[发明专利]一种面向太空服务机器人的手眼系统

说明书

技术领域

本发明为满足模拟太空失重环境下，利用机器人辅助宇航员完成一定任务的需要，解决服务机器人如何自主识别目标，自主定位目标，自主点击按钮的问题，在先锋移动机器人系统的平台上，提出并实现了基于视觉的移动机器人视觉反馈系统。在基于霍夫变换和Cam-shift跟踪算法等图像处理算法的基础上，提取目标图像特征，利用小孔成像原理建立的视觉测量模型，得出图像与目标的映射关系，实时获取目标点空间信息，从而控制机械手完成指定任务。

背景技术

随着科技的不断发展，人类将越来越多的进入太空。然而在太空失重的条件下，宇航员的工作将受到很多限制。于是宇航员可以通过脑电、肌电生物信号及语音信号发出作业任务和动作指令，让太空服务机器人代替宇航员出舱，并完成指定任务。为了验证上述多模式人机交互接口技术，就有必要开发具有一定智能的服务机器人。模拟在太空环境下，服务机器人在接受到宇航员发出的指令后自主对航天器控制面板进行操作。所以如何使服务机器人实现自主识别目标，自主定位目标，自主点击按钮的任务是需要解决的问题。

在面向太空服务的机器人方面，国内外专利发明几乎没有，2003年6月10日从美国的卡纳维拉尔角空军基地发射升空的勇气号火星探测器和机遇号火星探测器是一种太空机器人，于2004年1月4日在火星南半球的古谢夫陨石坑着陆。“勇气”号长1.6米、宽2.3米、高1.5米，重174千克。它的“大脑”是一台每秒能执行约2000万条指令的计算机。它的主要任务是探测火星上是否存在水和生命，并分析其物质成份，以推断火星能否通过改造适合生命生存。勇气号和机遇号都是着陆后进行侦查和探测，并没有在太空舱内实现为航天员服务。所以，我们这种面向太空的服务机器人是很有发展的必要。。

发明内容

本发明的目的在于，利用先锋移动机器人系统，设计了基于单目视觉的移动机器人手眼系统。通过霍夫变换和Cam-shift跟踪算法等数字图像处理方法，提取目标图像特征，再结合先验知识，并利用小孔成像原理建立的数学模型，实时得出目标的空间信息，从而完成目标的识别及引导机械手点击按钮的任务。详细说明该发明的技术内容：

参照图1,机器人根据给定的任务自主识别目标，自主定位目标，自主点击按钮的任务。图1为视觉系统位置控制原理框图。该系统通过图像采集及特征提取，完成从图像中抽取特征点在二维像平面上的坐标信息。然后利用目标和摄像头的几何模型，估计出目标与摄像头之间的位置关系。再将估计值与理想位置的误差传递给机器人控制器，控制器用该误差计算出机械手的控制信号，从而控制机械手完成任务。

本文在在已知目标信息的条件下利用摄像头获得的目标图片得到深度信息的基础上，建立单目视觉测距模型，进而提取出目标的物理形态和颜色特征。由于是通过颜色特征识别和轮廓的识别，提高了识别的准确性。在进行特征提取前，结合特征属性，对目标图像进行平滑，膨胀腐蚀等滤波处理。膨胀是将图像与核进行卷积，一般而言核是一个小的中间带有参考点的实心正方形或圆盘。腐蚀是膨胀的反操作，该操作要计算核区域像素的最小值。首先用图像颜色空间转换函数cvCvtColor将采集到的RGB图像转换为灰度图像。为了能够消除高频噪声对检测圆的干扰，再使用滤波函数cvSmooth对图像进行核大小为9×9的高斯卷积。最后用霍夫圆变换cvHoughCircles函数对图像进行圆检测。寻找圆弧圆心的累计分辨率设置为6，两个不同圆之间的最小距离设置为120，用于边缘阀值上限设置为36，累加器的阀值设置为85，最小圆半径设置为3，最大圆半径设置为250。

本发明与现有技术相比所具有的优点及效果，最好能从结构上进行分析，并具有适当的数据。

本发明专利所要解决的技术问题是，提供一种能够辅助宇航员完成一定任务需要基于视觉的移动机器人手眼系统。

本系统具有主控先锋机器人平台，同时还包括机械手臂，依附于机械手臂上的微型摄像头，以及模拟太空舱操作板和操作板上的控制按钮，电源模块。机器人平台采用P3-DX型先锋机器人，内部运行windowXP系统，以其作为控制核心，外围配置连接上相应的机械结构和电气结构，实现整体的手眼系统。机械手臂Robai公司的七自由的机械手，利用其提供的CytonC++API,从而搭建起机械手控制平台。微型摄像头采用直径不到1CM的Canon高清摄像头，通过USB口与机器人连接，实现对操作面板的图像采集和传输。太空舱操作板以及板上的控制按钮，自行开发研制并且布局，6个按钮分别为6种颜色，用于系统内部的识别控制，整个操作板用于模拟太空舱内的环境。