CN106385465A - 一种可远程交互机器人系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可远程交互机器人系统及方法。包括近端与远端两个子系统部分，近端部分负责系统的控制，将采集到对象的序列图像、操作人员的声音信号与对远端的控制指令发送到远端；远端则是移动机器人，将图像序列与声音协调地再现出来，其中图像再现可用全息三维投影方法、体三维显示方法和幕布投影显示方式实现，既可再现对象的真实形象，也可再现对象的相对应的虚拟模型，远端并将采集到的现场影像与声音反馈到近端，可实现远端机器人与现场观众的友好交互。两个子系统图像与声音的采集和传输既可线上亦可线下完成。本发明可应用于远程会议、教育、演讲、娱乐等领域。
Description
技术领域
本发明涉及人机交互技术领域。具体地涉及一种可远程交互机器人系统与方法背景技术。
背景技术
随着社会生活节奏加快，人们经常会出现分身乏术的尴尬境况，例如需要去远处参加会议而又没法错开时间；再例如需要远程示教的场合。面对这些需求，人们渴望有一种可实现远程交互系统或者方法使人可以在同一时间分身到不同地方。目前，利用聊天工具的视频功能也可以基本满足这样要求，但有明显不足：获得的是平面信息而不是立体图像信息，收到对方反馈信息不足，因而导致交互的生动性很差，不能达到高质量的交互效果。而随着机器人交互技术与虚拟现实技术（如全息投影技术、体三维显示技术）的兴起，为实现可远程交互机器人系统提供了新思路。若将两者有效的结合起来，可充分发挥各自的技术优势，以实现高质量的远程交互效果。
目前，与远程交互相关的专利主要有：
1.中国公开专利号：CN104898652A，名称：与一个可移动的远程机器人相互交流。该发明的优点是可以使用户远程采集到现场相关的信息，可以使得用户与外界交流，并且它的上肢也可以做出一定的动作，但该设备的系统非常复杂，并且不能很好地展现操作者的场景信息，导致交互体验敢和临场感比较差。
2. 中国公开专利号：CN101049017A，名称：公司环境中的远程机器人视频会议。该发明提供了一种企业到企业的移动电话会议系统，该系统运用一个可以从远程站远程操作控制的移动机器人，使得使用者和位于机器人视线附近的人员之间进行电话会议。但该发明不能有效反馈现场的受众信息，从而这种交流大多数是单向的，不能算是真正的交互，并且用显示器再现用户的场景信息，使得这种方法不够生动形象。
3. 中国公开专利号：CN101977240A，名称：基于iPhone智能手机的机器人人机交互系统。该发明创新地将智能手机硬件资源和先进的交互技术与机器人技术进行结合，实现的高易用性人机接口。优点是构建了具有实时网络视频反馈的远程机器人控制平台，使得系统通用便携、控制灵活。但该发明过于注重对移动端的控制方法，没有注重用户与远端观众的相互交流，因而限制了其可利用的范围。
发明内容
本发明提供了一种可远程交互机器人系统及方法，该系统由一个近端控制子系统与至少一个远端移动机器人子系统组成。近端控制子系统包括图像发送、接收模块，声音发送、接受模块，机器人遥操作控制模块。远端移动机器人子系统包括移动机器人平台，图像接收、三维再现模块，声音接收、再现模块，至少一个图像采集模块，至少一个声音采集模块。结构示意图如附图1所示。
近端控制子系统与远端移动机器人子系统可实时通讯，近端控制子系统通过图像、声音发送模块可同时向至少远端移动机器人子系统发送图像、声音信息，远端移动机器人子系统通过图像、声音接收模块接收图像、声音信息。图像与声音信息可同步或者不同步。图像与声音的采集和传输可在线或者离线。通讯示意图如附图2所示。
远端移动机器人子系统通过图像、声音采集模块采集现在图像、声音信息，并反馈到近端控制子系统，由其图像、声音接收模块接收。图像与声音信息可同步或者不同步。图像与声音的采集和传输可在线或者离线。通讯示意图如附图2所示。
近端控制子系统可通过机器人遥操作控制模块同时对至少一个远端的移动机器人进行控制，控制内容一般包括机器人开启、休眠与关机控制机器人移动，调整机器人的视角，例如当现场观众要与远端机器人对话时，需控制机器人的面向角度以及与该观众的距离，以提高交互的真实感。
图像接收、三维再现模块有三种实现方式：全息投影显示、体三维显示与幕布投影显示。其中，利用全息投影实现时，图像三维再现模块固定于远端移动机器人平台（3-1）上，可将接收的原始三维物体的序列图像立体地再现出来。图像接收、三维再现模块可用但不限于全息三维投影实现。全息三维投影包含光源（3-2），光电再现模块（3-3），全息图像承接介质（3-4），三者同一平面放置，再现图像（3-5）由全息图像承接介质（3-4）承接。三维再现模块与移动机器人平台放置方式之一如附图3所示。三维再现模块与移动机器人平台放置方式之二如附图4所示。全息三维投影光源（4-2）垂直放置在移动机器人平台（4-1）上，光电再现模块（4-3）与全息图像承接介质（4-4）放置在光源上方的支撑板上，形成上下结构，再现图像（4-5）由全息图像承接介质（4-4）承接。
利用体三维显示实现时，图像接收、三维再现模块固定于远端移动机器人平台上。二者放置方式有两种：其一为体三维显示模块（由基板（5-2）、支撑架（5-3）、投影屏（5-4），立体显示容器（5-5），再现图像（5-6）组成）相对于机器人移动平台（5-1）正立放置；其二为体三维显示模块（由基板（6-2）、支撑架（6-3）、投影屏（6-4），立体显示容器（6-5），再现图像（6-6）组成）相对于移动机器人平台（6-1）到立放置。
利用幕布投影显示，立体成像是通过高流明的投影仪实现，该系统框架由以下部分组成：幕布支撑框架（7-1）、投影仪（7-2）、移动机器人平台（7-3），其中幕布类型包括纱幕、雾幕，幕布类型不仅仅限制这两类。其中，使用雾幕时，该系统需要增加雾蒸汽生产器，安装在机器人移动平台上。
本发明公开了一种可远程交互机器人系统及方法，该系统能够实现近端与一个或多个远端机器人系统进行同时通讯，从而能够达到人在同一时间而处不同地点的效果。一方面，近端可以操控远端的移动机器人系统，以实现信息向现场观众传递；另一方面，又将现场采集的信息反馈回近端，从而实现与观众交互的效果。并且，用各种三维成像方式将近端在远端再现出来，增强了交互的生动性和浸入感。本发明可以用在远程会议、教学、演讲、娱乐等领域。
附图说明
图1为本发明的可远程交互机器人系统的结构示意图；
图2为本发明的近端与远端图像、声音通讯示意图；
图3 为利用全息投影实现图像三维再现时，图像接收、三维再现模块与移动机器人平台第一种放置方式示意图；
图4为利用全息投影实现图像三维再现时，图像接收、三维再现模块与移动机器人平台第二种放置方式示意图；
图5为利用体三维显示实现图像三维再现时，图像接收、三维再现模块与移动机器人平台第一种放置方式示意图；
图6为利用体三维显示实现图像三维再现时，图像接收、三维再现模块与移动机器人平台第二种放置方式示意图；
图7为利用幕布投影显示实现图像三维再现时，图像接收、三维再现模块与移动机器人平台放置方式示意图。
其中：3-1为远端移动机器人平台，3-2为光源，3-3为光电再现模块，3-4为全息图像承接介质，3-5为再现图像，4-1为移动机器人平台，4-2为全息三维投影光源，4-3为光电再现模块，4-4为全息图像承接介质，4-5为再现图像，5-1为移动机器人平台，5-2为基板，5-3为支撑架，5-4为投影屏，5-5为立体显示容器，5-6为再现图像，6-1为移动机器人平台，6-2为基板，6-3为支撑架，6-4为投影屏，6-5为立体显示容器，6-6为再现图像，7-1为幕布支撑框架，7-2为投影仪，7-3为移动机器人平台。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地较为详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1所示，本系统由一个近端控制子系统与至少一个远端移动机器人子系统组成。近端控制子系统包括图像发送、接收模块，声音发送、接收模块，机器人遥操作控制模块。远端移动机器人子系统包括移动机器人平台，图像接收、三维再现模块，声音接收、再现模块，至少一个图像采集模块，至少一个声音采集模块。在实施中，一个远端移动机器人子系统，图像采集模块与声音采集模块各有一个，三维图像呈现模块和声音播放模块各一个。
如附图2所示，近端控制子系统与远端移动机器人子系统可实时通讯，近端控制子系统通过图像、声音发送模块可同时向远端移动机器人子系统发送图像、声音信息，远端移动机器人子系统通过图像、声音接收模块接收图像、声音信息。图像与声音信息可同步或者不同步，图像与声音的采集和传输可在线或者离线。远端移动机器人子系统通过图像、声音采集模块采集现在图像、声音信息，并反馈到近端控制子系统，由其图像、声音接收模块接收。图像与声音信息可同步或者不同步，图像与声音的采集和传输可在线或者离线。本实施例中，图像采集模块是1个摄像机，声音采集模块是麦克风。图像与声音信息可同步，图像与声音的采集和传输在线完成。图像与声音接收由计算机完成并做进一步处理。
近端控制子系统可通过机器人遥操作控制模块1个远端的移动机器人进行控制，主要控制机器人移动，并调整机器人的视角等。如调整与现场观众的距离，调整角度使得观众获得最佳观看角度。
如附图3所示，图像接收、三维再现模块固定于远端移动机器人平台（3-1）上，可将接收的原始三维物体的序列图像立体地再现出来。图像接收、三维再现模块是全息三维投影装置。全息三维投影包含光源（3-2），光电再现模块（3-3），全息图像承接介质（3-4），三者同一平面放置。根据实际需要，所用的光源的波长有633nm（红光）、532nm（绿光）、473nm（蓝光）等，光电再现模块有透镜和空间光调制器等。
整个系统及方法基本的工作流程为：在近端，把人的三维模型的图像序列以及声音信息发送到远端移动机器人子系统，远端的计算机接收以后进行处理，其中可通过全息图计算方法（如傅里叶迭代算法）将序列图像以此计算成全息图，进一步经过全息再现投影系统时序地再现出来，通过音响等设备将声音同步还原出来，这样便达到了临场效果，同时，远端的移动机器人将现场的影像与声音通过摄像机与麦克风采集，滤波后传输回近端子系统，当人收到反馈后，根据实际需要，向移动机器人发出控制命令和响应，如调整其角度，回答现场观众的提问等，整个实现流程是闭环的。如此，便可实现人与人之间在远端生动的交互。
进一步研究，改用体三维显示方式实现图像三维再现，如附图5所示。将体三维显示模块（由基板（5-2）、支撑架（5-3）、投影屏（5-4），立体显示容器（5-5），再现图像（5-6）组成）相对于机器人移动平台（5-1）正立放置。其中，立体显示容器（5-5）是四面体形的，有4块表面贴有半反半透薄膜粘合而成，合理设置斜面与地面的角度，如45°。投影屏（5-4）是一个27英寸的普通显示屏。此时的系统工作流程与上基本相同，不同的是在三维再现模块，不需要进行全息图的计算，而直接根据近端采集的对象（人的头部），既可以直接显示出实际的人的头部图像，也在远端调用并显示出其三维虚拟人头模型的图像，并保证虚拟人头模型与实际人的头部动作（如点头，摆头，张口说话等）相一致，并且保证声音信息与图像信息相协调。
为了实现更加逼真的人像效果，使用幕布投影技术，该系统由幕布支撑框架（7-1）、投影仪（7-2）、机器人移动平台（7-3），其中幕布是安装在7-1中，幕布形状与大小是根据实际人的大小定做。在近端采集图像，不需要经过图像处理，直接发送到远端的电脑上，经过投影仪将图像投影到幕布中。在其他信号采集与交互方面，如声音、控制命令，与上面两种系统一致。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，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精神实质与原理下所作的改变、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 (8)
1.一种可远程交互机器人系统及方法，其特征在于： 所述的可远程交互机器人系统由一个近端控制子系统与至少一个远端移动机器人子系统组成，近端控制子系统包括图像发送、接收模块，声音发送、接受模块，机器人遥操作控制模块，远端移动机器人子系统包括移动机器人平台，图像接收、三维再现模块，声音接收、再现模块，至少一个图像采集模块，至少一个声音采集模块。
2.根据权利要求1所述的一种可远程交互机器人系统及方法，其特征在于：近端控制子系统与远端移动机器人子系统可实时通讯，近端控制子系统通过图像、声音发送模块可同时向至少远端移动机器人子系统发送图像、声音信息，远端移动机器人子系统通过图像、声音接收模块接收图像、声音信息，图像与声音信息可同步或者不同步，图像与声音的采集和传输可在线或者离线，如需保证声音信息与图像信息相协调，图像与声音信息要同步。
3.根据权利要求1所述的一种可远程交互机器人系统及方法，其特征在于：远端移动机器人子系统通过图像、声音采集模块采集现在图像、声音信息，并反馈到近端控制子系统，由其图像、声音接收模块接收，图像与声音信息可同步或者不同步，图像与声音的采集和传输可在线或者离线，如需保证声音信息与图像信息相协调，图像与声音信息要同步。
4.根据权利要求1所述的一种可远程交互机器人系统及方法，其特征在于：近端控制子系统可通过机器人遥操作控制模块同时对至少一个远端的移动机器人进行控制，控制内容包含但不限于：机器人开启、休眠与关机，控制机器人移动，调整机器人的视角。
5.根据权利要求1所述的一种可远程交互机器人系统及方法，其特征在于：图像接收、三维再现模块固定于远端移动机器人平台上，其实现方式有三种：全息三维投影、体三维显示和幕布投影显示，再现显示内容包含但不限于两种：其一是将接收的原始三维物体的序列图像经过处理后实时地再现出来；其二是根据近端采集的对象，在远端调用并显示出其相对应的虚拟三维模型图像，保证三维虚拟模型与对象的基本动作相一致。
6.根据权利要求1与5所述的一种可远程交互机器人系统及方法，其特征在于：全息三维投影包含光源，光电再现模块，全息图像承接介质，再现图像，再现图像呈现在全息图像承接介质中，全息三维投影模块与移动机器人平台的放置方式包含但不限于以下两种：光源，光电再现模块与全息图像承接介质三者同一平面放置；全息三维投影光源垂直放置在移动机器人平台上，光电再现模块与全息图像承接介质放置在光源上方的支撑板上，以形成上下结构。
7.根据权利要求1与5所述的一种可远程交互机器人系统及方法，其特征在于：体三维显示模块包含基板、支撑架、投影屏，立体显示容器，再现图像，再现图像呈现在立体显示容器中，立体显示容器与移动机器人平台的放置方式有两种：正立放置与倒立放置，投影屏包含但不限于显示器、投影仪、平板电脑。
8.根据权利要求1与5所述的一种可远程交互机器人系统及方法，其特征在于：幕布投影显示模块包含基板、幕布支撑框架、投影幕布、投影仪，再现图像呈现在幕布中，其中幕布不限制于雾幕、纱幕。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170208 |