一种拍摄多视角连续体摄像机器人及其使用方法与流程

本发明属于摄影测量学或视频测量学，例如，立体摄影测量学；摄影测量技术领域，尤其涉及一种拍摄多视角连续体摄像机器人及其使用方法。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：科学家受自然界无脊椎动物的启发，激发了对柔顺的连续体的探究，提出了新型机器人-连续体机器人，连续体机器人类似于大象的鼻干、章鱼的触须及蛇等，连续体机器人与传统的机器人相比较灵活和柔顺性强，在相对拥挤和复杂的环境中，连续体机器人表现出较高的优越性，在医疗、仿生、航空航天、高危检测及户外/海底探险有着广阔的应用前景，连续体机器人不包含刚性连杆和转动的旋转关节。连续体机器人从骨架结构上分为三类，第一类连续体机器人，主要是由单个弹簧、弹性管、杆或梁构成的主干。整个骨架的变形由电机驱动绳、钢丝、电缆或肌腱控制(在下文中，它们都称为绳索或丝，因为它们以相同的方式工作)；第二类连续体机器人，连续体机器人主要采用的是多骨架结构，由几个平行的弹簧、弹性管、棒或梁贯穿整个机器人的执行运动部位。骨架变形是由弹簧、细长管、杆或梁的推动和收缩进行控制；第三种连续体机器人，由多个具有不同曲率同心管嵌套组成。同心管连续体机器人运动是由管的伸缩和旋转控制；驱动方式主要采用的是温控记忆合金变形/气压/液压/电机等多种驱动方式，其外部执行器的运动通过驱动源驱动，使得外部执行器伸长、缩短或者旋转，使得连续体机器人去完成相应的工作任务；本发明采用方法类似于第一类单骨架的连续体机器人，驱动方式采用为电机驱动。连续型机器人的柔顺结构使得其具有无限的冗余度，因此连续型机器人灵活性和机动性较强。连续型机器人的无限冗余度是区别于传统机器人最鲜明的特征，无限冗余度和小的体积使得连续型机器人辅助微创手术有着广泛的应用，目前连续型机器人在机器人辅助微创手术中成为了一种常规性手术，连续体机器人在微创手术已经取得了阶段性的突破，超高的冗余度表现出来柔顺与高度适应特性，吸引了不同领域的人关注，但是由于柔性材料限制现有的连续体机器人尺寸较小，连续体机器人应用还主要停留在实验研究、生物体仿生以及微创手术(mis)等领域，随着智能集成技术、人机交互技术、形态感知技术、流变材料及新型变刚度材料的研发，未来大尺寸的连续体机器人会受到众多领域的青睐，本发明是针对连续体机器人在摄影测量学或视频测量学一种应用，以电影拍摄采用的是弧形固定多相机拍摄为例，这种固定式拍摄灵活及机动性较差，另外在电影拍摄的空间立体角度有很大局限性；连续体摄像机器人可以为各种仿生机器人(本发明为一种实例)，在走进生物近距离的观察以及高危探险拍摄，多视角连续体机器人将有着广泛的应用前景。拍摄相机存在的问题:第一，摄像机台高度调节范围小，很难对空间不同方位画面的拍摄；第二，拍摄相机的灵活性较差，相机需要固定于或安装在摄像平台上，导致了在拍摄不同画面时，需要对拍摄相机重新调整角度或者重新排装，无形中为电影拍摄增加了工作量，第三，例如电影拍摄，采用了机械式的安装与定平台多排相机进行拍摄，其中安装视角和拍摄，在一定程度上取决于摄影师的熟练程度；拍摄生物世界及高危探险拍摄时拍摄相机的灵活度欠佳。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)摄像机固定于静平台高度不可以调节，难以对空间不同视角画面进行拍摄；

(2)拍摄相机的灵活性较差，相机需要固定于或安装在摄像平台上，导致了在拍摄不同视角画面时，对拍摄相机重新调整角度或者重新排装，无形中为电影拍摄增加了工作量；

(3)电影拍摄采用安装多排相机在定平台上拍摄，无法根据视觉传感实现电影的智能拍摄，在拍摄不同的场景时，需要根据实时状况进行调整，其中安装视角和拍摄，在一定程度上取决于摄影师的熟练程度；

(4)相机放置平台无智能控制装置(如安装有自适应调节高度等)，无法实现机器视觉跟踪进行智能拍摄；

(5)拍摄生物世界及高危探险拍摄时不能灵活的调节摄像机的空间位姿，进行多视角的拍摄。

解决上述技术问题的难度和意义：但是由于柔性材料限制现有的连续体机器人尺寸较小，柔顺连续体机器人应用还主要停留在实验室、生物体仿生(如手指和胳膊的大臂)以及mis等领域，日后连续体机器人走出医疗等领域，应用于开放空间服务业是未来连续体机器人发展的一种趋势，本发明拓宽柔顺连续体机器人的应用，其中骨架柔性材料是本发明得以应用的核心，随着智能集成技术、人机交互技术、形态感知技术、流变材料及新型变刚度材料的研发，未来大尺寸的连续体机器人会受到众多领域的青睐，柔顺连续体机器人将会大范围替代传统的刚性连杆机器人，本发明提出了连续体机器人的一种应用，为未来实现智能控制拍摄提供很好的理论和结构基础。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种拍摄多视角连续体摄像机器人及其使用方法，以简化机械运动结构、提高拍摄质量和繁琐工作量。即用绳作为驱动连续骨架，通过形态感知技术以获得不同位姿的拍摄视角。

本发明是这样实现的，利用机械化变刚度的材料作为骨架，通过柔绳的伸缩、形态感知技术及特制滑行轨道的联合协调下获得所需连续体摄像机器人的工作位姿；

所述的骨架，是连续机器人的脊柱，本发明采用的骨架是机械化变刚度，具有很好的柔顺特性；

所述机械化变刚度是不同段之间材料的刚度特性不同，即根据实际情况将不同刚度的材料通过嵌套组合或用拼接技术一次成型的变刚度骨架。

进一步地，柔绳布局采用的等距差分的方法，通过绳的伸缩来控制不同段的形态变化，通过形状感知和力传感技术达到相应的工作位姿。

进一步地，每段绳索的差分布局采用的是间隔120°的三个绳索，每根绳索都有一个自由度，拉动不同的绳索均可以达到不同的位姿。

进一步地，在不同的段的绳索相同的受力产生会产生不同的变形，例如:本发明中的机械化变刚度材料。

进一步地，摄像机安装于连续体机器人的滑行轨道上，实现对摄像机在某种位姿下的微调。

所述滑行轨道，是在连续体机器人上安装摄像机预留的小行程轨道，主要是在位置传感器的作用下，实现摄像机位姿的微调。

进一步地，运动平台为履带轮，可以实现平动和自由转动，平动是通过履带轮的前进和后退进行实现的，转动是通过运动底盘的中安装的转轴实现。

进一步地，运动平台上装有配重块，目的保证是骨架连续体机器人在弯曲不同姿态的情况下，整个机器始终处于一种平衡状态。

所述的配重块，配重铁是将金属熔炼成符合一定要求的液体，并浇铸型腔里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程，用于增加自身重量来保持平衡的重物。

进一步地，驱动机械结构为结构紧凑的长方体，履带轮可以在多种工况等复杂的环境中运作。

进一步地，驱动机械结构与连续体骨架，采用的是特制螺栓连接，各部分模块化程度高，拆装也比较方便。

所述的模块化，是指控制、驱动、连续体及摄影机等部分，可替换及通用性强。

进一步地，连续体摄像机器人通过人机交互模块，通过形态感知和力传感技术，实现连续体摄像机器人的工作；

所述的人机交互，即工作人员通过可视化的界面，对连续体机器人进行远程操控；

所述的形态感知，就是在连续体机器人上粘贴着高精度的传感器，该传感器获得相应数据，通过逆有限元或相关算法，求其位移得出形变，最终实现对连续体机器人的三维形状进行实时感知的一种先进控制技术。

为了更近进一步阐述本发明需作以下详述：

一种拍摄多视角连续体摄像机器人，所述拍摄多视角连续体摄像机器人主要包括：履带轮、底座转动盘、集成控制板、配重块、驱动电机、分隔板、集成箱壳体、绳索、集成箱盖板、软金属外壳、离散盘、变刚度骨架、摄像机、目标体、滑行轨道、i/o接口、转动滑轮、引线孔、连续体第一段、连续体第二段、连续体第三段、连续体第四段、控制板器件等。

本发明的连接或安装的步骤如下：运动是通过履带轮运动的，底座转动盘在两个履带轮中间偏上的位置，集成箱的壳体通过螺栓与底座转动盘固定连接，配重块采用螺纹连接安装于集成箱壳体上，集成控制板通过螺钉固定在集成箱壳体的底部，通过分隔板将集成箱壳体分为控制室和动力驱动室(控制室为控制板传感器等，驱动室为电机等)，驱动电机通过螺栓固定在驱动室，绳索经集成箱盖板和转动滑轮连接到驱动电机上，连续体骨架安装于集成箱壳体的上部，连续体结构是由变刚度骨架(具有变刚度)为脊柱，将离散盘等距布置在变刚度骨架上，均布绳索通过不同连续体段的引线孔，软金属外壳将连续体结构包裹，将摄像机安装于软金属外壳的导轨上。

本发明的另一个目的在于提供一种所述拍摄多视角连续体摄像机器人的使用方法，所述拍摄多视角连续体摄像机器人的使用方法包括：当工作人员对目标体发出指示信号后，运动驱动器接受到相应的传感器，对目标体发出识别信号，将接受到的控制信号传递给控制器，控制器发出驱动指令，动力装置开始工作，装有相机连续体机器人通过运动底座移动到指定位置，在电机和减速器的协同作用下驱动绳索，使不同段的变刚度骨架发生形变，会将多个摄像机在空间中均有不同的位置与姿态，实现对目标体的多视角拍摄，通过传感装置实现对目标物体的时时追踪拍摄，根据不同的环境及时调整柔顺连续体机器人的形态，及时控制和调节摄像机的位置和姿态。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述拍摄多视角连续体摄像机器人的电影拍摄控制系统。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述拍摄多视角连续体摄像机器人的信息数据处理终端。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：现在的摄像机多以固定在定平台或动平台上为主，摄像机位置调整在平面上运动，连续体摄像机器人自由度多，柔顺性和灵活性好，规避障碍能力强，可以在空间中改变其位姿，根据摄像采集的不同的工作环境，选型不同连续体机器人尺寸，对空间较为狭窄的场合有着独特的优势，结构比较简单，执行器由绳索、变刚度骨架、固定盘、柔性外圈滑轨以及摄像机等组成；运动底座由履带轮、集成箱壳体、驱动电机、减速器、绕线轴、散热器、角度传感器、位置传感器、控制板、各种连接线、转向滑轮和执行器固定盘等；两部分结构都比较简单，易于加工装配，可以根据不同的应用情况，对连续体机器人增加相应的应用及传感装置。

本发明为了解决电影拍摄、森林探险、户外高危勘测及远足旅行存在多方面的拍摄问题；本发明利用一种新型的连续体机器人为载体，将摄影相机安装在连续型机器人上，这样摄影机利用连续型机器人超冗余度的特性，通过电机驱动连续体机器人使摄影机转换到不同位置与姿态，以满足本发明需要的不同视角的图片，以提高本发明相机拍摄的质量。

表1传统摄影机与连续体摄影机性能对比

附图说明

图1是本发明实施例提供的拍摄多视角连续体摄像机器人的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的拍摄多视角连续体摄像机器人的使用状态示意图；

图3是本发明实施例提供的运动底座内部结构的剖面图；

图4是本发明实施例提供的运动底座的侧视图；

图5是本发明实施例提供的柔顺连续体机器人内部结构的前端图；

图6是本发明实施例提供的柔顺连续体机器人内部结构的后端图；

图7是本发明实施例提供的柔顺连续体机器人执行器的内部结构图。

图中：1、履带轮；2、底座转动盘；3、集成控制板；4、配重块；5、驱动电机；6、分隔板；7、集成箱壳体；8、绳索；9、集成箱盖板；10、软金属外壳；11、离散盘；12、变刚度骨架；13、摄像机；14、目标体；15、滑行轨道；16、i/o接口；17、转动滑轮；18、引线孔；19、连续体第一段；20、连续体第二段；21、连续体第三段；22、连续体第四段；23、控制板器件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在无特殊说明情况下，某一部件被称为连接到另一个部件上，他可以是直接连接在另一个部件上，也可以间接连接于另一个特征上，此外本发明中所使用的方位词描述位置，仅是下面附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。除非有特殊的注解，本发明所使用的描述型术语，均为本学科领域的专业术语是一致的，本发明使用的专业术语是为了更好的描述具体的实施例，此外，由于结构图摆放位置的原因，有些部件并没有在一个图上全部标注，可以根据不同方位的图寻找相应的标注。

参照图1到图7为本发明实施例的一种初始状态的立体结构图，本发明实施例的拍摄多视角连续体摄像机器人主要包括：履带轮1、底座转动盘2、集成控制板3、配重块4、驱动电机5、分隔板6、集成箱壳体7、绳索8、集成箱盖板9、软金属外壳10、离散盘11、变刚度骨架12、摄像机13、目标体14、滑行轨道15、i/o接口16、转动滑轮17、引线孔18、连续体第一段19、连续体第二段20、连续体第三段21、连续体第四段22、控制板器件23。

参照图1到图7本发明的连接或安装的步骤如下：运动是通过履带轮1进行运动的，底座转动盘2在两个履带轮1中间偏上的位置，集成箱的壳体7通过螺栓与底座转动盘2固定连接，配重块采用螺纹连接安装于集成箱壳体7上，集成控制板3通过螺钉固定在集成箱壳体7的底部，通过分隔板6将集成箱壳体分为控制室和动力驱动室(控制室为控制板传感器等，驱动室为电机等)，驱动电机5通过螺栓固定在驱动室，绳索8经集成箱盖板9和转动滑轮17连接到驱动电机5上，连续体骨架安装于集成箱壳体7的上部，连续体结构是由变刚度骨架12(具有变刚度)为脊柱，将离散盘11等距布置在变刚度骨架(12)上，均布绳索通过不同连续体段的引线孔18，软金属外壳10将连续体结构包裹，将摄像机13安装于软金属外壳10的导轨上。

参照图2为本发明实施例的一种工作状态的立体结构图，本发明中的摄像机13是一种结构示意图，主要是为了便于表达摄像机13在连续体机器人上执行的方式，摄像连续体机器人的变刚体执行段分为四个部分，连续体第一段19、连续体第二段20、连续体第三段21和连续体第四段22的结构基本相似，摄像机13主要工作于连续体第一段19、连续体第二段20和连续体第三段21，如图2所示：本发明连续体机器人位姿与变刚度骨架12弯曲是紧密相关的，摄像机13安装于连续体机器人的滑行轨道15上，通过捕捉目标体14，连续体机器人的变刚度骨架12会根据目标体14进行相应姿态的调整，实现摄像机13对目标体14的精准拍摄。

参照图3、图4，图4为连续体摄像机器人的机械本体结构示意图，通过分隔板6将连续体摄像机器人机械本体分为控制部分和驱动部分，控制部分主要是指安装于集成箱壳体7底部的集成控制板3等；驱动部分主要是指配重块4、驱动电机5及转动滑轮17等，其中配重块4与集成箱壳体7采用的螺栓连接，使得配重块4模块化程度高和易重组的优势，既可以根据连续体摄像机机器人应用不同领域，进而选用不同的配重块4。

参照图5、图6和图7，图5和图6为连续体摄像机器人末端和初始固定端的结构图，通过绳索8和离散盘11可以清晰看出驱动方式为等距差分的方法(相同距离和间隔利用等量差分绳的方法实现不同段连续体的连续运动)，变刚度骨架12为中空结构，中空部分主要是安装缆线及传感器的部分位置，参照图7是连续体摄像机器人执行部分的一个侧视图，参照图7可以更为直观的理解等距差分的方法的线或丝的驱动方式。

本发明中的驱动模块与柔性臂可以实现快速的分离与连接，从而可以实现驱动模块与柔性臂之间的快速更换，操作也更加的方便快捷。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。