专利名称：仿人机器人头部系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种仿人机器人头部系统，包括六自由度的串联型机构本体，以DSP F2812为主控节点的可扩展处理器网络。可作为人机交互的研究平台。
背景技术：
机器人作为延伸人类体力和脑力劳动的一种有效工具，在人们的日常生活中有着广泛的应用前景，如家庭、娱乐和健康医护等领域。机器人能否很好地融入人类社会，与人朝夕相处，不仅需要机器人具有与人相似的外观，而且还要具有与人相似的行为。与工业生产线上的机器人相比，仿人机器人作为一种有着与人酷似的外形、较为相似的动作行为的机器人，更容易作为一种有生命、有智能的机器为人类所接受，能够更好地与人交流，走进人类的生活，提高人们的生活质量。仿人机器人所处的环境与工业机器人不同，是非结构的、充满了各种不可知的因素。仿人机器人也不是为了完成某种特定的任务设计出来，所以良好的交互性、协作性和学习能力是仿人机器人所必需具备的。仿人机器人头部系统是整个仿人机器人系统的一个重要组成部分，是仿人机器人智能最重要的来源，而具有与用户自然交互的能力是仿人机器人能够融入人类社会的关键。所以把仿人机器人头部作为一个独立的系统单独抽取出来进行研究设计尤显重要。
目前，一些具有高速跟踪能力的仿人机器人头部机构之间的链接都是并联型，驱动装置采用的都是昂贵的Maxon电机，但是通过研究发现，作为一个研究自然人机交互的平台，机器人与用户交互时，不需要具有特别高速的运动跟踪能力，这种非常快速的运动能力反而会降低人机交互过程中的自然性，并且并联型机构所带来的问题是机械部分所占的空间比较庞大，而在同样的工作空间下，串联机构的尺寸比并联机构小。Maxon电机虽然具有较高的转速，但是需要配套的传动装置和相应的外围电路，造成较多的导线缠绕，并且电机的位置控制算法复杂，而普通的舵机完全能够满足人机交互过程中的跟踪控制要求，并且结构紧凑，控制简单，没有很多的导线联接，很适宜在空间有限的机器人头部使用。另外目前的机器人头部系统中，图像信息处理和运动控制由同一个计算机完成，所带来的问题是计算资源有限，难以胜任人机交互过程中大量的计算需求。
经文献检索发现，中国专利申请号03280106，名称机器人头部，该专利系统由两台通过无线局域网连接的计算机实现图像和语音信息处理。但该系统的图像信息处理和运动控制在同一个计算机上，仅能实现简单的视觉跟踪功能，难以满足人机交互过程中的实时计算需求；而且，该系统计算机处理单元不具有可扩展性，不能提供大量的计算资源来完成复杂的人机交互任务。
发明内容
本发明的目的在于克服现有机器人头部系统体积庞大，成本高的不足，设计提供一种结构紧凑，能够作为自然人机交互研究平台的通用的仿人机器人头部系统，具有六自由度的串联型机构本体和具有可扩展计算节点的处理器网络，能够满足人机交互过程中的运动控制和计算需求。
本发明是通过以下技术方案实现的。本发明包括六自由度的串联型机构本体，以DSP F2812为主控节点的可扩展处理器网络。机器人获得的外界环境信息，送到两个微型计算机，即视频处理器和语音处理器，处理之后的结果经过接口模块送给主控制器DSP F2812，主控制器根据感知到的外界信息，做出运动规划，同步发出PWM(脉宽调制)脉冲控制六个关节的电机运动。其中在主控制器DSP F2812电路板上增加了外扩RAM模块和CAN总线模块，外扩RAM模块保证了主控节点DSP F2812能够运行较长的程序代码，完成大量的、复杂的运动协调算法，CAN总线模块使得可以增加计算节点以满足大量的信息处理要求。另外，把运动规划和电机控制从视频处理器或语音处理器中分离出来，由功能强大的主控制器DSP F2812来完成，留出了较多的计算资源供视频处理或语音处理使用。
所述具有六自由度的串联型机构本体采用轻质铝合金，由包括颈部倾斜驱动部分、颈部偏航驱动部分、下巴倾斜驱动部分、双眼公共倾斜驱动部分、左眼偏航驱动部分及右眼偏航驱动部分在内的六个关节通过杆件串型链接而成，由六个舵机驱动。颈部倾斜驱动部分固定在底座上，通过颈部倾斜电机的转动机架与颈部偏航驱动部分相连，竖直支撑件固定在颈部偏航驱动部分上，左眼偏航驱动部分及右眼偏航驱动部分采用单独的无耦合偏航控制，分别通过眼部倾斜电机的转动杆件与双眼公共倾斜驱动部分相连，双眼公共倾斜驱动部分架在机器人头部的竖直支撑件上，下巴倾斜驱动部分通过下巴连接杆件与竖直支撑件连接。
机构本体用来模拟人类头部的双眼、颈部和下巴部分的运动。两个眼睛共用一个倾斜轴，有助于三维立体重构时的外极线匹配，获得环境的三维信息，两个眼睛单独的无耦合偏航控制，具有更广的水平视野搜索范围，颈部的倾斜和偏航控制使机器人具有注视控制的能力，保证了机器人视觉成像的清晰性，下巴的倾斜控制增强了人机交互过程中的自然性。
所述以DSP F2812为主控节点的可扩展处理器网络，由视频处理器、语音处理器、接口模块和主控电路组成，视频处理器的输入端通过USB连接线与两个分别设在左眼偏航驱动部分和右眼偏航驱动部分末端的微型摄像头连接，语音处理器的输入端与设在机构本体上的麦克风相连，视频处理器及语音处理器的输出通过接口模块连接到主控电路，主控电路的输出通过控制线与串联型机构本体各驱动部分连接。
以DSP F2812为主控节点的可扩展处理器网络满足人机交互过程中实时的计算需求，其中所述主控电路由DSP F2812芯片、外扩RAM模块和CAN总线模块构成。DSP F2812芯片可以同步发出6个PWM脉冲，扩展的CAN总线可以很方便地增加处理器节点。从外界获得的环境信息分别在两个微型计算机中完成图像和语音处理，两个微型计算机仅仅是作为计算资源节点，可根据计算任务的需要增加这些节点。带DSP F2812芯片的主控电路作为主控节点，在微型计算机与主控电路之间传输的数据是经过图像和语音处理之后的结果，所以传输的数据量不大，它们之间的通信可以采用RS-232串口通信方式。
本发明建立了一个通用的仿人机器人头部系统，能够作为自然人机交互的研究平台。机器人头部机构的关节电机采用结构紧凑的舵机作为驱动元件，每个关节都是一个独立的驱动部分，关节内部不再需要额外的传动环节，并且六个关节之间通过杆件串型链接而成，克服了现有机器人头部机构体积庞大，成本高等不足。
本发明为未来仿人机器人家用化发展中遇到的机构问题和控制问题提供了完整的解决方案。
图1本发明结构示意图。
图2本发明功能框图。
图3本发明机构本体。
图4本发明基于DSP F2812的控制电路。。
图5本发明命令控制字格式。
图6本发明DSP F2812电机控制和串口通信的主程序流程图。
图7本发明串口接收中断服务程序流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
图1本发明结构示意图。如图1所示，本发明包括一个六自由度的串联型机构本体1，一个可扩展处理器网络2，其中可扩展处理器网络2由视频处理器4，语音处理器5，接口模块6和主控电路3组成。
六自由度的串联型机构本体1由六个关节通过杆件串型链接而成，分别是颈部倾斜驱动部分10，颈部偏航驱动部分11，下巴倾斜驱动部分12，双眼公共的倾斜驱动部分13，左眼偏航驱动部分14，右眼偏航驱动部分15。颈部倾斜驱动部分10固定在底座16上，通过颈部倾斜电机的转动机架17与颈部偏航驱动部分11相连，竖直支撑件18固定在颈部偏航驱动部分11上，左眼偏航驱动部分14及右眼偏航驱动部分15采用单独的无耦合偏航控制，分别通过眼部倾斜电机的转动杆件20与双眼公共倾斜驱动部分13相连，双眼公共倾斜驱动部分13架在机器人头部的竖直支撑件18上，下巴倾斜驱动部分12通过下巴连接杆件19与竖直支撑件18连接。
在可扩展处理器网络2中，视频处理器4和语音处理器5为处理器节点，视频处理器4的输入端通过USB连接线与两个微型摄像头23，24连接，语音处理器5的输入端与麦克风25相连，视频处理器4及语音处理器5的输出通过接口模块6连接到主控电路3，主控电路3的输出通过控制线与串联型机构本体1各驱动部分连接。主控电路3根据感知到的环境信息完成复杂的运动规划和电机控制。在主控电路3上以DSPF2812芯片7为核心，开发了外扩RAM模块8和CAN总线模块9，外扩RAM模块8保证了主控节点能够运行复杂的运动协调算法，CAN总线模块9使得可以增加计算节点以满足大量的信息处理要求。
以下为本发明一个具体的实施例。以下实施例不构成对本发明的限定。
本实施例开发目的是作为一个通用的用于人机交互的研究平台，采用串联型机构和舵机，系统的成本不是很高，但是能够满足实时人机交互过程中的计算需求。
本实施例为通用的仿人机器人头部，一个六自由度的串联型机构本体1，高225mm，宽136mm，前后深度128mm，质量0.8kg，各个关节由舵机直接驱动，省去了外围的传动装置带来的控制误差。图1表示了通用仿人机器人头部系统的硬件结构图，其中DSP F2812为主控节点的可扩展处理器网络2由视频处理器4、语音处理器5、接口模块6和DSPF2812主控电路3组成。机构本体1即为仿人机器人头部，通过两条USB连接线与视频处理器4连接，一条麦克风连接线与语音处理器5相连，DSP F2812主控电路3通过控制线与机构本体1连接。两个微型摄像头23，24可以将观察到的图像实时采集到视频处理器4。一个麦克风25可以将环境的声音信号送到语音处理器5。
本实施例中，采用DSP F2812芯片7实现各个关节电机的运动规划和控制，这个芯片主频达150MHz，另外以DSP F2812芯片7为核心，开发了外扩RAM模块8和CAN总线模块9，保证了主控节点能够运行较长的代码，完成复杂的运动协调算法和大量的信息处理要求。
机构部分考虑自由度的设置和各关节的链接。除去面部表情，人类头部的主要运动器官是双眼，颈部和下巴部分，本实施例在机构本体1模拟这些器官的运动。颈部倾斜驱动部分10固定在底座16上，通过颈部倾斜电机的转动机架17与颈部偏航驱动部分11相连。竖直支撑件18固定在颈部偏航驱动部分11上。两个眼睛各自具有独立的偏航驱动电机，左摄像头23通过左眼水平转动杆件21固定在左眼偏航驱动部分14的输出轴上，右摄像头24通过右眼水平转动杆件22固定在右眼偏航驱动部分15的输出轴上。左眼偏航驱动部分14及右眼偏航驱动部分15通过眼部倾斜电机的转动杆件20与双眼的倾斜驱动部分13相连。双目视觉部分架在机器人头部的竖直支撑件18上。下巴12具有一个倾斜自由度，通过下巴连接杆件19与竖直支撑件18连接。这样各个关节之间串联链接，组成了一个六自由度的串联型机器人头部。
图2表示了系统的总体功能图。视频处理器完成图像预处理和特征提取，处理完的结果送到主控电路DSP F2812，语音处理器在微软语音库的基础上实现用户命令的识别，识别出的用户指令送到主控电路DSP F2812，另外视频处理和语音计算机可以实时显示机器人感知到的环境信息。DSP F2812主控电路根据这些信息，做出运动规划，计算出机器人头部各个关节电机的运动位置，然后把这些控制量转换成各个舵机的PWM脉宽，通过设置相应的寄存器，DSP F2812生成相应的PWM波驱动各个关节的电机。两个微型摄像头分别固定在机器人头部的左眼和右眼驱动关节上，通过两条USB连接线与视频处理器相连，一个普通的麦克风与语音处理器相连，用户可以使用带麦克风的耳麦与机器人进行语音交互。
图3是机器人头部的机构实物图，虽然两个摄像头之间的距离越大，目标在两个摄像头上的视差就越大，有利于求取深度信息，但太大会导致整个头部的体积增大，且惯性也增大。因此，两摄像头间距一般取为人的双目之间距离，约为10至15em。综合考虑，最后机器人双眼间距为103mm。考虑到重量和强度的要求，各关节之间的联接杆件采用LY12铝材料，既保证了刚性的连接，同时又使得机构本体的重量较轻，减轻了电机的负载。
电机有步进电机、直流无刷和有刷电机、舵机等，虽然直流无刷和有刷电机有更高的控制精度，但是需要配套的外围电路和传动装置，使得应用起来体积大，重量较大，对空间有限的仿人机器人头部系统并不适用。步进电机同样有体积和重量较大的缺点，也不适合机器人头部系统。舵机是一种位置伺服驱动器，内部集成了位置控制器，结构紧凑，便于安装，而且输出力矩大，稳定性好，控制简单，没有很多的导线缠绕以及复杂的传动装置，非常适合在空间有限的仿人机器人头部系统中使用。舵机的转动范围在0°到180°之间，90°为舵机的中间位置。舵机的控制信号为周期20ms的脉宽调制(PWM)信号，其中脉冲宽度为0.5ms-2.5ms，与之相应的舵机输出轴的位置为0至180度之间，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，舵机的输出轴就保持在某个角度位置上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度。因此驱动部分的电机采用日本Futaba舵机，五个S3003，一个S3801。S3003输出力矩为3.2kg·cm，质量为37.2g，最大转速为0.23sec/60°(4.8V)。S3801输出力矩比S3003更大一些，可达14kg·cm，最大转速与S3003一样。
完成运动规划和电机控制的电路控制板以TI公司C2000系列的DSPTMS320F2812为核心，通过接口模块与视频处理器和语音处理器通讯。该DSP主频达150MHz，具有很好的扩展功能，可通过CAN总线组成一个以F2812为主控节点的可扩展处理器网络2。
图4是基于DSP F2812芯片的主控电路3，DSP主频达150MHz。以DSPF2812芯片为核心，在DSP F2812主控电路上开发了外扩RAM模块8和CAN总线模板9。其中外扩RAM模块8在F2812存储空间的区域扩展了一块64K×16的SRAM，芯片型号为IS61LV6416，该芯片工作电压为3.3V，访问时间为10ns，DSP可以快速地读写SRAM。CAN总线模板9CAN总线协议转换芯片为SN65HVD251D，该芯片为5V供电，带关断模式。
图5是视频处理器或语音处理器向DSP F2812发送命令的控制字格式，采用RS-232通讯方式，每次发送6帧，每一帧数据的格式为1个起始位，8个数据位，1个停止位，无奇偶校正位；波特率选取115200bps；通信协议选取空闲线多处理器模式，这种模式不增加额外的地址位，且与RS-232型通信兼容。视频处理器和语音处理器的程序用VC++编写，在VC++中有两种方法可以进行串口通讯。一种是利用Microsoft公司提供的ActiveX控件MicrosoftCommunications Control，另一种是直接用VC++访问串口。由于基于ActiveX控件的方法每次运行程序需要用户手动初始化串口参数，不适合构造一个自动的人机交互系统，所以本发明采用了VC++直接访问串口的方法。
DSP TMS320F2812电机控制和串口通信的主流程见图6。首先关看门狗，接着设置DSP的工作频率，对外接晶振的30MHz输入频率进行5倍频，DSP的工作频率为150MHz。接着设置EVA、EVB的和SCIA的控制时钟，其中EVA和EVB事件管理器，用来产生控制舵机的PWM信号，SCIA是串行通信接口。然后设置中断向量表，接着初始化SCIA串行通信寄存器，设置串口通信协议和传输的数据格式，最后初始化事件管理单元EVA和EVB的PWM寄存器，设置输出的PWM信号的周期和初始脉宽。采用DSP TMS320F2812事件管理器EVA和EVB的PWM单元产生六个独立的PWM信号控制六个舵机。舵机1～3分别由DSP事件管理器EVA的PWM1，PWM3和PWM5控制，舵机4～6分别由DSP事件管理器EVB的PWM7，PWM9和PWM11控制。运行过程中，六个独立的PWM单元根据串口接收到的数值设置EVA事件管理器的EvaRegs.CMPR1，EvaRegs.CMPR2，EvaRegs.CMPR3寄存器和EVB事件管理器的EvbRegs.CMPR4，EvbRegs.CMPR5，EvbRegs.CMPR6寄存器。通过设置事件管理单元调整PWM信号的脉宽，可以快速地控制舵机。通常期望上电的时候机器人平视向前看，所以六个舵机的初始位置都设为处于90度的位置。
图7是DSPTMS320F2812串口接收中断服务程序的流程图，首先从数据缓冲寄存器中读取视频处理器或语音处理器传输过来的ASCII码数据，并将这些数据转化为十进制数据，然后转换成舵机运动的PWM脉宽，并设置相应的EVA和EVB寄存器，最后清除溢出标志和中断标志等，开中断，串口接收中断服务程序结束后转到主程序中。串口通信的波特率选为115200bps，系统可达到实时性要求。
本发明建立了一个通用的仿人机器人头部系统，能够作为自然人机交互的研究平台。克服现有机器人头部机构体积庞大，成本高等不足。
权利要求
1.一种仿人机器人头部系统，包括机构本体(1)和处理器网络(2)，其特征在于所述机构本体(1)为一个六自由度的串联型机构本体(1)，由包括颈部倾斜驱动部分(10)、颈部偏航驱动部分(11)、下巴倾斜驱动部分(12)、双眼公共倾斜驱动部分(13)、左眼偏航驱动部分(14)及右眼偏航驱动部分(15)在内的六个关节通过杆件串型链接而成，颈部倾斜驱动部分(10)固定在底座(16)上，通过颈部倾斜电机的转动机架(17)与颈部偏航驱动部分(11)相连，竖直支撑件(18)固定在颈部偏航驱动部分(11)上，左眼偏航驱动部分(14)及右眼偏航驱动部分(15)采用单独的无耦合偏航控制，分别通过眼部倾斜电机的转动杆件(20)与双眼公共倾斜驱动部分(13)相连，双眼公共倾斜驱动部分(13)架在机器人头部的竖直支撑件(18)上，下巴倾斜驱动部分(12)通过下巴连接杆件(19)与竖直支撑件(18)连接；所述处理器网络(2)为可扩展处理器网络(2)，由视频处理器(4)、语音处理器(5)、接口模块(6)和主控电路(3)组成，视频处理器(4)的输入端通过USB连接线与两个分别设在左眼偏航驱动部分(14)和右眼偏航驱动部分(15)末端的微型摄像头(23，24)连接，语音处理器(5)的输入端与设在机构本体(1)上的麦克风(25)相连，视频处理器(4)及语音处理器(5)的输出通过接口模块(6)连接到主控电路(3)，主控电路(3)的输出通过控制线与串联型机构本体(1)各驱动部分连接。
2.根据权利要求1的仿人机器人头部系统，其特征在于所述机构本体(1)中的六个关节采用舵机作为驱动元件，每个关节都是一个独立的驱动部分，关节内部不再采用额外的传动环节。
3.根据权利要求1的仿人机器人头部系统，其特征在于所述主控电路(3)由DSP F2812芯片(7)、外扩RAM模块(8)和CAN总线模块(9)构成，由DSPF2812芯片(7)把运动规划和电机控制从视频处理器(4)或语音处理器(5)中分离出来，数据传输采用RS-232串口通信方式。
全文摘要
本发明涉及一种仿人机器人头部系统，可作为人机交互的研究平台，包括一个六自由度的串联型机构本体，以DSP F2812为主控节点的可扩展处理器网络。六自由度的串联型机构本体由六个舵机驱动，用来模拟双眼、颈部和下巴的运动，两个眼睛单独的无耦合偏航控制，具有更广的水平视野搜索范围。可扩展处理器网络由视频处理器，语音处理器，接口模块和DSP F2812主控电路组成。主控电路根据感知到的环境信息做出运动规划，同步发出六个PWM脉冲控制各个关节的电机运动。在主控电路上开发了外扩RAM模块和CAN总线模块，保证主控节点能够运行复杂的运动协调算法，并可增加计算节点以满足大量的信息处理要求。
文档编号B25J13/00GK101020315SQ20071003829
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月22日 优先权日2007年3月22日
发明者苏剑波, 顾立忠, 彭娟春 申请人:上海交通大学