CN101045293A - 智能视觉机器人及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
一种能实现视觉智能判断的机器人，用乐高模块搭建成机器人的上身主体，由视觉模块、领导模块微电脑处理器群组模块、行走模块、左、右手模块及驱动电机、蓄电池等组成，其特征在于：所述的头部视觉模块由两台与微电脑处理模块连接的摄像头构成，所述的微电脑处理器群组模块包括左手控制器、右手控制器和基座及头部控制器，所述的左、右手模块由肩臂、腕臂及钳夹式手掌构成，所述的行走模块座落在由左右两驱动轮和前后设置的转向轮构成的移动机构上。这种视觉智能判断的机器人，可以代替在环境比较差的工厂车间内进行重复简单劳动工人的全部操作，既可以减轻工人的劳动强度，又可消除环境污染对员工健康的伤害。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，尤其是指具有智能视觉、在特定空间完成行走、搬运物件的机器人。
背景技术
在学校组织参观工厂的社会实践中，我们发现一些工厂的车间噪音污染相当严重，工人在长期重复劳动中，容易产生厌倦感，不仅生产效率受影响，而且久而久之势必影响工人的身心健康。作为一个机器人兴趣爱好者，便萌生了使用“智能视觉机器人”来替代噪声环境下，现有工人的重复性操作动作的想法。
车间噪音污染严重，长期处于此种环境中，会使劳动者心智受到严重损伤；简单重复劳动会使人的思维变得僵硬，使生产效率降低；人工劳作时间有相当严格限制，尽管使用三班倒，但也不符合人的生理规律。因此，这个问题是一个很现实的问题，解决这一问题讲具有相当重要的实际意义。
在国内屈指可数的比较先进的企业中，已经开始使用机械臂代替人工劳动，但是，这种机械臂的使用，仅仅是代替人类完成了超出人手臂距离和力量所能完成的任务，而且，相当多的机械臂仅仅是人类所操纵的一种工具而已，并不具有严格意义上的智能。
发明内容
本发明的目的：旨在提出一种具有简单视觉智能判断的机器人，来代替人类进行某种简单判断、搬运等重复劳动，可以避免噪音污染对劳动者心智所带来的伤害，并且可以进行长时间的简单重复劳动，保证劳动的效率，延长劳动时间。
这种视觉智能判断的机器人，用乐高模块搭建成机器人的上身主体，由视觉模块2、领导模块4微电脑处理器群组模块5、行走模块3、左、右手模块1及摄像头8、驱动电机、蓄电池等组成，其特征在于：所述的头部视觉模块2由两台与微电脑处理模块连接的摄像头8构成，所述的微电脑处理器群组模块5包括左手控制器51、右手控制器52和基座及头部控制器6，所述的左、右手模块由肩臂11、腕臂12及钳夹式手掌13构成，所述的行走模块3座落在由左、右两驱动轮31和前后设置的转向轮32构成的移动基座7上。
所述的视觉模块2由设于头部模块的两个分辨率百万像素的摄像头承担，该视觉模块的位置变化由置于该模块后的驱动电机进行上下左右的位置调节。
构成左、右手模块1的肩臂11、腕臂12及钳夹式手掌13通过固定于肩部的齿轮箱与肩部衔接，每一个关节之间都有角度传感器关联。
控制手部关节动作的领导模块4，将原来LEGO模块控制器的三个输出端口进行改进，即将一个输出端口变成3个，利用控制器上的原有二个输出端口作为控制端和输入端，控制器给控制端输出信号正、负、零，控制器就会分别从控制器上的输出端口A、B、C中选择一个与输入端进行连接，使控制器上的输出端就从3个变成了6个。
所述的行走模块3座落在基座7上，基座的底板上设有受行走模块3操控的左、右驱动轮31，在前后方向上另置有一组万向轮32。
这种视觉智能判断的机器人，在接通电源、并在设计程序操控下的动作过程是：举手、前进抓物、实现左右手交换、转身判断方向、转向、前进放下物品、后退并同时手臂还原、回到起始位进入新一过程。
根据以上技术方案提出的这种视觉智能判断的机器人，可以代替在环境比较差的工厂车间内进行重复简单劳动工人的全部操作，既可以减轻个工人的劳动强度，又可消除环境对员工健康的伤害。
附图说明
附图1为本发明的主体结构示意图；
附图2为手部模块结构示意图；
附图3为本发明中采用的角传感器和控制模块的分布示意图；
附图4领导模块分线示意图；
附图5为行走模块与基座组合图；
附图6为本发明操作运动流程图。
图中1、左、右手模块 11、肩臂 12、腕臂 13、钳夹式手掌 2、视觉模块 3、行走模块 31、驱动轮 32、万向轮4、领导模块 5、左、右手控制器 6、基座及头部控制器7、基座 L1～L5、左侧马达 R1～R5、右侧马达 B1～B4、基座及头部传感器 8、摄像头
具体实施方式
如图所示的这种视觉智能判断的机器人，它是利用LEGO模块组建的一种能行走运动的工作机器人。用乐高模块搭建成机器人的上身主体，由视觉模块2、领导模块4、微电脑处理器群组模块5、行走模块3、左、右手模块1、摄像头8及驱动电机、蓄电池等组成，其特征在于：所述的头部视觉模块2由两台与微电脑处理模块连接的摄像头构成，所述的微电脑处理器群组模块5包括左手控制器51、右手控制器52和基座及头部控制器6，所述的左、右手模块由肩臂11、腕臂12及钳夹式手掌13构成，所述的行走模块3座落在由左右两驱动轮31和前后设置的转向轮32构成的平台移动基座7上。
所述的视觉模块2由设于头部模块的两个分辨率在百万像素的摄像头承担，该视觉模块的位置变化由置于该模块后的驱动电机进行上下左右的位置调节。
构成左、右手模块1的肩臂11、腕臂12及钳夹式手掌13通过固定于肩部的齿轮箱与肩部衔接，每一个关节之间都有角度传感器关联。
控制手部关节动作的领导模块4，将原来LEGO模块控制器的三个输出端口进行改进，即将一个输出端口变成3个，利用控制器上的原有二个输出端口作为控制端和输入端，控制器给控制端输出信号正、负、零，控制器就会分别从控制器上的输出端口A、B、C中选择一个与输入端进行连接，使控制器上的输出端就从3个变成了6个。
所述的行走模块3座落在基座7上，基座的底板上设有受行走模块3操控的左、右驱动轮31，在前后方向上另置有一组万向轮32。
这种视觉智能判断的机器人，在接通电源、并在设计程序操控下的动作过程是：举手、前进抓物、实现左右手交换、转身判断方向、转向、前进放下物品、后退并同时手臂还原、回到起始位进入新一过程。
该机器人采用的LEGO的材料和程序，而在LEGO的程序当中就有这么一项图象处理的功能，通过将图象转化为函数式，加以分析后判断出所要寻找的物体的位置、颜色、大小等信息，最后再进行判断，找到需要的物品。对于实际制作中碰到的图象的传输和精度问题，我们的解决方案是：将发射塔的接收端口屏蔽掉，这样就可以将传输的问题完全解决；而图片的精度问题则是在机器人的手臂关节处加装了角度传感器角1～角3、角4～角6来解决的。
在本发明方案中的视觉模块能在一定角度范围内采样，通过连接线把采样的图像实时传输到与机器人连接的电脑，通过分析程序，完成物体大小和颜色的区分，按照任务需要，把不同的指令到控制器，驱动拟人机械臂动作完成一些基本的任务。如：举手、前进抓物、实现左右手交换、转身判断方向、转向、前进放下物品、后退并同时手臂还原、回到起始位进入新一过程，配合移动底座还可在规定的区域内移动，扩大工作区域。
在动力手臂和领导模块的整合上，由于采用的全是LEGO模块，原来要实现附图2所示的五自由度关节动作模块驱动的话，需要3个控制器来控制(每个控制器上的输出端口只有3个)。这样存在的缺点为：成本高，控制器之间互相干绕，影响了整个系统的稳定运行。通过网上的检索查询，后期的数据挖掘，我们制作了领导模块。将原LEGO组装材料中只举有个输出端口的控制器进行改进：将一个输出端口变成3个，利用控制器上的原有二个输出端口作为控制端和输入端，控制器给控制端输出信号(正，负，零)，控制器就会分别从控制器上的输出端口(A，B，C)中选择一个与输入端进行连接，从而达到效果。控制器上的输出端就从3个变成了6个。
同时，运用自制的领导模块配合动力关节，达到了减少控制器的目的，但为了机器人的美观和重心的降低，使机器人可用机械臂拿起比不采用此结构更重的物体，并在一定距离的移动过程中更稳定的要求。通过品字安装控制器51、52、6(见附图1、3)，达到调整重心的目的。
改进后的控制器的作用在于：运用自制的领导模块配合动力关节的驱动，按时间差分别控制，在原本的两个输入/输出端上控制六路输入/输出。突破了LEGO元器件的局限性。
在本发明中，机器人平台移动系统用传统的轮式结构，而非腿形。为的不同体积电机的使用，基座7的设计考虑了调节孔，位置在前后万向轮处。既考虑了当前机器人站立的平衡，也预留了后备升级余地，为后续工作创建发展潜力。通过设于基座7下左、右驱动轮31的正转和反转，达到机器人前进和后退。前后各有一个万向轮32，起到机器人行进中的支撑作用。
注重电力供应的标准化，电机选用航模电机(电压9V)。选用的的电机(动力设备)需要的启动电流小，可由控制器统一供电，解决了掉电的问题。在此前提下，为达到长时间的运行，可方便的用稳压电源作为电力供应，此时干电池的作用转变为控制器内程序的保持。防止在无外部电力的情况下，控制器将丢失下载的程序。
此外，这种这种视觉智能判断的机器人，操作系统使用语言是ROBOLAB和汇编语言。
其运作过程是：左手臂在接通电源启动操作系统后，邮箱清零、下达启动指令下开始动作，并接受3号指令后，导致操控左臂的角度传感器角4-角6进入工作状态，随着其中的相应马达的转动，角5传感器向上转动250弧度，使整条左臂抬起，并停止在一定位置，而后随着马达的再次转动，左臂前端的钳夹式手掌13打开、并停住，在马达的又一次转动中角6传感器转动130弧度，使左前腕臂12抬起停住，随后马达转动，在角4传感器反方向转动117弧度，使整个左肩向内转动、并停住，完成左臂的第一阶段动作；在静止4秒钟，随着操控器的又一指令的下达，角4-角6传感器清零，在马达转动后，角4传感器转动120弧度、使整条左臂(包括左肩)向外转动、并停住，而后马达转动，导致角6传感器转动65弧度，使左前臂再次抬起，停住；而后在接受6号指令后，在马达转动1.3秒后左臂前端的钳夹式手掌13打开、停住，在接受8号指令后，随着马达的转动1.3秒，左臂前端的钳夹式手掌13合拢、并停住；最后随着马达的连续转动，先是角6传感器转动200弧度、使左腕臂12放下，又使角5传感器反向转动250弧度，最终使整条左臂恢复到原始状态。
在左臂运作的同时，右手臂实际上也在进行与左臂的配合动作，右臂在接到起始指令后，首先完成角度传感器角1-角3的清零，而后随着马达的转动，角2传感器转动250弧度、使右前臂抬起，并停住，在马达的继续转动中角3传感器转动235弧度、导致整条右臂抬起；而后又在马达转动1.3秒后、使右臂前端的钳夹式手掌13打开，停住。
当其再接受2号指令后，马达转动1.3秒后、使右臂前端的钳夹式手掌13合拢、并停住，而后随着马达再次转动，使角1传感器转动125弧度，促使整条右臂向内转动、并停住；随着4号指令的到达，马达在转动1.3秒后使右臂前端的钳夹式手掌13打开，停住；随后角1-角3传感器清零。
当马达再次转动，角传感器角1反转动25弧度，使整条右臂(右肩)向外转，并停止；而后马达转动1.5秒，使右臂前端的钳夹式手掌13合拢、并停住；最后，随着马达的再次启动，在角3传感器反向转动235弧度后整条右臂放下、并停住；并又在角2传感器反向转动250弧度后，使右臂恢复到起始状态。
该视觉智能判断的机器人基座的行走过程如下：
在接通电源进入启动状态以后，首先将邮箱清零，接受1号指令后位于基座7内左、右马达向前转动4秒后停止，在邮箱清零后接收5号指令，左马达向前转动、右马达向后转动循环5次后使整个机器人实现近180度的后转，同时是设于头部的摄像头8判断出前方的物体色彩，若物体的色彩大于机器人相应检测程序中设定的值，该机器人的左马达向后转动、右马达向前转动，在转动2秒后停住，若物体的色彩小于设定值则会使左马达向前转、右马达向后转，在同转0.2秒后停住；该循环结束后，左、右马达均向前转动一定的设定时间，走到设定的物台或构件架旁停住；待该机器人完成做右臂的放物动作后，随着7号指令的到达，基座下的左、右马达均向后转动4秒，回到机器人开始工作的起始位置又可重新进入下一工作循环。
在实际工厂的使用中，该机器人只要将所有的LEGO构件换成适应工业使用的相应结构件、以及相适应的各种马达即可。
Claims (7)
1、一种视觉智能判断的机器人，用乐高模块搭建成机器人的上身主体，由视觉模块(2)、领导模块(4)微电脑处理器群组模块(5)、行走模块(3)、左、右手模块(1)及驱动电机、摄像头(8)、齿轮箱、蓄电池组成，其特征在于：所述的头部视觉模块(2)由两台与微电脑处理模块连接的摄像头(8)构成，所述的微电脑处理器群组模块(5)包括左手控制器(51)、右手控制器(52)和基座及头部控制器(6)，所述的左、右手模块由肩臂(11)、腕臂(12)及钳夹式手掌(13)构成，所述的行走模块(3)座落在由左、右两驱动轮(31)和前后设置的转向轮(32)构成的平台型移动基座(7)上。
2、如权利要求1所述的一种视觉智能判断的机器人，其特征在于：所述的视觉模块(2)由设于头部模块的两个分辨率在100万像素的摄像头(8)承担，该视觉模块的位置变化由置于该模块后的驱动电机进行上下左右的位置调节；而头部模块则自带左右可调整装置。
3、如权利要求1所述的一种视觉智能判断的机器人，其特征在于：构成左、右手模块(1)的肩臂(11)、腕臂(12)及钳夹式手掌(13)通过固定于肩部的齿轮箱与肩部衔接，每一个关节之间都有角度传感器关联。
4、如权利要求1所述的一种视觉智能判断的机器人，其特征在于：控制手部关节动作的领导模块(4)，将原来LEGO模块控制器的三个输出端口进行改进，即将一个输出端口变成3个，利用控制器上的原有二个输出端口作为控制端和输入端，控制器给控制端输出信号正、负、零，控制器就会分别从控制器上的输出端口A、B、C中选择一个与输入端进行连接，使控制器上的输出端就从3个变成了6个。
5、如权利要求1所述的一种视觉智能判断的机器人，其特征在于：所述的行走模块(3)座落在基座(7)上，基座的底板上设有受行走模块(3)操控的左、右驱动轮(31)，在前后方向上另置有一组万向轮(32)。
6、如权利要求1所述的一种视觉智能判断的机器人，其特征在于：这种视觉智能判断的机器人，在接通电源、并在设计程序操控下的动作过程是：举手、前进抓物、实现左右手交换、转身判断方向、转向、前进放下物品、后退并同时手臂还原、回到起始位进入新一过程。
7、如权利要求1所述的一种视觉智能判断的机器人，其特征在于：它的动作是在接通电源进入启动状态以后，首先将邮箱清零，接受1号指令后位于基座7内左、右马达向前转动4秒后停止，在邮箱清零后接收5号指令，左马达向前转动、右马达向后转动循环5次后使整个机器人实现近180度的后转，同时是设于头部的摄像头8判断出前方的物体色彩，若物体的色彩大于机器人相应检测程序中设定的值，该机器人的左马达向后转动、右马达向前转动，在转动2秒后停住，若物体的色彩小于设定值则会使左马达向前转、右马达向后转，在同转0.2秒后停住；该循环结束后，左、右马达均向前转动一定的设定时间，走到设定的物台或构件架旁停住；待该机器人完成做右臂的放物动作后，随着7号指令的到达，基座下的左、右马达均向后转动4秒，回到机器人开始工作的起始位置又可重新进入下一工作循环。
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| CN 200610159406 CN101045293A (zh) | 2006-03-28 | 2006-09-18 | 智能视觉机器人及其操作方法 |
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| CN 200610159406 Pending CN101045293A (zh) | 2006-03-28 | 2006-09-18 | 智能视觉机器人及其操作方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN103895026A (zh) * | 2011-01-12 | 2014-07-02 | 精工爱普生株式会社 | 机器手 |
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2006
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