畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )外文資料翻譯 系 別： 機(jī)電信息系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 外文出處： . J. 1993, 37, 5 件： 1. 原文 ； 2. 譯文 2013 年 05 月 多自由度步行機(jī)器人 摘要 在現(xiàn)實(shí)生活中設(shè)計(jì)一款不僅可以倒下而且還可以站起來(lái)的機(jī)器人靈活智能機(jī)器人很重要。本文提出了一種兩臂兩足機(jī)器人，即一個(gè)模仿機(jī)器人，它可以步行、滾動(dòng)和站起來(lái)。該機(jī)器人由一個(gè)頭，兩個(gè)胳膊和兩條腿組成?；谶h(yuǎn)程控制，設(shè)計(jì)了雙足機(jī)器人的 控制系統(tǒng)，解決了機(jī)器人大腦內(nèi)的機(jī)構(gòu)無(wú)法與無(wú)線電聯(lián)系的問(wèn)題。這種遠(yuǎn)程控制使機(jī)器人具有強(qiáng)大的計(jì)算頭腦和有多個(gè)關(guān)節(jié)輕盈的身體。該機(jī)器人能夠保持平衡并長(zhǎng)期使用跟蹤視覺(jué)，通過(guò)一組垂直傳感器檢測(cè)是否跌倒，并通過(guò)兩個(gè)手臂和兩條腿履行起立動(dòng)作。用實(shí)際例子對(duì)所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了描述。 1 引言 隨著人類兒童的娛樂(lè)，對(duì)于設(shè)計(jì)的雙足運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人具有有站起來(lái)動(dòng)作的能力是必不可少。為了建立一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)兩足自動(dòng)步行的機(jī)器人，設(shè)計(jì)中感知是站立還是否躺著的傳感器必不可少。 兩足步行機(jī)器人它主要集中在動(dòng)態(tài)步行，作為一種先進(jìn)的 控制問(wèn)題來(lái)對(duì)待它 。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中把注意力集中在智能反應(yīng)，更重要的是創(chuàng)想，而不是一個(gè)不會(huì)倒下的機(jī)器人，是一個(gè)倒下來(lái)可以站起來(lái)的機(jī)器人。 為了建立一個(gè)既能倒下又能站起來(lái)的機(jī)器人，機(jī)器人需要傳感系統(tǒng)就要知道它是否跌倒或沒(méi)有跌倒。雖然視覺(jué)是一個(gè)機(jī)器人最重要的遙感功能，但由于視覺(jué)系統(tǒng)規(guī)模和實(shí)力的限制，建立一個(gè)強(qiáng)大的視覺(jué)系統(tǒng)在機(jī)器人自己的身體上是困難的。如果我們想進(jìn)一步要求動(dòng)態(tài)反應(yīng)和智能推理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上基于視覺(jué)的機(jī)器人行為研究，那么機(jī)器人機(jī)構(gòu)要輕巧足以夠迅速作出迅速反應(yīng)，并有許多自由度為了顯示驅(qū)動(dòng)各種智能 行為。至于有腿機(jī)器人 678，只有一個(gè)以視覺(jué)為基礎(chǔ)的小小的研究 9。面臨的困難是在基于視覺(jué)有腿機(jī)器人實(shí)驗(yàn)研究上由硬件的顯示所限制。 在有限的硬件基礎(chǔ)上是很難繼續(xù)發(fā)展先進(jìn)的視覺(jué)軟件。為了解決這些問(wèn)題和推進(jìn)基于視覺(jué)的行為研究，可以通過(guò)建立遠(yuǎn)程腦的辦法。身體和大腦相連的無(wú)線鏈路使用無(wú)線照相機(jī)和遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，因?yàn)闄C(jī)體并不需要電腦板，所以它變得更加容易建立一個(gè)有許多自由度驅(qū)動(dòng)的輕盈機(jī)身。 在這項(xiàng)研究中，我們制定了一個(gè)使用遠(yuǎn)程腦機(jī)器人的環(huán)境并且使它執(zhí)行平衡的視覺(jué)和起立的手扶兩足機(jī)器人，通過(guò)胳膊和 腿的合作，該系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明如下。 2 遠(yuǎn)程腦系統(tǒng) 遠(yuǎn)程控制機(jī)器人不使用自己大腦內(nèi)的機(jī)構(gòu)。它留大腦在控制系統(tǒng)中并且與它用無(wú)線電聯(lián)系。這使我們能夠建立一個(gè)自由的身體和沉重大腦的機(jī)器人。身體和大腦的定義軟件和硬件之間連接的接口。身體是為了適應(yīng)每個(gè)研究項(xiàng)目和任務(wù)而設(shè)計(jì)的。這使我們提前進(jìn)行研究各種真實(shí)機(jī)器人系統(tǒng) 10。 一個(gè)主要利用遠(yuǎn)程腦機(jī)器人是基于超級(jí)并行計(jì)算機(jī)上有一個(gè)大型及重型顱腦。雖然硬件技術(shù)已經(jīng)先進(jìn)了并擁有生產(chǎn)功能強(qiáng)大的緊湊型視覺(jué)系統(tǒng)的規(guī)模，但是硬件仍然很大。攝像頭和視覺(jué)處理器的 無(wú)線連接已經(jīng)成為一種研究工具。遠(yuǎn)程腦的做法使我們?cè)诨谝曈X(jué)機(jī)器人技術(shù)各種實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的研究上取得進(jìn)展。 另一個(gè)遠(yuǎn)程腦的做法的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人機(jī)體輕巧。這開(kāi)辟了與有腿移動(dòng)機(jī)器人合作的可能性。至于動(dòng)物，一個(gè)機(jī)器人有 4 個(gè)可以行走的四肢。我們的重點(diǎn)是基于視覺(jué)的適應(yīng)行為的 4 肢機(jī)器人、機(jī)械動(dòng)物，在外地進(jìn)行試驗(yàn)還沒(méi)有太多的研究。 大腦是提出的在母體環(huán)境中通過(guò)接代遺傳 。大腦和母體可以分享新設(shè)計(jì)的機(jī)器人。一個(gè)開(kāi)發(fā)者利用環(huán)境可以集中精力在大腦的功能設(shè)計(jì)上。對(duì)于機(jī)器人的大腦被提出在一個(gè)母體的環(huán)境，它可以直接受益于母體的 演變 ，也就是說(shuō)當(dāng)母體升級(jí)到一個(gè)更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)時(shí)該軟件容易獲得權(quán)利。 圖 1 顯示了遠(yuǎn)程腦系統(tǒng)由大腦基地，機(jī)器人的身體和大腦體界面組成。在遠(yuǎn)程腦辦法中大腦和身體接觸面之間的設(shè)計(jì)和性能是關(guān)鍵。我們目前的執(zhí)行情況采取了完全遠(yuǎn)程腦的辦法，這意味著該機(jī)體上沒(méi)有電腦芯片。目前系統(tǒng)由視覺(jué)子系統(tǒng)，非視覺(jué)傳感器子系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)組成。一個(gè)障礙物可以從機(jī)器人機(jī)體的攝像機(jī)上接收視頻信號(hào)。每個(gè)視覺(jué)子系統(tǒng)由平行放置的 8 個(gè)顯示板組成。 感器信息從視頻發(fā)射機(jī)傳輸。傳輸其他傳感器的信息是可能的，如觸摸和伺服錯(cuò)誤通過(guò)視頻傳輸?shù)?信號(hào)整合成一個(gè)視頻圖像 11 。該驅(qū)動(dòng)器是包括一個(gè)模擬伺服電路和接收安置器的連接模塊。離子參考價(jià)值來(lái)自于動(dòng)作接收器。該動(dòng)作控制子系統(tǒng)可以通過(guò) 13個(gè)波段處理多達(dá) 104個(gè)驅(qū)動(dòng)器和每 20兆秒發(fā)送參考價(jià)值的所有驅(qū)動(dòng)器。 3 兩個(gè)手和足的機(jī)器人 圖 2 顯示了兩個(gè)手和足的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。機(jī)器人的主要電力組成部分是連接著伺服驅(qū)動(dòng)器控、制信號(hào)接收器定位傳感器，發(fā)射機(jī)，電池驅(qū)動(dòng)器，傳感器和一個(gè)攝像頭，視頻發(fā)射機(jī)，沒(méi)有電腦板。伺服驅(qū)動(dòng)器包括一個(gè)齒輪傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)和伺服電路模擬的方塊?？刂菩盘?hào)給每個(gè)伺服模塊的位置參考。扭 矩伺服模塊可覆蓋 21 4速度約 0 0制信號(hào)傳輸無(wú)線電路編碼的 8 個(gè)參考值。該機(jī)器人在圖 2 中有兩個(gè)接收器模塊在芯片上以控制 16個(gè)驅(qū)動(dòng)器。 圖 3 說(shuō)明了方向傳感器使用了一套垂直開(kāi)關(guān)。垂直開(kāi)關(guān)是水銀開(kāi)關(guān)。當(dāng)水銀開(kāi)關(guān)（ a）是傾斜時(shí)，下拉關(guān)閉的汞之間接觸的兩個(gè)電極。方向傳感器安裝兩個(gè)汞開(kāi)關(guān)，如圖顯示在（ b）項(xiàng)。該交換機(jī)提供了兩個(gè)比特信號(hào)用來(lái)檢測(cè)4 個(gè)方向的傳感器如圖所示在（ c）項(xiàng)。該機(jī)器人具有在其胸部的傳感器并且它可以區(qū)分四個(gè)方向：面朝上，面朝下，站立和顛倒。 該機(jī)體 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模擬在母親環(huán)境下。該機(jī)體的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是被描述面向一個(gè)口齒不清的對(duì)象，這使我們能夠描述幾何實(shí)體模型和窗口界面設(shè)計(jì)的行為。 4 基于視覺(jué)的平衡 該機(jī)器人可以用兩條腿站起來(lái)。因?yàn)樗梢愿淖儥C(jī)體的重心，通過(guò)控制踝關(guān)節(jié)的角度，它可以進(jìn)行靜態(tài)的兩足行走。如果地面不平整或不穩(wěn)定，在靜態(tài)步行期間機(jī)器人必需控制她的身體平衡。 為了視覺(jué)平衡和保持移動(dòng)平穩(wěn)，它要有高速的視覺(jué)系統(tǒng)。我們已經(jīng)用相關(guān)的芯片 13制定了一項(xiàng)跟蹤視覺(jué)板。這個(gè)視覺(jué)板由帶著特別 片（電位 14 ：運(yùn)動(dòng)估計(jì)處理器）擴(kuò)張轉(zhuǎn)換器組成 ，與執(zhí)行本地圖像塊匹配。 該輸入處理器是作為參考程序塊和一個(gè)圖像搜索窗口形象 6*16 像素 2 像素，以便它能夠包括 16 * 16 且匹配。該處理器計(jì)算價(jià)值 256 薩赫勒（總和絕對(duì)差）之間的參考?jí)K和 256 塊在搜索窗口，還找到最佳匹配塊，這就是其中的最低薩赫勒價(jià)值。 當(dāng)目標(biāo)平移時(shí)塊匹配是非常有力的。然而，普通的塊匹配方法當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)法跟蹤目標(biāo)。為了克服這一困難，我們開(kāi)發(fā)了一 種新方法，跟隨真正旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的候選模板。旋轉(zhuǎn)模板法首先生成所有目標(biāo)圖像旋轉(zhuǎn)，并且?guī)讉€(gè)足夠的候選參考模板被選擇并跟蹤前面圖的場(chǎng)景相匹配。圖 5 展示了一個(gè)平衡實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人站在傾斜的木板上。機(jī)器人視覺(jué)跟蹤著前面的場(chǎng)景。它會(huì)記住一個(gè)物體垂直方向作為視覺(jué)跟蹤的參照并產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)圖像的參考圖象。如果視覺(jué)跟蹤的參考對(duì)象使用旋轉(zhuǎn)圖像，它可以衡量身體旋轉(zhuǎn)。 為了保持身體平衡，機(jī)器人的反饋控制其身體旋轉(zhuǎn)來(lái)控制中心機(jī)體的重心。旋轉(zhuǎn)視覺(jué)跟蹤 15可以跟蹤視頻圖像率。 該輸入處理器是作為參考程序塊和一個(gè)圖像搜索窗口形 象 6*16 像素 2 像素，以便它能夠包括 16 * 16 且匹配。該處理器計(jì)算價(jià)值 256 薩赫勒（總和絕對(duì)差）之間的參考?jí)K和 256 塊在搜索窗口，還找到最佳匹配塊，這就是其中的最低薩赫勒價(jià)值。 當(dāng)目標(biāo)平移時(shí)塊匹配是非常有力的。然而，普通的塊匹配方法當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)法跟蹤目標(biāo)。為了克服這一困難，我們開(kāi)發(fā)了一種新方法，跟隨真正旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的候選模板。旋轉(zhuǎn)模板法首先生成所有目標(biāo)圖像旋轉(zhuǎn)，并且?guī)讉€(gè)足夠的候選參考模板被選擇并跟蹤前面圖的場(chǎng)景相匹配。 圖 5 展示了一個(gè)平衡實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人站在傾斜的木板上。機(jī)器人視覺(jué)跟蹤著前面的場(chǎng)景。它會(huì)記住一個(gè)物體垂直方向作為視覺(jué)跟蹤的參照并產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)圖像的參考圖象。如果視覺(jué)跟蹤的參考對(duì)象使用旋轉(zhuǎn)圖像，它可以衡量身體旋轉(zhuǎn)。 為了保持身體平衡，機(jī)器人的反饋控制其身體旋轉(zhuǎn)來(lái)控制中心機(jī)體的重心。旋轉(zhuǎn)視覺(jué)跟蹤 15可以跟蹤視頻圖像率。 5 雙足步行 如果一個(gè)雙足機(jī)器人可以自由的控制機(jī)器人的重心，它可以執(zhí)行雙足行走。展示在圖 7 的機(jī)器人在腳踝的位置有以左 和以右的角度，它可以在特定的方式下執(zhí)行雙足行走。該一個(gè)周期的一系列運(yùn)動(dòng)由八個(gè)階段組成，如圖 6 所示 。一個(gè)步驟包括四個(gè)階段 ;移動(dòng)腳的重力中心，抬腿，向前移動(dòng)，換腿。由于身體被描述用實(shí)體模型，根據(jù)重心參數(shù)機(jī)器人可以產(chǎn)生一個(gè)機(jī)構(gòu)配置移動(dòng)重力中心。這一運(yùn)動(dòng)后，機(jī)器人可以抬起另一條腿并且向前走。在抬腿過(guò)程中機(jī)器人必須操縱機(jī)構(gòu)配置，以保持支持腳上的重心。依賴于重心的高度作為平衡的穩(wěn)定性，機(jī)器人選擇合適的膝蓋角度 7 顯示了一系列雙足機(jī)器人行走的實(shí)驗(yàn)。 6 滾動(dòng)和站立 圖 8 顯示了一系列滾動(dòng)，坐著和站起來(lái)的動(dòng) 作。這個(gè)動(dòng)作要求胳膊和腿之間的協(xié)調(diào)。 由于步行機(jī)器人有一個(gè)電池，該機(jī)器人可使用電池的重量做翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。當(dāng)機(jī)器人抬起左腿，向后移動(dòng)左臂且右臂向前，它可以得到機(jī)體周圍的旋轉(zhuǎn)力矩。如果身體開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，右腿向后移動(dòng)并且左腳依賴臉部返回原來(lái)位置。翻滾運(yùn)動(dòng)身體的變化方向從仰視到俯視。它可通過(guò)方向傳感器核查。 得到正面朝下的方向后，向下移動(dòng)機(jī)器人的手臂以坐在兩個(gè)腳上。這個(gè)動(dòng)作引起了雙手和地面之間的滑動(dòng)。如果手臂的長(zhǎng)度不夠達(dá)到在腳上的身體重心，這個(gè)坐的運(yùn)動(dòng)要求有手臂來(lái)推動(dòng)運(yùn)動(dòng)。站立運(yùn)動(dòng)是被控制的，以保持平衡。 7 通過(guò)集成傳感器網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型的綜合 為了使上述描述的基本動(dòng)作成為一體，我們通過(guò)一種方法來(lái)描述一種被認(rèn)為是根據(jù)傳感器狀況的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型。圖 9 顯示了綜合了基本動(dòng)作機(jī)器人的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖：兩足行走，滾動(dòng)，坐著和站立。這種一體化提供了機(jī)器人保持行走甚至跌倒時(shí)的能力。 普通的雙足行走是由兩步組成，連續(xù)的左腿在前和右腿在前。這個(gè)姿勢(shì)依賴于背部和臉部和站立是一樣的 。也就是說(shuō)，機(jī)器人的機(jī)體形狀是相同的，但方向是不同的。 該機(jī)器人可以探測(cè)機(jī)器人是否依賴于背部或面部使用方向傳感器。當(dāng)機(jī)器人發(fā)覺(jué)跌倒時(shí)，它改 變了依賴于背部或腹部通過(guò)移動(dòng)不確定姿勢(shì)的狀況。如果機(jī)器人依賴于背部起來(lái) ，一系列的動(dòng)作將被計(jì)劃執(zhí)行：翻轉(zhuǎn)、坐下和站立動(dòng)作。如果這種情況是依賴于臉部 ，它不執(zhí)行翻轉(zhuǎn)而是移動(dòng)手臂執(zhí)行坐的動(dòng)作。 8 結(jié)束語(yǔ) 本文提出了一個(gè)兩手臂的可以執(zhí)行靜態(tài)雙足行走，翻轉(zhuǎn)和站立動(dòng)作的機(jī)器人。建立這種行為的關(guān)鍵是遠(yuǎn)程腦方法。正如實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)線技術(shù)允許機(jī)體自由移動(dòng)。這似乎也改變我們概念化機(jī)器人的一種方式。在我們的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)展一種新的研究環(huán)境，更適合于機(jī)器人和真實(shí)世界的人工智能。 這里提出的機(jī)器人是一個(gè) 有腿的機(jī)器人。我們的視覺(jué)系統(tǒng)是基于高速塊匹配功能實(shí)施大規(guī)模集成電路的運(yùn)動(dòng)估算。視覺(jué)系統(tǒng)提供了與人交往作用的機(jī)體活力和適應(yīng)能力。機(jī)械狗表現(xiàn)出建立在跟蹤測(cè)距的基礎(chǔ)上的適應(yīng)行為。機(jī)械類人猿已經(jīng)表明跟蹤和記憶的視覺(jué)功能和它們?cè)诨?dòng)行為上的綜合。 一個(gè)兩手臂機(jī)器人的研究為智能機(jī)器人研究提供了一個(gè)新的領(lǐng)域。因?yàn)樗母鞣N行為可能造成一個(gè)靈活的機(jī)體。遠(yuǎn)程腦方法將支持以學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)行為的研究領(lǐng)域。下一個(gè)研究任務(wù)包括：如何借鑒人類行為以及如何讓機(jī)器人提高自身的學(xué)術(shù)行為。