本发明涉及机器人领域，特别是指一种绘画机器人系统。
背景技术：
近年来，对机器人的研究出现了一个又一个的高潮。机器人自从问世，就引起了人类的广泛关注和应用。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。
作为机器人产品最早的实用机型(示教再现)是1962年美国amf公司推出的“verstran”和unimation公司推出的“unimate”。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。
随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。
在绘画机器人的研制方面，日本的安川电机及川田工业将其事先编制好的程序植入他们研发的机器人内，从而进行绘画的表演。同时，在德国也有实验室内的关于绘画机器人自动绘画方面的实验，他们主要采用了图像处理技术中的边缘提取手段，简单的提取了轮廓，但效果不是很逼真，且线条比较凌乱。在fujiwara研制的漫画绘制机器人中，其对人脸线条做了变形处理，得到漫画效果。在国内，上海交通大学的机器人研究所研制的漫画机器人可以自动绘制漫画化的人脸肖像，已经在东莞科技馆等地投入使用。
在2016年5月，robotart.org举行了首届竞赛，在该竞赛中，要让机器人像真正艺术家一样绘画。共有来自7个国家和地区的15支团队借助各种技术用机器人制作了70多幅作品。
在上述机器人的研制中，大部分的绘画机器人采用的是多自由度机械臂的形式。既通过控制固定在画纸附近的多自由度机械臂在画纸上进行绘画创作，这样的机器人往往体型较大，绘画时只是按照固定的路径运行，不能进行实时控制。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种绘画机器人系统，以解决现有技术所存在的通过固定在画纸附近的多自由度机械臂在画纸上进行绘画创作，可操作性差的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种绘画机器人系统，包括：具有三轮联动底盘和四连杆画笔夹持运动机构的机器人、处理装置、设于画纸上方的摄像头定位装置；其中，所述机器人能够在画纸上自主移动；
所述摄像头定位装置，用于向下采集带有标记物的机器人图像，并对采集到的机器人图像传输给所述处理装置；
所述处理装置，用于获取待绘画的图像，对获取的待绘画的图像和接收到的机器人图像进行处理，得到绘画所述图像所需的信息以及机器人实时的位置和姿态信息，并根据得到的绘画所述图像所需的信息以及机器人实时的位置和姿态信息，生成机器人的运行路径控制指令和绘画指令并传输给所述机器人；
所述机器人，用于根据接收到的运行路径控制指令和绘画指令，利用四连杆画笔夹持运动机构夹持画笔在画纸上进行绘画创作。
进一步地，所述系统还包括：设备终端和服务端；
所述设备终端，用于上传待绘画的图像至所述服务端；
所述处理装置，还用于从所述服务端获取上传的所述待绘画的图像。
进一步地，所述设备终端通过基于rest与ajax前端技术的网站与所述服务端进行交互。
进一步地，所述机器人还包括：底盘联动转向部件；
所述底盘联动转向部件的运行是利用三轮联动底盘中心的大齿轮驱动其周围三个小齿轮进行联动旋转，其中，大齿轮齿数与小齿轮齿数保持着预设的函数关系以满足三个小齿轮安装的姿态角度一致。
进一步地，所述机器人还包括：控制机器人转向的第一舵机；
所述第一舵机，安装于三轮联动底盘中心的大齿轮上。
进一步地，所述机器人还包括：驱动机器人行走运动的有刷直流电机。
进一步地，所述机器人还包括：控制机器人画笔夹持的第二舵机；
所述四连杆画笔夹持运动机构由第二舵机作为作动器，带动四连杆的上端摇杆进行运动；
所述四连杆画笔夹持运动机构，用于当机器人在进行绘画时，控制四连杆画笔夹持运动机构夹持的画笔接触画纸；
所述四连杆画笔夹持运动机构，还用于当机器人处于工作点转移的状态时，控制四连杆画笔夹持运动机构夹持的画笔脱离画纸。
进一步地，四连杆画笔夹持运动机构为平行四边形连杆画笔夹持运动机构，用于使四连杆画笔夹持运动机构夹持的画笔在预设的范围内上下方向平行移动。
进一步地，所述机器人还包括：无线通信模块；
所述无线通信模块，用于与所述处理装置进行无线通信。
进一步地，所述机器人还包括：机器人定位标记；
所述摄像头定位装置包括：摄像头、将摄像头固定在画纸上方的摄像头固定架；
所述摄像头，用于向下采集带有标记物的机器人图像，并将采集到的机器人图像传输给所述处理装置；
所述处理装置，用于对包含机器人定位标记的图像进行处理，根据机器人定位标记计算得到机器人实时的位置和姿态信息并将其发送至机器人，以便于机器人对自身进行控制。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，对获取的待绘画的图像和接收到的机器人图像进行处理，得到绘画所述图像所需的信息以及机器人实时的位置和姿态信息，并根据得到的绘画所述图像所需的信息以及机器人实时的位置和姿态信息，生成机器人的运行路径控制指令和绘画指令并传输给所述机器人；机器人根据接收到的运行路径控制指令和绘画指令，利用四连杆画笔夹持运动机构夹持画笔在画纸上进行绘画创作，从而实现机器人携带画笔在画纸上自主运动进行绘画创作。
附图说明
图1为本发明实施例提供的绘画机器人系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的绘画机器人系统的详细结构示意图；
图3为本发明实施例提供的机器人的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的机器人控制主板原理示意图；
图5为本发明实施例提供的上传的待绘画的图像示意图；
图6为本发明实施例提供的视觉处理流程示意图；
图7为本发明实施例提供的视觉定位结果示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的通过固定在画纸附近的多自由度机械臂在画纸上进行绘画创作，可操作性差的问题，提供一种绘画机器人系统。
如图1所示，本发明实施例提供的绘画机器人系统，包括：具有三轮联动底盘和四连杆画笔夹持运动机构的机器人13、处理装置12、设于画纸上方的摄像头定位装置11；其中，所述机器人13能够在画纸上自主移动；
所述摄像头定位装置11，用于向下采集带有标记物的机器人图像，并对采集到的机器人图像传输给所述处理装置12；
所述处理装置12，用于获取待绘画的图像，对获取的待绘画的图像和接收到的机器人图像进行处理，得到绘画所述图像所需的信息以及机器人实时的位置和姿态信息，并根据得到的绘画所述图像所需的信息以及机器人实时的位置和姿态信息，生成机器人的运行路径控制指令和绘画指令并传输给所述机器人13；
所述机器人13，用于根据接收到的运行路径控制指令和绘画指令，利用四连杆画笔夹持运动机构夹持画笔在画纸上进行绘画创作。
本发明实施例所述的绘画机器人系统，对获取的待绘画的图像和接收到的机器人图像进行处理，得到绘画所述图像所需的信息以及机器人实时的位置和姿态信息，并根据得到的绘画所述图像所需的信息以及机器人实时的位置和姿态信息，生成机器人的运行路径控制指令和绘画指令并传输给所述机器人；机器人根据接收到的运行路径控制指令和绘画指令，利用四连杆画笔夹持运动机构夹持画笔在画纸上进行绘画创作，从而实现机器人携带画笔在画纸上自主运动进行绘画创作。
如图2和图3所示，所述绘画机器人系统包括：具有三轮联动底盘和四连杆画笔夹持运动机构的机器人、摄像头定位装置和处理装置，其中，所述处理装置可以是以intelminnowboard为核心的处理器/微型计算机。
本实施例中，所述具有三轮联动底盘和四连杆画笔夹持运动机构的机器人还包括:与处理装置进行无线通信的无线通信模块(例如，蓝牙通信模块)、电控模块、底盘联动转向部件和机器人运动部件；所述电控模块包括：作为机器人主控装置的机器人控制主板、测量机器人的速度和行程的编码器、驱动机器人行走运动的有刷直流电机、控制机器人转向的第一舵机、控制机器人画笔夹持的第二舵机、电源等模块；本实施所述的机器人减少了传统自动机器人需要的陀螺仪等传感器件，使得机器人的结构更加清晰、运动更加灵活，同时大大地降低了机器人的控制难度。
本实施例中，所述机器人控制主板可以使用如图4所示的stm32f103c8t6芯片，该cpu有先进架构的arm的cortex-m3内核。并且在控制中使用了嵌入式实时操作系统(ucos)来进行多个任务的调度与执行。
本实施例中，所述电源模块可以包括：12v锂电池和一个直流电压转换模块，用于将12v电压转换为5v后输入机器人。
传统的机器人一般采用直轮的设计，在这种设计中，机器人很难自由到达某一预定位置并且调整自身姿态，并需要一定的转弯半径。在绘画机器人的运动中，必须要保证有灵活的转向方式和快速准确的转角。因此，本发明实施例发明了一种齿轮联动的底盘，使得机器人能够自由到达平面上任意位置，可以不需要转弯半径，在控制上也减小了难度。
如图3所示，本发明所述的齿轮联动的底盘采用了三轮轮式的设计。三个轮子与机器人中心位置的底盘联动转向部件使用齿轮连接，组成联动机构。本发明所设计的机器人具有三轮联动底盘，底盘联动转向部件的运行是靠三轮联动底盘中心的大齿轮驱动其周围三个小齿轮进行联动旋转的，其中，大齿轮齿数与小齿轮齿数保持着一定的函数关系以满足三个小齿轮安装的姿态角度一致。机器人的转向通过一个安装于三轮联动底盘中心的大齿轮的第一舵机控制，机器人的运动由一个100r/min的有刷直流电机驱动。其有益效果是简化了机器人结构，减少了机器人转向所使用的零件个数，降低了机器人控制的难度。在工作时小齿轮的转轴穿过轮子的旋转中心，并不会产生多余力矩从而实现三轮同时原地旋转和机器人底盘的水平平移。底盘联动转向部件由于依靠齿轮进行传动，其结构传动稳定性和精度都很高，而且噪音小，结构比较简单。两个部件相对固定，极大的提高了机器人的运动效率和书写能力，同时在装置维护上也有巨大的优越性。
本实施例中，三个轮子中其中一个轮子为主动轮，另外两个轮子为从动轮，在联动中心齿轮上安装有一个270度的第一舵机，通过第一舵机旋转控制三个轮子方向，这样的设计，有以下几个方面的优点：
1)底盘转向灵活。底盘的转向只有一个位于机器人中心的第一舵机控制，只需要一个第一舵机就可以完成三个轮子在0—270度的自由转向。
2)机器人运动简单。由于联动的底盘设计，使得机器人的三个轮子始终处于一个方向，因此三个轮子只需一个有刷直流电机即可驱动机器人运动，控制非常简单。
本实施例中，机器人在平面运动时，共涉及三个自由度，即机器人在平面坐标系上的x坐标，y坐标和机器人自身旋转角度。在对机器人控制时，需要知道机器人自身旋转角度；而传统的基于陀螺仪的测量方法会产生误差，从而影响控制效果。本发明实施例所述的机器人，三轮联动底盘与机器人体分离，由于三轮联动底盘与机器人体分离，在机器人运动时，机器人体的角度始终不变，大大减小了控制的复杂度。
本实施例中，所述机器人还包括：控制机器人画笔夹持的第二舵机。
本实施例中，在机器人上还有一个非常重要的机构，即用于画笔夹持的笔装机构，所述笔装机构不仅要夹持画笔，还要控制画笔的上下移动，如图3所示，所述笔装机构使用了四连杆机构，将画笔套上胶套(防止画笔上下滑动)后，通过一个第二舵机(例如，sg90小型舵机)的控制，使画笔可以在一定范围内上下方向平行移动。本实施例中，所述笔装机构为四连杆画笔夹持运动机构。
本实施例中，所述四连杆画笔夹持运动机构是机器人的重要机构，四连杆画笔夹持运动机构由第二舵机作为作动器，带动四连杆的上端摇杆进行运动，其中，连杆上固定着画笔夹持机构以夹持画笔，画笔夹持机构主要由楔形弹性夹持筒以及顶丝组成，四连杆画笔夹持运动机构使夹持在机器人上的画笔在一定范围内上下运动；所述四连杆画笔夹持运动机构，用于当机器人在进行绘画时，控制四连杆画笔夹持运动机构夹持的画笔接触画纸；所述四连杆画笔夹持运动机构，还用于当机器人处于工作点转移的状态时，控制四连杆画笔夹持运动机构夹持的画笔脱离画纸。
本实施例中，通过第二舵机实现了画笔的上下移动，画笔在抬升或放下过程中不会影响到机器人的姿态和正常运动。该画笔运动部不仅件保证了画笔在工作时维持竖直方向的精度和稳定性，而且相较于其它机构的设计方式其拥有更高的安装便捷性。
本实施例中，所述四连杆画笔夹持运动机构为平行四边形连杆画笔夹持运动机构，用于使四连杆画笔夹持运动机构夹持的画笔在预设的范围内上下方向平行移动。
在前述绘画机器人系统的具体实施方式中，进一步地，所述系统还包括：设备终端和服务端；
所述设备终端，用于上传待绘画的图像至所述服务端；
所述处理装置，还用于从所述服务端获取上传的所述待绘画的图像。
本发明实施例中，可以使用专用于人机交互的网站作为机器人人机交互的入口，也就是说，所述绘画机器人系统中还包括：一个用于与机器人人机交互的网站，网站部署在服务端/远程服务器上。
本发明实施例中，所述用于人机交互的网站基于表述性状态传递(rest)与ajax前端技术，采用质感设计风格。网站的网页前端提供图像上传接口，网站后端存储上传的图像，并可以将存储的图像传输到系统的处理装置，这样的网站具有灵活和耦合性低等特点，网站页面简洁大方，使用方便。
本发明实施例中，如图5所示，用户可以通过设备终端(例如，手机或电脑端)登录专用于人机交互的网站，上传需要绘画的图像至所述服务端/远程服务器，所述处理装置从所述服务端获取上传的所述待绘画的图像，对获取的待绘画的图像进行处理，获取绘画所述图像所需的信息，例如，线条等信息。
如图5所示的图像在设计上使用了materialdesign风格，即质感设计。页面简洁干净、可操作性强；在网站前端与后端交互时使用了rest架构，即表述性状态传递，这个框架是一种针对网络应用的设计和开发方式，可以降低开发的复杂性，提高系统的可伸缩性；并使用ajax进行前后端通信。本发明的网站具有灵活和耦合性低等优点。
在网站后端基于rest架构的设计，可以使用python作为开发语言，eve作为服务器框架，nginx作为反代服务器驱动整个交互服务。而图片获取只需要调用特定的接口，通过get方法就可以轻松获得。
本发明实施例中，所述设备终端通过基于rest与ajax前端技术的网站与所述服务端/远程服务器进行交互。
本实施例中，为了达到更好的体验和更优秀的跨平台特性，本发明实施例使用网站作为人机交互方式。基于网站的人机交互方式的优点有：
1)交互简单。使用者无需复杂的操作，只需要将图片上传至网站，就可以实现与机器人的交互。机器人自动化的完成一系列绘画工作。
2)有很高的跨平台特性。手机、平板、笔记本电脑等都可以上传图片，网站设计适用于任意尺寸的平台和系统。
3)维护简单。交互界面可以根据需要更改。
本实施例中，对于绘画机器人系统中的机器人来说，全场定位是非常重要的技术。使得机器人能够了解自己所处的精确位置，进而为下一步的路径规划和功能执行提供参考。在机器人全场定位的各种方法中，最普遍使用的是陀螺仪和码盘相互配合的方法。但是这种方法存在着定位精度低，随着时间变化会产生相对误差，同时对于机械设计的要求较高的缺点。而使用机器视觉对于机器人进行室内定位则减少了这些问题。能够快速、精确的得到运动中机器人的坐标和姿态信息，排除了外界的干扰。
在前述绘画机器人系统的具体实施方式中，进一步地，所述机器人还包括：机器人定位标记；
所述摄像头定位装置包括：摄像头、将摄像头固定在画纸上方的摄像头固定架；
所述摄像头，用于向下采集带有标记物的机器人图像，并将采集到的机器人图像传输给所述处理装置；
所述处理装置，用于对包含机器人定位标记的图像进行处理，根据机器人定位标记计算得到机器人实时的位置和姿态信息并将其发送至机器人，以便于机器人对自身进行控制。
本实施例中，所述摄像头可以是单目摄像头，摄像头固定架将单目摄像头固定在画纸上方，单目摄像头镜头向下采集带有标记物的画纸，将采集到的图像通过预设的接口传输给处理装置，所述处理装置，用于对包含机器人定位标记的图像进行处理，根据机器人定位标记计算得到机器人实时的位置和姿态信息，这样，可以避免了机器人通过自身传感器进行定位的方式，仅通过一个附着在机器人上的纸质标记物进行定位，减小了机器人的计算量，并且切实提高了机器人的定位精度。
本实施例中，所述处理装置上运行ubuntu操作系统，可以使用codeblocks开发的程序进行视觉定位，具体的：如图6所示，所述处理装置先读取接收到的包含机器人定位标记的图像，并进行图像灰度处理、二进制处理、轮廓提取操作，根据提取的轮廓判断四个角点组成的图形是否为凸四边形，若是，则对包含机器人定位标记的图像进行透视变换和解码，判断解码得到的信息是否正确，若正确，则确认标记，并计算标记的平移向量和旋转向量，得到机器人实时的位置和姿态信息，其中，所述机器人的位置包括：机器人所属的空间坐标内的x轴、y轴、z轴信息，姿态信息为三自由度姿态信息，包括：偏航角、俯仰角、翻滚角。测试结果如图7所示，从结果上可以看到计算结果为：
俯仰角为：0.0152166度
翻滚角为：-1.88444度
偏航角为：7.52807度
坐标所处的空间内x轴坐标为：-173.03157mm
y轴坐标为：-114.95674mm
z轴坐标为：345.23468mm
通过本实施例所述的绘画机器人系统，可以计算得到标记的三维坐标和姿态信息，从而确定当前机器人所处的位置和姿态。
本实施例中，所述处理装置主要有两个工作：
1)在绘画开始前，通过wifi连接网络，从服务端上获取待绘画图像，并对获取的待绘画图像进行处理，生成运动路径控制指令和绘画指令，将指令发送至机器人；
2)在绘画过程中，处理装置通过摄像头实时拍摄机器人图像，通过视觉的方法对机器人定位，并将机器人实时的位置和姿态信息实时发送给机器人用于机器人自身的控制，这个处理操作是不间断循环进行的。
本实施例所述的绘画机器人系统，通过微型轮式机器人携带画笔在画纸上自由运动进行绘画创作，其中的关键技术有机器人视觉定位技术、三轮联动机器人设计、多机器人路径规划技术、机器人模糊控制技术、基于前端的人机交互技术等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。