專利名稱：服務(wù)機(jī)器人廣角式雙目視覺識(shí)別與定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及機(jī)器視覺與機(jī)電一體化領(lǐng)域，特別是涉及一種服務(wù)機(jī)器人廣角式雙目視覺識(shí)別與定位裝置。
背景技術(shù)：
服務(wù)型機(jī)器人泛指應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，能對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行感知，能與人類進(jìn)行交互，能判斷、理解人們下達(dá)的命令，并協(xié)助人們完成任務(wù)的機(jī)器人裝備。 從傳統(tǒng)的工業(yè)結(jié)構(gòu)化環(huán)境到人類日常生活中的各種復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境，從嚴(yán)格地按照指令執(zhí)行特定任務(wù)到通過與人交互來(lái)為人服務(wù)，從只對(duì)特定生產(chǎn)設(shè)備或元器件進(jìn)行檢測(cè)到通過視覺、聽覺等多模態(tài)感知接口來(lái)了解未知世界。我國(guó)是人口大國(guó)，隨著人民健康水平的日益提高和計(jì)劃生育政策的長(zhǎng)期實(shí)施，我國(guó)正快速步入老齡化社會(huì)，未來(lái)的護(hù)理人員奇缺，迫切需要服務(wù)機(jī)器人進(jìn)入家庭，為人們提供各種服務(wù)。服務(wù)機(jī)器人不僅是一個(gè)國(guó)家高科技綜合水平的重要標(biāo)志，而且未來(lái)會(huì)在家庭服務(wù)中扮演著重要的角色。機(jī)器視覺是服務(wù)機(jī)器人獲取外界環(huán)境信息的主要途徑，也是研究服務(wù)機(jī)器人需要突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。典型的服務(wù)機(jī)器人視覺系統(tǒng)應(yīng)用包括室內(nèi)機(jī)器人自主定位導(dǎo)航、基于視覺信息的目標(biāo)物體的抓取與識(shí)別、基于視覺信息的人臉識(shí)別、基于視覺信息的障礙物檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)估計(jì)、服務(wù)機(jī)器人視覺伺服等。機(jī)器視覺涉及了圖像采集、圖像處理、模式識(shí)別、 特征匹配、三維重建和視覺跟蹤等領(lǐng)域。既要做到圖像的準(zhǔn)確采集還要做到對(duì)外界變化反應(yīng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)還需要對(duì)外界運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤。所有這些要求都給服務(wù)型機(jī)器人的研究和開發(fā)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。目前，服務(wù)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)時(shí)，尚存在雙目識(shí)別與定位的視角范圍小、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性差、跟蹤連續(xù)性低等問題，影響其服務(wù)能力。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)目前服務(wù)機(jī)器人視角范圍小、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性差、跟蹤連續(xù)性低等問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種具有廣角式雙目視覺識(shí)別與定位的機(jī)器人裝置。本實(shí)用新型服務(wù)機(jī)器人廣角式雙目視覺識(shí)別與定位裝置，主要用于對(duì)外界環(huán)境中目標(biāo)物體的寬范圍識(shí)別與定位，通過該裝置，可寬范圍地測(cè)量場(chǎng)景的三維信息，并利用三維測(cè)量的場(chǎng)景信息識(shí)別目標(biāo)、識(shí)別路徑、判斷障礙物等，輔助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)寬范圍的路徑規(guī)劃、 自主導(dǎo)航等功能。所述的雙目視覺三維測(cè)量是基于視差原理，通過計(jì)算某一空間點(diǎn)左右兩個(gè)攝像機(jī)圖像中相應(yīng)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)來(lái)求取視差，利用攝像機(jī)標(biāo)定獲得內(nèi)外標(biāo)定參數(shù)，從而計(jì)算出該空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案主要包含機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分內(nèi)容，具體方案如下[0010]一種服務(wù)機(jī)器人廣角式雙目視覺識(shí)別與定位裝置，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，所述機(jī)械結(jié)構(gòu)包括框架組件與安裝在框架組件上的攝像機(jī)和伺服組件，上述框架組件包括攝像機(jī)安裝板、用來(lái)支撐攝像機(jī)安裝板的兩個(gè)側(cè)支板、位于兩個(gè)側(cè)支板下方的頭部底座和位于頭部底座下方的頭部水平伺服電機(jī)安裝板，上述頭部底座與側(cè)支板轉(zhuǎn)動(dòng)連接，上述伺服組件包括安裝在攝像機(jī)安裝板上的兩個(gè)眼部轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電機(jī)、安裝在頭部底座上的頭部垂直伺服電機(jī)和安裝在頭部水平伺服電機(jī)安裝板上的頭部水平伺服電機(jī)；所述控制系統(tǒng)包括 MCU主控制器、電源電路、頭部水平/垂直伺服驅(qū)動(dòng)器和左/右眼轉(zhuǎn)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器，上述MCU 主控制器與上述頭部水平/垂直伺服驅(qū)動(dòng)器和左/右眼轉(zhuǎn)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器之間通過CAN總線通訊方式連接。所述機(jī)械結(jié)構(gòu)的攝像機(jī)通過攝像機(jī)底座轉(zhuǎn)動(dòng)連接在攝像機(jī)安裝板上。所述框架組件的側(cè)支板之間設(shè)有用于加固的橫支板。所述頭部垂直伺服電機(jī)通過支撐座與頭部底座轉(zhuǎn)動(dòng)連接，上述頭部底座與頭部水平伺服電機(jī)安裝板通過聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)連接。本實(shí)用新型的有益效果在于機(jī)器人廣角式雙目視覺識(shí)別與定位裝置具有頭部雙向(水平和垂直)與眼部轉(zhuǎn)動(dòng)功能，解決了目前服務(wù)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)時(shí)，由于雙目視角范圍受限所出現(xiàn)的目標(biāo)識(shí)別與定位有效范圍小、跟蹤連續(xù)性低、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性差等問題， 有效提高了其服務(wù)能力；本實(shí)用新型控制系統(tǒng)采用CAN總線通訊方式對(duì)4臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)控，圖像識(shí)別及對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤反饋及時(shí)，提高機(jī)器人操控性能。

圖1為本實(shí)用新型機(jī)械結(jié)構(gòu)部分示意圖。圖中標(biāo)號(hào)1攝像機(jī)安裝板、2攝像機(jī)底座、3側(cè)支板、4頭部底座、5伺服電機(jī)安裝板、6頭部水平伺服電機(jī)(含減速器和編碼器)、7聯(lián)軸器、8支撐座、9頭部垂直伺服電機(jī)(含減速器和編碼器)、10橫支板、11眼部轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電機(jī)(含減速器和編碼器)、12攝像機(jī)圖2為本實(shí)用新型控制系統(tǒng)原理框圖。圖中標(biāo)號(hào)-Ml頭部水平伺服電機(jī)、-M2頭部垂直伺服電機(jī)、-M3左眼轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電機(jī)、-M4右眼轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電機(jī)、-Bl頭部水平編碼器、-B2頭部垂直編碼器、-B3左眼轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器、-B4右眼轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案、工作原理作進(jìn)一步解釋說明見圖1，本實(shí)用新型機(jī)械結(jié)構(gòu)具有框架組件和伺服組件，框架組件包括攝像機(jī)安裝板1、用來(lái)支撐攝像機(jī)安裝板的兩個(gè)側(cè)支板3、位于兩個(gè)側(cè)支板下方的頭部底座4和位于頭部底座下方的頭部水平伺服電機(jī)安裝板5，上述兩個(gè)側(cè)支板3之間設(shè)有用于加固的橫支板 10，上述頭部底座4與頭部水平伺服電機(jī)安裝板5通過聯(lián)軸器7轉(zhuǎn)動(dòng)連接，作為機(jī)器人觀察眼的攝像機(jī)12通過攝像機(jī)底座2轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在攝像機(jī)安裝板1上。 上述伺服組件包括安裝在攝像機(jī)安裝板上的兩個(gè)眼部轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電機(jī)11、安裝在頭部底座上的頭部垂直伺服電機(jī)9和安裝在頭部水平伺服電機(jī)安裝板上的頭部水平伺服電機(jī)6，所述頭部垂直伺服電機(jī)9通過支撐座8與頭部底座4轉(zhuǎn)動(dòng)連接。[0022]見圖2，本實(shí)用新型控制系統(tǒng)包括MCU主控制器-Al、電源電路-A2、頭部水平/垂直伺服驅(qū)動(dòng)器-A3、-A4和左/右眼轉(zhuǎn)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器-A5、-A6，上述MCU主控制器-Al通過 CAN總線對(duì)上述4臺(tái)伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體廣角式的識(shí)別與定位。MCU 主控制器-Al接收來(lái)自服務(wù)機(jī)器人主機(jī)的視覺角度控制信息，對(duì)控制信息解析后，實(shí)現(xiàn)如下控制通過控制機(jī)器人頭部水平伺服驅(qū)動(dòng)器-A3驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的伺服電機(jī)-Ml實(shí)現(xiàn)頭部水平方向旋轉(zhuǎn)；通過控制機(jī)器人頭部垂直伺服驅(qū)動(dòng)器-A4驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的伺服電機(jī)-M2實(shí)現(xiàn)頭部垂直方向俯仰；通過控制機(jī)器人左眼轉(zhuǎn)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器-A5驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的伺服電機(jī)-M3實(shí)現(xiàn)左眼攝像機(jī)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)；通過控制機(jī)器人右眼轉(zhuǎn)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器-A6驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的伺服電機(jī)-M4實(shí)現(xiàn)右眼攝像機(jī)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)。所述的4臺(tái)伺服電機(jī)都配有編碼器，分別為編碼器-Bi、編碼器-B2、編碼器-B3、編碼器-B4，通過編碼器反饋構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。所述電源電路模塊-A2 用于整個(gè)裝置電源的供電控制。本實(shí)用新型機(jī)器人頭部的水平和垂直兩個(gè)自由度主要用于服務(wù)機(jī)器人對(duì)目標(biāo)物體的遠(yuǎn)程識(shí)別搜索和近距離物體定位，頭部的兩個(gè)自由度可以在水平方向做大范圍旋轉(zhuǎn)和垂直方向做大范圍俯仰運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人眼部的左、右眼轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度主要用于服務(wù)機(jī)器人對(duì)兩個(gè)攝像頭拍攝相應(yīng)點(diǎn)的公共區(qū)域范圍觀察調(diào)整。由視覺三維測(cè)量原理可知，為了獲得三維空間中某點(diǎn)的三維坐標(biāo)，必須左右兩個(gè)攝像機(jī)像面上都能拍攝到該點(diǎn)的相應(yīng)點(diǎn)，通過眼部的兩個(gè)自由度的水平旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)攝像頭對(duì)拍攝相應(yīng)點(diǎn)公共區(qū)域范圍大小及方向的調(diào)整，從而擴(kuò)大了雙目視覺的近距離測(cè)量范圍。通過所述的頭部和眼部四個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)， 保證了服務(wù)機(jī)器人對(duì)目標(biāo)物體廣角式的識(shí)別與定位。顯然，本實(shí)用新型的上述實(shí)施方式僅是為說明本實(shí)用新型所作的舉例，而并非是對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以容易的做出其它形式上的變化或者替代，而這些改變或者替代也將包含在本實(shí)用新型確定的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種服務(wù)機(jī)器人廣角式雙目視覺識(shí)別與定位裝置，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，其特征在于所述機(jī)械結(jié)構(gòu)包括框架組件與安裝在框架組件上的攝像機(jī)(12)和伺服組件，上述框架組件包括攝像機(jī)安裝板(1)、用來(lái)支撐攝像機(jī)安裝板的兩個(gè)側(cè)支板(3)、位于兩個(gè)側(cè)支板下方的頭部底座(4)和位于頭部底座下方的頭部水平伺服電機(jī)安裝板(5)，上述頭部底座與側(cè)支板轉(zhuǎn)動(dòng)連接，上述伺服組件包括安裝在攝像機(jī)安裝板上的兩個(gè)眼部轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電機(jī) (11)、安裝在頭部底座上的頭部垂直伺服電機(jī)(9)和安裝在頭部水平伺服電機(jī)安裝板上的頭部水平伺服電機(jī)(6)；所述控制系統(tǒng)包括MCU主控制器、電源電路、頭部水平/垂直伺服驅(qū)動(dòng)器和左/右眼轉(zhuǎn)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器，上述MCU主控制器與上述頭部水平/垂直伺服驅(qū)動(dòng)器和左/右眼轉(zhuǎn)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器之間通過CAN總線通訊方式連接。
2.如權(quán)利要求1所述的服務(wù)機(jī)器人廣角式雙目視覺識(shí)別與定位裝置，其特征在于所述機(jī)械結(jié)構(gòu)的攝像機(jī)(1 通過攝像機(jī)底座( 轉(zhuǎn)動(dòng)連接在攝像機(jī)安裝板(1)上。
3.如權(quán)利要求1所述的服務(wù)機(jī)器人廣角式雙目視覺識(shí)別與定位裝置，其特征在于所述框架組件的側(cè)支板C3)之間設(shè)有用于加固的橫支板(10)。
4.如權(quán)利要求1所述的服務(wù)機(jī)器人廣角式雙目視覺識(shí)別與定位裝置，其特征在于所述頭部垂直伺服電機(jī)(9)通過支撐座(8)與頭部底座(4)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，上述頭部底座與頭部水平伺服電機(jī)安裝板(5)通過聯(lián)軸器(7)轉(zhuǎn)動(dòng)連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及機(jī)器視覺與機(jī)電一體化領(lǐng)域，特別是涉及一種服務(wù)機(jī)器人廣角式雙目視覺識(shí)別與定位裝置。目的是提供一種具有廣角式雙目視覺識(shí)別與定位的機(jī)器人裝置。一種服務(wù)機(jī)器人廣角式雙目視覺識(shí)別與定位裝置，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，所述機(jī)械結(jié)構(gòu)包括框架組件與安裝在框架組件上的攝像機(jī)和伺服組件；所述控制系統(tǒng)包括MCU主控制器、電源電路、頭部水平/垂直伺服驅(qū)動(dòng)器和左/右眼轉(zhuǎn)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器，上述MCU主控制器與上述頭部水平/垂直伺服驅(qū)動(dòng)器和左/右眼轉(zhuǎn)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器之間通過CAN總線通訊方式連接。
文檔編號(hào)G05D1/00GK202257269SQ20112038775
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者葉曉東, 宋小波, 梅濤, 趙江海, 駱敏舟, 鮑敏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院