家庭服务机器人物体识别与抓取的研究（可编辑）

1、 硕 士 学 位 论 文MASTER DISSERTATION家 庭 服 务 机 器 人 物 体 识 别与 抓 取 的 研 究Research of Object Recognition and GraspingBased on Home Service Robots作 者 朱晓莉导 师 汪 伟 教授学 科 检测技术与自动化装置中国计量学院二?一三年六月Research of Object Recognition and GraspingBased on Home Service RobotsByXiaoLi ZhuA Dissertation Submitted toChina Jilian

2、g UniversityIn partial fulfillment of the requirementFor the degree ofMaster of EngineeringChina Jiliang UniversityJune, 2021独创性声明本 人 声 明 所 呈 交 的 学 位 论 文 是 本 人 在 导 师 指 导 下 进 行 的 研 究 工 作 和 取得 的 研 究 成 果 , 除 了 文 中 特 别 加 以 标 注 和 致 谢 之 处 外 , 论 文 中 不 包 含 其 他人 已经 发表 或 撰写 过 的研 究成 果 ,也 不 包含 为获 得 中 国 计 量 学 院

3、或 其他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书 而 使 用 过 的 材 料 。 与 我 一 同 工 作 的 同 志 对 本 研 究所做的任何奉献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解 中 国 计 量 学 院 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论文 的 规 定 。 特 授 权 中 国 计 量 学 院 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 , 并 采 用 影 印 、 缩 印 或 扫 描 等 复 制 手 段 保 存 、 汇 编

4、以 供 查 阅 和 借 阅 。 同 意 学 校 向 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 论 文 的 复 印 件 和 磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名: 导师签名:签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日中 图 分 类 号 TP242.6 学 校 代 码 10356U D C 62 密 级 公 开硕 士 学 位 论 文MASTER DISSERTATION家 庭 服 务 机 器 人 物 体 识 别与 抓 取 的 研 究Research of Object Recognition and GraspingBased on Home Service Ro

5、bots作 者 朱 晓 莉 导 师 汪 伟 教 授申 请 学 位 工 学 硕 士 培 养 单 位 中 国 计 量 学 院学 科 专 业 检 测 技 术 与 自 动 化 装 置 研 究 方 向 机 器 人 技 术二? 一三年六月致谢岁 月 如歌 , 三 年的 研 究 生 学习 生 涯 在 不知 不 觉 间接 近 了 尾 声, 回 首 三 年 的求学历程,对那些引导、帮助、鼓励我的人,我心中充满了感谢。首 先 我要 深 深 地 感谢 导 师 汪 伟教 授 这 三年 对 我 的 悉心 指 导 。 论文 从 选 题 到定 稿 ,都 倾 注 了 汪老 师 大量 的 心 血。 在 求 学的 这 三 年里

6、, 我 也 深 深 受益 于 汪 老师 的 关心 、 爱 护和 谆 谆 教导 : 作 为 老师 , 他 点 拨 迷津 , 让 人如 沐 春 风; 作 为 长辈 , 他 关 怀 备至 , 让 人感 念 至 深。 我 为 自 己感 到 庆 幸 能 师 从这 样 一 位导 师 , 在此谨向汪老师表示我最诚挚的敬意和感谢!同 时 还要 感 谢 所 有 教导 过 我 、 关心 过 我 的 老师 和 同 学。 特 别 是 工程 训 练 中心 的 徐向 ? 教 授及 朱 朝 霞、 邵 铁 峰 等几 位 老 师, 他 们 在我 攻 读 研 究生 期 间 给予了 很 多的 支 持 和帮 助 。 也感 谢 王 向

7、 义、 邵 明 、鲁 伟 奇 等几 位 同 学 及王 忠 阁 、罗海 滨 等师 弟 们 ,感 谢 你 们对 我 的 关 心和 帮 助 ,有 你 们 的相 伴 让 我 的研 究 生 生活更加有滋有味。最 后 要感 谢 在 背 后 一直 默 默 支 持我 的 至 亲 , 他 们 对我 无 私 的 爱 与照 顾 是 我不 断 前进 的 动 力 ,他 们 时时 刻 刻 无微 不 至 的关 怀 和 鼓 励, 使 我 能够 全 身 心投 入科研和学习中。你们辛苦了!朱晓莉2021 年 4 月家庭效劳机器人物体识别与抓取的研究摘 要 : 随 着 科技 的 进 步, 家 庭 效劳 机 器 人将 拥 有 更加

8、广 阔 的市 场 前 景。 本 文 对服 务 机器 人 在 室内 环 境 下识 别 与 抓取 物 体 进行 了 研 究, 让 机 器人 收 到 指令 后 ,在 星 空定 位 导 航下 自 主 移动 到 目 标物 体 附 近地 点 , 由远 距 离 颜色 识 别 加近 距 离特征识别的方式对物体进行识别及定位,然后控制机械手进行物体抓取。本课题研究内容可以总结为以下几个方面:1 VS2021、 针对效劳机器人物体识别与抓取任务的需求 设计应用系统 , 利用及 OpenCV 软 件平 台 构 建了 集 物体 识 别、 机 器人 运 动控 制 、机 械 臂控 制 、信 息采集显示等功能的系统控制平台

9、。2 SURF Speeded Up Robust Features,、 研 究 了 物 体 识 别 算 法 中的 ( 具 有 鲁 棒性 的 高速 特 征 采集 算 法 ) 算 法 。介 于 远 距离 时 特 征提 取 难 度增 加 , 本文 提 出 了结 合 颜 色 算 法 的 物 体 识 别 方 案 : 远 距 离 用 颜 色 识 别 算 法 寻 找 物 体 , 近 距 离 用SURF特征识别算法确认物体。3 、 研 究 了 StarGazer 星 空 定 位 导 航 系 统 的 工 作 原 理 , 对 设 定 的 家 庭 环 境 进行了地图创立,从而解决了效劳机器人在寻找物体过程中的定位

10、导航问题。4、 研究了机械臂抓取技术 , 基于单目视觉的小孔成像模型提出了不同视觉角 度 特征 匹 配 获取 末 端 执行 器 期 望位 置 的 方案 , 通 过建 立 服 务机 器 人 机械 臂 运动学方程求解各关节转角量。在 应 用系 统 的 支 持下 家 庭 服 务机 器 人 能 够 完成 物 体 识 别与 抓 取 的 任务 。 实验 表 明颜 色 识 别与 特 征 识别 的 结 合提 高 了 物体 识 别 的效 率 和 精度 , 星 空定 位 导航 让 机器 人 能 自主 移 动 到目 标 位 置, 最 后 系统 控 制 机械 臂 各 关节 舵 机 转动 相 应角度实现物体抓取功能 。

11、关键词:家庭效劳机器人;物体识别;星空定位导航;物体抓取分 类 号 : 中 图 分 类 号 TP242.6 ;UDC 62IR e s e a r c h o n o b j e c t R e c o g n i t i o n a n d G r a s p i n g o fH o m e S e r v i c e R o b o t sA b s t r ac t : With the advancement of technology, Home Service Robots HSRs willhave a broader market. This paper studies ho

12、w HSRs recognize objects in the indoorenvironment and grasp objects. After receiving orders, HSRs are capable of movingautonomously to the location near the target object through navigation by a starpositioning system, recognizing and locating the object by the long-range coloridentification plus cl

13、ose-feature recognition, and grasping the object through themechanical arms. Specifically, the research covers the following aspects:1.Built the platform that integrates motion control, mechanical arms control,information collection, object recognition and positioning on the VS2021 andOpenCV softwar

14、e platform.2.Studied the object identification algorithm SURF Speeded Up RobustFeatures algorithm. Due to the difficulty to capture characteristics at a longerdistance, the object recognition strategy adopted in this study is one integrating coloralgorithm, which is to find objects at a distance usi

15、ng color recognition algorithmand to confirm the objects position using SURF at a nearby place.3. Created maps of the indoor environment based on the StarGazer starpositioning and navigation system. Therefore, we solve the navigation issue duringthe process of finding the object.4. Studied the grasp

16、ing techniques of mechanical arms. Proposed solutions togain end executors expected positions from features of different angles based on thepinhole imaging model. Calculated the torque angles of the joints of mechanical armsbased on the mechanical arm motion formulas.With this application platform,

17、the HSR can successfully complete the tasks ofobject recognition and grasping. The experiment indicates that efficiency andaccuracy of recognition can be improved through the combination of color andcharacteristic recognitions; that star navigation can enable robots to move to targetedIIposition by

18、itself; that by turning at calculated angle, the mechanical arms can graspobjects successfully.K e yw or d s : Smart Home Service Robots S-HSR; Object Recognition; Starpositioning and navigation system; objects graspingC l as s i f i c at i on :CLC TP 391.4 ;UDC 62III目 次摘要I目次IV. VII图目录表目录.IX1 绪论.1研究

19、背景和意义1.2 效劳机器人国内外研究现状及开展趋势. 21.2.1 效劳机器人国外研究现状2效劳机器人国内研究现状1.3 效劳机器人相关技术综述 7效劳机器人物体识别技术1.3.2 效劳机器人定位导航技术.71.3.3 效劳机器人物体抓取技术.81.4 9主要研究内容1.5 章节安排102 效劳机器人平台及应用系统设计 11引言2.2 316EW 效劳机器人硬件平台 112.3 316EW 效劳机器人软件系统设计. 14主要控制模块设计2.3.2 物体识别模块设计172.3.3 运动控制模块设计18.18机械臂模块设计2.3.5 综合演示模块设计192.4 小结. 203.21效劳机器人物体

20、识别技术研究3.1 引言. 213.2 颜色识别算法 22IV3.2.1 RGB 颜色空间. 223.2.2 HSV 颜色空间.233.3 具有鲁棒性的高速特征采集(SURF )图像配准算法 243.3.1 尺度空间极值检测253.3.3 描述符生成313.4 SURF 算法的测试与分析 323.4.3.5 实验结果与分析393.6 小结. 394.1 引言. 404.2 StarGazer 星空定位系统工作原理. 414.3 StarGazer 星空定位系统地图构建. 424.4 机器人运动控制 434.5 实验结果与分析 454.5 小结. 475.1 引言. 485.2 机械臂机械结构4

21、95.3 机械臂末端位置获取 505.3.1 坐标系的选取505.4 机械臂运动学分析. 555.4.2 机械臂逆运动学求解575.5 机械臂运动控制59V5.6 实验结果与分析605.7 小结. 616 总结与展望626.1 结果与结论. 626.2 展望. 63VI图目录图 1.2 国内研发的效劳机器人.52.1 316EW.11图 家庭效劳机器人平台图 2.5 316EW 效劳机器人星空定位模块.132.6 316EW14图 效劳机器人摄像头图 2.7 316EW 效劳机器人摄像头.14图 家庭效劳机器人工作流程图 2.10 软件系统框图.16图 2.11 软件系统主界面. 17图 物体

22、识别界面图 2.13 物体识别界面.18图 2.14 机械臂控制界面.19520图 综合演示界面图 3.1 物体识别流程框图.223.3 HSV.23图 颜色空间图 3.4 使用积分图像 的面积计算.25L LLy y x y? 1.2 x x图 3.5 的离散化二阶高斯滤波器 、 、.28D DDy y x yx x.28与对高斯二阶偏导近似后的加权箱式滤波器 、 、图 特征点精确定位图图 3.9 Haar 小波 31图 3.10 方向判定.313.11 SURF 32图 特征描述符图 3.12 缩小后的图像及其 SURF 特征检测.333.14 SURF34图 存在垂直方向上位移的图像及其

23、 特征检测VII图 3.15 垂直移动变换的配准结果图34图 3.16 存在有 180 度旋转的图像及其 SURF 特征检测35图 3.17 角度旋转变换的配准结果图.35图 3.18 外物遮挡图像及其 SURF 特征检测.36图 3.19 存在遮挡变换的配准结果图.36图 3.20 参加密度为 0.1 噪声的图像及其 SURF 特征检测37图 3.21 噪声干扰变换的配准结果图.37图 3.22 存在强光干扰的图像及其 SURF 特征检测.38图 3.23 光照强度变换的配准结果图.38图 4.1 机器人定位导航流程图40图 4.2 StarGazer 星空定位系统41图 4.3 StarG

24、azer 无源红外标签42图 4.5 机器人移动示意图.44图 4.6 机器人移动流程图.45图 4.7 校正前后的 x 、y 方向误差及总误差比拟图.47图 5.1 机械臂运动控制流程图48图 5.3 像素坐标与图像坐标关系示意图.50图 5.6 不同视觉角度图像特征54图 5.7 机械臂运动学框图.55图 5.8 机械手臂坐标系的建立56VIII表目录表 1.2 五种机器人物体抓取技术.8表 两种轨迹规划比拟表 3.1 SIFT 算法和 SURF 算法关键技术比拟25表 4.1 校正前后机器人运行最终停止位置.46表 机械臂各关节舵机技术参数表 5.3 模型验算结果.59IX中国计量学院硕

25、士学位论文1 绪论1.1 研 究 背 景 和 意 义机 器 人学 的 进 步 与应 用 是 二 十世 纪 自 动 控 制最 有 说 服 力的 成 就 , 是当 代 最20 60 40高意义的自动化。 自 世纪 年代机器人诞生以来, 到现在经历了 多年的发 展 历程 。 机 器 人已 从 第 一代 示 教 再现 型 机 器人 、 第 二代 代 感 觉的 机 器 人发 展到第三代效劳机器人,而效劳机器人正是第三代机器人的典型代表。在 2006 年出版的 ?国家中长期科学和技术开展规划纲要 ? 中, 未来优先发1展 的 高 技 术 就 包 含 服 务 机 器 人 。 作 为 战 略 性 高 技 术

26、, 其 未 来 产 业 链 长 且 带 动性强, 必将具有广阔的开展前景 。 一方面, 我国开始逐步进入老龄化社会, 从2021 11 65年 月结束的第六次人口普查结果来看,我国 岁及以上人口已经到达118831709 , 占 人 口 总 数 的 8.87% , 同 2000 年 结 束 的 第 五 次 人 口 普 查 相 比 ,65岁及以上人口的比重上升 1.91 个百分点, 按照当前的增长速度预计到 2021 年底2全国老年人口总数将到达惊人的 亿。 国际上通常把 65 岁及以上人口总数占总人口总数的 7%以上称为老年化社会,按照这一评判标准我国已经进入老年化社会 , 人口 的 老 龄化

27、 问 题 已成 为 中 国面 临 的 前所 未 有 的新 挑 战 。因 此 , 家庭 助 老服 务 机器 人 的 需求 量 将 面临 井 喷 式的 增 长 ,为 我 国 效劳 机 器 人产 业 提 供了 可 贵的开展机遇。另 一 方面 , 服 务 机器 人 技 术 集智 能 控 制 、 信息 、 机 械 、材 料 等 多 学科 于 一体 , 是重 要 的 技术 辐 射 平台 , 对 带动 整 体 经济 发 展 具有 非 常 重要 的 意 义。 随 着家庭效劳机器人产业化时代的到来, 世界各国均纷纷制定相关的开展战略规划。美 国 机 器 人 产 业 发 展 起 步 早 ,1989 年 就 开 始

28、 执 行 联 合 机 器 人 研 究 计 划 (Joint2Robotics Program) , 其家用智能 吸尘器机器人和医 疗外科机器人已经实 现产业化开展。 美国总统奥巴马于 2021 年 6 月在美国宾夕法尼亚州的卡内基梅隆大学(CMU )讲话中提出了国家机器人开展方案, 包括美国国家航空航天局 NASA2NSF和 美 国 国 家 科 学 基 金 会 , 目 标 旨 在 振 兴 美 国 的 衰 退 的 制 造 业 。 突 出 服 务机 器 人与 网 络 相结 合 是 韩国 在 机 器人 发 展 过程 中 提 出的 新 要 求, 并 且 把服 务 型的 机 器人 产 业 作为 “839

29、 战 略 方案 重 要 组成 部 分 , 且被 列 入 将在 21 世 纪 推动2021国家经济快速增长的十大引擎产业之一。 年韩国发布的“第一次智能型机器人根本方案 在 2021 年以前投入已达 1 万亿韩元 (约合 55 亿人民币) , 最终1中国计量学院硕士学位论文3目标是让韩国到 2021 年成为世界机器人主导国 。日本一贯将机器人技术研究列 入 国家 的 重 大研 究 项 目, 其 经 济产 业 省 为家 庭 服 务机 器 人 科技 发 展 做了 详 尽的 战 略 规 划 , 在 经 济 产 业 省 资 助 的 项 目 中 , 服 务 机 器 人 技 术 软 件 计 划4(2007-

30、2021 ) 在 2021 年 的 资助 金 额 就 到达 了 9700 万 人 民币 。 相 比亚 洲 的 发达 国 家日 本 和 韩国 , 欧 洲在 机 器 人产 业 化 开展 方 面 那么更 加 重 视在 危 险 环境 下 作5业的机器人的研发和机器人功能的模块化设计 。纵 观 效劳 机 器 人 技术 在 全 球 的发 展 , 我 国 这项 技 术 的 开展 还 处 于 一个 相 对较 低 的水 平 , 所以 服 务 机器 人 技 术的 兴 起 对于 我 们 来说 是 一 个机 遇 又 是一 次 巨大 挑 战, 能 否 经受 住 这 场挑 战 将 直接 影 响 到我 国 未 来经 济 和

31、 平安 形 势 ,因 此 意义 重 大。 为 了 尽快 提 高 我 国家 庭 服 务机 器 人 的 技术 水 平 , 国家 863 计 划 将服 务机 器 人列 入 重 点项 目 给 予大 力 支 持, 在 重 点项 目 ? 机器 人 模 块化 功 能 部件 产 业化 ? 和? 机 器 人模 块 化 体系 结 构 设计 ? 中 ,特 别 针 对开 发 面 向家 庭 应 用的 服 务6机器人给予重点支持 。但总的来说,我国效劳机器人尚处于开发及普及的早期阶段,很多相关技术还不成熟,要让效劳机器人真正进入家庭为人类效劳还存在很多问题。家庭环境相对复杂,物品多且不可能所有物品的摆放位置都保持不变,从

32、而效劳机器人在为主人效劳时将涉及到物体识别、定位导航、物体抓取等众多问题,因此找到适应家庭环境下的效劳机器人相关技术是让其顺利、高效完成工作的关键。据此我们将对机器人从识别物体到抓取物体的过程进行研究,该过程包含物体识别、定位导航和物体抓取技术。1.2 服 务 机 器 人 国 内 外 研 究 现 状 及 发 展 趋 势1.2.1 效劳机器人国外研究现状当 今 世界 上 在 服 务 机器 人 技 术 研究 领 域 有 突出 贡 献 的 研 究机 构 主 要 集中 在几 个 兴旺 国 家 ,包 括 隶 属于 美 国 布里 奇 市 麻省 理 工 学院 的 计 算机 科 学 和智 能 实验 室 、加

33、利 福 尼亚 州 斯 坦福 大 学 的人 工 智 能实 验 室 、宾 夕 法 尼亚 州 卡 内基 梅 隆大 学 的 机 器 人研 究 所 、日 本 东 京早 稻 田 大学 的 仿 人机 器 人 研究 院 、 筑波 大 学 的7效劳机器人研究室、德国宇航中心机器人研究室等 。机器人 ConnectR 如图 1.1 中的图(a )所示,是由美国 iRobot 公司研制生产的具备实时远程监控功能的效劳机器人。使用者可以通过该机器人实现家居环境的实时监测与控制、联络朋友,照看家中的老人小孩甚至是监视宠物。通2中国计量学院硕士学位论文过连接 internet 的个人电脑 , 使用者就可以远程控制该机器人

34、, 并且通过严格的身份认证机制。图 (a ) 美 国 iRobot 公 司 的 ConnectR 图 (b ) 美 国 WowWee 公 司 的 Rovio图 (c ) 日 本NEC 公 司 的PaPeRo 图 (d ) 日 本ZMP 公 司 的 人Nuvo图 (e ) 韩 国 Yujin 公 司 的 iRobi图 1.1 五 个 发 达 国 家 研 制 的 效劳机器人机器人 Rovio 如图 1.1 中图 (b) 所示, 是由美国 WowWee 公司研发的移动巡航摄像机 器人 , 它最显著的 特点是具有 Wifi 控制功能 。 因其具有 Wifi 控制功能, 使用者可以利用 已经连接到 in

35、ternet 的终端对 Rovio 进行远程控制, 还可以8通过其内置摄像机的实时视频流及音频流观看其所在环境及进行互动 。机器人 PaPeRo 如图 1.1 中的图 (c ) 所示 , 是由日本 NEC 公司研制开发的个 人 伙伴 型 家 庭机 器 人 。该 机 器 人集 成 了 多种 遥 控 功能 , 可 以实 现 对 电视 机 、空 调 等家 用 电 器的 遥 控 控制 ; 配 置了 高 清 晰度 的 摄 像头 , 能 够进 行 物 体的 图 像识 别 和距 离 测 定; 安 装 了连 接 网 络的 硬 件 设置 , 只 需插 上 网 络接 口 机 器人 就 能3中国计量学院硕士学位论文

36、9从网络上去下载娱乐信息或相应的升级软件 。机器人 Nuvo 如 图 1.1 中的图 (d) 所示, 是由日本 ZMP 公司研制开发的可坐立行走的效劳型机器人 。 改机器人具备很强的语音识别技术 ,Nuvo 通过使用者 的 语音 语 调 的训 练 之 后, 可 听 懂使 用 者 的日 常 用 语, 并 对 使用 者 的 命令 执 行相 应 的动 作 如 左右 转 , 抓取 物 体 等。 通 过 安装 其 头 部的 摄 像 机, 可 以 拍摄 使 用者想要看到的房间里特定方位的照片,并发送到预先设定的 中。机器人 iRobi 如图 1.1 中的图(e )所示,是由韩国 Yujin 公司研制开发的

37、。iRobi 具备避让开障碍物的功能 , 实现自由行走。 通过检测预先安装的防盗报警报 警 系统 , 在 报警 系 统 产生 报 警 的情 况 下 ,把 报 警 内容 通 过 邮件 的 形 式发 送 到使用者的 上,提醒使用者注意平安。根据世界机器人联合会 (IFR )在 2021 年披露的 数据, 2021 年全球家庭服10务机器人销量为 220 万台, 销售额更是到达了惊人的 5.38 亿美元 。 从上个世纪 90 年代以来, 与家用效劳机器人相关的专利申请数量持续高速的增长,同时不断的涌现出新的技术 ,人们也越来越受关注身边的效劳机器人。 截止到 202111年 , 与 家 用 服 务

38、机 器 人 相 关 的 专 利 , 包 括 技 术 、 外 观 等 已 达 4839 件 。 从过 去 几 年 的 涉 及 服 务 机 器 人 技 术 的 专 利 申 请 总 量 来 看 , 机 器 人 技 术 的 专 利 申 请正处于快速增长时期,欧美日等兴旺国家正引领了这一潮流。1.2.2 效劳机器人国内研究现状中国 在 效劳 机 器 人 领域 的 研 究 与上 述 发 达 国 家相 比 , 不 仅存 在 起 步 晚, 经济 基 础薄 弱 的 先天 劣 势 ,而 且 相 应技 术 的 研发 使 用 上也 落 后 好几 代 。 但近 几 年来 , 上到 国 家 政府 部 门 专门 为 服 务

39、机 器 人 指定 相 应 的发 展 规 划和 扶 持 政策 , 下到 各 高校 开 设 机器 人 课 程满 足 学 生对 机 器 人相 关 知 识的 需 求 ,都 对 我 国的 服 务机器人技术的开展提供了巨大的动力和支持。 到目前为止也取得了一定的成绩。浙江大学智能系统与控制研究所研制开发的仿人机器人“悟和“空 , 如图 1.2 中的图 (a ) 所示 。 他具备对外界信息作出快速反响的功能, 是目前世界上首个宣布研制成功的具有快速连续反响能力的仿人机器人, 他全身拥有 30 个可 以 各司 其 职 、自 由 活 动的 关 节 ,仅 上 肢 手臂 就 可 以完 成 7 个 自 由度 的 复

40、杂运动。 “ 悟 和 “空 还具备精准识别、 超前预测、 建模和快速反响能力等多种功能,他们在与人进行乒乓球对打时,来回能高达 100 多个回合。北京理工大学效劳机器人研究所研制开发 的仿人机器人汇童 BHR-2 ,如图1.2 中的图(b)所示。他是一个会打太极拳的机器人是的,该机器人攻克了复4中国计量学院硕士学位论文杂 动 作设 计 与 协调 控 制 技术 难 题 ,像 人 类 一样 会 跑 、会 跳 , 还会 前 进 、后 退 、下 蹲 、侧 行 , 打起 太 极 来招 式 优 美、 动 作 连贯 、 收 放自 如 , 而且 还 可 以与 人 类进行交流互动。辽 宁 沈 阳 新 松 机 器

41、 人 自 动 化 股 份 公 司 研 制 开 发 的 新 一 代 智 能 安 保 型 机 器人, 如图 1.2 中的图 (c ) 所示, 该机器人安装了多种传 感器 , 可对家庭中的水电 煤 气进 行 检 测和 控 制 ,一 旦 检 测出 煤 气 泄露 、 电 力负 荷 超 标和 水 管 流量 异 常等 危 险, 机 器 人就 会 做 出相 应 的 处理 动 作 如关 闭 煤 气阀 门 、 关闭 过 载 负荷 等 ,并通过预先设定好的信息,向主人发送报警短信。图 (a ) 浙 江 大 学 仿 人 机 器 人 “ 悟 和 “ 空 图 (b ) 北 京 理 工 大 学 机 器 人 汇 童 BHR-

42、2图 (c ) 新 松 安 保 机 器 人 图 (d ) 哈 尔 滨 工 业 大 学 安 保 机 器 人图 1.2 国 内 研 发 的 服 务 机 器 人2黑龙江哈尔滨工业大学机器人研究所研制开发的智能保安机器人, 如图 1.的图 (d) 所示。 他可以在家庭范围内自动的躲避障碍物, 实现自由行走, 同时通 过 安装 在 其 身上 的 各 种传 感 器 ,检 测 周 围环 境 中 各种 参 数 ,在 发 生 巨大 变 化的 情 况下 使 用 摄像 头 对 变化 源 进 行拍 摄 , 并把 相 应 的信 息 通 过无 线 网 络发 送 到预先设定好的号码上。在 国 家政 策 扶 持 和科 研 人

43、 员 的艰 苦 奋 斗 下 ,我 国 的 机 器人 技 术 取 得了 较 大的 发 展, 也 取 得了 一 些 研究 成 果 。但 大 部 分的 研 究 成果 只 是 停留 在 理 论研 究 和样 机 开发 层 面 上, 真 正 实现 机 器 人的 商 业 化生 产 和 使用 还 有 一段 较 大 的局 里 。此 外 ,服 务 机 器人 产 业 作为 一 个 新兴 的 产 业, 目 前 还缺 乏 明 晰的 规 划 和行 业 标准 , 这将 对 服 务机 器 人 的推 广 产 生很 大 障 碍。 且 与 美日 韩 等 国家 相 比 ,到 目 前为 止 我国 还 没 有出 现 一 家专 注 于 效

44、劳 机 器 人的 研 制 与开 发 的 高新 技 术 公司 。 为5中国计量学院硕士学位论文了 让 我国 服 务 机器 人 这 个产 业 更 快更 好 的 开展 , 当 务之 急 是 培育 一 批 专注 于 服务机器人研制与开发的企业。1.2.3 效劳机器人开展趋势从 国 内外 服 务 机 器人 的 发 展 历程 和 人 们 对 效劳 机 器 人 的功 能 需 求 来看 , 未来 服 务机 器 人 技术 将 呈 现出 控 制 方法 的 智 能化 、 通 讯方 式 的 网络 化 和 组成 模 块的标准化。控 制方 法 的 智能 化 是 把生 机 电 一体 化 和多 传 感 器有 机 的 融合 在

45、 一 起。 虽 然目 前 国际 上 对 人工 智 能 的学 术 定 义和 未 来 的发 展 方 向还 没 有 形成 统 一 的观 点 ,但 人 们对 一 些 已经 得 到 的重 大 成 果和 重 点 的发 展 方 向达 成 了 共识 。 计 算机 的 数据 处 理速 度 已 经达 到 了 惊人 的 高 度, 使 机 器人 能 够 实现 实 时 准确 高 效 的算 法 成为 可 能。 传 感 器技 术 的 快速 发 展 可以 让 机 器人 能 够 接收 更 多 的外 界 信 息, 使 活动 环 境更 加 智 能化 , 智 能化 的 环 境又 强 化 了机 器 人 的功 能 , 为让 机 器 人更

46、 加 智能 化 ,多 种 传 感器 结 合 使用 是 关 键, 因 而 多传 感 器 融合 算 法 也是 目 前 的研 究 热点。要 想 让服 务 机 器人 像 电 脑、 电 视 等家 用 电 器一 样 普 及, 建 立 效劳 机 器 人产业 的 标准 是 关 键。 目 前 全球 服 务 机器 人 产 业的 标 准 化和 模 块 化还 不 够 完善 , 因而 , 建立 服 务 机器 人 产 业标 准 是 开展 服 务 机器 人 产 业亟 待 解 决的 问 题 。国 内 外服 务 机器 人 制 造商 众 多 ,而 每 个 制造 商 都 有自 己 不 同的 体 系 结构 , 导 致服 务 机器 人

47、 缺乏 统 一 的标 准 和 平台 , 服 务机 器 人 的制 造 成 本也 就 无 法得 到 降 低, 要 想让 服 务机 器 人 像家 电 一 样走 进 普 通家 庭 那么 相当 困 难 。因 此 加 快制 定 服 务机 器 人产 业 标准 、 加 大扶 持 中 间件 和 模 块化 软 件 与功 能 构 件产 业 发 展的 力 度 ,才 能 有效的让效劳机器人大量进入市场。互 联 网的 发 展 , 网络 间 访 问 速度 的 提 升 , 为服 务 机 器 人提 供 了 一 个巨 大 的便 捷 的资 源 库 ,让 其 由 单 一化 作 业 向与 信 息 网络 相 结 合的 虚 拟 交互 、

48、远 程操 作等方面开展。 未来的效劳机器人将更加注重虚拟的网络和现实的机器人相结合。例 如 使 用 无线 通 讯 网 络 wifi 和 TD-LTE 移 动 通 信 网等 多 种 接 入 方 式 的 家庭 智 能安 防 监控 机 器 人、 能 够 把网 络 表 情实 际 表 达出 来 的 娱乐 机 器 人等 。 这 类服 务 机器 人 可以 实 现 主人 和 机 器人 之 间 任何 时 间 ,任 何 地 方的 实 时 交互 , 只 要有 网 络连 接 。同 时 利 用网 络 实 现多 个 服 务机 器 人 间的 相 互 通信 、 协 调作 业 也 是未 来 发展的重点方向。6中国计量学院硕士学

49、位论文1.3 服 务 机 器 人 相 关 技 术 综 述1.3.1 效劳机器人物体识别技术物体识别技术是指机器人通过视觉系统采集外界的声、 光、 电和影像信息,提 取 相应 对 象 的特 征 信 息, 识 别 出对 象 类 别的 功 能 。它 就 是 机器 人 的 眼睛 和 耳朵 , 是机 器 人 做出 动 作 输出 的 唯 一输 入 通 道。 美 国 机器 人 工 业协 会 对 机器 视 觉的定义为: “机器视觉是通过光学装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个13,14真实物体的图像,以获得所需信息或用于控制机器人运动的装置。 D.Marr 的视觉计 算理论和在此基 础上演变开展起 来的基

50、元图模型 、三维模15,16型 在 服 务 机 器 人 物 体 识 别 技 术 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 所 谓 的 三 维 模 型 , 就是 以 物体 为 中 心, 用 来 处理 和 识 别物 体 的 三维 形 状 表象 。 家 庭环 境 中 效劳 机 器人 识 别物 体 就 是对 物 体 三维 形 状 表象 的 识 别, 不 同 于人 类 可 以通 过 大 脑处 理 ,直接生成事物的立体影像 , 计算机仅能获得摄像头生成的 2D 影相, 这也就给图像 识 别造 成 了 更深 层 次 的难 度 。 国内 外 研 究者 对 三 维物 体 的 识别 进 行 了大 量 研究 , 并 提 出 了 许 多 相 关 的 理 论 和 方 法 。Yasushi Sumi 等 提 出 了 使 用 物 体 轮 廓 三17维位姿匹配 的方法识别任意形 状的物体 ;Michael Boshra 等通过多阶 段匹配来18识 别 部 分 被 遮 挡 了 的 物 体 ; 陈 拓 等 研 究 者 将 几 何 不