外文翻譯--多自由度步行機(jī)器人 中文版

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畢業(yè)設(shè)計 (論文 )外文資料翻譯 系 別： 機(jī)電信息系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 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)計一款不僅可以倒下而且還可以站起來的機(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，即一個模仿機(jī)器人，它可以步行、滾動和站起來。該機(jī)器人由一個頭，兩個胳膊和兩條腿組成?；谶h(yuǎn)程控制，設(shè)計了雙足機(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)無法與無線電聯(lián)系的問題。這種遠(yuǎn)程控制使機(jī)器人具有強(qiáng)大的計算頭腦和有多個關(guān)節(jié)輕盈的身體。該機(jī)器人能夠保持平衡并長期使用跟蹤視覺，通過一組垂直傳感器檢測是否跌倒，并通過兩個手臂和兩條腿履行起立動作。用實(shí)際例子對所開發(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，對于設(shè)計的雙足運(yùn)動的機(jī)器人具有有站起來動作的能力是必不可少。為了建立一個可以實(shí)現(xiàn)兩足自動步行的機(jī)器人，設(shè)計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態(tài)步行，作為一種先進(jìn)的 控制問題來對待它 。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，而不是一個不會倒下的機(jī)器人，是一個倒下來可以站起來的機(jī)器人。 為了建立一個既能倒下又能站起來的機(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有跌倒。雖然視覺是一個機(jī)器人最重要的遙感功能，但由于視覺系統(tǒng)規(guī)模和實(shí)力的限制，建立一個強(qiáng)大的視覺系統(tǒng)在機(jī)器人自己的身體上是困難的。如果我們想進(jìn)一步要求動態(tài)反應(yīng)和智能推理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上基于視覺的機(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)動各種智能 行為。至于有腿機(jī)器人 [6][7][8]，只有一個以視覺為基礎(chǔ)的小小的研究 [9]。面臨的困難是在基于視覺有腿機(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)的視覺軟件。為了解決這些問題和推進(jìn)基于視覺的行為研究，可以通過建立遠(yuǎn)程腦的辦法。身體和大腦相連的無線鏈路使用無線照相機(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有許多自由度驅(qū)動的輕盈機(jī)身。 在這項(xiàng)研究中，我們制定了一個使用遠(yuǎn)程腦機(jī)器人的環(huán)境并且使它執(zhí)行平衡的視覺和起立的手扶兩足機(jī)器人，通過胳膊和 腿的合作，該系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明如下。 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)中并且與它用無線電聯(lián)系。這使我們能夠建立一個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)每個研究項(xiàng)目和任務(wù)而設(shè)計的。這使我們提前進(jìn)行研究各種真實(shí)機(jī)器人系統(tǒng) [10]。 一個主要利用遠(yuǎn)程腦機(jī)器人是基于超級并行計算機(jī)上有一個大型及重型顱腦。雖然硬件技術(shù)已經(jīng)先進(jìn)了并擁有生產(chǎn)功能強(qiáng)大的緊湊型視覺系統(tǒng)的規(guī)模，但是硬件仍然很大。攝像頭和視覺處理器的 無線連接已經(jīng)成為一種研究工具。遠(yuǎn)程腦的做法使我們在基于視覺機(jī)器人技術(shù)各種實(shí)驗(yàn)問題的研究上取得進(jìn)展。 另一個遠(yuǎn)程腦的做法的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人機(jī)體輕巧。這開辟了與有腿移動機(jī)器人合作的可能性。至于動物，一個機(jī)器人有 4 個可以行走的四肢。我們的重點(diǎn)是基于視覺的適應(yīng)行為的 4 肢機(jī)器人、機(jī)械動物，在外地進(jìn)行試驗(yàn)還沒有太多的研究。 大腦是提出的在母體環(huán)境中通過接代遺傳 。大腦和母體可以分享新設(shè)計的機(jī)器人。一個開發(fā)者利用環(huán)境可以集中精力在大腦的功能設(shè)計上。對于機(jī)器人的大腦被提出在一個母體的環(huán)境，它可以直接受益于母體的 ‘演變’ ，也就是說當(dāng)母體升級到一個更強(qiáng)大的計算機(jī)時該軟件容易獲得權(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)體上沒有電腦芯片。目前系統(tǒng)由視覺子系統(tǒng)，非視覺傳感器子系統(tǒng)和運(yùn)動控制子系統(tǒng)組成。一個障礙物可以從機(jī)器人機(jī)體的攝像機(jī)上接收視頻信號。每個視覺子系統(tǒng)由平行放置的 8 個顯示板組成。 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，如觸摸和伺服錯誤通過視頻傳輸?shù)?信號整合成一個視頻圖像 [11] 。該驅(qū)動器是包括一個模擬伺服電路和接收安置器的連接模塊。離子參考價值來自于動作接收器。該動作控制子系統(tǒng)可以通過 13個波段處理多達(dá) 104個驅(qū)動器和每 20兆秒發(fā)送參考價值的所有驅(qū)動器。 3 兩個手和足的機(jī)器人 圖 2 顯示了兩個手和足的機(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)動器控、制信號接收器定位傳感器，發(fā)射機(jī)，電池驅(qū)動器，傳感器和一個攝像頭，視頻發(fā)射機(jī)，沒有電腦板。伺服驅(qū)動器包括一個齒輪傳動電動機(jī)和伺服電路模擬的方塊?？刂菩盘柦o每個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制信號傳輸無線電路編碼的 8 個參考值。該機(jī)器人在圖 2 中有兩個接收器模塊在芯片上以控制 16個驅(qū)動器。 圖 3 說明了方向傳感器使用了一套垂直開關(guān)。垂直開關(guān)是水銀開關(guān)。當(dāng)水銀開關(guān)（ a）是傾斜時，下拉關(guān)閉的汞之間接觸的兩個電極。方向傳感器安裝兩個汞開關(guān)，如圖顯示在（ b）項(xiàng)。該交換機(jī)提供了兩個比特信號用來檢測4 個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)計和模擬在母親環(huán)境下。該機(jī)體的運(yùn)動學(xué)模型是被描述面向一個口齒不清的對象，這使我們能夠描述幾何實(shí)體模型和窗口界面設(shè)計的行為。 4 基于視覺的平衡 該機(jī)器人可以用兩條腿站起來。因?yàn)樗梢愿淖儥C(jī)體的重心，通過控制踝關(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。 為了視覺平衡和保持移動平穩(wěn)，它要有高速的視覺系統(tǒng)。我們已經(jīng)用相關(guān)的芯片 [13]制定了一項(xiàng)跟蹤視覺板。這個視覺板由帶著特別 片（電位 [14] ：運(yùn)動估計處理器）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。該處理器計算價值 256 薩赫勒（總和絕對差）之間的參考塊和 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值。 當(dāng)目標(biāo)平移時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)時無法跟蹤目標(biāo)。為了克服這一困難，我們開發(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€足夠的候選參考模板被選擇并跟蹤前面圖的場景相匹配。圖 5 展示了一個平衡實(shí)驗(yàn)。在這個實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人站在傾斜的木板上。機(jī)器人視覺跟蹤著前面的場景。它會記住一個物體垂直方向作為視覺跟蹤的參照并產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)圖像的參考圖象。如果視覺跟蹤的參考對象使用旋轉(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)來控制中心機(jī)體的重心。旋轉(zhuǎn)視覺跟蹤 [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。該處理器計算價值 256 薩赫勒（總和絕對差）之間的參考塊和 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值。 當(dāng)目標(biāo)平移時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)時無法跟蹤目標(biāo)。為了克服這一困難，我們開發(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€足夠的候選參考模板被選擇并跟蹤前面圖的場景相匹配。 圖 5 展示了一個平衡實(shí)驗(yàn)。在這個實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人站在傾斜的木板上。機(jī)器人視覺跟蹤著前面的場景。它會記住一個物體垂直方向作為視覺跟蹤的參照并產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)圖像的參考圖象。如果視覺跟蹤的參考對象使用旋轉(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)來控制中心機(jī)體的重心。旋轉(zhuǎn)視覺跟蹤 [15]可以跟蹤視頻圖像率。 5 雙足步行 如果一個雙足機(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。該一個周期的一系列運(yùn)動由八個階段組成，如圖 6 所示 。一個步驟包括四個階段 ;移動腳的重力中心，抬腿，向前移動，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)生一個機(jī)構(gòu)配置移動重力中心。這一運(yùn)動后，機(jī)器人可以抬起另一條腿并且向前走。在抬腿過程中機(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 滾動和站立 圖 8 顯示了一系列滾動，坐著和站起來的動 作。這個動作要求胳膊和腿之間的協(xié)調(diào)。 由于步行機(jī)器人有一個電池，該機(jī)器人可使用電池的重量做翻轉(zhuǎn)動作。當(dāng)機(jī)器人抬起左腿，向后移動左臂且右臂向前，它可以得到機(jī)體周圍的旋轉(zhuǎn)力矩。如果身體開始轉(zhuǎn)動，右腿向后移動并且左腳依賴臉部返回原來位置。翻滾運(yùn)動身體的變化方向從仰視到俯視。它可通過方向傳感器核查。 得到正面朝下的方向后，向下移動機(jī)器人的手臂以坐在兩個腳上。這個動作引起了雙手和地面之間的滑動。如果手臂的長度不夠達(dá)到在腳上的身體重心，這個坐的運(yùn)動要求有手臂來推動運(yùn)動。站立運(yùn)動是被控制的，以保持平衡。 7 通過集成傳感器網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型的綜合 為了使上述描述的基本動作成為一體，我們通過一種方法來描述一種被認(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作機(jī)器人的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖：兩足行走，滾動，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。這個姿勢‘依賴于背部和臉部’和‘站立’是一樣的 。也就是說，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)覺跌倒時，它改 變了依賴于‘背部或腹部’通過移動不確定姿勢的狀況。如果機(jī)器人‘依賴于背部’起來 ，一系列的動作將被計劃執(zhí)行：翻轉(zhuǎn)、坐下和站立動作。如果這種情況是‘依賴于臉部’ ，它不執(zhí)行翻轉(zhuǎn)而是移動手臂執(zhí)行坐的動作。 8 結(jié)束語 本文提出了一個兩手臂的可以執(zhí)行靜態(tài)雙足行走，翻轉(zhuǎn)和站立動作的機(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，無線技術(shù)允許機(jī)體自由移動。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 有腿的機(jī)器人。我們的視覺系統(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)動估算。視覺系統(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功能和它們在互動行為上的綜合。 一個兩手臂機(jī)器人的研究為智能機(jī)器人研究提供了一個新的領(lǐng)域。因?yàn)樗母鞣N行為可能造成一個靈活的機(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。