CN105215998A - 一种仿蜘蛛的多目视觉平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿蜘蛛的多目视觉平台，包括视觉系统，视觉系统通过减震器安装在一个驱动系统上，视觉系统可在驱动系统的作用下在水平面内旋转；视觉系统包括壳体，壳体外侧分布有一对主眼相机和多个副眼相机，其中一对主眼相机的光轴相互平行。本发明提供了一种多目的视觉系统，保留死角小，盲区小，对于主眼前方物体的定位功能也有大幅度的提升。可以对主眼前方的物体进行定位；在装置减震方面：弹簧减震装置在经过防锈处理后，不仅抗腐蚀能力强，性能稳定，可在恶劣环境下正常工作。使用寿命长。而且工艺简单，维修方便。

Description

一种仿蜘蛛的多目视觉平台

技术领域

本发明属于机器视觉技术领域，具体涉及一种仿蜘蛛的多目视觉平台。

背景技术

地震，火灾，洪水等自然灾害，人为的恐怖祸害如恐怖活动，武力冲突，以及由SARS，禽流感等生化病毒和有毒物质，辐射性物质等带来的恐怖，威胁着人们的安全。虽然人们对各种灾难的警觉和反应能力有所提高，但在处理破坏性灾难事件时还是准备不够充分，很多人依然死于不专业、不及时的救援活动。将机器人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜寻和营救的灾难救援机器人对于减少人员伤亡以及财产损失上具有不可替代的作用，然而因为救灾现场环境的恶劣，光线、障碍物等各种因素的影响，让救灾机器人在搜索方面的工作效率始终不尽如人意，所以，为了最大化的利用机器人在搜索方面的优势，仿蜘蛛的多目视觉平台试验台的研究就显得格外重要。

和人的视觉组织一样，机器人视觉系统在机器人的研究和应用中也占有十分重要的地位，对机器人的智能化将起决定性作用。机器人视觉系统是指用计算机来实现人的视觉功能，也就是用计算机来实现对客观的三维世界的识别。按现在的理解，人类视觉系统的感受部分是视网膜，它是一个三维采样系统。三维物体的可见部分投影到网膜上，人们按照投影到视网膜上的二维成像来对该物体进行三维理解。所谓三维理解是指对被观察对象的形状、尺寸、离开观察点的距离、质地和运动特征(方向和速度)等的理解。如果把三维客观世界到二维投影像看作是一种正变换的话，则机器视觉系统所要做的是从这种二维投影图像到三维客观世界的逆变换，也就是根据这种二维投影图像去重建三维的客观世界。在移动机器人领域，视觉主要用于对环境中目标位姿的测量，其典型应用包括机器人视觉定位，目标跟踪，视觉避障等。在军事领域，视觉可用于无人飞行器对目标的测量与跟踪，其典型应用包括导弹接近目标区域后针对最终目标的导航以及无人战机的是视觉定位与跟踪等。在航天与空间探索领域，视觉是太空机器人作业不可获取的重要感知系统，其典型应用包括空间机器人视觉引导下的自主作业和星球探索机器人视觉引导下的自主行走等。因此，研究实时视觉测量和控制，对于提高机器人的自主作业能力，拓展机器人的应用范围具有十分重要的意义。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种仿蜘蛛的多目视觉平台，扩大机器人视角，使机器人能有更加广泛的视野，盲区小，提高机器人整体视觉获取性能。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种仿蜘蛛的多目视觉平台，包括视觉系统，视觉系统通过减震器安装在一个驱动系统上，视觉系统可在驱动系统的作用下在水平面内旋转；视觉系统包括壳体，壳体外侧分布有一对主眼相机和多个副眼相机，其中一对主眼相机的光轴相互平行。

进一步地，所述的壳体包括相互平行设置的上主板、中主板和下主板，上主板和中主板之间通过第一支撑件连接，中主板和下主板之间通过第二支撑件连接，所述的主眼相机和副眼相机安装在上主板和中主板之间的外侧位置。

进一步地，所述的中主板和下主板之间设置有转换器，转换器与所述的主眼相机、副眼相机连接。

进一步地，所述的上主板为八边形板，上主板的八条边两两相互平行；在上主板平行的四对边中，其中一对平行边的边长大于其他对平行边的边长，将这一对平行边称为主边，其他边称为副边，所述的一对主眼相机安装在主边的其中一条边上，在每一条副边上均设置有一个副眼相机。

进一步地，所述的减震器包括支撑板，支撑板上对称分布多个由第三螺栓固定的空心的且无顶面的固定筒，固定筒中设置有轴杆，轴杆端部固定有限位板，轴杆上套装有弹簧，弹簧的一端固定在固定筒底部，弹簧的另一端固定在限位板上，限位板通过第一螺栓与壳体连接。

进一步地，所述的驱动系统包括电机，电机的输出轴通过连接杆固定有底板，底板通过第四螺栓和与第四螺栓配合的螺母与减震器固定。

进一步地，所述的副眼相机的光轴与主眼相机的光轴之间的夹角范围是15～30°

本发明具有以下技术特点：

本发明提供了一种仿蜘蛛的多目视觉平台，利用仿生学结构，提供了一种合理、有效的视觉获取设备。该视觉平台采用一对主眼和六个副眼的结构，类似于蜘蛛的视觉获取系统，这种结构保留死角小，在水平方向上几乎没有视觉盲区，从而使机器人对主眼前方的物体定位功能有大幅提升；同时由于副眼与主眼之间的配合结构，使机器人在行走过程中，能尽可能少地转动平台，不仅有效减少能耗，还降低了机器人处理器对视频信息的处理强度，从而使处理器能有更少的信息处理量，以提升机器人的反应速度，保证优良的使用性能。本方案的视觉平台，可方便地加装在各类机器人系统上，例如轮式机器人、履带式机器人、机械腿式机器人等。该系统性能稳定，可在恶劣环境下正常工作。使用寿命长。而且工艺简单，维修方便。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为壳体部分的结构示意图；

图3为减震器的结构示意图；

图4为驱动系统的结构示意图；

图中标号代表：1—镜头，2—转换器，3—第一支撑件，4—上主板，5—第一螺栓，6—主眼相机，61—条形板，7—第一固定件，8—第二固定件，9—副眼相机，10—中主板，11—第二螺栓，12—第二支撑件，13—下主板，14—固定板，15—固定筒，16—第三螺栓，17—支撑板，18—轴杆，19—螺母，20—连接杆，21—第四螺栓，22—电机，24—弹簧，25—视觉系统，26—减振器，27—驱动系统。

具体实施方式

遵从上述技术方案，如图1所示，一种仿蜘蛛的多目视觉平台，包括视觉系统25，视觉系统25通过减震器26安装在一个驱动系统27上，视觉系统25可在驱动系统27的作用下在水平面内旋转；视觉系统25包括壳体，壳体外侧分布有一对主眼相机6和多个副眼相机9，其中一对主眼相机6的光轴相互平行。

本方案中设置的多目系统，其以一对主眼相机6为主要采集设备，辅助以多个副眼相机9，使水平面内各个方向的视野信息均能进行有效采集。整个视觉系统25固定在壳体上，壳体可在水平面内转动，这里的的水平面是指平行于地面的方向。

如图2所示，壳体包括相互平行设置的上主板4、中主板10和下主板13，上主板4和中主板10之间通过第一支撑件3连接，中主板10和下主板13之间通过第二支撑件12连接，所述的主眼相机6和副眼相机9安装在上主板4和中主板10之间的外侧位置。

上主板4、中主板10和下主板13三者的形状、大小相同，相互平行设置，仅通过支撑件连接，这就给相邻的两个主板之间留下了充足的空间。第一支撑件3和第二支撑件12可采用铝合金板，利用第二螺栓11与主板之间相互固定。

更具体地，上主板4为八边形板，上主板4的八条边两两相互平行；在上主板4平行的四对边中，其中一对平行边的边长大于其他对平行边的边长，将这一对平行边称为主边，其他边称为副边，所述的一对主眼相机6安装在主边的其中一条边上，所述的每一条副边上均设置有一个副眼相机9。

上主板4并非正八边形，而其中一对平行边要较其他边长一些，这对平行边称为主边，在其中一个主边上安装主眼相机6，给相机的安装留有充分空间，也使主眼相机6能有最佳的视野。一对主眼相机6采用双目立体视觉摄像机，放置在最前面，其余六只副眼相机9作为辅助占据六个方位，为了可以辅助主眼的工作。副眼相机9和主眼的视场存在一定的夹角，即副眼相机9的光轴与主眼相机6的光轴之间有锐角的夹角，该夹角如为15°～30°，这个范围可有效减小主眼与副眼相机9之间的盲区。在每个相机上还设置有镜头1。这样设置的原因是，如图2所示，主眼相机6是最主要的图像获取设备，位于最“前方”。主眼相机6是双目相机，需要有最佳的视野，因此安装主眼相机6的主边需要较其他副边长一些。而副眼相机9作为主眼相机6的辅助，其采集的周围信号用于主眼相机6获取的视频信号处理过程辅助因素，故在各个方向上均有。主眼相机6和副眼相机9之间的光轴夹角不宜过大，经过发明人测试和图像处理过程的要求，设置上述夹角度数能保证这些相机在水平方向上视频获取360°不留死角，消除视觉盲区，且在这样的分布、角度上，这些相机之间获取的图像信息基本没有重叠，或重叠非常少，这也就非常有利于后期的图像处理过程。然而上述的夹角也不宜过大，因为整个视觉系统25是由驱动系统来驱动控制的，如在某一时刻需要获取主眼相机6视觉范围以外景物的图像信息，此时必然有主眼相机6侧面的某一个或多个副眼相机9在获取该景物的图像信息。如果副眼相机9获取的信息已经足够处理器做出决策，那么就不需要主眼相机6的介入。

例如在当前视觉平台的侧面有障碍物，主眼相机6不能看到，该视觉平台所安装的机器人当前通行方向为主眼相机6的光轴方向。侧面的副眼相机9将障碍物信息传递给处理器，如果传递的图像信息足够处理器做出判断，判断出侧面的障碍物不影响当前机器人的通行，那么就不需要改变视觉系统25的角度；若副眼相机9提供的信息不足以供处理器判断决策，那么可通过驱动系统，改变视觉系统25的方向，即将主眼相机6的朝向变为对着障碍物的方向，通过主眼相机6的强大图像获取能力来进行图像采集和后续的判断。注意到在上述过程中，如通过驱动系统改变视觉系统25的方向，将增加能耗，同时不利于行进过程。一般机器人的视觉盲区主要出现在相机不能覆盖到的区域，对此本方案设置了这种相机分布结构，消除视觉盲区，使视觉系统25在非绝对必要的情况下(如转弯，或水平改变行进方向)能尽可能减少由于视觉系统25改变给处理器带来的图像处理负担，从而保证了机器人的整体使用性能。

具体地，主眼相机6安装过程中，可自上主板4和中主板10的主边上延伸出来一部分条形板61，将一对主眼相机6设置在这两个条形板61之间，其侧面通过第二固定件8锁紧。

第二固定件8采用十字形板结构，利用垂直固结在第二固定件侧面的固定板14和螺栓螺母19与上主板4、中主板10紧固。副眼相机9通过第一固定件7固定在上主板4、中主板10上，第一固定件7和第二固定件8结构相同。

在中主板10和下主板13之间设置有转换器2，转换器2与所述的主眼相机6、副眼相机9连接，并且与机器人的CPU连接，将采集的图像信息转换处理后发送给决策机构。

如图3所示，减震器26包括支撑板17，支撑板17上对称分布多个由第三螺栓16固定的空心的且无顶面的固定筒15，固定筒15中设置有轴杆18，轴杆18端部固定有限位板，轴杆18上套装有弹簧24，弹簧24的一端固定在固定筒15底部，弹簧24的另一端固定在限位板上，限位板通过第一螺栓5与壳体连接。

减震器26的下端是驱动机构，上端是壳体，有效地缓冲了驱动机构以及机器人运动过程中带给视觉系统25中各精密仪器的震动，保护仪器。减震系统使用的是弹簧24减震，弹簧24是主要的减震零件，与其它固定零件结合起来，就可满足本发明的需求。弹簧24中穿过的轴杆18用来防止弹簧24上下两面包裹零件的脱落。

驱动系统27包括电机22，电机22采用两相步进电机，电机22的输出轴是不完整的圆柱，电机22的输出轴通过连接杆20固定有底板，电机22的输出轴与连接杆20之间为过盈配合，可不用额外的键；底板通过第四螺栓21和与第四螺栓21配合的螺母19与减震器26固定。通过电机22的驱动，可使视觉系统25在水平面内自由旋转，根据机器人对电机22的控制指令，来改变视觉系统25的旋转角度。

本方案的这种视觉平台，采用仿生学结构，采用立体视觉+六目视觉配合的方式，与蜘蛛的生理结构类似，从而保证整体行进过程中的平稳性和视觉覆盖。本方案的视觉平台，可方便地加装在各类机器人系统上，例如轮式机器人、履带式机器人、机械腿式机器人等。通过合理的图像采集系统，为处理器提供高质量的图像信息，从而为处理器对机器人的运行提供有力的支持。

Claims (7)

1.一种仿蜘蛛的多目视觉平台，包括视觉系统(25)，其特征在于，所述的视觉系统(25)通过减震器(26)安装在一个驱动系统(27)上，视觉系统(25)可在驱动系统(27)的作用下在水平面内旋转；视觉系统(25)包括壳体，壳体外侧分布有一对主眼相机(6)和多个副眼相机(9)，其中一对主眼相机(6)的光轴相互平行。

2.如权利要求1所述的仿蜘蛛的多目视觉平台，其特征在于，所述的壳体包括相互平行设置的上主板(4)、中主板(10)和下主板(13)，上主板(4)和中主板(10)之间通过第一支撑件(3)连接，中主板(10)和下主板(13)之间通过第二支撑件(12)连接，所述的主眼相机(6)和副眼相机(9)安装在上主板(4)和中主板(10)之间的外侧位置。

3.如权利要求2所述的仿蜘蛛的多目视觉平台，其特征在于，所述的中主板(10)和下主板(13)之间设置有转换器(2)，转换器(2)与所述的主眼相机(6)、副眼相机(9)连接。

4.如权利要求2所述的仿蜘蛛的多目视觉平台，其特征在于，所述的上主板(4)为八边形板，上主板(4)的八条边两两相互平行；在上主板(4)平行的四对边中，其中一对平行边的边长大于其他对平行边的边长，将这一对平行边称为主边，其他边称为副边，所述的一对主眼相机(6)安装在主边的其中一条边上，在每一条副边上均设置有一个副眼相机(9)。

5.如权利要求1所述的仿蜘蛛的多目视觉平台，其特征在于，所述的减震器(26)包括支撑板(17)，支撑板(17)上对称分布多个由第三螺栓(16)固定的空心的且无顶面的固定筒(15)，固定筒(15)中设置有轴杆(18)，轴杆(18)端部固定有限位板，轴杆(18)上套装有弹簧(24)，弹簧(24)的一端固定在固定筒(15)底部，弹簧(24)的另一端固定在限位板上，限位板通过第一螺栓(5)与壳体连接。

6.如权利要求1所述的仿蜘蛛的多目视觉平台，其特征在于，所述的驱动系统(27)包括电机(22)，电机(22)的输出轴通过连接杆(20)固定有底板，底板通过第四螺栓(21)和与第四螺栓(21)配合的螺母(19)与减震器(26)固定连接。

7.如权利要求1所述的仿蜘蛛的多目视觉平台，其特征在于，所述的副眼相机(9)的光轴与主眼相机(6)的光轴之间的夹角范围是15～30°。