扫描成像跟踪系统中，由于光学系统专为人眼设计，以往的模拟眼的运动方式只能做简单的左右平移，这种平移在图像中表现为模拟眼球的左右转动；随着社会的发展和科技的进步，模拟人眼运动仿真的产品在精准跟踪测试中越来越重要，在跟踪质量方面，起主要作用的是模拟眼的运动方式能否符合人眼的运动模式。
5.现实中，人眼运动很复杂，可以上下、左右及复合旋转，因此一种精确模拟人眼运动的装置是发明人亟需研发的。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种模拟眼运动的装置及控制方法，该装置的机械结构与人眼运动模式相匹配，能够使模拟眼球做上下、左右、复合旋转及做更复杂的动作，从而解决了现有技术中模拟眼的运动方式只能做简单的左右旋转的问题，进而达到仿真人眼运动的效果。
7.为实现上述目的，本发明一方面提供了一种模拟眼运动的装置，包括固定支座机构、位于所述固定支座机构一端的模拟眼系统、另一端的驱动系统和控制系统；所述驱动系统上设置有第一传动部；所述模拟眼系统包括模拟眼、设置在所述模拟眼上的同球心限位组件及第二传动部，所述第二传动部的一端与所述模拟眼固定连接，另一端设置有圆弧面滑台，所述圆弧面滑台抵接在所述第一传动部上；所述控制系统与所述驱动系统连接。
8.进一步地，所述第一传动部上设置有圆弧面，所述圆弧面与所述圆弧面滑台相抵接。
9.进一步地,所述圆弧面滑台的球心为所述模拟眼的球心。
10.进一步地，所述同球心限位组件用于固定所述模拟眼，包括模拟眼眶、子午固定环和赤道固定环；所述模拟眼眶，在所述模拟眼眶上设置有若干个通孔，若干个所述通孔的中心线的交点为所述模拟眼的球心；所述子午固定环，与所述模拟眼眶固定连接，所述子午固定环上设置有与若干个所述通孔相对应的多个螺纹通孔；所述赤道固定环，固定连接在所述固定支座机构的一端上，所述赤道固定环与所述子午固定环固定连接。
11.进一步地,所述子午固定环与所述模拟眼眶通过紧定螺钉连接，若干个所述通孔
内分别安装有若干个滚珠，若干个所述滚珠抵接在所述模拟眼的球面上，所述紧定螺钉穿过所述螺纹通孔延伸至所述通孔，并抵接在所述滚珠上。
12.进一步地，所述驱动系统包括第一驱动单元和第二驱动单元，所述第二驱动单元带动所述第一驱动单元上下移动。
13.进一步地，所述第二驱动单元包括第二电机、第二电机支架、设置在所述第二电机输出轴上的传动丝杠和设置在所述传动丝杠上的滑块，所述第二电机支架固定连接在所述固定支座机构的另一端上；所述第一驱动单元包括第一电机、第一电机支架和第一传动部，所述第一传动部设置在所述第一电机的输出端上，所述第一电机支架与所述滑块固定连接。
14.进一步地，所述控制系统包括上位机软件、信号分发器模块、第一控制模块和第二控制模块，所述上位机软件用于采集、存储人眼动数据；所述信号分发器用于接收所述上位机软件的人眼动数据，并将所述人眼动数据发送给所述第一控制模块和所述第二控制模块，所述第一控制模块、第二控制模块分别控制所述第一驱动单元、第二驱动单元。
15.本发明另一方面提供了一种模拟眼运动的控制方法，其采用上述模拟眼运动的装置来控制模拟眼运动的方法，所述控制系统控制所述驱动系统，使第一传动部转动和/或上下移动，并带动模拟眼固定连接的第二传动部沿圆弧面滑台的弧面旋转，进而带动模拟眼进行空间旋转。
16.进一步地，所述控制系统包括信号分发器模块和控制模块，包括如下具体控制步骤：
17.步骤一:获取轨迹信号，控制系统根据轨迹信号，生成地址命令字符串并发送给信号分发器模块；
18.步骤二:信号分发器模块接收地址命令字符串后，并同时发送给控制模块；
19.步骤三:控制模块读取地址命令字符串，控制驱动系统的速度、位置；
20.步骤四：驱动系统执行地址命令字符串，使第一传动部转动和/或上下移动，并带动模拟眼固定连接的第二传动部沿圆弧面滑台的弧面旋转，进而带动模拟眼进行空间旋转。
21.进一步地，控制系统中的上位机软件根据获取的轨迹信号，生成地址命令字符。
22.进一步地，所述地址命令字符串包括第一地址命令字符串和第二地址命令字符串；所述控制模块包括第一控制模块和第二控制模块；所述第一控制模块读取所述第一地址命令字符串，控制所述第一驱动单元的速度、位置；所述第二控制模块读取所述第二地址命令字符串，控制所述第二驱动单元的速度。
23.进一步地，步骤一所述获取轨迹信号为采集的人眼运动数据或历史记录的轨迹文件。
24.进一步地，所述历史记录的轨迹文件为所述上位机软件记录下每一次操作的命令和命令间的时间间隔，记录完成后得到轨迹文件。
25.本发明的有益效果：
26.1、本发明装置的机械结构与人眼运动模式相匹配，其运动模式更贴近人眼，在针对人眼设计的光学系统中，能够得到更精准的跟踪测试结果，能够更加深入对跟踪算法极限的测试，测试得到的反馈数据更能直接体现跟踪算法的成功率。
27.2、通过该装置的驱动系统及控制该驱动系统的控制系统避免了人手直接移动模拟眼，方便性及精准控制度上得到很大提高，进一步通过驱动系统对第一传动部的复合驱动，带动第二传动部的圆弧面滑台做相对的上下左右复合旋转运动，进而使模拟眼做上下、左右及复合旋转及更复杂、速度更快、幅度更大的动作。
28.3、通过圆弧面滑台和第一传动部形成的静摩擦传动系统，利用静摩擦，在额定旋转角度中，可以选择空间旋转的任意角度静止，圆弧面滑台与第一传动部紧密抵接，使第一传动部的转动及上下移动的复合运动转化为圆弧面滑台的空间转动，目的是让复杂的空间转动转化为平面上的运动，平面上的运动也可转化为柱体的旋转与轴向运动，从而实现该装置精确控制的可实施性。
29.4、通过该装置驱动系统的第一驱动单元、第二驱动单元形成动力输出机构，第二驱动单元的传动丝杠为竖直方向的转动，带动滑块上下移动，进而带动第一驱动单元上下运动，通过控制系统使电机(第一电机、第二电机)精准的旋转和上下运动，保证该装置动力输出的稳定性，为模拟眼运动的精准性提供了有力的基础。
30.5、通过该装置同球心限位系统使模拟眼固定的很牢固，不会自转，复合之后，就能在空间上任意旋转角度；其赤道固定环固定连接在固定支座机构上，限制模拟眼绕着水平轴转动，子午固定环限制模拟眼绕竖直轴转动，模拟眼框用于固定模拟眼，复合起来，就能充分实施模拟眼同球心转动。
附图说明
31.以下附图是用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，且仅旨在于对本发明做示意性的解释和说明，并非用以限制本发明的范围。在附图中：
32.图1为本技术实施例一中的一种模拟眼运动装置的装配结构示意图；
33.图2为本技术实施例一中的一种模拟眼运动装置的装配结构前视示意图；
34.图3为本技术实施例一中的一种模拟眼运动装置的装配结构俯视示意图；
35.图4为本技术实施例一中的模拟眼系统的爆炸结构示意图；
36.图5为本技术实施例二中的一种模拟眼运动的控制方法的流程图；
37.图6为在图5基础上进一步具体的一种模拟眼运动的控制方法的流程图。
38.附图标记：
39.1、固定支座机构；11、固定底座；12、固定底座另一端侧板；13、固定底座一端侧板；200、第二驱动单元；201、第一驱动单元；21、第二电机；22、第二电机支架；23、传动丝杠；24、滑块；25、第一电机支架；26、第一电机；27、第一传动部；3、模拟眼系统；31、模拟眼；311、模拟眼球；32、模拟眼眶；321、模拟眼眶压圈；33、子午固定环；34、赤道固定环；35、第二传动部；351、圆弧面滑台；3511、圆弧面滑台的弧面。
具体实施方式
40.本发明主要应用于激光设备系统中，形成标准化的检验检测，能够更精确的测量系统宽带和了解系统的性能。例如：在3类激光设备(照明用)做动物实验前，对产品自动跟踪系统可靠性、安全性进行的检验检测；在4类激光设备(治疗用)做动物实验前，对治疗激光的精准打击，模拟病人在接受治疗时，小概率眼动到禁区位置，对产品是否更智能、更快
速地停止、跳过禁区进行的激光打击，防止打到视盘或黄斑上致盲的危险性，进一步提高了安全性和可靠性。再者，本发明能够运用在眼科一系列的器械产品中，该装置针对人眼设计的光学系统，能够得到更精准的跟踪测试结果，能够更加深入对跟踪算法极限的测试，测试得到的反馈数据更能直接体现跟踪算法的成功率，形成标准化的检验检测。
41.下面将以图式揭露本技术的多个实施方式，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，构成本技术的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明是用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.需要说明，除非单独定义指出的方向以外，本文中涉及到的上、下、左、右、水平、竖直等方向均是以本技术实施例图2所示的上、下、左、右、水平、竖直等方向为准，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应随之改变。“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，在此一并说明，使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。此外，在本公开各个实施例中，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
43.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以互相结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求保护的范围之内。
45.实施例一
46.请参阅图1至图4，本实施例中的一种模拟眼运动的装置的装配结构示意图，其包括固定支座机构1、位于该固定支座机构1一端的模拟眼系统3、位于固定支座机构1另一端的驱动系统和控制该驱动系统的控制系统；其中，驱动系统包括第一驱动单元201和第二驱动单元200，其中，第二驱动单元200带动第一驱动单元201上下移动，该第一驱动单元201的输出端设置有第一传动部27；模拟眼系统3包括模拟眼31、设置在模拟眼31上的同球心限位组件和第二传动部35，第二传动部35的一端(靠近模拟眼的一端)与模拟眼31固定连接，其连接方式为相互的卡接结构卡接或其它方式的可拆卸固定连接，另一端设置有圆弧面滑台351，该圆弧面滑台为耐磨的橡胶材料制成，如：丁腈，且圆弧面滑台351紧密抵接在第一传动部27上，当第一传动部27同时转动和上下移动时，带动模拟眼固定连接的第二传动部35沿圆弧面滑台351的弧面3511上下左右旋转，进而使模拟眼31的模拟眼球311表现出空间旋转。控制系统包括上位机软件、信号分发器模块、第一控制模块和第二控制模块，其中，上位机软件用于采集人眼动数据、存储轨迹信号文件；信号分发器用于接收上位机软件的人眼动数据或轨迹信号文件，并将人眼动数据或轨迹信号文件发送给第一控制模块和第二控制模块，该第一控制模块、第二控制模块分别控制第一驱动单元、第二驱动单元。
47.需要说明的是，通过第二驱动单元200带动第一驱动单元201上下运动，加上第一驱动单元201的同时转动，形成第一传动部27的复合驱动，带动第二传动部35的圆弧面滑台351做相对的上下左右复合旋转运动，进而使模拟眼31做上下左右复合旋转及更复杂、速度
更快、幅度更大的动作；通过圆弧面滑台351和第一传动部27形成的静摩擦传动系统，利用静摩擦，在额定旋转角度中，可以选择空间旋转的任意角度静止，圆弧面滑台351与第一传动部27紧密抵接，进一步能够实现该装置的模拟眼31做上下左右复合旋转及更复杂的空间旋转精确控制的可实施性；再者，通过该装置同球心限位系统3使模拟眼固定的很牢固，不会自转，复合之后，就能在空间上任意旋转角度；从而解决了现有技术中模拟眼的运动方式只能做简单的左右旋转的问题，达到仿真人眼运动的效果。
48.如图1所示，作为一种具体实施方式，本实施例中的第一传动部27上设置有圆弧面，该第一传动部27包括固定连接在第一电机26的连接轴和设置连接轴上的耐磨的圆柱橡胶棒，圆柱橡胶棒的外侧表面为圆弧面。如图2、图3所示，更进一步地,本实施例中的圆弧面滑台351的弧面3511的球心为模拟眼的球心，具有较强的传动一致性和精确性。通过圆弧面滑台351和圆柱橡胶棒形成的静摩擦传动系统，利用静摩擦，在额定旋转角度中，可以选择空间旋转的任意角度静止，圆弧面滑台351与圆柱棒紧密抵接，使圆柱橡胶棒的圆柱面的运动转化为圆弧面滑台的球面的转动，目的是让复杂的空间转动转化为平面上的运动，平面上的运动也可转化为一个柱体的旋转与轴向运动，从而实现该装置的精确控制的可实施性；
49.如图4所示，作为一种具体实施方式，本实施例中的同球心限位组件3包括同心设置的模拟眼眶32、子午固定环33和赤道固定环34，该同心为模拟眼31的球心；进一步优选的，用于固定模拟眼31的模拟眼眶32上设置若干个通孔，子午固定环33上设置有与模拟眼眶32上设置的若干个通孔相对应的多个螺纹通孔，本实施例中通孔的数量优选为四个，但不限于四个，根据实际情况还可以为相互对称的两个或六个、八个等或更多个，值得注意的是，若干个通孔的中心线的交点为模拟眼的球心，此种设计方式更有利于模拟眼仿真人眼运动的精确实施；结合图1所示，本实施例中的子午固定环33与模拟眼眶32固定连接的方式为紧定螺钉连接，模拟眼眶32的通孔内放置有滚珠，如图3所示，本实施例中的第一内六角紧定螺钉323、第二内六角紧定螺钉325利用专用扳手(内六角)旋拧进子午固定环33对应的螺纹通孔内延伸至模拟眼眶32对应的通孔内并分别与第一滚珠322、第二滚珠324相抵接，使滚珠紧密抵接在模拟眼31的球面上，故子午固定环33限制模拟眼只能绕竖直轴转动，不会产生前后方向的移动，利于装置的精确稳定性，再者，模拟眼眶压圈321压合在模拟眼31的前端的模拟眼眶内，增加美观性和弥合性。
50.结合图1至图4所示，作为一种具体实施方式，本实施例中的赤道固定环34固定连接在固定支座机构1的一端的侧板13上的弧形挡槽内，赤道固定环34与子午固定环33通过内六角紧定螺钉固定连接。结合该装置的整体机械结构，赤道固定环固定限制模拟眼绕着水平轴转动，子午固定环限制模拟眼绕竖直轴转动，模拟眼框用于固定模拟眼，复合起来，就能充分实施模拟眼同球心转动。
51.作为一种进一步的具体实施方式，本实施例中的第二驱动单元200包括第二电机21、第二电机支架22、设置在第二电机21输出轴上的传动丝杠23和设置在该传动丝杠23上的滑块24；其中，传动丝杠23上设置有传动螺旋，滑块24内设置有与该传动螺旋相对应的内螺旋，第二电机支架22固定连接在固定支座机构的另一端侧板12上；第二电机21启动旋转带动传动丝杠23旋转，致使滑块24带动第一电机26上下移动。进一步地，本实施例中的第一驱动单元201包括第一电机26、第一电机支架25和设置在第一电机输出端的第一传动部27，
通过该装置驱动系统的第一驱动单元201、第二驱动单元200形成动力输出机构，第二驱动单元200的传动丝杠23为竖直方向的转动，带动滑块24上下移动，进而带动第一电机26上下运动，能够使电机(第一电机、第二电机)精准的旋转和上下运动，保证该装置动力输出的稳定性，为模拟眼运动的精准性提供了有力的基础。
52.实施例二
53.如图5所示，本实施例提供了一种模拟眼运动的控制方法，采用上述实施例一的模拟眼运动的装置来控制模拟眼运动的方法，其中，控制系统包括信号分发器模块和控制模块，具体步骤如下：
54.步骤一:获取轨迹信号，控制系统根据轨迹信号，生成地址命令字符串并发送给信号分发器模块；
55.步骤二:信号分发器模块接收地址命令字符串后，并同时发送给控制模块；
56.步骤三:控制模块读取地址命令字符串，控制驱动系统的速度、位置；
57.步骤四：驱动系统执行地址命令字符串，使第一传动部转动和/或上下移动，并带动模拟眼固定连接的第二传动部沿圆弧面滑台的弧面旋转，进而带动模拟眼的模拟眼球进行空间旋转。
58.如图6所示，作为一种具体的实施方式，其进一步具体的控制步骤为：
59.步骤s01:采集的人眼运动数据或历史记录的轨迹文件，形成轨迹信号；
60.步骤s02:上位机软件获取并根据轨迹信号，生成第一地址命令字符串和第二地址命令字符串并发送给信号分发器模块；
61.步骤s03:信号分发器模块接收第一地址命令字符串和第二地址命令字符串后，并同时发送给第一控制模块和第二控制模块；
62.步骤s04:第一控制模块读取第一地址命令字符串，控制第一驱动单元的速度、位置；第二控制模块读取第二地址命令字符串，控制第二驱动单元的速度。
63.步骤s05：第一驱动单元和第二驱动单元同时执行各自应当执行的命令字符串，使第一传动部转动和上下移动，并带动模拟眼固定连接的第二传动部沿圆弧面滑台的弧面旋转，进而带动模拟眼进行空间旋转。
64.作为一种进一步具体的实施方式，本实施例中的历史记录的轨迹文件为上位机软件记录下每一次操作的命令和命令间的时间间隔，记录完成后得到轨迹文件。
65.实施例三
66.在实施例一、实施例二的基础上，本实施例对本发明做进一步的阐述，该模拟眼运动装置的连接部是静摩擦传动；理论上速度一般的情况下，在额定旋转角度中，用户可以选择空间旋转的任意角度静止。当然该模拟眼运动装置是可以联动的，可以做复合角度，有规律与无规律转动(程序控制)。
67.另外，在眼底跟踪设备未成熟的时候，可以用该模拟眼运动装置做眼底跟踪设备的测试与训练，以减少临床时意外的发生。手动测试模拟眼运动符合预期后，可以开始安装电机控制器。一般情况下，电机控制器使用stm32(意法半导体stm32)单片机，可以接收数字信号，输出模拟信号。第一电机201、第二电机各对应一个stm32单片机，每个单片机有一个唯一的地址。单片机内嵌的软件需要对电机的速度、位置、零点位置等进行设置，同时与上位机交互。
68.信号分发器以总线结构代替，每个电机控制器的单片机接收自己地址的命令，对其他地址的命令直接丢弃。当波特率为9600时，一个不超过10字节的命令只需要1ms，由于发送命令先后顺序导致的时间延迟可以忽略不计。
69.上位机软件与电机控制器的单片机的连接是串口通信，波特率9600。上位机软件程序提供速度设置、位置设置、回到零点等基础功能，还包括轨迹录制、轨迹读取和重播功能。
70.一次具体控制过程阐述如下：
71.1、用户打开上位机软件，选择打开对应的串口；
72.2、用户点击录制按钮，软件自动产生一个定时器，然后在硬盘创建一个空文件记录动作和时间间隔；
73.3、用户选择运动速度，然后点击要移动的二维位置；
74.4、上位机软件将此次动作记录到硬盘，然后自动生成两个地址不同的地址命令字符串；
75.5、上位机软件通过串口同时将这两个地址命令字符串发送到总线；
76.6、第一电机控制器单片机、第二电机控制器单片机先后接收到地址命令字符串，然后各单片机软件根据地址找到自己要执行的命令；
77.7、各单片机软件根据接收到的命令，设置电机的速度和位置；
78.8、在第一电机201、第二电机200的共同作用下，模拟眼31的底座会在假想球面(圆弧面滑台351的弧面3511)上旋转，前端的模拟眼球311则表现出左右和上下旋转的效果；
79.9、用户继续选择下一个位置，重复步骤3；
80.10、用户点击结束录制后，软件生成轨迹文件并保存到硬盘；软件还提供重播功能，步骤与上述步骤基本一致，只是将用户的动作换成从轨迹文件中读取的动作，上位机读取的运动轨迹命令可以来自于本系统的历史记录，也可以来自于其他系统，运动轨迹的命令是由一个二维速度向量和二维方向向量组成。
81.上述说明示出并描述了本技术的优选实施方式，但如前对象，应当理解本技术并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施方式的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文对象构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本技术的精神和范围，则都应在本技术所附权利要求的保护范围内。