本發(fā)明涉及機(jī)器人及控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于三自由度視覺平臺的移動(dòng)機(jī)器人及其控制方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人在工業(yè)、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。在很多情況下，移動(dòng)機(jī)器人的作業(yè)空間的信息是復(fù)雜未知的。移動(dòng)機(jī)器人想要實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，首先要求能夠?qū)ξ粗淖鳂I(yè)環(huán)境能進(jìn)行詳細(xì)地探測，掌握周圍環(huán)境信息，然后根據(jù)作業(yè)環(huán)境周圍圖像信息進(jìn)行規(guī)劃路徑、自動(dòng)避障和導(dǎo)航。視覺系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵的組成部分，并且發(fā)揮著不可替代的作用。

如今移動(dòng)機(jī)器人視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化單一，通常在移動(dòng)機(jī)器人外部放置多個(gè)視覺傳感器去獲取周圍環(huán)境信息，或者采用全景攝像頭等單個(gè)視覺傳感器獲取局部信息。同時(shí)現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)器人缺乏監(jiān)測自身安全狀況的視覺設(shè)備，不能夠定期自動(dòng)監(jiān)測移動(dòng)機(jī)器人外觀結(jié)構(gòu)的安全狀況。除此之外，現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)器人控制方法落后，不能將移動(dòng)機(jī)器人形狀模型動(dòng)態(tài)化，實(shí)時(shí)與障礙物信息進(jìn)行匹配。不能充分利用移動(dòng)機(jī)器人視覺平臺與機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)、路徑規(guī)劃、自動(dòng)避障相結(jié)合。

為此，設(shè)計(jì)含三自由度視覺平臺的移動(dòng)機(jī)器人及其控制方法，移動(dòng)機(jī)器人包含三自由度視覺平臺、移動(dòng)機(jī)器人主體、激光雷達(dá)、arduino板、工控機(jī)、慣性測量單元imu。所述三自由度視覺平臺包含伸縮、旋轉(zhuǎn)、俯仰三個(gè)自由度，只包含一個(gè)rgb-d相機(jī)。移動(dòng)機(jī)器人通過調(diào)整三自由度視覺平臺結(jié)構(gòu)來觀測所處周圍立體空間環(huán)境狀況，構(gòu)建三維環(huán)境地圖同時(shí)對移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行精確定位。根據(jù)初始化障礙物模型，識別障礙物信息，同時(shí)根據(jù)程序設(shè)置定期監(jiān)測移動(dòng)機(jī)器人安全狀況。在路徑規(guī)劃過程中，當(dāng)遇到特殊障礙物可以通過調(diào)整移動(dòng)機(jī)器人視覺平臺結(jié)構(gòu)，達(dá)到自動(dòng)避障和調(diào)整移動(dòng)機(jī)器人重心的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于三自由度視覺平臺的移動(dòng)機(jī)器人及其控制方法，移動(dòng)機(jī)器人能夠通過三自由度視覺平臺觀測移動(dòng)機(jī)器人所處立體空間和識別特殊目標(biāo)，同時(shí)可定期監(jiān)測移動(dòng)機(jī)器人主體狀況。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于三自由度視覺平臺的移動(dòng)機(jī)器人，包括三自由度視覺平臺、移動(dòng)機(jī)器人主體、激光雷達(dá)、arduino板、工控機(jī)、慣性測量單元；其中：

所述三自由度視覺平臺置于機(jī)器人主體上，三自由度視覺平臺包括伸縮平臺、旋轉(zhuǎn)平臺、俯仰平臺，所述俯仰平臺上安裝有rgb-d相機(jī)，伸縮平臺、旋轉(zhuǎn)平臺、俯仰平臺分別用于rgb-d相機(jī)實(shí)現(xiàn)伸縮、旋轉(zhuǎn)、俯仰三個(gè)自由度；

所述移動(dòng)機(jī)器人主體的底部設(shè)置有車輪；所述激光雷達(dá)固定于機(jī)器人主體前端，arduino板、工控機(jī)、慣性測量單元安裝于機(jī)器人主體上；

所述rgb-d相機(jī)、激光雷達(dá)、慣性測量單元均與工控機(jī)進(jìn)行信息傳輸。

進(jìn)一步的，所述伸縮平臺包括箱體、伸縮電機(jī)、二級斜齒輪減速器、一級套筒、二級套筒、絲杠；所述箱體安裝于底座上，底座固定在機(jī)器人主體的上表面；二級斜齒輪減速器設(shè)置于箱體內(nèi)，且固定在底座上；所述一級套筒安裝在箱體上，二級套筒安裝在絲杠上，且二級套筒位于絲杠上方，二級套筒與絲杠均設(shè)置在一級套筒內(nèi)，絲杠與所述二級斜齒輪減速器的輸出軸連接；所述伸縮電機(jī)的輸出端通過聯(lián)軸器與二級斜齒輪減速器的輸入軸相連，伸縮電機(jī)上安裝有第一編碼器。

進(jìn)一步的，所述一級套筒的底部通過螺栓及螺母安裝在箱體上。

進(jìn)一步的，所述螺母的中心線、絲杠的中心線、一級套筒與二級套筒的中心線相重合。

進(jìn)一步的，所述旋轉(zhuǎn)平臺包括第一殼體、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)云臺；所述第一殼體固定在二級套筒上端，第一殼體的內(nèi)安裝有第一蝸輪蝸桿減速器，第一蝸輪蝸桿減速器的上方為輸出軸；旋轉(zhuǎn)云臺為平板狀，且固定在第一蝸輪蝸桿減速器的輸出軸上；所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出端與所述第一蝸輪蝸桿減速器的輸入軸連接，旋轉(zhuǎn)電機(jī)固定在第一殼體上，旋轉(zhuǎn)電機(jī)上還安裝有第二編碼器。

進(jìn)一步的，所述第一殼體的一個(gè)側(cè)面設(shè)置有一個(gè)臺階，旋轉(zhuǎn)電機(jī)放置在該臺階上，且與第一殼體的側(cè)面固定。

進(jìn)一步的，所述俯仰平臺包括第二殼體、俯仰電機(jī)、俯仰云臺，所述第二殼體安裝在旋轉(zhuǎn)云臺上，俯仰電機(jī)固定在第二殼體的側(cè)面，并且俯仰電機(jī)的輸出端與設(shè)置在第二殼體內(nèi)的第二蝸輪蝸桿減速器的輸入軸相連，第二蝸輪蝸桿減速器的輸出軸與俯仰云臺相連，俯仰云臺上固定有rgb-d相機(jī)；俯仰電機(jī)上還安裝有第三編碼器。

一種上述的基于三自由度視覺平臺的移動(dòng)機(jī)器人的控制方法，包括以下步驟：

步驟一、將移動(dòng)機(jī)器人主體的三維模型、移動(dòng)機(jī)器人自身監(jiān)測軌跡和已有訓(xùn)練障礙物模型導(dǎo)入工控機(jī)程序作為初始化，同時(shí)建立移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)三維模型，移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)三維模型僅與伸縮電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、俯仰電機(jī)三個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)角變量相關(guān)；

步驟二、rgb-d相機(jī)采集的圖像信息傳輸至工控機(jī)，工控機(jī)對圖像進(jìn)行處理識別障礙物位置坐標(biāo)；同時(shí)利用pcl庫將圖像信息轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云信息，在ros操作系統(tǒng)下通過slam算法實(shí)時(shí)構(gòu)建移動(dòng)機(jī)器人周圍環(huán)境的三維柵格地圖，同時(shí)計(jì)算出移動(dòng)機(jī)器人實(shí)時(shí)位姿；

步驟三、激光雷達(dá)采集的環(huán)境信息以及慣性測量單元采集的位置信息傳輸至工控機(jī)；利用ros操作系統(tǒng)，將激光雷達(dá)采集的環(huán)境信息以及慣性測量單元采集的位置信息以及步驟二得到的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)時(shí)位姿進(jìn)行校正，得到移動(dòng)機(jī)器人的精準(zhǔn)位姿；

步驟四、參照步驟一建立的移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)三維模型、步驟二實(shí)時(shí)構(gòu)建的移動(dòng)機(jī)器人周圍環(huán)境的三維柵格地圖、步驟三得到的移動(dòng)機(jī)器人的精確位姿，根據(jù)執(zhí)行任務(wù)利用全局改進(jìn)人工勢場法和局部蟻群算法對路徑進(jìn)行規(guī)劃；

步驟五、根據(jù)工控機(jī)設(shè)置內(nèi)部程序，按照步驟一設(shè)置好的移動(dòng)機(jī)器人自身監(jiān)測軌跡，驅(qū)動(dòng)三自由度視覺平臺伸縮電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、俯仰電機(jī)，對移動(dòng)機(jī)器人主體進(jìn)行觀測；利用步驟二實(shí)時(shí)構(gòu)建的移動(dòng)機(jī)器人周圍環(huán)境的三維柵格地圖，與步驟一中的移動(dòng)機(jī)器人主體的三維模型進(jìn)行對比，監(jiān)測移動(dòng)機(jī)器人安全狀況。

進(jìn)一步的，在步驟四的路徑規(guī)劃中，在ros操作系統(tǒng)下將移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)模型與障礙物位姿進(jìn)行匹配，當(dāng)遇到拱形障礙物時(shí)，計(jì)算出是否能夠通過調(diào)整三自由度視覺平臺結(jié)構(gòu)使移動(dòng)機(jī)器人在不改變路徑條件下通過。

進(jìn)一步的，在步驟四的路徑規(guī)劃中，當(dāng)遇到斜坡路面時(shí)，能夠根據(jù)當(dāng)前環(huán)境驅(qū)動(dòng)三自由度視覺平臺伸縮電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、俯仰電機(jī)，改變移動(dòng)機(jī)器人重心。

有益效果：本發(fā)明提供的基于三自由度視覺平臺的移動(dòng)機(jī)器人及其控制方法，移動(dòng)機(jī)器人通過調(diào)整三自由度視覺平臺結(jié)構(gòu)能夠觀測移動(dòng)機(jī)器人周圍立體空間環(huán)境，識別環(huán)境中的障礙物信息和移動(dòng)機(jī)器人的精準(zhǔn)定位，同時(shí)能夠定期監(jiān)測移動(dòng)機(jī)器人安全狀況。利用ros操作系統(tǒng)將rgb-d相機(jī)與其他傳感器數(shù)據(jù)相融合，實(shí)時(shí)構(gòu)建三維環(huán)境地圖，同時(shí)建立移動(dòng)機(jī)器人整體動(dòng)態(tài)模型，實(shí)時(shí)與周圍環(huán)境相比配，根據(jù)現(xiàn)有路徑規(guī)劃方案做出包含三自由度視覺平臺結(jié)構(gòu)調(diào)整在內(nèi)的新的路徑規(guī)劃和自動(dòng)避障方案。工控機(jī)能夠?qū)⑾鄼C(jī)與其他傳感器數(shù)據(jù)相融合，實(shí)時(shí)構(gòu)建三維環(huán)境地圖，通過移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)模型與障礙物信息進(jìn)行匹配，做出包含三自由度視覺平臺結(jié)構(gòu)調(diào)整在內(nèi)的新的路徑規(guī)劃和自動(dòng)避障方案。將視覺平臺結(jié)構(gòu)調(diào)整和路徑規(guī)劃、自動(dòng)避障相結(jié)合，為研究復(fù)雜環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃和避障提供非常有效果的實(shí)驗(yàn)平臺。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的移動(dòng)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的三自由度視覺平臺結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的三自由度視覺平臺部分結(jié)構(gòu)位置示意圖；

圖4為本發(fā)明的移動(dòng)機(jī)器人控制框架示意圖。

圖中：1-三自由度視覺平臺，2-移動(dòng)機(jī)器人主體，3-激光雷達(dá)，4-arduino板，5-工控機(jī)，6-慣性測量單元imu，7-伸縮電機(jī)，8-第一編碼器，9-聯(lián)軸器，10-二級斜齒輪減速器，11-箱體，12-底座，13-螺母，14-絲杠，15-一級套筒，16-二級套筒，17-第一殼體，18-旋轉(zhuǎn)電機(jī)，19-第二編碼器，20-第一蝸輪蝸桿減速器，21-旋轉(zhuǎn)云臺，22-第二殼體，23-俯仰電機(jī)，24-第三編碼器，25-第二蝸輪蝸桿減速器，26-俯仰云臺，27-rgb-d相機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1-4，一種基于三自由度視覺平臺的移動(dòng)機(jī)器人，包括三自由度視覺平臺1、移動(dòng)機(jī)器人主體2、激光雷達(dá)3、arduino板4、工控機(jī)5、慣性測量單元imu6；其中：

三自由度視覺平臺1置于機(jī)器人主體2上，三自由度視覺平臺1包括伸縮平臺、旋轉(zhuǎn)平臺、俯仰平臺，俯仰平臺上安裝有rgb-d相機(jī)27，伸縮平臺、旋轉(zhuǎn)平臺、俯仰平臺分別用于rgb-d相機(jī)27實(shí)現(xiàn)在伸縮、旋轉(zhuǎn)、俯仰三個(gè)自由度；

移動(dòng)機(jī)器人主體2的底部設(shè)置有車輪；激光雷達(dá)3固定于機(jī)器人主體2前端，arduino板4、工控機(jī)5、慣性測量單元6安裝于機(jī)器人主體2上；激光雷達(dá)3用于采集環(huán)境信息，慣性測量單元6用于采集位置信息；

rgb-d相機(jī)27、激光雷達(dá)3、慣性測量單元6均與工控機(jī)5進(jìn)行信息傳輸。

伸縮平臺包括箱體11、伸縮電機(jī)7、二級斜齒輪減速器10、一級套筒15、二級套筒16、絲杠14；箱體11安裝于底座12上，底座12固定在機(jī)器人主體2的上表面；二級斜齒輪減速器10設(shè)置于箱體11內(nèi)，且固定在底座12上；一級套筒15安裝在箱體11上，二級套筒16安裝在絲杠14上，且二級套筒16位于絲杠14上方，二級套筒16與絲杠14均設(shè)置在一級套筒15內(nèi)，絲杠14與二級斜齒輪減速器10的輸出軸連接；伸縮電機(jī)7的輸出端通過聯(lián)軸器9與二級斜齒輪減速器10的輸入軸相連，伸縮電機(jī)7上安裝有第一編碼器8。伸縮電機(jī)7驅(qū)動(dòng)二級斜齒輪減速器10，并通過聯(lián)軸器9與絲杠14傳動(dòng)，二級套筒16在絲杠14的帶動(dòng)下，進(jìn)行上下伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)伸縮自由度。

一級套筒15的底部通過螺栓及螺母13安裝在箱體11上。螺母13的中心線、絲杠的中心線14、一級套筒15與二級套筒16的中心線相重合。

旋轉(zhuǎn)平臺包括第一殼體17、旋轉(zhuǎn)電機(jī)18、旋轉(zhuǎn)云臺21；第一殼體17固定在二級套筒16上端，第一殼體17的內(nèi)安裝有第一蝸輪蝸桿減速器20，第一蝸輪蝸桿減速器20的上方為輸出軸；旋轉(zhuǎn)云臺21為平板狀，且固定在第一蝸輪蝸桿減速器20的輸出軸上；旋轉(zhuǎn)電機(jī)18的輸出端與第一蝸輪蝸桿減速器20的輸入軸連接，旋轉(zhuǎn)電機(jī)18固定在第一殼體17上，旋轉(zhuǎn)電機(jī)18上還安裝有第二編碼器19。旋轉(zhuǎn)電機(jī)18驅(qū)動(dòng)第一蝸輪蝸桿減速器20，旋轉(zhuǎn)云臺21在第一蝸輪蝸桿減速器20的帶動(dòng)下，進(jìn)行水平方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)自由度。

第一殼體17的一個(gè)側(cè)面設(shè)置有一個(gè)臺階，旋轉(zhuǎn)電機(jī)18放置在該臺階上，且與第一殼體17的側(cè)面固定。

俯仰平臺包括第二殼體22、俯仰電機(jī)23、俯仰云臺26，第二殼體22安裝在旋轉(zhuǎn)云臺21上，俯仰電機(jī)23固定在第二殼體22的側(cè)面，并且俯仰電機(jī)23的輸出端與設(shè)置在第二殼體22內(nèi)的第二蝸輪蝸桿減速器25的輸入軸相連，第二蝸輪蝸桿減速器25的輸出軸與俯仰云臺26相連，俯仰云臺26上固定有rgb-d相機(jī)27；俯仰電機(jī)23上還安裝有第三編碼器24。俯仰電機(jī)23驅(qū)動(dòng)第二蝸輪蝸桿減速器25，俯仰云臺26在第二蝸輪蝸桿減速器25的帶動(dòng)下，進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)俯仰自由度。

上述的基于三自由度視覺平臺的移動(dòng)機(jī)器人的控制方法，包括以下步驟：

步驟一、將移動(dòng)機(jī)器人主體2的三維模型、移動(dòng)機(jī)器人自身監(jiān)測軌跡和已有訓(xùn)練障礙物模型導(dǎo)入工控機(jī)5程序作為初始化，同時(shí)建立移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)三維模型，移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)三維模型僅與伸縮電機(jī)7、旋轉(zhuǎn)電機(jī)18、俯仰電機(jī)23三個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)角變量相關(guān)；

步驟二、rgb-d相機(jī)27采集的圖像信息傳輸至工控機(jī)5，工控機(jī)5對圖像進(jìn)行處理識別障礙物位置坐標(biāo)；同時(shí)利用pcl庫將圖像信息轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云信息，在ros操作系統(tǒng)下通過slam算法實(shí)時(shí)構(gòu)建移動(dòng)機(jī)器人周圍環(huán)境的三維柵格地圖，同時(shí)計(jì)算出移動(dòng)機(jī)器人實(shí)時(shí)位姿；

步驟三、激光雷達(dá)3采集的環(huán)境信息以及慣性測量單元6采集的位置信息傳輸至工控機(jī)5；利用ros操作系統(tǒng)，將激光雷達(dá)3采集的環(huán)境信息以及慣性測量單元6采集的位置信息以及步驟二得到的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)時(shí)位姿進(jìn)行校正，得到移動(dòng)機(jī)器人的精準(zhǔn)位姿；

步驟四、參照步驟一建立的移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)三維模型、步驟二實(shí)時(shí)構(gòu)建的移動(dòng)機(jī)器人周圍環(huán)境的三維柵格地圖、步驟三得到的移動(dòng)機(jī)器人的精確位姿，根據(jù)執(zhí)行任務(wù)利用全局改進(jìn)人工勢場法和局部蟻群算法對路徑進(jìn)行規(guī)劃；

在步驟四的路徑規(guī)劃中，在ros操作系統(tǒng)下將移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)模型與障礙物位姿進(jìn)行匹配，當(dāng)遇到拱形障礙物時(shí)，計(jì)算出是否能夠通過調(diào)整三自由度視覺平臺結(jié)構(gòu)使移動(dòng)機(jī)器人在不改變路徑條件下通過；

在步驟四的路徑規(guī)劃中，當(dāng)遇到斜坡路面時(shí)，能夠根據(jù)當(dāng)前環(huán)境驅(qū)動(dòng)三自由度視覺平臺伸縮電機(jī)7、旋轉(zhuǎn)電機(jī)18、俯仰電機(jī)23，改變移動(dòng)機(jī)器人重心；

步驟五、根據(jù)工控機(jī)設(shè)置內(nèi)部程序，按照設(shè)置好的按照步驟一設(shè)置好的移動(dòng)機(jī)器人自身監(jiān)測軌跡，驅(qū)動(dòng)三自由度視覺平臺伸縮電機(jī)7、旋轉(zhuǎn)電機(jī)18、俯仰電機(jī)23，對移動(dòng)機(jī)器人主體2進(jìn)行觀測；利用步驟二實(shí)時(shí)構(gòu)建的移動(dòng)機(jī)器人周圍環(huán)境的三維柵格地圖，與步驟一中的移動(dòng)機(jī)器人主體2三維模型進(jìn)行對比，監(jiān)測移動(dòng)機(jī)器人安全狀況。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。