一种基于级联拓扑的多电机立体展示装置 |
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| 申请号 | CN201911192534.8 | 申请日 | 2019-11-28 | 公开(公告)号 | CN110910794B | 公开(公告)日 | 2024-05-17 |
| 申请人 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所; 南京国科精准医学科技有限公司; | 发明人 | 吕晶; 贾宏博; 周镇乔; 李敏; 陈月岩; 唐玉国; 王艳; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种基于级联拓扑的多 电机 立体展示装置，包括装置本体，装置本体包括电机组件、级联板以及主控组件，级联板包括若干安装孔，若干电机组件固定安装于安装孔内；主控组件根据输入的图像 像素 发送指令给若干电机组件，以使得输入的图像通过若干电机组件不同的运动方式获得立体展示。本发明通过微型电机带动展示面板前后移动，进而模拟输入图像的一个像素点的运动，将多个电机进行级联并固定在一个大的级联板上，通过对输入图像像素点灰度值的解析进而控制对应像素电机组件的前后移动来模拟整幅图像的立体展示效果，具有冲击感的立体效果，创造性的颠覆了传统的平面展示宣传的效果。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于级联拓扑的多电机立体展示装置，其特征在于，包括装置本体，所述装置本体包括电机组件、级联板以及主控组件；其中， |
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| 说明书全文 | 一种基于级联拓扑的多电机立体展示装置技术领域[0001] 本发明涉及三维立体展示台领域，尤其涉及一种基于级联拓扑的多电机立体展示装置。 背景技术[0002] 随着信息技术在世界范围内的迅猛发展，特别是数字化技术的普及应用。利用信息化的集中管理手段配合信息的直观、集中的交互式表达，使得人们对立体成像技术的需求越来越明显。 发明内容[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于级联拓扑的多电机立体展示装置。 [0006] 本发明提供一种基于级联拓扑的多电机立体展示装置，包括装置本体，所述装置本体包括电机组件、级联板以及主控组件；其中， [0007] 所述级联板包括若干安装孔，若干所述电机组件固定安装于所述安装孔内； [0008] 所述电机组件用以执行所述主控组件的控制指令； [0009] 所述主控组件用以获取输入的图像并根据输入的图像像素配置所述电机组件的执行指令； [0010] 若干所述电机组件接收所述主控组件的执行指令并执行不同的运动方式，以立体展示输入的图像。 [0011] 优选地，所述电机组件包括驱动组件、滑块组件、展示面板以及子控组件，所述驱动组件电性连接所述子控组件，所述滑块组件活动安装于所述驱动组件上，所述滑块组件连接所述展示面板；所述驱动组件接收所述子控组件的指令驱动所述滑块组件运动，以使得所述滑块组件带动所述展示面板沿一方向运动。 [0012] 优选地，所述滑块组件内安装一滑块连接件，所述滑块连接件的垂面方向的延伸包括所述展示面板。 [0013] 优选地，所述滑块连接件的一端垂直于所述滑块组件，所述滑块连接件的另一端垂直固定连接所述展示面板，所述滑块组件带动所述展示面板沿所述滑块连接件的轴线方向运动。 [0014] 优选地，所述驱动组件包括丝杆电机组件，所述丝杆电机组件包括丝杆件，所述电机组件驱动所述丝杆件转动；所述滑块组件包括与所述丝杆件相匹配的内螺纹孔，所述丝杆件安装于所述内螺纹孔内；所述电机组件驱动所述丝杆件转动，以使得所述滑块组件在所述丝杆件上运动。 [0015] 优选地，所述电机组件还包括壳体，所述丝杆电机组件安装于所述壳体内，所述壳体上固定安装有导向杆固定件，所述导向杆固定件的一端包括通孔，所述滑块连接件包括所述滑块连接杆，所述导向杆固定件与所述滑块连接杆平行设置；所述展示面板上固定安装有导向杆，所述导向杆与所述滑块连接杆平行设置，所述导向杆的一端固定连接所述展示面板，所述导向杆的另一端安装于所述通孔内；当所述展示面板运动时，所述导向杆在所述通孔内运动，以使得所述展示面板沿所述滑块连接杆的轴线方向运动。 [0016] 优选地，所述电机组件还包括底座，所述丝杆电机组件固定安装于所述底座上，所述底座的一侧固定安装有第一触点，所述滑块组件的一侧固定安装有第二触点，所述第二触点跟随所述滑块组件运动，当所述第二触点接触所述第一触点时，所述子控组件发送停止指令给所述电机组件。 [0017] 优选地，所述电机组件包括电平检测电路，所述电平检测电路安装于所述壳体的一侧，当所述第二触点接触所述第一触点时，所述电平检测电路被导通；所述子控组件检测到所述电平检测电路为高电平时，所述子控组件发送停止指令给所述电机组件，所述滑块组件运动至原始位置。 [0018] 优选地，所述壳体与所述展示面板相对的位置上安装有缓冲件，所述缓冲件的一端固定安装于所述壳体上，所述缓冲件的另一端在初始状态下位于所述第一触点与第二触点之间。 [0020] 相比现有技术，本发明的有益效果在于： [0021] 本发明公开了一种基于级联拓扑的多电机立体展示装置，该装置通过微型电机带动展示面板前后移动，进而模拟输入图像的一个像素点的运动，将多个电机进行级联并固定在一个大的级联板上，通过对输入图像像素点灰度值的解析进而控制对应像素电机组件的前后移动来模拟整幅图像的立体展示效果，具有冲击感的立体效果，创造性的颠覆了传统的平面展示宣传的效果；而且该装置的级联拓扑结构可以根据输入图像的改变而随时改变展示的效果，有益于不同需求的动态展示。 [0022] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。 附图说明[0023] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： [0024] 图1为本发明的一种基于级联拓扑的多电机立体展示装置的整体结构立体图； [0025] 图2为本发明的一种基于级联拓扑的多电机立体展示装置的电机组件立体图； [0026] 图3为本发明的一种基于级联拓扑的多电机立体展示装置的电机组件另一立体图； [0027] 图4为本发明的一种基于级联拓扑的多电机立体展示装置的电机组件的平面图； [0028] 图5为本发明的一种基于级联拓扑的多电机立体展示装置的一个FPGA控制板与一个电机组件的连接关系示意图； [0029] 图6为本发明的一种基于级联拓扑的多电机立体展示装置的电机通讯指令说明示意图； [0030] 图7为运用本发明的多电机拓扑级联装置形成的拓扑级联结构； [0031] 附图标记：10、电机组件，110、壳体，120、展示面板，130、装饰罩，141、导向杆固定件，142、导向杆，150、滑块组件，151、第二触点，152、滑块连接杆，160、底座，161、第一触点，171、丝杆件，180、缓冲件，100、装置本体。 具体实施方式[0032] 下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。 [0033] 本发明提供一种基于级联拓扑的多电机立体展示装置，如图1‑4所示，包括装置本体100，装置本体100包括电机组件10、级联板以及主控组件；其中，电机组件10用以执行主控组件的控制指令；主控组件用以获取输入的图像并根据输入的图像像素配置电机组件10的执行指令；若干电机组件10接收主控组件的执行指令并执行不同的运动方式，以立体展示输入的图像。在一个实施例中，主控组件为嵌入式计算机，嵌入式计算机是一种小巧而且坚固的工业化控制和采集系统，优选采用FPGA技术实现超高性能和可自定义功能，该嵌入式计算机可以使用高效的LabVIEW图形化编程工具及配套的FPGA模块进行快速开发，其工作性能和优化特性可与专门定制的硬件电路相媲美。主控组件将输入的图像像素映射到若干电机组件上，每一个电机组件10映射图像像素中的一个像素点，以使得输入的图像通过若干展示面板120不同的运动方式获得立体展示图。每一个电机组件10对应一个输入的图像的像素点，电机组件10接收主控组件的指令，电机组件10根据接收的指令运动，其中指令包括步进量、运动的速度、运动方向等；整幅图像包括若干像素点对应若干电机组件10，嵌入式计算机解析输入的图像的灰度值以发送指令给各个电机组件10，以使得每个展示面板120按指令运动一定的步进量，最终在级联板上显示出立体效果图，立体效果图将根据输入的图像的不同而呈现不同的效果。 [0034] 装置本体100还包括处理组件，处理组件用于对输入的图像进行灰度处理并将处理的图像信息转化为数组信息，将获得的数组信息进行坐标映射，坐标对应展示面板120的目标位置，展示面板120在驱动组件的驱动下根据坐标进行前后运动。嵌入式计算机对输入的图像先进行灰度处理，然后将图像信号转换成数组信息，针对提取出的数组信息进行坐标映射，每个像素点对应一个坐标，并对应到每个电机上从而使电机根据解析的灰度位置进行前后移动。在图像立体变换前，所有电机将复位至原点，当嵌入式计算机进行位置解析后，将位置坐标传输给每个电机，例如第20号电机的像素位置坐标是255，则第20电机的展示面板向前运动255mm,每个电机的运动距离由其像素的灰度值决定。 [0035] 电机组件10包括驱动组件、滑块组件150、展示面板120以及子控组件，驱动组件电性连接子控组件，滑块组件150活动安装于驱动组件上，滑块组件150连接展示面板120；驱动组件接收子控组件的指令驱动滑块组件150运动，以使得滑块组件150带动展示面板120沿一方向运动。在一个实施例中，每一个电机组件10代表需要展示的图像的一个像素点，驱动组件接收子控组件的指令，其中指令包括展示面板120的步进量、运动的方向、运动的速度等相关参数，驱动组件驱动滑块运动，当驱动组件驱动滑块运动时，滑块组件带动展示面板120一起运动以代表需要展示的图像中的一个像素点。 [0036] 需要说明的是，展示面板120用于显示图像中的一个像素点的信息，展示面板120的形状根据需要可以为任意形状，本实施例中展示面板120优选为矩形。 [0037] 滑块组件150内安装一滑块连接件，滑块连接件的垂面方向的延伸包括展示面板120。在一个实施例中，滑块组件150与展示面板120之间通过滑块连接件连接，滑块连接件的一端固定连接于滑块上，滑块连接件的另一端连接有展示面板，展示面板120位于滑块连接件的垂面方向的延伸面上即展示面板可与滑块连接垂直连接也可与滑块连接件形成一定的角度。应当理解为，展示面板可与滑块连接件任意角度连接。 [0038] 滑块连接件的一端垂直于滑块组件150，滑块连接件的另一端垂直固定连接展示面板120，滑块组件150带动展示面板120沿滑块连接件的轴线方向运动。在一个实施例中，滑块连接件的一端固定垂直于滑块组件，另一端固定垂直于展示面板120，滑块组件150带动展示面板沿滑块连接件的轴线方向运动。 [0039] 具体地，驱动组件包括丝杆电机组件，丝杆电机组件包括丝杆件171，电机组件驱动丝杆件转动；滑块组件包括与丝杆件相匹配的内螺纹孔，丝杆件171安装于内螺纹孔内；电机组件驱动丝杆件转动，以使得滑块组件150在丝杆件171。在一个实施例中，驱动组件为丝杆电机组件，丝杆电机组件包括丝杆件171与电机组件，电机组件用于驱动丝杆件转动以带动滑块组件运动，丝杆件穿过滑块组件的内部并与其相匹配，电机组件接收子控组件的指令驱动丝杆件运动带动滑块组件运动。需要说明的是，驱动组件也可以为其他常规的驱动组件，例如，直线电缸组件等。 [0040] 电机组件还包括壳体110，丝杆电机组件安装于壳体110内，壳体110上固定安装有导向杆固定件141，导向杆固定件141的一端包括通孔，滑块连接件包括滑块连接杆152，导向杆固定件141与滑块连接杆152平行设置；展示面板120上固定安装有导向杆142，导向杆142与滑块连接杆152平行设置，导向杆142的一端固定连接展示面板120，导向杆142的另一端安装于通孔内；当展示面板120运动时，导向杆在通孔内运动，以使得展示面板沿滑块连接杆的轴线方向运动。在一个实施例中，导向杆142上的通孔的内径大于导向杆的外径即导向杆142可以在通孔内自由活动，当滑块组件150运动时，导向杆142在通孔内与导向杆142固定件相对运动。导向杆142与滑块连接杆152同样具有为展示面板120导向的作用，另外，导向杆142还具有维持展示面板120平衡的作用，当展示面板120的面积较大，单独的滑块连接杆152无法使得展示面板120在运动过程中保持平衡，通过导向杆142可使得展示面板120保持平衡，当然当展示面板120通过一个导向杆142与滑块连接杆152无法保持平衡还可以增加一个或多个导向杆142以维持展示面板120在运动的过程中的平衡性。 [0041] 电机组件10还包括底座160，丝杆电机组件固定安装于底座160上，底座160的一侧固定安装有第一触点161，滑块组件150的一侧固定安装有第二触点151，第二触点151跟随滑块组件150运动，当第二触点151接触第一触点161时，子控组件发送停止指令给电机组件10。电机组件10包括电平检测电路，电平检测电路安装于壳体110的一侧，当第二触点151接触所述第一触点161时，电平检测电路被导通；子控组件检测到电平检测电路为高电平时，子控组件发送停止指令给电机组件10，滑块组件150运动至原始位置。在一个实施例中，第一触点161与第二触点151安装于同一侧，即在滑块组件150运动过程中第一触点161可以接触第二触点151。第一触点161为固定触点，第二触点151为活动触点，当第二触点151运动至与第一触点161接触时，电平检测电路被导通，子控组件实时检测，在子控组件检测到电平检测电路为高电平时，子控组件将发送停止指令给电机组件，滑块组件150回到原始位置即展示面板120回到原点位置。 [0042] 在一个优选的实施例中，在滑块组件150的底端即滑块与底座接触的一侧安装有滑动件，并在底座上设置与滑动件相匹配的滑槽，以使得滑块组件在运动过程中减小阻力，提高效率。 [0043] 壳体110与展示面板120相对的位置上安装有缓冲件180，缓冲件180的一端固定安装于壳体110上，缓冲件180的另一端在初始状态下位于第一触点161与第二触点151之间。在一个实施例中，缓冲件180包括弹簧，当滑块组件150带动第二触点151运动至接近第一触点161时，第二触点151接触缓冲件180使其缓慢的接触第一触点161，避免第二触点151对第一触点161造成损坏。 [0044] 展示面板120配置安装有光源组件，光源组件连接主控组件。在一个实施例中，在上述实施例中可以实现三维立体效果，但是不包括有颜色的三维立体效果，多种色彩的立体效果图将更具有视觉冲击力。光源组件优选灯带，灯带内嵌于展示面板内，展示面板为透明或半透明材料制成。嵌入式计算机对输入的图像进行提取，提取每个像素的颜色，每个像素的颜色即对应每个展示面板灯带将要显示的颜色。当每个展示面板运动到指定位置时，主控组件发送指令使得灯带亮起并显示对应的颜色。 [0045] 主控组件与子控组件均为FPGA控制板，FPGA控制板包括电源接口与若干信号接口，若干FPGA控制板通过信号接口进行连接，电源接口用于给FPGA控制板供电，子控组件连接若干电机组件。主控组件与子控组件连接均使用USB Type‑C接口来实现，USB Type‑C接口利用LabVIEW FPGA模块设计串口通讯协议，其中包括串口打开、写入、读取以及关闭操作，每个协议都是在FPGA编译层调用，协议封装完后要执行编译系统，编译成功后加载到FPGA芯片中进行通讯，该USB Type‑C接口提高了通信效率。 [0046] 子控组件连接若干电机组件，电机组件包括驱动块与电机，驱动块用于驱动电机转动；驱动块包括驱动芯片与供电模块，驱动芯片分别连接FPGA控制子板的信号引脚与电机，供电模块用于给驱动芯片供电。在一个实施例中，如图5所示，电机优选为步进电机，步进电机组件的蓝、黑、红、黄线分别连接驱动块的驱动线A+、A‑、B+、B‑，驱动芯片上的24V供电引脚与直流开关相连接，驱动芯片上的DIR与FPGA控制子板上的GPIO引脚的DIO0相连，驱动芯片上的CLK与FPGA控制板上的GPIO的DIO1相连，电机组件上的限位开关与FPGA控制子板上的GPIO的DIO2相连，这样一个电机组件总共需要三个GPIO的引脚，一般地，FPGA处理器的每个USB Type‑C接口有24个GPIO引脚，其中4个引脚接地，4个引脚用于供电，还剩余16个引脚，所以每个USB Type‑C可以连接5个电机组件，优选地每个FPGA芯片板可以挂载5×5＝25个电机组件，如果需要更多的电机组件同步，需将FPGA控制子板通过USB Type‑C接口进行级联拓展，大大提升了系统的可扩展性。 [0047] 如图6所示，电机组件10与FPGA子控组件分别包括电机组件编号标志位与FPGA地址位，电机组件与FPGA子控组件进行指令传输的时候通过电机组件编号标志位与FPGA地址位进行识别定位。在一个实施例中，单个电机组件通讯指令通过串口方式传输至下位机，每条指令包括帧头、帧尾、FPGA板地址位、电机组件编号位、停止或开启标志位、正转或反转标志位、正转或反转周期位、步进量，其中当级联多个FPGA子控组件时，系统通过解析FPGA地址位进行指令传输，同样不同的电机组件指令也是通过解析电机组件编号标志位来完成数据传输，这样确保了整个系统的指令逐级往下传递，有效的避免了指令的串扰现象的发生。 [0048] 运用本发明的一种基于级联拓扑的多电机立体展示装置对安装有9600个电机组件的拓扑级联结构，如图7所示，具体如下： [0049] 9600个电机组件根据嵌入式计算机输入的图像像素值来调控每个电机组件移动的步进量，最终模拟出120*80像素的三维立体图，三维立体图根据嵌入式计算机输入的图像的改变而改变。 [0050] 拓扑级联结构的第一级为主控板，第一级即图中的1的主控板通过USB Type‑C连接四个第二级即图中2‑1、2‑2、2‑3、2‑4的FPGA控制子板，其中还包括电源接口的连接(图中未显示)；第二级的四个FPGA控制子板每一个都拓扑出四个FPGA控制子板即第三级即图中的3‑1至3‑16一共有十六个FPGA控制子板；同样的在第四级将有16X4＝64个FPGA控制子板在图中只显示了其中的四个即4‑1至4‑4，在第三级中的十六个FPGA控制子板都将拓扑出四个FPGA控制子板一共有六十四个，第五级将有64x6＝384个FPGA控制子板图中也是部分显示。这样，该拓扑级联结构一共用到1+4+16+64+384＝469个FPGA控制板。第五级即5‑1至5‑6是整个拓扑级联结构的最后一级，最后一级通过USB Type‑C连接若干电机组件，图中显示部分电机，由上文可知，每个USB Type‑C接口可以连接5个电机组件即电机1、电机2、电机3、电机4、电机5，而每个FPGA控制子板有8个USB Type‑C接口，故每个FPGA控制子板可连接40个电机，但是每个FPGA控制子板还需要通过USB Type‑C连接上级、下级以及平级的FPGA控制子板，故本例中的每个FPGA控制子板连接有5个USB Type‑C接口，而每个USB Type‑C接口可以连接5个电机组件，因此每个FPGA控制子板可以连接5x5＝25个电机组件，在最后一级一共有384个FPGA控制子板，故该拓扑级联结构可以连接384*25＝9600个电机组件。 [0051] 需要说明的是，在本实施例中一个FPGA控制子板有9个USB Type‑C接口包括其中一个为电源接口，在第二级与第三级中每个FPGA控制子板并没有将8个USB Type‑C接口全部进行利用出现了接口的冗余，这将依据拓扑级联结构需求的电机组件的数量，根据具体的需求进行合理拓扑。 [0052] 还需要说明的是，在若干FPGA控制板的配置过程中，对每一个FPGA控制板进行配置明确FPGA控制板所处的位置，即明确每个FPGA控制板的上级、下级以及平级。 [0053] 以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。 |
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