專利名稱：一種自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于危險(xiǎn)環(huán)境下自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置及方法。
背景技術(shù)：
自1954年美國G.C.Devol申請“通用重復(fù)型機(jī)器人”專利以來，機(jī)器人技術(shù)的內(nèi)涵不斷豐富，外延不斷擴(kuò)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，逐漸成為一門集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、通訊、智能控制等諸多學(xué)科于一體的綜合性學(xué)科，被大量應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、空間、海洋、醫(yī)療衛(wèi)生和家庭等眾多領(lǐng)域。
智能移動機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要分支，是一個(gè)集人機(jī)交互、環(huán)境感知、規(guī)劃與決策、運(yùn)動控制等多種功能于一體的綜合裝置。其特征是能通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，在半結(jié)構(gòu)化環(huán)境或非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中自主運(yùn)動，完成期望的任務(wù)。一方面智能移動機(jī)器人能在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)較大范圍的工件運(yùn)輸，另一方面在非工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，如倉儲業(yè)的搬運(yùn)機(jī)器人，巡邏保安機(jī)器人，迎賓導(dǎo)引機(jī)器人，醫(yī)用護(hù)理機(jī)器人等，特別是在危險(xiǎn)環(huán)境下和在人類難以到達(dá)的環(huán)境下有著不可或缺的作用，如核輻射環(huán)境下的材料搬運(yùn)機(jī)器人，星際探索機(jī)器人。所以智能移動機(jī)器人的研究引起越來越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣，受到許多國家和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。
智能移動機(jī)器人的研究方向主要有體系結(jié)構(gòu)，如何組織傳感器、計(jì)算機(jī)、執(zhí)行器來完成預(yù)定的任務(wù)；多傳感器信息融合和環(huán)境建模，如何從不精確且數(shù)據(jù)量極大的傳感器數(shù)據(jù)中獲得所需的信息并感知所處的環(huán)境；定位導(dǎo)航和路徑規(guī)劃，如何獲知智能移動機(jī)器人自身的位置姿態(tài)和到達(dá)目標(biāo)的路徑；運(yùn)動控制，如何使執(zhí)行器迅速、精確地執(zhí)行運(yùn)動指令。
在智能移動機(jī)器人的研究中，主要是集中在多傳感器信息融合和環(huán)境建模以及定位導(dǎo)航和路徑規(guī)劃方面。但是，集成移動功能和操作功能的智能移動機(jī)器人具有與環(huán)境互動的能力，能更好地適用環(huán)境和勝任更多的工作，尤其是在危險(xiǎn)環(huán)境下和人類難以到達(dá)的環(huán)境下有著迫切的應(yīng)用需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明與一種智能移動機(jī)器人及其控制裝置有關(guān)，具體地說是用于輻射環(huán)境下的核材料搬運(yùn)機(jī)器人，是一個(gè)控制智能移動機(jī)器人能夠自動地拾取目標(biāo)物體的控制裝置。
本發(fā)明更確切地講與智能移動機(jī)器人的目標(biāo)識別、路徑規(guī)劃和運(yùn)動控制相關(guān)，包括通過CCD攝像機(jī)攝取的圖像信息識別目標(biāo)物體，確定目標(biāo)物體的位置和姿態(tài)，規(guī)劃智能移動機(jī)器人的運(yùn)動路徑，以合適的姿態(tài)到達(dá)目標(biāo)位置，控制機(jī)械手抓取目標(biāo)物體。
本發(fā)明不限于用于輻射環(huán)境下的核材料的自動拾取，也可以是用于生化污染環(huán)境下的物體自動拾取或醫(yī)院傳染病房內(nèi)的物體自動拾取。
一種自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置，其特征在于包含圖像采集處理裝置，雙輪差速驅(qū)動的智能移動機(jī)器人本體，具有垂直和水平方向兩個(gè)自由度的機(jī)械手，機(jī)械手裝有壓力傳感器，機(jī)械手由兩直流伺服電機(jī)控制，擁有獨(dú)立的控制器、驅(qū)動器；機(jī)械手安裝在智能移動機(jī)器人的正前方；在機(jī)械手的正上方，裝有CCD攝像機(jī)。
由CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、工控PC機(jī)、顯示器，組成圖像的采集、處理、顯示裝置；控制裝置利用圖像處理裝置所提取的目標(biāo)物體信息，進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃，協(xié)調(diào)控制智能移動機(jī)器人本體和機(jī)械手，自動完成目標(biāo)物體的拾取。
所采用的圖像格式為4∶4∶4的YUV格式。
分割目標(biāo)物體所利用的特征為灰度，或者顏色，或者灰度和顏色的組合。
用目標(biāo)物體的重心代表目標(biāo)物體自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置，用目標(biāo)物體的主軸方向代表目標(biāo)物體的姿態(tài)，并以此位置和姿態(tài)作為智能移動機(jī)器人本體所要達(dá)到的目標(biāo)位置和姿態(tài)。
通過視覺自動獲取目標(biāo)，自主動態(tài)生成路徑規(guī)劃，并將運(yùn)動信息反饋到圖像處理模塊，構(gòu)成視覺閉環(huán)運(yùn)動控制，到達(dá)目標(biāo)位置和目標(biāo)姿態(tài)。
其機(jī)械手能以設(shè)定大小的力度拾取目標(biāo)物體。
其機(jī)械手能感知到目標(biāo)物體是否被成功拾取。
其機(jī)械手能根據(jù)拾取任務(wù)完成的情況，自動調(diào)節(jié)抓取力度的大小。
其智能移動機(jī)器人本體和機(jī)械手有各自獨(dú)立的運(yùn)動控制器和驅(qū)動器。
其智能移動機(jī)器人本體和機(jī)械手由同一個(gè)上位機(jī)控制，即可以各自獨(dú)立工作，又可以協(xié)調(diào)完成任務(wù)。


圖1是智能移動機(jī)器人拾物裝置外觀示意性側(cè)視圖；圖2是智能移動機(jī)器人拾物裝置外觀示意性正視圖；圖3是拾物控制裝置的軟件模塊圖；圖4是自動拾取物體的智能移動機(jī)器人圖像采集處理顯示裝置構(gòu)成框圖；圖5是自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明集成了智能移動機(jī)器人的移動能力和操作能力，如圖1所示，1為智能移動機(jī)器人本體，在此示意圖中，是輪式移動機(jī)器人；但此發(fā)明的應(yīng)用并不限于輪式移動機(jī)器人，也可應(yīng)用于履帶式移動機(jī)器人或輪一履帶混合式移動機(jī)器人。
智能移動機(jī)器人本體具備以下幾種功能一、能在工作環(huán)境內(nèi)按操作人員規(guī)劃好的路徑運(yùn)動；二、能自主地在工作環(huán)境內(nèi)運(yùn)動，如漫游、避障、到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)等；三、能通過遙操作的方式在工作環(huán)境內(nèi)移動。
如圖1所示，在智能移動機(jī)器人本體1的正前方，裝有一個(gè)機(jī)械手2，用以拾取物體，賦予整個(gè)裝置操作能力，機(jī)械手2具有垂直方向的上下運(yùn)動和水平方向的開合運(yùn)動的功能，并且能知其所處的上下位置和開合的程度，以及是否已經(jīng)拾取到目標(biāo)物體。
在圖1和圖2中，CCD攝像機(jī)3位于機(jī)械手2的頂端，CCD攝像機(jī)3攝取機(jī)械手2前面一定范圍內(nèi)的圖像，其所攝圖像范圍的大小與CCD攝像機(jī)的安裝高度和鏡頭焦距有關(guān)。
圖3說明了拾物控制裝置的軟件模塊，其具體的工作過程如下攝取一幅圖像，圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101開始工作，或依照事先已標(biāo)定好的目標(biāo)物體特征值，或依照操作人員通過人機(jī)界面標(biāo)示出的目標(biāo)物體區(qū)域，獲得目標(biāo)物體的特征值，分割出目標(biāo)物體；考慮到智能移動機(jī)器人本體所帶計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度和資源有限，同時(shí)又要求圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101具有實(shí)時(shí)處理的能力，所以目標(biāo)物體的特征選取顏色或(和)灰度，而不考慮諸如紋理等需要通過很多計(jì)算才能獲得的特征。
分割出目標(biāo)物體后，算出目標(biāo)物體的重心位置，并求出目標(biāo)物體的主軸方向；依據(jù)圖像坐標(biāo)平面和工作環(huán)境坐標(biāo)系對應(yīng)關(guān)系，求得機(jī)器人本體應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，和達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)時(shí)的姿態(tài)。
智能移動機(jī)器人本體控制agent102接收來自圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101的目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)和姿態(tài)，規(guī)劃和控制智能移動機(jī)器人本體的運(yùn)動，經(jīng)過一個(gè)周期后，將智能移動機(jī)器人本體的運(yùn)動信息發(fā)送到圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101；利用此信息，圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101能在更精確的范圍內(nèi)識別出目標(biāo)物體，并更新目標(biāo)物體的坐標(biāo)和姿態(tài)，并傳給智能移動機(jī)器人本體控制agent102；如此循環(huán)往復(fù)，直至智能移動機(jī)器人以合適的姿態(tài)達(dá)到目標(biāo)位置。
當(dāng)移智能動機(jī)器人以合適的姿態(tài)到達(dá)目標(biāo)位置后，激活機(jī)械手控制agent103，開始實(shí)施對目標(biāo)物體的拾取操作；如果拾取成功，機(jī)械手控制agent103則發(fā)送拾取成功的信息到圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101，拾物操作結(jié)束；如果拾取失敗，機(jī)械手控制agent103更改夾持力大小的參數(shù)，發(fā)送拾取失敗信息給智能移動機(jī)器人本體控制agent102，智能移動機(jī)器人本體控制agent102控制機(jī)器人本體后退合適的距離，同時(shí)，機(jī)械手控制agent103還發(fā)送拾取失敗信息給圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101，讓其攝取圖像，開始新一輪拾物控制。
圖4的自動拾取物體的智能移動機(jī)器人圖像采集處理顯示裝置，由CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、工控PC機(jī)、顯示器，組成圖像的采集、處理、顯示裝置，控制裝置利用圖像處理裝置所提取的目標(biāo)物體信息，進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃，協(xié)調(diào)控制智能移動機(jī)器人本體和機(jī)械手，自動完成目標(biāo)物體的拾取，其中，CCD攝像機(jī)與圖像采集卡互聯(lián)，圖像采集卡與工控PC機(jī)互聯(lián)，工控PC機(jī)與顯示器互聯(lián)。
具體的自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制方法流程見圖5。其步驟如下步驟S1，攝取一幀圖像，圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101開始工作；步驟S2，或依照事先已標(biāo)定好的目標(biāo)物體特征值，或依照操作人員通過人機(jī)界面標(biāo)示出的目標(biāo)物體區(qū)域，獲得目標(biāo)物體的特征值，分割出目標(biāo)物體，算出目標(biāo)物體的重心位置，并求出目標(biāo)物體的主軸方向；依據(jù)圖像坐標(biāo)平面和工作環(huán)境坐標(biāo)系對應(yīng)關(guān)系，求得機(jī)器人本體應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，和達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)時(shí)的姿態(tài)；步驟S3，控制移動機(jī)器人運(yùn)動到拾物位置，智能移動機(jī)器人本體控制agent102接收來自圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101的目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)和姿態(tài)，規(guī)劃和控制智能移動機(jī)器人本體的運(yùn)動，經(jīng)過一個(gè)周期后，將智能移動機(jī)器人本體的運(yùn)動信息發(fā)送到圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101；利用此信息，圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101能在更精確的范圍內(nèi)識別出目標(biāo)物體，并更新目標(biāo)物體的坐標(biāo)和姿態(tài)，并傳給智能移動機(jī)器人本體控制agent102；步驟S4，控制機(jī)械手拾取目標(biāo)物體，當(dāng)移智能動機(jī)器人以合適的姿態(tài)到達(dá)目標(biāo)位置后，激活機(jī)械手控制agent103，開始實(shí)施對目標(biāo)物體的拾取操作；如果拾取成功，機(jī)械手控制agent103則發(fā)送拾取成功的信息到圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101，拾物操作結(jié)束；如果拾取失敗，機(jī)械手控制agent103更改夾持力大小的參數(shù)，發(fā)送拾取失敗信息給智能移動機(jī)器人本體控制agent102，智能移動機(jī)器人本體控制agent102控制機(jī)器人本體后退合適的距離，同時(shí)，機(jī)械手控制agent103還發(fā)送拾取失敗信息給圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101，讓其攝取圖像，開始新一輪拾物控制。
實(shí)施例圖1和圖2的智能移動機(jī)器人本體寬50cm，長60cm，高56cm，后半部分是50cm×35cm的矩形，前半部分是半徑為25cm的半圓，側(cè)表面為半個(gè)16正面體；采用雙輪差速驅(qū)動加無動力導(dǎo)向輪的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動輪輪距為33cm，導(dǎo)向輪位于兩驅(qū)動輪軸線的中垂線上，在兩驅(qū)動輪軸線的前36cm處，兩個(gè)輪驅(qū)動帶有碼盤、運(yùn)動控制DSP板和功率驅(qū)動板；本體帶有一塊研祥EC5-1621工控機(jī)主板，CPU主頻1M，內(nèi)存256M，圖像采集裝置為大恒QP300圖像采集卡；本體還帶有16個(gè)超聲，16個(gè)紅外，以及傳感器信息采集DSP板。
機(jī)械手采用兩自由度直角坐標(biāo)式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中垂直軸行程20cm，水平軸行程8cm，由兩直流伺服電機(jī)控制，帶有運(yùn)動控制DSP板和功率驅(qū)動板。
CCD攝像機(jī)FS-482。
圖像獲取與處理以352×288的大小采集4∶4∶4的YUV格式的圖像，依據(jù)目標(biāo)物體在Y上或UV上或YUV上的特征，分割出目標(biāo)物體，求得目標(biāo)物體的重心坐標(biāo)和主軸方向，再利用事先獲得的圖像坐標(biāo)系和環(huán)境坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，求得目標(biāo)物體在環(huán)境空間中的位置和姿態(tài)。
智能移動機(jī)器人本體控制以目標(biāo)物體的坐標(biāo)和姿態(tài)作為機(jī)器人本體的目標(biāo)位置和姿態(tài)，規(guī)劃機(jī)器人的路徑，生成控制命令發(fā)送到運(yùn)動控制DSP板。
機(jī)械手控制先控制機(jī)械手垂直向下運(yùn)動，到達(dá)設(shè)定位置后；控制機(jī)械手的開合運(yùn)動，夾取目標(biāo)物體，當(dāng)機(jī)械手抓取到目標(biāo)物體時(shí)所感受到的壓力達(dá)到預(yù)定值時(shí)，停止水平運(yùn)動；控制機(jī)械手垂直向上運(yùn)動，到達(dá)設(shè)定位置后，壓力未消失，夾取成功。
權(quán)利要求
1.一種自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置，其特征在于包含圖像采集處理裝置，雙輪差速驅(qū)動的智能移動機(jī)器人本體，具有垂直和水平方向兩個(gè)自由度的機(jī)械手，機(jī)械手裝有壓力傳感器，機(jī)械手由兩直流伺服電機(jī)控制，擁有獨(dú)立的控制器、驅(qū)動器；機(jī)械手安裝在智能移動機(jī)器人的正前方；在機(jī)械手的正上方，裝有CCD攝像機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置，其特征在于，由CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、工控PC機(jī)、顯示器，組成圖像的采集、處理、顯示裝置，控制裝置利用圖像處理裝置所提取的目標(biāo)物體信息，進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃，協(xié)調(diào)控制智能移動機(jī)器人本體和機(jī)械手，自動完成目標(biāo)物體的拾取，其中，CCD攝像機(jī)與圖像采集卡互聯(lián)，圖像采集卡與工控PC機(jī)互聯(lián)，工控PC機(jī)與顯示器互聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置，其特征在于，所采用的圖像格式為4:4:4的YUV格式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置，其特征在于，分割目標(biāo)物體所利用的特征為灰度，或者顏色，或者灰度和顏色的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置，其特征在于，用目標(biāo)物體的重心代表目標(biāo)物體自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置，用目標(biāo)物體的主軸方向代表目標(biāo)物體的姿態(tài)，并以此位置和姿態(tài)作為智能移動機(jī)器人本體所要達(dá)到的目標(biāo)位置和姿態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置，其特征在于，通過視覺自動獲取目標(biāo)，自主動態(tài)生成路徑規(guī)劃，并將運(yùn)動信息反饋到圖像處理模塊，構(gòu)成視覺閉環(huán)運(yùn)動控制，到達(dá)目標(biāo)位置和目標(biāo)姿態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置，其特征在于，其機(jī)械手能以設(shè)定大小的力度拾取目標(biāo)物體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置，其特征在于，其機(jī)械手能感知到目標(biāo)物體是否被成功拾取。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置，其特征在于，其機(jī)械手能根據(jù)拾取任務(wù)完成的情況，自動調(diào)節(jié)抓取力度的大小。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置，其特征在于，其智能移動機(jī)器人本體和機(jī)械手有各自獨(dú)立的運(yùn)動控制器和驅(qū)動器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置，其特征在于，其智能移動機(jī)器人本體和機(jī)械手由同一個(gè)上位機(jī)控制，即可以各自獨(dú)立工作，又可以協(xié)調(diào)完成任務(wù)。
12.一種自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制方法，其步驟如下其步驟如下步驟S1，攝取一幀圖像，圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101開始工作；步驟S2，或依照事先已標(biāo)定好的目標(biāo)物體特征值，或依照操作人員通過人機(jī)界面標(biāo)示出的目標(biāo)物體區(qū)域，獲得目標(biāo)物體的特征值，分割出目標(biāo)物體，算出目標(biāo)物體的重心位置，并求出目標(biāo)物體的主軸方向；依據(jù)圖像坐標(biāo)平面和工作環(huán)境坐標(biāo)系對應(yīng)關(guān)系，求得機(jī)器人本體應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，和達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)時(shí)的姿態(tài)；步驟S3，控制移動機(jī)器人運(yùn)動到拾物位置，智能移動機(jī)器人本體控制agent102接收來自圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101的目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)和姿態(tài)，規(guī)劃和控制智能移動機(jī)器人本體的運(yùn)動，經(jīng)過一個(gè)周期后，將智能移動機(jī)器人本體的運(yùn)動信息發(fā)送到圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101；利用此信息，圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101能在更精確的范圍內(nèi)識別出目標(biāo)物體，并更新目標(biāo)物體的坐標(biāo)和姿態(tài)，并傳給智能移動機(jī)器人本體控制agent102；步驟S4，控制機(jī)械手拾取目標(biāo)物體，當(dāng)移智能動機(jī)器人以合適的姿態(tài)到達(dá)目標(biāo)位置后，激活機(jī)械手控制agent103，開始實(shí)施對目標(biāo)物體的拾取操作；如果拾取成功，機(jī)械手控制agent103則發(fā)送拾取成功的信息到圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101，拾物操作結(jié)束；如果拾取失敗，機(jī)械手控制agent103更改夾持力大小的參數(shù)，發(fā)送拾取失敗信息給智能移動機(jī)器人本體控制agent102，智能移動機(jī)器人本體控制agent102控制機(jī)器人本體后退合適的距離，同時(shí)，機(jī)械手控制agent103還發(fā)送拾取失敗信息給圖像采集與目標(biāo)物體信息提取agent101，讓其攝取圖像，開始新一輪拾物控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是自動拾取物體的智能移動機(jī)器人控制裝置及方法。包含圖像采集處理裝置，雙輪差速驅(qū)動的智能移動機(jī)器人本體，具有垂直和水平方向兩個(gè)自由度的機(jī)械手，機(jī)械手裝有壓力傳感器，機(jī)械手由兩直流伺服電機(jī)控制，在機(jī)械手的正上方，裝有CCD攝像機(jī)。方法包括步驟S1，攝取一幀圖像；步驟S2，通過圖像處理獲得目標(biāo)物體的位置與姿態(tài)；步驟S3，控制移動機(jī)器人運(yùn)動到拾物位置；步驟S4，控制機(jī)械手拾取目標(biāo)物體。本發(fā)明將智能移動機(jī)器人的移動功能和機(jī)械手的操作功能集成于一體，并能在半結(jié)構(gòu)化環(huán)境或非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下工作。
文檔編號B25J5/00GK1846951SQ20051006496
公開日2006年10月18日 申請日期2005年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月11日
發(fā)明者原魁, 彭一準(zhǔn), 劉俊成, 周慶瑞 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所