一种基于智能材料调控的仿人眼球装置及机器人

技术领域

本发明涉及视觉领域，尤其涉及一种基于智能材料调控的仿人眼球装置及机器人。

背景技术

随着人工智能技术的快速发展，使用机器人在复杂环境下执行侦察、排爆、巡检等各项任务已成为无人系统应用的重要方向，其中视觉模块是影响机器人作业效能的关键因素。当前视觉成像主要采用由多个镜片和电机构成的镜头组作为光学系统，通过电机驱动镜片按一定规律运动实现调焦功能，其视轴调整功能需附加两轴框架式的机械转向机构来实现，这限制了系统整体的小型化与灵巧化，同时存在易磨损、响应速度较慢等不足。

经过长期的进化与发展，人眼形成了精巧的光学结构与调节机理，因此，通过构造出与人眼相似的仿人眼视觉机构模型，在光学成像领域具有重要的应用价值。虽然目前出现了部分模拟人眼功能的仿生光机电器件，包括液晶透镜和液体透镜，但仅具备基本的调焦能力，缺乏光通量调节、转向运动等功能，与人眼视觉系统相比还相距甚远。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于智能材料调控的仿人眼球装置及机器人。

为实现上述发明目的，本发明提供一种基于智能材料调控的仿人眼球装置，包括：仿晶状体模块；

所述仿晶状体模块包括：活动件，与所述活动件相对设置的透明基板，位于所述活动件和所述透明基板之间的中间体，用于连接活动件和所述透明基板的驱动器；

所述活动件设置有第一中间通孔；

所述中间体透明且具有弹性的设置，且所述活动件和所述透明基板分别与所述中间体的相对两端相抵靠；

所述驱动器处于张紧状态，且所述驱动器用于在通电状态下调整所述活动件与所述透明基板的相对位置，以控制在所述第一中间通孔位置挤压成型的球状体结构的屈光度和/或偏转角度变化。

根据本发明的一个方面，沿所述活动件的周向，多个所述驱动器等间隔的设置。

根据本发明的一个方面，所述驱动器为线性驱动器。

根据本发明的一个方面，所述驱动器采用条形薄膜驱动器，其包括：中间层，在所述中间层相对两侧分别设置且用于连接电源正负极的电极涂覆层；

所述中间层为介电弹性体薄膜层。

根据本发明的一个方面，对所有的所述驱动器输入相同的电压以控制所述驱动器的同步伸长以控制所述球状体结构的屈光度变化；或者，对至少部分所述驱动器输入不同的电压以控制所述驱动器的异步伸长以控制所述球状体结构的屈光度和偏转变化。

根据本发明的一个方面，还包括：仿瞳孔模块；

所述仿瞳孔模块与所述仿晶状体模块具有间隔的设置，且所述仿瞳孔模块与所述球状体部分相对。

根据本发明的一个方面，所述仿瞳孔模块包括：环形支撑板和连接在所述环形支撑板上的仿瞳孔结构件；

所述仿瞳孔结构件包括：中间结构层，在所述中间结构层相对两侧设置的环形驱动电极；

所述中间结构层采用透明的介电弹性体薄膜层，其包括：中间透光部，环绕所述中间透光部的伸缩驱动部，环绕所述伸缩驱动部的固定连接部；

所述环形驱动电极设置在所述伸缩驱动部的相对两侧；

所述中间结构层通过所述固定连接部与所述环形支撑板相连接；

所述仿瞳孔结构件处于张紧状态，且所述环形驱动电极用于在通电状态下调整所述中间透光部的大小。

根据本发明的一个方面，所述中间层在预拉伸状态下设置所述电极涂覆层；

所述中间结构层在预拉伸状态下设置所述环形驱动电极。

根据本发明的一个方面，所述透明基板与所述中间体粘接设置。

为实现上述发明目的，本发明提供一种采用前述的仿人眼球装置的机器人，包括：机器人本体和安装在所述机器人本体上的仿人眼球装置；

所述机器人本体设置有感光芯片，且所述感光芯片处于所述仿人眼球装置的像侧。

根据本发明的一种方案，本发明有效实现了光学成像系统的小型化、智能化，同时具备快速调焦、调光及多维运动的优点。

根据本发明的一种方案，本发明可通过电压控制以实现自主调焦、调光及转向等功能，同时具备快速响应能力，可实现光电成像系统的小型化、集成化、智能化，有效克服了传统转向式光电载荷装备存在的体量大、易磨损、响应速度慢等不足，使得本发明在微小型机器人视觉领域具有极为广阔的应用前景。

附图说明

图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的仿人眼球装置的立体结构图；

图2是示意性表示根据本发明的一种实施方式的活动件的结构图；

图3是示意性表示根据本发明的一种实施方式的驱动器的结构图；

图4是示意性表示根据本发明的一种实施方式的仿瞳孔模块的结构；

图5是示意性表示根据本发明的一种实施方式的仿瞳孔结构件的结构图；

图6是示意性表示根据本发明的一种实施方式的仿晶状体模块的运动状态图，其中，(a)表示所有驱动器未通电状态下的状态图，(b)表示所有驱动器输入相同电压下的状态图；

图7是示意性表示根据本发明的另一种实施方式的仿晶状体模块的运动状态图，其中，(a)表示上下侧驱动器输入不同电压状态下的状态图，(b)表示左右侧驱动器输入不同电压状态下的状态图；

图8是示意性表示根据本发明的另一种实施方式的仿瞳孔模块的运动状态图，其中，(a)表示环形驱动电极不通电状态下的状态图，(b)表示环形驱动电极通电状态下的状态图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种基于智能材料调控的仿人眼球装置，包括：仿晶状体模块11。在本实施方式中，仿晶状体模块11的用于实现接收外界光线以用于成像，并将所成的像投影的后方的图像传感器中。其中，仿晶状体模块11包括：活动件11a，与活动件11a相对设置的透明基板11b，位于活动件11a和透明基板11b之间的中间体11c，用于连接活动件11a和透明基板11b的驱动器11d。在本实施方式中，活动件11a采用硬质材料制成(例如ABS塑料或铝合金制成)，其用于对中间体11c进行挤压并在中间体11c的一侧形成球状体结构11c1，进一步控制活动件11a的位置和姿态的变化以使得中间体11c的形体变化而产生相应的屈光度和/或偏转角度变化，以进而实现对不同距离和/或方向的景物的对焦成像。其中，活动件11a设置为环形的板状结构，其中间位置设置有第一中间通孔11a1。在本实施方式中，活动件11a的外圆直径为28mm，厚度为2mm，第一中间通孔11a1的直径为16mm。在本实施方式中，活动件11a可采用3D打印或机械加工的方式制备。

在本实施方式中，中间体11c采用透明且具有弹性的光学聚合物制成(例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料)。在本实施方式中，中间体11c可设置成两端为平面的柱体(如圆柱体)，其一端与活动件11a相抵靠的设置并在第一中间通孔11a1的位置形成球状体部分11c1，其另一端与透明基板11b相抵靠。

在本实施方式中，透明基板11b采用粘接的方式与中间体11c的端部相互连接，以实现对中间体11c的固定支撑。在本实施方式中，透明基板11b可采用圆形板结构，且其外圆直径位28mm、厚度为3mm。在本实施方式中，透明基板11b的材料可选用高透光率(可见光波动)、高阿贝数的透明介质，例如，K9材料或石英玻璃板制成，且其外形可采用机械加工的方式制备。在本实施方式中，中间体11c和透明基板11b之间采用透明水晶胶粘接，且透明水晶胶的粘接厚度小于或等于0.5mm。

通过上述设置，中间体11c和透明基板11b之间采用透明水晶胶粘接的方式，有效的实现了相互之间位置固定的同时，还起到了不同透明材料间的透光过渡，尤其是通过将水晶胶粘接厚度控制在0.5mm以内的方式，使得不同透明材料间的过渡距离更小，从而能够有效的提高光线从中间体11c到透明基板11b的传播效率，对进一步提高本发明的整体成像效果有益。此外，将水晶胶粘接厚度控制在0.5mm以内还有利于减小对中间体11c屈光度控制的影响，进一步对提高本发明的成像效果有利。

在本实施方式中，驱动器11d处于张紧状态，以在初始状态下保持活动件11a和透明基板11b对中间体11c的挤压，进而，可对驱动器11d进行通电，以使得驱动器11d产生伸长作用，以调整活动件11a与透明基板11b的相对位置，进而可灵活调整活动件11a对中间体11c的挤压程度以实现其屈光度和/或偏转角度的变化。

根据本发明的一种实施方式，第一中间通孔11a1的内侧面可设置黑色的消光层，以消除在接触位置所产生的杂散光，进而可更有益于提高本发明的成像质量。此外，还可进一步控制第一中间通孔11a1内侧面的粗糙度以抑制其杂散光的产生。

根据本发明的一种实施方式，第一中间通孔11a1的内侧面可设置为球环面。在本实施方式中，沿远离中间体11c的方向，第一中间通孔11a1的直径逐渐的减小设置。

通过将第一中间通孔11a1的内侧面设置为球环面的方式可以实现与所形成的球状体结构11c1的底部侧面形状相匹配的抵靠，有易于球状体结构11c1的外侧面形状的成形，使其外侧面形状能够更接近球面形状使其具有更好的成像效果。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，沿活动件11a的周向，多个驱动器11d等间隔的设置。例如，沿活动件11a的周向，驱动器11d可设置为4个，进而可以两个为一组在活动件11a的相对位置进行等间隔的分布，以实现在相对位置对活动件11a位置的调整，进而以控制在第一中间通孔11a1位置挤压成型的球状体结构11c1的屈光度和/或偏转角度变化。

在本实施方式中，对所有的驱动器11d输入相同的电压以控制驱动器11d的同步伸长以控制球状体结构11c1的屈光度变化；或者，对至少部分驱动器11d输入不同的电压以控制驱动器11d的异步伸长以控制球状体结构11c1的屈光度和偏转变化。例如，可在活动件11a的左右位置和上下位置分别设置一组，即可实现对活动件11a的四个位置进行灵活调整，例如，在左右方向上，通过左右两侧的驱动器11d的异步动作(即左右两侧的两个驱动器11d的伸长量不同)则可控制左右方向的调整；在上下方向上，通过上下两侧的驱动器11d的异步动作(即上下两侧的两个驱动器11d的伸长量不同)则可控制上下方向的俯仰调整；进一步的，通过四个驱动器11d的异步动作，可灵活实现不同方向的偏转。当然，还可通过控制所有驱动器11d的输入电压相同，则可使得驱动器11d同步伸长，或者，通过对所有驱动器11d断电，则可使得驱动器11d同步缩回，由此实现轴向屈光度的调整，。

结合图1和图3所示，根据本发明的一种实施方式，驱动器11d为线性驱动器。在本实施方式中，驱动器11d采用条形薄膜驱动器，其包括：中间层11d1，在中间层11d1相对两侧分别设置且用于连接电源正负极的电极涂覆层11d2。在本实施方式中，中间层11d1为介电弹性体薄膜层。

在本实施方式中，中间层11d1采用对初始介电弹性体进行拉伸以形成的介电弹性体薄膜结构所制成；其中，根据预设的条件(如拉伸长度、薄膜结构的厚度)并结合双轴拉伸机实现相应的制备过程。具体的，将初始介电弹性体装夹在双轴拉伸机导航进行双轴拉伸，得到预拉伸后的介电弹性体薄膜。在本实施方式中，采用不等轴拉伸的方式对初始介电弹性施加拉升力，其中，沿长度方向拉伸量大于宽度方向，长度方向拉伸比1:5，宽度方向拉伸比1:2。进而，使得中间层11d1形成条形的介电弹性体薄膜层。在本实施方式中，电极涂覆层11d2在中间层11d1的相对两侧分别设置，以实现用户电源的正负极连接，可实现对中间层11d1的伸缩控制。

在本实施方式中，电极涂覆层11d2为石墨烯电极，其图案为连续的环形结构。通过对其进行通电即实现与中间层11d1的同步伸长，断电即可同步缩回，实现了控制的快速精准。在本实施方式中，电极涂覆层11d2采用掩膜版转印的方式实现，其中，在涂覆的时候把电极图案以外的区域都挡住，进而，电极涂覆形成的图案就成为所需要的环形。

结合图1和图4所示，根据本发明的一种实施方式，仿人眼球装置还包括：仿瞳孔模块12。在本实施方式中，仿瞳孔模块12以实现对进光量的控制。具体的，仿瞳孔模块12与仿晶状体模块11具有间隔的设置，且仿瞳孔模块12与球状体部分11c1相对。

结合图1和图4所示，根据本发明的一种实施方式，仿瞳孔模块12包括：环形支撑板12a和连接在环形支撑板12a上的仿瞳孔结构件12b。在本实施方式中，环形支撑板12a采用ABS塑料或铝合金制成，其外圆直径为28mm，厚度为2mm，内控直径为20mm。在本实施方式中，环形支撑板12a可采用3D打印或机械加工的方式所制备。

结合图4和图5所示，在本实施方式中，仿瞳孔结构件12b包括：中间结构层12b1，在中间结构层12b1相对两侧设置的环形驱动电极12b2；其中，中间结构层12b1采用透明的介电弹性体薄膜层，其包括：中间透光部12b11，环绕中间透光部12b11的伸缩驱动部12b12，环绕伸缩驱动部12b12的固定连接部。在本实施方式中，中间结构层12b1采用对初始介电弹性体进行拉伸以形成的圆形介电弹性体薄膜结构所制成；其中，根据预设的条件(如拉伸长度、薄膜结构的厚度)并结合双轴拉伸机实现相应的制备过程。具体的，将初始介电弹性体装夹在双轴拉伸机导航进行双轴拉伸，得到预拉伸后的介电弹性体薄膜。在本实施方式中，采用等轴拉伸的方式对初始介电弹性施加拉升力，其中，沿长度方向拉伸量等于宽度方向，长度方向拉伸比1:5，宽度方向拉伸比1:5。进而，使得中间结构层12b1形成条形的介电弹性体薄膜层。

在本实施方式中，根据预定的中间透光部12b11的尺寸变化范围以确定出伸缩驱动部12b12的尺寸，进而采用掩膜版膜印的方式将环形驱动电极12b2印制在伸缩驱动部12b12上。在本实施方式中，环形驱动电极12b2在中间结构层12b1的相对两侧设置。在本实施方式中，环形驱动电极12b2为石墨烯电极，其图案为连续的环形结构。通过对其进行通电即实现与伸缩驱动部12b12以圆心为中心向内同步伸长，断电即可以圆心为中心同步缩回，实现了控制的快速精准且变化均匀。在本实施方式中，环形驱动电极12b2采用掩膜版转印的方式实现，其中，在涂覆的时候把电极图案以外的区域都挡住，进而，电极涂覆形成的图案就成为所需要的环形。

在本实施方式中，中间结构层12b1通过固定连接部与环形支撑板12a相连接。

在本实施方式中，仿瞳孔结构件12b与环形支撑板12a相连接时处于张紧状态，进而，对仿瞳孔结构件12b两侧的环形驱动电极12b2进行通电，即可控制中间透光部12b11的大小变化，以实现对通光量的控制。需要注意的时，由于仿瞳孔结构件12b的中间透光部12b11需要实现光线的通过，进而其为透明的。

为进一步说明本方案，结合附图对其工作模式做进一步阐述。

仿晶状体模块11的工作模式如下：

如图6(a)所示，在驱动器11d未通电状态下，活动件11a对中间体11c施加预压力F

如图6(b)所示，在对所有的驱动器11d输入相同的电压时，驱动器11d中的中间层11d1发生形变，进而其在长度方向上产生相等的伸长量ΔL，以使得活动件11a被放松，进而在中间体11c的弹性作用下，使得活动件11a向前移动，且中间体11c在第一中间通孔11a1位置所形成的凸透镜表面曲率半径会变大焦距增长；在本实施方式中，由于驱动器11d的伸长量随输入电压的增大而增加，因此，通过调节电压能够控制活动件11a的位移量，从而改变系统焦距。具体的，在不同电压下记录驱动器11d对应的伸长量数据，采用三次样条曲线拟合电压-伸长量的数据集，可得到驱动器11d的形变模型，用于实现仿晶状体模块的调焦控制。

如图7所示，在对不同的驱动器11d输入不同的电压时，可进一步控制中间体11c的偏转。在本实施方式中，以四个驱动器11d为例进行说明；其中，四个驱动器11d分别为：处于上侧的第一驱动器11d01，处于下侧的第二驱动器11d02，处于右侧的第三驱动器11d03，处于左侧的第四驱动器11d04；其中，以俯仰控制为例，对第一驱动器11d01输入第一电压U

进一步的，可通过调节输入的第一电压U

仿瞳孔模块12的工作模式如下：

如图8所示，在环形驱动电极12b2未通电状态下，中间透光部12b11(即未涂覆环形驱动电极12b2的介电弹性体薄膜)的面积大小处于峰值，当环形驱动电极12b2输入电压时，中间透光部12b11缩小，随着输入电压的增大，中间透光部12b11面积单调减小。在成像探测应用中，仿瞳孔模块12、仿晶状体模块11和成像传感器(如CCD传感器)构成闭环系统，被测物的反射光依次通过仿瞳孔模块12、仿晶状体模块11，在成像传感器上成像。当成像传感器输出的亮度信号反馈大于基准值时，环形驱动电极12b2输入电压增大，中间透光部12b11缩小，系统的通光量随之减小；当成像传感器输出的亮度信号反馈小于基准值时，环形驱动电极12b2输入电压减小，中间透光部12b11变大，系统的通光量随之增加。因此，通过仿瞳孔模块12的调节可有效避免了环境光线强弱变化对系统成像质量的不利影响。

根据本发明的一种实施方式，本发明提供一种采用前述的仿人眼球装置的机器人，包括：机器人本体和安装在机器人本体上的仿人眼球装置。在本实施方式中，机器人本体设置有成像传感器(如CCD传感器)，且成像传感器处于仿人眼球装置的像侧。在本实施方式中，基于机器人本体对仿晶状体模块11和仿瞳孔模块12的控制即可实现对外界环境信息的采集，以进一步实现相应的预设功能。

根据本发明的一种实施方式，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现对仿人眼球装置的控制流程。在本实施方式中，可读存储介质可以是但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。

上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。

以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。