CN110053034A - 一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置 - Google Patents

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蔡映凯
安德孝
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Abstract

本发明提供了一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，属于空间机器人领域。本发明的神经计算棒、嵌入式系统和控制板组成控制单元，差速驱动底盘的四边通过螺钉固定有一个主动连接面和三个被动连接面，且一个主动连接面和三个被动连接面上通过螺钉固定有与差速驱动底盘相对的顶部支架，顶部支架、一个主动连接面、三个被动连接面和差速驱动底盘组成立方体框架，USB相机及转台在顶部支架上，主动连接面放置在差速驱动底盘上靠近数字舵机的一侧。本发明集成控制、感知、执行、通信、能源模块于一个单胞中，在感知方面设计了一种镜头方向可转动的视觉传感器装置，可以实现空间细胞机器人不同方向图像数据的采集，并可以完成细胞机器人在轨自主标定。

Description

一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置
技术领域
本发明涉及一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，属于空间机器人领域。
背景技术
随着航天技术的不断发展，空间在轨任务越来越趋于复杂和多样，传统的空间机械臂已经不能够满足多样的空间在轨操作任务，因此面向空间任务需求的空间细胞机器人可以通过自重构的方式满足不同种类、不同尺度的空间在轨任务。空间细胞机器人与模块化机器人最主要的区别就在于每个空间细胞机器人单胞就是一个可以独立完成任务的机器人，通过细胞之间的自重构可以面向不同任务拓展其功能，而模块化机器人单个模块不能独立完成任务，只能通过模块之间的组合完成特定任务。空间细胞机器人的特点决定了其单胞设计必须具有控制、感知、执行、通信、能源等单元，且单胞整体的结构需要尽可能的小。
目前国内外已有的可重构/自重构机器人系统所采用的外部感知单元主要是红外传感器或超声波传感器，这两类传感器主要实现测距以及机器人之间的感知功能，可以配合相应算法实现机器人模块之间的自主连接，而对于空间在轨复杂任务，对于其他非合作目标的感知能力受到很大的限制，且超声波传感器在空间环境下无法使用，因此需要加入视觉传感器以获取更加丰富的外部信息，进而实现目标识别，跟踪，测量等功能，考虑到视觉传感器与红外传感器相比，本身结构较大，不适合在机器人每个面都设置，为了实现全角度图像信息获取，需要一种视角可变的视觉传感器装置。控制单元设计方面，现有模块化机器人的控制单元主要由处理器+单片机组成，能够对红外传感器、惯性测量模块等返回数据进行较好的处理，但是对于空间多样性任务大规模数据的处理与分析能力明显不足，尤其是对于视觉图像信息的处理，需要根据感知单元选取处理能力更强的控制单元。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，所述基于视觉的多功能空间细胞机器人装置包括USB相机及转台、顶部支架、数字舵机、主动连接面、被动连接面、神经计算棒、嵌入式系统、控制板、电池和差速驱动底盘，神经计算棒、嵌入式系统和控制板组成控制单元；差速驱动底盘的四边通过螺钉垂直固定一个主动连接面和三个被动连接面，且一个主动连接面和三个被动连接面上通过螺钉固定有与差速驱动底盘相对的顶部支架，顶部支架、一个主动连接面、三个被动连接面和差速驱动底盘组成立方体框架，USB相机及转台在顶部支架上，USB相机及转台通过顶部支架与数字舵机连接并固定在顶部支架的中心位置，控制单元及电池放置在立方体框架内，其中，差速驱动底盘包括两个驱动轮、一个万向轮和数字舵机，主动连接面放置在差速驱动底盘上靠近数字舵机的一侧。
本发明一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，所述控制单元由RaspberryPi嵌入式系统、ArbotiX控制板和Movidius神经计算棒组成。
本发明一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，所述USB相机及转台由焦距为3.6mm视角为90°USB摄像头和转台组成。
本发明一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，所述与USB相机及转台连接的数字舵机采用AX-12A型数字舵机。
本发明一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，所述差速驱动底盘中，万向轮为从动轮，两个驱动轮为主动控制轮，驱动轮直径为25mm，轮宽为6mm，轮中心距为84mm，由型号为Dynamixel的AX-12A型数字舵机驱动。
本发明一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，所述主动连接面包括数字舵机、凸轮、弹簧销、直线轴承和连接公头，被动连接面包括连接母头，主动连接面的连接公头可以插入被动连接面的连接母头内，主动连接面上的数字舵机带动凸轮转动，从而带动弹簧销在直线轴承中做直线运动，弹簧销伸出主动连接面侧面的圆形孔插入到被动连接面的连接母头侧面的圆形孔内，数字舵机控制弹簧销伸出实现锁紧，实现主动连接面和被动连接面之间的连接。
本发明一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，集成控制、感知、执行、通信、能源模块于一个单胞中，在感知方面设计了一种镜头方向可转动的视觉传感器装置，可以实现空间细胞机器人不同方向图像数据的采集，并可以完成细胞机器人在轨自主标定；控制方面结合视觉传感器需求，选取了“嵌入式系统+ArbotiX控制板+神经计算棒”的控制单元，能够针对空间不同任务建立相应的目标图像数据库，并针对新的训练数据对目标识别跟踪的神经网络进行训练，实现目标的识别及跟踪等功能。
附图说明
图1为本发明一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置的零件分解示意图。
图2为本发明一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置的俯视图。
图3为本发明一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置的控制系统机构框图。
图4为本发明一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置中主动连接面的示意图。
图中附图标记有：1为USB相机及转台；2为顶部支架；3为数字舵机；4为主动连接面；5为被动连接面；6为神经计算棒；7为嵌入式系统；8为控制板；9为电池；10为差速驱动底盘；4-1为数字舵机；4-2为凸轮；4-3为弹簧销；4-4为直线轴承；4-5为连接公头；5-1为连接母头。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例一：如图1-4所示，本实施例所涉及的一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，包括USB相机及转台、顶部支架、数字舵机、主动连接面、被动连接面、神经计算棒、嵌入式系统、控制板、电池和差速驱动底盘，神经计算棒、嵌入式系统和控制板组成控制单元；差速驱动底盘的四边通过螺钉垂直固定一个主动连接面和三个被动连接面，且一个主动连接面和三个被动连接面上通过螺钉固定有与差速驱动底盘相对的顶部支架，顶部支架、一个主动连接面、三个被动连接面和差速驱动底盘组成立方体框架，USB相机及转台在顶部支架上，USB相机及转台通过顶部支架与数字舵机连接并固定在顶部支架的中心位置，控制单元及电池放置在立方体框架内，其中，差速驱动底盘包括两个驱动轮、一个万向轮和数字舵机，主动连接面放置在差速驱动底盘上靠近数字舵机的一侧。
空间细胞机器人单胞设计为包含1个主动连接机构和3个被动连接平面的移动型的有两个对面是正方形的长方体构型。空间细胞机器人具有平面移动的自由度，其机械式连接机构由主动连接机构和被动连接平面两部分组成。
实施例二：如图1-2所示，本实施例所涉及的一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，所述控制单元由Raspberry Pi嵌入式系统、ArbotiX控制板和Movidius神经计算棒组成。
控制单元由Raspberry Pi嵌入式系统、ArbotiX控制板和Movidius神经计算棒组成，其中Raspberry Pi负责命令的接受和转发以及图像数据的处理和储存，Movidius神经计算棒搭载深度神经网络，可以根据不同的任务需求对获取的图像数据进行训练，ArbotiX控制板接收嵌入式系统的指令控制底盘驱动舵机和视觉转盘电机。
实施例三：如图1-2所示，本实施例所涉及的一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，所述USB相机及转台由焦距为3.6mm视角为90°USB摄像头和转台组成。
实施例四：如图1-2所示，本实施例所涉及的一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，所述与USB相机及转台连接的数字舵机采用AX-12A型数字舵机。
视觉感知单元由焦距为3.6mm视角为90°USB摄像头和转台组成，摄像头与转台固定于空间细胞机器人的顶部中心，转台由AX-12A型数字舵机驱动，可按照所需视角方向进行360°转动，获取环境信息与目标信息。
实施例五：如图1-2所示，本实施例所涉及的一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，所述差速驱动底盘中，万向轮为从动轮，两个驱动轮为主动控制轮，驱动轮直径为25mm，轮宽为6mm，轮中心距为84mm，由型号为Dynamixel的AX-12A型数字舵机驱动。
视觉感知单元由焦距为3.6mm视角为90°USB摄像头和转台组成，摄像头与转台固定于空间细胞机器人的顶部中心，转台由AX-12A型数字舵机驱动，可按照所需视角方向进行360°转动，获取环境信息与目标信息。
实施例六：如图1和4所示，本实施例所涉及的一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，所述主动连接面包括数字舵机、凸轮、弹簧销、直线轴承和连接公头，被动连接面包括连接母头，主动连接面的连接公头可以插入被动连接面的连接母头内，主动连接面上的数字舵机带动凸轮转动，从而带动弹簧销在直线轴承中做直线运动，弹簧销伸出主动连接面侧面的圆形孔插入到被动连接面的连接母头侧面的圆形孔内，数字舵机控制弹簧销伸出实现锁紧，实现主动连接面和被动连接面之间的连接。
主动连接机构由舵机、凸轮、弹簧销、直线轴承、连接公头等组成，选取Dynamixel的AX-12A型数字舵机驱动锁紧装置上锁和接锁，与被动连接面对接后锁紧可以将两个空间细胞机器人连接起来。主动连接面上的数字舵机旋转带动凸轮转动，从而带动弹簧销在直线轴承中做直线运动。弹簧销的一头为圆锥形，便于插入被动连接面连接母头的连接孔内；弹簧销和直线轴承结构共3个，成中心对称，以保证对准精度和连接强度。连接公头前端圆心位置有一个凸起圆锥结构，壳体四周开有6个圆形孔，连接机构工作时，均匀分布的3个圆形孔中有弹簧销伸出与连接母头连接实现锁紧，实现主动连接面与被动连接面之间的连接。通过主动连接面和被动连接面的连接可以将多个空间细胞机器人连接在一起。
实施例六：如图3所示，本实施例所涉及的一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，所述一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置通过USB摄像头采集图像信息传送至Raspberry Pi嵌入式系统和Movidius神经计算棒并通过XBee无线通信将数据以无线的方式传送至ArbotiX控制板，控制板根据接收到的信息控制差速驱动底盘驱动左轮舵机和右轮舵机实现装置的前进、后退和旋转、控制与USB相机及转台连接的数字舵机(即转台舵机)实现USB相机的360度转动，将空间细胞机器人的连接公头插入另一个空间细胞机器人的连接母头上，控制主动连接面上的舵机带动凸轮旋转，从而控制弹簧销在直线轴承下做直线运动，弹簧销伸出主动连接面和被动连接面侧面的圆形孔，将主动连接面和被动连接面锁紧，将两个空间细胞机器人连接。
实施例六：如图1-4所示，本实施例所涉及的一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，空间细胞机器人装置的主要功能：
(1)自主标定功能
对比于传统视觉传感器固定于机器人上，空间细胞机器人的视觉传感器固定在可360°转动的转台上，当空间细胞机器人到达标定区域时，嵌入式系统发送自主标定指令，ArbotiX控制板控制差速驱动的移动底盘和相机转台舵机，完成相机的平移和旋转运动，实现空间细胞机器人在轨自主标定。
(2)自主导航
利用相机自主标定得到相机内参数，将相机状态保持某一固定方向，通过单目相机对极几何约束可以求得空间细胞机器人在运动过程中的旋转矩阵以及平移向量，实现对其自身的状态估计，确定空间细胞机器人在世界坐标系中的位姿，根据已有地图信息以及规划出的路径，完成空间细胞机器人在已知环境地图信息中的自主导航。
(3)目标识别及跟踪功能
空间细胞机器人的Movidius神经计算棒搭载深度神经网络，通过视觉传感器获取的图像数据可以通过Raspberry Pi嵌入式系统进行分类储存，建立所需识别目标的图像数据库，通过Movidius神经计算棒搭载深度神经网络对数据库图像进行训练，实现对不同任务目标识别的功能。对于所需跟踪目标，通过目标物体在像素坐标系中的位置，可以反馈给控制系统进行处理，生成目标跟踪控制指令，通过差速驱动底盘控制空间细胞机器人对目标物体进行跟踪。
(4)自主连接功能
基于目标识别功能，ArbotiX控制板控制单目相机转台转至主动连接面中心位置，识别出被动连接面后，USB相机可以通过被动连接面在像素坐标系中的位置，确定出被动连接面在像素坐标系中的高度以及被动连接面的中心位置，根据已知被动连接面的实际高度和单目相机的内参数，通过相似三角形比例关系，可以确定出主被动连接面之间的距离，Raspberry Pi嵌入式系统根据相对距离以及被动连接面的中心位置向差速驱动底盘发送控制命令，实现空间细胞机器人的自主连接。
(5)智能避障功能
根据目标识别信息，区分跟踪目标与障碍物，利用三角测量法估计出相机(即空间细胞机器人)与障碍物之间的距离，通过控制系统发送控制指令到差速驱动底盘，实现空间细胞机器人在全局路径规划过程中的智能避障功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，其特征在于，所述基于视觉的多功能空间细胞机器人装置包括USB相机及转台(1)、顶部支架(2)、数字舵机(3)、主动连接面(4)、被动连接面(5)、神经计算棒(6)、嵌入式系统(7)、控制板(8)、电池(9)和差速驱动底盘(10)，神经计算棒(6)、嵌入式系统(7)和控制板(8)组成控制单元；差速驱动底盘(10)的四边通过螺钉垂直固定一个主动连接面(4)和三个被动连接面(5)，且一个主动连接面(4)和三个被动连接面(5)上通过螺钉固定有与差速驱动底盘(10)相对的顶部支架(2)，顶部支架(2)、一个主动连接面(4)、三个被动连接面(5)和差速驱动底盘(10)组成立方体框架，USB相机及转台(1)在顶部支架(2)上，USB相机及转台(1)通过顶部支架(2)与数字舵机连接并固定在顶部支架(2)的中心位置，控制单元及电池(9)放置在立方体框架内，其中，差速驱动底盘(10)包括两个驱动轮、一个万向轮和数字舵机，主动连接面(4)放置在差速驱动底盘(10)上靠近数字舵机的一侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，其特征在于，所述控制单元由Raspberry Pi嵌入式系统、ArbotiX控制板和Movidius神经计算棒组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，其特征在于，所述USB相机及转台(1)由焦距为3.6mm视角为90°USB摄像头和转台组成。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，其特征在于，所述与USB相机及转台(1)连接的数字舵机采用AX-12A型数字舵机。
5.根据权利要求1所述的一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，其特征在于，所述差速驱动底盘(10)中，万向轮为从动轮，两个驱动轮为主动控制轮，驱动轮直径为25mm，轮宽为6mm，轮中心距为84mm，由型号为Dynamixel的AX-12A型数字舵机驱动。
6.根据权利要求1所述的一种基于视觉的多功能空间细胞机器人装置，其特征在于，所述主动连接面(4)包括数字舵机(4-1)、凸轮(4-2)、弹簧销(4-3)、直线轴承(4-4)和连接公头(4-5)，被动连接面(5)包括连接母头(5-1)，主动连接面(4)的连接公头(4-5)可以插入被动连接面(5)的连接母头(5-1)内，主动连接面(4)上的数字舵机(4-1)带动凸轮(4-2)转动，从而带动弹簧销(4-3)在直线轴承(4-4)中做直线运动，弹簧销(4-3)伸出主动连接面(4)侧面的圆形孔插入到被动连接面(5)的连接母头(5-1)侧面的圆形孔内，数字舵机(4-1)控制弹簧销伸出实现锁紧，实现主动连接面(4)和被动连接面(5)之间的连接。
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