АНТРОПОМОРФНЫЙ МОБИЛЬНЫЙ РОБОТ

К заявке на полезную модель
МПК 14 В25J 13/00
АНТРОПОМОРФНЫЙ МОБИЛЬНЫЙ РОБОТ
Полезная модель относится к области робототехники и может быть использована для управления антропоморфным мобильным роботом, используемым в частности в качестве помощника, замещающего вспомогательный учебный персонал при организации и осуществлении учебного процесса, а также при проведении лабораторных работ в процессе обучения студентов.
Известен мобильный робот (патент США №6841963), содержащий множество бесконтактных датчиков, расположенных в ряд в нижней части его корпуса. Датчики служат для ориентации робота в пространстве. Позиционирование робота осуществляется посредством направляющих металлических полос, размещенных в полу рабочей зоны. Положение робота и его рабочих элементов рассчитывается блоком управления (БУ) с учетом образа рабочей зоны, заложенной в память БУ.
Недостатком известного технического решения является отсутствие системы технического зрения, которое может обеспечить ориентирование робота в пространстве без использования направляющих полос.
Известен антропоморфный робот (патент РФ №2361726), система управления которого содержит компьютер, размещенный в корпусе робота, с установленными на нем предварительно обученными нейронными сетями, узел технического зрения, состоящий из телекамер, установленных на голове робота, и блока обработки видеосигналов. Тактильные датчики расположены на внутренних поверхностях кистей робота и соединены с входами микроконтроллера. Световой маячок размещен на указательном пальце одной из кистей робота. Применение робота включает предварительное обучение трех нейронных сетей на выполнение задач, связанных с захватом и удержанием различных объектов, формирование конечной выборки изображений взаимного расположения робота и объекта и подбор соответствующих им значений углов поворота корпуса, манипуляторов и кистей робота, а также степеней сгибания пальцев и степеней искривления ладоней. Затем компьютеру ставят задачу, например «захват» объекта, с первой нейронной сети на микроконтроллер поступает сигнал со значениями углов поворота корпуса и манипуляторов робота для достижения касания объекта, вторая нейронная сеть корректирует эти углы, третья нейронная сеть выдает на микроконтроллер значения угла поворота кисти, степени сгибания пальцев и искривления плоскости ладони.
Недостатком данного робота является функциональная ограниченность из-за невозможности обнаружения и регистрации кратковременных выходов рабочих параметров за пределы поля допуска в широком диапазоне частот. Узел технического зрения не обеспечивает ориентирования робота в пространстве и его позиционирования с достаточной точностью.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является антропоморфный робот (патент на ПМ RU №124623, опубл. 10.02.2013 года), система управления которого содержит узел технического зрения, подключенный к входу компьютера и микроконтроллер, соединенный с компьютером, приводами робота и выходами тактильных датчиков. Робот дополнительно оснащен контактными и бесконтактными датчиками сбоев, установленными соответственно на линиях связи и интерфейсных шинах или в непосредственной близости до 1-2 см от линии связи или интерфейсной шины для обнаружения внутренних и внешних электромагнитных помех от источников сбоев в виде соединителей/разъемов, интерфейсных шин, шин управления, заземления и электропитания, при этом система выполнена с возможностью алгоритмической обработки сигналов с упомянутых датчиков сбоев.
Перед введением робота в эксплуатацию также необходимо провести предварительное обучение робота на «касание» и «охват» различных объектов с использованием узла технического зрения. Предварительное обучение производится оператором (человеком). Управление роботом осуществляется с компьютера через микроконтроллер посредством подачи сигналов на включение приводов. При этом качество охвата объекта контролирует микроконтроллер через наружные и внутренние чувствительные элементы тактильных датчиков. Введение датчиков сбоев позволяет более точно осуществлять захват роботом различных объектов.
Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности определения расстояния между роботом и препятствием и/или между манипулятором (рукой) робота и предметом, на который направлено действие. Указанный недостаток в некоторой степени нивелируется за счет предварительного обучения робота и наличия датчиков сбоев. Вместе с тем, предложенная конструкция усложняет эксплуатацию робота.
В основу полезной модели положена задача упрощения эксплуатации робота, в том числе путем исключения этапа предварительного обучения на «касание». Упрощение достигается за счет совершенствования узла технического зрения посредством введения дополнительной функции - определения расстояния до объекта.
Технический результат заключается в повышении точности позиционирования робота.
Заявленный технический результат достигается тем, что антропоморфный мобильный робот, содержащий тактильные датчики, выходы которых связаны с компьютером, размещенным в корпусе робота, узел технического зрения, связанный с компьютером, и состоящий из, по крайней мере, одной телекамеры, установленной на голове робота, и связанного с видеовыходом телекамеры устройства обработки видеосигналов, согласно полезной модели, снабжен датчиком перемещения, а устройство обработки видеосигналов выполнено в виде блока формирования контурного изображения, связанного с видеовыходом телекамеры, и блока расчета перемещения, вход которого связан с датчиком перемещения.
Возможность достижения заявленного технического результата обусловлена тем, что зная абсолютную величину, на которую осуществилось перемещение робота, и изменение линейных размеров изображения целевого объекта в плоскости изображения телекамеры, можно определить расстояние до объекта, реальные линейные размеры которого неизвестны.
Существо полезной модели будет понятно из последующего подробного пояснения на примере конкретной реализации со ссылкой на чертеж, где показана блок-схема робота.
Антропоморфный мобильный робот содержит тактильные датчики 1, выходы которых связаны с компьютером 2. Компьютер 2 размещен в корпусе робота (корпус на чертеже не показан). Узел технического зрения, связанный с компьютером 2, состоит из, по крайней мере, одной телекамеры 3, установленной на голове робота и устройства обработки видеосигналов, которое выполнено в виде блока 4 формирования контурного изображения и блока 5 расчета перемещения. Робот снабжен датчиком 6 перемещения. Вход блока 4 формирования контурного изображения связан с видеовыходом телекамеры 3, а вход блока 5 расчета перемещения - с датчиком 6 перемещения.
Каждый тактильный датчик 1 состоит из разделенных калибровочной пружиной наружного и внутреннего чувствительных элементов. Жесткость калибровочной пружины подбирают с учетом оптимальной степени сжатия для набора объектов различной формы и веса, которыми манипулирует робот.
Блок 4 формирования контурного изображения представляет собой блок пространственного дифференцирования видеосигнала и сравнения результата дифференцирования с пороговым значением. Устройства, предназначенные для выделения контуров объектов на телевизионном изображении и работающие в реальном масштабе времени широко известны. Известно также использование подобных устройств в системах технического зрения (см., например, патент РФ №2095756).
В случае выполнения нижней части антропоморфного робота (устройства перемещения) в виде тележки, датчик 6 перемещения может быть выполнен в виде счетчика числа оборотов колеса данной тележки. Блок 5 расчета перемещения в данном случае выполняется в виде простого вычислителя, определяющего перемещение (S) робота согласно формуле:
S=NЧ2πR,
где
N - число оборотов колеса тележки робота;
R - радиус колеса тележки робота.
В случае антропоморфного робота шагающего типа датчик 6 перемещения выполняется в виде счетчика шагов, а блок 5 выполняется в виде умножителя, производящего расчет перемещения робота умножением количество шагов на длину шага.
Как уже указывалось, в блоке 4 формирования контурного изображения осуществляется выделение на изображении границ между объектами и фоном, формируется контурное изображение. Контурное изображение формируется путем пространственного дифференцирования видеосигнала и сравнения результата дифференцирования с пороговым значением. Такой подход позволяет выделить граничные точки на изображении, т.е. точки, которые принадлежат границе между объектом и фоном.
Использование узла технического зрения, дополненного устройством обработки видеосигналов, которое выполнено в виде блока 4 формирования контурного изображения и блока 5 расчета перемещения обеспечивает автоматическое измерение расстояния до объектов, находящихся по ходу движения робота. Телекамера 3 закреплена впереди таким образом, что в поле зрения попадают объекты, возникающие по ходу движения. В каждый текущий момент времени (например, за каждый телевизионный кадр) на видеовыходе телекамеры 3 будет формироваться изображение, несущее информацию об объектах, находящихся по ходу движения. Телевизионный сигнал с видеовыхода поступает на вход блока 4 формирования контурного изображения. В блоке 4 осуществляется выделение на изображении границ между объектами и фоном, формируется контурное изображение. Контурное изображение формируется путем пространственного дифференцирования видеосигнала и сравнения результата дифференцирования с пороговым значением.
Контурный рисунок с выхода блока 4 поступает на вход блока памяти компьютера 2 и записывается в него. Затем в блок памяти компьютера 2 поступает информация о длине пройденного пути с выхода блока 5 расчета перемещения. Контурное изображение из блока памяти компьютера 2 считывается в процессор компьютера 2, в котором осуществляется анализ контурного изображения и измерение линейных размеров контурного рисунка объекта, находящегося в центре изображения. Затем через интервал времени t (кратный длительности телевизионного кадра) текущее телевизионное изображение с выхода телекамеры 3 при помощи блока 4 преобразуется в контурный рисунок и опять записывается в блок памяти компьютера 2. Затем туда же записываются показания о пройденном пути с выхода блока 5. Контурный рисунок с выхода блока памяти 4 считывается в процессор компьютера 2, который осуществляет анализ изображения и определение линейных размеров контурного изображения наблюдаемого объекта.
Вычисление расстояния до объекта в текущий момент времени осуществляется на основании известной формулы (см., например, патент РФ № 2095756):
0
0
D(t)=S(t)ЧN/(N(t)-N),
где
D(t) - расстояние до объекта;
S(t) - расстояние, на которое переместился робот;
0
N- размер изображения объекта до перемещения робота;
N(t) - размер изображения объекта после перемещения робота.
0
Данное выражение описывает способ определения расстояния до неподвижного объекта при помощи одной телекамеры на основании анализа размеров изображения объекта в плоскости изображения в моменты времени t и t.
При определении расстояния до объекта при помощи предложенного способа отпадает необходимость в предварительном определении реальных линейных размеров и ориентации объекта на наблюдаемой сцене. Это позволяет определять расстояние до объектов, линейные размеры которых заранее неизвестны.
Возможность определить расстояние до неподвижных объектов, реальные линейные размеры которых неизвестны, позволяет расширить функциональные возможности робота, при этом исключается необходимость предварительного обучения и занесения в карту памяти расстояний до обслуживаемых или иных целевых объектов.
Аналогичным образом определяется расстояние до объектов, с которыми проводятся манипуляции. В этом случае вместо линейных координат используются угловые координаты, определяемые с использованием тактильных датчиков 1. Расчет перемещения ведется в полярных координатах. В этом случае в качестве координат используются угол α, учитывающий поворот корпуса робота относительно его горизонтальной оси симметрии, угол β, учитывающий наклон корпуса робота по отношению к вертикали, угол γ, учитывающий угловую координату между плечевой частью манипулятора (руки) робота и его корпусом, угол δ, учитывающий угловую координату между плечевой и локтевой частями манипулятора робота.
Использование узла технического зрения, дополненного устройством обработки видеосигналов, которое выполнено в виде блока 4 формирования контурного изображения и блока 5 расчета перемещения обеспечивает точное измерение расстояния до объектов, находящихся по ходу движения робота. Применение полярной системы координат (углы α, β, γ, δ) для определения пространственного положения манипулятора робота позволит также точно определять положение касания без предварительного обучения робота.