CN103171638A

CN103171638A - 具有双目立体视觉的球形机器人

Info

Publication number: CN103171638A
Application number: CN 201310067858
Authority: CN
Inventors: 叶平; 孙汉旭; 贾庆轩; 张天石; 韩亮亮; 王轩
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2013-06-26

Abstract

本发明公开了一种具有双目立体视觉的球形机器人，它包括：视觉相机支撑结构、直线和转弯驱动机构、新型球壳和配重。球壳由三个部分组成为一个整体，左右球壳的球冠被削去形成通孔，而且有一个不会随着球壳发生转动的长轴，便于视觉相机传感器的安装，视觉相机可以通过球壳的通孔伸出球壳，避免了球壳的限制。与此提出了一种运动机构，使其具有转弯灵活的能力。

Description

具有双目立体视觉的球形机器人

技术领域

本发明涉及一种结构改进的球形机器人，确切的说，设计一种双侧带视觉相机的球形机器人，双侧的视觉相机能够形成立体视觉，使其具有环境探测、地图构建和自主控制的能力；属于智能机器人领域。

背景技术

球形机器人是指一类将运动执行机构、传感器、控制器、能源装置都内置于一个球形壳体内部、利用球形外壳作为滚动行走装置的系统的总称。与轮式、足式和履带式的移动机器人相比，球形机器人具有结构新颖、运动灵活等特点，在军事、民用等领域具有广阔的应用前景。球形机器人要自主地完成路径规划、避障、目标跟踪和预定的作业任务，需要实时地掌握关于其所在外部环境的知识，并确定其在环境中的正确位置。球形机器人的自身定位与环境建模需要安装大量的传感器，传统的球形机器人更多的去追求运动的灵活性，而忽略了具体传感器设备的安装和外部信息的获取。本专利的球壳两端开口设计可以将视觉传感器安装到球壳外部，没有了封闭球壳的制约，可以更好地获取球形机器人周围环境图像信息，而且视觉相机与长轴主框架固定连接，不会随着球壳转动。该系统设计为视觉相机的安装提供了相对稳定的平台。

现有技术中公开有相关技术，如申请号ZL200810172436.3专利公开了一种环境探测球形机器人，该环境探测球形机器人是由内部摩擦力提供前进力矩，而本专利采用重摆改变机器人质心进而产生力矩驱动机器人前进，这种方式结构更加简单，易于控制。同时ZL200810172436.3专利公开的环境探测球形机器人的直线和转弯由不同的机构控制，对于内部空间有限的球形机器人来说较为复杂。如何改进结构，保证球形机器人在行走中视觉相机的平稳性以及内部空间的有效利用，成为本专利申请人关注和研究的新课题。

发明内容

本专利的发明目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一个不随球壳转动的安装平台，便于视觉传感器的安装，并且设计一套简单的驱动机构，使其具有转向灵活能力的球形机器人。

本专利的发明目的是通过下述技术方案予以实现的：

具有双目立体视觉的球形机器人，它包括球壳、两个视觉相机支撑结构和驱动机构；其特征在于：在球壳内装有矩形主框架，该主框架的两侧与长轴法兰盘通过轴承滚动连接，法兰盘通过螺钉与连接盘固定连接，法兰盘和连接盘之间设有垫片。连接盘与中心球壳固定连接；所述球壳是分体的，与长轴相连的两边球冠被削去，球壳形成通孔；视觉相机支撑结构通过球冠的通孔一端与侧框架固定连接，另一端与视觉相机固定连接；视觉相机伸出到球壳外部，视觉相机与主框架固连；所述驱动机构为一个电机驱动配重绕长轴转动，另一个电机驱动配重绕短轴转动。

所述视觉相机支撑结构包括相机连接杆和侧框架；所述相机连接杆整体为长方形结构，两边为圆盘结构；所述圆盘结构上有四个通孔，圆盘一端与侧框架固定连接，一端与左右球壳连接，侧框架垂直固定于主框架内，相机连接杆的另一端伸出到球形机器人外部，且两侧相机连接杆相对于主框架的中心轴对称。

所述视觉相机的光轴在同一水平线并且同向，视觉相机架设在相机连接杆上并且伸出到球壳外部；视觉相机在行走过程中转动角度与主框架转动角度一致，实时采集图像；所述左右视觉相机形成双目立体视觉，用以实现球形机器人的立体视觉里程计、环境地图构建等功能。

所述驱动机构采用直流伺服电机，包括直线行走驱动机构和转弯驱动机构。

所述直线行走驱动机构包括长轴电机和传动齿轮副；所述长轴电机与主框架内侧相固连，该主框架一端开有通孔，长轴电机的输出轴通过通孔，该长轴电机输出轴上的传动齿轮与长轴法兰盘的齿轮啮合连接。

所述转弯驱动机构包括垂直于长轴的短轴电机、短轴板和传动齿轮副；所述短轴板与主框架固定连接，在偏离中心位置开通孔；所述短轴电机通过通孔，垂直穿过主框架固定在短轴板上，短轴电机输出轴与重摆轴用齿轮副连接。

所述球形机器人球壳分成三部分；由左球壳和右球壳用螺钉固定在相机连接杆上，中心球壳的球冠被削去，形成一个通孔。

所述球壳的中球壳的外表面装有圆环形的牛皮圈或者热熔橡胶圈。

本发明提供的具有双目立体视觉的球形机器人具有如下优点：

1、将球壳两端的球冠削去，主框架和外界形成了连通，视觉相机支撑结构能够直接与主框架固连，所安装的视觉相机和其他传感器不会随着球壳转动，使得采集的信息更加准确。

2、装置内部的主框架与侧框架上都均匀打出通孔，减少了球形机器人的整体质量，在不增加整体质量的情况下增大了重摆所占的质量比，在重摆转动一定的角度下可以提供更大的偏心力矩和惯性力矩，使机器人具有更大的运行速度和更灵活的转弯能力。

3、区别于已有的球形机器人，左右两个半球固定连成一个完整的球壳；该具有双目立体视觉的球形机器人将球壳分成三部分，与地面接触的承重部分变成了一个完整的弧面，球壳具有更好的力学性能，从而提高机器人运动的稳定性，同样保证了球壳不会因为承重不均匀而导致变形。

附图说明

图1为具有双目立体视觉的球形机器人剖面结构图；

图2为具有双目立体视觉的球形机器人局部剖视图B-B；

图3为具有双目立体视觉的球形机器人俯视剖面结构图；

图中标号：1：中心球壳，2：连接盘，3：长轴轴承，4：左球壳，5：左相机连接杆，6：左视觉相机，7：长轴法兰盘，8：端框架，9：长轴板，10：控制系统，11：短轴板，12：侧框架，13：右球壳，14：右视觉相机，15：右相机连接杆，16：长轴大齿轮，17：长轴小齿轮，18：长轴电机，19：重摆，21：短轴电机，22：短轴小齿轮，23：短轴大齿轮，24：短轴法兰盘，25：短轴轴承，26：短轴杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为该具有双目立体视觉的球形机器人的剖面结构图。图2为该具有双目立体视觉的球形机器人局部剖视图B-B。图3为具有双目立体视觉的球形机器人俯视剖面结构图。如图所示，该球形机器人由左球壳4、中心球壳1和右球壳13构成一个完整的球形外壳，中心球壳1的球冠被削去，这样的外形设计不同于以前的球形机器人，这样球壳与地面接触的承重部分变成了一个完整的弧面，而不是之前的左右半球壳连接部分，可以提高机器人运动的稳定性，同样保证了球壳不会因为承重不均匀而导致变形，具有更好的力学性能。中心球壳1的两端与连接盘2固定连接。在球壳的内部安装有一个不随球壳转动的主框架，主框架是由端框架8和长轴板9组成的，用螺钉固定为矩形框架。在连接盘2中心处固定长轴法兰盘7，长轴法兰盘7通过长轴轴承3与端框架8转动连接，法兰盘与主框架的连接左右对称。在长轴法兰盘7与连接盘2之间放有垫片，用来消除球壳在加工过程中因技术困难性而产生的误差。

在主框架上设有一个重摆19，重摆19通过螺纹旋转套在短轴杆26上，并用螺母卡住，短轴板11与长轴板9固定连接，短轴板11中心开通孔，中心位置与短轴法兰盘24固定连接。短轴杆26横穿短轴板11与短轴法兰盘24，通过短轴轴承25与短轴法兰盘24旋转连接。由于我们将主框架和短轴板11上均匀打出通孔，这样减轻了球形机器人的重量，同时将机器人的电源固定在重摆上，这样增大了重摆19所占的比重，因此通过其使得球形机器人可以如不倒翁一样，能够确定出球形机器人的上下位置关系，更加不容易倾倒，运动更加稳定。

该球形机器人安装有直线驱动机构，直线驱动机构包括长轴电机18、长轴大齿轮16和长轴小齿轮17。主框架与长轴电机18固定连接，在端框架8一边开通孔，长轴电机18的输出轴穿过通孔；长轴小齿轮17与长轴电机18的输出轴键连接，并用顶针固定，长轴大齿轮16与长轴法兰盘固定连接，长轴小齿轮17与长轴大齿轮16啮合连接。当长轴电机18运转时，带动长轴小齿轮17旋转，长轴小齿轮17与长轴大齿轮16啮合传动。主框架带动重摆19摆起角度，机器人重心发生改变，形成的偏心力矩和惯性力矩驱使该机器人前进。同时该球形机器人安装有转弯驱动机构，转弯驱动机构包括短轴电机21、短轴大齿轮23、短轴小齿轮22与短轴板11。短轴板11偏离中心位置开通孔，短轴电机21横穿短轴板11并且与短轴板固定连接，短轴电机21的输出轴穿过短轴板的偏心通孔；短轴小齿轮22与短轴电机21的输出轴键连接，并用顶针固定，短轴大齿轮23套在短轴杆26上，短轴小齿轮22与短轴大齿轮23啮合连接，当短轴电机21运转时，带动短轴小齿轮22旋转，同时带动了重摆19旋转，机器人重心发生改变，长轴与地面形成了一定的夹角，同时长轴电机18转动，其合成运动形成的偏心力矩和惯性力矩使球形机器人转弯行走。

不仅如此，由于本发明的具有双目立体视觉的球形机器人的内部安装有一不随着球壳转动的主框架，而且左右球壳的球冠被削去，形成通孔。使机器人可以在左右球壳的通孔处设置传感器，使得这些传感器与外界环境之间没有了球壳的制约，可以更好的获取外部的环境信息。

基于上述在左右球壳通孔处设置传感器的目的，在本发明在球形机器人主框架上设置了视觉相机支撑结构，由于视觉相机支撑结构左右结构对称，因此，下面仅以右半球为例进行说明。该视觉相机支撑结构包括侧框架12和左相机连接杆5，侧框架12垂直固定于主框架内，与长轴板9螺钉连接，相机连接杆5中间为长方形结构，两边为圆盘结构，相机连接杆5右端圆盘与侧框架12固定连接，另一端与左球壳4固定连接。视觉相机架设在相机连接杆15的方形平台上，这样左视觉相机6与主框架固定连接，不会随着球壳的转动而转动，能够稳定的获取该球形机器人在运动过程中的图像信息。同时把左球壳4与左视觉相机6光轴重合的位置开通孔，这样左视觉相机6不会受到球壳的限制，而且无论主框架如何摆动，左球壳都不会影响图像的采集。

同时在主框架内安装有姿态传感器，姿态传感器是在该球形机器人运动过程中采集机器人的姿态信息，如重摆摆动的角度、在前进过程中机器人偏离的角度以及在转弯过程中转过的角度，利用这些信息可以进行球形机器人的姿态调节；而左视觉相机6和右视觉相机15在运动过程中可以实时的采集图像，不会受到球壳的限制。左右视觉相机获取的图像相当于一个双目立体视觉相机所拍摄的，双目立体视觉是仿照人类利用双目视觉线感知距离的方法，实现对三维信息的感知，在实现上采用基于三角测量的方法，利用两个相机对同一景物从不同位置成像，从而能进行视觉定位、视觉里程计、地图构建和路径规划，同时能够获得当前球形机器人的线速度、线加速度、角速度和角加速度等运动信息。姿态传感器和双视觉相机的共同作用下，就可以完成机器人的自主避障和自主控制。

除此之外，本发明的球形机器人还在中心球壳1的外表面装有圆环形的牛皮圈或者热熔橡胶圈，以进一步增加球形机器人与地面的摩擦系数，同时避免了球壳直接与地面接触，能够更好的保护球壳。

Claims

1.一种具有双目立体视觉的球形机器人，它包括球壳、两个视觉相机支撑结构和驱动装置；其特征在于：在球壳内装有矩形主框架，该主框架的两侧与长轴法兰盘通过轴承滚动连接，法兰盘通过螺钉与连接盘固定连接，法兰盘和连接盘之间设有垫片。连接盘与中心球壳固定连接；所述球壳是分体的，与长轴相连的两边球冠被削去，球壳形成通孔；视觉相机支撑结构通过球冠的通孔一端与侧框架固定连接，另一端与视觉相机固定连接；视觉相机伸出到球壳外部，视觉相机与主框架固连；所述驱动机构为一个电机驱动配重绕长轴转动，另一个电机驱动配重绕短轴转动。

2.根据权利要求1所述的具有双目立体视觉的球形机器人，其特征在于：所述视觉相机支撑结构包括相机连接杆和侧框架；所述相机连接杆整体为长方形结构，两边为圆盘结构；所述圆盘结构上有四个通孔，圆盘一端与侧框架固定连接，一端与左右球壳连接，侧框架垂直固定于主框架内，相机连接杆的另一端伸出到球形机器人外部，且两侧相机连接杆相对于主框架的中心轴对称。

3.根据权利要求1或2所述的具有双目立体视觉的球形机器人，其特征在于：所述视觉相机的光轴在同一水平线并且同向，视觉相机在行走过程中转动角度与主框架转动角度一致，实时拍摄图像；所述左右图像通过计算机处理合成一幅立体图像来进行视觉定位并且获取机器人的视觉里程计、路径信息和构建地图。

4.根据权利要求1所述的具有双目立体视觉的球形机器人，其特征在于：所述驱动装置为伺服电机，分为直线机构和转弯机构。

5.根据权利要求1或4所述的具有双目立体视觉的球形机器人，其特征在于：所述直线行走驱动机构包括长轴电机和传动齿轮副；所述长轴电机与主框架内侧相固连，该主框架一端开有通孔，长轴电机的输出轴通过通孔，该长轴电机输出轴上的传动齿轮与长轴法兰盘的齿轮啮合连接。

6.根据权利要求1或4所述的具有双目立体视觉的球形机器人，其特征在于：所述转弯驱动机构包括垂直于长轴的短轴电机、短轴板和传动齿轮副；所述短轴板与主框架固定连接，在偏离中心位置开通孔；所述短轴电机通过通孔，垂直穿过主框架固定在短轴板上，短轴电机输出轴与重摆轴用齿轮副连接。

7.根据权利要求1所述的具有双目立体视觉的球形机器人，其特征在于：所述球形机器人球壳分成三部分；由左球壳和右球壳用螺钉固定在相机连接杆上，中心球壳的球冠被削去，形成一个通孔。

8.根据权利要求1或7所述的具有双目立体视觉的球形机器人，其特征在于：所述球壳的中球壳的外表面装有圆环形的牛皮圈或者热熔橡胶圈。