專利名稱：一種仿人機器人控制系統(tǒng)及機器人操縱方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于視覺和無線技術(shù)的仿人機器 人控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
仿人機器人能夠代替人類完成各種作業(yè)，并在很多方面可以擴展人類的能 力，在服務(wù)、醫(yī)療、教育、娛樂等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2000年本田公司推 出的機器人ASIMO具有視覺和聽覺的功能，能進行簡單的人機交互，能平穩(wěn)地 行走和轉(zhuǎn)彎、上下樓梯、在斜坡上行走、調(diào)整行走步調(diào)和步幅、改變行走速度、 操作燈光開關(guān)和門把，甚至跳舞。
仿人機器人問題的研究涉及運動控制、環(huán)境感知、任務(wù)規(guī)劃等，所有感知信 息獲取和控制信息執(zhí)行都必須在機器人本體實現(xiàn)，大型的運算量要求機器人的主 控芯片具有高速運算特性，在現(xiàn)有的仿人機器人中，DSP、 ARM、 PC104等嵌入 式方案各有應(yīng)用，其中DSP以其優(yōu)異的浮點運算性能使機器人能實時處理視覺 等傳感器信息，應(yīng)用前景廣泛。然而在機器人開發(fā)過程中，DSP程序的修改調(diào)試 操作極為頻繁。[)SP本身提供拖線仿真調(diào)試模式，但由于仿真不穩(wěn)定的缺陷和機 器人的運動范圍廣的特性，拖線仿真調(diào)試無法滿足機器人開發(fā)需求；而直接對 DSP內(nèi)的程序進行擦除燒寫，操作復(fù)雜并耗時嚴(yán)重，限制了DSP在機器人上的 應(yīng)用推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種操控調(diào)試方便的基于視覺和無線技 術(shù)的仿人機器人控制系統(tǒng)。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案它包括本地設(shè)備和 遠程設(shè)備；
所述本地設(shè)備包括以下幾個組成部分1) .視覺感知模塊，該模塊包括一個模擬視頻攝像頭、 一個DSP視頻采集單 元，所述DSP視頻采集單元完成視覺感知模塊的信號采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，
以未壓縮或壓縮圖像格式存儲；
2) .本地控制模塊該模塊包括一個DSP運算單元，所述DSP運算單元對 圖像進行處理計算，規(guī)劃仿人機器人控制信息；
3) .網(wǎng)絡(luò)模塊該模塊包括一個DSP網(wǎng)絡(luò)單元和一個無線模塊，所述DSP
網(wǎng)絡(luò)單元通過無線模塊與遠程設(shè)備連接，實現(xiàn)遠程設(shè)備與仿人機器人間的信息通
訊；
4) .電機控制模塊，該模塊包括一個DSP串口單元和一塊單片機電機驅(qū)動單 元，所述DSP串口單元發(fā)送控制指令至單片機電機驅(qū)動單元，驅(qū)動仿人機器人 動作執(zhí)行；
所述遠程設(shè)備包括以下幾個組成部分
5) .遠程遙控模塊，該模塊包括一個無線遙控單元，所述無線遙控單元通過 無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制指令，遙控仿人機器人運動；
6) .遠程調(diào)試模塊，該模塊包括一臺遠程計算機單元，所述遠程計算機單元 連接無線網(wǎng)絡(luò)，所述遠程計算機單元中設(shè)有以寫有軟件的固件或可裝載軟件的形 式駐留在遠程計算機單元中的圖像處理模塊和仿人機器人控制規(guī)劃模塊，圖像和 仿人機器人控制信息傳送模塊。
本發(fā)明另一個所要解決的技術(shù)問題是提供一種上述仿人機器人控制系統(tǒng)的 機器人操縱方法。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案它包括本地控制模式、遠程
遙控模式、遠程調(diào)試控制模式。
本地控制模式由視覺感知模塊、本地控制模塊和電機控制模塊組成，所有模
塊均裝載于機器人本體；控制模式包括以下步驟
1) .開啟機器人；
2) .視覺感知模塊采集圖像，圖像數(shù)據(jù)貯留于內(nèi)存中；
3) .本地控制模塊讀取圖像數(shù)據(jù)，對圖像進行處理計算，規(guī)劃仿人機器人控 制信息，并發(fā)送控制指令到電機控制模塊；
4) .電機控制模塊將收么的控制指令解析，驅(qū)動仿人機器人動作執(zhí)行；
5).重復(fù)步驟2~4，實現(xiàn)仿人機器人全自主運動控制。
遠程遙控模式由網(wǎng)絡(luò)模塊、電機控制模塊和遠程遙控模塊組成，網(wǎng)絡(luò)模塊和 電機控制模塊裝載于機器人本體，遠程遙控模塊裝載于無線遙控工具中；控制模 式包括以下步驟
1) .開啟機器人；
2) .網(wǎng)絡(luò)模塊組建無線網(wǎng)絡(luò)；
3) .遠程遙控模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)將控制指令傳送到電機控制模塊；
4) .電機控制模塊將收么的控制指令解析，驅(qū)動仿人機器人動作執(zhí)行；
5) .重復(fù)步驟3~4，實現(xiàn)遙控仿人機器人運動控制。
遠程調(diào)試控制模式由視覺感知模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、電機控制模塊和遠程調(diào)試模 塊組成，視覺感知模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊和電機控制模塊裝載于機器人本體，遠程調(diào)試
模塊裝載于遠程計算機中；控制模式包括以下步驟
1) .開啟機器人；
2) .網(wǎng)絡(luò)模塊組建無線網(wǎng)絡(luò)；
3) .視覺感知模塊采集圖像，圖像數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到遠程調(diào)試模塊；
4) .遠程調(diào)試模塊對圖像進行處理計算，規(guī)劃仿人機器人控制信息，并通過 無線網(wǎng)絡(luò)傳送控制指令到電機控制模塊；
5) .電機控制模塊將收么的控制指令解析，驅(qū)動仿人機器人動作執(zhí)行；
6) .重復(fù)步驟3~5，實現(xiàn)遠程調(diào)試仿人機器人運動控制。
由于采用本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明中的基于無線技術(shù)的機器人控制系統(tǒng)克 服了背景技術(shù)中的缺陷，同時發(fā)揮了 DSP高性能運算的特性，本發(fā)明采用視覺 反饋和無線傳輸技術(shù)，具備自主實時任務(wù)規(guī)劃執(zhí)行和在線優(yōu)化識別與控制算法的 能力。系統(tǒng)構(gòu)架中，在物理上分離的智能控制模組和感知及行為執(zhí)行模組的特點 使其能夠?qū)崟r完成高層控制，具有計算效率高、調(diào)試方便等特點。應(yīng)用本發(fā)明中 的機器人控制系統(tǒng)能夠方便地進行機器人視覺信息處理、機器人智能任務(wù)處理、 機器人控制、多機器人信息交互、多機器人全局信息融合等機器人研究開發(fā)任務(wù)， 提高研究開發(fā)效率。


圖1為本發(fā)明所提供的仿人機器人控制系統(tǒng)的系統(tǒng)組成框圖。 圖2為本發(fā)明所提供的仿人機器人控制系統(tǒng)的機器人操縱方法中本地控制 模式、遠程遙控模式、遠程調(diào)試控制模式的控制流程圖。
圖3為本發(fā)明所提供的仿人機器人控制系統(tǒng)實現(xiàn)三種操控模式的分解組成框圖。
圖4為本發(fā)明所提供的仿人機器人控制系統(tǒng)的系統(tǒng)功能模組組成框圖。
具體實施例方式
參照附圖l。本發(fā)明包括本地設(shè)備和遠程設(shè)備，其中線框A內(nèi)為本地設(shè)備， 線框B內(nèi)為遠程設(shè)備。
所述本地設(shè)備包括以下幾個組成部分
1) .視覺感知模塊，該模塊包括一個模擬視頻攝像頭、 一個DSP視頻采集單 元，所述DSP視頻采集單元完成視覺感知模塊的信號采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， 以未壓縮或壓縮圖像格式存儲；
2) .本地控制模塊該模塊包括一個DSP運算單元，所述DSP運算單元對 圖像進行處理計算，規(guī)劃仿人機器人控制信息；
3) .網(wǎng)絡(luò)模塊該模塊包括一個DSP網(wǎng)絡(luò)單元和一個無線模塊，所述DSP 網(wǎng)絡(luò)單元通過無線模塊與遠程設(shè)備連接，實現(xiàn)遠程設(shè)備與仿人機器人間的信息通 訊；
4) .電機控制模塊，該模塊包括一個DSP串口單元和一塊單片機電機驅(qū)動單 元，所述DSP串口單元發(fā)送控制指令至單片機電機驅(qū)動單元，驅(qū)動仿人機器人 動作執(zhí)行；
所述遠程設(shè)備包括以下幾個組成部分
5) .遠程遙控模塊，該模塊包括一個無線遙控單元，所述無線遙控單元通過 無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制指令，遙控仿人機器人運動；
6) .遠程調(diào)試模塊，該模塊包括一臺遠程計算機單元，所述遠程計算機單元 連接無線網(wǎng)絡(luò)，所述遠程計算機單元中設(shè)有以寫有軟件的固件或可裝載軟件的形
式駐留在遠程計算機單元中的圖像處理模塊和仿人機器人控制規(guī)劃模塊，圖像和 仿人機器人控制信息傳送模塊。
硬件上包括一塊DSP電路板、 一個模擬攝像頭、 一塊無線模塊、 一個無線 遙控工具和一臺普通計算機，其中DSP電路板、模擬攝像頭、無線模塊安裝于 機器人本體，DSP電路板與攝像頭通過模擬視頻信號線相連，DSP電路板與無 線模塊通過RJ-45接口網(wǎng)線相連；DSP視頻采集單元、DSP運算單元、DSP網(wǎng) 絡(luò)單元、DSP串口單元和單片機電機驅(qū)動單元以可裝載軟件的形式駐留在DSP 電路板中，遠程遙控模塊以可裝載軟件的形式駐留在無線遙控工具中，遠程調(diào)試 模塊以可裝載軟件的形式駐留在普通計算機中。
參照附圖4。視覺感知模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊和電機控制模塊組成感知及行為執(zhí)行 模組F，本地控制模塊、遠程遙控模塊和遠程調(diào)試模塊組成智能控制模組G，在 物理上實現(xiàn)底層機械電路執(zhí)行與高層算法控制的分離。
本發(fā)明所提供的上述系統(tǒng)根據(jù)運行模式又可分為由能夠運行于機器人本體 的本地控制平臺、運行于遠程遙控單元的遠程遙控平臺和運行于遠程計算機的遠 程調(diào)試控制平臺構(gòu)成的三平臺機器人開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，可實現(xiàn)本地控制模式、遠程 遙控模式、遠程調(diào)試控制模式等三種模式進行操控仿人機器人。從而實現(xiàn)系統(tǒng)的 優(yōu)化和有機組成。參照圖3，其中，線框C內(nèi)為上述本地控制平臺，線框D為 遠程遙控平臺，線框E內(nèi)為遠程調(diào)試控制平臺
參照圖3，在平臺組成上，本地控制平臺、遠程遙控平臺和遠程監(jiān)控平臺共 用感知及行為執(zhí)行模組，本地控制平臺采用智能控制模組中的本地控制模塊實現(xiàn) 本地應(yīng)用控制模式，遠程遙控平臺采用智能控制模組中的遠程遙控模塊實現(xiàn)遠程 遙控模式，遠程調(diào)試控制平臺采用智能控制模組中的遠程監(jiān)控模塊實現(xiàn)遠程開發(fā) 控制模式，三種模式通過機器人本體上的開關(guān)來控制切換，如圖3所示；本地控 制平臺采用DSP本地應(yīng)用控制模式視覺感知模塊獲取圖像，由本地控制模塊 進行處理規(guī)劃后發(fā)送控制信息給電機控制模塊，由電機控制模塊驅(qū)動機器人執(zhí)行
動作，最終實現(xiàn)機器人智能完成任務(wù)；遠程遙控平臺采用遠程遙控模式由人工 控制遠程遙控模塊得到控制指令后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送控制信息返回機器人本體， 由電機控制模塊驅(qū)動機器人執(zhí)行動作；遠程調(diào)試控制平臺釆用DSP遠程開發(fā)控 制模式視覺感知模塊獲取圖像，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送圖像到遠程計算機，由遠程 計算機進行處理規(guī)劃后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送控制信息返回機器人本體，由電機控制 模塊驅(qū)動機器人執(zhí)行動作，最終實現(xiàn)機器人智能完成任務(wù)。
參照附圖2。所述本地控制模式包括以下步驟
1) .開啟機器人；
2) .視覺感知模塊采集圖像，圖像數(shù)據(jù)貯留于內(nèi)存中；
3) .本地控制模塊讀取圖像數(shù)據(jù)，對圖像進行處理計算，規(guī)劃仿人機器人控 制信息，并發(fā)送控制指令到電機控制模塊；
4) .電機控制模塊將收么的控制指令解析，驅(qū)動仿人機器人動作執(zhí)行；
5) .重復(fù)步驟2~4，實現(xiàn)仿人機器人全自主運動控制。 所述遠程遙控模式包括以下步驟
1) .開啟機器人；
2) .網(wǎng)絡(luò)模塊組建無線網(wǎng)絡(luò)；
3) .遠程遙控模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)將控制指令傳送到電機控制模塊；
4) .電機控制模塊將收么的控制指令解析，驅(qū)動仿人機器人動作執(zhí)行；
5) .重復(fù)步驟3 4,實現(xiàn)遙控仿人機器人運動控制。
所述遠程調(diào)試控制模式包括以下步驟
1) .開啟機器人；
2) .網(wǎng)絡(luò)模塊組建無線網(wǎng)絡(luò)；
3) .視覺感知模塊采集圖像，圖像數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到遠程調(diào)試模塊；
4) .遠程調(diào)試模塊對圖像進行處理計算，規(guī)劃仿人機器人控制信息，并通過 無線網(wǎng)絡(luò)傳送控制指令到電機控制模塊；
5) .電機控制模塊將收么的控制指令解析，驅(qū)動仿人機器人動作執(zhí)行；
6) .重復(fù)歩驟3~5，實現(xiàn)遠程調(diào)試仿人機器人運動控制。
權(quán)利要求
1.一種基于視覺和無線技術(shù)的仿人機器人控制系統(tǒng)，其特征在于它包括本地設(shè)備和遠程設(shè)備；所述本地設(shè)備包括以下幾個組成部分1). 視覺感知模塊，該模塊包括一個模擬視頻攝像頭、一個DSP視頻采集單元，所述DSP視頻采集單元完成視覺感知模塊的信號采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以未壓縮或壓縮圖像格式存儲；2). 本地控制模塊該模塊包括一個DSP運算單元，所述DSP運算單元對圖像進行處理計算，規(guī)劃仿人機器人控制信息；3). 網(wǎng)絡(luò)模塊該模塊包括一個DSP網(wǎng)絡(luò)單元和一個無線模塊，所述DSP網(wǎng)絡(luò)單元通過無線模塊與遠程設(shè)備連接，實現(xiàn)遠程設(shè)備與仿人機器人間的信息通訊；4). 電機控制模塊，該模塊包括一個DSP串口單元和一塊單片機電機驅(qū)動單元，所述DSP串口單元發(fā)送控制指令至單片機電機驅(qū)動單元，驅(qū)動仿人機器人動作執(zhí)行；所述遠程設(shè)備包括以下幾個組成部分5). 遠程遙控模塊，該模塊包括一個無線遙控單元，所述無線遙控單元通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制指令，遙控仿人機器人運動；6). 遠程調(diào)試模塊，該模塊包括一臺遠程計算機單元，所述遠程計算機單元連接無線網(wǎng)絡(luò)，所述遠程計算機單元中設(shè)有以寫有軟件的固件或可裝載軟件的形式駐留在遠程計算機單元中的圖像處理模塊和仿人機器人控制規(guī)劃模塊、圖像和仿人機器人控制信息傳送模塊。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于視覺和無線技術(shù)的仿人機器人控制系統(tǒng)， 其特征在于硬件上包括一塊DSP電路板、 一個模擬攝像頭、 一塊無線模塊、一 個無線遙控工具和一臺普通計算機，其中DSP電路板、模擬攝像頭、無線模塊 安裝于機器人本體，DSP電路板與攝像頭通過模擬視頻信號線相連，DSP電路 板與無線模塊通過RJ-45接口網(wǎng)線相連；DSP視頻采集單元、DSP運算單元、 DSP網(wǎng)絡(luò)單元、DSP串口單元和單片機電機驅(qū)動單元以可裝載軟件的形式駐留 在DSP電路板中，遠程遙控模塊以可裝載軟件的形式駐留在無線遙控工具中， 遠程調(diào)試模塊以可裝載軟件的形式駐留在普通計算機中。
3. —種基于視覺和無線技術(shù)的仿人機器人控制系統(tǒng)的機器人操縱方法，其 特征在于它包括本地控制模式、遠程遙控模式、遠程調(diào)試控制模式。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種基于視覺和無線技術(shù)的仿人機器人控制系統(tǒng)的 機器人操縱方法，其特征在于所述本地控制模式包括以下步驟1) .開啟機器人；2) .視覺感知模塊采集圖像，圖像數(shù)據(jù)貯留于內(nèi)存中；3) .本地控制模塊讀取圖像數(shù)據(jù)，對圖像進行處理計算，規(guī)劃仿人機器人控 制信息，并發(fā)送控制指令到電機控制模塊；4) .電機控制模塊將收么的控制指令解析，驅(qū)動仿人機器人動作執(zhí)行；5) .重復(fù)步驟2~4，實現(xiàn)仿人機器人全自主運動控制。
5. 如權(quán)利要求3所述的一種基于視覺和無線技術(shù)的仿人機器人控制系統(tǒng)的機器人操縱方法，其特征在于所述遠程遙控模式包括以下步驟1) .開啟機器人；2) .網(wǎng)絡(luò)模塊組建無線網(wǎng)絡(luò)；3) .遠程遙控模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)將控制指令傳送到電機控制模塊；4) .電機控制模塊將收么的控制指令解析，驅(qū)動仿人機器人動作執(zhí)行；5) .重復(fù)步驟3 4，實現(xiàn)遙控仿人機器人運動控制。
6. 如權(quán)利要求3所述的一種基于視覺和無線技術(shù)的仿人機器人控制系統(tǒng)的機器人操縱方法，其特征在于所述遠程調(diào)試控制模式包括以下步驟1) .開啟機器人；2) .網(wǎng)絡(luò)模塊組建無線網(wǎng)絡(luò)；3) .視覺感知模塊采集圖像，圖像數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到遠程調(diào)試模塊；4) .遠程調(diào)試模塊對圖像進行處理計算，規(guī)劃仿人機器人控制信息，并通過 無線網(wǎng)絡(luò)傳送控制指令到電機控制模塊；5) .電機控制模塊將收么的控制指令解析，驅(qū)動仿人機器人動作執(zhí)行；6) .重復(fù)步驟3~5，實現(xiàn)遠程調(diào)試仿人機器人運動控制。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于視覺和無線技術(shù)的仿人機器人控制系統(tǒng)。它包括本地設(shè)備和遠程設(shè)備，本地設(shè)備包括視覺感知模塊、本地控制模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、電機控制模塊，所述遠程設(shè)備包括遠程遙控模塊和遠程調(diào)試模塊。本發(fā)明還提供了一種上述仿人機器人控制系統(tǒng)的機器人操縱方法。它包括本地控制模式、遠程遙控模式、遠程調(diào)試控制模式。本發(fā)明發(fā)揮了DSP高性能運算的特性，采用視覺反饋和無線傳輸技術(shù)，具備自主實時任務(wù)規(guī)劃執(zhí)行和在線優(yōu)化識別與控制算法的能力。系統(tǒng)構(gòu)架中，在物理上分離的智能控制模組和感知及行為執(zhí)行模組的特點使其能夠?qū)崟r完成高層控制，具有計算效率高、調(diào)試方便等特點。能夠方便地進行機器人研究開發(fā)任務(wù)，提高研究開發(fā)效率。
文檔編號G05B19/414GK101373380SQ200810063150
公開日2009年2月25日 申請日期2008年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月14日
發(fā)明者勇 劉, 朱曉恩, 杜鑫峰, 卿 湯, 蓉 熊, 陶熠焜 申請人:浙江大學(xué)