專利名稱：一種自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置及方法
技術領域：
本發明涉及機器人技術領域，特別是一種用于危險環境下自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置及方法。
背景技術：
自1954年美國G.C.Devol申請“通用重復型機器人”專利以來，機器人技術的內涵不斷豐富，外延不斷擴展，應用領域不斷擴大，逐漸成為一門集機械、電子、計算機、通訊、智能控制等諸多學科于一體的綜合性學科，被大量應用于工業、農業、軍事、空間、海洋、醫療衛生和家庭等眾多領域。
智能移動機器人是機器人的一個重要分支，是一個集人機交互、環境感知、規劃與決策、運動控制等多種功能于一體的綜合裝置。其特征是能通過傳感器感知環境和自身狀態，在半結構化環境或非結構化環境中自主運動，完成期望的任務。一方面智能移動機器人能在工業領域實現較大范圍的工件運輸，另一方面在非工業領域有廣泛的應用前景，如倉儲業的搬運機器人，巡邏保安機器人，迎賓導引機器人，醫用護理機器人等，特別是在危險環境下和在人類難以到達的環境下有著不可或缺的作用，如核輻射環境下的材料搬運機器人，星際探索機器人。所以智能移動機器人的研究引起越來越多的專家學者和工程技術人員的興趣，受到許多國家和研究機構的關注。
智能移動機器人的研究方向主要有體系結構，如何組織傳感器、計算機、執行器來完成預定的任務；多傳感器信息融合和環境建模，如何從不精確且數據量極大的傳感器數據中獲得所需的信息并感知所處的環境；定位導航和路徑規劃，如何獲知智能移動機器人自身的位置姿態和到達目標的路徑；運動控制，如何使執行器迅速、精確地執行運動指令。
在智能移動機器人的研究中，主要是集中在多傳感器信息融合和環境建模以及定位導航和路徑規劃方面。但是，集成移動功能和操作功能的智能移動機器人具有與環境互動的能力，能更好地適用環境和勝任更多的工作，尤其是在危險環境下和人類難以到達的環境下有著迫切的應用需求。
發明內容
本發明與一種智能移動機器人及其控制裝置有關，具體地說是用于輻射環境下的核材料搬運機器人，是一個控制智能移動機器人能夠自動地拾取目標物體的控制裝置。
本發明更確切地講與智能移動機器人的目標識別、路徑規劃和運動控制相關，包括通過CCD攝像機攝取的圖像信息識別目標物體，確定目標物體的位置和姿態，規劃智能移動機器人的運動路徑，以合適的姿態到達目標位置，控制機械手抓取目標物體。
本發明不限于用于輻射環境下的核材料的自動拾取，也可以是用于生化污染環境下的物體自動拾取或醫院傳染病房內的物體自動拾取。
一種自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置，其特征在于包含圖像采集處理裝置，雙輪差速驅動的智能移動機器人本體，具有垂直和水平方向兩個自由度的機械手，機械手裝有壓力傳感器，機械手由兩直流伺服電機控制，擁有獨立的控制器、驅動器；機械手安裝在智能移動機器人的正前方；在機械手的正上方，裝有CCD攝像機。
由CCD攝像機、圖像采集卡、工控PC機、顯示器，組成圖像的采集、處理、顯示裝置；控制裝置利用圖像處理裝置所提取的目標物體信息，進行運動規劃，協調控制智能移動機器人本體和機械手，自動完成目標物體的拾取。
所采用的圖像格式為4∶4∶4的YUV格式。
分割目標物體所利用的特征為灰度，或者顏色，或者灰度和顏色的組合。
用目標物體的重心代表目標物體自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置，用目標物體的主軸方向代表目標物體的姿態，并以此位置和姿態作為智能移動機器人本體所要達到的目標位置和姿態。
通過視覺自動獲取目標，自主動態生成路徑規劃，并將運動信息反饋到圖像處理模塊，構成視覺閉環運動控制，到達目標位置和目標姿態。
其機械手能以設定大小的力度拾取目標物體。
其機械手能感知到目標物體是否被成功拾取。
其機械手能根據拾取任務完成的情況，自動調節抓取力度的大小。
其智能移動機器人本體和機械手有各自獨立的運動控制器和驅動器。
其智能移動機器人本體和機械手由同一個上位機控制，即可以各自獨立工作，又可以協調完成任務。
圖1是智能移動機器人拾物裝置外觀示意性側視圖；圖2是智能移動機器人拾物裝置外觀示意性正視圖；圖3是拾物控制裝置的軟件模塊圖；圖4是自動拾取物體的智能移動機器人圖像采集處理顯示裝置構成框圖；圖5是自動拾取物體的智能移動機器人控制方法流程圖。
具體實施例方式
本發明集成了智能移動機器人的移動能力和操作能力，如圖1所示，1為智能移動機器人本體，在此示意圖中，是輪式移動機器人；但此發明的應用并不限于輪式移動機器人，也可應用于履帶式移動機器人或輪一履帶混合式移動機器人。
智能移動機器人本體具備以下幾種功能一、能在工作環境內按操作人員規劃好的路徑運動；二、能自主地在工作環境內運動，如漫游、避障、到達目標點等；三、能通過遙操作的方式在工作環境內移動。
如圖1所示，在智能移動機器人本體1的正前方，裝有一個機械手2，用以拾取物體，賦予整個裝置操作能力，機械手2具有垂直方向的上下運動和水平方向的開合運動的功能，并且能知其所處的上下位置和開合的程度，以及是否已經拾取到目標物體。
在圖1和圖2中，CCD攝像機3位于機械手2的頂端，CCD攝像機3攝取機械手2前面一定范圍內的圖像，其所攝圖像范圍的大小與CCD攝像機的安裝高度和鏡頭焦距有關。
圖3說明了拾物控制裝置的軟件模塊，其具體的工作過程如下攝取一幅圖像，圖像采集與目標物體信息提取agent101開始工作，或依照事先已標定好的目標物體特征值，或依照操作人員通過人機界面標示出的目標物體區域，獲得目標物體的特征值，分割出目標物體；考慮到智能移動機器人本體所帶計算機的運行速度和資源有限，同時又要求圖像采集與目標物體信息提取agent101具有實時處理的能力，所以目標物體的特征選取顏色或(和)灰度，而不考慮諸如紋理等需要通過很多計算才能獲得的特征。
分割出目標物體后，算出目標物體的重心位置，并求出目標物體的主軸方向；依據圖像坐標平面和工作環境坐標系對應關系，求得機器人本體應該達到的目標點坐標，和達到目標點時的姿態。
智能移動機器人本體控制agent102接收來自圖像采集與目標物體信息提取agent101的目標點的坐標和姿態，規劃和控制智能移動機器人本體的運動，經過一個周期后，將智能移動機器人本體的運動信息發送到圖像采集與目標物體信息提取agent101；利用此信息，圖像采集與目標物體信息提取agent101能在更精確的范圍內識別出目標物體，并更新目標物體的坐標和姿態，并傳給智能移動機器人本體控制agent102；如此循環往復，直至智能移動機器人以合適的姿態達到目標位置。
當移智能動機器人以合適的姿態到達目標位置后，激活機械手控制agent103，開始實施對目標物體的拾取操作；如果拾取成功，機械手控制agent103則發送拾取成功的信息到圖像采集與目標物體信息提取agent101，拾物操作結束；如果拾取失敗，機械手控制agent103更改夾持力大小的參數，發送拾取失敗信息給智能移動機器人本體控制agent102，智能移動機器人本體控制agent102控制機器人本體后退合適的距離，同時，機械手控制agent103還發送拾取失敗信息給圖像采集與目標物體信息提取agent101，讓其攝取圖像，開始新一輪拾物控制。
圖4的自動拾取物體的智能移動機器人圖像采集處理顯示裝置，由CCD攝像機、圖像采集卡、工控PC機、顯示器，組成圖像的采集、處理、顯示裝置，控制裝置利用圖像處理裝置所提取的目標物體信息，進行運動規劃，協調控制智能移動機器人本體和機械手，自動完成目標物體的拾取，其中，CCD攝像機與圖像采集卡互聯，圖像采集卡與工控PC機互聯，工控PC機與顯示器互聯。
具體的自動拾取物體的智能移動機器人控制方法流程見圖5。其步驟如下步驟S1，攝取一幀圖像，圖像采集與目標物體信息提取agent101開始工作；步驟S2，或依照事先已標定好的目標物體特征值，或依照操作人員通過人機界面標示出的目標物體區域，獲得目標物體的特征值，分割出目標物體，算出目標物體的重心位置，并求出目標物體的主軸方向；依據圖像坐標平面和工作環境坐標系對應關系，求得機器人本體應該達到的目標點坐標，和達到目標點時的姿態；步驟S3，控制移動機器人運動到拾物位置，智能移動機器人本體控制agent102接收來自圖像采集與目標物體信息提取agent101的目標點的坐標和姿態，規劃和控制智能移動機器人本體的運動，經過一個周期后，將智能移動機器人本體的運動信息發送到圖像采集與目標物體信息提取agent101；利用此信息，圖像采集與目標物體信息提取agent101能在更精確的范圍內識別出目標物體，并更新目標物體的坐標和姿態，并傳給智能移動機器人本體控制agent102；步驟S4，控制機械手拾取目標物體，當移智能動機器人以合適的姿態到達目標位置后，激活機械手控制agent103，開始實施對目標物體的拾取操作；如果拾取成功，機械手控制agent103則發送拾取成功的信息到圖像采集與目標物體信息提取agent101，拾物操作結束；如果拾取失敗，機械手控制agent103更改夾持力大小的參數，發送拾取失敗信息給智能移動機器人本體控制agent102，智能移動機器人本體控制agent102控制機器人本體后退合適的距離，同時，機械手控制agent103還發送拾取失敗信息給圖像采集與目標物體信息提取agent101，讓其攝取圖像，開始新一輪拾物控制。
實施例圖1和圖2的智能移動機器人本體寬50cm，長60cm，高56cm，后半部分是50cm×35cm的矩形，前半部分是半徑為25cm的半圓，側表面為半個16正面體；采用雙輪差速驅動加無動力導向輪的運動機構，驅動輪輪距為33cm，導向輪位于兩驅動輪軸線的中垂線上，在兩驅動輪軸線的前36cm處，兩個輪驅動帶有碼盤、運動控制DSP板和功率驅動板；本體帶有一塊研祥EC5-1621工控機主板，CPU主頻1M，內存256M，圖像采集裝置為大恒QP300圖像采集卡；本體還帶有16個超聲，16個紅外，以及傳感器信息采集DSP板。
機械手采用兩自由度直角坐標式的機械結構，其中垂直軸行程20cm，水平軸行程8cm，由兩直流伺服電機控制，帶有運動控制DSP板和功率驅動板。
CCD攝像機FS-482。
圖像獲取與處理以352×288的大小采集4∶4∶4的YUV格式的圖像，依據目標物體在Y上或UV上或YUV上的特征，分割出目標物體，求得目標物體的重心坐標和主軸方向，再利用事先獲得的圖像坐標系和環境坐標系的轉換矩陣，求得目標物體在環境空間中的位置和姿態。
智能移動機器人本體控制以目標物體的坐標和姿態作為機器人本體的目標位置和姿態，規劃機器人的路徑，生成控制命令發送到運動控制DSP板。
機械手控制先控制機械手垂直向下運動，到達設定位置后；控制機械手的開合運動，夾取目標物體，當機械手抓取到目標物體時所感受到的壓力達到預定值時，停止水平運動；控制機械手垂直向上運動，到達設定位置后，壓力未消失，夾取成功。
權利要求
1.一種自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置，其特征在于包含圖像采集處理裝置，雙輪差速驅動的智能移動機器人本體，具有垂直和水平方向兩個自由度的機械手，機械手裝有壓力傳感器，機械手由兩直流伺服電機控制，擁有獨立的控制器、驅動器；機械手安裝在智能移動機器人的正前方；在機械手的正上方，裝有CCD攝像機。
2.根據權利要求1的自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置，其特征在于，由CCD攝像機、圖像采集卡、工控PC機、顯示器，組成圖像的采集、處理、顯示裝置，控制裝置利用圖像處理裝置所提取的目標物體信息，進行運動規劃，協調控制智能移動機器人本體和機械手，自動完成目標物體的拾取，其中，CCD攝像機與圖像采集卡互聯，圖像采集卡與工控PC機互聯，工控PC機與顯示器互聯。
3.根據權利要求1的自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置，其特征在于，所采用的圖像格式為4:4:4的YUV格式。
4.根據權利要求1的自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置，其特征在于，分割目標物體所利用的特征為灰度，或者顏色，或者灰度和顏色的組合。
5.根據權利要求1的自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置，其特征在于，用目標物體的重心代表目標物體自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置，用目標物體的主軸方向代表目標物體的姿態，并以此位置和姿態作為智能移動機器人本體所要達到的目標位置和姿態。
6.根據權利要求1的自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置，其特征在于，通過視覺自動獲取目標，自主動態生成路徑規劃，并將運動信息反饋到圖像處理模塊，構成視覺閉環運動控制，到達目標位置和目標姿態。
7.根據權利要求1的自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置，其特征在于，其機械手能以設定大小的力度拾取目標物體。
8.根據權利要求1的自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置，其特征在于，其機械手能感知到目標物體是否被成功拾取。
9.根據權利要求1的自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置，其特征在于，其機械手能根據拾取任務完成的情況，自動調節抓取力度的大小。
10.根據權利要求1的自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置，其特征在于，其智能移動機器人本體和機械手有各自獨立的運動控制器和驅動器。
11.根據權利要求1的自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置，其特征在于，其智能移動機器人本體和機械手由同一個上位機控制，即可以各自獨立工作，又可以協調完成任務。
12.一種自動拾取物體的智能移動機器人控制方法，其步驟如下其步驟如下步驟S1，攝取一幀圖像，圖像采集與目標物體信息提取agent101開始工作；步驟S2，或依照事先已標定好的目標物體特征值，或依照操作人員通過人機界面標示出的目標物體區域，獲得目標物體的特征值，分割出目標物體，算出目標物體的重心位置，并求出目標物體的主軸方向；依據圖像坐標平面和工作環境坐標系對應關系，求得機器人本體應該達到的目標點坐標，和達到目標點時的姿態；步驟S3，控制移動機器人運動到拾物位置，智能移動機器人本體控制agent102接收來自圖像采集與目標物體信息提取agent101的目標點的坐標和姿態，規劃和控制智能移動機器人本體的運動，經過一個周期后，將智能移動機器人本體的運動信息發送到圖像采集與目標物體信息提取agent101；利用此信息，圖像采集與目標物體信息提取agent101能在更精確的范圍內識別出目標物體，并更新目標物體的坐標和姿態，并傳給智能移動機器人本體控制agent102；步驟S4，控制機械手拾取目標物體，當移智能動機器人以合適的姿態到達目標位置后，激活機械手控制agent103，開始實施對目標物體的拾取操作；如果拾取成功，機械手控制agent103則發送拾取成功的信息到圖像采集與目標物體信息提取agent101，拾物操作結束；如果拾取失敗，機械手控制agent103更改夾持力大小的參數，發送拾取失敗信息給智能移動機器人本體控制agent102，智能移動機器人本體控制agent102控制機器人本體后退合適的距離，同時，機械手控制agent103還發送拾取失敗信息給圖像采集與目標物體信息提取agent101，讓其攝取圖像，開始新一輪拾物控制。
全文摘要
本發明涉及機器人技術領域，特別是自動拾取物體的智能移動機器人控制裝置及方法。包含圖像采集處理裝置，雙輪差速驅動的智能移動機器人本體，具有垂直和水平方向兩個自由度的機械手，機械手裝有壓力傳感器，機械手由兩直流伺服電機控制，在機械手的正上方，裝有CCD攝像機。方法包括步驟S1，攝取一幀圖像；步驟S2，通過圖像處理獲得目標物體的位置與姿態；步驟S3，控制移動機器人運動到拾物位置；步驟S4，控制機械手拾取目標物體。本發明將智能移動機器人的移動功能和機械手的操作功能集成于一體，并能在半結構化環境或非結構化環境下工作。
文檔編號B25J5/00GK1846951SQ20051006496
公開日2006年10月18日 申請日期2005年4月11日 優先權日2005年4月11日
發明者原魁, 彭一準, 劉俊成, 周慶瑞 申請人:中國科學院自動化研究所