一种自主类人双臂机器人及其对运动目标的跟踪操作系统技术方案

本发明专利技术公开了一种自主类人双臂机器人，其包括头部、双轮差速驱动移动平台、七自由度类人双臂、移动目标模拟平台、PTZ摄像头系统；双轮差速驱动移动平台里设有里程计，二维激光雷达系统，超声波避障传感器系统、双目视觉测量系统和PTZ摄像头系统。本发明专利技术的优点：利用双轮差速驱动移动平台和高冗余类人双臂机器人组成一个基于ROS操作系统的高冗余类人双臂移动服务机器人系统；提出了一种先进的基于整体性速度分解控制算法对该高冗余类人双臂移动服务机器人进行整体性运动规划方法；建立基于PTZ视觉系统和激光传感器系统多模态信息融合的目标捕获辨识和抓取系统；提出一种基于三维C空间的增强型概率地图改进型A*算法的路径规划方法。

【技术实现步骤摘要】
一种自主类人双臂机器人及其对运动目标的跟踪操作系统
本专利技术涉及一种自主类人双臂机器人及其对运动目标的跟踪操作系统，属于机器人

技术介绍
类人双臂移动服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术的集成体。类人双臂机器人并不是简单的把两个单臂机器人组合在一起，而是将其作为一个独立的机器人系统，类人双臂之间存在着高度的协同关系。人型化的服务机器人拥有着人体手臂一样的高冗余双臂系统，而双臂协调操作是提高机器人系统操作能力、负载能力、可靠性及扩展操作空间的有效途径。我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》将在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能服务机器人作为未来15年前沿申请技术，并将类人服务机器人作为我国重点发展的对象。不同于一般工业机器人固定在特定位置做着重复性高精度的运动，服务机器人具有灵活的运动机构，可以随时运动到需要的地方，包括一些对于普通人来说不易到达的地方和角落，完成人或智能系统预先设置指定的工作。目前社会对实际可用的家庭类人服务机器人的需求日益迫切，尤其随着全球人口老龄化进程的加速，对配有类人双臂的自主移动机器人及其相关技术的研发更具有急切的现实意义。我国的老龄化现象非常严重，据统计，到2012年底，我国60岁以上老年人占全部人口的比例高达14.3％，预计到2050年，这一比例将超过30％。为了护理老年人、残疾人等行动不便人士，对家庭环境中常见物体的抓取，成为家庭类人服务机器人不可或缺的重要功能需求。因此高冗余类人双臂移动服务机器人协调运动控制和基于多模态传感器信息融合的抓取机理的研究成为当今机器人发展的一个主要方向。高冗余类人双臂移动服务机器人的应用增强了机器人对复杂任务的适应性，提高了机器人对工作空间的利用率。类人双臂无碰撞路径规划方法可以使机器人类人双臂运动过程中互不相碰，扩大了机器人工作空间，可应用于家庭移动类人服务机器人和与机械手臂生产实践相关的领域，具有很广阔的研究和实际应用价值。多传感器信息融合技术通过对多类同构或异构传感器数据进行综合，形成比单一信源更可靠、更完全的融合信息。基于多模态信息融合的物体识别和抓取规划一直是图像处理、机器视觉、深度信息处理、机器学习、人工智能等领域的研究焦点，也是类人双臂移动服务机器人动态目标追踪研究中至关重要的环节，其中较典型的信息主要是图像信息和深度信息。一个典型的识别系统一般包含数据预处理、特征提取、特征匹配等部分，在机器视觉领域分别对应低层视觉、中层视觉与高层视觉。数据预处理一般是对数据进行滤波，去除噪声，图像增强或复原等，为下一步的特征提取做准备。特征提取是物体识别的关键，物体特征应具有类内的一致性与类间的区分性，常用的特征包括轮廓特征、颜色特征、形状特征等。为了方便下一步的特征匹配，常常将特征提取的结果表示成一定维度的向量，从而在一定意义上将物体的识别与匹配转换为在特征向量空间里对最近邻的搜索和对特征空间的划分问题，一般需要综合利用多种机器学习与人工智能算法，例如人工神经网络、支持向量机、贝叶斯分类器等。按照被识别对象的种类，可以将物体识别方法分为对特定物体的识别与对一般物体的识别。本申请以基于激光传感器的深度信息和视觉传感器的图像信息进行融合进行运动目标检测用于对运动目标的跟踪抓取操作，在移动服务机器人领域有着重要的意义与应用价值。机器人的运动规划经过多年发展，形成了基于栅格的方法、基于图搜索的方法、基于势场的方法和和基于随机采样的方法等多种不同的规划方法。家庭环境下的智能抓取机器人一般由移动基与一条或多条机械臂构成，整体自由度往往达到十个甚至几十个，由于机器人运动规划的复杂度会随着机器人的自由度指数增长，机器人的高自由度会给整体性运动规划带来“维数灾难(dimensioncurse)”问题。尽管基于随机采样的方法在高自由度机器人的运动规划方面取得了很大的成功，但考虑到机器人抓取的实时性要求，如何提高高自由度机器人的运动规划效率仍然是一个需要解决的问题。对于由移动基与多机械臂构成的移动抓取系统，移动平台与多机械臂的运动同步性往往难以保证，因此解决移动抓取问题常采用的策略是先使移动平台运动到靠近物体的位置，再用多机械臂完成协调抓取。在该过程中，如何确定移动平台的目标位置以使得该位置处多机械臂能更好地协调完成抓取操作工作尤为关键。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题，在于提供一种自主类人双臂机器人及其对运动目标的跟踪操作系统，针对高冗余类人双臂移动服务机器人的运动特性和操作特点，建立三维高冗余类人双臂移动服务机器人的各个臂坐标系，用表达式表示出类人双臂机器人机械臂顶端执行器姿态和位置。建立正向运动的数学模型，通过数学运算推导和讨论求出待求量：类人双臂机器人机械手的位姿；建立逆向运动的数学模型，并通过数学运算推导和讨论求出各个关节的运动变量。在三维运动模型基础上对整体性运动规划进行研究，提出整体性分解运动速度协调控制算法，实现移动平台和类人双臂移动服务机器人末端执行器的协调运动控制；提出一种基于图像信息和深度信息多模态数据融合的目标姿态估计及抓取规划方案，主要目的在于移动类人双臂机器人更为有效的对运动目标进行快速精确的识别，自动实现对目标的捕获、辨识和跟踪，在目标较远和范围较大的情况下采用视觉图像系统对目标进行识别，即采用该机器人自有三摄像头系统和安装在移动平台上的PTZ摄像头系统进行目标的识别，在抓取时为辅助传感；在目标较近距离时采用Gocator2380激光传感器进行目标的捕获、辨识、定位和跟踪抓取操作任务；提出一种新的高冗余类人双臂移动服务机器人和非合作目标追踪方式，降低高冗余类人双臂移动服务机器人的追踪速度及其相对速度；设计非线性追踪算法，提高系统的快速性和鲁棒性，实现高冗余类人双臂移动服务机器人对目标的全局渐近稳定和快速追踪；探索对具有高冗余自由度类人双臂移动服务机器人的整体性运动规划方法，提高高冗余类人双臂移动服务机器人的自主任务规划和控制能力。本专利技术通过下述方案实现：一种自主类人双臂机器人，其包括头部、双轮差速驱动移动平台、七自由度类人双臂、移动目标模拟平台、PTZ摄像头系统；所述双轮差速驱动移动平台里设有里程计，二维激光雷达系统，超声波避障传感器系统、双目视觉测量系统和PTZ摄像头系统；所述移动目标模拟平台，模拟目标在X-Y平面的运动，然后设计一个在Z向运动的机构安装在机器人本体上；所述七自由度类人双臂的末端执行器内设有红外感应器和力矩感应器，所述头部内设有三个视觉感应器，所述七自由度类人双臂包括S0肩关节，S1肩关节，E0肘关节，E1肘关节，W0腕关节，W1腕关节和W2腕关节。所述S0肩关节的运动范围为-141°～+51°，S1肩关节的运动范围为-123°～+60°，E0肘关节的运动范围为-173.5°～+173.5°，E1肘关节的运动范围为-3°～+150°，W0腕关节的运动范围为-175.25°～+175.25°，W1腕关节的运动范围为-90°～+120°和W2腕关节的运动范围为-175.25°～+175.25°。一种自主类人双臂机器人对运动目标的跟踪操作系统，其包括高冗余类人双臂移动服务机器人系统的构建、运动模型的构建、基于整体性速度分解控制算法高冗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自主类人双臂机器人，其特征在于：其包括头部(1)、双轮差速驱动移动平台(2)、七自由度类人双臂(3)、移动目标模拟平台、PTZ摄像头系统；所述双轮差速驱动移动平台(2)里设有里程计，二维激光雷达系统，超声波避障传感器系统、双目视觉测量系统和PTZ摄像头系统；所述移动目标模拟平台，模拟目标在X‑Y平面的运动，然后设计一个在Z向运动的机构安装在机器人本体上；所述七自由度类人双臂(3)的末端执行器内设有红外感应器和力矩感应器，所述头部(1)内设有三个视觉感应器，所述七自由度类人双臂(3)包括S0肩关节(4)，S1肩关节(5)，E0肘关节(6)，E1肘关节(7)，W0腕关节(8)，W1腕关节(9)和W2腕关节(10)。

【技术特征摘要】
1.一种自主类人双臂机器人，其特征在于：其包括头部(1)、双轮差速驱动移动平台(2)、七自由度类人双臂(3)、移动目标模拟平台、PTZ摄像头系统；所述双轮差速驱动移动平台(2)里设有里程计，二维激光雷达系统，超声波避障传感器系统、双目视觉测量系统和PTZ摄像头系统；所述移动目标模拟平台，模拟目标在X-Y平面的运动，然后设计一个在Z向运动的机构安装在机器人本体上；所述七自由度类人双臂(3)的末端执行器内设有红外感应器和力矩感应器，所述头部(1)内设有三个视觉感应器，所述七自由度类人双臂(3)包括S0肩关节(4)，S1肩关节(5)，E0肘关节(6)，E1肘关节(7)，W0腕关节(8)，W1腕关节(9)和W2腕关节(10)。2.根据权利要求1所述的一种自主类人双臂机器人及其对运动目标的跟踪操作系统，其特征在于：所述S0肩关节(4)的运动范围为-141°～+51°，S1肩关节(5)的运动范围为-123°～+60°，E0肘关节(6)的运动范围为-173.5°～+173.5°，E1肘关节(7)的运动范围为-3°～+150°，W0腕关节(8)的运动范围为-175.25°～+175.25°，W1腕关节(9)的运动范围为-90°～+120°和W2腕关节(10)的运动范围为-175.25°～+175.25°。3.一种自主类人双臂机器人对运动目标的跟踪操作系统，其特征在于：其包括高冗余类人双臂移动服务机器人系统的构建、运动模型的构建、基于整体性速度分解控制算法高冗余类人双臂移动服务机器人的系统仿真、基于PTZ视觉系统图像信息和基于激光传感器深度信息的多模态数据融合的目标捕获辨识和抓取系统、基于三维C空间的增强概率地图改进型A*算法的路径规划研究、高冗余类人双臂移动服务机器人双臂末端执行器前置跟踪运动目标研究，高冗余类人双臂移动服务机器人系统的构建：双轮差速驱动移动平台(2)、七自由度类人双臂(3)组成基于ROS系统的高冗余三维类人双臂移动服务机器人，该机器人系统拥有16个自由度，其中类人手臂各七个自由度，移动平台两个自由度，完全满足类人双臂末端执行器对运动目标的跟踪操作要求；运动模型的构建：包括建立双轮差速驱动平台运动模型、固定类人双臂机器人运动模型和高冗余类人双臂移动服务机器人运动模型；基于PTZ视觉系统图像信息和基于激光传感器深度信息的多模态数据融合的目标捕获辨识和抓取系统：其包括一、基于PTZ视觉系统图像信息采集和目标定位，即通过摄像机、USB1路STK1160芯片视频采集卡转换视频为计算机接收信息，将视频信息提取图片，然后使用MATLAB对图片处理，首先基于目标颜色和外形双重特征值对目标进行识别，然后通过单目测距原理是将二维图片转换为三维空间模型，并且利用空间相似三角形比进行计算并求出目标位置；基于二维激光轮廓测量传感器进行目标采集和目标定位；二、基于二维激光轮廓测量传感器进行目标采集和目标定位，即通过使用二维激光轮廓传感器，将目标的深度信息进行提取得到一个高精度的深度信息；基于三维C空间的增强概率地图改进型A*算法的路径规划研究：采用增强型概率地图方法，在FreeC-Space中小于临界值点不进行采样，以便减少采样时间，增强高冗余类人双臂机器人双臂末端执行器追踪操作运动目标实时性，基于自由空间法，将类人双臂移动服务机器人双臂末端执行点视为质点，将其周围的障碍物及边界按比例相应地扩大，使类人双臂移动服务机器人双臂末端执行点能够在障碍物空间中移动到任意一点，而不与障碍物及边界发生碰撞。然后将环境栅格化，将类人双臂移动服务机器人双臂末端执行点置于立方矩形方格内，定义机器人可以向26个方向选择下一步运动方向，代价在水平和垂直方向上为1，平面斜角上为立体顶角上的斜角为高冗余类人双臂移动服务机器人双臂末端执行器前置跟踪运动目标研究，类人双臂移动服务机器人首先沿着迎面交汇的方式向目标逼近，然后在预定的位置进行转向，最后沿着与目标相同方向运动，在目标轨道的前方捕获目标，根据类人双臂移动机器人和动态目标的相对运动关系，利用古典力学理论可建立该机器人的三维前置追踪运动学模型，同时可建立三维前置追踪的制导方程，并分析满足追踪的参数和初始条件限制，为了降低移动本体和双机械臂末端执行器跟踪目标的速度和相对速度，采用面向任务的协作式方法对类人双臂移动服务机器人双臂末端执行器进行整体性运动规划以及设计跟踪算法获取目标信息。4.根据权利要求3所述的一种自主类人双臂机器人对运动目标的跟踪操作系统，其特征在于：所述双轮差速驱动平台运动模型中和关系可由下面公式进行描述：其中：是一个(3×1)向量；和表示本体x和y方向的速度；表示本体旋转速度；是一个(2×1)向量；和分别表示该差速移动平台左右驱动轮速度；Jplatform表示该移动平台的雅可比矩阵；r表示驱动轮半径；O表示速度驱动中心点；P0表示两个驱动轮的中心点，另外拟在移动平台上加装PTZ摄像头系统：sony-evi-d100p，用以对目标在较远距离和宽范围的识别和跟踪。5.根据权利要求3所述的一种自主类人双臂机器人对运动目标的跟踪操作系统，其特征在于：所述固定类人双臂机器人运动模型采用开源式系统ROS系统，且设有多传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红星，黄志开，邓少波，刘国满，廖高华，马永力，
申请(专利权)人：南昌工程学院，
类型：发明
国别省市：江西,36