本實用新型涉及機器人的
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是指一種用于人機交互的仿人機器人視覺系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：仿人機器人又稱“人形機器人”、“擬人機器人”，是狹義上或真正字面意思上的“機器人”，它也是當代研究十分活躍，應用越來越廣泛的一類機器人。科學研究表明，人類從外部世界獲得的所有信息中，有約80％～90％來自于人類的視覺系統(tǒng)。同樣，對于一個期望達到更高智能化的仿人機器人，也需要充分利用其視覺系統(tǒng)來獲取足夠多的信息，以便為其在決策時提供足夠充足的證據(jù)，得到更精確的結(jié)果。因此，視覺系統(tǒng)是仿人機器人極其重要的組成部分。1993年，美國麻省理工學院人工智能實驗室機器人專家CynthiaBreazeal領(lǐng)導研制了一個名為Kismet的仿人機器人頭部，Kismet具有視覺和聽覺功能。它是從嬰兒和看護者之間的交流方式中獲得啟發(fā)而開發(fā)出的嬰兒機器人。Kismet頭部的每個眼睛都裝有一個5.5mm的CCD彩色攝像機，以及8個50MHz的DSPTMS321C40組成的并行網(wǎng)絡進行圖像處理，以及2個基于Motorola68332微控制器組成的動機裝置。目前，美國麻省理工學院正在研制另一個命名為Cog的仿人機器人，其視覺系統(tǒng)模擬裝置是雙眼結(jié)構(gòu)，其眼睛能圍繞水平和垂直方向軸轉(zhuǎn)動，每個眼睛由2個攝像機組成，一個負責外圍視野的廣角鏡頭，另一個負責景物中心的窄角鏡頭。Cog的視覺系統(tǒng)設計大部分和Kismet一樣。德國卡爾斯魯厄大學于2006年首次展現(xiàn)了仿人機器人ARMARIII，它與Cog一樣，每個眼睛也都有2個攝像機，分別是廣角和窄角，這樣可以對視野內(nèi)區(qū)域進行掃視和對焦點區(qū)域進行注視，可以更方便地完成更復雜的功能，如手眼協(xié)調(diào)。我國從20世紀80年代中期才開始研究仿人機器人。北京理工大學于2002 年12月研發(fā)出了仿人機器人BHR-1，此后又在此基礎上了“匯童”機器人。BHR-1頭部的視覺系統(tǒng)有2個自由度，每個眼睛都有一個CCD攝像機。BHR-1采用的立體視覺解決方案來自于美國SRI人工智能中心所研發(fā)的一套立體視覺系統(tǒng)SVS(SmallVisionSystem)。清華大學于2000年初開始研制THBIP-I仿人機器人，它的頭部采用2個自由度，可實現(xiàn)頭部的前后運動和旋轉(zhuǎn)，以使安裝在仿人機器人頭部的攝像機能具有更大的視覺范圍。視覺系統(tǒng)的2個數(shù)字攝像機通過USB口和筆記本電腦連接，視覺圖像處理由筆記本電腦完成，通過對被抓物體的識別，實現(xiàn)手對物體的穩(wěn)定抓取作業(yè)。上海交通大學于1999年研制了仿人機器人SFHR，其視覺部分配備了富士通公司的主動視覺系統(tǒng)。此外哈爾濱工業(yè)大學等也對仿人機器人的視覺系統(tǒng)做了大量的研究，并且取得了一定的進展。綜上所述，二十多年來，隨著對仿人機器人的視覺系統(tǒng)設計和實現(xiàn)等研究的不斷深入，無論是在國外還是國內(nèi)都獲得了很大的進展和明顯的效果。仿人機器人的視覺系統(tǒng)聯(lián)系著外部世界和自身知識獲取、自身狀態(tài)決策規(guī)劃，具有非常重大的意義。然而要使仿人機器人的視覺系統(tǒng)功能達到與人的視覺系統(tǒng)接近，是一個極富挑戰(zhàn)，同時也是一個應用非常廣泛的課題。技術(shù)實現(xiàn)要素：本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于人機交互的仿人機器人視覺系統(tǒng)，是仿人機器人認識周圍環(huán)境、并與人無障礙交流的感知系統(tǒng)，它能夠給人以親切感，消除人與仿人機器人交互時的心理障礙，并有助于提高雙方的社交能力。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所提供的技術(shù)方案為：一種用于人機交互的仿人機器人視覺系統(tǒng)，包括機構(gòu)子系統(tǒng)、傳動子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)；所述機構(gòu)子系統(tǒng)包括從上往下排序的眼睛支架、頸部支架、頭部支架，并具有2個自由度，由傳動子系統(tǒng)的2個舵機驅(qū)動往上下和左右2個方向運動，其中，該眼睛 支架上設有兩個并排的圓形孔，用于安裝2臺CCD攝像機，即一臺CCD攝像機裝于一個圓形孔中，該頭部支架的尺寸長度與成年人的頭部高度一致，該頸部支架長度為65mm，2臺CCD攝像機的內(nèi)軸距離為68mm，接近成年人眼睛的眼內(nèi)軸距離60～65mm；所述傳動子系統(tǒng)采用2個舵機作為驅(qū)動源，其中一個舵機控制機構(gòu)子系統(tǒng)的頸部支架左右方向轉(zhuǎn)動，另一個舵機控制機構(gòu)子系統(tǒng)的頭部支架上下方向轉(zhuǎn)動，舵機的控制信號是周期為20ms的脈寬調(diào)制信號，其中脈沖寬度從0.5ms～2.5ms，相對應舵盤的旋轉(zhuǎn)位置為0～180°；所述控制子系統(tǒng)為一臺內(nèi)置I/O板的PC機，用于控制傳動子系統(tǒng)的2個舵機的位置和速度，以實現(xiàn)視覺系統(tǒng)的掃視、注視、搜索功能。所述舵機為直流步進電機。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果：1、所述機構(gòu)子系統(tǒng)外形與人的頭部相似，眼睛支架和頭部支架及頸部支架的運動形式和運動范圍符合人的生理特點，給人以親切感，從而減少交流時人的心理障礙。并且充分考慮尺寸因素，整體尺寸要留有合適的空間，以便安裝各種傳感器、驅(qū)動部件、傳動機構(gòu)、控制接口等。所述機構(gòu)子系統(tǒng)具有動作協(xié)調(diào)、平穩(wěn)、精確、速度可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡單、模塊化設計，具有可擴展性。2、所述傳動子系統(tǒng)所采用的2個舵機尺寸適中，它能在滿足動力要求的條件下，獲得很好的設計尺寸。另一方面，舵機本身是直流步進電機，傳動穩(wěn)定，可控制范圍在0～180°之間，完全符合所述視覺系統(tǒng)關(guān)節(jié)的角度范圍要求，并且控制步距角在3°左右，控制精度較為適當。3、所述控制子系統(tǒng)其實是一個專門用于控制的個人PC機及內(nèi)置I/O板。它通過接收人類或其它系統(tǒng)的命令來控制和協(xié)調(diào)2個舵機的運動位置和運動速度，從而使所述視覺系統(tǒng)完成掃視、注視、搜索等動作。所述控制子系統(tǒng)主要 實現(xiàn)以下功能：①人機交互功能，能從鍵盤等接口接受控制命令，實現(xiàn)對所述視覺系統(tǒng)動作的控制，該功能對于測試所述視覺系統(tǒng)動作和性能有重要的意義。②運動規(guī)劃功能：能從運動學角度對所述視覺系統(tǒng)動作進行相應分解，控制舵機達到相應的運動效果。③舵機驅(qū)動控制功能：控制舵機在規(guī)定的相應時間和誤差范圍內(nèi)到達規(guī)定的轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)舵機的伺服運動。附圖說明圖1為機構(gòu)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2為機構(gòu)子系統(tǒng)運動模型圖。圖3為控制子系統(tǒng)架構(gòu)圖。圖4為硬件系統(tǒng)驅(qū)動電路原理圖。具體實施方式下面結(jié)合具體實施例對本實用新型作進一步說明。本實施例所述的用于人機交互的仿人機器人視覺系統(tǒng)，包括機構(gòu)子系統(tǒng)、傳動子系統(tǒng)(圖中未畫出)、控制子系統(tǒng)。所述機構(gòu)子系統(tǒng)在設計上只使用2個自由度，這樣既能在視覺上覆蓋到人眼所能觀察到的范圍，在控制上又比較簡單?？紤]到視覺系統(tǒng)的2個攝像機尺寸和仿人機器人身體的尺寸，對機構(gòu)子系統(tǒng)設計如圖1所示。所述機構(gòu)子系統(tǒng)由三個部分組成，從上到下依次是眼睛支架101、頸部支架102、頭部支架103。機構(gòu)子系統(tǒng)可以容納下傳動子系統(tǒng)的2個舵機，該2個舵機分別負責驅(qū)動機構(gòu)子系統(tǒng)往上下和左右方向的運動，運動模型如圖2所示。其中，該眼睛支架101上設有兩個并排的圓形孔101-1、101-2，兩個圓形孔是考慮到2個CCD攝像機大小，用于固定攝像機在其中，使得視覺系統(tǒng)在運動時不至于使攝像機在支架上產(chǎn)生抖動。頸部支架102上設有頸部舵機插入孔102-1，頭部支架103上設有 頭部舵機插入孔103-1。視覺系統(tǒng)的三維尺寸設計如表1所示，頸部長度為約65mm，2臺攝像機的內(nèi)軸距離為68mm左右(裝上攝像機后的距離)，接近成年人眼睛的眼內(nèi)軸距離60～65mm。表1中的所述視覺系統(tǒng)尺寸比成年人頭的尺寸稍小，以便給其他傳感器的安裝留下足夠的空間。表1項目長度寬度深度尺寸(mm)12012080所述傳動子系統(tǒng)采用2個舵機(具體為直流步進電機)作為驅(qū)動源，其中一個舵機控制機構(gòu)子系統(tǒng)的頸部支架102左右方向轉(zhuǎn)動，安裝于上述頸部舵機插入孔102-1，另一個舵機控制機構(gòu)子系統(tǒng)的頭部支架103上下方向轉(zhuǎn)動，安裝于上述頭部舵機插入孔103-1。該傳動子系統(tǒng)的設計具體如下：①舵機控制參數(shù)。舵機的控制信號是周期為20ms的脈寬調(diào)制(PWM)信號，其中脈沖寬度從0.5ms～2.5ms，相對應舵盤的旋轉(zhuǎn)位置為0～180°，呈線性變化。也即給定舵機提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供另外一個寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應位置上。舵機內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期20ms，寬度1.5ms的基準信號；舵機內(nèi)部還有一個比較器，將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生舵機的轉(zhuǎn)動信號。由此可見，舵機是一種位置伺服驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動范圍不超過180°，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動等應用。舵機選取在動力學上要考慮其所負載的重量大小，所述視覺系統(tǒng)采用的2個攝像機是TeliCCD攝像機，重量分別是300g，機構(gòu)子系統(tǒng)所用材料是鋁合金。實現(xiàn)時，所述視覺系統(tǒng)的2個舵機分別采用HitecHS-85MG和輝盛Servo9805BB。其中HitecHS-85MG控制左右方向轉(zhuǎn)動，輝盛Servo9805BB控制上下方向轉(zhuǎn)動。這兩種舵機均沒有反饋信號，只是通過時間來驅(qū)動 點擊的驅(qū)動角度。兩種驅(qū)動舵機的具體參數(shù)如下表2所示。表2②舵機控制信號。所述視覺系統(tǒng)的2個舵機轉(zhuǎn)動角度是根據(jù)成年人的頭部在左右方向和上下方向的轉(zhuǎn)動范圍所確定。本專利所參考的人類視覺系統(tǒng)每個眼睛轉(zhuǎn)動范圍和掃視速度等如下表3所示。所述視覺系統(tǒng)轉(zhuǎn)動范圍和掃視速度等參數(shù)也是參照下表3所給的信息來設計的。表3所述控制子系統(tǒng)為一臺內(nèi)置I/O板的PC機，用于控制傳動子系統(tǒng)的2個舵機的位置和速度，以實現(xiàn)視覺系統(tǒng)的掃視、注視、搜索等功能。對于舵機的控制模型，主要是依據(jù)舵機的脈沖控制范圍，以及關(guān)節(jié)角度限制來確定，根據(jù)舵機可以控制的精度，得出每個基本脈沖的角度，由需要的角度相對于現(xiàn)有角度的基礎變化值，從而獲得需要發(fā)出的脈沖個數(shù)。所述控制子系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。具體來說，所述控制子系統(tǒng)的硬件主要由以下部分構(gòu)成：①I/O板，作為視覺系統(tǒng)的控制信息輸出，采用RBH系列I/O板作為系統(tǒng)輸出，它具有32路IO輸入，非光隔，TTL電平方式；32路IO驅(qū)動輸出，非光隔，可直接驅(qū)動5V的 線圈繼電器；12路脈沖計數(shù)，非光隔，實現(xiàn)方式為4片8253。②驅(qū)動電路板，硬件系統(tǒng)的驅(qū)動電路采用功放功能，具體的工作原理如圖4所示。以上所述之實施例子只為本實用新型之較佳實施例，并非以此限制本實用新型的實施范圍，故凡依本實用新型之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本實用新型的保護范圍內(nèi)。當前第1頁1 2 3