專利名稱：用于識別環(huán)境和進(jìn)行作業(yè)的仿人機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機器人，特別涉及一種在繁重、危險、惡劣或一般的環(huán)境下，能夠識別環(huán)境和代替人完成各種復(fù)雜作業(yè)的仿人機器人。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的仿人機器人視覺主要包括兩種類型。第一類是由《機器人》雜志2005年05期中“仿生眼的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢”論文公開的，以“Pin-Hole”模型為基礎(chǔ)，其缺陷是在每次作業(yè)之前，必須完成非常繁瑣的CCD攝像機校正，CCD攝像機的運動控制也需要在視覺空間和作業(yè)空間之間完成極其復(fù)雜的坐標(biāo)變換，并且也無法有效地實現(xiàn)兩個CCD攝像機的協(xié)調(diào)運動和各種視覺機能以及各項基于視覺處理的作業(yè)。第二類也是由前述的雜志和論文公開的，是計算三維空間中被注視對象進(jìn)入CCD攝像機的光通量等濃淡及距離圖像信息，從而來觀察和認(rèn)識被注視對象，并通過計算被注視對象的光通量能量函數(shù)來控制CCD攝像機實時地追蹤定位被注視對象。但是，這種方法極易受到來自環(huán)境的各種干擾影響，并且光通量和能量函數(shù)的計算算法十分復(fù)雜，很難在動態(tài)環(huán)境下實時地應(yīng)用，而且兩個CCD攝像機的協(xié)調(diào)運動控制問題和各種視覺機能以及各項基于視覺處理的作業(yè)也無法有效地實現(xiàn)。
在歐美和日本等發(fā)達(dá)國家的工廠和企業(yè)中，工業(yè)機械手被廣泛地用來代替人完成各類簡單和重復(fù)性的工作。這些工業(yè)機械手基本上是限定在特定的環(huán)境中完成單一的動作。對于一些在危險、惡劣、繁重或一般的環(huán)境下，需要靈巧的人手及其手腕和手臂才能完成的復(fù)雜作業(yè)而言，例如抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、擰、牽、拽、磨、削、刨、挫等作業(yè)就顯得無能為力。
而且現(xiàn)有的五指形仿人機械手從機構(gòu)形式上來看幾乎都是多指多關(guān)節(jié)手，最普遍的是手指數(shù)目為3～5個，各個手指的關(guān)節(jié)數(shù)目也多為3個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，自由度為3～5個，存在以下問題1)仿人機械手大多是采用基于腱的傳動方式和仿效人手的驅(qū)動原理。盡管腱傳動有許多優(yōu)點，但是在腱傳動系統(tǒng)中，由于腱的剛度、機械特性、數(shù)量以及在手指中的路徑設(shè)計等對于手的性能具有較大的影響，會造成驅(qū)動系統(tǒng)滯后、腱不穩(wěn)定或者損壞；2)仿人機械手的控制方法基本上是對手指尖處裝配有獨立的力/力矩傳感器的手指進(jìn)行位置和力反饋控制或柔性控制。這些控制方法僅僅以手指尖處的接觸力/力矩反饋為基礎(chǔ)對手指進(jìn)行控制，沒有考慮或控制手指和手掌表面上眾多觸覺點的接觸力影響；3)仿人機械手研究沒有或很少涉及到手及其手腕和手臂協(xié)調(diào)控制方法，也沒有根據(jù)來自作業(yè)對象的接觸力/力矩反饋對手及其手腕和手臂的慣性、粘性、剛性參數(shù)作有效和合理地調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的作業(yè)對象和作業(yè)環(huán)境的需要(比如，仿人機械手如何抓握和加工柔軟食品，或者抓握金屬工具完成安裝和維修)；4)仿人機械手研究沒有涉及到與靈巧作業(yè)有關(guān)的作業(yè)描述語言，更沒有象人控制自己的雙手及其雙手腕和雙手臂一樣，對一雙仿人機械手及其手腕和手臂進(jìn)行協(xié)調(diào)控制?，F(xiàn)有的手及其手腕和手臂研究大多只涉及到抓握、開抽屜、按開關(guān)、抓雞蛋、擺積木，彈琴等，尚未涉及更高層次的書寫、裁剪、撕拽、挖掘、敲打、磨削、刨挫等作業(yè)。
由于仿人機器人是一種非線性不穩(wěn)定系統(tǒng)，它在步行中要承受許多由接觸環(huán)境而引起的限制?，F(xiàn)有仿人機器人的二足步行所存在的最主要問題是不考慮接觸地面的反作用力影響，或者僅僅只考慮腳掌上幾個觸覺點的觸覺力影響，因而當(dāng)行走地面的動力學(xué)模型未知的情況下很難控制仿人機器人穩(wěn)定地行走。
綜上所述，現(xiàn)有的仿人機器人不能完全具備人的基本機能，不能完全代替人在繁重、危險、惡劣或一般的環(huán)境下完成各種復(fù)雜的作業(yè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，一種所述的仿人機器人具有人的基本機能，它可以代替人在繁重、危險、惡劣或一般的環(huán)境下完成各種復(fù)雜的作業(yè)。例如，在機械制造、化工生產(chǎn)、核電維修、軍事戰(zhàn)斗、醫(yī)療手術(shù)、搶險救災(zāi)、設(shè)備安裝、科學(xué)考察、家務(wù)勞動、患者看護(hù)、教育娛樂等場合下，所述的仿人機器人能夠正確地進(jìn)行目標(biāo)識別、追蹤定位、動作檢測、手眼協(xié)調(diào)、障礙避免、步行規(guī)劃等基于視覺處理的作業(yè)，在未知的地面上穩(wěn)定和自律地行走到工作場所，并用其雙手和雙手腕及雙手臂相互協(xié)作靈巧地完成抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、磨、削、刨、挫等各種復(fù)雜的作業(yè)。
本發(fā)明的用于識別環(huán)境和進(jìn)行作業(yè)的仿人機器人包括——可旋轉(zhuǎn)的兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)，用于完成基于視覺處理的目標(biāo)識別、追蹤定位、動作檢測、手眼協(xié)調(diào)、障礙避免、步行規(guī)劃作業(yè)；由二個CCD攝像機、五個直流伺服電機、一塊高速雙通道圖像輸入板和二塊PIO板構(gòu)成，二個CCD攝像機相當(dāng)于人的二個眼球，具有上、下、左、右運動和旋轉(zhuǎn)功能；——雙帶有觸覺的五指形仿人機械手，用于完成抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、磨、削、刨、挫作業(yè)；分布于所述的仿人機械手的手掌及其五個手指上的觸覺點共120×2＝240個，其手掌及其五個手指共包括21個關(guān)節(jié)，一雙手有21×2＝42個自由度、一雙手臂和一雙手腕有7×2＝14個自由度；——二足步行機構(gòu)，用于控制所述的仿人機器人在未知的地面上穩(wěn)定地行走；由腰部和一雙腳構(gòu)成，共有15個關(guān)節(jié)，腰部三個自由度、一雙腳共十二個自由度；二個六自由度的力和力矩傳感器安裝于所述一雙腳的根部，用于檢測環(huán)境反作用力和力矩；——人機接口平臺，以計算機網(wǎng)格為支撐，通過計算相關(guān)數(shù)學(xué)模型和控制算法，控制所述的仿人機器人實現(xiàn)運動功能、感知功能、思維功能、作業(yè)功能、人機交互；為所述的仿人機器人提供接口簡化甚至透明于網(wǎng)絡(luò)和集群及網(wǎng)格的三維模型仿真、作業(yè)描述語言、受力效果分析、可視化的運動和作業(yè)效果、雙手和雙腳示教、肢體碰撞檢測、無碰撞路徑規(guī)劃。
本發(fā)明的仿人機器人高度等于所述二足步行機構(gòu)高度加上所述的兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)高度，為1.5米，體重60公斤、兩肩之間的距離為0.45米，步行速度大于2.0公里/小時。
仿人機器人可旋轉(zhuǎn)的兩眼仂調(diào)運動控制系統(tǒng)中，二個眼球距離設(shè)定為75毫米，從眼球到頸的回轉(zhuǎn)軸之間的距離定為85毫米。
仿人機器人的一雙帶有觸覺的五指形仿人機械手的外形尺寸為450×200毫米2，重量為1.5公斤。
各部分更詳細(xì)地說明如下關(guān)于兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)1)與兩眼協(xié)調(diào)運動控制關(guān)聯(lián)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。主要根據(jù)人類大腦中左右水平半規(guī)管到左右眼球的神經(jīng)通路及信號流向，找出水平半規(guī)管、前庭核、橋被蓋網(wǎng)樣核、大腦皮質(zhì)視覺領(lǐng)、外側(cè)膝狀體、視素核、外轉(zhuǎn)神經(jīng)核、外直筋、內(nèi)直筋之間的信號流通關(guān)系，確定了與兩眼協(xié)調(diào)運動控制關(guān)聯(lián)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；2)與兩眼協(xié)調(diào)運動控制關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)模型。假定視覺神經(jīng)細(xì)胞是單純的輸入信號統(tǒng)合器官，神經(jīng)細(xì)胞的興奮性輸入信號、抑制信號、輸出信號的關(guān)系可由加權(quán)和來表示。這樣根據(jù)與兩眼協(xié)調(diào)運動控制關(guān)聯(lián)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立了與兩眼協(xié)調(diào)運動控制關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)模型；3)與兩眼協(xié)調(diào)運動控制關(guān)聯(lián)的物理模型。根據(jù)兩眼協(xié)調(diào)運動控制關(guān)聯(lián)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和數(shù)學(xué)模型，對人類兩眼的視覺神經(jīng)通路和視覺控制信號進(jìn)行分析，找出兩眼視軸回轉(zhuǎn)角，視標(biāo)位置以及視網(wǎng)膜誤差之間的關(guān)系，確定了兩眼的視覺控制信號流圖；4)與兩眼協(xié)調(diào)運動控制關(guān)聯(lián)的控制方法。根據(jù)兩眼的視覺控制信號流圖，確定兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)框圖。再根據(jù)前庭核、外軸神經(jīng)核和雙眼運動之間存在不完全積分器的事實以及左右前庭核間、左右外軸神經(jīng)核間的信號傳導(dǎo)度來確定該系統(tǒng)框圖中各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而確定了兩眼協(xié)調(diào)運動系統(tǒng)的控制方法；
5)將兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)和視覺處理及控制軟件安裝于所述的帶有一雙五指形觸覺機械手及其手腕和手臂的仿人機器人的頭內(nèi)部，讓它在動態(tài)環(huán)境中完成目標(biāo)識別、追蹤定位、動作檢測、手眼協(xié)調(diào)、障礙避免、步行規(guī)劃等各種基于視覺處理的作業(yè)。
關(guān)于一雙帶有觸覺的五指形仿人機械手及其手腕和手臂1)五指形仿人機械手的構(gòu)造及其觸覺神經(jīng)活動機理；主要以人的手指和手掌的解剖學(xué)及其觸覺機理的研究成果為基礎(chǔ)，確定了五指形仿人機械手的關(guān)節(jié)設(shè)置、幾何尺寸、以及分布于各個手指和手掌上的觸覺點配置及其相互關(guān)系；2)一雙具有5個手指及手掌的仿人機械手；按照確定好的五指形仿人機械手的關(guān)節(jié)設(shè)置和幾何尺寸，用小型直流伺服電機作為各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動機構(gòu)。在各個小型直流伺服電機上安裝測量關(guān)節(jié)角度的光電編碼器，開發(fā)了五指形仿人機械手的關(guān)節(jié)控制電路和伺服控制算法；3)利用感壓導(dǎo)電橡膠來制作5個手指和手掌的觸覺傳感器；根據(jù)感壓導(dǎo)電橡膠阻值受壓后發(fā)生變化而產(chǎn)生交變電流的原理，用感壓導(dǎo)電橡膠作為各觸覺點的導(dǎo)電機構(gòu)。設(shè)計和實現(xiàn)了分布于5個手指及手掌上的分布式觸覺傳感器及其檢測控制電路；4)五指形仿人機械手的運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)學(xué)模型；采用五指形仿人機械手的前向運動學(xué)和動力學(xué)來計算各手指及手掌的關(guān)節(jié)角軌跡，檢驗控制算法。此外也采用逆向運動學(xué)和動力學(xué)分析了各手指和手掌的關(guān)節(jié)力矩和來自各接觸點的反作用力等；5)五指形仿人機械手的協(xié)調(diào)控制算法；根據(jù)五指形仿人機械手的協(xié)調(diào)控制特征和運動學(xué)及動力學(xué)方程，對其雅可比矩陣進(jìn)行LU分解和ILX分解。導(dǎo)入小領(lǐng)域控制點，計算和導(dǎo)出控制各關(guān)節(jié)運動的關(guān)節(jié)角和角速度的目標(biāo)值，實現(xiàn)了對五指形仿人機械手各手指及手掌的協(xié)調(diào)控制。
關(guān)于二足步行機構(gòu)1)仿人機器人腳掌反力及反力矩魯捧控制方法；為了實現(xiàn)具有76個關(guān)節(jié)(頭部5個、腰部3個、雙手21×2＝42個、雙手臂和雙手腕7×2＝14個、雙腳6×2＝12個)的仿人機器人的二足步行魯捧伺服控制，需要在仿人機器人的前向及逆向運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計一個仿人機器人關(guān)節(jié)空間上統(tǒng)一的魯棒伺服控制器；2)考慮腳掌的反力及反力矩等物理限制的姿勢控制方法；為了控制仿人機器人二足與地面環(huán)境的接觸力，需要用基于均方差最小的最優(yōu)力分配方法來實現(xiàn)仿人機器人身體的姿勢控制；3)仿人機器人雙腳交換實時重心追跡控制方法；為了實現(xiàn)穩(wěn)定地步行，仿人機器人的雙腳必須周期性地著地。我們采用離散化倒置擺模型來計算仿人機器人的腳掌著地點，以實現(xiàn)對任意軌跡的零轉(zhuǎn)矩點跟蹤控制，以期得到在未知的接觸地面上仿人機器人的穩(wěn)定步行控制；4)對仿人機器人姿勢引起的慣量變化不敏感的魯捧控制方法；在由于仿人機器人的步行速度變快的情況下，前向慣量增大的同時對其進(jìn)行補償控制；5)仿人機器人的三維實時步行仿真方法及仿真軟件；用前向運動學(xué)和動力學(xué)來仿真計算各關(guān)節(jié)角的軌跡，身體位置，身體高度以便驗證控制算法。同時采用逆向運動學(xué)和逆向動力學(xué)，根據(jù)仿人機器人的身體位置和姿勢來計算各關(guān)節(jié)角的位置、速度、加速度，以便分析關(guān)節(jié)力矩和來自地面的反作用力；6)與上述方法相對應(yīng)且有76個關(guān)節(jié)的仿人機器人原型。用直流伺服電機、6自由度的力和力矩傳感器、計算機系統(tǒng)等來實現(xiàn)仿人機器人及其控制系統(tǒng)。
關(guān)于人機接口平臺1)能夠靈活控制仿人機器人動作的作業(yè)描述語言，該作業(yè)描述語言可以通過人機接口平臺實現(xiàn)對仿人機器人本體控制，仿人機器人本體與人機接口平臺通過無線方式進(jìn)行通信；2)利用計算機網(wǎng)格技術(shù)研制多臺計算機對人機接口平臺中不同三維模型的并行控制方法，包括多臺計算機間的信息共享、沖突避免、指令優(yōu)先級控制；3)重力、摩擦力、地面支撐力、慣性力等對仿人機器人的影響，建立數(shù)學(xué)模型，并在人機接口平臺中模擬這些環(huán)境作用力對仿人機器人的影響；4)研究仿人機器人身體各部分的碰撞檢測算法，并實現(xiàn)身體各部分的無碰撞路徑規(guī)劃；5)仿人機器人的正向和逆運動學(xué)模型，并在人機接口平臺中實現(xiàn)用鼠標(biāo)拉動機器人手、腳完成各種動作和作業(yè)的示教系統(tǒng)，實現(xiàn)動作和作業(yè)的錄制和重放功能。


圖1-1是本發(fā)明的仿人機器人示意圖；圖1-2是本發(fā)明的仿人機器人的人機接口平臺示意圖；圖2是本發(fā)明的仿人機器人兩眼的輸入和輸出視覺控制信號原理圖；圖3是本發(fā)明的仿人形機器人兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)框圖；圖4是本發(fā)明的五指形仿人機械手設(shè)計圖；圖5是本發(fā)明的五指形仿人機械手的觸覺信號檢出原理圖；圖6是本發(fā)明的五指形仿人機械手觸覺點的配置結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明的仿人機器人(部分)裝配圖；圖8是本發(fā)明的仿人機器人(部分)側(cè)視圖；圖9(a)是本發(fā)明的仿人機器人二足步行測試界面；圖9(b)是本發(fā)明的仿人機器人身體關(guān)節(jié)測試界面；圖9(c)是本發(fā)明的仿人機器人手腕臂關(guān)節(jié)測試界面。
圖中1兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)，2-1帶有觸覺的五指形仿人機械左手，2-3左手腕和手臂，2-2帶有觸覺的五指形仿人機械右手，2-4右手腕和手臂，3-1二足步行機構(gòu)(左腿)，3-2二足步行機構(gòu)(右腿)，4伺服電機控制裝置，5發(fā)送接收天線；4-1食指，4-2中指，4-3無名指，4-4小手指，4-5拇指，4-6手掌，前后轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)4-7，左右轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)4-8。
具體實施例方式
如圖1-1和圖1-2所示，本發(fā)明的仿人機器人。
包括了1兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)，2-1帶有觸覺的五指形仿人機械左手，2-2帶有觸覺的五指形仿人機械右手，2-3左手腕和手臂，2-4右手腕和手臂，3-1二足步行機構(gòu)(左腿)，3-2二足步行機構(gòu)(右腿)，4小型伺服電機控制裝置，5發(fā)送接收天線，6人機接口平臺。
其中，兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)的基本原理如下從人類兩眼視覺神經(jīng)通路可以知道，從水平半規(guī)管(HSC)來的興奮信號是與前庭核(VN)的第一類神經(jīng)元(Type I)相連結(jié)的。同時從眼球的鼻側(cè)網(wǎng)膜來的神經(jīng)及中心窩的一部分神經(jīng)通過視交叉后與另一側(cè)的眼球中心窩的一部分神經(jīng)相匯合，再經(jīng)由另一側(cè)的視索核(NOT)→另一側(cè)的橋被蓋網(wǎng)樣核(NRTP)→另一側(cè)的VN的第二類神經(jīng)元(Type II)并和其相連接。而且，耳側(cè)網(wǎng)模來的神經(jīng)從同側(cè)的外側(cè)漆狀體(LGN)出發(fā)，經(jīng)大腦皮質(zhì)視覺鄰(VC)，被外側(cè)橋核(DLPN)與同側(cè)的VN的第二類神經(jīng)元相連接。另外，從前庭核開始到眼筋為止的興奮性經(jīng)路是從VN的第一類神經(jīng)元出發(fā)，到另一側(cè)的VN的第二類神經(jīng)元經(jīng)路和動眼運動核(OMN)→內(nèi)直筋(MR)，并且由另一側(cè)的外轉(zhuǎn)神經(jīng)核(AN)→另一側(cè)的外直筋(LR)，另一側(cè)的AN→內(nèi)側(cè)從束MLF→OMN→MR等構(gòu)成。抑制性經(jīng)路是由VN的第一類神經(jīng)元→另一側(cè)的VN的第一類神經(jīng)元經(jīng)路，VN的第一類神經(jīng)元經(jīng)路→同側(cè)的AN的經(jīng)路，VN的第一類神經(jīng)元→另一側(cè)OMN的經(jīng)路來構(gòu)成。因此，根據(jù)上述左右水平半規(guī)管到左右眼球的神經(jīng)通路及信號流向的分析，可以找出水平半規(guī)管、前庭核、橋被蓋網(wǎng)樣核、大腦皮質(zhì)視覺領(lǐng)、外側(cè)膝狀體、視素核、外轉(zhuǎn)神經(jīng)核、外直筋、內(nèi)直筋之間的信號流通關(guān)系，進(jìn)而得出與兩眼協(xié)調(diào)運動關(guān)聯(lián)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。由此可以建立起兩眼協(xié)調(diào)運動的數(shù)學(xué)模型。
定義兩眼輸入和輸出視覺控制信號，如圖2所示，左右半規(guī)管檢出的頭部回轉(zhuǎn)速度ωl和ωr，兩眼的視軸回轉(zhuǎn)角El和Er，視標(biāo)位置l和r，左右眼球捕獲的視標(biāo)網(wǎng)模誤差分Rl和Rr，視標(biāo)視平行線等。此外，假定神經(jīng)細(xì)胞是單純的輸入信號統(tǒng)合器官，神經(jīng)細(xì)胞的興奮性輸入信號、抑制信號、輸出信號的關(guān)系可由加權(quán)和來表示。根據(jù)以上的定義和假定對兩眼的視覺神經(jīng)通路和視覺控制信號分析，可以找出兩眼視軸回轉(zhuǎn)角，視標(biāo)位置以及視網(wǎng)膜誤差之間的關(guān)系，并得出兩眼的視覺控制信號流圖。由比信號流圖可以確定兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)的框圖。再根據(jù)前庭核、外軸神經(jīng)核和雙眼運動之間存在不完全積分器的事實及左右前庭核間，左右外軸神經(jīng)核間的信號傳導(dǎo)度來確定該系統(tǒng)框圖中各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而可得到兩眼仂調(diào)運動系統(tǒng)的控制方法，如圖3所示。
由圖3可見兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)。其具體實施方式
如下1)對從左右水平半規(guī)管到左右眼球的神經(jīng)通路及信號流向作進(jìn)一步的分析，找出水平半規(guī)管、前庭核、橋被蓋網(wǎng)樣核、大腦皮質(zhì)視覺領(lǐng)、外側(cè)膝狀體、視素核、外轉(zhuǎn)神經(jīng)核、外直筋、內(nèi)直筋之間的信號流通關(guān)系，進(jìn)而得出與兩眼協(xié)調(diào)運動關(guān)聯(lián)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；2)通過對兩眼協(xié)調(diào)運動物理模型的分析，找出兩眼視軸回轉(zhuǎn)角，視標(biāo)位置以及視網(wǎng)膜誤差之間的關(guān)系。并結(jié)合已獲得的神經(jīng)通路和信號流通關(guān)系，來確定兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)的框圖。再根據(jù)前庭核、外軸神經(jīng)核和雙眼運動之間存在著不完全積分器的事實及左右前庭核間，左右外軸神經(jīng)核間的信號傳導(dǎo)度來確定該控制系統(tǒng)框圖中各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而得到兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及控制方法；3)使用兩個CCD攝像機、5個直流伺服電機、1塊高速雙通道圖像處理板、1臺個人計算機等來構(gòu)成5自由度的兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)。也即左右CCD攝像機(相當(dāng)于仿人機器人的兩個眼球)可以上、下、左、右運動，同時整個系統(tǒng)可以和人的頸一樣作旋轉(zhuǎn)運動。并以下述方案為基礎(chǔ)，使用上述系統(tǒng)分別進(jìn)行試驗，檢驗提出的數(shù)學(xué)模型和控制方法的有效性和完成各項基于視覺處理的作業(yè)a)被注視對象固定，頸轉(zhuǎn)動的情況下，檢驗兩眼對被注視對象的識別，追蹤和定位性能；b)頸固定，被注視對象左右移動的情況下，檢驗兩眼對被注視對象的識別、追蹤和定位性能；c)當(dāng)被注視對象在兩眼球中心線上及兩眼附近時，檢驗兩眼輻輳運動的控制特性；d)當(dāng)左或右眼輸入為0時，也即左眼或右眼關(guān)閉時檢驗兩眼協(xié)調(diào)運動的控制特性；e)檢驗兩眼輻輳運動會在什么條件下消失，兩眼的控制特性變好或變壞的條件；f)檢驗在什么條件下兩眼協(xié)調(diào)運動會失控，確定兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定條件；用該系統(tǒng)完成目標(biāo)識別、追蹤定位、動作檢測、手眼協(xié)調(diào)、障礙避免、步行規(guī)劃。
兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)使用兩個CCD攝像機、5個直流伺服電機、1塊高速雙通道圖像處理板、2塊PIO板、1臺高性能個人計算機來構(gòu)成5自由度的兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)。也即左右CCD攝像機(相當(dāng)于仿人機器人的兩個眼球)可以上、下、左、右運動及整個裝置可象人的頸一樣作旋轉(zhuǎn)運動。本裝置的兩個眼球距離擬設(shè)定為75毫米，從眼球到頸的回轉(zhuǎn)軸之間的距離定為85毫米，以期和人的眼球相一致。由高性能個人計算機讀取CCD攝像機的視覺信息，并檢測視標(biāo)在圖像平面視軸中心的移動速度，再經(jīng)由PIO板送入控制用計算機。用安裝在視覺裝置各直流伺服電機上的光電編碼器檢測直流伺服電機回轉(zhuǎn)角。頭部回轉(zhuǎn)速度可由光電編碼器輸出信號微分后得出。通過提出的數(shù)學(xué)模型和控制算法可算出兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)的參考輸入，并用PID控制器來控制左右CCD攝像機上、下、左、右運動及整個系統(tǒng)和人的頸一樣回轉(zhuǎn)運動。利用該系統(tǒng)可以檢驗實驗方案中所述的兩眼協(xié)調(diào)運動特性，并可完成視標(biāo)識別、追蹤定位、動作檢測、手眼協(xié)調(diào)、障礙避免、步行規(guī)劃。
由圖4可見帶觸覺的五指形仿人機械手，其具體實施方式
如下1)根據(jù)人的手指關(guān)節(jié)和手掌構(gòu)造及其觸覺機能，用小型直流伺服電機作為五指形仿人機械手各指關(guān)節(jié)的驅(qū)動機構(gòu)，確定各手指和手掌上觸覺點的配置，并用感壓導(dǎo)電橡膠作為各觸覺點的導(dǎo)電機構(gòu)。根據(jù)各觸覺測控點和導(dǎo)電機構(gòu)來設(shè)計分布式觸覺傳感器及其檢測電路。如下圖5和圖6所示，觸覺點P處的感壓導(dǎo)電性橡膠受壓后其阻值受會發(fā)生變化，產(chǎn)生交變電流i，經(jīng)過運算放大器檢出對應(yīng)的電壓信號Vmn后送給AD變換器。再由I/O接口板送計算機進(jìn)行處理。這樣就可以檢測，處理和實現(xiàn)五指形仿人機械手的分布式觸覺功能；2)建立五指形仿人機械手的運動學(xué)和動力學(xué)方程及其雅可比矩陣。并對雅可比矩陣進(jìn)行LU分解和ILX分解，以便實現(xiàn)五指形仿人機械手的各手指關(guān)節(jié)及手掌的協(xié)調(diào)控制。根據(jù)五指形仿人機械手的協(xié)調(diào)控制特征，導(dǎo)入小領(lǐng)域控制點，并研究其數(shù)據(jù)構(gòu)造和擴展雅可比行列式，然后計算和導(dǎo)出控制各關(guān)節(jié)運動的關(guān)節(jié)角和角速度的目標(biāo)值；3)為了讓五指形仿人機械手正確地完成作業(yè)，可以預(yù)先測量人的手指和手掌的運動及抓握力矩等作為各種運動軌跡產(chǎn)生器，并采用前向運動學(xué)和動力學(xué)來計算各關(guān)節(jié)角的軌跡。這樣可以得出手掌位置和高度并可以驗證控制算法。此外也采用逆向運動學(xué)和動力學(xué)，根據(jù)五指形仿人機械手的位置和姿勢來計算各關(guān)節(jié)角的位置、速度、加速度，以便分析各關(guān)節(jié)力矩以及來自各接觸點的反作用力等。
用21個小型直流伺服電機來構(gòu)成五指形仿人機械手的21個基本關(guān)節(jié)。用感壓導(dǎo)電橡膠作為觸覺傳感器的導(dǎo)電機構(gòu)，并安裝于五指形仿人機械手的表面根部以檢測接觸點的反作用力；使用高性能個人計算機和I/O板來構(gòu)成五指形仿人機械手的控制裝置。一臺計算機讀取安裝在各指關(guān)節(jié)處的光電編碼器和分布式觸覺傳感器的運算放大器輸出，檢測直流伺服電機的回轉(zhuǎn)角和各分布式觸覺點的電流和電壓變化值。再送入另一臺計算機處理；通過提出的數(shù)學(xué)模型和控制算法算出五指形仿人機械手控制系統(tǒng)的參考輸入及各手指和手掌的抓握力等，用魯棒控制算法來控制五指形仿人機械手各手指和手掌的運動；在實際環(huán)境中，用具有觸覺的五指形機械手完成抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、磨、削、刨、挫等各種復(fù)雜的作業(yè)。
由圖7和圖8可見二足步行機構(gòu)，其具體實施方式
如下1)為了實現(xiàn)仿人機器人步行時各關(guān)節(jié)角的魯棒伺服控制，首先需要建立一個和人一樣具有76個關(guān)節(jié)的仿人機器人的前向及逆向運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)學(xué)模型。在這些模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計一個能在仿人機器人的慣量波動下工作的魯捧伺服控制器。并通過計算仿人機器人的慣性矩陣，得到仿人機器人關(guān)節(jié)空間上統(tǒng)一的魯棒伺服控制器；2)為了控制仿人機器人二足與地面環(huán)境的接觸力，需要設(shè)計一種反作用力魯棒控制器。仿人器人每個腳的控制采用基于位置和力的混合控制方式。并用基于均方差最小的最優(yōu)力分配方法來實現(xiàn)仿人機器人的姿勢控制。在由于仿人機器人的步行速度變快的情況下，前向慣量增大的同時對其進(jìn)行補償控制；3)在單腳或雙腳支撐階段，用姿勢控制器來穩(wěn)定仿人機器人。為了實現(xiàn)穩(wěn)定地步行，仿人機器人的雙腳必須周期性地著地。我們采用離散化倒置擺模型來計算仿人機器人的腳掌著地點，以實現(xiàn)對任意軌跡的零轉(zhuǎn)矩點跟蹤控制，也即在每個采樣周期離散化倒置擺模型，以期得到在未知的接觸地面上仿人機器人的穩(wěn)定步行控制算法；4)用兩種方法來仿真仿人機器人的步行。第一種是采用前向運動學(xué)和前向動力學(xué)模型來仿真計算各關(guān)節(jié)角的軌跡，身體位置，身體高度以便驗證各種控制算法。第二種是采用逆向運動學(xué)和逆向動力學(xué)模型，根據(jù)仿人機器人的身體位置和姿勢來計算關(guān)節(jié)角的位置、速度、加速度，以便分析關(guān)節(jié)力矩以及來自地面的反作用力，并且測量人的步行作為各種軌跡產(chǎn)生器；5)用76個直流伺服電機、兩個6自由度的力和力矩傳感器、高性能計算機等來實現(xiàn)一個和人一樣具有76個關(guān)節(jié)的仿人機器人及其控制系統(tǒng)。并采用下述的實驗方案來檢驗上面提出的各種算法。
為了建立仿人機器人的前向及逆向運動學(xué)和動力學(xué)模型，可以把仿人機器人當(dāng)作具有慣量，摩擦和引力作用且無固定接觸點的自由落體機械手，建立其運動學(xué)和動力學(xué)方程。在這些方程的基礎(chǔ)上，按照混合敏感性設(shè)計方法和用CAD輔助設(shè)計軟件可在仿人機器人的關(guān)節(jié)空間中設(shè)計一個能在仿人機器人的慣量波動下工作的H∞魯棒伺服控制器。再通過計算仿人機器人的慣性矩陣，就可以得到仿人機器人關(guān)節(jié)空間上統(tǒng)一的魯棒伺服控制器。
為了控制仿人機器人與環(huán)境接觸力，可將位置和力的混合控制方式用于控制仿人機器人的每個腳。同時根據(jù)仿人機器人的質(zhì)量重心并行運動方程和用基于均方差最小的最優(yōu)力分配方法可以實現(xiàn)仿人機器人的姿勢控制。為了建立仿人機器人的全局穩(wěn)定行走模型，可采用離散化倒置擺模型來計算仿人機器人的腳掌著地點，以實現(xiàn)對任意軌跡的零轉(zhuǎn)矩點跟蹤控制和得到在未知的接觸地面上仿人機器人的步行控制算法。
此外，可以預(yù)先測量人的步行作為各種軌跡產(chǎn)生器，并采用前向運動學(xué)和前向動力學(xué)來計算關(guān)節(jié)角的軌跡、身體位置、身體高度就可以驗證控制算法。也采用逆向運動學(xué)和逆向動力學(xué)，根據(jù)仿人機器人的身體位置和姿勢來計算關(guān)節(jié)角的位置，速度，加速度，分析關(guān)節(jié)力矩以及來自地面的反作用力。本項研究擬用12個直流伺服電機來構(gòu)成仿人機器人雙腳的12個基本關(guān)節(jié)，兩個6自由度的力和力矩傳感器安裝于仿人機器人的腳根部以檢測環(huán)境反作用力。本項研究也要使用2臺高性能個人計算機和PIO板來構(gòu)成仿人機器人的控制裝置。仿人機器人的高度定為1.5米，兩肩之間的距離為0.45米，以期和人的相一致。并由高性能個人計算機讀取安裝在各關(guān)節(jié)處的光電編碼器，檢測直流伺服電機的回轉(zhuǎn)角。再經(jīng)由PIO板送入另一臺計算機。通過提出的數(shù)學(xué)模型和控制算法可以算出仿人機器人控制系統(tǒng)的參考輸入，并且用提出的控制算法就能夠控制仿人機器人在各種接觸環(huán)境下的穩(wěn)定步行。
由圖9可見人機接口，其具體實施方式
如下我們將采用OpenGL 2.0和VC++6.0作為開發(fā)工具，在Windows 2000 Professional下開發(fā)仿人機器人的人機接口平臺，仿人機器人本體與人機接口平臺通過無線方式進(jìn)行通信。首先，建立重力、摩擦力、地面支撐力及慣性力對仿人機器人影響的數(shù)學(xué)模型，并轉(zhuǎn)換成OpenGL能夠?qū)崿F(xiàn)的矩陣表達(dá)形式。然后通過C/S模式，人機接口平臺主程序在服務(wù)器端，負(fù)責(zé)受力分析、碰撞檢測、仿真動畫渲染等工作，控制指令則由仿真客戶端發(fā)出，允許多客戶端同時向仿真服務(wù)器發(fā)出控制指令，完成并行控制。接著，建立仿人機器人作業(yè)描述語言，并使用該作業(yè)描述語言控制機器人作出雙手協(xié)調(diào)作業(yè)，兩足步行等各種動作和作業(yè)，測試該作業(yè)描述語言的可行性。
對于仿人機器人人機接口平臺中的網(wǎng)格計算，先要分析現(xiàn)有成熟的應(yīng)用程序框架(如MFC)、分布式計算工具(如MPI、ICE)，吸收其體系結(jié)構(gòu)優(yōu)點，從而設(shè)計出更健壯、更高可擴展的體系結(jié)構(gòu)；盡可能地利用現(xiàn)有成熟工具庫(如Boost、Globus)，從而縮短開發(fā)周期、提高穩(wěn)定性；然后分階段、分步驟實施開發(fā)，以模塊的形式添加新功能，后續(xù)開發(fā)盡可能減小對已有系統(tǒng)的影響；開發(fā)過程遵循螺旋模型；最后設(shè)計完整的測試系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種用于識別環(huán)境和進(jìn)行作業(yè)的仿人機器人，其特征在于包括——可旋轉(zhuǎn)的兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)，用于完成目標(biāo)識別、追蹤定位、動作檢測、手眼協(xié)調(diào)、障礙避免、步行規(guī)劃作業(yè)；由二個CCD攝像機、五個直流伺服電機、一塊高速雙通道圖像輸入板和二塊PIO板構(gòu)成，二個CCD攝像機相當(dāng)于人的二個眼球，具有上、下、左、右運動和旋轉(zhuǎn)功能；——雙帶有觸覺的五指形仿人機械手，用于完成抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、磨、削、刨、挫作業(yè)；分布于所述的仿人機械手的手掌及其五個手指上的觸覺點共有120×2＝240個，其手掌及其五個手指共包括21個關(guān)節(jié)，一雙手有21×2＝42個自由度、一雙手臂和一雙手腕有7×2＝14個自由度；——二足步行機構(gòu)，用于控制所述的仿人機器人在未知的地面上穩(wěn)定地行走；所述的二足步行機構(gòu)由腰部和一雙腳構(gòu)成，共有15個關(guān)節(jié)，腰部有3個自由度、一雙腳共12個自由度；二個6自由度的力和力矩傳感器安裝于所述一雙腳的根部，用于檢測環(huán)境反作用力和力矩；——人機接口平臺，以計算機網(wǎng)格為支撐，通過計算相關(guān)數(shù)學(xué)模型和控制算法，控制所述的仿人機器人實現(xiàn)運動功能、感知功能、思維功能、作業(yè)功能、人機交互；為所述的仿人機器人提供接口簡化甚至透明于網(wǎng)絡(luò)和集群及網(wǎng)格的三維模型仿真、作業(yè)描述語言、受力效果分析、可視化的運動和作業(yè)效果、雙手和雙腳示教、肢體碰撞檢測、無碰撞路徑規(guī)劃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿人機器人，其特征在于其高度等于所述二足步行機構(gòu)高度加上所述的兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)高度，為1.5米，體重60公斤、兩肩之間的距離為0.45米，步行速度大于2.0公里/小時。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的仿人機器人，其特征在于所述的可旋轉(zhuǎn)的兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)中，二個眼球距離設(shè)定為75毫米，從眼球到頸的回轉(zhuǎn)軸之間的距離定為85毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的仿人機器人，其特征在于所述一雙帶有觸覺的五指形仿人機械手的外形尺寸為450×200毫米2，重量為1.5公斤。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于識別環(huán)境和進(jìn)行作業(yè)的仿人機器人，包括可旋轉(zhuǎn)的兩眼協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)，用于完成目標(biāo)識別、追蹤定位、動作檢測、手眼協(xié)調(diào)、障礙避免、步行規(guī)劃作業(yè)；一雙帶有觸覺的五指形仿人機械手，用于完成抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、磨、削、刨、挫作業(yè)；二足步行機構(gòu)，用于控制所述的仿人機器人在未知的地面上穩(wěn)定地行走；人機接口平臺，以計算機網(wǎng)格為支撐，通過計算相關(guān)數(shù)學(xué)模型和控制算法，控制所述的仿人機器人實現(xiàn)運動功能、感知功能、思維功能、作業(yè)功能、人機交互；所述的仿人機器人能夠代替人在繁重、危險、惡劣或一般的環(huán)境下完成各種復(fù)雜的作業(yè)。
文檔編號B25J15/08GK1947960SQ200610123018
公開日2007年4月18日 申請日期2006年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月26日
發(fā)明者肖南峰 申請人:華南理工大學(xué)