一种二自由度并联相机指向机构，它涉及一种并联相机指向机构。现有在串联形式的Yorick系列主动视觉平台中，偏航关节由于累积误差导致机构整体精度下降；同时并联形式相机指向机构存在因整体尺寸随负载尺寸和运动范围的增大而增大，导致机构整体不紧凑的弊端。本发明包括底座、动平台、相机、第一运动支链和第二运动支链，第一运动支链和第二运动支链分别设置在底座和动平台之间；动平台的两端铰接在U形杆的开口端处，第一旋转电机的输出轴穿过底座与U形杆的底部相连接；第二旋转电机的输出轴与第一旋转电机的输出轴垂直设置，上臂、中臂和下臂从上至下依次设置在U形杆的一侧，相机设置在动平台的顶面上。本发明用于机器视觉领域。
1.一种二自由度并联相机指向机构，包括底座(1)、动平台(4)、相机(27)、第一运动支链和第二运动支链，第一运动支链和第二运动支链分别设置在底座(1)和动平台(4)之间，其特征在于：第一运动支链包括第一旋转电机(2)和U形杆(5)，所述第一旋转电机(2)设置在底座(1)上，U形杆(5)设置在底座(1)的上方且其开口端朝向动平台(4)设置，动平台(4)的两端铰接在U形杆(5)的开口端处，所述第一旋转电机(2)的输出轴(10)穿过底座(1)与U形杆(5)的底部相连接；第二运动支链包括第二旋转电机(3)、上臂(6)、中间轴(7)、中臂(8)和下臂(9)，第二旋转电机(3)设置在底座(1)上，第二旋转电机(3)的输出轴(11)与第一旋转电机(2)的输出轴(10)垂直设置，所述上臂(6)、中间轴(7)、中臂(8)和下臂(9)从上至下依次设置在U形杆(5)的一侧，第二旋转电机(3)的输出轴(11)穿过底座(1)与下臂(9)的一端相连接，下臂(9)的另一端与中臂(8)的下端相铰接，中臂(8)的上端通过中间轴(7)与上臂(6)的一端相铰接，上臂(6)的另一端铰接在动平台(4)上，相机(27)设置在动平台(4)的顶面上。
2.根据权利要求1所述的一种二自由度并联相机指向机构，其特征在于：所述U形杆(5)的一个竖直端处加工有U形杆用左侧旋转关节(16)，动平台(4)上加工有与U形杆用左侧旋转关节(16)相配合的动平台用左侧旋转关节(12)，所述U形杆(5)的一个竖直端通过U形杆用左侧旋转关节(16)与动平台(4)的动平台用左侧旋转关节(12)相铰接；所述U形杆(5)的另一个竖直端处加工有U形杆用右侧旋转关节(17)，动平台(4)上加工有与U形杆用右侧旋转关节(17)相配合的动平台用右侧旋转关节(13)，所述U形杆(5)的另一个竖直端通过U形杆用右侧旋转关节(17)与动平台(4)的动平台用右侧旋转关节(13)相铰接。
3.根据权利要求1或2所述的一种二自由度并联相机指向机构，其特征在于：动平台(4)为匚字形板体，匚字形板体的两个侧板之间设置有动平台用中间旋转关节(14)，动平台用中间旋转关节(14)与动平台(4)水平并列设置。
4.根据权利要求3所述的一种二自由度并联相机指向机构，其特征在于：上臂(6)靠近动平台(4)的一端通过动平台用中间旋转关节(14)与动平台(4)相铰接，上臂(6)通过中间轴(7)与中臂(8)的上端相铰接。
5.根据权利要求4所述的一种二自由度并联相机指向机构，其特征在于：中臂(8)上分别设置有两个上旋转关节(18)和两个下旋转关节(21)，两个上旋转关节(18)并列设置在中臂(8)的上端，两个下旋转关节(21)并列设置在中臂(8)的下端，中臂(8)的上端通过两个上旋转关节(18)铰接在中间轴(7)的两端，中臂(8)的下端通过两个下旋转关节(21)与下臂(9)相铰接。
6.根据权利要求1或5所述的一种二自由度并联相机指向机构，其特征在于：U形杆用左侧旋转关节(16)的中心轴线和U形杆用右侧旋转关节(17)的中心轴线处于同一直线上，第一旋转电机(2)的输出轴(10)的中心轴线与U形杆用左侧旋转关节(16)的中心轴线正交，正交的交点为旋转中心A点，旋转中心A点处于动平台用中间旋转关节(14)的中心轴线上。
一种二自由度并联相机指向机构
技术领域
[0001] 本发明涉及一种并联相机指向机构，属于机器视觉领域。
背景技术
[0002] 相机指向机构作为一种相机姿态调节装置，在机器视觉领域具有广泛的应用：机器眼、仿生眼、双目立体视觉研究或其他相关领域的研究工作。相机指向机构设计时，一般采用串联形式，具有代表性的是英国牛津大学的Yorick系列主动视觉平台。Yorick系列采用小型直流伺服电机，具有运动范围大、体积小巧紧凑的特点。但是，机构整体刚度和承载能力依赖于偏航关节；偏航关节由于累积误差导致机构整体精度进一步下降。并联形式相机指向机构，典型的是瓦拉尔大学研制的“灵巧眼”——一种摄像机指向装置。由于负载布置在旋转中心处，降低各轴的转动惯量而提高动态性能；同时，装置的整体尺寸也将随着于负载尺寸和运动范围的增大而增大，导致机构整体不紧凑。国内高校相继设计了其它形式的单目机构，但也难以摆脱以上缺点。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种二自由度并联相机指向机构，以解决现有串联形式的Yorick系列主动视觉平台中，偏航关节由于累积误差导致机构整体精度下降；同时并联形式相机指向机构存在因整体尺寸随负载尺寸和运动范围的增大而增大，导致机构整体不紧凑的问题。
[0004] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0005] 一种二自由度并联相机指向机构，它包括底座、动平台、相机、第一运动支链和第二运动支链，所述第一运动支链和第二运动支链分别设置在底座和动平台之间；
[0006] 第一运动支链包括第一旋转电机和U形杆，所述第一旋转电机设置在底座上，U形杆设置在底座的上方且其开口端朝向动平台设置，动平台的两端铰接在U形杆的开口端处，所述第一旋转电机的输出轴穿过底座与U形杆的底部相连接；
[0007] 第二运动支链包括第二旋转电机、上臂、中间轴、中臂和下臂，第二旋转电机设置在底座上，第二旋转电机的输出轴与第一旋转电机的输出轴垂直设置，所述上臂、中间轴、中臂和下臂从上至下依次设置在U形杆的一侧，第二旋转电机的输出轴穿过底座与下臂的一端相连接，下臂的另一端与中臂的下端相铰接，中臂的上端通过中间轴与上臂的一端相铰接，上臂的另一端铰接在动平台上，相机设置在动平台的顶面上。
[0008] 一种二自由度并联相机指向机构，优选的是，所述U形杆的一个竖直端处加工有U形杆用左侧旋转关节，动平台上加工有与U形杆用左侧旋转关节相配合的动平台用左侧旋转关节，所述U形杆的一个竖直端通过U形杆用左侧旋转关节与动平台的动平台用左侧旋转关节相铰接；所述U形杆的另一个竖直端处加工有U形杆用右侧旋转关节，动平台上加工有与U形杆用右侧旋转关节相配合的动平台用右侧旋转关节，所述U形杆的另一个竖直端通过U形杆用右侧旋转关节与动平台的动平台用右侧旋转关节相铰接。
[0009] 一种二自由度并联相机指向机构，优选的是，动平台为匚字形板体，匚字形板体的两个侧板之间设置有动平台用中间旋转关节，动平台用中间旋转关节与动平台水平并列设置。
[0010] 一种二自由度并联相机指向机构，优选的是，上臂靠近动平台的一端通过动平台用中间旋转关节与动平台相铰接，上臂通过中间轴与中臂的上端相铰接。
[0011] 一种二自由度并联相机指向机构，优选的是，中臂上分别设置有两个上旋转关节和两个下旋转关节，两个上旋转关节并列设置在中臂的上端，两个下旋转关节并列设置在中臂的下端，中臂的上端通过两个上旋转关节铰接在中间轴的两端，中臂的下端通过两个下旋转关节与下臂相铰接。
[0012] 一种二自由度并联相机指向机构，优选的是，U形杆用左侧旋转关节的中心轴线和U形杆用右侧旋转关节的中心轴线处于同一直线上，第一旋转电机的输出轴的中心轴线与U形杆用左侧旋转关节的中心轴线正交，正交的交点为旋转中心A点，旋转中心A点处于动平台用中间旋转关节的中心轴线上。
[0013] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0014] 1、本发明为一种二自由度并联相机姿态调节装置，本发明具有高刚度和大负载特点。负载为相机，其由第一运动支链和第二运动支链同时支撑，相比串联机构，刚度更大。
[0015] 2、第一旋转电机和第二旋转电机均安装在底座上，三者的位置关系能够有效减少运动物体转动惯量，提高机构动态性能的同时减小功耗；相比目前已有的相似机构，其运动范围能够达到正负60°。
[0016] 3、本发明中第一旋转电机的输出轴的中心轴线与U形杆用左侧旋转关节轴线正交，交点为旋转中心A点，旋转中心A点的位置固定不变，当第一旋转电机和第二旋转电机处于静止状态时，第一运动支链和第二运动支链之间的耦合运动能使动平台维持空间姿态不变。
[0017] 4、本发明中的各个关节均为转动副，加工与装配工艺简单，轴线关系易保证，精度高。
[0018] 5、本发明中安装相机尺寸适应性强，负载能力能够达到800g，适用于市面上大部分相机，尤其是带有变焦镜头的相机。
[0019] 6、本发明应用范围广泛，应用于运动目标的拍摄、机器视觉研究或其他相关领域的视觉研究工作中。
附图说明
[0020] 图1是本发明的立体结构示意图；
[0021] 图2是底座1、动平台4、第一运动支链和第二运动支链之间的连接关系示意图。
具体实施方式
[0022] 具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括底座1、动平台4、相机27、第一运动支链和第二运动支链，所述第一运动支链和第二运动支链分别设置在底座1和动平台4之间；
[0023] 第一运动支链包括第一旋转电机2和U形杆5，所述第一旋转电机2设置在底座1上，U形杆5设置在底座1的上方且其开口端朝向动平台4设置，动平台4的两端铰接在U形杆5的开口端处，所述第一旋转电机2的输出轴10穿过底座1与U形杆5的底部相连接；
[0024] 第二运动支链包括第二旋转电机3、上臂6、中间轴7、中臂8和下臂9，第二旋转电机3设置在底座1上，第二旋转电机3的输出轴11与第一旋转电机2的输出轴10垂直设置，所述上臂6、中间轴7、中臂8和下臂9从上至下依次设置在U形杆5的一侧，第二旋转电机3的输出轴11穿过底座1与下臂9的一端相连接，下臂9的另一端与中臂8的下端相铰接，中臂8的上端与中间轴7两侧铰接，中间轴7中间与上臂6的一端相铰接，上臂6的另一端铰接在动平台4上，相机27设置在动平台4的顶面上。
[0025] 具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中U形杆5的一个竖直端处加工有U形杆用左侧旋转关节16，动平台4上加工有与U形杆用左侧旋转关节16相配合的动平台用左侧旋转关节12，所述U形杆5的一个竖直端通过U形杆用左侧旋转关节16与动平台4的动平台用左侧旋转关节12相铰接；所述U形杆5的另一个竖直端处加工有U形杆用右侧旋转关节17，动平台4上加工有与U形杆用右侧旋转关节17相配合的动平台用右侧旋转关节13，所述U形杆5的另一个竖直端通过U形杆用右侧旋转关节17与动平台4的动平台用右侧旋转关节13相铰接。
[0026] 本实施方式中U形杆包括中间杆和两个竖直杆，中间杆处于两个竖直杆之间且三者固定连接制为一体，每个竖直杆远离中间杆的一端为竖直端。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。
[0027] 具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中动平台4为匚字形板体，匚字形板体的两个侧板之间设置有动平台用中间旋转关节14，动平台用中间旋转关节14与动平台4水平并列设置。
[0028] 本实施方式中动平台4为匚字形板体，匚字形板体包括中间板和两个侧板，中间板处于两个侧板的两端且三者固定连接制为一体。中间板和两个侧板处于同一平面上，三者共面设置。
[0029] 本实施方式中匚字形板体的下方设置有动平台用中间旋转关节14，动平台用中间旋转关节14设置在匚字形板体的空心处，动平台4上加工有四个安装孔28，四个安装孔28用于安装相机27，相机27通过四个安装孔28与动平台4相连接。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或二相同。
[0030] 具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中上臂6靠近动平台4的一端通过上臂用动平台用中间旋转关节14与动平台4相铰接，上臂6通过中间轴7与中臂
8的上端相铰接。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式三相同。
[0031] 具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中中臂8上分别设置有两个上旋转关节18和两个下旋转关节21，两个上旋转关节18并列设置在中臂8的上端，两个下旋转关节21并列设置在中臂8的下端，中臂8的上端通过两个上旋转关节18铰接在中间轴7的两端，中臂8的下端通过两个下旋转关节21与下臂9相铰接。
[0032] 本实施方式中两个上旋转关节18的中心轴线共线设置，即二者的中心轴线处于同一直线上。同理，两个下旋转关节21的中心轴线共线设置，即二者的中心轴线处于同一直线上。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式四相同。
[0033] 具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中U形杆用左侧旋转关节16的中心轴线和U形杆用右侧旋转关节17的中心轴线处于同一直线上，第一旋转电机2的输出轴10的中心轴线与U形杆用左侧旋转关节16正交，正交的交点为旋转中心A点，旋转中心A点处于动平台用中间旋转关节14的中心轴线上。
[0034] 本发明中所述底座1上安装第一旋转电机2和第二旋转电机3，且两个电机的输出轴相互垂直异线，如此设置能够有效确保本发明整体结构紧凑，同时能够确保轴线关系易保证，精度高。
[0035] 本发明中的动平台4为负载法兰。动平台用左侧旋转关节12和动平台用右侧旋转关节13同轴，其轴线与动平台用中间旋转关节14的轴线正交，交点为旋转中心A点。负载为相机27，负载安装在动平台4上方。
[0036] 本发明中所述第一支链为U形杆连接第一旋转电机与动平台两侧旋转关节的运动链；其中第一旋转电机2的输出轴10的中心轴线与U形杆用左侧旋转关节16的中心轴线和U形杆用右侧旋转关节17的中心轴线正交，交点为旋转中心A点。
[0037] 本发明中的第二运动支链中上臂6和中臂8的铰接处设置有上臂用后旋转关节22，上臂用后旋转关节22的中线轴线与动平台用中间旋转关节14的中心轴线相互正交，交点为旋转中心A点。
[0038] 本发明中中间轴7上有三个旋转关节，分为中间轴用第一旋转关节、中间轴用第二旋转关节和中间轴用第三旋转关节。中间轴用第一旋转关节和中间轴用第二旋转关节对称设置，中间轴用第三旋转关节处于中间轴用第一旋转关节和中间轴用第二旋转关节之间且其分别与中间轴用第一旋转关节和中间轴用第二旋转关节正交。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或五相同。
[0039] 工作过程：
[0040] 本发明具有两个自由度：俯仰运动和偏航运动。通过第一旋转电机2和第二旋转电机3协调运动，能够改变相机27的光轴方向，获取不同方位图像信息。图像信息经处理后，可反馈给第一旋转电机2和第二旋转电机3进行位置控制，用于实现目标跟踪、物体识别等主动视觉领域。
