專利名稱：智能視覺機(jī)器人及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人，尤其是指具有智能視覺、在特定空間完成行走、搬運(yùn)物件的機(jī)器人。
背景技術(shù)：
在學(xué)校組織參觀工廠的社會實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)一些工廠的車間噪音污染相當(dāng)嚴(yán)重，工人在長期重復(fù)勞動中，容易產(chǎn)生厭倦感，不僅生產(chǎn)效率受影響，而且久而久之勢必影響工人的身心健康。作為一個機(jī)器人興趣愛好者，便萌生了使用“智能視覺機(jī)器人”來替代噪聲環(huán)境下，現(xiàn)有工人的重復(fù)性操作動作的想法。
車間噪音污染嚴(yán)重，長期處于此種環(huán)境中，會使勞動者心智受到嚴(yán)重?fù)p傷；簡單重復(fù)勞動會使人的思維變得僵硬，使生產(chǎn)效率降低；人工勞作時間有相當(dāng)嚴(yán)格限制，盡管使用三班倒，但也不符合人的生理規(guī)律。因此，這個問題是一個很現(xiàn)實(shí)的問題，解決這一問題講具有相當(dāng)重要的實(shí)際意義。
在國內(nèi)屈指可數(shù)的比較先進(jìn)的企業(yè)中，已經(jīng)開始使用機(jī)械臂代替人工勞動，但是，這種機(jī)械臂的使用，僅僅是代替人類完成了超出人手臂距離和力量所能完成的任務(wù)，而且，相當(dāng)多的機(jī)械臂僅僅是人類所操縱的一種工具而已，并不具有嚴(yán)格意義上的智能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提出一種具有簡單視覺智能判斷的機(jī)器人，來代替人類進(jìn)行某種簡單判斷、搬運(yùn)等重復(fù)勞動，可以避免噪音污染對勞動者心智所帶來的傷害，并且可以進(jìn)行長時間的簡單重復(fù)勞動，保證勞動的效率，延長勞動時間。
這種視覺智能判斷的機(jī)器人，用樂高模塊搭建成機(jī)器人的上身主體，由視覺模塊2、領(lǐng)導(dǎo)模塊4微電腦處理器群組模塊5、行走模塊3、左、右手模塊1及攝像頭8、驅(qū)動電機(jī)、蓄電池等組成，其特征在于所述的頭部視覺模塊2由兩臺與微電腦處理模塊連接的攝像頭8構(gòu)成，所述的微電腦處理器群組模塊5包括左手控制器51、右手控制器52和基座及頭部控制器6，所述的左、右手模塊由肩臂11、腕臂12及鉗夾式手掌13構(gòu)成，所述的行走模塊3座落在由左、右兩驅(qū)動輪31和前后設(shè)置的轉(zhuǎn)向輪32構(gòu)成的移動基座7上。
所述的視覺模塊2由設(shè)于頭部模塊的兩個分辨率百萬像素的攝像頭承擔(dān)，該視覺模塊的位置變化由置于該模塊后的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行上下左右的位置調(diào)節(jié)。
構(gòu)成左、右手模塊1的肩臂11、腕臂12及鉗夾式手掌13通過固定于肩部的齒輪箱與肩部銜接，每一個關(guān)節(jié)之間都有角度傳感器關(guān)聯(lián)。
控制手部關(guān)節(jié)動作的領(lǐng)導(dǎo)模塊4，將原來LEGO模塊控制器的三個輸出端口進(jìn)行改進(jìn)，即將一個輸出端口變成3個，利用控制器上的原有二個輸出端口作為控制端和輸入端，控制器給控制端輸出信號正、負(fù)、零，控制器就會分別從控制器上的輸出端口A、B、C中選擇一個與輸入端進(jìn)行連接，使控制器上的輸出端就從3個變成了6個。
所述的行走模塊3座落在基座7上，基座的底板上設(shè)有受行走模塊3操控的左、右驅(qū)動輪31，在前后方向上另置有一組萬向輪32。
這種視覺智能判斷的機(jī)器人，在接通電源、并在設(shè)計程序操控下的動作過程是舉手、前進(jìn)抓物、實(shí)現(xiàn)左右手交換、轉(zhuǎn)身判斷方向、轉(zhuǎn)向、前進(jìn)放下物品、后退并同時手臂還原、回到起始位進(jìn)入新一過程。
根據(jù)以上技術(shù)方案提出的這種視覺智能判斷的機(jī)器人，可以代替在環(huán)境比較差的工廠車間內(nèi)進(jìn)行重復(fù)簡單勞動工人的全部操作，既可以減輕個工人的勞動強(qiáng)度，又可消除環(huán)境對員工健康的傷害。


附圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為手部模塊結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3為本發(fā)明中采用的角傳感器和控制模塊的分布示意圖；附圖4領(lǐng)導(dǎo)模塊分線示意圖；附圖5為行走模塊與基座組合圖；附圖6為本發(fā)明操作運(yùn)動流程圖。
圖中1、左、右手模塊 11、肩臂 12、腕臂 13、鉗夾式手掌 2、視覺模塊 3、行走模塊 31、驅(qū)動輪 32、萬向輪4、領(lǐng)導(dǎo)模塊 5、左、右手控制器 6、基座及頭部控制器7、基座 L1～L5、左側(cè)馬達(dá) R1～R5、右側(cè)馬達(dá) B1～B4、基座及頭部傳感器 8、攝像頭
具體實(shí)施例方式
如圖所示的這種視覺智能判斷的機(jī)器人，它是利用LEGO模塊組建的一種能行走運(yùn)動的工作機(jī)器人。用樂高模塊搭建成機(jī)器人的上身主體，由視覺模塊2、領(lǐng)導(dǎo)模塊4、微電腦處理器群組模塊5、行走模塊3、左、右手模塊1、攝像頭8及驅(qū)動電機(jī)、蓄電池等組成，其特征在于所述的頭部視覺模塊2由兩臺與微電腦處理模塊連接的攝像頭構(gòu)成，所述的微電腦處理器群組模塊5包括左手控制器51、右手控制器52和基座及頭部控制器6，所述的左、右手模塊由肩臂11、腕臂12及鉗夾式手掌13構(gòu)成，所述的行走模塊3座落在由左右兩驅(qū)動輪31和前后設(shè)置的轉(zhuǎn)向輪32構(gòu)成的平臺移動基座7上。
所述的視覺模塊2由設(shè)于頭部模塊的兩個分辨率在百萬像素的攝像頭承擔(dān)，該視覺模塊的位置變化由置于該模塊后的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行上下左右的位置調(diào)節(jié)。
構(gòu)成左、右手模塊1的肩臂11、腕臂12及鉗夾式手掌13通過固定于肩部的齒輪箱與肩部銜接，每一個關(guān)節(jié)之間都有角度傳感器關(guān)聯(lián)。
控制手部關(guān)節(jié)動作的領(lǐng)導(dǎo)模塊4，將原來LEGO模塊控制器的三個輸出端口進(jìn)行改進(jìn)，即將一個輸出端口變成3個，利用控制器上的原有二個輸出端口作為控制端和輸入端，控制器給控制端輸出信號正、負(fù)、零，控制器就會分別從控制器上的輸出端口A、B、C中選擇一個與輸入端進(jìn)行連接，使控制器上的輸出端就從3個變成了6個。
所述的行走模塊3座落在基座7上，基座的底板上設(shè)有受行走模塊3操控的左、右驅(qū)動輪31，在前后方向上另置有一組萬向輪32。
這種視覺智能判斷的機(jī)器人，在接通電源、并在設(shè)計程序操控下的動作過程是舉手、前進(jìn)抓物、實(shí)現(xiàn)左右手交換、轉(zhuǎn)身判斷方向、轉(zhuǎn)向、前進(jìn)放下物品、后退并同時手臂還原、回到起始位進(jìn)入新一過程。
該機(jī)器人采用的LEGO的材料和程序，而在LEGO的程序當(dāng)中就有這么一項(xiàng)圖象處理的功能，通過將圖象轉(zhuǎn)化為函數(shù)式，加以分析后判斷出所要尋找的物體的位置、顏色、大小等信息，最后再進(jìn)行判斷，找到需要的物品。對于實(shí)際制作中碰到的圖象的傳輸和精度問題，我們的解決方案是將發(fā)射塔的接收端口屏蔽掉，這樣就可以將傳輸?shù)膯栴}完全解決；而圖片的精度問題則是在機(jī)器人的手臂關(guān)節(jié)處加裝了角度傳感器角1～角3、角4～角6來解決的。
在本發(fā)明方案中的視覺模塊能在一定角度范圍內(nèi)采樣，通過連接線把采樣的圖像實(shí)時傳輸?shù)脚c機(jī)器人連接的電腦，通過分析程序，完成物體大小和顏色的區(qū)分，按照任務(wù)需要，把不同的指令到控制器，驅(qū)動擬人機(jī)械臂動作完成一些基本的任務(wù)。如舉手、前進(jìn)抓物、實(shí)現(xiàn)左右手交換、轉(zhuǎn)身判斷方向、轉(zhuǎn)向、前進(jìn)放下物品、后退并同時手臂還原、回到起始位進(jìn)入新一過程，配合移動底座還可在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)移動，擴(kuò)大工作區(qū)域。
在動力手臂和領(lǐng)導(dǎo)模塊的整合上，由于采用的全是LEGO模塊，原來要實(shí)現(xiàn)附圖2所示的五自由度關(guān)節(jié)動作模塊驅(qū)動的話，需要3個控制器來控制(每個控制器上的輸出端口只有3個)。這樣存在的缺點(diǎn)為成本高，控制器之間互相干繞，影響了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過網(wǎng)上的檢索查詢，后期的數(shù)據(jù)挖掘，我們制作了領(lǐng)導(dǎo)模塊。將原LEGO組裝材料中只舉有個輸出端口的控制器進(jìn)行改進(jìn)將一個輸出端口變成3個，利用控制器上的原有二個輸出端口作為控制端和輸入端，控制器給控制端輸出信號(正，負(fù)，零)，控制器就會分別從控制器上的輸出端口(A，B，C)中選擇一個與輸入端進(jìn)行連接，從而達(dá)到效果?？刂破魃系妮敵龆司蛷?個變成了6個。
同時，運(yùn)用自制的領(lǐng)導(dǎo)模塊配合動力關(guān)節(jié)，達(dá)到了減少控制器的目的，但為了機(jī)器人的美觀和重心的降低，使機(jī)器人可用機(jī)械臂拿起比不采用此結(jié)構(gòu)更重的物體，并在一定距離的移動過程中更穩(wěn)定的要求。通過品字安裝控制器51、52、6(見附圖1、3)，達(dá)到調(diào)整重心的目的。
改進(jìn)后的控制器的作用在于運(yùn)用自制的領(lǐng)導(dǎo)模塊配合動力關(guān)節(jié)的驅(qū)動，按時間差分別控制，在原本的兩個輸入/輸出端上控制六路輸入/輸出。突破了LEGO元器件的局限性。
在本發(fā)明中，機(jī)器人平臺移動系統(tǒng)用傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，而非腿形。為的不同體積電機(jī)的使用，基座7的設(shè)計考慮了調(diào)節(jié)孔，位置在前后萬向輪處。既考慮了當(dāng)前機(jī)器人站立的平衡，也預(yù)留了后備升級余地，為后續(xù)工作創(chuàng)建發(fā)展?jié)摿?。通過設(shè)于基座7下左、右驅(qū)動輪31的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，達(dá)到機(jī)器人前進(jìn)和后退。前后各有一個萬向輪32，起到機(jī)器人行進(jìn)中的支撐作用。
注重電力供應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化，電機(jī)選用航模電機(jī)(電壓9V)。選用的的電機(jī)(動力設(shè)備)需要的啟動電流小，可由控制器統(tǒng)一供電，解決了掉電的問題。在此前提下，為達(dá)到長時間的運(yùn)行，可方便的用穩(wěn)壓電源作為電力供應(yīng)，此時干電池的作用轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破鲀?nèi)程序的保持。防止在無外部電力的情況下，控制器將丟失下載的程序。
此外，這種這種視覺智能判斷的機(jī)器人，操作系統(tǒng)使用語言是ROBOLAB和匯編語言。
其運(yùn)作過程是左手臂在接通電源啟動操作系統(tǒng)后，郵箱清零、下達(dá)啟動指令下開始動作，并接受3號指令后，導(dǎo)致操控左臂的角度傳感器角4-角6進(jìn)入工作狀態(tài)，隨著其中的相應(yīng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動，角5傳感器向上轉(zhuǎn)動250弧度，使整條左臂抬起，并停止在一定位置，而后隨著馬達(dá)的再次轉(zhuǎn)動，左臂前端的鉗夾式手掌13打開、并停住，在馬達(dá)的又一次轉(zhuǎn)動中角6傳感器轉(zhuǎn)動130弧度，使左前腕臂12抬起停住，隨后馬達(dá)轉(zhuǎn)動，在角4傳感器反方向轉(zhuǎn)動117弧度，使整個左肩向內(nèi)轉(zhuǎn)動、并停住，完成左臂的第一階段動作；在靜止4秒鐘，隨著操控器的又一指令的下達(dá)，角4-角6傳感器清零，在馬達(dá)轉(zhuǎn)動后，角4傳感器轉(zhuǎn)動120弧度、使整條左臂(包括左肩)向外轉(zhuǎn)動、并停住，而后馬達(dá)轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致角6傳感器轉(zhuǎn)動65弧度，使左前臂再次抬起，停??；而后在接受6號指令后，在馬達(dá)轉(zhuǎn)動1.3秒后左臂前端的鉗夾式手掌13打開、停住，在接受8號指令后，隨著馬達(dá)的轉(zhuǎn)動1.3秒，左臂前端的鉗夾式手掌13合攏、并停??；最后隨著馬達(dá)的連續(xù)轉(zhuǎn)動，先是角6傳感器轉(zhuǎn)動200弧度、使左腕臂12放下，又使角5傳感器反向轉(zhuǎn)動250弧度，最終使整條左臂恢復(fù)到原始狀態(tài)。
在左臂運(yùn)作的同時，右手臂實(shí)際上也在進(jìn)行與左臂的配合動作，右臂在接到起始指令后，首先完成角度傳感器角1-角3的清零，而后隨著馬達(dá)的轉(zhuǎn)動，角2傳感器轉(zhuǎn)動250弧度、使右前臂抬起，并停住，在馬達(dá)的繼續(xù)轉(zhuǎn)動中角3傳感器轉(zhuǎn)動235弧度、導(dǎo)致整條右臂抬起；而后又在馬達(dá)轉(zhuǎn)動1.3秒后、使右臂前端的鉗夾式手掌13打開，停住。
當(dāng)其再接受2號指令后，馬達(dá)轉(zhuǎn)動1.3秒后、使右臂前端的鉗夾式手掌13合攏、并停住，而后隨著馬達(dá)再次轉(zhuǎn)動，使角1傳感器轉(zhuǎn)動125弧度，促使整條右臂向內(nèi)轉(zhuǎn)動、并停?。浑S著4號指令的到達(dá)，馬達(dá)在轉(zhuǎn)動1.3秒后使右臂前端的鉗夾式手掌13打開，停住；隨后角1-角3傳感器清零。
當(dāng)馬達(dá)再次轉(zhuǎn)動，角傳感器角1反轉(zhuǎn)動25弧度，使整條右臂(右肩)向外轉(zhuǎn)，并停止；而后馬達(dá)轉(zhuǎn)動1.5秒，使右臂前端的鉗夾式手掌13合攏、并停??；最后，隨著馬達(dá)的再次啟動，在角3傳感器反向轉(zhuǎn)動235弧度后整條右臂放下、并停?。徊⒂衷诮?傳感器反向轉(zhuǎn)動250弧度后，使右臂恢復(fù)到起始狀態(tài)。
該視覺智能判斷的機(jī)器人基座的行走過程如下在接通電源進(jìn)入啟動狀態(tài)以后，首先將郵箱清零，接受1號指令后位于基座7內(nèi)左、右馬達(dá)向前轉(zhuǎn)動4秒后停止，在郵箱清零后接收5號指令，左馬達(dá)向前轉(zhuǎn)動、右馬達(dá)向后轉(zhuǎn)動循環(huán)5次后使整個機(jī)器人實(shí)現(xiàn)近180度的后轉(zhuǎn)，同時是設(shè)于頭部的攝像頭8判斷出前方的物體色彩，若物體的色彩大于機(jī)器人相應(yīng)檢測程序中設(shè)定的值，該機(jī)器人的左馬達(dá)向后轉(zhuǎn)動、右馬達(dá)向前轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動2秒后停住，若物體的色彩小于設(shè)定值則會使左馬達(dá)向前轉(zhuǎn)、右馬達(dá)向后轉(zhuǎn)，在同轉(zhuǎn)0.2秒后停?。辉撗h(huán)結(jié)束后，左、右馬達(dá)均向前轉(zhuǎn)動一定的設(shè)定時間，走到設(shè)定的物臺或構(gòu)件架旁停住；待該機(jī)器人完成做右臂的放物動作后，隨著7號指令的到達(dá)，基座下的左、右馬達(dá)均向后轉(zhuǎn)動4秒，回到機(jī)器人開始工作的起始位置又可重新進(jìn)入下一工作循環(huán)。
在實(shí)際工廠的使用中，該機(jī)器人只要將所有的LEGO構(gòu)件換成適應(yīng)工業(yè)使用的相應(yīng)結(jié)構(gòu)件、以及相適應(yīng)的各種馬達(dá)即可。
權(quán)利要求
1.一種視覺智能判斷的機(jī)器人，用樂高模塊搭建成機(jī)器人的上身主體，由視覺模塊(2)、領(lǐng)導(dǎo)模塊(4)微電腦處理器群組模塊(5)、行走模塊(3)、左、右手模塊(1)及驅(qū)動電機(jī)、攝像頭(8)、齒輪箱、蓄電池組成，其特征在于所述的頭部視覺模塊(2)由兩臺與微電腦處理模塊連接的攝像頭(8)構(gòu)成，所述的微電腦處理器群組模塊(5)包括左手控制器(51)、右手控制器(52)和基座及頭部控制器(6)，所述的左、右手模塊由肩臂(11)、腕臂(12)及鉗夾式手掌(13)構(gòu)成，所述的行走模塊(3)座落在由左、右兩驅(qū)動輪(31)和前后設(shè)置的轉(zhuǎn)向輪(32)構(gòu)成的平臺型移動基座(7)上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種視覺智能判斷的機(jī)器人，其特征在于所述的視覺模塊(2)由設(shè)于頭部模塊的兩個分辨率在100萬像素的攝像頭(8)承擔(dān)，該視覺模塊的位置變化由置于該模塊后的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行上下左右的位置調(diào)節(jié)；而頭部模塊則自帶左右可調(diào)整裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的一種視覺智能判斷的機(jī)器人，其特征在于構(gòu)成左、右手模塊(1)的肩臂(11)、腕臂(12)及鉗夾式手掌(13)通過固定于肩部的齒輪箱與肩部銜接，每一個關(guān)節(jié)之間都有角度傳感器關(guān)聯(lián)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種視覺智能判斷的機(jī)器人，其特征在于控制手部關(guān)節(jié)動作的領(lǐng)導(dǎo)模塊(4)，將原來LEGO模塊控制器的三個輸出端口進(jìn)行改進(jìn)，即將一個輸出端口變成3個，利用控制器上的原有二個輸出端口作為控制端和輸入端，控制器給控制端輸出信號正、負(fù)、零，控制器就會分別從控制器上的輸出端口A、B、C中選擇一個與輸入端進(jìn)行連接，使控制器上的輸出端就從3個變成了6個。
5.如權(quán)利要求1所述的一種視覺智能判斷的機(jī)器人，其特征在于所述的行走模塊(3)座落在基座(7)上，基座的底板上設(shè)有受行走模塊(3)操控的左、右驅(qū)動輪(31)，在前后方向上另置有一組萬向輪(32)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種視覺智能判斷的機(jī)器人，其特征在于這種視覺智能判斷的機(jī)器人，在接通電源、并在設(shè)計程序操控下的動作過程是舉手、前進(jìn)抓物、實(shí)現(xiàn)左右手交換、轉(zhuǎn)身判斷方向、轉(zhuǎn)向、前進(jìn)放下物品、后退并同時手臂還原、回到起始位進(jìn)入新一過程。
7.如權(quán)利要求1所述的一種視覺智能判斷的機(jī)器人，其特征在于它的動作是在接通電源進(jìn)入啟動狀態(tài)以后，首先將郵箱清零，接受1號指令后位于基座7內(nèi)左、右馬達(dá)向前轉(zhuǎn)動4秒后停止，在郵箱清零后接收5號指令，左馬達(dá)向前轉(zhuǎn)動、右馬達(dá)向后轉(zhuǎn)動循環(huán)5次后使整個機(jī)器人實(shí)現(xiàn)近180度的后轉(zhuǎn)，同時是設(shè)于頭部的攝像頭8判斷出前方的物體色彩，若物體的色彩大于機(jī)器人相應(yīng)檢測程序中設(shè)定的值，該機(jī)器人的左馬達(dá)向后轉(zhuǎn)動、右馬達(dá)向前轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動2秒后停住，若物體的色彩小于設(shè)定值則會使左馬達(dá)向前轉(zhuǎn)、右馬達(dá)向后轉(zhuǎn)，在同轉(zhuǎn)0.2秒后停??；該循環(huán)結(jié)束后，左、右馬達(dá)均向前轉(zhuǎn)動一定的設(shè)定時間，走到設(shè)定的物臺或構(gòu)件架旁停?。淮摍C(jī)器人完成做右臂的放物動作后，隨著7號指令的到達(dá)，基座下的左、右馬達(dá)均向后轉(zhuǎn)動4秒，回到機(jī)器人開始工作的起始位置又可重新進(jìn)入下一工作循環(huán)。
全文摘要
一種能實(shí)現(xiàn)視覺智能判斷的機(jī)器人，用樂高模塊搭建成機(jī)器人的上身主體，由視覺模塊、領(lǐng)導(dǎo)模塊微電腦處理器群組模塊、行走模塊、左、右手模塊及驅(qū)動電機(jī)、蓄電池等組成，其特征在于所述的頭部視覺模塊由兩臺與微電腦處理模塊連接的攝像頭構(gòu)成，所述的微電腦處理器群組模塊包括左手控制器、右手控制器和基座及頭部控制器，所述的左、右手模塊由肩臂、腕臂及鉗夾式手掌構(gòu)成，所述的行走模塊座落在由左右兩驅(qū)動輪和前后設(shè)置的轉(zhuǎn)向輪構(gòu)成的移動機(jī)構(gòu)上。這種視覺智能判斷的機(jī)器人，可以代替在環(huán)境比較差的工廠車間內(nèi)進(jìn)行重復(fù)簡單勞動工人的全部操作，既可以減輕工人的勞動強(qiáng)度，又可消除環(huán)境污染對員工健康的傷害。
文檔編號B25J5/00GK101045293SQ20061015940
公開日2007年10月3日 申請日期2006年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月28日
發(fā)明者鄧飛, 黃偉, 高俊 申請人:上海市七寶中學(xué)