本實(shí)用新型涉及機(jī)器人的
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是指一種用于人機(jī)交互的仿人機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：仿人機(jī)器人又稱(chēng)“人形機(jī)器人”、“擬人機(jī)器人”，是狹義上或真正字面意思上的“機(jī)器人”，它也是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用越來(lái)越廣泛的一類(lèi)機(jī)器人。科學(xué)研究表明，人類(lèi)從外部世界獲得的所有信息中，有約80％～90％來(lái)自于人類(lèi)的視覺(jué)系統(tǒng)。同樣，對(duì)于一個(gè)期望達(dá)到更高智能化的仿人機(jī)器人，也需要充分利用其視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)獲取足夠多的信息，以便為其在決策時(shí)提供足夠充足的證據(jù)，得到更精確的結(jié)果。因此，視覺(jué)系統(tǒng)是仿人機(jī)器人極其重要的組成部分。1993年，美國(guó)麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人專(zhuān)家CynthiaBreazeal領(lǐng)導(dǎo)研制了一個(gè)名為Kismet的仿人機(jī)器人頭部，Kismet具有視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)功能。它是從嬰兒和看護(hù)者之間的交流方式中獲得啟發(fā)而開(kāi)發(fā)出的嬰兒機(jī)器人。Kismet頭部的每個(gè)眼睛都裝有一個(gè)5.5mm的CCD彩色攝像機(jī)，以及8個(gè)50MHz的DSPTMS321C40組成的并行網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像處理，以及2個(gè)基于Motorola68332微控制器組成的動(dòng)機(jī)裝置。目前，美國(guó)麻省理工學(xué)院正在研制另一個(gè)命名為Cog的仿人機(jī)器人，其視覺(jué)系統(tǒng)模擬裝置是雙眼結(jié)構(gòu)，其眼睛能?chē)@水平和垂直方向軸轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)眼睛由2個(gè)攝像機(jī)組成，一個(gè)負(fù)責(zé)外圍視野的廣角鏡頭，另一個(gè)負(fù)責(zé)景物中心的窄角鏡頭。Cog的視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)大部分和Kismet一樣。德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)于2006年首次展現(xiàn)了仿人機(jī)器人ARMARIII，它與Cog一樣，每個(gè)眼睛也都有2個(gè)攝像機(jī)，分別是廣角和窄角，這樣可以對(duì)視野內(nèi)區(qū)域進(jìn)行掃視和對(duì)焦點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行注視，可以更方便地完成更復(fù)雜的功能，如手眼協(xié)調(diào)。我國(guó)從20世紀(jì)80年代中期才開(kāi)始研究仿人機(jī)器人。北京理工大學(xué)于2002 年12月研發(fā)出了仿人機(jī)器人BHR-1，此后又在此基礎(chǔ)上了“匯童”機(jī)器人。BHR-1頭部的視覺(jué)系統(tǒng)有2個(gè)自由度，每個(gè)眼睛都有一個(gè)CCD攝像機(jī)。BHR-1采用的立體視覺(jué)解決方案來(lái)自于美國(guó)SRI人工智能中心所研發(fā)的一套立體視覺(jué)系統(tǒng)SVS(SmallVisionSystem)。清華大學(xué)于2000年初開(kāi)始研制THBIP-I仿人機(jī)器人，它的頭部采用2個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)頭部的前后運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，以使安裝在仿人機(jī)器人頭部的攝像機(jī)能具有更大的視覺(jué)范圍。視覺(jué)系統(tǒng)的2個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)通過(guò)USB口和筆記本電腦連接，視覺(jué)圖像處理由筆記本電腦完成，通過(guò)對(duì)被抓物體的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)手對(duì)物體的穩(wěn)定抓取作業(yè)。上海交通大學(xué)于1999年研制了仿人機(jī)器人SFHR，其視覺(jué)部分配備了富士通公司的主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)。此外哈爾濱工業(yè)大學(xué)等也對(duì)仿人機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)做了大量的研究，并且取得了一定的進(jìn)展。綜上所述，二十多年來(lái)，隨著對(duì)仿人機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等研究的不斷深入，無(wú)論是在國(guó)外還是國(guó)內(nèi)都獲得了很大的進(jìn)展和明顯的效果。仿人機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)聯(lián)系著外部世界和自身知識(shí)獲取、自身狀態(tài)決策規(guī)劃，具有非常重大的意義。然而要使仿人機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)功能達(dá)到與人的視覺(jué)系統(tǒng)接近，是一個(gè)極富挑戰(zhàn)，同時(shí)也是一個(gè)應(yīng)用非常廣泛的課題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于人機(jī)交互的仿人機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)，是仿人機(jī)器人認(rèn)識(shí)周?chē)h(huán)境、并與人無(wú)障礙交流的感知系統(tǒng)，它能夠給人以親切感，消除人與仿人機(jī)器人交互時(shí)的心理障礙，并有助于提高雙方的社交能力。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所提供的技術(shù)方案為：一種用于人機(jī)交互的仿人機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)，包括機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)、傳動(dòng)子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)；所述機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)包括從上往下排序的眼睛支架、頸部支架、頭部支架，并具有2個(gè)自由度，由傳動(dòng)子系統(tǒng)的2個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)往上下和左右2個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，其中，該眼睛 支架上設(shè)有兩個(gè)并排的圓形孔，用于安裝2臺(tái)CCD攝像機(jī)，即一臺(tái)CCD攝像機(jī)裝于一個(gè)圓形孔中，該頭部支架的尺寸長(zhǎng)度與成年人的頭部高度一致，該頸部支架長(zhǎng)度為65mm，2臺(tái)CCD攝像機(jī)的內(nèi)軸距離為68mm，接近成年人眼睛的眼內(nèi)軸距離60～65mm；所述傳動(dòng)子系統(tǒng)采用2個(gè)舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，其中一個(gè)舵機(jī)控制機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)的頸部支架左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)舵機(jī)控制機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)的頭部支架上下方向轉(zhuǎn)動(dòng)，舵機(jī)的控制信號(hào)是周期為20ms的脈寬調(diào)制信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms～2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤(pán)的旋轉(zhuǎn)位置為0～180°；所述控制子系統(tǒng)為一臺(tái)內(nèi)置I/O板的PC機(jī)，用于控制傳動(dòng)子系統(tǒng)的2個(gè)舵機(jī)的位置和速度，以實(shí)現(xiàn)視覺(jué)系統(tǒng)的掃視、注視、搜索功能。所述舵機(jī)為直流步進(jìn)電機(jī)。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果：1、所述機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)外形與人的頭部相似，眼睛支架和頭部支架及頸部支架的運(yùn)動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)范圍符合人的生理特點(diǎn)，給人以親切感，從而減少交流時(shí)人的心理障礙。并且充分考慮尺寸因素，整體尺寸要留有合適的空間，以便安裝各種傳感器、驅(qū)動(dòng)部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制接口等。所述機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)具有動(dòng)作協(xié)調(diào)、平穩(wěn)、精確、速度可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模塊化設(shè)計(jì)，具有可擴(kuò)展性。2、所述傳動(dòng)子系統(tǒng)所采用的2個(gè)舵機(jī)尺寸適中，它能在滿(mǎn)足動(dòng)力要求的條件下，獲得很好的設(shè)計(jì)尺寸。另一方面，舵機(jī)本身是直流步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)穩(wěn)定，可控制范圍在0～180°之間，完全符合所述視覺(jué)系統(tǒng)關(guān)節(jié)的角度范圍要求，并且控制步距角在3°左右，控制精度較為適當(dāng)。3、所述控制子系統(tǒng)其實(shí)是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于控制的個(gè)人PC機(jī)及內(nèi)置I/O板。它通過(guò)接收人類(lèi)或其它系統(tǒng)的命令來(lái)控制和協(xié)調(diào)2個(gè)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置和運(yùn)動(dòng)速度，從而使所述視覺(jué)系統(tǒng)完成掃視、注視、搜索等動(dòng)作。所述控制子系統(tǒng)主要 實(shí)現(xiàn)以下功能：①人機(jī)交互功能，能從鍵盤(pán)等接口接受控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述視覺(jué)系統(tǒng)動(dòng)作的控制，該功能對(duì)于測(cè)試所述視覺(jué)系統(tǒng)動(dòng)作和性能有重要的意義。②運(yùn)動(dòng)規(guī)劃功能：能從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度對(duì)所述視覺(jué)系統(tǒng)動(dòng)作進(jìn)行相應(yīng)分解，控制舵機(jī)達(dá)到相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)效果。③舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制功能：控制舵機(jī)在規(guī)定的相應(yīng)時(shí)間和誤差范圍內(nèi)到達(dá)規(guī)定的轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的伺服運(yùn)動(dòng)。附圖說(shuō)明圖1為機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2為機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型圖。圖3為控制子系統(tǒng)架構(gòu)圖。圖4為硬件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路原理圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。本實(shí)施例所述的用于人機(jī)交互的仿人機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)，包括機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)、傳動(dòng)子系統(tǒng)(圖中未畫(huà)出)、控制子系統(tǒng)。所述機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上只使用2個(gè)自由度，這樣既能在視覺(jué)上覆蓋到人眼所能觀察到的范圍，在控制上又比較簡(jiǎn)單。考慮到視覺(jué)系統(tǒng)的2個(gè)攝像機(jī)尺寸和仿人機(jī)器人身體的尺寸，對(duì)機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。所述機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，從上到下依次是眼睛支架101、頸部支架102、頭部支架103。機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)可以容納下傳動(dòng)子系統(tǒng)的2個(gè)舵機(jī)，該2個(gè)舵機(jī)分別負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)往上下和左右方向的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)模型如圖2所示。其中，該眼睛支架101上設(shè)有兩個(gè)并排的圓形孔101-1、101-2，兩個(gè)圓形孔是考慮到2個(gè)CCD攝像機(jī)大小，用于固定攝像機(jī)在其中，使得視覺(jué)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)時(shí)不至于使攝像機(jī)在支架上產(chǎn)生抖動(dòng)。頸部支架102上設(shè)有頸部舵機(jī)插入孔102-1，頭部支架103上設(shè)有 頭部舵機(jī)插入孔103-1。視覺(jué)系統(tǒng)的三維尺寸設(shè)計(jì)如表1所示，頸部長(zhǎng)度為約65mm，2臺(tái)攝像機(jī)的內(nèi)軸距離為68mm左右(裝上攝像機(jī)后的距離)，接近成年人眼睛的眼內(nèi)軸距離60～65mm。表1中的所述視覺(jué)系統(tǒng)尺寸比成年人頭的尺寸稍小，以便給其他傳感器的安裝留下足夠的空間。表1項(xiàng)目長(zhǎng)度寬度深度尺寸(mm)12012080所述傳動(dòng)子系統(tǒng)采用2個(gè)舵機(jī)(具體為直流步進(jìn)電機(jī))作為驅(qū)動(dòng)源，其中一個(gè)舵機(jī)控制機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)的頸部支架102左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝于上述頸部舵機(jī)插入孔102-1，另一個(gè)舵機(jī)控制機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)的頭部支架103上下方向轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝于上述頭部舵機(jī)插入孔103-1。該傳動(dòng)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具體如下：①舵機(jī)控制參數(shù)。舵機(jī)的控制信號(hào)是周期為20ms的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms～2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤(pán)的旋轉(zhuǎn)位置為0～180°，呈線(xiàn)性變化。也即給定舵機(jī)提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供另外一個(gè)寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)位置上。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期20ms，寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)；舵機(jī)內(nèi)部還有一個(gè)比較器，將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。由此可見(jiàn)，舵機(jī)是一種位置伺服驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍不超過(guò)180°，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用。舵機(jī)選取在動(dòng)力學(xué)上要考慮其所負(fù)載的重量大小，所述視覺(jué)系統(tǒng)采用的2個(gè)攝像機(jī)是TeliCCD攝像機(jī)，重量分別是300g，機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)所用材料是鋁合金。實(shí)現(xiàn)時(shí)，所述視覺(jué)系統(tǒng)的2個(gè)舵機(jī)分別采用HitecHS-85MG和輝盛Servo9805BB。其中HitecHS-85MG控制左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)，輝盛Servo9805BB控制上下方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這兩種舵機(jī)均沒(méi)有反饋信號(hào)，只是通過(guò)時(shí)間來(lái)驅(qū)動(dòng) 點(diǎn)擊的驅(qū)動(dòng)角度。兩種驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的具體參數(shù)如下表2所示。表2②舵機(jī)控制信號(hào)。所述視覺(jué)系統(tǒng)的2個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度是根據(jù)成年人的頭部在左右方向和上下方向的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍所確定。本專(zhuān)利所參考的人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)每個(gè)眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)范圍和掃視速度等如下表3所示。所述視覺(jué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍和掃視速度等參數(shù)也是參照下表3所給的信息來(lái)設(shè)計(jì)的。表3所述控制子系統(tǒng)為一臺(tái)內(nèi)置I/O板的PC機(jī)，用于控制傳動(dòng)子系統(tǒng)的2個(gè)舵機(jī)的位置和速度，以實(shí)現(xiàn)視覺(jué)系統(tǒng)的掃視、注視、搜索等功能。對(duì)于舵機(jī)的控制模型，主要是依據(jù)舵機(jī)的脈沖控制范圍，以及關(guān)節(jié)角度限制來(lái)確定，根據(jù)舵機(jī)可以控制的精度，得出每個(gè)基本脈沖的角度，由需要的角度相對(duì)于現(xiàn)有角度的基礎(chǔ)變化值，從而獲得需要發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)。所述控制子系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。具體來(lái)說(shuō)，所述控制子系統(tǒng)的硬件主要由以下部分構(gòu)成：①I(mǎi)/O板，作為視覺(jué)系統(tǒng)的控制信息輸出，采用RBH系列I/O板作為系統(tǒng)輸出，它具有32路IO輸入，非光隔，TTL電平方式；32路IO驅(qū)動(dòng)輸出，非光隔，可直接驅(qū)動(dòng)5V的 線(xiàn)圈繼電器；12路脈沖計(jì)數(shù)，非光隔，實(shí)現(xiàn)方式為4片8253。②驅(qū)動(dòng)電路板，硬件系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路采用功放功能，具體的工作原理如圖4所示。以上所述之實(shí)施例子只為本實(shí)用新型之較佳實(shí)施例，并非以此限制本實(shí)用新型的實(shí)施范圍，故凡依本實(shí)用新型之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3