CN105856201B - 一种三自由度的机器人视觉伺服平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三自由度的机器人视觉伺服平台，该平台包括支撑底座、第一电机、第二电机、第三电机、移动轨道、中心支柱以及带有摄像头和嵌入式计算机的顶部装置。上述三台电机以及相关的部件，为机器人视觉伺服平台的顶部装置提供了滚动角，俯仰角和水平角三个方向的自由度。本发明克服了现有技术的不足，采用了简单灵活的结构设计，扩大了机器人视觉活动的范围，而且顶部装置具有提供了双目视觉效果的双目摄像头和能适用于不同图像处理算法的嵌入式计算机，既可用于对物体的检测、识别，也可用于对空间中某目标物体位置的测量，扩大了机器人视觉伺服系统的应用范围，满足了多种工业制造要求。
Description
技术领域
本发明属于机器人应用领域，特别涉及一种安装于机器人顶部装置的三自由度的机器人视觉伺服平台。
背景技术
人体的顶部装置可通过摇头，摆头等动作转动一定的幅度，从而无需移动身体，就可扩大眼睛的视野，获取外界的信息。机器人的顶部装置，类似于人的顶部装置，赋予它一定数量的自由度，也能够通过顶部装置的运动，以及本身具有的机器视觉系统，直接地感知与理解外部客观世界。机器人顶部装置的视觉伺服系统是机器视觉和机器人控制的有机结合，是一个非线性、强耦合的复杂系统。机器人视觉伺服平台，可用于对客观环境中目标物体的检测，识别，测量与判断。
由于机器人视觉伺服系统的内容是机械设计、机器人运动学、控制理论、图像处理等多个研究领域的交叉内容，所以其发展依赖于多门学科的发展。目前，已有的机器人视觉伺服系统平台的功能不全面，无法广泛地应用；机械结构复杂，体积庞大，制造成本高。在工业生产中的应用十分有限，且大部分的系统只具有简单的视觉功能。为满足于更多的实际应用，迫切需要一种功能俱全，适应性强的机器人顶部装置的视觉伺服平台。
中国公开专利号：CN203092566U，名称：一种机器人顶部装置转动装置。该发明设计了一种机器人顶部装置转动装置，由水平转动系统和倾斜转动系统组成。该发明的有益效果是，可以方便地让机器人顶部装置的探测器朝向任何方向。该发明虽然构造简单，效果明显，但该发明仅仅涉及到一种可让机器人顶部装置转动的装置，而没有包含到机器人顶部装置所需要的视觉伺服系统等重要功能，这极大地限制了它的功能和使用范围。
中国公开专利号：CN2642473，名称：机器人顶部装置。该发明设计了一种机器人顶部装置，包括了两台摄像机作为眼睛，无线话筒作耳朵，喇叭作嘴巴，并由两台计算机控制。其中一台嵌入式计算机安装在机器人头内，为处理已获取外界信息；另一台计算机安装在顶部装置以外，用于与外面交互信息。该发明的有益效果是，集视觉，听觉，语音等功能于一身，而且能够处理中文语音。然而，该发明没有涉及到机器人顶部装置自由度的设计，这限制了它在获取空间中物体图像信息的功能。另外，功能过多使得改发明的结构复杂，稳定性不高，且成本费用较高，难以推广到一般的工业生产。
发明内容
本发明的目的是：克服现有技术上述的不足，发明一种安装于机器人顶部装置的三自由度的机器人视觉伺服平台。它具有三个自由度，分别是滚动角，俯仰角和水平角，这一特征使得机器人像人类一样，不需要移动自身身体就可以看到周围的环境。此外，这一平台具有双目视觉伺服系统，使得机器人具有测量空间中物体距离的能力。此外，它具有一台嵌入式计算机，可高效地进行图像处理。该发明具有高度的适应性，而且智能灵活，可用于不同工作环境下的各种任务。
本发明的技术方案是：一种安装于机器人顶部装置的视觉伺服平台。如本发明的三视图所示(图1a正视图，图1b左视图，图1c剖面图)，它可由支撑底座，第一电机，第二电机，第三电机，移动轨道，中心支柱，带有双目摄像头和嵌入式计算机的顶部装置组成。
各部分的组成和工作原理如下：
支撑底座呈圆柱形，它的底部设置有一定数量的大螺纹孔，可用螺钉固定住，一方面保证了整个平台的固定性与稳定性，另一方面使得整个平台的安装与拆卸更为方便。同时，支撑底座的质量在整个平台的总体质量中占了相当大的比例，降低了平台的重心，进一步保证了顶部装置运动的稳定性。另外，支撑底座中间凹槽处固定住了中心支柱，处于边缘处的两端分别设有第一电机，第二电机。
如上面所述，第一电机，第二电机分别处于支撑底座上端，由支撑底座与电机相接处的小螺纹孔安装上螺钉后将它们固定；而第三电机在中心支柱的上端，同时另一端连接着上端的顶部装置。这三个电机及它们所连接的部件，分别为该平台提供了滚动角，俯仰角和水平角这三个自由度。
顶部装置是整个平台的核心组成部分，它包含了双目摄像头和嵌入式计算机。其中，双目摄像头的作用提供了双目视觉的功能；而嵌入式计算机能进行图像采集和图像处理任务，并且可按照不同任务采用不同的处理算法。
物体表面上的点Q(X，Y)与相对应图像上的点q(x，y)之间的关系为：
其中，
式中，x，y，z为图像平面坐标点，s为比例因子，A为摄像内部参数矩阵，r1、r2、r3为空间旋转矩阵，矩阵T由公式(3)定义，X,Y，Z为世界坐标点，f为摄像头焦距，cx，cy为投影位移参数。
公式(1)也可用下列的公式表示：
q＝s×H×Q (2)
式中，H为单应矩阵，H＝A[r1 r2 r3 T]，
双目摄像头坐标系到顶部装置坐标系的坐标变换矩阵T：
(xi，yi，zi)和(Xi，Yi，Zi)，(i＝1,2，3,4)分别是在顶部装置坐标系和双目摄像头坐标系中所测量到4个不在同一个面的点的坐标。
根据公式(1)，(2)，(3)，可以将摄像头所测量到的点坐标，转化到机器人顶部装置坐标系。
本发明的优点在于：
1、结构设计巧妙，使得机器人视觉伺服平台具有三个自由度，顶部装置转动灵活，工作稳定，无需移动机器人的身体部分即可收集到周围空间的信息，满足了绝大多数情况下的工业生产要求。
2、采用了双目视觉伺服系统，可收集到三维立体视觉效果的空间信息。因此，不需要再增添多余的激光传感器，就可测量空间中某个物体与平台之间的距离。
3、使用了嵌入式计算机，能够根据不同的情况使用不同的图像处理技术，以更高效地适应多种需求，如对物体的检测，识别，测量与判断等任务。
附图说明
图1(a)为本发明中一种三自由度的机器人视觉伺服平台的正视图。
图1(b)为本发明中一种三自由度的机器人视觉伺服平台的左视图。
图1(c)为本发明中一种三自由度的机器人视觉伺服平台的剖面图。
图2为本发明中一种三自由度的机器人视觉伺服平台的支撑底座的结构示意图。
图3(a)为本发明中一种三自由度的机器人视觉伺服平台的中心支柱的结构示意图。
图3(b)为本发明中心支柱十字形部件的结构示意图。
图4为驱动电机实现基于视觉的物体跟踪的控制流程图。
具体实施方式
下面结合说明书的附图以及实施例对本发明作进一步详细的描述。
如图1(a)，图1(b)，图1(c)所述，一种三自由度的机器人视觉伺服平台，由顶部装置1，移动轨道2，第一电机3，支撑底座4，第三电机5，中心支柱6，第二电机7等部分组成。
所述的支撑底座4，如图2所示，大体上呈圆柱体的凹槽，用于支撑住整个机器人视觉伺服平台。中心圆形凹槽8与中心支柱6的底部通过螺纹紧固在一起。中心圆形凹槽8周围均匀地分布着若干个螺纹孔11，它们和螺钉结合使用，用于将整个视觉伺服平台固定在机器人顶部位置。缺口处的矩形平台10和凹形台9各有两个，它们的位置如图所示，其中矩形平台具有若干个较小的螺纹孔，用于固定住位于在其上前方的电机；而凹形台在水平方向具有一对螺纹孔，用于与移动轨道2相连接。
所述的中心支柱6，如图3a所示，由第二Y字形支架15及圆柱形支柱16，第一Y字形支架14，十字形部件13，凹形平台及固定薄片12构成。十字形部件13的形状如图3b，它主要用于连接第一Y字形支架14和第二Y字形支架15。而两个支架中，第一Y字形支架14下端与支撑底座4连接；另一个第二Y字形支架15呈倒立形状，上端有一圆形凹槽，用于固定住圆柱形支柱16。所述圆柱形支柱16的一端位于第二Y字形支架15的圆形凹槽内，另一端与凹形平台及固定薄片12连接，凹形平台及固定薄片12上端分布有若干个螺钉孔，用于固定第三电机5。
本发明包括三个电机，它们安装的位置如图1(a)所示，第一电机3位于支撑底座4的上前方，它本身以及所附带的部件赋予了机器人视觉伺服平台在前后方向的自由度；第二电机7位于支撑底座4的右上方，它本身以及所附带的部件赋予了机器人视觉伺服平台在左右方向的自由度；第三电机5位于中心支柱6和顶部装置1之间，它本身以及所附带的部件赋予了机器人视觉伺服平台在上下方向的自由度。因此，三者的共同作用，使得机器人视觉伺服平台具有三个自由度：滚动角，俯仰角和水平角。因此，安装有该机器人视觉伺服平台的机器人，无需移动自身身体，只需通过顶部装置的运动，如摇头动作，就可获取到三维空间内一定距离中物体的信息。
所述的顶部装置1，主要由双目摄像头和嵌入式计算机构成。双目摄像头固定于顶部装置1的正前端，可以实时摄取三维空间中视野范围内的图像，并传送到嵌入式计算机中。其中，双目摄像头提供了双目视觉效果，这能够用于测量物体的深度，即目标物体在空间中的具体位置及它与机器人之间的空间距离。
嵌入式计算机在机器人视觉伺服平台中主要起到图像采集和图像处理，其中图像采集即是计算机实时地接收由双目摄像头获取的信息。图像处理，可根据不同的实际使用需求采用不同的图像处理算法。这里结合对象跟踪的实施例，描述视觉伺服平台的应用。由于双目摄像头的作用，机器人视觉伺服平台相当于一个具有立体视觉的对象跟踪系统，采用了基于模糊逻辑理论的对象跟踪算法，就能使得机器人在不同坏境中，通过图像处理技术和顶部装置三个自由度的运动，以较少的计算时间和运动时间，去跟踪移动的物体。
上述实施例为本发明在跟踪物体的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种三自由度的机器人视觉伺服平台，包括顶部装置、移动轨道、支撑底座、中心支柱，所述移动轨道以及所述中心支柱的一端分别固定在所述支撑底座上，所述顶部装置安装固定在所述中心支柱的另一端，其特征在于，所述顶部装置包括双目摄像头和嵌入式计算机，所述双目摄像头固定于顶部装置的正前端，实时摄取三维空间中视野范围内的图像，并传送到所述嵌入式计算机中，所述嵌入式计算机采用基于模糊逻辑理论的跟踪控制算法进行图像处理；
所述机器人视觉伺服平台还包括：固定在所述支撑底座上端的第一电机和第二电机、固定在所述中心支柱与顶部装置中间的第三电机，其中，所述第一电机、第二电机以及第三电机分别与所述移动轨道相连并为所述顶部装置提供前后、左右以及上下方向的自由度。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度的机器人视觉伺服平台，其特征在于，
所述支撑底座呈圆柱凹槽形，其上底面中心部分有中心圆形凹槽，用于与所述中心支柱相连，所述中心圆形凹槽四周均匀地分布着螺纹孔，用于固定所述机器人视觉伺服平台。
3.根据权利要求2所述的一种三自由度的机器人视觉伺服平台，其特征在于，
所述中心圆形凹槽有两个缺口，它们的中心连线呈垂直关系，凹槽缺口处各延伸出一个矩形平台，分别用于支撑着所述第一电机、第二电机，其中，所述矩形平台中心各设有若干个小螺纹孔，用于将所述第一电机、第二电机固定在所述支撑底座上端。
4.根据权利要求3所述的一种三自由度的机器人视觉伺服平台，其特征在于，
所述中心圆形凹槽的缺口处所对应直径另一端各设有一个凹形台，其在水平方向有一个螺纹孔，用于固定所述移动轨道。
5.根据权利要求1所述的一种三自由度的机器人视觉伺服平台，其特征在于，
所述中心支柱包括第二Y字形支架、圆柱形支柱、第一Y字形支架、十字形部件、凹形平台及固定薄片；
其中，所述第一Y字形支架下端与所述支撑底座连接，其上端各有两个孔，用于与所述十字形部件相连；所述第二Y字形支架呈倒立形状，其下端各有两个孔，用于与所述十字形部件相连，其上端有一圆形凹槽，用于固定所述圆柱形支柱；所述凹形平台下端与所述圆柱形支柱相连，其上端的凹形部分用于固定所述第三电机。
6.根据权利要求1所述的一种三自由度的机器人视觉伺服平台，其特征在于，所述双目摄像头用于对空间中物体与所述顶部装置之间距离进行测量。
7.根据权利要求2所述的一种三自由度的机器人视觉伺服平台，其特征在于，
所述中心圆形凹槽与所述中心支柱通过螺纹固定相连。
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