一种仿人机器人控制系统及机器人操纵方法

摘要

本发明提供了一种基于视觉和无线技术的仿人机器人控制系统。它包括本地设备和远程设备，本地设备包括视觉感知模块、本地控制模块、网络模块、电机控制模块，所述远程设备包括远程遥控模块和远程调试模块。本发明还提供了一种上述仿人机器人控制系统的机器人操纵方法。它包括本地控制模式、远程遥控模式、远程调试控制模式。本发明发挥了DSP高性能运算的特性，采用视觉反馈和无线传输技术，具备自主实时任务规划执行和在线优化识别与控制算法的能力。系统构架中，在物理上分离的智能控制模组和感知及行为执行模组的特点使其能够实时完成高层控制，具有计算效率高、调试方便等特点。能够方便地进行机器人研究开发任务，提高研究开发效率。

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于视觉和无线技术的仿人机器人控制系统。

背景技术

仿人机器人能够代替人类完成各种作业，并在很多方面可以扩展人类的能力，在服务、医疗、教育、娱乐等多个领域得到广泛应用。2000年本田公司推出的机器人ASIMO具有视觉和听觉的功能，能进行简单的人机交互，能平稳地行走和转弯、上下楼梯、在斜坡上行走、调整行走步调和步幅、改变行走速度、操作灯光开关和门把，甚至跳舞。

仿人机器人问题的研究涉及运动控制、环境感知、任务规划等，所有感知信息获取和控制信息执行都必须在机器人本体实现，大型的运算量要求机器人的主控芯片具有高速运算特性，在现有的仿人机器人中，DSP、ARM、PC104等嵌入式方案各有应用，其中DSP以其优异的浮点运算性能使机器人能实时处理视觉等传感器信息，应用前景广泛。然而在机器人开发过程中，DSP程序的修改调试操作极为频繁。DSP本身提供拖线仿真调试模式，但由于仿真不稳定的缺陷和机器人的运动范围广的特性，拖线仿真调试无法满足机器人开发需求；而直接对DSP内的程序进行擦除烧写，操作复杂并耗时严重，限制了DSP在机器人上的应用推广。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种操控调试方便的基于视觉和无线技术的仿人机器人控制系统。为此，本发明采用以下技术方案：它包括本地设备和远程设备；

所述本地设备包括以下几个组成部分：

1).视觉感知模块，该模块包括一个模拟视频摄像头、一个DSP视频采集单元，所述DSP视频采集单元完成视觉感知模块的信号采集并转换为数字信号，以未压缩或压缩图像格式存储；

2).本地控制模块：该模块包括一个DSP运算单元，所述DSP运算单元对图像进行处理计算，规划仿人机器人控制信息；

3).网络模块：该模块包括一个DSP网络单元和一个无线模块，所述DSP网络单元通过无线模块与远程设备连接，实现远程设备与仿人机器人间的信息通讯；

4).电机控制模块，该模块包括一个DSP串口单元和一块单片机电机驱动单元，所述DSP串口单元发送控制指令至单片机电机驱动单元，驱动仿人机器人动作执行；

所述远程设备包括以下几个组成部分：

5).远程遥控模块，该模块包括一个无线遥控单元，所述无线遥控单元通过无线网络发送控制指令，遥控仿人机器人运动；

6).远程调试模块，该模块包括一台远程计算机单元，所述远程计算机单元连接无线网络，所述远程计算机单元中设有以写有软件的固件或可装载软件的形式驻留在远程计算机单元中的图像处理模块和仿人机器人控制规划模块，图像和仿人机器人控制信息传送模块。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种上述仿人机器人控制系统的机器人操纵方法。为此，本发明采用以下技术方案：它包括本地控制模式、远程遥控模式、远程调试控制模式。

本地控制模式由视觉感知模块、本地控制模块和电机控制模块组成，所有模块均装载于机器人本体；控制模式包括以下步骤：

1).开启机器人；

2).视觉感知模块采集图像，图像数据贮留于内存中；

3).本地控制模块读取图像数据，对图像进行处理计算，规划仿人机器人控制信息，并发送控制指令到电机控制模块；

4).电机控制模块将收么的控制指令解析，驱动仿人机器人动作执行；

5).重复步骤2～4，实现仿人机器人全自主运动控制。

远程遥控模式由网络模块、电机控制模块和远程遥控模块组成，网络模块和电机控制模块装载于机器人本体，远程遥控模块装载于无线遥控工具中；控制模式包括以下步骤：

1).开启机器人；

2).网络模块组建无线网络；

3).远程遥控模块通过无线网络将控制指令传送到电机控制模块；

4).电机控制模块将收么的控制指令解析，驱动仿人机器人动作执行；

5).重复步骤3～4，实现遥控仿人机器人运动控制。

远程调试控制模式由视觉感知模块、网络模块、电机控制模块和远程调试模块组成，视觉感知模块、网络模块和电机控制模块装载于机器人本体，远程调试模块装载于远程计算机中；控制模式包括以下步骤：

1).开启机器人；

2).网络模块组建无线网络；

3).视觉感知模块采集图像，图像数据通过无线网络传送到远程调试模块；

4).远程调试模块对图像进行处理计算，规划仿人机器人控制信息，并通过无线网络传送控制指令到电机控制模块；

5).电机控制模块将收么的控制指令解析，驱动仿人机器人动作执行；

6).重复步骤3～5，实现远程调试仿人机器人运动控制。

由于采用本发明的技术方案，本发明中的基于无线技术的机器人控制系统克服了背景技术中的缺陷，同时发挥了DSP高性能运算的特性，本发明采用视觉反馈和无线传输技术，具备自主实时任务规划执行和在线优化识别与控制算法的能力。系统构架中，在物理上分离的智能控制模组和感知及行为执行模组的特点使其能够实时完成高层控制，具有计算效率高、调试方便等特点。应用本发明中的机器人控制系统能够方便地进行机器人视觉信息处理、机器人智能任务处理、机器人控制、多机器人信息交互、多机器人全局信息融合等机器人研究开发任务，提高研究开发效率。

附图说明

图1为本发明所提供的仿人机器人控制系统的系统组成框图。

图2为本发明所提供的仿人机器人控制系统的机器人操纵方法中本地控制模式、远程遥控模式、远程调试控制模式的控制流程图。

图3为本发明所提供的仿人机器人控制系统实现三种操控模式的分解组成框图。

图4为本发明所提供的仿人机器人控制系统的系统功能模组组成框图。

具体实施方式

参照附图1。本发明包括本地设备和远程设备，其中线框A内为本地设备，线框B内为远程设备。

所述本地设备包括以下几个组成部分：

1).视觉感知模块，该模块包括一个模拟视频摄像头、一个DSP视频采集单元，所述DSP视频采集单元完成视觉感知模块的信号采集并转换为数字信号，以未压缩或压缩图像格式存储；

2).本地控制模块：该模块包括一个DSP运算单元，所述DSP运算单元对图像进行处理计算，规划仿人机器人控制信息；

3).网络模块：该模块包括一个DSP网络单元和一个无线模块，所述DSP网络单元通过无线模块与远程设备连接，实现远程设备与仿人机器人间的信息通讯；

4).电机控制模块，该模块包括一个DSP串口单元和一块单片机电机驱动单元，所述DSP串口单元发送控制指令至单片机电机驱动单元，驱动仿人机器人动作执行；

所述远程设备包括以下几个组成部分：

5).远程遥控模块，该模块包括一个无线遥控单元，所述无线遥控单元通过无线网络发送控制指令，遥控仿人机器人运动；

6).远程调试模块，该模块包括一台远程计算机单元，所述远程计算机单元连接无线网络，所述远程计算机单元中设有以写有软件的固件或可装载软件的形式驻留在远程计算机单元中的图像处理模块和仿人机器人控制规划模块，图像和仿人机器人控制信息传送模块。

硬件上包括一块DSP电路板、一个模拟摄像头、一块无线模块、一个无线遥控工具和一台普通计算机，其中DSP电路板、模拟摄像头、无线模块安装于机器人本体，DSP电路板与摄像头通过模拟视频信号线相连，DSP电路板与无线模块通过RJ-45接口网线相连；DSP视频采集单元、DSP运算单元、DSP网络单元、DSP串口单元和单片机电机驱动单元以可装载软件的形式驻留在DSP电路板中，远程遥控模块以可装载软件的形式驻留在无线遥控工具中，远程调试模块以可装载软件的形式驻留在普通计算机中。

参照附图4。视觉感知模块、网络模块和电机控制模块组成感知及行为执行模组F，本地控制模块、远程遥控模块和远程调试模块组成智能控制模组G，在物理上实现底层机械电路执行与高层算法控制的分离。

本发明所提供的上述系统根据运行模式又可分为由能够运行于机器人本体的本地控制平台、运行于远程遥控单元的远程遥控平台和运行于远程计算机的远程调试控制平台构成的三平台机器人开发应用系统，可实现本地控制模式、远程遥控模式、远程调试控制模式等三种模式进行操控仿人机器人。从而实现系统的优化和有机组成。参照图3，其中，线框C内为上述本地控制平台，线框D为远程遥控平台，线框E内为远程调试控制平台

参照图3，在平台组成上，本地控制平台、远程遥控平台和远程监控平台共用感知及行为执行模组，本地控制平台采用智能控制模组中的本地控制模块实现本地应用控制模式，远程遥控平台采用智能控制模组中的远程遥控模块实现远程遥控模式，远程调试控制平台采用智能控制模组中的远程监控模块实现远程开发控制模式，三种模式通过机器人本体上的开关来控制切换，如图3所示；本地控制平台采用DSP本地应用控制模式：视觉感知模块获取图像，由本地控制模块进行处理规划后发送控制信息给电机控制模块，由电机控制模块驱动机器人执行动作，最终实现机器人智能完成任务；远程遥控平台采用远程遥控模式：由人工控制远程遥控模块得到控制指令后通过无线网络传送控制信息返回机器人本体，由电机控制模块驱动机器人执行动作；远程调试控制平台采用DSP远程开发控制模式：视觉感知模块获取图像，通过无线网络传送图像到远程计算机，由远程计算机进行处理规划后通过无线网络传送控制信息返回机器人本体，由电机控制模块驱动机器人执行动作，最终实现机器人智能完成任务。

参照附图2。所述本地控制模式包括以下步骤：

1).开启机器人；

2).视觉感知模块采集图像，图像数据贮留于内存中；

3).本地控制模块读取图像数据，对图像进行处理计算，规划仿人机器人控制信息，并发送控制指令到电机控制模块；

4).电机控制模块将收么的控制指令解析，驱动仿人机器人动作执行；

5).重复步骤2～4，实现仿人机器人全自主运动控制。

所述远程遥控模式包括以下步骤：

1).开启机器人；

2).网络模块组建无线网络；

3).远程遥控模块通过无线网络将控制指令传送到电机控制模块；

4).电机控制模块将收么的控制指令解析，驱动仿人机器人动作执行；

5).重复步骤3～4，实现遥控仿人机器人运动控制。

所述远程调试控制模式包括以下步骤：

1).开启机器人；

2).网络模块组建无线网络；

3).视觉感知模块采集图像，图像数据通过无线网络传送到远程调试模块；

4).远程调试模块对图像进行处理计算，规划仿人机器人控制信息，并通过无线网络传送控制指令到电机控制模块；

5).电机控制模块将收么的控制指令解析，驱动仿人机器人动作执行；

6).重复步骤3～5，实现远程调试仿人机器人运动控制。