人形机器人翻译

基于硬件开发功能的人形机器人(LOCH)

谢明 王磊

机械工程系、南洋理工大学、新加坡

0.摘要

在机器人不同层次的自主移动操作功能方面,硬件设计及其关键。特别是,缺乏某些功能的硬件可以严重影响算法的可行性。本文的目的是介绍低成本移动操作(尼斯)人形机器人在硬件开发方面的性能。同时系统地介绍了机器人的硬件开发,和视觉导航控制能实现移动操作的人形机器人设计。硬件的模块化开发是实现机器人灵巧、模块化、功能和外观重要体现。本文论述了实现硬件模块功能的方法,分别叙述了在驱动、分布式传感系统和分布式控制的人形机器人头部,手部和仿人形手臂。最后,本文给出了可以远程控制的实际的原型。

关键字：人形机器人 设计 控制

1.前言

在设计一个机器人时,通常需要完成电动机技术参数选择。这些都是标准的步骤,这些细节都省略了。同时,本文不会深入探究两足方面的具体功能,因为双足同样是一个长期的研究方向。另一方面,双足行走平台是很有吸引力的。一个原因是,他们可以制成类似人类的两足步行机构。另一个原因是,双臂的组合/手机制和双足步行机构将使机器人看起来像人类。其中本田的ASIMO已经产生了大量的宣传和关注对人形机器人【1】。我们必须承认,今天的人形机器人的吸引力主要来自结果是令人印象深刻的两足动物走路功能【2】。然而,这些机器人非常有限的能力令人类去进行操作。重要的是,人形机器人高成本或不可用的商业。这种情况导致了新加坡政府在2006年启动第一批国家项目来发展低成本的人形(尼斯)机器人。尼斯人形机器人有必要的硬件来执行两个视觉导航控制两足动物行走和视觉导航控制操纵/把握。换句话说,设计仿人机器人的尼斯认为需要各种模块的实现。例如,尼斯的头部模块，如图1。尼斯人形机器人的每条腿上有6个自由度,在每个臂有6自由度,6自由度的双手和各腰部有2自由度,颈部有2自由度。尼斯的头上有两个自由度。

为了实现灵巧操作包括立体观察,单眼视觉,短程仪,和长途仪,尼斯人形机器人有两个手臂和两个多个手指的手。每个臂有6个自由度驱动,而每只手有六个自由度和八自由度驱动(即在一只手有14自由度)。在本文中,我们提出我们的研究工作达到设计和实现的人形头、手和胳膊,体积小、重量轻、独立、人性化、安全运转的优点。最重要的是,双系统是在一个适当的手部大小和重量,可以被安装到肩膀的尼斯人形机器人,如图。此外,双系统是电池驱动的,手部尼斯人形机器人可以自由实现视觉导航控制移动操作且没有任何约束的电源线。本文组织如下:在2中,我们将重点介绍一些现有的原型的人形的手和人形器件。这个调查将有助于读者欣赏类似人的双手。在3中,介绍我们的作品在设计尼斯人形机器人方面的工作。在第4部分,主要描述的是仿人灵巧手的细节上的设计和实现多个手指的手尼斯人形机器人被描述。在第五部分,详细的设计和实现为尼斯人形机器人手臂。

2.有的原型的人形的手和人形器件

多数的人形头部装有一对相机为了支持立体观察。此外,可能会配备简单的接近传

感器如红外传感器。对于头的运动而言,两种常见的解决方案是:颈部一个自由度;或两

个自由度。

图1 尼斯机器人

对于人形手研究，工作在多个手指的手如犹他州/麻省理工学院的手,贝尔格莱德的手,等等。从最近的进展,哈尔滨工业大学与德国宇航中心合作的仿人灵巧手具有15个自由度。

日本GIfu手,已经经历了几代的进化换句话说,岐阜手有五个手指和16个自由度,由于重量或大小不相称,这仍然是一个问题，人形机器人开发步骤分为设计、分析、控制和编程。因此,这是一个很好理解的主题有关的设计和实现六自由度机械手手臂。,许多人认为这是一个简单的事情,以利用两个小型工业机器人作为双武器的人形机器人。例如,一个主要生产工业用机器人提出了最近的一个原型，如图。我们可以看到,这实际上给了后果前景。因此,一个好的平台的类人机器人必须有一个双重臂系统,紧凑的结构,重量较轻。第一个版的ASIMO 是配备五自由度手臂和一个自由度的手(每只手有五个手指)。由于数量有限的自由度,类人机器人ASIMO 只能执行简单的任务,比如捡球和投掷轻量物体。此外,阿西莫的手是不能够进行精确抓握,因为所有的手指是耦合的。另一

个例子是HRP 系列的类人机器人。例如,HRP-2(Kaneko et al 。,2004年)配备一个六自由度的手臂。为了增加灵活度,HRP-3P 有两个七自由度手臂和两三个自由度的手【3】。这个DOFat 腰部添加为了提供在运动学冗余度。

在手臂的发展方面，发展仿生手臂始于2005年【4】的研究人员约翰霍普金斯大学应用物理实验室。它现在已经进入第二阶段。但是,他们的目标是使截肢患者恢复运动能力,使用进行大脑的信号来控制假肢手臂/手。

3.设计尼斯人形机器人方面的工作

人形机器人头部感知、决策和行动形式主回路底层任何自主行为。因此,知觉是至关重要的成功的自主操作以及自主移动的人形机器人。一般来说,一个头部必须提供两种类型的支持。第一个是支持收取必要的感知数据。第二是支持控制动作。一般来说,开发机械系统包括两个步骤:设计和组装。在设计阶段,主要考虑包括:设计要求;设计规格;设备的布局功能;布局的自由度;驱动。

一个人依赖于两个主要来源的信号以实现更高层次的自主权。第一是视觉信号。第二个是音频信号。然而,只有视觉信号是直接关系到自主操作或自主机动性。因此,一个人形头必须至少有一个摄像头,可以捕捉视觉信号。

一般来说,基于视觉信号的输出,一个机器人可以实现两种类型的视觉导航控制行为,即:手眼协调能力;头眼协调。有不同的设计算法。一些需要一个相机。其他人使用两个摄像头。在我们看来,输出从立体相机将使设计更简单的算法对视觉指导【6】。,可以配置一个移动平台为两种运行模式。第一个是完全自治模式另一个是主动模式。换句话说,一个机器人提供视觉反馈最有效的方

式提供视觉反馈到远程操作符是使用一个相机,更为宽广的视角和较高的图像分辨率。鉴于上述分析和额外的考虑要求的范围和距离感应,我们相信一个人形机器人的头部应该具备:立体电视实现人性化手眼协调能力和头眼协调。

考虑运动

在任务空间,一个人的头可以同时进行旋转和俯仰。然而,平移运动是冗余的,因为一个人的身体还可以进行翻转。一般来说,一个头可以有三个转动自由度在任务空间。在这里,我们的名字这三个独立运动的旋转:转,指对x轴旋转;距,指对y轴旋转和偏航指关于z轴旋转。在数学上,一个旋转的3 d空间只取决于两个独立的角变量。因此,它是足以设计一个机制有两个自由度来实现一个脖子,它支持一个机器人的头部【7】。

总结需求

我们想达到以下要求:它可以输出视频信号支持立体观察。它可以输出视频信号支持电视操作和视觉反馈。它可以扫描一个场景4米的范围。它可以精确到一个对象距离

200米。

图2 仿人机器人头部视觉

它能够改变观察方向和垂直水平。设计规范为了指导设计的尼斯的头,下面的规格已经阐明:形状:类似于人形状;重量:轻量化;维度:紧凑的空间;运动:两个自由度;旋转和偏航;运动范围:808°;对偏航;有效载荷:4.0公斤，对于每个自由度;相机的立体观察:图像分辨率至少512￡512像素;输出的数字图像,获取数字图像通过传输控制协议/网际协议(TCP / IP);相机对单眼视觉:图像分辨率至少1024￡1024像素;输出的数字图像,

获取数字图像通过TCP / IP;角度; 808°测距仪:工作距离为4米,扫描在一个平面在512

离散角，至少10赫兹的频率。

图5 尼斯人形机器人视觉

传感和控制

为了使一个头的运动可控,需要添加一个反馈控制回路,每个执行机构。在尼斯人形机器人,我们已经实现了两种类型的分布式系统中的传感和控制。第一种是基于使用控制区域网络(可以)总线和实时控制器。另一个是基于使用网络化实时调试(如控制

器)。

图4 仿人机器人臂

在我们的实现中,一个嵌入式计算机(PC104)尼斯人形机器人能与一群实时控制器通过can总或TCP / IP网络。这种体系结构的优点为传感和控制是模块化的水平的控制系统。换句话说,它是直接添加新反馈控制循环到分布式传感和控制系统。例如,两个自由度的尼斯的头部控制下的两种不同的反馈循环,每一种都遵循控制结构如图7所示。默认情况下,每个电动机在尼斯的头被配置

为在位置控制。然而,每个控制回路也可以被配置以实现速度控制。这是因为每个旋转轴有:一个增量编码器提供反馈在相对角位置,或速度,在轴的马达(即轴在减速器);和一个绝对编码器提供反馈在绝对位置角轴接头(即轴减速器后)。图7架构的分布式系统的传感和控制在尼斯人形机器人,它支持两种类型的网络:can总线网络;和TCP / IP网络。嵌入式PC104座在机器人躯干。由于使用的无线集线器,地面站可以获得远程访问PC104经营一个Linux操作系统。一个主要的角色是运行规划PC104算法,也发送所需的关节角或关节的关节控制器的速度。每个关节控制器可以配置为运行位置控制回路、速度控制回路,或两者的结合与尼斯人形机器人的感知能力,实现了三个跟踪算法。其工作原理如下:范围引导跟踪算法。该算法使用范围数据从激光测距仪,它是一个向量的对应于512年512距离方向的扫描的激光光束。当没有联系在一个方向,距离设置为最高价值(4米)。然后,如果机器人是关注的最近的目标,解决方案将被探测最远向量距离的512。来达到这个效果,滑动窗口的一定长度(20分的数据运用。这个滑动窗口将从位置1的输入向量位置492相同的输入向量。在每个位置,计算平均距离从数据覆盖的滑动窗口。在所有的平均距离,一个机器人的记录。同时,全面对应于这最小平均距离是记录。这个方向是然后发送到控制器的偏航轴的机器人的头。控制器将移动机器人的头,以便它看起来在最近的目标。这个过程是持续运行。当另一个目标变得更接近机器人,机器人会把注意力转向它。结果得到了该范围制导跟踪算法;在这里,我们描述四个顺序拍摄的图像从一个真正的演示视频中,目标感兴趣的是人类的手,在时间目标感兴趣的出现,在时间t,机器人是成功地专注于移动目标图像引导跟踪算法。尼斯人形机器人有两个立体相机,可以检测出感兴趣的目标【8】。当机器人想要关注它的视觉关注感兴趣的目标,它需要激活两个控制回路和视觉反馈。第一个是控制偏航轴的机器人的头。其控制律是使目标的水平距离正确的边界在左图是相等的(或被关闭在一个预定义的阈值如10像素)到目标的水平距离左边边界内正确的图像。第二个是控制俯仰轴的机器人的头。和,其控制律使垂直的位置感兴趣的目

标是在中间的两个图片。

图5 头部旋转机构

视觉导航控制跟踪算法。

尼斯人形机器人的立体电视已经校准。立体电视的使用参考坐标系统,集中在机器人的头。当机器人想要关注它的视觉关注感兴趣的目标,它首先决定了立体对应目标的图像。然后,它计算的3维坐标,目标的位置就参考坐标系统集中在机器人的头。知道X,Y,z坐标的位置对机器人的头看,它直接决定所需的锅(约偏航轴)和倾斜角度(俯仰轴)的机器人的头。这两个期望的角度是最后发送到控制器的机器人的头,它将移动

机器人的头看感兴趣的目标。

图6 人形机器人头部机构

图

7 分层控制图

图8 分层控制效果图

4.仿人灵巧手的细节上的设计

在图中所示的示例,运用范围引导跟踪算法和目标是人类的手。跟踪过程运行在10赫兹的频率。能够跟踪和关注感兴趣的目标是一个关键的一步实现自主操,人类的发展对尼斯人形机器人一个人的手由棕榈和五个手指。在一个人类的手的手掌,骨结构是相当复杂的。然而,每个手指的一个人类的手有一个简单的机制,包括三个链接在系列一致。如果我们设计一个机器人的手没有约束的重量和尺寸,它是相当简单的实现一个人的手。但是,它仍然是一个挑战去设计一个类似人类的手,这是体积小、重量轻、独立和人类的手的大小。

设计要求

运动方面主要功能是执行一个手抓握 (即持有一些)或精密掌握。此外,还可以把一个手指作为一个微型机械手以补充任务操纵的手臂。因此,一个手必须有一个特定的机制和足够数量的自由度,可以执行所需的

掌握,或精细操作。

图8 尼斯仿人机器人手部

传感

一个手可以提供不仅动作也是传感能力的物理量如触摸、压力、温度。因此,传感器上这测量动作,一只手还必须有传感器

为了测量接触,压力甚至温度。

图9 尼斯仿人机器人手部传动机构

图10 尼斯仿人机器人手部手掌回转传动机构

总结需求

尼斯的人形机器人,我们的设计要求是:能够执行权力掌握，能够进行精确把握，人类的手的大小，

它体积小、重量轻,和独立的。

图11 尼斯仿人机器人手部传感器布置

设计规范：

一个人的手有一个非常复杂的骨骼结构,或机制。大约有22个自由度在人类的手。然而,并非所有的人都是独立的。一些关节人手的是耦合的。如果我们把一个手作为一个运动提供者,它是简单的去看这个角色的自由度(或关节)在一个手。例如,从运动学的观点,一个手指关节的目的是定位和定位在一个特定的工作区的指尖。因为有五个手指,一起合作达到共同任务的把握,没有必要设计每个手指具有六个自由度。一个良好的平衡是一个动作的自由度和两自由度被动为每个手指除了拇指手指可以有两个动作

的自由度。

图12 尼斯仿人机器人手部控制图

设计规范，形状:类似于人类的手形状;重量:尽可能小;尺寸:尽可能接近人类的手大小:两个动作的可能;运动自由度的拇指手指;一个动作的自由度和两自由度为每个其他的四个手指;运动范围: 608°每个自由度;有效载荷:5.0公斤;压力传感器:每个手指至

少一个。

图13 尼斯仿人机器人手部外形尺寸

图14 尼斯仿人机器人手部抓持操作

布局功能设备

手是一个运动提供者这样的任务抓紧和精细操作。此外,手也是一个具有传感接触,压力和温度装置。因此,常见的功能性设备在一个手是压力传感器和温度传感器。这些传感器的位置通常是表面上的手指。

布局的自由度，为了使尼斯的手看起来像人类的手,布局的手必须遵循内部尼斯紧密布局的一个人类的手的自由度。驱动，一只手在尼斯人形机器人有14自由度。如果我们想独立开动所有这些关节,因此,必须做出取舍。正如前面所讨论的,可以合作完成的五个手指,合理的数量是减少驱动关节,让那

些被动关节加上驱动关节。尼斯的人形机器人,我们选择所谓的交叉轴接头连接拇指手指手掌手。俯仰轴的拇指的手指可以实现锥齿轮的装配。

传感和控制

一个手可以执行两个动作和遥感。为了提供灵活性的设计不同的运动控制策略,每个手的尼斯人形机器人配备了两个电位计(用于测量绝对角位置)和增量编码器(用于测量相对角位置,或速度)。每个手的尼斯人形机器人也有压力传感器,它可以帮助测量接触部队手指和物体之间在掌握。尼斯的分布式系统的传感和控制可以方便地进行扩展,以支持控制多个手指的手。在我们的例子中,每个手有六个微型电机，两个微型电机的控制下将一只微控制器。因此,有三个微控制器来控制每个手。另一方面,每个微型可以执行两个无约束运动(无相互作用的力量,在手指)和约束运动。因此,混合控制回路对于每个微型电机。同样的,双的手的尼斯人形机器人已经完全集成。它们是可操作的。

5.设计和实现为尼斯人形机器人手臂

总结需求，尼斯的人形机器人,我们希望:它可以携带一个人形的手在一个工作区它能够定位一个人形的手在一个工作区它是能够感知交互力和力矩及其环境之间的手。它体积小、重量轻,和独立的。

设计规范，从机制的角度,一个人的胳膊是相当简单的。它由一系列关节组成。因此,一个臂有两个目的。近端端通常附加在一个肩膀,而远端是背着手。末端的手臂也被称为一个手腕。以感知交互力和扭矩,有两种可能的方法。一是利用压力传感器控制。另一种方法是将力/力矩在手腕手臂。

考虑到以上几点,设计规范，形状:类似于人类的手臂形状;重量:尽可能小;尺寸:尽可能接近人类手臂尽可能的大小;运动:大小自由度;有效载荷:10.0公斤，力/力矩传感器:

每个手腕一个。

图15 尼斯仿人机器人手臂

布局功能设备

主要功能的设备基于仿人臂的力/力矩传感器。和,共同的地方安装力/力矩传感器在手腕手臂。仿人手臂的未来一代肯定会有一层压力传感器,它允许一个臂,以避免碰撞,或减少由于碰撞的影响。而且,我们可以很容易地把这些层压力传感器作为人工皮肤的

一个人形的手臂。

图16 尼斯仿人机器人手臂

布局的自由度

严格地说,一个人的手臂至少有七个自由度:三在肩关节,肘关节的和三个在腕关节。然而,一个最低数量的自由度应该六个。

驱动

一个人形机器人的手臂有5自由度,每个动作由一个专用电动机。在机器人而言,联合连接两个链接在一起。一个链接被称为一个基本环节。其他被称为从动件链接。对

于偏航接头内尼斯人形机器人的手臂, ,而从动件链接是内套筒。因此,驱动的偏航联合包括耦合电机的转子和定子,偏航联合的外壳和内套,分别。这样的耦合将插入一个减速机中间。一个减速机可以结合谐波传动、齿轮、皮带轮总成。

图16 尼斯仿人机器人手臂

传感和控制

尼斯人形机器人的手臂有三种类型的传感器,即:绝对编码器的关节臂、增量式编码器的轴的电机,和力/力矩传感器的手腕。这些传感功能将使尼斯人形机器人进行无约束运动和约束运动。无约束运动控制和约束的运动都是有可能的,因为执行以下三个控制回路, 位置控制和速度控制;力/力矩控制。可以看出尼斯人形机器人采用分布式系统的传感和控制。在这个实现中,汽车在手臂的控制下,我们看到的优势,实现模块化的控制水平的一个采用分布式控制系统。

6.参考文献

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