一种用于人机交互的仿人机器人视觉系统的制作方法

本实用新型涉及机器人的
技术领域：
，尤其是指一种用于人机交互的仿人机器人视觉系统。
背景技术：
：仿人机器人又称“人形机器人”、“拟人机器人”，是狭义上或真正字面意思上的“机器人”，它也是当代研究十分活跃，应用越来越广泛的一类机器人。科学研究表明，人类从外部世界获得的所有信息中，有约80％～90％来自于人类的视觉系统。同样，对于一个期望达到更高智能化的仿人机器人，也需要充分利用其视觉系统来获取足够多的信息，以便为其在决策时提供足够充足的证据，得到更精确的结果。因此，视觉系统是仿人机器人极其重要的组成部分。1993年，美国麻省理工学院人工智能实验室机器人专家CynthiaBreazeal领导研制了一个名为Kismet的仿人机器人头部，Kismet具有视觉和听觉功能。它是从婴儿和看护者之间的交流方式中获得启发而开发出的婴儿机器人。Kismet头部的每个眼睛都装有一个5.5mm的CCD彩色摄像机，以及8个50MHz的DSPTMS321C40组成的并行网络进行图像处理，以及2个基于Motorola68332微控制器组成的动机装置。目前，美国麻省理工学院正在研制另一个命名为Cog的仿人机器人，其视觉系统模拟装置是双眼结构，其眼睛能围绕水平和垂直方向轴转动，每个眼睛由2个摄像机组成，一个负责外围视野的广角镜头，另一个负责景物中心的窄角镜头。Cog的视觉系统设计大部分和Kismet一样。德国卡尔斯鲁厄大学于2006年首次展现了仿人机器人ARMARIII，它与Cog一样，每个眼睛也都有2个摄像机，分别是广角和窄角，这样可以对视野内区域进行扫视和对焦点区域进行注视，可以更方便地完成更复杂的功能，如手眼协调。我国从20世纪80年代中期才开始研究仿人机器人。北京理工大学于2002 年12月研发出了仿人机器人BHR-1，此后又在此基础上了“汇童”机器人。BHR-1头部的视觉系统有2个自由度，每个眼睛都有一个CCD摄像机。BHR-1采用的立体视觉解决方案来自于美国SRI人工智能中心所研发的一套立体视觉系统SVS(SmallVisionSystem)。清华大学于2000年初开始研制THBIP-I仿人机器人，它的头部采用2个自由度，可实现头部的前后运动和旋转，以使安装在仿人机器人头部的摄像机能具有更大的视觉范围。视觉系统的2个数字摄像机通过USB口和笔记本电脑连接，视觉图像处理由笔记本电脑完成，通过对被抓物体的识别，实现手对物体的稳定抓取作业。上海交通大学于1999年研制了仿人机器人SFHR，其视觉部分配备了富士通公司的主动视觉系统。此外哈尔滨工业大学等也对仿人机器人的视觉系统做了大量的研究，并且取得了一定的进展。综上所述，二十多年来，随着对仿人机器人的视觉系统设计和实现等研究的不断深入，无论是在国外还是国内都获得了很大的进展和明显的效果。仿人机器人的视觉系统联系着外部世界和自身知识获取、自身状态决策规划，具有非常重大的意义。然而要使仿人机器人的视觉系统功能达到与人的视觉系统接近，是一个极富挑战，同时也是一个应用非常广泛的课题。技术实现要素：本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于人机交互的仿人机器人视觉系统，是仿人机器人认识周围环境、并与人无障碍交流的感知系统，它能够给人以亲切感，消除人与仿人机器人交互时的心理障碍，并有助于提高双方的社交能力。为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种用于人机交互的仿人机器人视觉系统，包括机构子系统、传动子系统、控制子系统；所述机构子系统包括从上往下排序的眼睛支架、颈部支架、头部支架，并具有2个自由度，由传动子系统的2个舵机驱动往上下和左右2个方向运动，其中，该眼睛 支架上设有两个并排的圆形孔，用于安装2台CCD摄像机，即一台CCD摄像机装于一个圆形孔中，该头部支架的尺寸长度与成年人的头部高度一致，该颈部支架长度为65mm，2台CCD摄像机的内轴距离为68mm，接近成年人眼睛的眼内轴距离60～65mm；所述传动子系统采用2个舵机作为驱动源，其中一个舵机控制机构子系统的颈部支架左右方向转动，另一个舵机控制机构子系统的头部支架上下方向转动，舵机的控制信号是周期为20ms的脉宽调制信号，其中脉冲宽度从0.5ms～2.5ms，相对应舵盘的旋转位置为0～180°；所述控制子系统为一台内置I/O板的PC机，用于控制传动子系统的2个舵机的位置和速度，以实现视觉系统的扫视、注视、搜索功能。所述舵机为直流步进电机。本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、所述机构子系统外形与人的头部相似，眼睛支架和头部支架及颈部支架的运动形式和运动范围符合人的生理特点，给人以亲切感，从而减少交流时人的心理障碍。并且充分考虑尺寸因素，整体尺寸要留有合适的空间，以便安装各种传感器、驱动部件、传动机构、控制接口等。所述机构子系统具有动作协调、平稳、精确、速度可调、结构简单、模块化设计，具有可扩展性。2、所述传动子系统所采用的2个舵机尺寸适中，它能在满足动力要求的条件下，获得很好的设计尺寸。另一方面，舵机本身是直流步进电机，传动稳定，可控制范围在0～180°之间，完全符合所述视觉系统关节的角度范围要求，并且控制步距角在3°左右，控制精度较为适当。3、所述控制子系统其实是一个专门用于控制的个人PC机及内置I/O板。它通过接收人类或其它系统的命令来控制和协调2个舵机的运动位置和运动速度，从而使所述视觉系统完成扫视、注视、搜索等动作。所述控制子系统主要 实现以下功能：①人机交互功能，能从键盘等接口接受控制命令，实现对所述视觉系统动作的控制，该功能对于测试所述视觉系统动作和性能有重要的意义。②运动规划功能：能从运动学角度对所述视觉系统动作进行相应分解，控制舵机达到相应的运动效果。③舵机驱动控制功能：控制舵机在规定的相应时间和误差范围内到达规定的转角，实现舵机的伺服运动。附图说明图1为机构子系统结构图。图2为机构子系统运动模型图。图3为控制子系统架构图。图4为硬件系统驱动电路原理图。具体实施方式下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。本实施例所述的用于人机交互的仿人机器人视觉系统，包括机构子系统、传动子系统(图中未画出)、控制子系统。所述机构子系统在设计上只使用2个自由度，这样既能在视觉上覆盖到人眼所能观察到的范围，在控制上又比较简单。考虑到视觉系统的2个摄像机尺寸和仿人机器人身体的尺寸，对机构子系统设计如图1所示。所述机构子系统由三个部分组成，从上到下依次是眼睛支架101、颈部支架102、头部支架103。机构子系统可以容纳下传动子系统的2个舵机，该2个舵机分别负责驱动机构子系统往上下和左右方向的运动，运动模型如图2所示。其中，该眼睛支架101上设有两个并排的圆形孔101-1、101-2，两个圆形孔是考虑到2个CCD摄像机大小，用于固定摄像机在其中，使得视觉系统在运动时不至于使摄像机在支架上产生抖动。颈部支架102上设有颈部舵机插入孔102-1，头部支架103上设有 头部舵机插入孔103-1。视觉系统的三维尺寸设计如表1所示，颈部长度为约65mm，2台摄像机的内轴距离为68mm左右(装上摄像机后的距离)，接近成年人眼睛的眼内轴距离60～65mm。表1中的所述视觉系统尺寸比成年人头的尺寸稍小，以便给其他传感器的安装留下足够的空间。表1项目长度宽度深度尺寸(mm)12012080所述传动子系统采用2个舵机(具体为直流步进电机)作为驱动源，其中一个舵机控制机构子系统的颈部支架102左右方向转动，安装于上述颈部舵机插入孔102-1，另一个舵机控制机构子系统的头部支架103上下方向转动，安装于上述头部舵机插入孔103-1。该传动子系统的设计具体如下：①舵机控制参数。舵机的控制信号是周期为20ms的脉宽调制(PWM)信号，其中脉冲宽度从0.5ms～2.5ms，相对应舵盘的旋转位置为0～180°，呈线性变化。也即给定舵机提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供另外一个宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号；舵机内部还有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生舵机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服驱动器，转动范围不超过180°，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的机器人关节驱动等应用。舵机选取在动力学上要考虑其所负载的重量大小，所述视觉系统采用的2个摄像机是TeliCCD摄像机，重量分别是300g，机构子系统所用材料是铝合金。实现时，所述视觉系统的2个舵机分别采用HitecHS-85MG和辉盛Servo9805BB。其中HitecHS-85MG控制左右方向转动，辉盛Servo9805BB控制上下方向转动。这两种舵机均没有反馈信号，只是通过时间来驱动 点击的驱动角度。两种驱动舵机的具体参数如下表2所示。表2②舵机控制信号。所述视觉系统的2个舵机转动角度是根据成年人的头部在左右方向和上下方向的转动范围所确定。本专利所参考的人类视觉系统每个眼睛转动范围和扫视速度等如下表3所示。所述视觉系统转动范围和扫视速度等参数也是参照下表3所给的信息来设计的。表3所述控制子系统为一台内置I/O板的PC机，用于控制传动子系统的2个舵机的位置和速度，以实现视觉系统的扫视、注视、搜索等功能。对于舵机的控制模型，主要是依据舵机的脉冲控制范围，以及关节角度限制来确定，根据舵机可以控制的精度，得出每个基本脉冲的角度，由需要的角度相对于现有角度的基础变化值，从而获得需要发出的脉冲个数。所述控制子系统架构如图3所示。具体来说，所述控制子系统的硬件主要由以下部分构成：①I/O板，作为视觉系统的控制信息输出，采用RBH系列I/O板作为系统输出，它具有32路IO输入，非光隔，TTL电平方式；32路IO驱动输出，非光隔，可直接驱动5V的 线圈继电器；12路脉冲计数，非光隔，实现方式为4片8253。②驱动电路板，硬件系统的驱动电路采用功放功能，具体的工作原理如图4所示。以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。当前第1页1 2 3