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　　新形態(tài)機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué)切換器掌控技術(shù)

　　國(guó)際金屬加工網(wǎng)

　　先進(jìn)制造 ◇ 系列技術(shù)講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國(guó)機(jī)器人行業(yè)典型研討會(huì)

　　聽(tīng)覺(jué)是人類交互外間重要信息的重要手段，聽(tīng)覺(jué)繼電器是機(jī)器人以獲取環(huán)境重要信息的關(guān)鍵性組成部分。責(zé)任編輯主要討論新形態(tài)機(jī)器人BHR-1的聽(tīng)覺(jué)繼電器。首先介紹機(jī)器人頸部的聽(tīng)覺(jué)總體結(jié)構(gòu)方案，然后論述了如前所述立體聽(tīng)覺(jué)的重要信息處置和頸部體育運(yùn)動(dòng)掌控，最后通過(guò)最終目標(biāo)追蹤和物體截取試驗(yàn)說(shuō)明了掌控系統(tǒng)的可行性。

總體方案及掌控技術(shù)　　新形態(tài)機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué)繼電器要求能夠依照具體環(huán)境和具體情況進(jìn)行主動(dòng)搜尋，動(dòng)態(tài)將探頭轉(zhuǎn)向最終目標(biāo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部空間最終目標(biāo)的動(dòng)態(tài)追蹤并以獲取物體的二維邊線重要信息，從而掌控肩膀同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)地體的準(zhǔn)確截取。

　　BHR-1)的頸部有2個(gè)分量，面部放置兩只CCD探頭做為聽(tīng)覺(jué)傳感器來(lái)模擬人的眼睛。機(jī)器人的肩膀也是模新形態(tài)類的手部設(shè)計(jì)的，具有7個(gè)分量，肩下肢3個(gè)分量，肘下肢2個(gè)分量，腕下肢2個(gè)分量，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)人類手部的各種動(dòng)作。機(jī)器人依照最終目標(biāo)的二維邊線重要信息同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)地體的截取。

新形態(tài)機(jī)器人BHR-1的總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)物體的快速功能定位，需要完成繪圖和體育運(yùn)動(dòng)掌控的任務(wù)。一臺(tái)排序機(jī)將難以滿足快速功能定位的動(dòng)態(tài)性要求，因而責(zé)任編輯選用了雙排序機(jī)處置和Memolink通信方式的掌控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用兩臺(tái)排序機(jī)分別負(fù)責(zé)雙眼立體聽(tīng)覺(jué)的重要信息處置和機(jī)器人的體育運(yùn)動(dòng)掌控。Memolink是掌控系統(tǒng)間進(jìn)行快速通信的一種有效解決方案。

　　機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué)追蹤以及最終目標(biāo)截取的同時(shí)實(shí)現(xiàn)都依賴體育運(yùn)動(dòng)掌控排序機(jī)對(duì)機(jī)器人的體育運(yùn)動(dòng)掌控。運(yùn)

　　圖2 掌控系統(tǒng)總體方案

　　動(dòng)掌控技術(shù)依照聽(tīng)覺(jué)處置掌控系統(tǒng)的處置意見(jiàn)，掌控機(jī)器人采取相應(yīng)決策。例如

　　:頸部的兩分量旋轉(zhuǎn)，以追蹤最終目標(biāo)的體育運(yùn)動(dòng)或者手部肩膀去截取最終目標(biāo)。體育運(yùn)動(dòng)掌控模塊以RT-Linux動(dòng)態(tài)操作操作掌控系統(tǒng)做為軟件平臺(tái)，保證了機(jī)器人掌控技術(shù)的動(dòng)態(tài)性。

　　機(jī)器人的體育運(yùn)動(dòng)掌控模塊的涉嫌第一類是機(jī)器人的各下肢的視角，而下肢是由電機(jī)助推的，因而涉嫌第一類事實(shí)上是助推下肢旋轉(zhuǎn)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)的視角，是一個(gè)邊線繼電器。

掌控系統(tǒng)采用了兩套多功能U228，將所有的A/D切換、D/A切換、ENC、PWM、32位IO等多種功能都集成在該U228上，提高了掌控系統(tǒng)的集成性并減小了掌控系統(tǒng)體積和重量。

　　在掌控訊號(hào)的輸出方面，由于掌控的目的是為了機(jī)器人的頸部能夠追蹤體育運(yùn)動(dòng)的最終目標(biāo)，因而事實(shí)上Eygurande就是依照繪圖模塊的處置意見(jiàn)得到的，在繪圖的過(guò)程中，最終求得的最終目標(biāo)的邊線就是后面體育運(yùn)動(dòng)掌控模塊的Eygurande。由于繪圖模塊的處置意見(jiàn)本身就是數(shù)字量，體育運(yùn)動(dòng)掌控模塊所得到的邊線重要信息也是數(shù)字訊號(hào)，因而，這里不需要模數(shù)切換的過(guò)程。

　　在意見(jiàn)反饋訊號(hào)的輸出方面，因?yàn)樯嫦拥谝活愂请姍C(jī)，確切的說(shuō)是電機(jī)旋轉(zhuǎn)的視角，是邊線掌控，因而可以用電機(jī)上面的丘帕卡編解碼器的輸出做為意見(jiàn)反饋訊號(hào)。丘帕卡編解碼器是一個(gè)量測(cè)

電機(jī)所轉(zhuǎn)過(guò)身的視角的器件，它以波形的方式來(lái)意見(jiàn)反饋電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)身的視角，電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)身的視角越大，它輸出的波形特征值就越多，反之，輸出的波形特征值就越少。因而我們選用了U228上的ENC(encoder)

　　圖3 機(jī)器人頸部體育運(yùn)動(dòng)掌控模塊SimRank

　　接口來(lái)做為意見(jiàn)反饋訊號(hào)的輸出通道，它可以量測(cè)丘帕卡編解碼器的波形輸出特征值。機(jī)器人頸部的體育運(yùn)動(dòng)掌控模塊的結(jié)構(gòu)SimRank如圖3所示。

　　如前所述立體聽(tīng)覺(jué)的聽(tīng)覺(jué)重要信息處置

　　掌控系統(tǒng)選用了如前所述立體聽(tīng)覺(jué)的解決方案，通過(guò)加入了深度重要信息，使得最終目標(biāo)的搜尋結(jié)果更加精確。掌控系統(tǒng)采用了美國(guó)SRI人工智能中心所開(kāi)發(fā)的兩套高速的雙眼立體聽(tīng)覺(jué)掌控系統(tǒng)SVS(small vision system)。

圖像拆分是物體辨識(shí)的預(yù)處置階段，是機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)繼電器的關(guān)鍵性技術(shù)之一。該掌控系統(tǒng)選用了如前所述顏色重要信息的共振頻率拆分方法。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果都表明，對(duì)同一顏色特性的物體，在光源種類、放大率、物體反射特性等不同條件下，測(cè)得的RGB顏色值分布很分散，很難確定辨識(shí)RGB的共振頻率范圍。而HSV模型更接近人眼對(duì)顏色的交互，它將采集的顏色重要信息分為配色、飽和度和亮度三種特性量化，配色特性H能比較精確地反映顏色種類，對(duì)外間光照條件的變化敏感程度低，因而，HSV較之RGB更適合于用做辨識(shí)處置的基礎(chǔ)。責(zé)任編輯選用HSV模型做為顏色辨識(shí)處置的基礎(chǔ)，選取其中的參數(shù)H和V做為辨識(shí)處置的判別依據(jù)。RGB內(nèi)部空間中一點(diǎn)到HSV內(nèi)部空間中一點(diǎn)的具體轉(zhuǎn)化關(guān)系如下:

　　V=max(r,g,b)，V′= min(r,g,b);

　　If V= 0 or V = V′then H=0, S=0;

If r = V then H=(g－b)/(V－V′);

　　If g= V then H=2+ (b－r)/(V－V′);

　　If b = V then H=4+ (r－g)/(V－V′), H=H×60;

　　If H <0 then H=H+360, S=(V－V′)/V

　　掌控系統(tǒng)首先離線采樣最終目標(biāo)圖像區(qū)域，將該局部彩色圖像從RGB模型轉(zhuǎn)化為HSV模型，對(duì)其中H、S兩個(gè)分量分別作直方圖，得到選定區(qū)域的H、S共振頻率，這是一個(gè)離線的學(xué)

　　圖4 聽(tīng)覺(jué)處置流程圖

　　習(xí)過(guò)程。在隨后的動(dòng)態(tài)圖像辨識(shí)中，

　　H、S共振頻率依照前一個(gè)聽(tīng)覺(jué)周期的彩色圖像動(dòng)態(tài)更新以適應(yīng)新的光照條件。

聽(tīng)覺(jué)處置掌控系統(tǒng)的流程圖如圖4所示，掌控系統(tǒng)采用探頭來(lái)采集圖像，在對(duì)圖像進(jìn)行一系列的預(yù)處置之后，對(duì)其進(jìn)行區(qū)域拆分，以得到多個(gè)區(qū)域，再搜尋這些區(qū)域，依照已知最終目標(biāo)特征找到目　　標(biāo)所在的區(qū)域。如果找到，則掌控機(jī)器人頸部面向最終目標(biāo)，同時(shí)更新最終目標(biāo)的特征，以用來(lái)在下次搜尋時(shí)采用，如果沒(méi)有找到相匹配的最終目標(biāo)，則可能最終目標(biāo)被暫時(shí)隱藏或丟失，這時(shí)開(kāi)始下一次處置，以等待最終目標(biāo)再次出現(xiàn)。

　　因?yàn)槁?tīng)覺(jué)處置掌控系統(tǒng)處置的是上一個(gè)周期的圖像，所以得到的最終目標(biāo)坐標(biāo)也是上一個(gè)周期的坐標(biāo)，如果用此方向坐標(biāo)來(lái)做為體育運(yùn)動(dòng)掌控的輸出，則頸部體育運(yùn)動(dòng)始終滯后一個(gè)周期。為了加快掌控系統(tǒng)的速度，責(zé)任編輯選用了比例微分掌控，掌控系統(tǒng)地輸出輸出函數(shù)為:

　　Iα(k＋1)＝kp eα(k)＋kd(eα(k)－eα(k-1))

Iβ(k＋1)＝kp eβ(k)＋kd(eβ(k)－eβ(k-1))

　　eα(k)＝αk－αk’,eβ(k)＝βk－βk’

　　式中Iα(k＋1)和Iβ(k＋1)為在t(k＋1)時(shí)間上掌控技術(shù)的輸出;(αk,βk)表示在時(shí)間 t(k)最終目標(biāo)的方向坐標(biāo);(αk’, βk’)該時(shí)刻二分量機(jī)構(gòu)的方向坐標(biāo);eα(k)和eβ(k) 分別表示該時(shí)刻頸部邊線與最終目標(biāo)邊線之間的偏差;kp和kd分別為掌控技術(shù)的比例系數(shù)和微分系數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)調(diào)節(jié)kp和kd，kd＜＜kp，掌控系統(tǒng)可以既有較高的反應(yīng)速度，同時(shí)又具有穩(wěn)定性。

　　體育運(yùn)動(dòng)掌控過(guò)程

依照前面的敘述，排序機(jī)掌控技術(shù)的工作過(guò)程是一個(gè)循環(huán)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集，動(dòng)態(tài)決策，動(dòng)態(tài)掌控的過(guò)程，在本掌控系統(tǒng)中，依照所選用器件的具體情況，假設(shè)對(duì)所有的掌控環(huán)完成這樣的一個(gè)循環(huán)大約需要m毫秒的時(shí)間左右。在聽(tīng)覺(jué)重要信息處置掌控系統(tǒng)中，處置一幀圖像平均需要n毫秒左右的時(shí)間，由于聽(tīng)覺(jué)處置和體育運(yùn)動(dòng)掌控任務(wù)的特點(diǎn)的不同，n>>m，也就是說(shuō)聽(tīng)覺(jué)處置的周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于體育運(yùn)動(dòng)掌控的周期。在一個(gè)聽(tīng)覺(jué)處置的周期內(nèi)，掌控系統(tǒng)可以完成多個(gè)掌控周期的處置。因而在一個(gè)聽(tīng)覺(jué)處置周期之后，掌控系統(tǒng)應(yīng)該做好下一個(gè)聽(tīng)覺(jué)處置周期之內(nèi)的體育運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，也就是做好后面多個(gè)掌控周期之內(nèi)的體育運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，這樣才能保證機(jī)器人的頸部以均勻、平緩，同時(shí)又是精確的速度來(lái)追蹤最終目標(biāo)。

　　掌控技術(shù)軟件流程如圖5所示。

在每一個(gè)體育運(yùn)動(dòng)掌控周期內(nèi)，程序都首先要查看Memolink，看聽(tīng)覺(jué)重要信息處置掌控系統(tǒng)是否有新的處置意見(jiàn)通過(guò)Memolink傳遞到體育運(yùn)動(dòng)掌控技術(shù)，如果沒(méi)有，程序就按照預(yù)設(shè)的體育運(yùn)動(dòng)規(guī)劃來(lái)掌控機(jī)器人體育運(yùn)動(dòng);如

　　圖5 機(jī)器人體育運(yùn)動(dòng)掌控的軟件流程

　　果有，程序就先要依照聽(tīng)覺(jué)掌控系統(tǒng)的處置意見(jiàn)來(lái)修改體育運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。為了使機(jī)器人頸部的體育運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，我們把每次預(yù)設(shè)的體育運(yùn)動(dòng)規(guī)劃所規(guī)劃的時(shí)間定為略大于聽(tīng)覺(jué)處置的平均周期，這樣就能夠保證掌控系統(tǒng)在每次新的聽(tīng)覺(jué)處置意見(jiàn)到來(lái)之時(shí)，原有的體育運(yùn)動(dòng)規(guī)劃還沒(méi)有執(zhí)行完。從而使只要最終目標(biāo)在不斷體育運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人頸部便可以處于不斷體育運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，避免了機(jī)器人頸部時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停的現(xiàn)象。

　　隨后程序分別讀取規(guī)劃和意見(jiàn)反饋，依照兩者之差來(lái)求得掌控量，再發(fā)出掌控訊號(hào)，掌控機(jī)器人頸部的旋轉(zhuǎn)。

對(duì)于掌控量的求法程序選用了傳統(tǒng)的PID算法，設(shè)t(k)為第k個(gè)體育運(yùn)動(dòng)掌控周期時(shí)刻，在t(k)時(shí)間上，掌控系統(tǒng)的輸出量為Yk，體育運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的規(guī)劃量為Xk，依據(jù)PID算法，在t(k＋1)時(shí)間上，掌控系統(tǒng)的輸出Yk＋1為

　　Yk＋1＝KP(Xk－Yk)＋Ki∑(Xk－Yk)＋Kd(Xk－Yk－Xk-1＋Yk-1)

　　上式中KP，Ki，Kd分別為比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)。在一個(gè)掌控技術(shù)中，一定大小積分系數(shù)可以使掌控系統(tǒng)沒(méi)有殘差，但會(huì)降低響應(yīng)速度;而一定大小的比例系數(shù)可以加快掌控系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并能依照輸出的變化提前做出響應(yīng)，但可能導(dǎo)致掌控系統(tǒng)不穩(wěn)定。因而在結(jié)果可以接受的情況下，應(yīng)該只采用比例系數(shù)，如果結(jié)果達(dá)不到要求再采用積分系數(shù)和微分系數(shù)。

　　試驗(yàn)

本掌控系統(tǒng)中，聽(tīng)覺(jué)重要信息處置掌控系統(tǒng)和體育運(yùn)動(dòng)掌控技術(shù)分別適用Windows和RT-Linux做為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。RT-Linux是動(dòng)態(tài)操作掌控系統(tǒng)，采用它可以滿足體育運(yùn)動(dòng)掌控的動(dòng)態(tài)性，而Windows掌控系統(tǒng)的強(qiáng)大的多媒體功能使其成為繪圖的平臺(tái)。聽(tīng)覺(jué)重要信息處置排序機(jī)的CPU為PⅣ 2.4GB,內(nèi)存512M;體育運(yùn)動(dòng)掌控排序機(jī)的CPU為PⅢ 700MHz，內(nèi)存256M;Memolink是連接聽(tīng)覺(jué)處置掌控系統(tǒng)與體育運(yùn)動(dòng)掌控技術(shù)的橋梁，我們選用的產(chǎn)品選用PCI接口，最大傳輸速率為1Mbytes/s。探頭為SVS聽(tīng)覺(jué)處置掌控系統(tǒng)，每秒鐘采樣15幀。

SVS聽(tīng)覺(jué)處置掌控系統(tǒng)安裝才2分量的體育運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，該機(jī)構(gòu)在2個(gè)分量方向的體育運(yùn)動(dòng)足以使其指向任何方向，因而可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)追蹤物體。BHR-1的頸部的二維尺寸為寬19cm，高27cm，深19cm，重量2.8kg，以上數(shù)據(jù)包括機(jī)械

　　結(jié)構(gòu)、軸承、電機(jī)、攝像機(jī)等。

　　利用該掌控系統(tǒng)追蹤和功能定位物體時(shí)，圖像的處置速度為每秒鐘10幀，聽(tīng)覺(jué)切換器周期為100ms左右，體育運(yùn)動(dòng)掌控技術(shù)的切換器周期是3ms，近距離的功能定位精度較高，最高精度為1m處3‰。圖6為BHR-1的頸部追蹤和物體功能定位試驗(yàn)。

　　為進(jìn)一步驗(yàn)證責(zé)任編輯提出的聽(tīng)覺(jué)功能定位與動(dòng)作規(guī)劃的方法的有效性，BHR-1掌控系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了時(shí)地體的截取試驗(yàn)(如圖7)，機(jī)器人肩膀是具有7個(gè)分量的機(jī)器人的右臂，試驗(yàn)過(guò)程中，聽(tīng)覺(jué)掌控系統(tǒng)將最終目標(biāo)物體的二維重要信息通過(guò)memolink傳遞給體育運(yùn)動(dòng)掌控排序機(jī)，體育運(yùn)動(dòng)掌控排序機(jī)依照上面提出的方法規(guī)劃數(shù)據(jù)并同時(shí)實(shí)現(xiàn)截取物體。

結(jié)語(yǔ)責(zé)任編輯給出了一種如前所述雙眼聽(tīng)覺(jué)的物體的追蹤和功能定位方案。雙眼聽(tīng)覺(jué)用于以獲取最終目標(biāo)物體的二維內(nèi)部空間重要信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)物體的功能定位。這個(gè)掌控系統(tǒng)選用了雙排序機(jī)處置和Memolink 通訊方式，兩臺(tái)排序機(jī)分別進(jìn)行聽(tīng)覺(jué)重要信息處置和體育運(yùn)動(dòng)掌控，保證了掌控系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度。

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