專利名稱：智能自主輪式移動機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機電一體化領域中的通用移動機器人平臺，特別涉及智能自主輪式移動機器人。
背景技術：
自1954年美國的戴沃爾就提出了工業(yè)機器人的概念，1962年美國AMF公司研制出了世界上第一臺工業(yè)機器人，機器人技術的研究已取得了長足的進展。手臂型工業(yè)機器人技術已趨于完善，同時移動機器人既可在工業(yè)領域實現(xiàn)較大范圍的工件運輸，又可在非工業(yè)領域—服務領域，如導游機器人、康復護理機器人、娛樂機器人、清潔機器人、保安機器人等，有廣泛的應用前景和市場。因此，無論在研究領域、還是在開發(fā)領域，移動機器人都越來越成為國內外很多研究機構研究的熱點。
在研究領域，移動機器人的研究方向主要包括基于視覺、超聲、紅外等傳感器，旨在建立動態(tài)環(huán)境模型的多傳感器融合策略；導航與定位方法；多機器人系統(tǒng)與機器人足球；自主人—機協(xié)作的研究等。而上述的理論研究需要一個具有良好的可靠性和開放性的實驗平臺，來對理論研究加以驗證。所以，開發(fā)研制以工業(yè)和服務業(yè)領域為應用背景的、易于用戶二次開發(fā)的移動機器人平臺具有很好的市場潛力和研究意義。
智能自主輪式移動機器人的關鍵技術主要包括機器人視覺、機器人語音交互技術、移動機器人控制技術，通訊技術，移動機器人運動機構及其控制方法，傳感器技術等。
機器人視覺是一門新興而發(fā)展迅速的學科，其對于智能機器人技術是極為重要的。對于移動機器人來說，主動視覺系統(tǒng)是一重要的感知“器官”。移動機器人視覺的關鍵問題在于圖像處理的實時性問題。由于計算機圖像處理的速度比較慢，影響了機器人視覺系統(tǒng)的應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種實時DSP圖像處理器，以有效和迅速辨識出路徑和障礙物等，并且使圖像處理、控制和運動規(guī)劃并行處理，以保證實現(xiàn)實時的視覺伺服控制，使系統(tǒng)具有良好的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。
為實現(xiàn)上述目的，一種智能自主輪式移動機器人，包括攝像機，為機器人提供它所在環(huán)境的外部信息；工控機，通過總線CAN分別與電機驅動/控制器、超聲環(huán)、紅外環(huán)進行通信；運動機構，由電機驅動/控制器進行控制。
本發(fā)明機器人能夠根據超聲傳感器、紅外傳感器和視覺傳感器進行自主避障，利用視覺傳感器進行動態(tài)目標跟蹤、目標特征識別。此外，該機器人還具有語音人—機交互功能。監(jiān)控人員能夠通過無線麥克直接對機器人進行語音控制。同時，機器人能夠與人進行交談、互致問候以及進行自我介紹等。


圖1是本發(fā)明自主輪式機器人結構圖；圖2是本發(fā)明圓柱孔位幾何結構圖；圖3是本發(fā)明系統(tǒng)控制圖。
具體實施例方式
如圖1所示，自主輪式移動機器人CASIA-I屬于通用的智能移動機器人系統(tǒng)，其突出特點在于外形設計上采用正16棱柱——類圓柱體，該形狀使機器人易于鎖定目標，同時兼顧超聲傳感器的安裝，使其探測范圍覆蓋機器人四周360°的范圍，并有信息的冗余；該機器人另一個突出特點是在運動機構設計上采用底盤左右兩側安裝了集成有直流無刷電機和光電軸編碼器的兩伺服驅動輪。其中，光電編碼器用于推測航行法，使機器人能確定自身的相對位置。在其底盤的前后兩側，兩驅動輪軸線的中垂線上，各裝有一平衡輪。由于機器人自轉時平衡輪的方向與機器人運動的方向可能會出現(xiàn)正交，施加于自由旋轉的平衡輪上的摩擦力會阻礙其運動，進而導致定位誤差。我們在兩平衡輪上分別安裝了用于導向的直流伺服電機，當正交力加載到平衡輪上時，平衡輪上的電機將做出響應，使平衡輪轉動一個很小的角度，以擺脫機構的上述死鎖狀態(tài)。為保證機器人通過斜坡或凹坑時，驅動輪與凹凸地面始終保持良好地接觸而平穩(wěn)地運動，還在兩平衡輪上安裝了懸掛系統(tǒng)，該機器人移動機構的設計使機器人能夠前進、后退、迅速地改變當前運動方向、能在狹窄的空間實現(xiàn)快速地自由移動和繞自身質心以零半徑自轉。與以往傳統(tǒng)輪式移動機器人相比，該機器人移動機構的設計降低了能耗，負載能力更強，增大了底盤的幾何支撐面積和運動的平穩(wěn)性；此外，該平臺采用了各自獨立的DSP(數(shù)字信號處理器)系統(tǒng)并行處理移動機器人的伺服控制、傳感器信號處理、自主避障、路徑規(guī)劃等任務，實現(xiàn)機器人快速感知環(huán)境和實時規(guī)劃動作的目的。
如圖2所示，外形設計上采用正16棱柱——類圓柱體，該形狀使機器人易于鎖定目標，同時兼顧超聲傳感器的安裝，使其探測范圍覆蓋機器人四周360°的范圍，并有信息的冗余。整個機器人平臺的骨架由三根不銹鋼管呈正三角形固定于底盤的上表面(見圖2)。其內部機械結構采用豎直疊加式布置。遠距離紅外傳感環(huán)、超聲傳感環(huán)、底盤、近距離紅外傳感環(huán)四個正16邊形環(huán)依次由上到下放置(見圖3)。其外部為噴有天藍色的金屬漆的外殼。外殼的設計采用了8塊加工成“V”型的鐵板對接成正16邊形。
如圖3所示，本發(fā)明智能自主移動機器人包括運動機構、傳感系統(tǒng)、語音系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等電子系統(tǒng)構成。其具體電子系統(tǒng)實現(xiàn)為電源CASIA-I的驅動輪供電是由兩塊電壓12V，容量7.2Ah的充電電池串聯(lián)得到的24VDC提供。車載主控機及其外圍設備(如CCD攝像機、液晶顯示器、超聲傳感環(huán)、紅外傳感環(huán))的工作電壓12V和5V，由第三塊同參數(shù)的充電電池直接提供或由直流電源轉換模塊轉換后提供。
嵌入式工控機體積小巧的嵌入式工控機作為車載系統(tǒng)的主要處理單元。該工控機配有PC-104和PC-104+總線，圖像采集卡、無線網卡、Intel PII處理器以及256M RAM。該車載工控機與DC電機控制器、DC電機驅動器、超聲環(huán)及紅外環(huán)處理板通過CAN總線進行通訊。此外，該工控機還通過RS-232串口控制CCD攝像機的上下仰俯，水平旋轉和自動變焦等參數(shù)。
DC電機控制器和驅動器電機控制器采用兩個特別設計的運動執(zhí)行器PMD來控制2個直流無刷電機的位置和速度。當一個PMD不時地計算并分別向兩驅動輪電機發(fā)送脈寬調制(PWM)信號時，另一個PMD實現(xiàn)控制器與主處理器之間的通訊；驅動器的主要部分是H橋連接的場效應晶體管，其根據機器人需要的轉向，由經放大控制器放大后的PWM信號的電壓和電流來控制電機的轉速，進而控制和驅動運動模塊的速度和方向。
圖像采集卡和底層DSP圖像處理器圖像采集卡將CCD像機傳入的模擬視頻信號量化為數(shù)字視頻信號后，送入基于DSP的底層視覺處理器中進行處理，可加快視覺信息的處理與識別。
傳感器CASIA-I的傳感系統(tǒng)是由一裝有16個超聲的超聲環(huán)，兩個分別裝有16個紅外傳感器的紅外環(huán)，單目彩色CCD攝像機和光電編碼器。鑒于單個超聲的探測角度是30°，我們采用16個超聲構成360°探測范圍的超聲環(huán)。該超聲環(huán)的探測距離為0.5～10m；因超聲環(huán)在0.5m以內存在探測盲區(qū)，為彌補其探測盲區(qū)和增加信息冗余，我們開發(fā)了兩種紅外傳感環(huán)，探測范圍分別為0.01～0.5m和0.4～0.9m；CASIA-I的單目視覺傳感器采用SONY EVI-D31 CCD攝像機，該攝像機集成有上下仰俯、水平旋轉和自動變焦等功能，可完成主動視覺定位、導航和目標識別等任務。攝像機的控制是車載嵌入式工控機通過RS232串口通訊來實現(xiàn)的；光學軸編碼器，用來測量移動機器人移動的相對距離，它將測得的驅動輪轉動數(shù)據作為反饋信號傳給電機伺服控制器，根據機器人所規(guī)劃的路徑來控制左右驅動輪的轉速以達到控制機器人的運動的目的。
液晶顯示器CASIA-I上裝配了一塊LCD，作為程序員與機器人之間的交互顯示設備。通過LCD，監(jiān)控人員能觀察到車載電池的狀態(tài)及機器人前方的實時視覺場景。圖像采集卡將量化后的場景圖像實時傳輸?shù)絃CD上顯示。
CAN總線卡為了實現(xiàn)機器人內部各個模塊之間實時通訊。我們采用工業(yè)標準的CAN總線連接各個工作模塊，以實現(xiàn)各模塊之間的實時通訊。
無線通訊模塊為實現(xiàn)機器人與監(jiān)控人員的實時交互，CASIA-I上配有無線局域網卡，通過無線傳輸實現(xiàn)對機器人的語音控制，還可發(fā)送其他工作指令。反之，機器人可經無線傳輸將實時視覺場景和圖像處理、紅外及超聲探測結果回送到主控臺，以便監(jiān)控人員進一步下達任務，實現(xiàn)了較好的人機和諧。
語音控制模塊為實現(xiàn)良好的人機交互，我們開發(fā)了語音控制模塊，在上位機上接有麥克風通過無線傳輸與CASIA-I進行語音通訊，可控制機器人前進或后退指定的距離，以及左右旋轉一定的角度或繞自身質心旋轉等。機器人移動平臺上還裝有揚聲器，機器人可做一些簡短的自我介紹，人一機之間可互致問候和進行簡短的對話。
我們在對國內外現(xiàn)有各類移動機器人及其相關技術進行調研分析的基礎上，通過解決口令識別與語音合成、視覺導航與動態(tài)跟蹤、多傳感器信息融合、實時自適應導航控制等方面的關鍵技術，克服了現(xiàn)有智能移動機器人存在的一些不足，從而研制成功了一種具有視覺和口令導航功能并能與人進行語音交互的移動機器人。隨著這技術的解決，智能機器人與人共處時的安全性將獲得較大的提高，機器人的應用將變得更加容易，并能夠充分發(fā)揮人的高智能以及機器人的高操作精度、不會疲勞的各自優(yōu)勢，共同完成復雜的操作任務。
本發(fā)明的移動機器人CASIA-I的運動機構、電子系統(tǒng)和控制體系結構。該平臺為進一步開展的自主系統(tǒng)多傳感器融合算法、運動控制、視覺導航等方面的研究提供了實驗平臺。該平臺良好的開放性和可擴展性，為用戶的二次開發(fā)提供了保證。
實施例智能自主輪式移動機器人CASIA-I的整體性能指標為·外觀正16棱柱·運動平臺直徑0.45m，輪距0.4m，高0.8m，重45kg，負載80kg·最大直線速度0.8m/s，最大角速度2.6rad/s，零半徑自轉·電機直流無刷電機、直流伺服電機·輪系結構兩主驅動輪、兩平衡輪正交布置·傳感系統(tǒng)遠距離紅外、超聲、近距離紅外三個傳感環(huán)依次分布于上中下三層，各層傳感環(huán)均由16個相應的傳感器組成，并均勻覆蓋360°方向。此外，機器人頂部裝有單目視覺傳感系統(tǒng)。各傳感環(huán)及視覺系統(tǒng)都配有各自獨立的DSP處理器，可實現(xiàn)傳感數(shù)據的實時處理與動作響應。
·車載主控機Pentium II 266MHz CPU，256Mb RAM，PC/104+BUS嵌入式工控機·控制系統(tǒng)模塊化開放式控制系統(tǒng)由傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和規(guī)劃系統(tǒng)三個具有開放式結構的子系統(tǒng)組成。各子系統(tǒng)之間通過CAN總線進行實時通訊。
·無線通訊系統(tǒng)開發(fā)人員可通過10/100M的無線局域網向機器人下達命令和讀取車載主控機傳回地面上位監(jiān)控機的傳感數(shù)據。
·語音交互模塊開發(fā)人員可通過無線麥克風與機器人進行語音交互，向機器人下達運動命令；人—機之間可互致問候；此外，機器人還可做一些簡短的自我介紹。
移動機器人的任務下達采用了語音口令控制。傳感系統(tǒng)采用超聲波傳感器、紅外傳感器、光電編碼器以及數(shù)目視覺傳感器構成的傳感系統(tǒng)。該移動機器人具有良好的人—機交互的功能，該交互功能可以很直觀地通過人機語音對話來實現(xiàn)。盡管個別現(xiàn)有的移動機器人可用簡單的口令來控制，但真正具有人—機交互功能，能夠與人進行交談，互致問候，進行自我介紹等的移動機器人在國內尚不多見。
權利要求
1.一種智能自主輪式移動機器人，包括攝像機，為機器人提供它所在環(huán)境的外部信息；工控機，通過總線CAN分別與電機驅動/控制器、超聲環(huán)、紅外環(huán)進行通信；運動機構，由電機驅動/控制器進行控制。
2.按權利要求1所述的機器人，其特征在于還包括通過無線通信與工控機通信的無線通信模塊。
3.按權利要求1所述的機器人，其特征在于所述的超聲環(huán)為16個。
4.按權利要求1所述的機器人，其特征在于所述的紅外環(huán)為16個遠距離紅外傳感器和16個近距離紅外傳感器。
5.按權利要求1所述的機器人，其特征在于所述的運動機構外形為正16棱柱形。
6.按權利要求5所述的機器人，其特征在于每個超聲傳感器、遠距離紅外傳感器、近距離紅外傳感器自下而上分別安裝在每個棱柱上。
7.按權利要求1所述的機器人，其特征在于所述運動機構包括在機器人的底盤左右兩側安裝了集成有直流無刷電機和光電軸編碼器的兩個伺服驅動輪；在底盤的前后兩側，兩驅動輪軸線的中垂線上，各安裝有一平衡輪；平衡輪上裝有用于導向的直流伺服電機。
全文摘要
一種智能自主輪式移動機器人，包括攝像機，為機器人提供它所在環(huán)境的外部信息；工控機，通過總線CAN分別與電機驅動/控制器、超聲環(huán)、紅外環(huán)進行通信；運動機構，由電機驅動/控制器進行控制。本發(fā)明機器人能夠根據超聲傳感器、紅外傳感器和視覺傳感器進行自主避障，利用視覺傳感器進行動態(tài)目標跟蹤、目標特征識別。此外，該機器人還具有語音人一機交互功能。監(jiān)控人員能夠通過無線麥克直接對機器人進行語音控制。同時，機器人能夠與人進行交談、互致問候以及進行自我介紹等。
文檔編號B25J13/00GK1513645SQ02160900
公開日2004年7月21日 申請日期2002年12月31日 優(yōu)先權日2002年12月31日
發(fā)明者譚民, 侯增廣, 李磊, 陳細軍, 葉濤, 延昊, 楊國勝, 譚 民 申請人:中國科學院自動化研究所