专利名称：眼球内部具有驱动装置的人工眼系统的制作方法
眼球内部具有驱动装置的人工眼系统
本发明涉及人工眼系统，该人工眼系统包括至少一个眼睛单元， 该眼睛单元具有包括旋转球壳的眼球以及用于使所述球壳绕着其中 心旋转的驱动装置，该驱动装置包括磁性元件和电线圏。表述"球形" 是指球体或者大致球体的至少一部分的形状，大致球体即与准确球体
有偏差(这可以是局部偏差)的球。
在US-A- 2003/0178901中公开了这种系统。该公开描述了照相 机系统，其中该照相机单元包括球面球，该球面球可在具有环绕球面 球一部分的凹形支撑面的套筒中旋转。为了驱动球面球的旋转运动， 该球的表面具有在该公开中示为定位器的磁性元件。套筒的凹形支撑 面具有大量电线圏。通过向一个或多个线團提供电能以导致即就是磁 性元件的定位器移位来实现球面球的旋转运动。
该人工眼系统可用作玩具(例如玩偶)或者机器人(例如家用机 器人)或者需要一个或多个活动眼睛(即旋转眼球)的任何其他设备 中的眼睛。在许多应用中，希望眼球相对于携载旋转眼球的结构(支 撑结构)的旋转运动相对快速，尤其是在支撑结构本身也运动的情况 下更是如此。人的眼睛的旋转运动可以非常快速，并且经常期望机器 人或者用于娱乐目的玩偶或者动物的眼睛的旋转运动与实际人眼的 运动一样快。例如，需要这种快速运动以给出人工眼正追随你和/或 看着你这样的印象。
可借助于对照相机视野(视场)中的运动着的"感兴趣对象"进行 检测的照相机来对眼睛的运动进行控制。可根据用户期望来选择感兴 趣的对象，诸如具有某个颜色和/或某个形状的对象，例如人脸、人 手、图形、汽车等。可将照相机固定到携载一个或者多个旋转眼球的 支撑结构上，由此照相机检测感兴趣对象的方向。从而，以使眼球的 前側继续保持在所检测到的感兴趣对象的方向上这样的方式来对眼 球的驱动装置进行控制。
在另一应用中，将照相机装配在旋转眼球中，由此以保持感兴趣
4对象在照相机视野的中心这样的方式来对眼球的驱动装置进行控制。
如例如在US-A- 2005/0185945中所述，可得到用于这种应用的软件。
本发明的目的是这样一种人工眼系统，该人工眼系统包括至少一 个眼睛单元，该眼睛单元具有包括旋转球壳的眼球并且具有包括磁性 元件和电线圏的驱动装置，其中眼球的球壳可相对于支撑结构相对快 速地旋转。
本发明的另一目的是这样一种人工眼系统，该人工眼系统包括至 少一个眼睛单元，该眼睛单元具有包括旋转球壳的眼球并且具有用于 使眼球相对于其支撑结构旋转的驱动装置，其中包括有驱动装置的眼 睛单元的尺寸相对较小。
为了实现这些目的中的一个或这两者，磁性元件以及电线圏位于 旋转球壳之内，即位于与球壳部分毗接的眼球内部。从而，可实现有 效地驱动球壳的旋转，由此可使驱动装置的所有部分彼此靠近地定 位，以便它们可以相对较小，但是仍然可生成足够的驱动力以便进行 快速运动。
更好地，两个电线圏的轴在与眼睛单元的主视向基本上垂直的平 面上彼此基本上垂直地走向。从而，根据提供给线圏的电流，电线圏 可产生期望的磁场，并且磁性元件将根据该磁场而相对于电线團移 动。按照这种方式，可对磁性元件相对于线圏的相对运动进行控制。
在优选实施例中，将磁性元件固定到携载旋转球壳的结构上，即 固定到携载眼球的结构上，并且将电线團固定到球壳上。从而，眼球 的旋转部分具有相对小的重量，这是因为通常电线圈的重量小于磁性 元件的重量。从而，更好地，电线圈位于球壳的中心，即位于眼球的 中心，以便眼球的旋转部分的惯性矩相对较低。
在另一优选实施例中，将电线圏固定到携载旋转球壳的结构上， 并且将磁性元件固定到球壳上并位于球壳的中心，即位于眼球的中 心，以使得用于将电流提供给线圏的电线来互连静止元件。更好地， 磁性元件具有球形。从而，磁性元件将绕着球壳旋转，但是因为磁性 元件绕着其中心旋转，所以惯性矩较小。因此，更好地，在相对于所述电线圏而言的磁性元件的相对侧上， 一块铁磁材料与至少一个电线圏同轴定位。这块铁磁材料会增强电线 圏在磁性元件所处位置处的磁场。当然，这块铁磁材料还可用在其他 位置处以便影响该磁场。
在另一优选实施例中，两个同轴电线圈的轴基本上与两个其他同 轴电线圈的轴相垂直，由此磁性元件位于所述两个同轴电线圏之间。 如果磁性元件位于眼球的壳的中心，那么两个小同轴电线團可位于所
述壳内部的磁性元件的两侧以便在磁性元件的位置处创建适当磁场。 以眼球的旋转球壳可绕着不同轴旋转这样的方式将眼球的旋转
球壳附着于支撑结构上。对于球壳的这种固定而言，有各种结构是可 用的，然而在优选实施例中，借助于万向架将旋转球壳附着于携载旋 转壳的支撑结构上，由此使万向架位于球壳内部，即位于眼球内部。
更好地，万向架包括万向环，其中万向环绕着相对于携载旋转球 壳的结构(即携栽眼球的结构)而言的第一轴进行旋转，并且其中万 向环绕着相对于旋转球壳而言的第二轴进行旋转，并且其中这两个轴 在万向环的平面上彼此相垂直地延伸。从而，用于支撑旋转球壳的万 向架以及用于使球壳旋转的驱动装置可位于眼球内部。当在下文中对 本发明的实施例进行描述时，将对万向架进行进一步说明。
可将用于对位于眼睛系统前面的感兴趣对象进行检测的照相机 固定到携载眼睛单元的支撑结构上。从而，可以检测感兴趣对象的位 置并且电子控制系统可以以将眼睛指引向该感兴趣对象这样的方式 来旋转眼球的球壳。然而，更好地，将至少一个照相机固定到眼球的 旋转球壳中，其中可以以照相机使感兴趣对象保持在其视场中心这样 的方式来旋转该球壳。相对小的照相机是可得到的，以便还可将两个 照相机安装在眼球内部。更好地， 一个照相机是广角照相机并且另一
照相机是远距照相机。在US - A - 2005/0185945中描述了这样的两个 照相机在眼睛系统中的使用和控制功能。
在优选实施例中，用于检测旋转球壳的位置的装置包括固定到携 载该旋转球壳的结构上的四个定子传感器部分，其中每个定子传感器 部分具有凹形球面，而且该装置包括在眼球的后侧固定到旋转球壳上 并且具有凸形球面的转子传感器部分，该凸形球面可沿着所述四个定 子传感器部分的球面部分移动。从而，这四个定子传感器部分中的每
6一个可对转子传感器部分靠近其凹面的程度进行检测，并且可根据此 来对眼球的球壳的确定旋转位置进行测量。
眼球的旋转部分可以相对于其中心平衡，其中位于眼球前面的一 个或者多个照相机的重量与位于球壳后侧的旋转传感器部分的重量 相平衡。
为了容纳用于将电流提供给旋转眼球的电线，在转子传感器部分 和四个定子传感器部分的中心部分可存在开口 ，该开口具有相对大的 尺寸，以便它们在眼球的每个旋转位置中彼此重叠。
现在借助于对包括具有旋转球壳的眼球和用于使该球壳旋转的 驱动装置的人工眼系统的实施例的描述来对本发明进行进一步说明，
其中参考了包括有示意性透视图的附图，附图中
图1是包括有两个眼睛单元的眼睛系统的透视图； 图2给出了具有旋转球壳的支撑结构； 图3给出了眼球的球壳中的不同部分； 图4是眼球一部分的另一视图5给出了用于对球壳的旋转位置进行检测的传感器；以及 图6给出了该传感器的后侧。
这些附图仅仅是眼睛系统的实施例的示意性表示，其中仅示出了 有助于阐述本发明的那些部分。
图1给出了包括有携载两个眼睛单元2、 3的支撑结构1的眼睛 系统。眼睛单元2包括支撑环4，其中借助于螺钉(未示出)等将该 支撑环4固定到支撑结构1上。环形部分24附着于支撑环4上，并 且固定眼球盖5附着于环形部分24上。固定眼球盖5是具有相对大 开口 6位于眼睛单元2的前侧的球壳。在眼睛单元2前侧具有相对小 开口 8的旋转球壳7在眼球盖5的内部。位于旋转球壳7的内部并且 固定到旋转球壳7上的是通过所述开口 8进行观看的照相机9。通过 旋转在固定眼球盖5内部的球壳7，眼睛单元2看来像在固定眼睑中 具有旋转眼球的人眼。
7图1示出的眼睛单元3不具有固定眼球盖5并且不具有眼睛单元 2的图示中所示的旋转球壳7。因此，该图中示出了眼睛单元3的眼 球的旋转球壳内部的部分。眼球的旋转部分包括位于前侧的照相机 10，并且眼球的旋转球壳附着于照相机10上。在其后侧，将照相机 10固定到位于眼球中心的磁性元件11上。磁性元件11具有球形表 面并且可绕着其中心转动，以便照相机10与球壳(眼睛单元3中未 示出)一起可旋转到期望位置。
由四个电线圏12、 13、 14、 15来驱动球形磁性元件11的旋转运 动。在图1中仅可见三个电线圏12、 13以及14，电线圏15隐藏在 照相机10后面。将所有四个电线圏12、 13、 14、 15安装在支撑件 16中，该支撑件16通过环形部分24固定到支撑环17上。两个电线 圏12和13同轴地位于磁性元件11的相对侧上，并且这同样适用于 两个电线圏14和15。两个同轴电线圏12和13的轴与两个同轴电线 圏14和15的轴相垂直，并且这两个轴位于与照相机10的主视向相 垂直的平面中。通过向四个电线圏12、 13、 14、 15提供电流，可对 磁性元件11的旋转位置进行控制，以便可改变照相机10的视向以及 固定到照相机10的球壳(眼睛单元3中未示出)。
借助于所谓的万向架将磁性元件11连接到支撑件16，所述万向 架即就是例如用于陀螺仪或者航海指南针的、给出了绕着两个垂直轴 的旋转自由度的结构。万向架包括万向环18。万向环18与支撑件16 相连，由此它可绕着相对于支撑件16而言的第一轴旋转，并且万向 环18与磁性元件11相连并与旋转球壳相连，由此它可绕着相对于磁 性元件11而言的第二轴旋转。所述这两个轴彼此垂直交叉。
图2示出了如图1所示的眼睛单元3，其中球壳19附着于照相 机10上。图2中未示出在图1的眼睛单元2中所示的固定眼球盖5。 图2还示出了连接在支撑环17与支撑件16之间的环形部分24。
图3示出了处于不同透视图中的图1的眼睛单元3。该图示出了 支撑环17，并且通过环形部分24将支撑件16固定到其上。支撑件 16携载四个电线圏12、 13、 14、 15;在图3中仅可见三个电线圏12、 13、 15。附图中未示出用于将电流提供给这四个电线圏12、 13、 14、 15的电线。此外也未示出至照相机10的电线。
旋转磁场元件11位于电线圏12、 13、 14、 15之间并且通过包括
8有万向环18的万向架而与支撑件16相连。万向环18通过两个同轴 销20、 21与磁性元件11相连并且可相对于磁性元件11围绕这些销 20、 21旋转。万向环18借助于两个同轴销22、 23与支撑件16相连， 其中在图3中仅可见销22的端部。万向环18可相对于支撑件16围 绕着这些销22、 23旋转。由于该万向架，球形磁性元件ll可相对于 支撑件16围绕着位于与照相机10的主视向相垂直的平面上的两个垂 直轴旋转，而该照相机10固定到磁性元件11上。
图4示出了与图3所示相同、然而处于不同透视图中的眼睛单元 3，其中除去了支撑环17。支撑件16附着于环形部分24上，该环形 部分24可附着于支撑环17上(参见图3)。图4示出了固定在支撑 元件16中并且环绕J求形磁性元件11的所有四个电线圏12、 13、 14、 15。此外，示出了用于使照相机10与磁性元件11相连的连接元件 25。
如图4所示，眼睛单元3的旋转部分包括转子传感器部分26, 该转子传感器部分26具有伞形状并且固定到磁性元件11的后侧，即 固定到与照相机所附着的前侧相对的侧上。转子传感器部分26具有 凸球形外表面27，该凸形球形外表面27具有与磁性元件11相同的 中心。当磁性元件11旋转时，转子传感器部分26的凸球形外表面 27沿着固定到环形部分24上的四个定子传感器部分28、 29、 30的 凹球形表面移动。在图4中仅示出了两个定子传感器部分28、 29。
图5示出了球形磁性元件11，其具有用于收纳销21 (参见图3) 的孔31以便磁性元件11可绕着所述销21的轴旋转。将伞形转子传 感器部分26固定到球形磁性元件11上，以便转子传感器部分26的 凸外表面27位于定子传感器部分28、 29、 30的凹面附近。从而，这 四个定子传感器部分的每一个对转子传感器部分26的存在度进行检 测，以便可对转子传感器部分26的旋转位置(就是旋转球壳的旋转 位置)进行测量。图5示出了四个定子传感器部分28、 29、 30中的 三个，但是很显然的是第四个定子传感器部分装配在所示定子传感器 部分28、 30之间以便形成几乎半球的凹球形表面。
图6示出了与图5所示相同的部分，但是是从另一侧来显示。从 后侧示出了定子传感器部分28、 29、 30，并且在除去了第四定子传 感器部分的位置处可看见转子传感器部分26的凸外表面27。四个定子传感器部分28、 29、 30固定到环形部分24上，该部分24可附着 于支撑环17上(参见图2和3 )。
人工眼系统的所述实施例仅是根据本发明的眼睛系统的示例；许 多其他实施例是可能的。
权利要求
1、一种人工眼系统，包括至少一个眼睛单元(2，3)，该眼睛单元具有包括旋转球壳(7，19)的眼球并且具有用于使所述旋转球壳(7，19)绕着其中心旋转的驱动装置，该驱动装置包括磁性元件(11)和电线圈(12，13，14，15)，其特征在于该磁性元件(11)和电线圈(12，13，14，15)位于所述旋转球壳(7，19)内部。
2、 如任何一个先前权利要求所述的眼睛系统，其特征在于所述 两个电线圏(12, 13， 14， 15)的轴在与所述眼睛单元(2， 3)的主 视向基本上垂直的平面上彼此基本上垂直走向。
3、 如权利要求1或2所述的眼睛系统，其特征在于所述磁性元 件(11)固定到携载所述旋转球壳(7， 19)的结构(1)上，并且所 述电线圏固定到所述球壳(7, 19)上。
4、 如权利要求3所述的眼睛系统，其特征在于所述电线圏位于 所述球壳(7, 19)的中心。
5、 如权利要求1或2所述的眼睛系统，其特征在于所述电线圈 (12， 13， 14， 15)固定到所述携载旋转球壳(7， 19)的结构(1)上，并且所述磁性元件(11)固定到所述球壳(7， 19)上且位于所 述球壳(7， 19)的中心。
6、 如权利要求5所述的眼睛系统，其特征在于在对于所述电线 圏而言的所述磁性元件(11 )的相对侧上， 一块铁磁材料与至少一个 电线圈(12， 13， 14， 15)同轴定位。
7、 如权利要求5所述的眼睛系统，其特征在于两个同轴电线團 (12, 13)的轴基本上与两个其他同轴电线圏(14， 15)的轴相垂直，由此所述磁性元件(11 )位于所述两个同轴电线圏(12， 13; 14， 15) 之间。
8、 如任何一个先前权利要求所述的眼睛系统，其特征在于借助 于万向架将所述旋转球壳(7， 19)附着于携载所述旋转壳(7， 19) 的结构(1)上，其中所述万向架位于所述球壳(7， 19)内部。
9、 如权利要求8所述的眼睛系统，其特征在于所述万向架包括 万向环(18 )，其中所述万向环(18 )绕着关于所述携栽旋转球壳(7, 19)的结构(1)的第一轴旋转，以及其中所述万向环(18)绕着关于所述旋转球壳(7， 19)的第二轴旋转，并且其中这两个轴在所述 万向环(18)的平面上彼此相垂直地延伸。
10、 如任何一个先前权利要求所述的眼睛系统，其特征在于至少 一个照相机(9， 10)固定到所述旋转球壳(7， 19)中。
11、 如任何一个先前权利要求所述的眼睛系统，其特征在于用于 对所述旋转球壳的位置进行检测的装置包括固定到携栽所述旋转球 壳(7, 19)的结构(1)上的四个定子传感器部分(28， 29， 30)， 其中每个定子传感器部分(28， 29， 30)具有凹形球面，并且所述用 于对所述旋转球壳的位置进行检测的装置包括在眼球后侧固定到旋 转球壳(7， 19)上并且具有凸球面(27)的转子传感器部分(26)， 所述凸球面(27)可沿着所述四个定子传感器部分(28， 29， 30)的 ^t面部分移动。
全文摘要
一种人工眼系统，包括至少一个眼睛单元(2，3)，该眼睛单元具有包括旋转球壳(7，19)的眼球以及用于使所述旋转球壳(7，19)绕着其中心旋转的驱动装置。该驱动装置包括磁性元件(11)和电线圈(12，13，14，15)。该磁性元件(11)和电线圈(12，13，14，15)位于旋转球壳(7，19)内部。
文档编号H02K41/02GK101473516SQ200780023258
公开日2009年7月1日 申请日期2007年6月20日 优先权日2006年6月20日
发明者E·J·A·曼德斯, H·C·A·德克斯, T·P·H·沃默达姆 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司