專利名稱：機(jī)器運(yùn)動控制的攝像系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及運(yùn)動控制拍攝領(lǐng)域，特別涉及一種自動控制和精確重復(fù)拍攝軌跡的攝 影系統(tǒng)與方法。
背景技術(shù)：
影視合成技術(shù)是電影特技的重要手段之一，它是指將多層源素材混合成單一重復(fù) 畫面的處理過程。早期的影視合成技術(shù)主要是在膠片基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，諸如“摳像”、“疊畫” 等合成的方法與手段都在早期的影視制片中得到了較為廣泛的應(yīng)用。當(dāng)合成的影片的拍攝 軌跡是運(yùn)動的而不是靜止不變時，就需要維持高度精確的攝影機(jī)運(yùn)動的控制。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn) 動拍攝場景的合成效果，相同運(yùn)動軌跡的移動拍攝需要重復(fù)多次。場景合成的效果取決于 重復(fù)運(yùn)動拍攝的精度。國內(nèi)現(xiàn)有的攝像系統(tǒng)將攝像機(jī)放置在一個固定的支架上，或放置在可以滑動的導(dǎo) 軌上，或放置在一個高架臂上。在拍攝時人工手動控制拍攝的視角、軌跡和速度等。這種拍 攝方式可以滿足普通的拍攝需求，但如果需要對兩個場景做無縫合成時，即使是富有經(jīng)驗(yàn) 和能力的攝影師，也無法用手工控制的方式精確重復(fù)相同拍攝軌跡和速度，這就影響了場 景合成的質(zhì)量。這就需要一套自動控制的攝影系統(tǒng)，使得攝影機(jī)都能完全重復(fù)實(shí)現(xiàn)相同的 拍攝速度和拍攝軌跡。為了實(shí)現(xiàn)這種重復(fù)精確拍攝的功能，需要由精密電動機(jī)器替代手工方式對攝影裝 置自動控制，運(yùn)動的路線軌跡和攝像機(jī)參數(shù)需要事先編輯和模擬顯示，同時需要保證規(guī)劃 的拍攝路徑的安全性、可重復(fù)性，以及需要滿足影視行業(yè)人士的拍攝要求。目前國內(nèi)沒有滿 足這一需求的拍攝設(shè)備和系統(tǒng)。而國外的相關(guān)設(shè)備是7軸運(yùn)動控制設(shè)備，且部分機(jī)器關(guān)節(jié) 采用液壓動力，影響了整體拍攝的靈活性和精確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的自動攝像系統(tǒng)靈活性、精確性不夠的缺陷，從而提供 一種靈活、精確的攝像系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種機(jī)器運(yùn)動控制的攝像系統(tǒng)，包括導(dǎo)軌10， 機(jī)器人本體20，云臺裝置30，攝像機(jī)40，用于控制所述攝像機(jī)40的攝像機(jī)控制模塊50，用 于控制所述機(jī)器人本體20、云臺裝置30的機(jī)器人控制模塊60，以及用于對所述攝像機(jī)控制 模塊50、機(jī)器人控制模塊60進(jìn)行聯(lián)動控制的機(jī)器運(yùn)動控制攝像模塊70 ；其中，所述機(jī)器人本體20在所述導(dǎo)軌10上滑動，所述機(jī)器人本體20的機(jī)械手末端安裝 有所述云臺裝置30，所述云臺裝置30上安裝至少一臺所述攝像機(jī)40 ；所述導(dǎo)軌10、機(jī)器人 本體20、云臺裝置30組成一九自由度的機(jī)器人，所述導(dǎo)軌10有第一自由度；所述機(jī)器人本 體20的肩關(guān)節(jié)有第二自由度，肘關(guān)節(jié)有第三自由度，腕關(guān)節(jié)有第四自由度，手關(guān)節(jié)有第五、 第六、第七自由度；所述云臺裝置30有第八和第九自由度；所述第七自由度、第八自由度、 第九自由度的軸線重合在一點(diǎn)，分別映射三維笛卡兒空間的三個旋轉(zhuǎn)方向；
所述機(jī)器運(yùn)動控制攝像模塊70根據(jù)用戶設(shè)定的運(yùn)動軌跡做運(yùn)動軌跡規(guī)劃與姿態(tài) 規(guī)劃，然后根據(jù)所述運(yùn)動軌跡規(guī)劃的結(jié)果求解所述九自由度機(jī)器人的前六個自由度的關(guān)節(jié) 空間，根據(jù)所述姿態(tài)規(guī)劃的結(jié)果求解所述九自由度機(jī)器人的后三個自由度的關(guān)節(jié)空間；接 著通過仿真選取若干個用于運(yùn)動驅(qū)動的關(guān)節(jié)空間點(diǎn)；再建立機(jī)器人動力學(xué)方程，結(jié)合所述 機(jī)器人動力學(xué)方程、所述關(guān)節(jié)空間點(diǎn)以及機(jī)器人的約束條件建立優(yōu)化模型，將所述優(yōu)化模 型轉(zhuǎn)化為凸規(guī)劃后，對其求解，得到所述九自由度機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動量。本發(fā)明還提供一種在所述的攝像系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)機(jī)器運(yùn)動控制的方法，包括步驟10)、利用用戶提供的所述機(jī)器人的末端手在笛卡兒空間中多個點(diǎn)上的位置 與姿態(tài)的信息，實(shí)現(xiàn)所述機(jī)器人末端手的運(yùn)動軌跡規(guī)劃與姿態(tài)規(guī)劃，得到機(jī)器人末端手在 整個驅(qū)動過程中的位置以及機(jī)器人末端手在整個驅(qū)動過程中的姿態(tài)；步驟20)、由步驟10)得到的機(jī)器人末端手的位置信息求解某一時間點(diǎn)所述機(jī)器 人從第一自由度到第六自由度的關(guān)節(jié)空間，由步驟10)得到的機(jī)器人末端手的姿態(tài)信息求 解所述時間點(diǎn)上所述機(jī)器人從第七自由度到第九自由度的關(guān)節(jié)空間；所得到的九個自由度 的關(guān)節(jié)空間用于驅(qū)動機(jī)器人的運(yùn)動；步驟30)、利用步驟20)所得到的所述機(jī)器人在若干個時間點(diǎn)上的九個自由度的 關(guān)節(jié)空間信息做仿真，根據(jù)仿真結(jié)果從所述若干個時間點(diǎn)上的九個自由度的關(guān)節(jié)空間信息 中選取較佳值作為控制點(diǎn)；步驟40)、利用前一步驟得到的結(jié)果實(shí)現(xiàn)所述九自由度機(jī)器人的機(jī)器運(yùn)動控制。上述技術(shù)方案中，在所述的步驟30)與步驟40之間還包括步驟31)、根據(jù)機(jī)器人的動力學(xué)方程、機(jī)器人的應(yīng)用場景以及步驟10)中用戶預(yù)先 定義的機(jī)器人的末端手運(yùn)動軌跡建立目標(biāo)函數(shù)以及約束方程；所述目標(biāo)函數(shù)、約束方程中 的函數(shù)都能被轉(zhuǎn)換為凸函數(shù)；步驟32)、將由步驟31)得到的目標(biāo)函數(shù)、約束方程中的函數(shù)都轉(zhuǎn)換為凸函數(shù)，形 成一凸規(guī)劃的優(yōu)化模型，將所述凸規(guī)劃的優(yōu)化模型做離散化后求解，得到機(jī)器人各個關(guān)節(jié) 的運(yùn)動量。上述技術(shù)方案中，在所述的步驟1)中，所述的運(yùn)動軌跡規(guī)劃包括用戶提供的所述機(jī)器人的末端手在笛卡兒空間中多個點(diǎn)上的位置信息做曲線擬 合，得到至少一條運(yùn)動軌跡曲線。上述技術(shù)方案中，所述的曲線擬合采用B樣條曲線法，或貝塞爾曲線法，或B樣條 曲線與貝塞爾曲線結(jié)合的方法。上述技術(shù)方案中，在所述的步驟1)中，所述的姿態(tài)規(guī)劃包括步驟a)、將笛卡兒空間中兩個已知姿態(tài)信息的相鄰點(diǎn)分別作為起始位置與目標(biāo)位 置，將所述起始位置與目標(biāo)位置的姿態(tài)信息由歐拉角的形式修改為四元數(shù)的形式，分別用 Q1禾口 ％表示；步驟b)、求取所述起始位置與目標(biāo)位置間任意時刻下的姿態(tài)，即Qn = Q^(Q2-Q1) X (Vt1)；步驟c)、將步驟b)求得的姿態(tài)轉(zhuǎn)換回歐拉角形式。上述技術(shù)方案中，所述的步驟2、包括步驟2-1)、從步驟1)所得到的整個驅(qū)動過程中的位置信息與姿態(tài)信息中選取若干個時間點(diǎn)上的位置信息與姿態(tài)信息；步驟2_2~)、將步驟2-1)所得到的所述若干個時間點(diǎn)上的位置信息分別代入梯度 投影法的計算公式，得到該若干個時間上各自的所述機(jī)器人從第一自由度到第六自由度的 關(guān)節(jié)空間；步驟2- 、由 步驟2_2~)計算得到的所述機(jī)器人從第一自由度到第六自由度的關(guān) 節(jié)空間，以及步驟2-1)所得到的所述若干個時間點(diǎn)上的姿態(tài)信息計算出姿態(tài)的調(diào)整量，由 姿態(tài)的調(diào)整量計算出所述若干個時間點(diǎn)上各自的所述機(jī)器人從第七自由度到第九自由度 的關(guān)節(jié)空間。上述技術(shù)方案中，在所述的步驟2_2~)中，所述的梯度投影法的計算公式為
權(quán)利要求
1.一種機(jī)器運(yùn)動控制的攝像系統(tǒng)，其特征在于，包括導(dǎo)軌(10)，機(jī)器人本體(20)，云 臺裝置(30)，攝像機(jī)(40)，用于控制所述攝像機(jī)00)的攝像機(jī)控制模塊(50)，用于控制所 述機(jī)器人本體O0)、云臺裝置(30)的機(jī)器人控制模塊(60)，以及用于對所述攝像機(jī)控制模 塊(50)、機(jī)器人控制模塊(60)進(jìn)行聯(lián)動控制的機(jī)器運(yùn)動控制攝像模塊(70)；其中，所述機(jī)器人本體O0)在所述導(dǎo)軌(10)上滑動，所述機(jī)器人本體O0)的機(jī)械手末端安 裝有所述云臺裝置(30)，所述云臺裝置(30)上安裝至少一臺所述攝像機(jī)GO)；所述導(dǎo)軌 (10)、機(jī)器人本體(20)、云臺裝置(30)組成一九自由度的機(jī)器人，所述導(dǎo)軌(10)有第一自 由度；所述機(jī)器人本體O0)的肩關(guān)節(jié)有第二自由度，肘關(guān)節(jié)有第三自由度，腕關(guān)節(jié)有第四 自由度，手關(guān)節(jié)有第五、第六、第七自由度；所述云臺裝置(30)有第八和第九自由度；所述 第七自由度、第八自由度、第九自由度的軸線重合在一點(diǎn)，分別映射三維笛卡兒空間的三個 旋轉(zhuǎn)方向；所述機(jī)器運(yùn)動控制攝像模塊(70)根據(jù)用戶設(shè)定的運(yùn)動軌跡做運(yùn)動軌跡規(guī)劃與姿態(tài)規(guī) 劃，然后根據(jù)所述運(yùn)動軌跡規(guī)劃的結(jié)果求解所述九自由度機(jī)器人的前六個自由度的關(guān)節(jié)空 間，根據(jù)所述姿態(tài)規(guī)劃的結(jié)果求解所述九自由度機(jī)器人的后三個自由度的關(guān)節(jié)空間；接著 通過仿真選取若干個用于運(yùn)動驅(qū)動的關(guān)節(jié)空間點(diǎn)；再建立機(jī)器人動力學(xué)方程，結(jié)合所述機(jī) 器人動力學(xué)方程、所述關(guān)節(jié)空間點(diǎn)以及機(jī)器人的約束條件建立優(yōu)化模型，將所述優(yōu)化模型 轉(zhuǎn)化為凸規(guī)劃后，對其求解，得到所述九自由度機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動量。
2.一種在權(quán)利要求1所述的攝像系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)機(jī)器運(yùn)動控制的方法，包括步驟10)、利用用戶提供的所述機(jī)器人的末端手在笛卡兒空間中多個點(diǎn)上的位置與姿 態(tài)的信息，實(shí)現(xiàn)所述機(jī)器人末端手的運(yùn)動軌跡規(guī)劃與姿態(tài)規(guī)劃，得到機(jī)器人末端手在整個 驅(qū)動過程中的位置以及機(jī)器人末端手在整個驅(qū)動過程中的姿態(tài)；步驟20)、由步驟10)得到的機(jī)器人末端手的位置信息求解某一時間點(diǎn)所述機(jī)器人從 第一自由度到第六自由度的關(guān)節(jié)空間，由步驟10)得到的機(jī)器人末端手的姿態(tài)信息求解所 述時間點(diǎn)上所述機(jī)器人從第七自由度到第九自由度的關(guān)節(jié)空間；所得到的九個自由度的關(guān) 節(jié)空間用于驅(qū)動機(jī)器人的運(yùn)動；步驟30)、利用步驟20)所得到的所述機(jī)器人在若干個時間點(diǎn)上的九個自由度的關(guān)節(jié) 空間信息做仿真，根據(jù)仿真結(jié)果從所述若干個時間點(diǎn)上的九個自由度的關(guān)節(jié)空間信息中選 取較佳值作為控制點(diǎn)；步驟40)、利用前一步驟得到的結(jié)果實(shí)現(xiàn)所述九自由度機(jī)器人的機(jī)器運(yùn)動控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)器運(yùn)動控制的方法，其特征在于，在所述的步驟30)與步驟 40之間還包括步驟31)、根據(jù)機(jī)器人的動力學(xué)方程、機(jī)器人的應(yīng)用場景以及步驟10)中用戶預(yù)先定義 的機(jī)器人的末端手運(yùn)動軌跡建立目標(biāo)函數(shù)以及約束方程；所述目標(biāo)函數(shù)、約束方程中的函 數(shù)都能被轉(zhuǎn)換為凸函數(shù)；步驟32)、將由步驟31)得到的目標(biāo)函數(shù)、約束方程中的函數(shù)都轉(zhuǎn)換為凸函數(shù)，形成一 凸規(guī)劃的優(yōu)化模型，將所述凸規(guī)劃的優(yōu)化模型做離散化后求解，得到機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的運(yùn) 動量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的機(jī)器運(yùn)動控制的方法，其特征在于，在所述的步驟1)中， 所述的運(yùn)動軌跡規(guī)劃包括用戶提供的所述機(jī)器人的末端手在笛卡兒空間中多個點(diǎn)上的位置信息做曲線擬合，得 到至少一條運(yùn)動軌跡曲線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器運(yùn)動控制的方法，其特征在于，所述的曲線擬合采用B樣 條曲線法，或貝塞爾曲線法，或B樣條曲線與貝塞爾曲線結(jié)合的方法。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的機(jī)器運(yùn)動控制的方法，其特征在于，在所述的步驟1)中， 所述的姿態(tài)規(guī)劃包括步驟a)、將笛卡兒空間中兩個已知姿態(tài)信息的相鄰點(diǎn)分別作為起始位置與目標(biāo)位置， 將所述起始位置與目標(biāo)位置的姿態(tài)信息由歐拉角的形式修改為四元數(shù)的形式，分別用Q1和 Q2表不；步驟b)、求取所述起始位置與目標(biāo)位置間任意時刻下的姿態(tài)，即Qn = Q^(Q2-Q1) X (Vt1)；步驟C)、將步驟b)求得的姿態(tài)轉(zhuǎn)換回歐拉角形式。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的機(jī)器運(yùn)動控制的方法，其特征在于，所述的步驟幻包括 步驟2-1)、從步驟1)所得到的整個驅(qū)動過程中的位置信息與姿態(tài)信息中選取若干個時間點(diǎn)上的位置信息與姿態(tài)信息；步驟2-2~)、將步驟2-1)所得到的所述若干個時間點(diǎn)上的位置信息分別代入梯度投影 法的計算公式，得到該若干個時間上各自的所述機(jī)器人從第一自由度到第六自由度的關(guān)節(jié) 空間；步驟2- 、由步驟2-2~)計算得到的所述機(jī)器人從第一自由度到第六自由度的關(guān)節(jié)空 間，以及步驟2-1)所得到的所述若干個時間點(diǎn)上的姿態(tài)信息計算出姿態(tài)的調(diào)整量，由姿態(tài) 的調(diào)整量計算出所述若干個時間點(diǎn)上各自的所述機(jī)器人從第七自由度到第九自由度的關(guān) 節(jié)空間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的機(jī)器運(yùn)動控制的方法，其特征在于，在所述的步驟2- 中，所 述的梯度投影法的計算公式為
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的機(jī)器運(yùn)動控制的方法，其特征在于，所述的步驟2- 包括 步驟2-3-1)、由步驟2-2~)計算得到的所述機(jī)器人從第一自由度到第六自由度的關(guān)節(jié)空間計算出某一時刻的姿態(tài)隊，由步驟1)的姿態(tài)規(guī)劃所生成的姿態(tài)信息得到在目標(biāo)位置的 姿態(tài)為&，計算機(jī)器人末端手從某一時刻到目標(biāo)位置所需要調(diào)整的姿態(tài)
10.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的機(jī)器運(yùn)動控制的方法，其特征在于，所述的步驟3)包括步驟3-1)、利用軸的速度和加速度求PTP運(yùn)動的仿真結(jié)果；步驟3- 、求PTP運(yùn)動的仿真結(jié)果與目標(biāo)曲線的擬合相似度，根據(jù)擬合相似度從所述 若干個時間點(diǎn)上的九個自由度的關(guān)節(jié)空間信息中選取較佳值作為控制點(diǎn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的機(jī)器運(yùn)動控制的方法，其特征在于，所述的步驟3-1)包括步驟3-1-1)、根據(jù)軸的速度和加速度參數(shù)得到機(jī)器人的第i個關(guān)節(jié)在PTP運(yùn)動中所需 的加速最長時間；
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的機(jī)器運(yùn)動控制的方法，其特征在于，所述的步驟3-2)包括步驟3-2-1)、利用自相關(guān)的原理求相似程度θ:
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)器運(yùn)動控制的方法，其特征在于，在所述的步驟31)中，所 述目標(biāo)函數(shù)為
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)器運(yùn)動控制的方法，其特征在于，在所述的步驟3 中，將 所述的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為凸函數(shù)包括步驟32-1-1)、將所述目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為一個目標(biāo)函數(shù)與一個約束方程
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的機(jī)器運(yùn)動控制的方法，其特征在于，在所述的步驟32)中， 將所述凸規(guī)劃的優(yōu)化模型做離散化后求解包括步驟32-2-1)、對弧長參數(shù)s進(jìn)行均勻采樣，得到離散型變量(s^s1，-sK)；步驟32-2-2)、根據(jù)步驟32-2-1)所得到的K+1個離散型變量為所述凸規(guī)劃的優(yōu)化模型 中與弧長參數(shù)s有關(guān)的函數(shù)進(jìn)行離散化，形成離散化后的凸規(guī)劃的優(yōu)化模型。
16.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)器運(yùn)動控制的方法，其特征在于，在所述的步驟3 中，采 用二階錐規(guī)劃、Subgradient投影法、內(nèi)點(diǎn)法中的一種對離散化后的凸規(guī)劃的優(yōu)化模型進(jìn)行 求解。
17.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)器運(yùn)動控制的方法，其特征在于，所述運(yùn)動量包括關(guān)節(jié)的 離散速度、加速度以及力矩。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種機(jī)器運(yùn)動控制的攝像系統(tǒng)，包括導(dǎo)軌10，機(jī)器人本體20，云臺裝置30，攝像機(jī)40，用于控制所述攝像機(jī)40的攝像機(jī)控制模塊50，用于控制所述機(jī)器人本體20、云臺裝置30的機(jī)器人控制模塊60，以及用于對所述攝像機(jī)控制模塊50、機(jī)器人控制模塊60進(jìn)行聯(lián)動控制的機(jī)器運(yùn)動控制攝像模塊70；其中，機(jī)器人本體20在所述導(dǎo)軌10上滑動，機(jī)器人本體20的機(jī)械手末端安裝有云臺裝置30，云臺裝置30上安裝至少一臺所述攝像機(jī)40；所述導(dǎo)軌10、機(jī)器人本體20、云臺裝置30組成一九自由度的機(jī)器人。
文檔編號H04N5/225GK102122172SQ20101062427
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者劉華俊, 朱登明, 王兆其, 陳明偉 申請人:中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所