CN103128739A - 一种基于四自由度自动识别的机器人头部结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四自由度自动识别的机器人头部结构。本发明包括回转装置、俯仰装置和控制系统。俯仰装置包括第一角度传感器、摄像头、上下挡片、上下限位保护器、上下控制电机、上下从动齿轮、上下主动齿轮；当上下挡片碰到上下限位保护器时，头部达到极限位置，停止俯仰动作；回转装置包括左右限位保护器、左右控制电机、左右挡片、左右主动齿轮、左右从动齿轮、第二角度传感器；当左右挡片碰到左右限位保护器时，头部达到极限位置，停止回转动作；控制系统以S3C6410芯片为主、CAM_2.0芯片为辅，控制回转装置、俯仰装置。本发明扩大了视觉活动和搜索范围，结构简单，闭环控制更稳定，成本降低，易于形成批量需求和制造。

Description

一种基于四自由度自动识别的机器人头部结构

技术领域

   本发明属于机械工程技术领域，尤其涉及一种基于四自由度自动识别的机器人头部结构。该结构能提高头部视觉搜索范围及其稳定性，并实现自动识别功能。 

背景技术

   随着电子计算机科学（包括大规模集成电路、应用软件、计算方法）、图像处理、充电技术，模式识别技术与理论的迅速发展，机器视觉的实际研究与应用日益得到重视，并不断地在许多领域取得初步性的结果。其中视觉系统在机器人上的应用更是增加。 

现有的机器人视觉装置在结构上各有各样，且随着使用功能的不同而结构有所不同。但是总的来说存在以下三方面的不足：一是视觉装置的通用性不够，普及难度较大；二是机械结构通常较复杂，体积庞大；三是功能不全，应用十分不便。设计一种功能全面，可靠性高，易于批量制造的机器人视觉头部结构，可得到广泛的应用。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于四自由度自动识别的机器人头部结构。 

本发明包括俯仰装置、回转装置和控制系统。 

俯仰装置包括第一角度传感器、摄像头、上下挡片、上下限位保护器、上下控制电机、上下从动齿轮、上下主动齿轮； 

上下从动齿轮为半齿轮，其齿轮截面上固定有横轴，横轴的两端分别与第一长支架、第二长支架的上端相连接，第一长支架、第二长支架的下端垂直固定在头部底盘的上表面；摄像头固定安装在上下从动齿轮截面上；第一角度传感器固定设置在摄像头一侧；两块上下挡片对称安装在上下主动齿轮表面，两块上下挡片所在的直线与上下主动齿轮轴心所形成的夹角为30度；两个上下限位保护器分别安装在第一短支架和第二短支架上端，第一短支架和第二短支架下端垂直固定在头部底盘的上表面；上下控制电机通过转轴固定在头部底盘的上表面，上下控制电机的输出轴与上下主动齿轮相连接，上下主动齿轮与上下从动齿轮啮合；

所述的回转装置包括左右限位保护器、左右控制电机、左右挡片、左右主动齿轮、左右从动齿轮、第二角度传感器；

左右控制电机设置在头部底盘的上表面，其输出轴穿过头部底盘的通孔，与左右主动齿轮相连接，左右从动齿轮通过转轴固定在头部底盘的下表面和圆盘上表面之间，左右从动齿轮和左右主动齿轮相啮合；两块左右挡片对称安装在圆盘1上表面，两块上下挡片所在的直线与圆盘圆心所形成的夹角为90度；第二角度传感器设置在圆盘下表面，与左右从动齿轮同轴固定；两个左右限位保护器对称安装在头部底盘下表面，两个左右限位保护器所在的直线与头部底盘圆心所形成的夹角为50度。

控制系统包括S3C6410芯片、CAM_2.0芯片、第一电阻RM1、第二电阻RM2、第三电阻RM3、第四电阻RM4、第五电阻RM5、第六电阻RM6、第七电阻RM7、第八电阻RM8、第九电阻RM9、第十电阻RM10、第十一电阻RM11、第十二电阻RM12、第十三电阻RM13、第十四电阻RM14、第十五电阻RM15、第十六电阻RM16； 

S3C6410芯片的GPN9脚、GPA2脚、GPA1脚、GPK0脚分别与四个限位保护器相连接，该四个限位保护器中两个为左右限位保护器，两个为上下限位保护器；GPB0脚、GPB1脚同时与左右控制电机相连接，GPB2脚、GPB3脚同时与上下控制电机相连接；X_ADC_AIN0脚与第一角度传感器相连接，X_ADC_AIN3脚与第二角度传感器相连接；GPB5脚通过电阻RM1与芯片CAM_2.0上的2脚CAM_SCL相连，GPF3直接与芯片CAM_2.0上的4脚CAMRSTn相连，GPF1通过电阻RM2与芯片CAM_2.0上的6脚LCAMHREF连接，GPF0通过电阻RM3与芯片CAM_2.0上的8脚LCAMCLK相连，GPF11通过电阻RM4与芯片CAM_2.0上的10脚CAMDATA6相连，GPF9通过电阻RM5与芯片CAM_2.0上的12脚CAMDATA4相连，GPF7通过电阻RM6与芯片CAM_2.0上的14脚CAMDATA2相连，GPF5通过电阻RM7与芯片CAM_2.0上的16脚CAMDATA0相连，GPB6通过电阻RM8与芯片CAM_2.0上的1脚CAM_SDA相连，GPK2通过电阻RM9与芯片CAM_2.0上的3脚CAM_IO相连，GPF2通过电阻RM11与芯片CAM_2.0上的5脚LCAMPCLK连接，GPF4通过电阻RM12与芯片CAM_2.0上的7脚LCAMVSYNC相连，GPF12通过电阻RM13与芯片CAM_2.0上的9脚CAMDATA7相连，GPF10通过电阻RM14与芯片CAM_2.0上的11脚CAMDATA5相连，GPF8通过电阻RM15与芯片CAM_2.0上的13脚CAMDATA3相连，GPF6通过电阻RM16与芯片CAM_2.0上的15脚CAMDATA1相连。

本发明控制过程如下： 

本发明俯仰旋转的范围是-55°<α<+55°，水平面内回转的角度是-110°<β<+110°；第一角度传感器通过AD转换得到头部相对水平面角度 

,动作时间

，作为控制系统的输入参数；第二角度传感器通过AD转换得到头部相对铅垂面角度，动作时间

，作为控制系统的输入参数；四个限位保护器做位置保护；摄像头获取环境信息判断前方是否有障碍物。

控制系统根据输入参数及限位保护器、摄像头的信息，对左右控制电机和上下控制电机下一步运动作出判断，从而驱动左右从动齿轮和上下从动齿轮运动，带动头部视觉移动；与此同时，第一角度传感器和第二角度传感器记录角度信息

、

，限位保护器记录极限位置信息，摄像头记录环境信息，为控制系统提供有效信息，形成闭环控制。 

本发明有益效果如下： 

本发明利用角度传感器记录角度信息，限位保护器记录极限位置信息，摄像头记录环境信息，为控制系统提供有效参数，形成闭环控制，从而稳定可靠的完成头部视觉装置在水平面内回转扫视、铅垂面内俯仰旋转搜索功能。在扩大头部视觉装置搜索范围的同时，进行自动图像识别，且结构简单，易于形成批量需求和制造，降低制造成本，可得到广泛的应用。

附图说明

图1本发明头部结构主视图。 

图2本发明头部结构左视图。 

图3本发明俯仰装置结构图。 

图4本发明回转装置结构图。 

图5本发明控制系统示意图。 

图6本发明控制系统部分控制电路图。 

图7本发明控制系统部分控制电路图。 

图中，圆盘1、头部底盘2、左右限位保护器3、第一长支架4、第一角度传感器5、摄像头6、第二长支架7、上下挡片8、上下限位保护器9、上下控制电机10、第一短支架11、左右控制电机12、左右挡片13、左右主动齿轮14、左右从动齿轮15、第二角度传感器16、上下从动齿轮17、上下主动齿轮18、第二短支架19。 

具体实施方式

   下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。 

如图1、图2、图3、图4所示，一种基于四自由度自动识别的机器人头部结构，包括俯仰装置、回转装置和控制系统。 

俯仰装置包括第一角度传感器5、摄像头6、上下挡片8、上下限位保护器9、上下控制电机10、上下从动齿轮17、上下主动齿轮18。 

上下从动齿轮17为半齿轮，其齿轮截面上固定有横轴，横轴的两端分别与第一长支架4、第二长支架7的上端相连接，第一长支架4、第二长支架7的下端垂直固定在头部底盘2的上表面；摄像头6固定安装在上下从动齿轮17截面上；第一角度传感器5固定设置在摄像头6一侧；两块上下挡片8对称安装在上下主动齿轮18表面，两块上下挡片8所在的直线与上下主动齿轮18轴心所形成的夹角为30度；两个上下限位保护器9分别安装在第一短支架11和第二短支架19上端，第一短支架11和第二短支架19下端垂直固定在头部底盘2的上表面；上下控制电机10通过转轴固定在头部底盘2的上表面，上下控制电机10的输出轴与上下主动齿轮18相连接，上下主动齿轮18与上下从动齿轮17啮合。 

回转装置包括左右限位保护器3、左右控制电机12、左右挡片13、左右主动齿轮14、左右从动齿轮15、第二角度传感器16。 

左右控制电机12设置在头部底盘2的上表面，其输出轴穿过头部底盘2的通孔，与左右主动齿轮14相连接，左右从动齿轮15通过转轴固定在头部底盘2的下表面和圆盘1上表面之间，左右从动齿轮15和左右主动齿轮14相啮合；两块左右挡片13对称安装在圆盘1上表面，两块上下挡片8所在的直线与圆盘1圆心所形成的夹角为90度；第二角度传感器16设置在圆盘1下表面，与左右从动齿轮15同轴固定；两个左右限位保护器3对称安装在头部底盘2下表面，两个左右限位保护器3所在的直线与头部底盘2圆心所形成的夹角为50度。 

如图7所示，控制系统安装在头部底盘上表面，包括S3C6410芯片、CAM_2.0芯片、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16。 

S3C6410芯片的GPN9脚、GPA2脚、GPA1脚、GPK0脚分别与四个限位保护器相连接，该四个限位保护器中两个为左右限位保护器，两个为上下限位保护器；GPB0脚、GPB1脚同时与左右控制电机相连接，GPB2脚、GPB3脚同时与上下控制电机相连接；X_ADC_AIN0脚与第一角度传感器相连接，X_ADC_AIN3脚与第二角度传感器相连接；GPB5脚通过电阻RM1与芯片CAM_2.0上的2脚CAM_SCL相连，GPF3直接与芯片CAM_2.0上的4脚CAMRSTn相连，GPF1通过电阻RM2与芯片CAM_2.0上的6脚LCAMHREF连接，GPF0通过电阻RM3与芯片CAM_2.0上的8脚LCAMCLK相连，GPF11通过电阻RM4与芯片CAM_2.0上的10脚CAMDATA6相连，GPF9通过电阻RM5与芯片CAM_2.0上的12脚CAMDATA4相连，GPF7通过电阻RM6与芯片CAM_2.0上的14脚CAMDATA2相连，GPF5通过电阻RM7与芯片CAM_2.0上的16脚CAMDATA0相连，GPB6通过电阻RM8与芯片CAM_2.0上的1脚CAM_SDA相连，GPK2通过电阻RM9与芯片CAM_2.0上的3脚CAM_IO相连，GPF2通过电阻RM11与芯片CAM_2.0上的5脚LCAMPCLK连接，GPF4通过电阻RM12与芯片CAM_2.0上的7脚LCAMVSYNC相连，GPF12通过电阻RM13与芯片CAM_2.0上的9脚CAMDATA7相连，GPF10通过电阻RM14与芯片CAM_2.0上的11脚CAMDATA5相连，GPF8通过电阻RM15与芯片CAM_2.0上的13脚CAMDATA3相连，GPF6通过电阻RM16与芯片CAM_2.0上的15脚CAMDATA1相连。 

如图6所示，本发明控制过程如下： 

本发明俯仰旋转的范围是-55°<α<+55°，水平面内回转的角度是-110°<β<+110°；第一角度传感器通过AD转换得到头部相对水平面角度

,动作时间，作为控制系统的输入参数；第二角度传感器通过AD转换得到头部相对铅垂面角度

，动作时间

，作为控制系统的输入参数；四个限位保护器做位置保护；摄像头获取环境信息判断前方是否有障碍物。

控制系统根据输入参数及限位保护器、摄像头的信息，对左右控制电机和上下控制电机下一步运动作出判断，从而驱动左右从动齿轮和上下从动齿轮运动，带动头部视觉移动；与此同时，第一角度传感器和第二角度传感器记录角度信息

、

，限位保护器记录极限位置信息，摄像头记录环境信息，为控制系统提供有效信息，形成闭环控制。 

Claims (2)

1.一种基于四自由度自动识别的机器人头部结构，包括俯仰装置、回转装置和控制系统；其特征在于：

俯仰装置包括第一角度传感器、摄像头、上下挡片、上下限位保护器、上下控制电机、上下从动齿轮、上下主动齿轮；

上下从动齿轮为半齿轮，其齿轮截面上固定有横轴，横轴的两端分别与第一长支架、第二长支架的上端相连接，第一长支架、第二长支架的下端垂直固定在头部底盘的上表面；摄像头固定安装在上下从动齿轮截面上；第一角度传感器固定设置在摄像头一侧；两块上下挡片对称安装在上下主动齿轮表面，两块上下挡片所在的直线与上下主动齿轮轴心所形成的夹角为30度；两个上下限位保护器分别安装在第一短支架和第二短支架上端，第一短支架和第二短支架下端垂直固定在头部底盘的上表面；上下控制电机通过转轴固定在头部底盘的上表面，上下控制电机的输出轴与上下主动齿轮相连接，上下主动齿轮与上下从动齿轮啮合；

所述的回转装置包括左右限位保护器、左右控制电机、左右挡片、左右主动齿轮、左右从动齿轮、第二角度传感器；

左右控制电机设置在头部底盘的上表面，其输出轴穿过头部底盘的通孔，与左右主动齿轮相连接，左右从动齿轮通过转轴固定在头部底盘的下表面和圆盘上表面之间，左右从动齿轮和左右主动齿轮相啮合；两块左右挡片对称安装在圆盘1上表面，两块上下挡片所在的直线与圆盘圆心所形成的夹角为90度；第二角度传感器设置在圆盘下表面，与左右从动齿轮同轴固定；两个左右限位保护器对称安装在头部底盘下表面，两个左右限位保护器所在的直线与头部底盘圆心所形成的夹角为50度。

2.如权利要求1所述的一种基于四自由度自动识别的机器人头部结构，其特征在于：

控制系统包括S3C6410芯片、CAM_2.0芯片、第一电阻RM1、第二电阻RM2、第三电阻RM3、第四电阻RM4、第五电阻RM5、第六电阻RM6、第七电阻RM7、第八电阻RM8、第九电阻RM9、第十电阻RM10、第十一电阻RM11、第十二电阻RM12、第十三电阻RM13、第十四电阻RM14、第十五电阻RM15、第十六电阻RM16；

S3C6410芯片的GPN9脚、GPA2脚、GPA1脚、GPK0脚分别与四个限位保护器相连接，该四个限位保护器中两个为左右限位保护器，两个为上下限位保护器；GPB0脚、GPB1脚同时与左右控制电机相连接，GPB2脚、GPB3脚同时与上下控制电机相连接；X_ADC_AIN0脚与第一角度传感器相连接，X_ADC_AIN3脚与第二角度传感器相连接；GPB5脚通过电阻RM1与芯片CAM_2.0上的2脚CAM_SCL相连，GPF3直接与芯片CAM_2.0上的4脚CAMRSTn相连，GPF1通过电阻RM2与芯片CAM_2.0上的6脚LCAMHREF连接，GPF0通过电阻RM3与芯片CAM_2.0上的8脚LCAMCLK相连，GPF11通过电阻RM4与芯片CAM_2.0上的10脚CAMDATA6相连，GPF9通过电阻RM5与芯片CAM_2.0上的12脚CAMDATA4相连，GPF7通过电阻RM6与芯片CAM_2.0上的14脚CAMDATA2相连，GPF5通过电阻RM7与芯片CAM_2.0上的16脚CAMDATA0相连，GPB6通过电阻RM8与芯片CAM_2.0上的1脚CAM_SDA相连，GPK2通过电阻RM9与芯片CAM_2.0上的3脚CAM_IO相连，GPF2通过电阻RM11与芯片CAM_2.0上的5脚LCAMPCLK连接，GPF4通过电阻RM12与芯片CAM_2.0上的7脚LCAMVSYNC相连，GPF12通过电阻RM13与芯片CAM_2.0上的9脚CAMDATA7相连，GPF10通过电阻RM14与芯片CAM_2.0上的11脚CAMDATA5相连，GPF8通过电阻RM15与芯片CAM_2.0上的13脚CAMDATA3相连，GPF6通过电阻RM16与芯片CAM_2.0上的15脚CAMDATA1相连。

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