一種仿人機(jī)器人手腿眼伺服控制的裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開(kāi)了一種仿人機(jī)器人手腿眼伺服控制的裝置與方法，屬于機(jī)器人領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]仿人機(jī)器人具有人類(lèi)的外形，夠像人一樣在人類(lèi)的環(huán)境中工作，使用為人類(lèi)設(shè)計(jì)的工具而不必對(duì)工具進(jìn)行改造。仿人機(jī)器人具有的優(yōu)勢(shì)使其成為為人類(lèi)服務(wù)的最理想的機(jī)器人。近年來(lái)，仿人機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)有了重要進(jìn)展，特別是在在穩(wěn)定行走，靈巧操作以及智能交互方面發(fā)展迅速。
[0003]人類(lèi)的生活環(huán)境是復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)變化的，仿人機(jī)器人不僅要具有對(duì)人類(lèi)環(huán)境的適應(yīng)能力，還需代替人類(lèi)完成一系列的工作，這就使得仿人機(jī)器人應(yīng)具有較高移動(dòng)作業(yè)能力。不僅要求機(jī)器人同時(shí)具備強(qiáng)大的移動(dòng)能力以及靈巧操作能力，還需要具備在移動(dòng)中作業(yè)的能力。由此需要將仿人機(jī)器人的視覺(jué)、移動(dòng)以及操作系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。
[0004]現(xiàn)有仿人機(jī)器人視覺(jué)伺服主要包括外部視覺(jué)或者內(nèi)部視覺(jué)，可以完成目標(biāo)識(shí)別和環(huán)境感知等功能。但是對(duì)于需要視覺(jué)、移動(dòng)、操作三種功能協(xié)同操作的作業(yè)，現(xiàn)有方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)，不能滿(mǎn)足仿人機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中移動(dòng)作業(yè)的需要。
[0005]中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利200810063150.1中公開(kāi)了一種仿人機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線視覺(jué)對(duì)仿人機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。主要是利用視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行場(chǎng)景識(shí)別，不涉及視覺(jué)、移動(dòng)、操作相互協(xié)調(diào)控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0006]本發(fā)明涉及一種仿人機(jī)器人手腿眼伺服控制的裝置，主要基于手腿眼伺服協(xié)調(diào)控制，以增強(qiáng)機(jī)器人的移動(dòng)作業(yè)能力。
[0007]一種仿人機(jī)器人手腿眼伺服控制的裝置，能夠基于手腿眼伺服協(xié)調(diào)控制，以增強(qiáng)機(jī)器人的移動(dòng)作業(yè)能力，所述裝置包括:
[0008]仿人機(jī)器人本體的視覺(jué)系統(tǒng)，
[0009]仿人機(jī)器人的雙足移動(dòng)系統(tǒng)，
[0010]仿人機(jī)器人的雙手操作系統(tǒng)，以及
[0011]基于手腿眼伺服的協(xié)調(diào)控制器。
[0012]優(yōu)選地，所述仿人機(jī)器人本體的視覺(jué)系統(tǒng)包括:
[0013]由兩個(gè)高速攝像頭組成的嵌入式雙目視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，包括高速嵌入式DSP和FPGA,實(shí)現(xiàn)兩路PAL/NTSL制式攝像頭圖像的實(shí)時(shí)采集、處理、顯示和傳輸任務(wù)。
[0014]優(yōu)選地，所述仿人機(jī)器人的雙足移動(dòng)系統(tǒng)包括仿人機(jī)器人雙腿，每條腿包括六個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、橫移的基本運(yùn)動(dòng)功能。
[0015]優(yōu)選地，所述仿人機(jī)器人雙手操作系統(tǒng)包括仿人機(jī)器人雙手，每條手臂具有6個(gè)自由度，每只手有5個(gè)具有主動(dòng)關(guān)節(jié)的手指，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取，推，拉的基本操作功能。
[0016]優(yōu)選地，所述基于手腿眼伺服協(xié)調(diào)控制器能夠接收視覺(jué)系統(tǒng)采集的視覺(jué)信息，結(jié)合機(jī)器人自身狀態(tài)，針對(duì)操作任務(wù)，通過(guò)仿人機(jī)器人全身協(xié)調(diào)控制，規(guī)劃?rùn)C(jī)器人手部和腿部的運(yùn)動(dòng)軌跡。并實(shí)時(shí)的檢測(cè)機(jī)器人狀態(tài)變化，改變機(jī)器人的規(guī)劃數(shù)據(jù)。
[0017]優(yōu)選地，所述仿人機(jī)器人全身協(xié)調(diào)控制包括:考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)約束和動(dòng)力學(xué)約束所構(gòu)成的全身約束控制。
[0018]優(yōu)選地，所述運(yùn)動(dòng)學(xué)約束包括:機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)，機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍，機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)范圍，外界環(huán)境的幾何約束。
[0019]優(yōu)選地，所述動(dòng)力學(xué)約束包括:外界環(huán)境作用在機(jī)器人上面的外力，包括地面的支撐力，摩擦力，以及作業(yè)目標(biāo)和外界環(huán)境與機(jī)器人的接觸力，仿人機(jī)器人由于運(yùn)動(dòng)對(duì)自身產(chǎn)生的各種作用力和力矩。
[0020]一種使用以上技術(shù)方案中任一項(xiàng)所述的裝置的仿人機(jī)器人移動(dòng)中作業(yè)的控制方法，其步驟主要包括:
[0021]視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別環(huán)境信息，將所述環(huán)境信息發(fā)送給基于手腿眼伺服的協(xié)調(diào)控制器；
[0022]所述協(xié)調(diào)控制器分析視覺(jué)信息，并根據(jù)操作任務(wù)，在考慮機(jī)器人全身運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的條件下，實(shí)時(shí)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人手臂和腿部的運(yùn)動(dòng)；
[0023]使用雙手操作系統(tǒng)和雙足移動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行協(xié)調(diào)控制器發(fā)送的指令；
[0024]使用視覺(jué)系統(tǒng)根據(jù)視覺(jué)反饋的環(huán)境變化信息，調(diào)整規(guī)劃軌跡和參數(shù)，直到完成操作任務(wù)。
[0025]本發(fā)明將仿人機(jī)器人三個(gè)主要系統(tǒng):手(操作系統(tǒng))，腿(移動(dòng)系統(tǒng))，眼(視覺(jué)系統(tǒng))有機(jī)結(jié)合起來(lái)，增加了仿人機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景和環(huán)境適應(yīng)能力，使仿人機(jī)器人在人類(lèi)的生活環(huán)境內(nèi)完成更多的任務(wù)。
【附圖說(shuō)明】
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[0026]圖1為本發(fā)明所提供的手腳眼伺服協(xié)調(diào)控制器。
[0027]圖2為本發(fā)明所提供的全身協(xié)調(diào)控制。
【具體實(shí)施方式】
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[0028]為使本發(fā)明的技術(shù)方案更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0029]一種仿人機(jī)器人手腿眼伺服控制的裝置，由仿人機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)，仿人機(jī)器人雙足移動(dòng)系統(tǒng)，仿人機(jī)器人雙手操作系統(tǒng)，以及基于手腿眼伺服的協(xié)調(diào)控制器。
[0030]所述仿人機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)包括:
[0031]由兩個(gè)高速攝像頭組成的嵌入式雙目視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，由高速嵌入式DSP和FPGA硬件和固化在上面的軟件組成，實(shí)現(xiàn)兩路PAL/NTSL制式攝像頭圖像的實(shí)時(shí)采集、處理、顯示和傳輸任務(wù)。
[0032]所述仿人機(jī)器人雙足移動(dòng)系統(tǒng)包括:
[0033]由仿人機(jī)器人雙腿所組成，每條腿包括六個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，可以實(shí)現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、橫移等基本運(yùn)動(dòng)功能。
[0034]所述仿人機(jī)器人雙手操作系統(tǒng)包括:
[0035]由仿人機(jī)器人雙手所組成，每條手臂具有6個(gè)自由度，每只手有5個(gè)具有主動(dòng)關(guān)節(jié)的手指。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取，推，拉等基本操作功能。
[0036]所述基于手腿眼伺服協(xié)調(diào)控制器包括:
[0037]接收視覺(jué)系統(tǒng)采集的視覺(jué)信息，結(jié)合機(jī)器人自身狀態(tài)，針對(duì)操作任務(wù)，根據(jù)機(jī)器人全身運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)，規(guī)劃?rùn)C(jī)器人手部和腿部的運(yùn)動(dòng)軌跡。并實(shí)時(shí)的檢測(cè)機(jī)器人狀態(tài)變化，改變機(jī)器人的規(guī)劃數(shù)據(jù)。
[0038]一種仿人機(jī)器人手腿眼伺服控制的方法，其主要步驟包括:
[0039]根據(jù)作業(yè)任務(wù)，雙目視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)作業(yè)目標(biāo)深度、顏色和形狀，在完成目標(biāo)物體匹配之后，采用特征點(diǎn)標(biāo)記目標(biāo)物體，進(jìn)行目標(biāo)物體的定位；將目標(biāo)物體的位置、姿態(tài)信息實(shí)時(shí)傳送給手腿眼伺服協(xié)調(diào)控制器。
[0040]手腿眼伺服協(xié)調(diào)控制器工作過(guò)程如圖1所示。手腿眼伺服協(xié)調(diào)控制器根據(jù)作業(yè)指令和作業(yè)目標(biāo)，結(jié)合機(jī)器人自身位置姿態(tài)以及作業(yè)目標(biāo)的位置和姿態(tài)，在考慮仿人機(jī)器人全身運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行全身協(xié)調(diào)控制，對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)和操作系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，并將運(yùn)動(dòng)指令傳送給機(jī)器人的移動(dòng)系統(tǒng)和操作系統(tǒng)。
[0041]所述全身協(xié)調(diào)控制如圖2所示，運(yùn)動(dòng)學(xué)約束包括:機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)，機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍，機(jī)器人末端，即手部、腳部的運(yùn)動(dòng)范圍，外界環(huán)境的幾何約束。動(dòng)力學(xué)約束包括:外界環(huán)境作用在機(jī)器人上面的外力，包括地面的支撐力，摩擦力，以及作業(yè)目標(biāo)和外界環(huán)境與機(jī)器人的接觸力。仿人機(jī)器人由于運(yùn)動(dòng)對(duì)自身產(chǎn)生的各種作用力和力矩等。
[0042]移動(dòng)系統(tǒng)和操作系統(tǒng)按照協(xié)調(diào)控制器的指令運(yùn)動(dòng)，并將機(jī)器人本體的信息實(shí)時(shí)的反饋給協(xié)調(diào)控制器。
[0043]協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)更新之后的機(jī)器人信息和環(huán)境、作業(yè)目標(biāo)信息，修正對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，形成閉環(huán)控制。
[0044]重復(fù)上述步驟，直到機(jī)器人完成任務(wù)。
[0045]以上所述的實(shí)施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的【具體實(shí)施方式】的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種仿人機(jī)器人手腿眼伺服控制的裝置，能夠基于手腿眼伺服協(xié)調(diào)控制，以增強(qiáng)機(jī)器人的移動(dòng)作業(yè)能力，所述裝置包括: 仿人機(jī)器人本體的視覺(jué)系統(tǒng)， 仿人機(jī)器人的雙足移動(dòng)系統(tǒng)， 仿人機(jī)器人的雙手操作系統(tǒng)，以及 基于手腿眼伺服的協(xié)調(diào)控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述仿人機(jī)器人本體的視覺(jué)系統(tǒng)包括: 由兩個(gè)高速攝像頭組成的嵌入式雙目視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，包括高速嵌入式DSP和FPGA，實(shí)現(xiàn)兩路PAL/NTSL制式攝像頭圖像的實(shí)時(shí)采集、處理、顯示和傳輸任務(wù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述仿人機(jī)器人的雙足移動(dòng)系統(tǒng)包括仿人機(jī)器人雙腿，每條腿包括六個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、橫移的基本運(yùn)動(dòng)功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述仿人機(jī)器人雙手操作系統(tǒng)包括仿人機(jī)器人雙手，每條手臂具有6個(gè)自由度，每只手有5個(gè)具有主動(dòng)關(guān)節(jié)的手指，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取，推，拉的基本操作功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述基于手腿眼伺服協(xié)調(diào)控制器能夠接收視覺(jué)系統(tǒng)采集的視覺(jué)信息，結(jié)合機(jī)器人自身狀態(tài)，針對(duì)操作任務(wù)，通過(guò)仿人機(jī)器人全身協(xié)調(diào)控制，規(guī)劃?rùn)C(jī)器人手部和腿部的運(yùn)動(dòng)軌跡。并實(shí)時(shí)的檢測(cè)機(jī)器人狀態(tài)變化，改變機(jī)器人的規(guī)劃數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述仿人機(jī)器人全身協(xié)調(diào)控制包括:考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)約束和動(dòng)力學(xué)約束所構(gòu)成的全身約束控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述運(yùn)動(dòng)學(xué)約束包括:機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)，機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍，機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)范圍，外界環(huán)境的幾何約束。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述動(dòng)力學(xué)約束包括:外界環(huán)境作用在機(jī)器人上面的外力，包括地面的支撐力，摩擦力，以及作業(yè)目標(biāo)和外界環(huán)境與機(jī)器人的接觸力，仿人機(jī)器人由于運(yùn)動(dòng)對(duì)自身產(chǎn)生的各種作用力和力矩。
9.一種使用權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的裝置的仿人機(jī)器人移動(dòng)中作業(yè)的控制方法，其步驟主要包括: 視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別環(huán)境信息，將所述環(huán)境信息發(fā)送給基于手腿眼伺服的協(xié)調(diào)控制器； 所述協(xié)調(diào)控制器分析視覺(jué)信息，并根據(jù)操作任務(wù)，在考慮機(jī)器人全身運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的條件下，實(shí)時(shí)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人手臂和腿部的運(yùn)動(dòng)； 使用雙手操作系統(tǒng)和雙足移動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行協(xié)調(diào)控制器發(fā)送的指令； 使用視覺(jué)系統(tǒng)根據(jù)視覺(jué)反饋的環(huán)境變化信息，調(diào)整規(guī)劃軌跡和參數(shù)，直到完成操作任務(wù)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種仿人機(jī)器人手腿眼伺服控制的裝置，即操作、移動(dòng)、視覺(jué)伺服控制的裝置，包括仿人機(jī)器人操作系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)以及手腿眼協(xié)調(diào)控制器。本發(fā)明還提供了一種上述裝置的控制方法，包括根據(jù)作業(yè)任務(wù)對(duì)仿人機(jī)器人進(jìn)行全身協(xié)調(diào)控制，充分發(fā)揮仿人機(jī)器人特有的優(yōu)勢(shì)。增加仿人機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)合以及環(huán)境適應(yīng)能力，提高仿人機(jī)器人的應(yīng)用性。
【IPC分類(lèi)】G05D3-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104656676
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410823152
【發(fā)明人】黃強(qiáng), 孟立波, 余張國(guó), 陳學(xué)超, 馬淦, 張偉民, 高峻峣
【申請(qǐng)人】北京理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2014年12月25日