一种仿人眼和人颈的视觉装置.pdf

本发明一种仿人眼和人颈的视觉装置涉及一种视觉系统平台，人眼和人颈的俯仰与平转运动灵活、协调，且具有采集图像，传输图像的功能。视觉装置由仿人眼机构、左转台部件、右转台部件、滑轨部件和仿人颈机构组成。仿人眼机构由左、右摄像头组件构成，左、右摄像头组件的构成完全对称。仿人颈机构由俯仰与平转两部分传动机构组成，俯仰传动机构由仿人颈机构内部的俯仰电机与俯仰蜗杆涡轮传动来实现，平转传动机构由仿人颈机构内部的平转电机与平转蜗杆涡轮传动来实现。滑轨部件中滑轨横梁是一条带有刻度的具有两条燕尾槽的滑轨；本发明采用独立电源，环境适应能力强；运动精度高、平稳、噪音小；机构简单、性能可靠、功率小。

1.  一种仿人眼和人颈的视觉装置，其特征是，视觉装置由仿人眼机构(I)、左转台部件(II)、右转台部件(III)、滑轨部件(IV)和仿人颈机构(V)组成；
仿人眼机构(I)由左、右摄像头组件构成，左、右摄像头组件的构成完全对称；左、右摄像头组件中有左、右CCD摄像机(1、2)，每个CCD摄像机底部有摄像机支撑板(4)，摄像机支撑板(4)通过摄像机支撑螺栓(3、3′)支撑左、右CCD摄像机(1、2)；摄像机支撑板(4)通过摄像头联接螺栓(5)与左、右转台部件中的旋转台(63、63‘)上的旋转台螺孔(54)联接；左、右CCD摄像机(1、2)后面有USB2.0的数据线接口，侧面有电机中变倍、聚焦、光圈三个直流电机的控制线；
仿人颈机构(V)由俯仰与平转两部分传动机构组成，俯仰传动机构由仿人颈机构内部的俯仰电机与俯仰蜗杆涡轮传动来实现，平转传动机构由仿人颈机构内部的平转电机与平转蜗杆涡轮传动来实现；
俯仰电机(16)通过俯仰固定螺栓(38)固定在俯仰电机支架(9)中；俯仰电机输出轴(40)与俯仰蜗杆(39)相连，支撑俯仰蜗杆(39)的两个俯仰轴承(41、41‘)安装在俯仰电机支架(9)中，与俯仰蜗杆(39)相啮合的俯仰涡轮(17)通过俯仰销(18)安装在横梁(19)上，支撑横梁(19)的两个横梁轴承(20，20‘)安装在俯仰电机支架(9)中；横梁(19)两端分别安装有左、右两个接合盘(21、21‘)；安装在俯仰电机支架(9)上用于限定俯仰电机(16)前后俯仰极限位置的挡块(42)插入左接合盘(21‘)的扇形凹槽中，挡片(25)焊接在右边的接合盘(21)下面，两个厚垫圈(43、43‘)安装在两个凸盘(23、23‘)的外侧，两个压盖(44、44‘)分别套在两个厚垫圈(43、43‘)上，用四个压盖螺栓(45)分别将压盖(44、44‘)固定在仿人颈机构外壳(6)的两侧；在压盖(44、44‘)的两侧，三个接合螺栓(22、22‘)穿过V形块(46，46‘)上三个圆孔将V形块(46，46‘)、凸盘(23，23‘)固定在接合盘(21，21‘)上；两个V形块(24，24‘)两端各有两个螺孔留作与其它平台的接口；俯仰电机支架(9)通过联架螺栓(7)与支架销(8)固定在平转电机支架(10)上；
平转电机(37)通过平转固定螺栓(36)固定在平转电机支架(10)中；平转电机输出轴(31)与平转蜗杆(29)相连，支撑平转蜗杆(29)的两个平转杆蜗轴承(28，28‘)安装在平转电机支架(10)中，与平转蜗杆(29)相啮合的平转涡轮(30)通过键安装在支柱(34)上，平转涡轮(30)下端安装平转挡片(35)与光电开关配合防止平转电机过转；支柱(34)上端轴承(27)安装在平转电机支架(10)顶孔中，上端轴承(27)的顶端被限位螺母(26)限位；下端轴承(32)装在电机承载平台(13)中心的轴承孔里，平转涡轮(30)不转动，平转蜗杆(29)带动电机承载平台(13)旋转；支柱(34)底端固连传动头(33)，托盘(15)分为托盘上层(e)和托盘下层(f)，传动头(33)通过凸台螺栓(14)与托盘上层(e)联接，托盘下层(f)上的圆孔通过凸盘通孔(d)引出电机控制线；平转电机支架(10)通过四个承载平台螺栓(12)与电机承载平台(13)相固定；仿人颈机构外壳(6)与电机承载平台(13)将俯仰电机支架(9)与平转电机支架(10)上下合扣在一起；电机承载平台(13)均布八个走线孔(11)；
左、右转台部件(II、III)通过转台螺栓(61)将转台主架(60)固定在滑块(47)上；转台电机(51)通过四个转台联接螺栓(66)与转台支架板(56)相固定，手动调节旋钮(50)固连在转台电机(51)的转台电机输出轴(57)上；转台电机(51)传动轴通过联轴器(52)联接转台蜗杆(67)，支撑转台蜗杆(67)两端的转台蜗杆轴承(68)安装在转台侧架(59)上；转台侧架(59)通过两个侧架螺栓(53)通过主架螺孔(69)联接到转台主架(60)上，并通过主侧架定位销(58)定位；与转台蜗杆(67)啮合的转台涡轮(76)安装在转台涡轮轴(75)上，转台涡轮轴(75)底端安装涡轮轴底端轴承(74)，转台支架底盘(71)通过四个底盘螺钉(72)固连在转台主架(60)上，卡圈(73)通过卡圈螺钉(70)固连在转台主架(60)上；转台涡轮轴(75)顶端安装涡轮轴顶端轴承(77)，涡轮轴顶端轴承(77)安装在转台主架(60)顶端的轴承孔中；旋转台(63)下表面与顶端套圈(78)接触，顶端套圈(78)顶在涡轮轴顶端轴承(77)上，用四个旋转台螺栓(65)将旋转台(63)与顶端套圈(78)转台涡轮轴(75)固定在一起；旋转台(63)上表面均布有四个旋转台螺孔(64)；旋转台(63)外圈套带有刻度的尺度圈(62)；
滑轨部件(IV)中滑轨横梁(46)是一条带有刻度的具有两条燕尾槽(c)的滑轨；滑轨横梁(46)中间有两条长条形通槽(a)；滑轨横梁(46)用四个滑轨联接螺栓(55)通过圆形通孔(b)与仿人颈机构的两个V型块(24)联接；滑块(47)通过卡块(48)及卡块上的旋紧螺栓(49)将自身装夹在燕尾槽(c)中；两个滑块(47)可以根据滑轨横梁(46)上的刻度进行粗略定位；每个滑块(47)上钻有各种规格的圆孔用来配合不同联接口的承载物。

一种仿人眼和人颈的视觉装置
技术领域
本发明涉及一种视觉系统平台，人眼和人颈的俯仰与平转运动灵活、协调，且具有采集图像，传输图像的功能。
背景技术
随着机器人技术的快速发展，机器人控制技术已经愈来愈成熟、可靠、精确，在工业和军事等领域都有广泛的应用。但它们大多数只是作为一个执行机构，不以视觉输入与伺服机构相结合。这主要是由于在机器人控制领域，大多是把输入数据以及处理与伺服机构分为两个独立的模块。这样做的好处是控制与计算分开，稳定性好，系统复杂程度低，便于管理，但这种旧式的机器人系统庞大、功率大、噪声大、不适合实验室等小型实验操作。在机器人视觉追踪领域，需要自由的目标追踪体系，需要图像数据输入与伺服机构结合在一起运动，需要有精确的运动精度，需要独立电源以便可以在任何环境下任务作业。仿人眼颈视觉系统平台正是应对于这些需要而产生的。
发明内容
本发明解决的技术问题：该发明提供了一种仿人眼人颈视觉平台。该视觉平台具有双CCD摄像机读取图像信息，同时协调人眼和人颈的俯仰与平转运动，可以完成较为复杂的立体视觉追踪的任务。其内部使用的电机精确度高、运行稳定、噪声小。所用电源为独立电源，在任何环境下都可以进行实验与操作。
本发明采用的技术方案是一种仿人眼和人颈的视觉装置，该视觉装置由仿人眼机构I、左转台部件II、右转台部件III、滑轨部件IV和仿人颈机构V组成；
仿人眼机构I由左、右摄像头组件构成，左、右摄像头组件的构成完全对称。左、右摄像头组件中有左、右CCD摄像机1、2，每个CCD摄像机底部为摄像机支撑板4，摄像机支撑板4通过摄像头联接螺栓5与左、右转台部件中的旋转台63、63‘上的旋转台螺孔54联接。摄像机支撑板4通过摄像机支撑螺栓3、3‘支撑左、右CCD摄像机1、2。左、右CCD摄像机1、2后面有USB2.0的数据线接口，侧面有电机中变倍、聚焦、光圈三个直流电机的控制线。
仿人颈机构V由俯仰与平转两部分传动机构组成，俯仰传动由仿人颈机构内部的俯仰电机与俯仰蜗杆、涡轮传动来实现，平转传动由仿人颈机构内部的平转电机与平转蜗杆、涡轮传动来实现。
俯仰电机16通过俯仰固定螺栓38固定在俯仰电机支架9中。俯仰电机输出轴40与俯仰蜗杆39相连，支撑俯仰蜗杆39的两个俯仰轴承41、41‘安装在俯仰电机支架9中，与俯仰蜗杆39相啮合的俯仰涡轮17通过俯仰销18安装在横梁19上，支撑横梁19的两个横梁轴承20，20‘安装在俯仰电机支架9中。横梁19两端分别安装有左、右两个接合盘21、21‘。安装在俯仰电机支架9上用于限定俯仰电机16前后俯仰极限位置的挡块42插入左接合盘21‘扇形凹槽中，挡片25焊接在右边的接合盘21下面，两个厚垫圈43、43‘安装在两个凸盘23、23‘的外侧，两个压盖44、44‘分别套在两个厚垫圈43、43‘上，用四个压盖螺栓45分别将压盖44、44‘固定在仿人颈机构外壳6的两侧。在压盖44、44‘的两侧，三个接合螺栓22、22‘穿过V形块46，46‘上三个圆孔将V形块46，46‘、凸盘23，23‘固定在接合盘21，21‘上。两个V形块24，24‘两端各有两个螺孔留作与其它平台的接口。俯仰电机支架9通过联架螺栓7与支架销8固定在平转电机支架10上。
平转电机37通过平转固定螺栓36固定在平转电机支架10中。平转电机输出轴31与平转蜗杆29相连，支撑平转蜗杆29的两个平转杆蜗轴承28，28‘安装在平转电机支架10中，与平转蜗杆29相啮合的平转涡轮30通过键安装在支柱34上，平转涡轮30下端安装平转挡片35与光电开关配合防止平转电机过转。支柱34上端轴承27安装在平转电机支架10顶孔中，上端轴承27的顶端被限位螺母26限位。下端轴承32装在电机承载平台13中心的轴承孔里，平转涡轮(30)不转动，平转蜗杆(29)带动电机承载平台(13)旋转。支柱34底端固连传动头33，托盘15分为托盘上层e和托盘下层f，传动头33通过凸台螺栓14与托盘上层e联接，托盘下层f上的圆孔通过凸盘通孔d引出电机控制线。平转电机支架10通过四个承载平台螺栓12与电机承载平台13相固定。仿人颈机构外壳6与电机承载平台13将俯仰电机支架9与平转电机支架10上下合扣在一起。电机承载平台13均布八个走线孔11。
左、右转台部件II、III通过转台螺栓61将转台主架60固定在滑块47上。转台电机51通过四个转台联接螺栓66与转台支架板56相固定，手动调节旋钮50固连在转台电机51的转台电机输出轴57上。转台电机51传动轴通过联轴器52联接转台蜗杆67，支撑转台蜗杆67两端的转台蜗杆轴承68安装在转台侧架59上。转台侧架59通过两个侧架螺栓53通过主架螺孔69联接到转台主架60上，并通过主侧架定位销58定位。与转台蜗杆67啮合的转台涡轮76安装在转台涡轮轴75上，转台涡轮轴75底端安装涡轮轴底端轴承74，转台支架底盘71通过四个底盘螺钉72固连在转台主架60上，卡圈73通过卡圈螺钉70固连在转台主架60上。转台涡轮轴75顶端安装涡轮轴顶端轴承77，涡轮轴顶端轴承77安装在转台主架60顶端的轴承孔中。旋转台63下表面与顶端套圈78接触，顶端套圈78顶在涡轮轴顶端轴承77上，用四个旋转台螺栓65将旋转台63与顶端套圈78转台涡轮轴75固定在一起。旋转台63上表面均布有四个旋转台螺孔64。旋转台63外圈套带有刻度的尺度圈62。
滑轨部件IV中滑轨横梁46是一条带有刻度的燕尾槽c滑轨。滑轨横梁46中间有两条长条形通槽a。滑轨横梁46用四个滑轨联接螺栓55通过圆形通孔b与仿人颈机构的两个V型块24联接。滑块47通过卡块48及其上的旋紧螺栓49将自身装夹在燕尾槽c中。两个滑块47可以根据滑轨横梁46上的刻度进行粗略定位。每个滑块47上钻有各种规格的圆孔用来配合不同联接口的承载物。
本发明的显著效果是该机构采用独立电源，环境适应能力强，在不同环境中运动，都能保证仿人眼视觉平台良好运行。仿人眼颈视觉平台有定位机构，可以保证一定的摄像机定位要求。在运行过程中，人眼和人颈的俯仰与平转运动可以相互协调，运动精度高、平稳、噪音小。在机械结构或电路结构中分别具有过转保护。该发明具有机构简单、性能可靠、功率小的特点。
附图说明
附图1仿人眼和人颈的视觉装置外观图，附图2仿人眼和人颈的视觉装置装配简图，附图3仿人眼和人颈的视觉装置装配侧视图，附图4去掉外壳仿人颈机构外观图，附图5仿人颈机构分解图，附图6仿人颈机构爆炸图，附图7滑轨部件与转台部件装配简图，附图8转台部件装配简图，附图9转台部件爆炸图。其中：I-仿人眼机构，II-右转台部件，III-左转台部件，IV-滑轨部件，V-仿人颈机构，a-长条形通槽，b-圆形通槽，c-燕尾槽，d-凸盘通孔，e-托盘上层，f-托盘下层，1-左CCD摄像机，2-右CCD摄像机，1-左CCD摄像机，2-右CCD摄像机，3-摄像机支撑螺栓，4-摄像机支撑板，5-摄像头联接螺栓，6-仿人颈机构外壳，7-联架螺栓，8-支架销，9-俯仰电机支架，10-平转电机支架，11-走线孔，12-承载平台螺栓，13-电机承载平台，14-凸台螺栓，15-托盘，16-俯仰电机，17-俯仰涡轮，18-俯仰销，19-横梁，20-横梁轴承，21-接合盘，22-接合螺栓，23-凸盘，24-V形块，25-挡片，26-限位螺母，27-上端轴承，28-平转蜗杆轴承，29-平转蜗杆，30-平转涡轮，31-平转电机输出轴，32-下端轴承，33-传动头，34-支柱，35-平转挡片，36-平转固定螺栓，37-平转电机，38-俯仰固定螺栓，39-俯仰蜗杆，40-俯仰电机输出轴，41-俯仰轴承，42-挡块，43-厚垫圈，44-压盖，45-压盖螺栓，46-滑轨横梁，47-滑块，48-卡块，49-旋紧螺栓，50-手动调节旋钮，51-转台电机，52-联轴器，53-侧架螺栓，54-旋转台螺孔，55-滑轨联接螺栓，56-转台支架板，57-转台电机传动轴，58-主侧架定位销，59-转台侧架，60-转台主架，61-转台螺栓，62-尺度圈，63-旋转台，64-旋转台螺孔，65-旋转台螺栓，66-转台联接螺栓，67-转台蜗杆，68-转台蜗杆轴承，69-主架螺孔，70-卡圈螺钉，71-转台支架底盘，72-底盘螺钉，73-卡圈，74-涡轮轴底端轴承，75-转台涡轮轴，76-转台涡轮，77-涡轮轴顶端轴承，78-顶端套圈。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施。该发明以步进电机为动源，通过涡轮蜗杆传动装置改变电机的转动量来达到人眼和人颈的俯仰与平转运动。仿人眼颈视觉平台由仿人颈机构为支撑平台，滑块、滑轨横梁为定位模块，转台为旋转补偿，双CCD摄像机为图像输入，通过USB2.0数据传输方式传入到计算机进行处理，使其可以与计算机以及控制、驱动电路相结合成为一整套的视觉跟踪系统。
仿人颈机构V的俯仰与旋转分别由仿人颈机构内部的俯仰电机16与平转电机37来实现。俯仰电机16将转动量传输给俯仰蜗杆39，俯仰蜗杆39转动量传输给俯仰涡轮17继而传输给横梁19及其联接的接合盘21、21‘和V形块(24)。V形块24便可带动其承载的所有部件或组件进行俯仰运动。
平转电机37将转动量传输给平转蜗杆29，其中涡轮、蜗杆的传动比为90∶1。平转蜗杆29将转动量传输给平转涡轮30。平转涡轮30、支柱34、传动头33以及其联接的托盘15相对于水平位置固定不动，平转涡轮30将反作用力传送给平转蜗杆29致使平转电机37带动平转电机支架10以及电机承载平台13在下端轴承32的支撑下进行水平旋转运动。
平转涡轮30下端焊接了一个挡片25，可以在电机承载平台13底部装配光电开关来限制确定水平运转的极限位置。俯仰涡轮17将俯仰蜗杆39传输出来的垂直于水平Y轴方向的电机转动量转化为垂直于水平X轴方向的涡轮转动量。其中涡轮蜗杆的传动比为90∶1。由于俯仰电机承受力矩的能力有限，俯仰在前后60°以内，所以俯仰涡轮17做成了60°扇形。左面的接合盘21下面相对于俯仰涡轮17边缘铣出60°凹槽，固定于俯仰电机支架9侧面的挡块42插入凹槽中限制俯仰涡轮17的极限运动位置，右边的接合盘21‘下面焊接60°的挡片47与光电开关相配合使用，两者作为俯仰电机过转机械、电子双重限制。
电机承载平台37钻有走线孔11，用来走仿人颈中俯仰与平转电机的控制线。托盘中层f上的圆孔57通过凸盘通孔d引出电机控制线。
滑轨横梁46通过四个滑轨联接螺栓55与仿人颈机构的V型块24联接。滑块47通过卡块48及其上的旋紧螺栓49将自身装夹在燕尾槽c中。两个滑块47可以根据滑轨横梁46上的刻度进行粗略定位，定位误差为0.5mm。
两个转台螺栓61将转台固定在滑块47上。转台电机传动轴57后面联接着手动调节螺钮50可以手动调节电机的转动位置。转台涡轮76将转台蜗杆67传输出来的垂直于水平Y轴方向的电机转动量转化为平行于水平方向的涡轮转动量。转台电机51将转动量通过联轴器52传输给转台蜗杆67，转台蜗杆67以90∶1的传动比将转动量传输给转台涡轮76继而通过转台涡轮轴75、卡圈73传输给旋转台63。旋转台63便可带动其承载的所有部件或组件进行水平旋转运动。控制信号四分频时单步精确度可达0.0125°左右。
摄像机支撑板4通过摄像头联接螺栓5与旋转台63联接。摄像机支撑板(4)通过摄像机支撑螺栓3支撑CCD摄像机。左、右CCD摄像头1、2可以将采集到的图像信息通过数据线传输到终端设备中。