CN103048995A - 服务机器人广角式双目视觉识别与定位装置 - Google Patents

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叶晓东
赵江海
骆敏舟
梅涛
鲍敏
宋小波
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Abstract

本发明涉及机器视觉与机电一体化领域，特别是涉及一种服务机器人广角式双目视觉识别与定位装置。目的是提供一种具有广角式双目视觉识别与定位的机器人装置。一种服务机器人广角式双目视觉识别与定位装置，具有机械结构和控制***，所述机械结构包括框架组件与安装在框架组件上的摄像机和伺服组件；所述控制***包括MCU主控制器、电源电路、头部水平/垂直伺服驱动器和左/右眼转动伺服驱动器，上述MCU主控制器与上述头部水平/垂直伺服驱动器和左/右眼转动伺服驱动器之间通过CAN总线通讯方式连接。

Description

服务机器人广角式双目视觉识别与定位装置
技术领域
本发明涉及机器视觉与机电一体化领域，特别是涉及一种服务机器人广角式双目视觉识别与定位装置。
背景技术
服务型机器人泛指应用于人们日常生产和生活的各个领域，能对外界环境进行感知，能与人类进行交互，能判断、理解人们下达的命令，并协助人们完成任务的机器人装备。从传统的工业结构化环境到人类日常生活中的各种复杂非结构环境，从严格地按照指令执行特定任务到通过与人交互来为人服务，从只对特定生产设备或元器件进行检测到通过视觉、听觉等多模态感知接口来了解未知世界。
我国是人口大国，随着人民健康水平的日益提高和计划生育政策的长期实施，我国正快速步入老龄化社会，未来的护理人员奇缺，迫切需要服务机器人进入家庭，为人们提供各种服务。服务机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，而且未来会在家庭服务中扮演着重要的角色。
机器视觉是服务机器人获取外界环境信息的主要途径，也是研究服务机器人需要突破的关键技术之一。典型的服务机器人视觉***应用包括室内机器人自主定位导航、基于视觉信息的目标物体的抓取与识别、基于视觉信息的人脸识别、基于视觉信息的障碍物检测与运动估计、服务机器人视觉伺服等。机器视觉涉及了图像采集、图像处理、模式识别、特征匹配、三维重建和视觉跟踪等领域。既要做到图像的准确采集还要做到对外界变化反应的实时性，同时还需要对外界运动的目标实时跟踪。所有这些要求都给服务型机器人的研究和开发带来了挑战。
目前，服务机器人在复杂环境下作业时，尚存在双目识别与定位的视角范围小、动态实时性差、跟踪连续性低等问题，影响其服务能力。
发明内容
针对目前服务机器人视角范围小、动态实时性差、跟踪连续性低等问题，本发明的目的是提供一种具有广角式双目视觉识别与定位的机器人装置。
本发明服务机器人广角式双目视觉识别与定位装置，主要用于对外界环境中目标物体的宽范围识别与定位，通过该装置，可宽范围地测量场景的三维信息，并利用三维测量的场景信息识别目标、识别路径、判断障碍物等，辅助机器人实现宽范围的路径规划、自主导航等功能。
所述的双目视觉三维测量是基于视差原理，通过计算某一空间点左右两个摄像机图像中相应点的图像坐标来求取视差，利用摄像机标定获得内外标定参数，从而计算出该空间点的三维坐标。
本发明的技术方案主要包含机械结构和控制***两部分内容，具体方案如下：
一种服务机器人广角式双目视觉识别与定位装置，具有机械结构和控制***，所述机械结构包括框架组件与安装在框架组件上的摄像机和伺服组件，上述框架组件包括摄像机安装板、用来支撑摄像机安装板的两个侧支板、位于两个侧支板下方的头部底座和位于头部底座下方的头部水平伺服电机安装板，上述头部底座与侧支板转动连接，上述伺服组件包括安装在摄像机安装板上的两个眼部转动伺服电机、安装在头部底座上的头部垂直伺服电机和安装在头部水平伺服电机安装板上的头部水平伺服电机；所述控制***包括MCU主控制器、电源电路、头部水平/垂直伺服驱动器和左/右眼转动伺服驱动器，上述MCU主控制器与上述头部水平/垂直伺服驱动器和左/右眼转动伺服驱动器之间通过CAN总线通讯方式连接。
所述机械结构的摄像机通过摄像机底座转动连接在摄像机安装板上。
所述框架组件的侧支板之间设有用于加固的横支板。
所述头部垂直伺服电机通过支撑座与头部底座转动连接，上述头部底座与头部水平伺服电机安装板通过联轴器转动连接。
本发明的有益效果在于机器人广角式双目视觉识别与定位装置具有头部双向(水平和垂直)与眼部转动功能，解决了目前服务机器人在复杂环境下作业时，由于双目视角范围受限所出现的目标识别与定位有效范围小、跟踪连续性低、动态实时性差等问题，有效提高了其服务能力；本发明控制***采用CAN总线通讯方式对4台伺服驱动器和伺服电机实现实时调控，图像识别及对于运动目标的跟踪反馈及时，提高机器人操控性能。
附图说明
图1为本发明机械结构部分示意图。
图中标号1摄像机安装板、2摄像机底座、3侧支板、4头部底座、5伺服电机安装板、6头部水平伺服电机(含减速器和编码器)、7联轴器、8支撑座、9头部垂直伺服电机(含减速器和编码器)、10横支板、11眼部转动伺服电机(含减速器和编码器)、12摄像机
图2为本发明控制***原理框图。
图中标号-M1头部水平伺服电机、-M2头部垂直伺服电机、-M3左眼转动伺服电机、-M4右眼转动伺服电机、-B1头部水平编码器、-B2头部垂直编码器、-B3左眼转动编码器、-B4右眼转动编码器
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案、工作原理作进一步解释说明：
见图1，本发明机械结构具有框架组件和伺服组件，框架组件包括摄像机安装板1、用来支撑摄像机安装板的两个侧支板3、位于两个侧支板下方的头部底座4和位于头部底座下方的头部水平伺服电机安装板5，上述两个侧支板3之间设有用于加固的横支板10，上述头部底座4与头部水平伺服电机安装板5通过联轴器7转动连接，作为机器人观察眼的摄像机12通过摄像机底座2转动安装在摄像机安装板1上。
上述伺服组件包括安装在摄像机安装板上的两个眼部转动伺服电机11、安装在头部底座上的头部垂直伺服电机9和安装在头部水平伺服电机安装板上的头部水平伺服电机6，所述头部垂直伺服电机9通过支撑座8与头部底座4转动连接。
见图2，本发明控制***包括MCU主控制器-A1、电源电路-A2、头部水平/垂直伺服驱动器-A3、-A4和左/右眼转动伺服驱动器-A5、-A6，上述MCU主控制器-A1通过CAN总线对上述4台伺服电机进行运动控制，实现对目标物体广角式的识别与定位。MCU主控制器-A1接收来自服务机器人主机的视觉角度控制信息，对控制信息解析后，实现如下控制：通过控制机器人头部水平伺服驱动器-A3驱动相应的伺服电机-M1实现头部水平方向旋转；通过控制机器人头部垂直伺服驱动器-A4驱动相应的伺服电机-M2实现头部垂直方向俯仰；通过控制机器人左眼转动伺服驱动器-A5驱动相应的伺服电机-M3实现左眼摄像机的水平转动；通过控制机器人右眼转动伺服驱动器-A6驱动相应的伺服电机-M4实现右眼摄像机的水平转动。所述的4台伺服电机都配有编码器，分别为编码器-B1、编码器-B2、编码器-B3、编码器-B4，通过编码器反馈构成闭环控制***。所述电源电路模块-A2用于整个装置电源的供电控制。
本发明机器人头部的水平和垂直两个自由度主要用于服务机器人对目标物体的远程识别搜索和近距离物体定位，头部的两个自由度可以在水平方向做大范围旋转和垂直方向做大范围俯仰运动。机器人眼部的左、右眼转动两个自由度主要用于服务机器人对两个摄像头拍摄相应点的公共区域范围观察调整。由视觉三维测量原理可知，为了获得三维空间中某点的三维坐标，必须左右两个摄像机像面上都能拍摄到该点的相应点，通过眼部的两个自由度的水平旋转实现两个摄像头对拍摄相应点公共区域范围大小及方向的调整，从而扩大了双目视觉的近距离测量范围。通过所述的头部和眼部四个自由度的运动，保证了服务机器人对目标物体广角式的识别与定位。
显然，本发明的上述实施方式仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以容易的做出其它形式上的变化或者替代，而这些改变或者替代也将包含在本发明确定的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种服务机器人广角式双目视觉识别与定位装置，具有机械结构和控制***，其特征在于：所述机械结构包括框架组件与安装在框架组件上的摄像机(12)和伺服组件，上述框架组件包括摄像机安装板(1)、用来支撑摄像机安装板的两个侧支板(3)、位于两个侧支板下方的头部底座(4)和位于头部底座下方的头部水平伺服电机安装板(5)，上述头部底座与侧支板转动连接，上述伺服组件包括安装在摄像机安装板上的两个眼部转动伺服电机(11)、安装在头部底座上的头部垂直伺服电机(9)和安装在头部水平伺服电机安装板上的头部水平伺服电机(6)；所述控制***包括MCU主控制器、电源电路、头部水平/垂直伺服驱动器和左/右眼转动伺服驱动器，上述MCU主控制器与上述头部水平/垂直伺服驱动器和左/右眼转动伺服驱动器之间通过CAN总线通讯方式连接。
2.如权利要求1所述的服务机器人广角式双目视觉识别与定位装置，其特征在于：所述机械结构的摄像机(12)通过摄像机底座(2)转动连接在摄像机安装板(1)上。
3.如权利要求1所述的服务机器人广角式双目视觉识别与定位装置，其特征在于：所述框架组件的侧支板(3)之间设有用于加固的横支板(10)。
4.如权利要求1所述的服务机器人广角式双目视觉识别与定位装置，其特征在于：所述头部垂直伺服电机(9)通过支撑座(8)与头部底座(4)转动连接，上述头部底座与头部水平伺服电机安装板(5)通过联轴器(7)转动连接。
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