本發明涉及機器人領域，仿生眼裝置，具體來說，是一種可以模擬人及多種動物眼球及眼皮運動的機械裝置。

背景技術：

眼睛在人類進行交流時起到重要的作用。當今機器人技術快速發展，此背景下，一方面，需要機器人具有模擬眼睛運動的功能，以便提高機器人的真實感和被接受度。另一方面，機器人視覺也需要眼球模擬裝置的轉向配合，以便收集范圍更廣的影像信息，從而更好的服務于之后的圖像處理過程。但是目前的解決方案往往復雜，且不能很好的將眼球運動和眼皮運動相集成。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提出一種通過旋轉型驅動器以及鋼絲拉桿的配合模擬眼球兩個方向轉動，以及眼皮開合運動的機械仿生眼裝置，具有機構簡單、控制方便、集成設計和體積小等優點，還可以應用于其它轉動機器人關節、指向機構以及影視道具等領域。

本發明機械仿生眼裝置，包括眼球架、眼皮架、眼球轉動機構和眼皮開合機構。所述眼球架為圓形框架結構，用來安裝仿真眼球。沿眼球架一條直徑設計有中軸；中軸中部鉸接于支撐臺，形成具有繞y軸轉動的轉動副。眼皮架包括上眼皮架與下眼皮架；上眼皮架與下眼皮架為半環形框架結構，位于眼球架上下位置，分別用來安裝仿真上眼皮和仿真下眼皮。上眼皮架與下眼皮架兩端端部重疊設置，分別與位于兩側的伸出臂鉸接，形成繞x軸轉動的轉動副。上述眼球架由x軸轉動控制支鏈控制眼球架繞x軸轉動，由y軸轉動控制支鏈控制眼球架繞y軸轉動；而眼皮架由眼皮開合機構控制上眼皮架與下眼皮架繞x軸轉動。

如權利要求1所述一種機械仿生眼裝置，其特征在于：x軸轉動控制支鏈包括x軸轉動驅動舵機、球頭扣、上端軸拉桿、搖臂頭與上端軸；其中，x軸轉動驅動舵機的輸出軸沿x軸設置，輸出軸上安裝有舵機臂，舵機臂的輸出端通過球頭扣連接上端軸拉桿的輸入端，上端軸拉桿輸出端搖臂頭鉸接，形成具有繞y軸轉動的轉動副；搖臂頭與上端軸鉸接，形成轉動副；上端軸固定安裝于眼球架內，與中軸平行。

y軸轉動運動支鏈包括y軸轉動驅動舵機與中軸拉桿；其中，y軸轉動驅動舵機的輸出軸沿y軸設置，輸出軸上安裝有舵機臂；舵機臂的輸出端與中軸拉桿的輸入端鉸接，型成具有繞y軸轉動的轉動副；中軸拉桿的輸出端與中軸鉸接，鉸接位置靠近中軸端部，形成具有繞y軸轉動的轉動副。

由此，通過x軸轉動驅動舵機的舵機臂擺動，可使眼球架旋轉。通過y軸轉動驅動舵機的舵機臂擺動時，可使中軸旋轉，從而帶動眼球架旋轉。

眼皮開合機構包括開合驅動舵機、上眼皮架拉桿、下眼皮架拉桿；其中，開合驅動舵機輸出軸沿x軸設置；開合驅動舵機輸出軸上安裝有舵機臂；舵機臂上眼皮架拉桿與下眼皮架拉桿的輸入端分別鉸接于舵機臂的輸出端，形成具有繞x軸轉動的轉動副；上眼皮架拉桿與下眼皮架拉桿的輸出端分別鉸接于上眼皮架和下眼皮架外壁上，形成具有繞x軸轉動的自由度。當開合驅動舵機運動時，開合驅動舵機的舵機臂擺動，可帶動上眼皮架拉桿和下眼皮架拉桿同時運動，從而同時實現上眼皮架和下眼皮架的開合運動，使眨眼動作更加自然。

本發明的優點在于：

1、本發明機械仿生眼裝置，能夠模擬多種動物眼睛的轉動和眨眼動作，且將所有的驅動器都固定在底座上，提高了運動的靈活性。

2、本發明機械仿生眼裝置，在模擬眼皮運動時，設計了上下眼皮的聯動方式，使用一個驅動器同時驅動上下眼皮，使得眨眼動作更自然逼真。

3、本發明機械仿生眼裝置，使用了旋轉式驅動器，避免了使用直線式驅動器，使得驅動器選型方便，成本較低。

4、本發明機械仿生眼裝置，在設計眼球轉動和眼皮運動時，使用鋼絲拉桿來傳遞驅動器的運動，進一步降低了成本，并且可減輕裝置的重量。

5、本發明機械仿生眼裝置，采用了模塊化設計，維修和拆裝方便，而且在一定范圍內，可以更換不同長度的鋼絲拉桿，從而調節驅動器的位置，以便更好的適應不同的安裝需求。

附圖說明

圖1為本發明機械仿生眼裝置整體結構示意圖；

圖2為本發明機械仿生眼裝置中眼球運動機構示意圖；

圖3為本發明機械仿生眼裝置中眼皮架張開示意圖；

圖4為本發明機械仿生眼裝置中眼皮架閉合示意圖；

圖5為本發明機械仿生眼裝置的仿真安裝效果圖。

圖中：

1-安裝底板 2-眼球架 3-眼皮架

4-眼球轉動機構 5-眼皮開合機構 6-仿生眼球

7-仿真上眼皮 8-仿真下眼皮 101-支撐臺

102-伸出臂 201-中軸 401-x軸轉動驅動舵機

402-球頭扣 403-上端軸鋼絲拉桿 404-搖臂頭

405-上端軸 406-y軸轉動驅動舵機 407-中軸鋼絲拉桿

501-開合驅動舵機 502-上眼皮架鋼絲拉桿 503-下眼皮架鋼絲拉桿

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行詳細說明。

本發明機械仿生眼裝置，包括安裝底板1，眼球架2、眼皮架3、眼球轉動機構4和眼皮開合機構5，如圖1所示。

所述安裝底板1前緣中部安裝有支撐臺101，用來定位支撐眼球架2。同時，安裝底板1前緣左右兩側安裝有伸出臂102，用來定位支撐眼皮架3。

所述眼球架2為圓形框架結構，用于安裝仿生眼球6。沿眼球架2任意一條直徑設計有中軸201，中軸201兩端穿過眼球架2上相對位置設計的通孔后，套接卡環202，實現中軸201的定位，且形成轉動副A；中軸201通過定位螺栓依次穿過中軸201中部以及支撐臺101上開設的安裝孔后，與螺母配合，實現中軸201與支撐臺101間的鉸接定位，形成轉動副B，轉動副B的軸線沿豎直的y軸方向。上述眼球架2處于初始狀態時，轉動副A的軸線沿水平x軸方向。

所述眼皮架3包括上眼皮架與下眼皮架，分別用來安裝仿生上眼皮7與仿生下眼皮8。上眼皮架與下眼皮架為半環形框架結構，兩端端部重疊設置，分別位于眼球架2與兩側的伸出臂102之間，通過螺栓依次穿過上眼皮架端部、下眼皮架端部以及伸出臂102上開設的通孔后，與螺母配合，實現上眼皮架、下眼皮架與伸出臂102間的鉸接定位，形成轉動副C；且在眼球架2處于初始狀態時，轉動副C的軸線與轉動副B的軸線重合。

上述眼球架2由眼球轉動機構4驅動，可實現眼球架2繞x軸與y軸的轉動；而眼皮架3由眼皮開合機構5控制，可實現上眼皮架301與下眼皮架302繞x軸轉動。

所述眼球轉動機構4包括x軸轉動控制支鏈和y軸轉動控制支鏈。其中，x軸轉動控制支鏈包括x軸轉動驅動舵機401、球頭扣402、上端軸鋼絲拉桿403、搖臂頭404與上端軸405。y軸轉動運動支鏈包括y軸轉動驅動舵機406與中軸鋼絲拉桿407。

x軸轉動控制支鏈中，x軸轉動驅動舵機401的輸出軸沿x軸設置，本體部分固定安裝在安裝底板1后部右側。x軸轉動驅動舵機401的輸出軸上安裝有舵機臂，舵機臂的輸出端固定安裝有球頭扣402；球頭扣402為具有三個轉動自由度的球鉸。上端軸鋼絲拉桿403的輸入端與球頭扣402固連，輸出端與搖臂頭404鉸接，形成轉動副D，轉動副D軸線沿y軸方向。搖臂頭404套接于上端軸405中部，與上端軸405間鉸接，形成轉動副E，使兩者間可相互轉動。上端軸405設置于眼球架2內，與中軸201平行，兩端穿過眼球架2上相對位置設計的通孔后，與螺母配合，實現上端軸與眼球架間的固定。

y軸轉動運動支鏈中，y軸轉動驅動舵機406的輸出軸沿y軸設置，本體部分固定安裝在安裝底板1中部。y軸轉動驅動舵機406輸出軸上安裝有舵機臂，舵機臂的輸出端與中軸鋼絲拉桿407的輸入端鉸接，形成轉動副F，轉動副F的軸線沿y軸方向。中軸鋼絲拉桿407的輸出端與中軸201鉸接，鉸接位置靠近中軸201端部，形成轉動副G，轉動副G的軸線同樣沿y軸方向。

由此，在y軸轉動驅動舵機406停止運動的情況下，僅x軸轉動驅動舵機401運動時，x軸轉動驅動舵機401的舵機臂擺動，可使眼球架2繞轉動副A旋轉。在x軸轉動驅動舵機401停止運動的情況下，僅y軸轉動驅動舵機406的舵機臂擺動時，可使中軸201繞轉動副B旋轉，從而帶動眼球架5繞轉動副B旋轉。當x軸轉動驅動舵機401與y軸轉動驅動舵機406同時運動時，兩者的舵機臂同時擺動，可使眼球架2同時沿繞轉動副A與轉動副B進行復合轉動，從而實現仿真眼球6靈活轉動。

所述眼皮開合機構5包括開合驅動舵機501、上眼皮架鋼絲拉桿502、下眼皮架鋼絲拉桿503，如圖3、圖4所示。其中，開合驅動舵機501輸出軸沿x軸方向設置，本體部分固定安裝在安裝底板1后部左側。開合驅動舵機501輸出軸上安裝有舵機臂；上眼皮架鋼絲拉桿502與下眼皮架鋼絲拉桿503的輸入端分別鉸接于舵機臂的輸出端相對側面，形成轉動副H與轉動副I；轉動副H與轉動副I的軸線均沿x軸方向；且上眼皮架鋼絲拉桿502與下眼皮架鋼絲拉桿503的輸出端鉸接位置沿舵機搖臂軸線布置，鉸接軸軸線與舵機搖臂軸線相交；上眼皮架鋼絲拉桿502的輸入端鉸接處靠近開合驅動舵機501的輸出軸。上眼皮架鋼絲拉桿502與下眼皮架鋼絲拉桿503的輸出端分別鉸接于上眼皮架301和下眼皮架302外壁上，且分別靠近上眼皮架301與下眼皮架302端部，形成轉動副J與轉動副K；轉動副J與轉動副K的軸線均沿x軸方向。

由此，使得安裝底板1、舵機臂、上眼皮架拉桿501和上眼皮架301構成一個平面四桿機構；同時，安裝底板1、舵機臂、下眼皮架拉桿502和下眼皮架302也構成一個平面四桿機構。當開合驅動舵機501運動時，開合驅動舵機501的舵機臂擺動，可帶動上眼皮架鋼絲拉桿502和下眼皮架鋼絲拉桿503同時運動，從而同時實現上眼皮架301和下眼皮架302的開合運動，使眨眼動作更加自然。

綜上，在眼球架2、上眼皮架301和下眼皮架302上分別安裝半球型仿真眼球6與1/4球面型的仿真上眼皮7和仿真下眼皮8，通過本發明機械仿生眼裝置，可實現仿真眼球的靈活轉動控制，以及仿真上眼皮7與仿真下眼皮8間相互開合控制，形成的眨眼動作，如圖5所示。本發明中所有舵機采用型號均為Tower Pro SG90，該舵機體積較小，控制方便而且成本很低。