专利名称：肖像漫画绘制机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种属于机电控制技术领域的机器人，具体地说，是一种肖像漫画绘制机器人。
背景技术：
对于广大机器人爱好者来说，应用六自由度机器人的末端执行器夹持笔在纸张上进行人脸的肖像漫画的绘制是一件非常有趣的工作。肖像漫画绘制机器人以标准的6DOF工业机器人为主体，计算机将摄像头拍摄到的观众的肖像进行处理后，通过矢量化算法和漫画处理算法将图像轨迹转化为机器人的运动指令，控制机器人把肖像特征用“笔”在图板上生动地描绘出来，并签名留念。发明这一机器人的目的是向公众特别是青少年展示人工智能、机器视觉和运动控制技术，在生动活泼的气氛中达到寓教于乐的效果。
经对现有技术文献的检索发现，Takano，Hiroji；Ohkawara，Daisuke；Nakada，Akiyoshi；Nakajima，Fujio《肖像绘画机器人系统》发表在《自然科学报告》Aug，1985，p 482-490。此文中他们实现了用工业机器人做肖像绘画。其中应用了图像处理和矢量化，最后实现了在纸上用刷子机器人将人脸肖像绘出来。它使用电视摄象机取得图象，这样的图象是模拟信号，对后期处理计算和识别量较大。其不足之处是图象处理对光线的要求比较严格，算法复杂；没有涉及到如何将肖像画进行漫画处理后再行绘画；另外在本身整体结构上没有人的形状，只是简单的用机械手进行绘画。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种肖像漫画绘制机器人，使其通过CCD摄像头拍摄人的面部肖像，实现机器人对人脸肖像的预处理、特征提取，和漫画艺术处理，以生成绘画轨迹，并最终通过肖像漫画绘制机器人的右手末端执行器夹持画笔在画板上完成人脸肖像漫画的绘制。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括钢制基座、腿、身体、绘画执行机构、左臂、头、CCD摄像头、控制器、计算机、画架和笔架，钢制基座通过腿和身体连接，身体设在腿上，在身体右侧设有绘画执行机构，在身体左侧设有左臂，头设在身体上端。绘画执行机构的末端与笔架相连，画架固定于钢制基座上，画架位于身体前方，控制器的IO口与计算机的IO卡通过37针的标准接插件相连接，控制器的串口通过标准9针接插件和计算机相连，CCD摄像头固定于画架背面，CCD摄像头通过标准视频线和计算机相连。
所述的绘画执行机构，是机器人的右臂，一个六自由度机器人，受到控制器编制的程序控制，实现在画纸上完成肖像漫画绘制。
所述的控制器，编程实现机器人的动作，并且对机器人状态进行检测，控制器通过串口从计算机取得漫画肖像轮廓的轨迹数据，将这些数据整理后，控制绘画执行机构运动以实现漫画肖像的绘制，控制器的IO口向计算机发送机器人和控制器的状态信息，同时也通过IO口受计算机的控制。
所述的计算机是整个机器人系统的中枢，计算机从CCD摄像头得到拍摄到的人脸图片，对此图片进行图象处理，进行特征提取和绘画轨迹生成以及漫画艺术处理，然后将绘画轨迹数据通过其串口发送到控制器；计算机还通过IO卡对控制器进行控制，实现控制器对机器人程序的启动、暂停和复位；计算机通过IO卡监测到机器人和控制器的状态。
所述的CCD摄像头是数码摄像头，拍摄数码图像，并且将图像通过视频线传输到计算机，然后由计算机对此数码图象进行特征提取和绘画轨迹生成以及漫画艺术处理。
本发明可以实现人脸肖像漫画的绘制，具体的工作过程为(1)操作员通过计算机的主控程序从CCD摄像头采集到一张人物的面部特征的数码图像，此图象由CCD摄像头通过视频线传输到计算机。(2)得到图像后，计算机开始图像处理，包括去背景、去噪声，边界特征提取和矢量化这些特征，并且做漫画处理，生成绘画轨迹，这些数据会存储在计算机中。(3)轨迹生成完毕后，计算机通过IO卡向控制器内机器人的控制程序发送启动指令，于是控制器启动机器人控制程序。(4)在机器人控制程序启动后，控制器打开串口，准备接受计算机传来的轨迹数据；此时控制器通过IO口反馈一个程序启动完成信号给计算机，于是计算机开始通过串口发送轨迹数据。(5)数据全部发送完毕后，控制器中的机器人控制程序开始控制机器人按这些轨迹运动，这样就可以在画板上绘出人脸肖像。(6)在机器人绘图过程中，计算机可以响应操作员的暂停(继续)，复位的操作。这些指令，通过计算机IO卡发到控制器。控制器响应这些指令，实现对机器人的暂停(继续)，复位的控制。(7)急停控制是直接按控制器上的急停按钮，此操作并不通过计算机控制。在急停后，控制器发送信号给计算机，通知机器人已停止，结束计算机的主控程序。
本发明采用机器人和计算机图象处理技术，可实现肖像绘制机器人对人脸肖像的拍摄、预处理、特征提取和绘画轨迹生成，漫画艺术处理并最终通过六自由度机器人的末端执行器夹持画笔在画板上完成人脸肖像漫画的绘制。本发明实现了高科技、娱乐和科普的完美统一。
图1为本发明结构示意图具体实施方式
如图1所示，本发明包括绘画执行机构4、控制器8、计算机9、钢制基座1、腿2、身体3、左臂5、头6、CCD摄像头7、画架10和笔架11，钢制基座1通过腿2和身体3连接，身体3设在腿2上，在身体3右侧设有绘画执行机构4，在身体3左侧设有左臂5，头6设在身体3上端，绘画执行机构4的末端与笔架11相连，画架10固定于钢制基座1上，画架10位于身体3前方，控制器8的IO口与计算机9的IO卡通过37针的标准接插件相连接，控制器8的串口通过标准9针接插件和计算机9相连，CCD摄像头7固定于画架10背面，CCD摄像头7通过标准视频线和计算机9相连。
所述的绘画执行机构4，是机器人的右臂，一个六自由度机器人，型号为安川UPJ 3 B00，其采用顶挂方式用螺栓安装于身体3的右侧，受到控制器8编制的程序控制，实现在画纸上完成肖像漫画绘制。
所述的控制器8，编程实现机器人的动作，并且对机器人状态进行检测，控制器8通过串口从计算机9取得漫画肖像轮廓的轨迹数据，将这些数据整理后，控制绘画执行机构4运动以实现漫画肖像的绘制，控制器8的IO口向计算机9发送机器人和控制器8的状态信息，同时也通过IO口受计算机9的控制。
所述的计算机9是整个机器人系统的中枢，计算机9从CCD摄像头7得到拍摄到的人脸图片，对此图片进行图象处理，进行特征提取和绘画轨迹生成以及漫画艺术处理，然后将绘画轨迹数据通过其串口发送到控制器8；计算机9还通过IO卡对控制器8进行控制，实现控制器8对机器人程序的启动、暂停和复位；计算机9通过IO卡监测到机器人和控制器8的状态。
所述的CCD摄像头7是数码摄像头，拍摄数码图像，并且将图像通过视频线传输到计算机9，然后由计算机9对此数码图象进行特征提取和绘画轨迹生成以及漫画艺术处理。
所述的钢制基座1，其尺寸为900mm*700mm*16mm，用螺栓安装于地面上。
所述的腿2，通过螺栓安装于底座上，其高度为930mm。
所述的身体3，高度为703mm，最宽处为475mm，通过螺栓安装在腿2上。
所述的画架10，为一般的木制画架，用螺栓固定于钢制基座1上。
本发明的工作过程如下(1)操作员通过计算机9的主控程序从CCD摄像头7采集到一张人物的面部特征的数码图像，此图像由CCD摄像头7通过视频线传输到计算机9。(2)得到图像后，计算机9开始图像处理，包括去背景、去噪声，边界特征提取和矢量化这些特征，并且做漫画处理，生成绘画轨迹，这些数据会存储在计算机9中。(3)轨迹生成完毕后，计算机9通过IO卡向控制器8内机器人的控制程序发送启动指令，于是控制器8启动机器人控制程序。(4)在机器人控制程序启动后，控制器8打开串口，准备接受计算机9传来的轨迹数据。此时控制器8通过IO口反馈一个程序启动完成信号给计算机9，于是计算机9开始通过串口发送轨迹数据。(5)数据全部发送完毕后，控制器8中的机器人控制程序开始控制机器人按这些轨迹运动，这样就可以在画板上绘出人脸肖像。(6)在机器人绘图过程中，计算机9可以响应操作员的暂停(继续)，复位的操作。这些指令，通过计算机9的IO卡发到控制器8。控制器8响应这些指令，实现对机器人的暂停(继续)，复位的控制。(7)急停控制是直接按控制器8上的急停按钮，此操作并不通过计算机9控制。在急停后，控制器8发送信号给计算机9，通知机器人已停止，结束计算机9的主控程序。
本发明向公众特别是青少年展示人工智能、机器视觉和运动控制技术，在生动活泼的气氛中达到寓教于乐的效果。
权利要求
1.一种肖像漫画绘制机器人，包括绘画执行机构(4)、控制器(8)、计算机(9)，其特征在于，还包括钢制基座(1)、腿(2)、身体(3)、左臂(5)、头(6)、CCD摄像头(7)、画架(10)和笔架(11)，钢制基座(1)通过腿(2)和身体(3)连接，身体(3)设在腿(2)上，在身体(3)右侧设有绘画执行机构(4)，在身体(3)左侧设有左臂(5)，头(6)设在身体(3)上端，绘画执行机构(4)的末端与笔架(11)相连，画架(10)固定于钢制基座(1)上，画架(10)位于身体(3)前方，控制器(8)的IO口与计算机(9)的IO卡通过37针的标准接插件相连接，控制器(8)的串口通过标准9针接插件和计算机(9)相连，CCD摄像头(7)固定于画架(10)背面，CCD摄像头(7)通过标准视频线和计算机(9)相连。
2.根据权利要求1所述的肖像漫画绘制机器人，其特征是，所述的绘画执行机构(4)，是机器人的右臂，一个六自由度机器人，受到控制器(8)编制的程序控制，实现在画纸上完成肖像漫画绘制。
3.根据权利要求1或者2所述的肖像漫画绘制机器人，其特征是，所述的控制器(8)，编程实现机器人的动作，并且对机器人状态进行检测，控制器(8)通过串口从计算机(9)取得漫画肖像轮廓的轨迹数据，将这些数据整理后，控制绘画执行机构(4)运动以实现漫画肖像的绘制。
4.根据权利要求1或者3所述的肖像漫画绘制机器人，其特征是，所述的控制器(8)，其IO口向计算机(9)发送机器人和控制器(8)的状态信息，同时也通过IO口受计算机(9)的控制。
5.根据权利要求1或者4所述的肖像漫画绘制机器人，其特征是，所述的计算机(9)是整个机器人系统的中枢，计算机(9)从CCD摄像头(7)得到拍摄到的人脸图片，对此图片进行图象处理，进行特征提取和绘画轨迹生成以及漫画艺术处理，然后将绘画轨迹数据通过其串口发送到控制器(8)。
6.根据权利要求1或者4所述的肖像漫画绘制机器人，其特征是，所述的计算机(9)，通过IO卡对控制器(8)进行控制，实现控制器(8)对机器人程序的启动、暂停和复位；计算机(9)通过IO卡监测到机器人和控制器(8)的状态。
7.根据权利要求1或者5所述的肖像漫画绘制机器人，其特征是，所述的CCD摄像头(7)是数码摄像头，拍摄数码图像，并且将图像通过视频线传输到计算机(9)，然后由计算机(9)对此数码图象进行特征提取和绘画轨迹生成以及漫画艺术处理。
全文摘要
一种属于机电控制技术领域的肖像漫画绘制机器人，包括钢制基座、腿、身体、左臂、头、CCD摄像头、控制器、计算机、绘画执行机构、画架和笔架，钢制基座通过腿和身体连接，身体设在腿上，在身体右侧设有绘画执行机构，在身体左侧设有左臂，绘画执行机构的末端与笔架相连，画架固定于钢制基座上，控制器的IO口与计算机的IO卡通过37针的标准接插件相连接，控制器的串口通过标准9针接插件和计算机相连，CCD摄像头固定于画架背面，CCD摄像头通过标准视频线和计算机相连。本发明实现肖像绘制机器人对人脸肖像的拍摄、预处理、特征提取和绘画轨迹生成，漫画艺术处理并最终通过六自由度机器人的末端执行器夹持画笔在画板上完成人脸肖像漫画的绘制。
文档编号B25J9/18GK1709659SQ20051002756
公开日2005年12月21日 申请日期2005年7月7日 优先权日2005年7月7日
发明者付庄, 倪菲, 陈元炳, 刘仁强, 曹其新, 赵言正, 王美龄 申请人:上海交通大学