CN103128739B - 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θ1,动作时间t1，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θ2，动作时间t2，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(θ1,t1)、(θ2,t2)，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θ1,动作时间t1，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θ2，动作时间t2，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(θ1,t1)、(θ2,t2)，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位置与上下主动齿轮轴心的连线所形成的夹角为30度，并且两块上下挡片关于30度角的角平分线相互对称；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；上下控制电机通过输出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上表面，两块左右挡片所在的位置与圆盘圆心的连线所形成的夹角为90度，并且两块左右挡片关于90度角的角平分线相互对称；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。