一種帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人，包括機(jī)器人車體及安裝在其上方機(jī)械手，所述機(jī)器人車體內(nèi)裝有機(jī)器人控制車體運(yùn)動(dòng)和機(jī)械手動(dòng)作的控制系統(tǒng)，所述機(jī)器人車體內(nèi)還裝有嵌入式視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)和WIFI通信模塊，視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的攝像頭通過(guò)云臺(tái)安裝在機(jī)械手上，WIFI通信模塊實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)、視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)與指令的無(wú)線傳輸。本發(fā)明在服務(wù)機(jī)器人上采用嵌入式視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)，利用攝像頭進(jìn)行視覺(jué)跟蹤，并利用WIFI通信模塊與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)視覺(jué)傳輸，以WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)傳輸載體，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、音視頻傳輸和圖像采集等功能的智能系統(tǒng)，本發(fā)明所述的服務(wù)機(jī)器人可用于在反恐偵查、戰(zhàn)場(chǎng)C4ISR系統(tǒng)、消防救災(zāi)、生命探測(cè)等民用及軍事領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】一種帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及服務(wù)機(jī)器人，特別涉及一種帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]針對(duì)目前服務(wù)機(jī)器人都是基于半自動(dòng)模式下開展任務(wù)，這使得需要人的參與控制，這成了服務(wù)機(jī)器人發(fā)展的短板，尤其是高分辨率的物體識(shí)別技術(shù)一直困擾服務(wù)機(jī)器人進(jìn)一步智能化的發(fā)展難題，以往一直是使用PC機(jī)的參與復(fù)雜的圖像處理，再通過(guò)無(wú)線來(lái)控制機(jī)器人的動(dòng)作，這樣一來(lái)消耗了大量的傳輸時(shí)間和受到了距離的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷與不足，本發(fā)明提供一種帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人。
[0004]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0005]一種帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人，包括機(jī)器人車體及安裝在其上方機(jī)械手，所述機(jī)器人車體內(nèi)裝有機(jī)器人控制車體運(yùn)動(dòng)和機(jī)械手動(dòng)作的控制系統(tǒng)，所述機(jī)器人車體內(nèi)還裝有嵌入式視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)和WIFI通信模塊，視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的攝像頭通過(guò)云臺(tái)安裝在機(jī)械手上，WIFI通信模塊實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)、視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)與指令的無(wú)線傳輸。
[0006]具體的，所述機(jī)器人車體裝有四個(gè)車輪，每個(gè)車輪由一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，四個(gè)直流電機(jī)由可充電電池供電。
[0007]優(yōu)選的，所述云臺(tái)包括兩個(gè)數(shù)字舵機(jī)，攝像頭可在云臺(tái)上可水平0°?180°、上下0°?180°旋轉(zhuǎn)。
[0008]優(yōu)選的，所述機(jī)械手為五自由度機(jī)械手，由五個(gè)微伺服舵機(jī)組成，分別對(duì)應(yīng)于臂、肩、肘、前腕和夾持器的五個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。
[0009]優(yōu)選的，所述控制系統(tǒng)包括單片機(jī)及分別與其連接的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、下載串口以及數(shù)據(jù)通信接口。
[0010]優(yōu)選的，所述機(jī)器人車體上還裝有受控制系統(tǒng)控制的燈光裝置。
[0011]優(yōu)選的，所述嵌入式視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)采用采用PropellerP8X32A八核32位芯片嵌入Iinux系統(tǒng)，在Iinux系統(tǒng)上運(yùn)行OPENCV圖像處理庫(kù)驅(qū)動(dòng)攝像頭，完成視頻采集，數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)。
[0012]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述上位機(jī)采用數(shù)據(jù)包格式傳送指令到機(jī)器人WIFI模塊，WIFI模塊通過(guò)解包機(jī)制把數(shù)據(jù)包解開，通過(guò)串口發(fā)送到單片機(jī)并通過(guò)各驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行燈光控制、拍照和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)操作。
[0013]優(yōu)選的、所述上位機(jī)的軟件客戶端包括主窗口和配置窗口，主窗口包括視頻顯示區(qū)及控制按鈕，用于顯示回傳視頻和控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，配置窗口完成WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及機(jī)器人控制指令自定義鍵值的配置。
[0014]優(yōu)選的，所述上位機(jī)利用無(wú)線網(wǎng)卡通過(guò)Socket發(fā)送數(shù)據(jù)包到WIFI模塊。
[0015]本發(fā)明在服務(wù)機(jī)器人上采用嵌入式視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)，利用攝像頭進(jìn)行視覺(jué)跟蹤，并利用WIFI通信模塊與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)視覺(jué)傳輸，以WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)傳輸載體，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、音視頻傳輸和圖像采集等功能的智能系統(tǒng)，本發(fā)明所述的服務(wù)機(jī)器人可用于在反恐偵查、戰(zhàn)場(chǎng)C4ISR系統(tǒng)、消防救災(zāi)、生命探測(cè)等民用及軍事領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明所述的服務(wù)機(jī)器人的立體示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明所述的服務(wù)機(jī)器人的側(cè)視圖；
[0018]圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)框圖；
[0019]圖4是本發(fā)明的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)施例原理圖；
[0020]圖5是本發(fā)明的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)施例原理圖；
[0021]圖6是本發(fā)明的軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，下面將結(jié)合附圖以及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0023]如圖1、2和3所示，本發(fā)明所揭示的帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人，包括機(jī)器人車體及安裝在其上方的機(jī)械手，所述機(jī)器人車體內(nèi)裝有機(jī)器人控制車體運(yùn)動(dòng)和機(jī)械手動(dòng)作的控制系統(tǒng)，所述機(jī)器人車體內(nèi)還裝有嵌入式視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)和WIFI通信模塊，視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的攝像頭通過(guò)云臺(tái)安裝在機(jī)械手上，WIFI通信模塊實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)、視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)與指令的無(wú)線傳輸。
[0024]所述車體采用全鋁合金鈑金模型，面板上設(shè)計(jì)有多用途固定孔，滿足以后升級(jí)的擴(kuò)展，表面為氧化磨砂處理，可以起到抗氧化生銹等，車體裝有4個(gè)車輪，內(nèi)部主要由4個(gè)12V/120轉(zhuǎn)直流電機(jī)和電池組構(gòu)成，電機(jī)兩兩并聯(lián)，相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，增大機(jī)器人的運(yùn)載能力和爬坡能力。為方便電池充放電，設(shè)計(jì)了充放電電路，只需撥動(dòng)開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)充放電操作。電池組電源12V，可多個(gè)并聯(lián)使用，為機(jī)器人提高持久動(dòng)力。
[0025]機(jī)械手采用五自由度鋁合金機(jī)械手，由五個(gè)精確的微伺服舵機(jī)組成，分別對(duì)應(yīng)于臂、肩、肘、前腕、夾持器五個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)可在規(guī)定的范圍內(nèi)活動(dòng)，其可安裝到移動(dòng)平臺(tái)用于工作人員可視作業(yè)，實(shí)時(shí)修改控制指令，隨時(shí)精確地完成每一項(xiàng)任務(wù)。機(jī)械手的總體架構(gòu)使用鋁合金鈑金材料磨砂氧化處理機(jī)械件加角度舵機(jī)構(gòu)成，角度舵機(jī)的控制方式為高脈沖控制信號(hào)控制，對(duì)應(yīng)的有32路舵機(jī)控制器。
[0026]攝像頭選擇高質(zhì)量高清攝像頭進(jìn)行監(jiān)控，攝像頭滿足0°?180°水平，0°?180°上下旋轉(zhuǎn)，可以遠(yuǎn)程打開或關(guān)閉。攝像頭型號(hào)為索尼PS2，通訊接口為USB協(xié)議。云臺(tái)由2個(gè)MG995數(shù)字舵機(jī)及其他輔助材料構(gòu)成。
[0027]WIFI模塊采用TP—LINK全新推出的150Mbit.s_l迷你型3G無(wú)線路由器。該路由器具有尺寸小，供電電壓低的特點(diǎn)。其供電電壓只有5V，且支持OpenWrt。Openffrt是一個(gè)基于Linux的開源路由固件，提供了一個(gè)完全可寫的文件系統(tǒng)及軟件包管理，對(duì)支持OpenWrt的路由器刷機(jī)后，其相當(dāng)于一個(gè)Linux小系統(tǒng)。路由器選擇OpenWrt作為操作系統(tǒng)，將USB攝像頭采集的現(xiàn)場(chǎng)圖片發(fā)給遠(yuǎn)端的PC控制終端，并將上位機(jī)發(fā)出的命令通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)給單片機(jī)控制系統(tǒng)。[0028]控制系統(tǒng)主要包括電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、下載串口、單片機(jī)電路、紅外壁障、車燈控制以及數(shù)據(jù)通信接口等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用英飛凌公司的BTS7960直流電刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其具有大電流MOSFET半橋結(jié)構(gòu)。芯片具有較高的集成度和足夠的輸出能力，并在能耗方面具有優(yōu)勢(shì)。在集成化和小型化的電機(jī)控制系統(tǒng)中，適合作為理想的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。
[0029]圖4為BTS7960與單片機(jī)組成的H電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。由于所采用驅(qū)動(dòng)芯片是半橋，因此需要采用兩片以構(gòu)成全橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。單片機(jī)產(chǎn)生2路PWM輸出作為兩片BTS7960的控制信號(hào)，同時(shí)要求PWM0、PWM1不能同時(shí)為高電平。采用定時(shí)器輸出硬件PWM脈沖，使得單片機(jī)CPU只在改變PWM占空比時(shí)參與運(yùn)算，這樣可大幅減輕系統(tǒng)運(yùn)算負(fù)擔(dān)和PWM軟件編程成本。
[0030]圖5為舵機(jī)驅(qū)動(dòng)方案電路圖。為保證較高的電源利用率，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)采用LM2596開關(guān)型穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)，它可以提供3A以上電流，驅(qū)動(dòng)強(qiáng)勁。由于舵機(jī)型號(hào)為MG995，其工作電壓為5.0V~7.0V.因此舵機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇了可調(diào)LM2596-ADJ芯片，其輸出電壓Vout=Vref(1.0+R2/R1)，其中，Vref=L 23V為芯片內(nèi)部參考電壓。
[0031]嵌入式視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)采用parallax公司的PropellerP8X32A八核32位芯片嵌入Iinux系統(tǒng)，在Iinux系統(tǒng)上運(yùn)行OPENCV圖像處理庫(kù)驅(qū)動(dòng)0V7665攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，把常用的算法全部以函數(shù)的方式寫好，外部可以通過(guò)串口總線來(lái)調(diào)用指令來(lái)調(diào)用模塊中的功能模塊，這樣做可以把視覺(jué)處理等復(fù)雜功能可以內(nèi)置在一個(gè)集成模塊中。
[0032]WIFI視覺(jué)傳輸是以WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)傳輸載體，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、音視頻傳輸和圖像采集等功能的智能系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，該機(jī)器人可用于在反恐偵查、戰(zhàn)場(chǎng)C4ISR系統(tǒng)、消防救災(zāi)、生命探測(cè)等民用及軍事領(lǐng)域。
[0033]操作員在操作終端通過(guò)WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接到小車內(nèi)置的WIFI模塊上，并向其發(fā)出相關(guān)操作指令，WIFI模塊接收指令并傳遞給內(nèi)置的單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)控制電路讓機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的指令；同時(shí)，安裝在機(jī)器人上的各種傳感器和攝像頭可以通過(guò)WIFI網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)反向傳遞給操作終端，從而實(shí)現(xiàn)上下行控制及雙向通信，以便操作員實(shí)時(shí)了解機(jī)器人周圍的環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境情況發(fā)出指令``控制機(jī)器人執(zhí)行特定的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)交互式操作。
[0034]本發(fā)明的軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖6所示，操作系統(tǒng)采用OpenWrt，此部分在路由器刷機(jī)部分完成，主要完成視頻采集、數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。上位機(jī)軟件控制燈光控制、拍照、實(shí)時(shí)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)等行為。下位機(jī)軟件通過(guò)接收來(lái)自上位機(jī)的命令，從而執(zhí)行相應(yīng)操作。而連接上位機(jī)和下位機(jī)之間的紐帶就是通信協(xié)議，軟件部分包括通信協(xié)議，客戶端控制軟件和下位機(jī)軟件。在此主要介紹通信協(xié)議和上位機(jī)的開發(fā)。
[0035]通信協(xié)議上位機(jī)采用數(shù)據(jù)包格式傳送指令，也可以采用單字符的形式發(fā)送，由于單字符通信方式干擾較大，因此采用數(shù)據(jù)包格式傳送指令，包頭用0XFF，包尾用0XFF，無(wú)校驗(yàn)位。上位機(jī)利用無(wú)線網(wǎng)卡通過(guò)Socket發(fā)送數(shù)據(jù)包到路由器，路由器通過(guò)解包機(jī)制把數(shù)據(jù)包解開，通過(guò)串口發(fā)送到單片機(jī)并通過(guò)控制模塊執(zhí)行相關(guān)操作。其協(xié)議規(guī)定如表1所示。
[0036]表1通信協(xié)議規(guī)定
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人，包括機(jī)器人車體及安裝在其上方的機(jī)械手，所述機(jī)器人車體內(nèi)裝有機(jī)器人控制車體運(yùn)動(dòng)和機(jī)械手動(dòng)作的控制系統(tǒng)，其特征在于:所述機(jī)器人車體內(nèi)還裝有嵌入式視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)和WIFI通信模塊，視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的攝像頭通過(guò)云臺(tái)安裝在機(jī)械手上，WIFI通信模塊實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)、視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)與指令的無(wú)線傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人，其特征在于:所述機(jī)器人車體裝有四個(gè)車輪，每個(gè)車輪由一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，四個(gè)直流電機(jī)由可充電電池供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人，其特征在于:所述云臺(tái)包括兩個(gè)數(shù)字舵機(jī)，攝像頭可在云臺(tái)上可水平O。?180°、上下0°?180°旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人，其特征在于:所述機(jī)械手為五自由度機(jī)械手，由五個(gè)微伺服舵機(jī)組成，分別對(duì)應(yīng)于臂、肩、肘、前腕和夾持器的五個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人，其特征在于:所述控制系統(tǒng)包括單片機(jī)及分別與其連接的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、下載串口以及數(shù)據(jù)通信接口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人，其特征在于:所述機(jī)器人車體上還裝有受控制系統(tǒng)控制的燈光裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人，其特征在于:所述嵌入式視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)采用采用PropellerP8X32A八核32位芯片嵌入Iinux系統(tǒng)，在Iinux系統(tǒng)上運(yùn)行OPENCV圖像處理庫(kù)驅(qū)動(dòng)攝像頭，完成視頻采集，數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人，其特征在于:所述上位機(jī)采用數(shù)據(jù)包格式傳送指令到機(jī)器人WIFI模塊，WIFI模塊通過(guò)解包機(jī)制把數(shù)據(jù)包解開，通過(guò)串口發(fā)送到單片機(jī)并通過(guò)各驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行燈光控制、拍照和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人，其特征在于:所述上位機(jī)的軟件客戶端包括主窗口和配置窗口，主窗口包括視頻顯示區(qū)及控制按鈕，用于顯示回傳視頻和控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，配置窗口完成WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及機(jī)器人控制指令自定義鍵值的配置。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的帶視覺(jué)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人，其特征在于:所述上位機(jī)利用無(wú)線網(wǎng)卡通過(guò)Socket發(fā)送數(shù)據(jù)包到WIFI模塊。
【文檔編號(hào)】B25J5/00GK103862457SQ201410090666
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】譚立新, 張衛(wèi)兵, 鄧知輝, 羅堅(jiān), 李剛成, 肖成 申請(qǐng)人:湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院