仿人机器人的视觉伺服控制系统

　　视觉是人类感知外界信息的重要手段，视觉伺服系统是机器人获取环境信息的关键组成部分。本文主要讨论仿人机器人BHR-1的视觉伺服系统。首先介绍机器人头部的视觉总体结构方案，然后论述了基于立体视觉的信息处理和头部运动控制，最后通过目标跟踪和物体抓取实验说明了系统的可行性。

　　总体方案及控制系统

　　仿人机器人的视觉伺服系统要求能够根据具体环境和具体情况进行主动搜索，实时将摄像头转向目标，实现对空间目标的实时跟踪并获取物体的三维位置信息，从而控制手臂实现对物体的准确抓取。(BHR-1)的头部有2个自由度，面部放置两只CCD摄像头作为视觉传感器来模拟人的眼睛。机器人的手臂也是模仿人类的上肢设计的，具有7个自由度，肩关节3个自由度，肘关节2个自由度，腕关节2个自由度，可以实现人类上肢的各种动作。机器人根据目标的三维位置信息实现对物体的抓取。

　　仿人机器人BHR-1的总体设计方案如图2所示。为了实现物体的快速定位，需要完成图像处理和运动控制的任务。一台计算机将难以满足快速定位的实时性要求，因此本文采用了双计算机处理和Memolink通信方式的系统结构，使用两台计算机分别负责双目立体视觉的信息处理和机器人的运动控制。Memolink是系统间进行快速通信的一种有效解决方案。

　　机器人的视觉跟踪以及目标抓取的实现都依赖运动控制计算机对机器人的运动控制。运动控制系统根据视觉处理系统的处理结果，控制机器人采取相应决策。例如:头部的两自由度转动，以跟踪目标的运动或者上肢手臂去抓取目标。运动控制子系统以RT-Linux实时操作操作系统作为软件平台，保证了机器人控制系统的实时性。

　　机器人的运动控制子系统的被控对象是机器人的各关节的角度，而关节是由电机带动的，因此被控对象实际上是带动关节转动的电机转动的角度，是一个位置伺服系统。系统使用了一套多功能接口板，将所有的A/D转换、D/A转换、ENC、PWM、32位IO等多种功能都集成在该接口板上，提高了系统的集成性并减小了系统体积和重量。

　　在控制信号的输入方面，由于控制的目的是为了机器人的头部能够跟踪运动的目标，因此实际上输入量就是根据图像处理子系统的处理结果得到的，在图像处理的过程中，最终求得的目标的位置就是后面运动控制子系统的输入量。由于图像处理子系统的处理结果本身就是数字量，运动控制子系统所得到的位置信息也是数字信号，因此，这里不需要模数转换的过程。

　　在反馈信号的输入方面，因为被控对象是电机，确切的说是电机转动的角度，是位置控制，因此可以用电机上面的轴角编码器的输出作为反馈信号。轴角编码器是一个测量电机所转过的角度的器件，它以脉冲的方式来反馈电机转过的角度，电机转过的角度越大，它输出的脉冲个数就越多，反之，输出的脉冲个数就越少。因此我们采用了接口板上的ENC(encoder)接口来作为反馈信号的输入通道，它可以测量轴角编码器的脉冲输出个数。机器人头部的运动控制子系统的结构框图如图3所示。