基于光学动作捕捉的机器人远程控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光学动作捕捉的机器人远程控制系统及方法，所述系统包括：光学动作捕捉模块，用于使用光学设备采集用户的动作；动作捕捉模块，用于根据用户的动作计算用户的位置和姿态；机器人控制模块，用于根据用户的位置和姿态计算当前机器人运动所需的位移及角度。本发明专利技术方案使用光学装置实现对用户动作的捕捉，根据用户的动作计算用户的位置和姿态，再使用用户的位置和姿态计算当前机器人运动所需的位移及角度，可远程控制机器人进入人类无法适应的环境中完成工作，从而避免自身受到伤害。

【技术实现步骤摘要】
基于光学动作捕捉的机器人远程控制系统及方法
本专利技术涉及机器人远程控制，具体涉及基于光学动作捕捉的机器人远程控制系统及方法。
技术介绍
21世纪以来，随着机器人技术的不断成熟，机器人技术得到了更广泛的应用。从工业机器人发展到服务型机器人，机器人逐渐走入了人们的日常生活当中，给我们带来了诸多方便。如清洁、导游、自助服务等。随着人类物质生活水平的提高及精神生活的日益丰富，未来机器人将跟人类更密切的联系在一起。目前，机器人控制方式可归纳为三种：智能控制，本地控制和远程控制。智能控制是最高级的控制方式，即让机器人根据自主意识控制自己行为。智能控制受认知科学、神经网络及诸多学科的限制，目前尚处于探索研究阶段。本地控制，是操作人员通过控制设备，现场控制机器人。这种控制方式已广泛使用在工业生产中。远程控制，也称为遥操作，即在看不到机器人的情况下，通过控制设备，远程控制机器人。随着人类探索自然的脚步的不断迈进，所面临的工作环境也越来越恶劣，例如核工作、深海作业及太空探索。因此，远程控制越来越突显出其重要性。人类通过远程控制机器人进入自身无法适应的环境中完成工作，从而避免自身受到伤害。目前，机器人远程控制绝大部分是基于个人电脑的。与此同时，硬件技术和动作捕捉技术的突飞猛进，使得动作捕捉可以获取用户动作，为机器人远程控制提供了一种新的思路—利用动作捕捉技术，取代个人电脑作为控制端，从而提高控制端的灵活性。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术的不足，尤其解决现有的解决现有机器人远程控制技术仅局限于个人电脑端，远程控制控制方式单一且无法拟人化的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于光学动作捕捉的机器人远程控制系统，其中，所述基于光学动作捕捉的机器人远程控制系统包括：光学动作捕捉模块，用于使用光学设备采集用户的动作；动作捕捉模块，用于根据用户的动作计算用户的位置和姿态；机器人控制模块，用于根据用户的位置和姿态计算当前机器人运动所需的位移及角度。进一步地，所述光学动作捕捉模块包括反光mark标记以及光学摄像机，所述反光mark标记贴在用户关节处；所述光学摄像机用于追踪反光mark标记的运动来捕捉用户动作。本专利技术还提供一种基于光学动作捕捉的机器人远程控制方法，其中，所述基于光学动作捕捉的机器人远程控制方法包括：S1，使用光学设备采集用户的动作；S2，根据用户的动作计算用户的位置和姿态；S3，根据用户的位置和姿态计算当前机器人运动所需的位移及角度。进一步地，所述根据用户的动作计算用户的位置和姿态操作还包括：坐标标定、轮廓提取、动作跟踪操作。本专利技术方案使用光学装置实现对用户动作的捕捉，根据用户的动作计算用户的位置和姿态，再使用用户的位置和姿态计算当前机器人运动所需的位移及角度，可远程控制机器人进入人类无法适应的环境中完成工作，从而避免自身受到伤害。附图说明图1是本专利技术的一个具体实施例的基于光学动作捕捉的机器人远程控制系统示意图。图2为本专利技术的一个具体实施方式中基于光学动作捕捉的机器人远程控制方法的流程图。图3为本专利技术的一个具体实施例中四连通区域和八连通区域图。图4为本专利技术的一个具体实施例中跟踪区域选择示意图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术进行更加详细与完整的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。图1是根据本专利技术的实施例的基于光学动作捕捉的机器人远程控制系统示意图。参照图1，所述基于光学动作捕捉的机器人远程控制系统包括：光学动作捕捉模块10，用于使用光学设备采集用户的动作；动作捕捉模块20，用于根据用户的动作计算用户的位置和姿态；机器人控制模块30，用于根据用户的位置和姿态计算当前机器人运动所需的位移及角度。此外，所述光学动作捕捉装置10包括反光mark标记101以及光学摄像机102，所述反光mark标记101贴在用户关节处；所述光学摄像机102用于追踪反光mark标记101的运动来捕捉用户动作。相对应的，本专利技术还提供一种基于光学动作捕捉的机器人远程控制方法，具体请参照图2，其是本专利技术的实施例的基于光学动作捕捉的机器人远程控制方法的流程图。参照图2，根据本专利技术的实施例的基于光学动作捕捉的机器人远程控制方法包括：S1、使用光学设备采集用户的动作；S2、根据用户的动作计算用户的位置和姿态；S3、根据用户的位置和姿态计算当前机器人运动所需的位移及角度。具体而言，本专利技术的实施例描述如下：S1：使用光学设备采集用户的动作，其具体过程描述如下：用户将反光mark标记贴在用户的主要关节处，由多个光学摄像机发出的LED照射光经mark标记反射至光学摄像机，进行反光mark标记的检测和空间定位。S2：根据用户的动作计算用户的位置和姿态操作还包括：坐标标定、轮廓提取、动作跟踪操作，具体过程描述如下：S21：坐标标定：首先将现实世界中的用户坐标与图像成像的坐标进行标定，图像中的二维像素点p的坐标p＝(u,v)T对应的空间点P的空间坐标表示为P＝(xw,yw,zw)T，像素点p和空间点P的齐次坐标分别表示为和则图像坐标与空间坐标存在下面的变换关系：K是内参数矩阵，R，T是外参数矩阵，fu和fv是尺度因子，[u0,v0]是主点坐标，γ是畸变因子，s是尺度因子。因此，一旦计算出内参数矩阵和外参数矩阵的值，即可从图像坐标反推得到空间坐标。本实施例中，采用多处标定有固定长度的参照物体的图像对参数矩阵进行求解。S22：轮廓查找：轮廓查找使用八连通或四连通区域，其原理参照图3，四连通和八连通的原理对照图。图中的0是中心像素点所在的位置就是四连通或八连通区域，即四连通区域指0的上下左右四个点，八连通还包含左上角、右上角、左下角和右下角四个位置，故八连通区域包含了四连通区域。一个轮廓一般对应一系列的点，也就是图像中的一条曲线，是通过顺序找出边缘点来跟踪边界的。由于每个区域内的像素值相同，可通过四连通或八连通区域进行轮廓查找。四连通和八连通可标注二进制图像中已连接的部分，语法实现为L＝(BW,n)[L,num]。其中BW为输入图像；n可取值为4或8表示连接四连通或八连通区域；num为找到的连通区域数目；L为输出图像矩阵,其元素值为整数,背景被标记为0，第一个连通区域被标记为1，第二个连通区域被标记为2，依此类推。轮廓查找结束后，会得到多个轮廓，通过最大轮廓定义筛选获取唯一的轮廓作为用户轮廓，并用于后续的动作跟踪。S23：动作跟踪：参照图4，本专利技术的一个实施例的跟踪区域选择示意图。本专利技术以手掌跟踪为例，分别选取指尖坐标x、y值的组成一个坐标作为左上角点，宽度和高度取水平垂直最长距离的最小值。A点与B点则分别为指尖的左上角点与右下角点，(Ax,Ay)和(Bx,By)分别为A点与B点的坐标值，再对两点进行差值运算，通过最小化公式MIN(|Ax-Bx|,|Ay-By|)计算得出跟踪范围。S3、根据用户的位置和姿态计算当前机器人运动所需的位移及角度，具体过程描述如下：S31：结合机器人本体结构，建立焊接机器人杆件坐标系，建立机器人运动学矩阵。S32：运动学矩阵矩阵的逆变换逐次左乘机器人相邻连杆间的坐标变换矩阵，以便将关节变量分离出来，从而解出关节变量。上述为本专利技术较佳的实施方式，但本专利技术的实施方式并不受上述内容的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光学动作捕捉的机器人远程控制系统，其特征在于，所述系统包括：光学动作捕捉模块，用于使用光学设备采集用户的动作；动作捕捉模块，用于根据用户的动作计算用户的位置和姿态；机器人控制模块，用于根据用户的位置和姿态计算当前机器人运动所需的位移及角度。

【技术特征摘要】
1.一种基于光学动作捕捉的机器人远程控制系统，其特征在于，所述系统包括：光学动作捕捉模块，用于使用光学设备采集用户的动作；动作捕捉模块，用于根据用户的动作计算用户的位置和姿态；机器人控制模块，用于根据用户的位置和姿态计算当前机器人运动所需的位移及角度。2.根据权利要求1所述的基于光学动作捕捉的机器人远程控制系统，其特征在于，所述光学动作捕捉模块包括反光mark标记以及光学摄像机，所述反光mark标记贴在用户关节处；所述光学摄...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈墩金，覃争鸣，
申请(专利权)人：广州映博智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44