《智能機器人學》課件-第9章 仿生機器人

第9章

仿生機器人主要內(nèi)容9.1仿生機器人概述9.2仿生機器人發(fā)展歷史9.3仿生機器人結(jié)構(gòu)9.4仿生機器人硬件系統(tǒng)設(shè)計案例9.5仿生機器人控制系統(tǒng)設(shè)計案例9.6仿生機器人實物展示隨著機器人行業(yè)的快速發(fā)展，人們希望機器人能夠在日常生活中輔助和替代人類完成更多復雜繁瑣的任務(wù)。其中，仿生機器人是當下研究的一個熱點。仿生機器人能夠在人們的生活中起到非常重要的作用，因為其具有像人一樣的結(jié)構(gòu)和外貌，相比傳統(tǒng)工業(yè)機器人更能融入到人類的生活環(huán)境，比如醫(yī)療機器人、迎賓機器人、娛樂機器人等。9.1仿生機器人概述隨著人工智能的不斷發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法也被廣泛用在仿生機器人系統(tǒng)上，讓仿生機器人擁有更智能更聰明的“大腦”。從技術(shù)的角度看，仿生機器人所涉及的范圍非常廣，其交叉融合了包括機械設(shè)計、智能控制、機電一體化、視覺技術(shù)等多個學科知識，因此具有非常好的研究價值。9.1仿生機器人概述近代以來國內(nèi)外有許多科學家投入到仿生機器人的研究中。也已經(jīng)有取得不少的成績。相較于國內(nèi)來說，國外的仿生機器人研究起步比較早，已經(jīng)有科學家和工程師設(shè)計出了一些相對比較接近于人類的仿生機器人。不過，近幾年來，隨著國內(nèi)科技水平的不斷提升，也慢慢有了一些我們的自己的研究成果。9.2仿生機器人發(fā)展歷史日本是最早開展仿生機器人研究的國家之一，在1968年，世界上第一臺仿生機器人誕生于日本早稻田大學，他的名字是WABOT-1，由加藤一郎等教授所創(chuàng)造。如圖9-1所示。9.2.1國外仿生機器人發(fā)展歷史圖9-1WABOT-1機器人1985年，加藤一郎團隊研發(fā)了擅長藝術(shù)表演的第二代仿生機器人WABOT-2，如圖9-2所示。WABOT-2機器人比WABOT-1機器人在外形上更加像人類，并且，WABOT-2搭載了具有21個自由度的手臂和手，足夠多的自由度使得WABOT-2能夠完成鋼琴表演。9.2.1國外仿生機器人發(fā)展歷史圖9-2WABOT-2機器人這也是最早研究冗余度機械臂在仿生機器人上應(yīng)用的機器人團隊之一，為仿生機器人上的冗余度機械臂研究打開了先河。9.2.1國外仿生機器人發(fā)展歷史本田公司在1996年推出了一款名叫“ASMIO”的仿生機器人，如圖9-3所示，相比WABOT系列機器人，ASMIO機器人擁有者和人類尺寸幾乎相同的身體軀干，并且在樣貌和手指等細節(jié)上更加像真實的人類，其整體看上去就像是一個穿著宇航服的“宇航員”。9.2.1國外仿生機器人發(fā)展歷史圖9-3ASMIO機器人

東京大學JST實驗室研發(fā)的HRP-2在2005年問世，如圖9-4所示，其手臂和雙腿安裝了具有更強扭矩的關(guān)節(jié)電機，因此使得HRP-2機器人可以完成推箱子等任務(wù)。9.2.1國外仿生機器人發(fā)展歷史圖9-4HPR-2機器人2007年，法國公司Aldebaran公司開發(fā)了一款名叫NAO的仿生型機器人，值得注意的是，如圖9-5所示，NAO機器人的身高只有58厘米，但是擁有著多自由度的身體關(guān)節(jié)、靈活的手指關(guān)節(jié)、視覺系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)，不僅如此，NAO機器人還能做到雙足平衡并且行走。9.2.1國外仿生機器人發(fā)展歷史圖9-5NAO機器人

新加坡南洋理工大學的NadiaThalmann教授及其團隊在2016年發(fā)布了一款仿生機器人，并且命名為Nadine，如圖9-6所示，Nadine的外貌就是根據(jù)Nadia教授設(shè)計的，除此以外，Nadine還擁有著基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)和規(guī)劃系統(tǒng)，其在智能系統(tǒng)上有著很高的造詣。9.2.1國外仿生機器人發(fā)展歷史9.2.1國外仿生機器人發(fā)展歷史圖9-6Nadine機器人Allas是波士頓公司開發(fā)的最新一款人形機器人，控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)手臂、身體和腿的運動，使之行走起來更像人的姿態(tài)，能夠在有限的空間內(nèi)完成較為復雜的工作，如圖9-7所示。9.2.1國外仿生機器人發(fā)展歷史圖9-7波士頓動力Atlas機器人

Spot機器人也是由波士頓公司開發(fā)的機器狗。它可以像狗狗一樣在各種地形上靈活運動，搬運東西,如圖9-8所示。9.2.1國外仿生機器人發(fā)展歷史圖9-8波士頓動力Spot機器狗雖然起步?jīng)]有其他國家早，但是我國也是比較早投身仿生機器人研究的國家之一。在1988年，得益于國家基金、863計劃的推動，由長沙國防科技大學研發(fā)的六自由度平面運動型雙足步行機器人誕生，雖然其還不算嚴格意義上的仿生機器人，但是它的誕生為我國仿生機器人的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。9.2.2國內(nèi)仿生機器人發(fā)展歷史2000年的11月29日，長沙國防科技大學終于研制出我國第一臺全自主研發(fā)的仿生機器人，并且命名為“先行者”，先行者高1.4米，重20公斤，“先行者”在外形外觀上比較像一個卡通人物，其擬人屬性并不是很突出。但是，“先行者”的誕生對我國仿生機器人的研究是具有里程碑意義的，它的誕生推動了我國仿生機器人行業(yè)的發(fā)展。9.2.2國內(nèi)仿生機器人發(fā)展歷史清華大學THBIP系列仿生機器人的研究始于2000年初，經(jīng)過了三個版本的迭代，在2006年推出的第三代樣機THBIP-III已經(jīng)能夠完成揮手和上下臺階的工作。9.2.2國內(nèi)仿生機器人發(fā)展歷史此后，由北京大學研發(fā)的BHR系列機器人、清華大學研制的THBIP系列仿人機器人等相繼面世。BHR機器人一共迭代了3個版本，在2011年的第三代作品BHR-3已經(jīng)初步具有仿生機器人的基本形態(tài)，并且在肢體關(guān)節(jié)運動上已經(jīng)可以完成高自由度的雙足及雙臂動作，比如表演太極拳和刀劍等。9.2.2國內(nèi)仿生機器人發(fā)展歷史而談到比較有代表性意義的機器人，那就一定是“索菲亞”。“索菲亞”是一款由香港漢森機器人技術(shù)公司所開發(fā)的女性類人機器人，除了具有極度仿生的外貌和身體結(jié)構(gòu)外，其還具備這優(yōu)秀的智能系統(tǒng)，能夠自由對話和記憶知識。值得一提的是，“索菲亞”在2017年被沙特阿拉伯授予正式的公民身份，是人類歷史上首個獲得公民身份的仿生機器人。9.2.2國內(nèi)仿生機器人發(fā)展歷史人形機器人的發(fā)明過程非常復雜，在這個過程中投入了大量的工作和研究。大多數(shù)時候，發(fā)明家和工程師都面臨著一些挑戰(zhàn)。一級傳感器和執(zhí)行器非常重要，一個小錯誤就可能導致故障。仿人機器人通過傳感器和執(zhí)行器等特定功能來移動、說話和執(zhí)行操作。9.2.3仿生機器人行業(yè)的挑戰(zhàn)雖然仿生機器人正變得非常流行，但發(fā)明者在創(chuàng)造功能齊全且逼真的機器人時面臨一些挑戰(zhàn)。其中一些挑戰(zhàn)包括：（1）執(zhí)行器（2）傳感器（3）思維和學習能力（4）與環(huán)境的交互（5）軀體結(jié)構(gòu)和四肢運動（6）體系結(jié)構(gòu)（7）基于AI的交互9.2.3仿生機器人行業(yè)的挑戰(zhàn)仿生機器人的研究是當今機器人領(lǐng)域的研究熱門之一。與傳統(tǒng)的工業(yè)機器人相比，仿生機器人的顯著特性就是它具有與人類相似的特點，包括具有像人類一樣的頭部四肢等身體結(jié)構(gòu)、仿生化的外觀以及與人類相似的運動特點。因此，研究仿生機器人機械結(jié)構(gòu)，應(yīng)該以人類的身體構(gòu)造出發(fā)，設(shè)計機器人的各個關(guān)節(jié)、自由度、空間尺寸等。9.3仿生機器人結(jié)構(gòu)本節(jié)旨在利用電機結(jié)構(gòu)設(shè)計及制作一款模仿人體關(guān)鍵運動關(guān)節(jié)的仿生機器人，合理選用電機及設(shè)計關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，使得仿生機器人能夠從體積大小、運動性能、外形外觀等都盡可能地接近人類，如圖9-10所示。9.3仿生機器人結(jié)構(gòu)圖9-10傳統(tǒng)機器人與極仿生機器人人類的關(guān)節(jié)是肢體之間的連接器，也是運動的樞紐。人體全身共有78個關(guān)節(jié)，根據(jù)《人體解剖學》所述，人類關(guān)節(jié)按照運動類型分為三類，不動關(guān)節(jié)、微動關(guān)節(jié)以及活動關(guān)節(jié)。9.3.1人體結(jié)構(gòu)特點不動關(guān)節(jié)是指兩骨之間以結(jié)締組織相連接，中間沒有任何縫隙的關(guān)節(jié)，一般來說無關(guān)節(jié)運動功能，此類關(guān)節(jié)有顱骨關(guān)節(jié)、胸骨關(guān)節(jié)等。微動關(guān)節(jié)可進行小幅度的運動，其關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)通過纖維連接或者依靠韌帶和骨間膜連接，此類關(guān)節(jié)包括有椎間關(guān)節(jié)、骶髂關(guān)節(jié)、下脛腓關(guān)節(jié)等。最后的是活動關(guān)節(jié)，活動關(guān)節(jié)是構(gòu)成人體大部分關(guān)節(jié)，其連接方式為通過結(jié)締組織構(gòu)成的囊相連，且骨面之間有縫隙，并且有少量的滑液，此類關(guān)節(jié)有肩關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等。9.3.1人體結(jié)構(gòu)特點對于仿生機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，為了能夠在占用盡可能少體積的情況下實現(xiàn)盡可能多的仿生機器人自由度，因此在模仿人體身體結(jié)構(gòu)的時候，只針對可大幅度運動的、能夠展現(xiàn)人類特性的關(guān)節(jié)進行模仿和設(shè)計。9.3.1人體結(jié)構(gòu)特點從最基本的層面上來看，人體可以分為四個主要組成部分：（1）身體的結(jié)構(gòu)肌肉系統(tǒng)；（2）感官系統(tǒng)；（3）能量源；（4）大腦系統(tǒng)。9.3.2仿生機器人基本組成機器人的定義范圍很廣，大到工廠作業(yè)的工業(yè)機器人，小到居家打掃家庭服務(wù)機器人。許多機器人專家（制造機器人的人）使用的是一種更為精確的定義：他們規(guī)定，機器人應(yīng)具備可重新編程的大腦（一臺計算機），用來控制身體。根據(jù)這一定義，機器人與其他可移動的機器（如汽車）的不同在于它們具有計算機這一要素。9.3.2仿生機器人基本組成大多數(shù)機器人確實擁有一些共同的特性，例如：（1）移動底盤幾乎所有機器人都有一個可以用來移動的身體結(jié)構(gòu),如圖9-11所示。9.3.2仿生機器人基本組成圖9-11機器人移動底盤（2）能量源，機器人都需要一個能量源來驅(qū)動內(nèi)部傳動裝置。（3）驅(qū)動電路及執(zhí)行裝置，傳動裝置一般都是通過導線與一塊電路相連。如圖9-12所示為機器人驅(qū)動系統(tǒng)的電路板。9.3.2仿生機器人基本組成圖9-12機器人系統(tǒng)電路板（4）傳感器系統(tǒng)，并非所有的機器人都具有傳感系統(tǒng)，只有少數(shù)機器人具有視覺、聽覺、嗅覺或味覺等感知功能。（5）人工智能算法，人工智能（AI）無疑是目前機器人學中最引人矚目的領(lǐng)域，同時也是最有爭議的領(lǐng)域。以上是機器人的一些基本組成部分。機器人專家可以將這些元素通過無數(shù)種方法組合起來，從而制造出無限復雜的機器人。9.3.2仿生機器人基本組成人體的結(jié)構(gòu)可以分為四個大部分，分別是頭部、軀干、上肢和下肢。本節(jié)按照四個大部分分別設(shè)計機械結(jié)構(gòu)和自由度，以更好地模仿人類的動作。圖9-13是本文所設(shè)計的仿生機器人全身自由度分布圖。9.3.3仿生機器人自由度設(shè)計9.3.3仿生機器人自由度設(shè)計圖9-13仿生機器人全身自由度分配機器人硬件系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計是整個機器人底層最為至關(guān)重要的部分。它關(guān)系到了各個關(guān)節(jié)以及整體的運動效果。需要綜合考慮驅(qū)動源和傳動結(jié)構(gòu)。需要根據(jù)各個關(guān)節(jié)的作用以及受力情況進行單獨設(shè)計，以滿足各個關(guān)節(jié)的運動需求。所有的上層控制都是建立在底層硬件能夠穩(wěn)定的運行的基礎(chǔ)之上。9.4仿生機器人硬件系統(tǒng)設(shè)計案例對于仿生機器人的關(guān)節(jié)，需要有動力源及動力元件驅(qū)動才能夠進行運動。關(guān)節(jié)驅(qū)動的動力源有很多種，常用的動力源一般有電能、氣動能、液動能。電動動力源即使用電能轉(zhuǎn)化成機械能。氣動是以壓縮空氣作為動力源，帶動機械完成伸縮或旋轉(zhuǎn)動作。液動依靠液體介質(zhì)的靜壓力，完成能量的積壓、傳遞和放大，從而把液壓能轉(zhuǎn)化成機械能。9.4.1仿生機器人關(guān)節(jié)電機選型表9-1詳細列舉了三種動力源的優(yōu)缺點。9.4.1仿生機器人關(guān)節(jié)電機選型動力源類型優(yōu)點缺點電動不受溫度影響；控制方便；體積小；轉(zhuǎn)矩范圍廣結(jié)構(gòu)復雜；機械效率低；轉(zhuǎn)速范圍小；易受電源、頻率干擾氣動結(jié)構(gòu)簡單；開關(guān)速度快；同體積執(zhí)行器提供力矩比電動執(zhí)行器大；成本低需要要外界氣源；因為氣體的壓縮性，速度不均勻，難以控制液動結(jié)構(gòu)簡單；輸出力最大；具有自潤滑和防銹性能液壓元件容易滲漏；配管和維修不方便；油溫對執(zhí)行器影響大對于仿生機器人的關(guān)節(jié)電機選型，為了使所用關(guān)節(jié)都能夠進行精確的角度控制，因此本書對仿生機器人設(shè)計選用的電機標準是盡量選取能夠精確控制角度的電機。本書把仿生機器人的關(guān)節(jié)分為小力矩關(guān)節(jié)和大力矩關(guān)節(jié)兩大類。9.4.1仿生機器人關(guān)節(jié)電機選型表9-2列舉了本書設(shè)計的仿生機器人的關(guān)節(jié)電機選型分類，并將在后續(xù)章節(jié)中描述各關(guān)節(jié)的具體設(shè)計。9.4.1仿生機器人關(guān)節(jié)電機選型關(guān)節(jié)類型關(guān)節(jié)部位大力矩關(guān)節(jié)脖子、肩膀、腰部、嘴巴小力矩關(guān)節(jié)眉骨、眼球、眼瞼、蘋果肌、上臂、手肘、小臂、手腕、手指本節(jié)將介紹本書所設(shè)計的仿生機器人的頭部設(shè)計方案。由前面人體結(jié)構(gòu)特點章節(jié)所分析得出結(jié)論，在設(shè)計仿生機器人身體機械結(jié)構(gòu)時，應(yīng)針對可大幅度運動的、能夠展現(xiàn)人類特性的關(guān)節(jié)進行模仿和設(shè)計。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案如圖9-14所示是人類頭部肌肉的分布圖，人類頭部肌肉包括有控制臉部運動眼輪肌、口輪肌、咬肌、頰肌等，也有只起支撐作用的耳肌等。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案圖9-14人類頭部肌肉分布圖

如圖9-15所示，是本書仿生機器人的頭部設(shè)計方案的總覽圖，本書所設(shè)計仿生機器人由幾大部分組成。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案圖9-15頭部機械結(jié)構(gòu)總覽圖2眉骨3眼球4鼻子5嘴巴1支撐安裝板1.仿生機器人眉骨設(shè)計如圖9-16所示是眉骨的總體結(jié)構(gòu)圖，其主要分為1支撐安裝板、2眉骨驅(qū)動電機、3眉骨三個部分。為了模仿人類的“揚眉”、“皺眉”、“斜挑”等動作，因此每根眉骨設(shè)計有兩個驅(qū)動自由度，機器人頭部的安裝空間比較有限，所以選擇了小型舵機作為眉骨結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電機。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案圖9-16眉骨總結(jié)構(gòu)圖

1支撐安裝板2眉骨驅(qū)動電機3眉骨如圖9-17是單邊眉骨驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，1、2為驅(qū)動電機，3是眉骨連桿，4、5為眉骨驅(qū)動點。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案圖9-17單邊眉骨驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計方案1左驅(qū)動電機2右驅(qū)動電機3眉骨連桿4眉骨驅(qū)動點15眉骨驅(qū)動點2如圖9-18所示是在Solidworks三維設(shè)計軟件下，眉骨結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下的動作展示。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案圖9-18眉骨運動狀態(tài)圖(a)楊眉狀態(tài)；(b)皺眉狀態(tài)；(c)舒眉狀態(tài)（a）（b）（c）2.仿生機器人眼睛設(shè)計如圖9-19所示是眼睛的總體結(jié)構(gòu)圖，其主要部分有:1支撐安裝板，頭部一共有三塊支撐安裝板，每塊支撐安裝板之間使用鋁型材進行連接；2驅(qū)動電機，與眉骨設(shè)計一樣，選用舵機作為眼球結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電機，能夠節(jié)省頭部設(shè)計空間；3眼球，主要由眼球支撐框架和可轉(zhuǎn)動眼球組成；4眼瞼，左右眼睛分別有能夠獨立運動的眼瞼。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案圖9-19眼睛總結(jié)構(gòu)圖

1支撐安裝板2驅(qū)動電機3眼球4眼瞼受限于安裝位置的原因，電機的轉(zhuǎn)動軸和眼球的轉(zhuǎn)動軸很難設(shè)計成同軸，因此需要設(shè)計傳動結(jié)構(gòu)去解決這個問題。常用的傳動結(jié)構(gòu)有齒輪傳動結(jié)構(gòu)、曲柄搖桿機構(gòu)等。曲柄搖桿機構(gòu)是指具有曲柄和搖桿的傳動結(jié)構(gòu)，其中，雙曲柄機構(gòu)的平行四邊形機構(gòu)是常用的傳動結(jié)構(gòu)。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案如圖9-20是平行四邊形機構(gòu)的示意圖，其中，邊1、3為長度相等的曲柄，邊2、4為連桿，電機安裝在點C，點B和A是關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動軸，當C轉(zhuǎn)動時，帶動點A和B的以相同的角速度轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了由C點到A、B點的傳動。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案圖9-20平行四邊形機構(gòu)原理圖如圖9-21(a)是眼球轉(zhuǎn)動的設(shè)計方案圖，其中1為驅(qū)動電機，2為平面四邊形機構(gòu)的曲柄，3是平行四邊形機構(gòu)的連桿，4則為兩個眼球的轉(zhuǎn)動軸，5是仿生形眼球。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案圖9-21眼睛結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及運動狀態(tài)圖(a)眼球轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)設(shè)計方案3連桿2曲柄1驅(qū)動電機4轉(zhuǎn)動軸5眼球如圖9-21(b)和圖9-21(c)是眼球轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)進行上下轉(zhuǎn)動和左右轉(zhuǎn)動時的狀態(tài)。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案(b)眼球上下運動(c)眼球左右運動如圖9-21(d)是單邊眼瞼轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，其中1是驅(qū)動電機，2是轉(zhuǎn)動曲柄，3是轉(zhuǎn)動軸，4是平行四邊形機構(gòu)的連桿，5是眼瞼。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案(d)眼瞼轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)設(shè)計方案5眼瞼4連桿2曲柄1驅(qū)動電機3轉(zhuǎn)動軸如圖9-21(e)和圖9-21(f)是眼球打開和閉合的狀態(tài)。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案(f)眼瞼閉合(e)眼瞼打開3.仿生機器人嘴巴機械結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖9-22所示為本書仿生機器人的嘴巴設(shè)計方案。其中，包括有1驅(qū)動電機，2是齒輪同步帶傳動結(jié)構(gòu)，3編碼器，4是牙齒支撐架。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案圖9-22仿生機器人嘴巴設(shè)計方案3編碼器2齒輪同步帶傳動組1驅(qū)動電機4牙齒支撐架綜上考慮，需要用到齒輪和同步帶的傳動結(jié)構(gòu)。如圖9-23是本書設(shè)計的仿生機器人的嘴巴結(jié)構(gòu)傳動方案，其中包括三個轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸1是步進電機的輸出軸，轉(zhuǎn)軸2是編碼器轉(zhuǎn)動軸，轉(zhuǎn)軸3是牙齒支撐架轉(zhuǎn)軸。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案圖9-23仿生機器人嘴巴傳動方案如圖9-24所示是仿生機器人嘴巴設(shè)計方案的詳細機構(gòu)圖。傳動機構(gòu)主要步進電機、角度編碼器、固定平臺、上顎框架、下顎框架、下顎軸、第一、第二齒輪、第一、第二同步帶輪、同步帶組成。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案圖9-24仿生機器人嘴巴設(shè)計詳細方案上顎下顎框架下顎軸第二齒輪第一齒輪第一同步帶輪同步帶第二同步帶輪固定平臺步進電機圖9-25同時也展示了肌肉驅(qū)動結(jié)構(gòu)的安裝及工作示意圖。第一、第二舵機固定于固定平臺，帶動兩側(cè)嘴部表情連桿運動，兩側(cè)連桿端點與硅膠外表皮連接，舵機運動轉(zhuǎn)化為連接點上下運動，實現(xiàn)硅膠表皮的表情動作。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案圖9-25仿生機器人肌肉驅(qū)動結(jié)構(gòu)第一舵機第二舵機嘴部表情連桿4.仿生機器人脖子結(jié)構(gòu)設(shè)計本書設(shè)計的仿生機器人脖子結(jié)構(gòu)有兩個自由度，能夠支撐并控制頭部結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)動和上下點頭的動作。如圖9-26所示是仿生機器人脖子機械結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。仿生機器人脖子結(jié)構(gòu)包括有1支撐架，2電動推桿，3傳動輪同步帶和4直流電機及編碼器9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案圖9-26仿生機器人脖子設(shè)計結(jié)構(gòu)3傳動輪同步帶2電動推桿1支撐架4步進電機及編碼器如圖9-27展示了本書仿生機器人在低頭和仰頭時的狀態(tài)。9.4.2仿生機器人頭部設(shè)計方案圖9-27仿生機器人脖子低頭仰頭動作展示

(a)低頭狀態(tài)(b)仰頭狀態(tài)本書設(shè)計的仿生機器人的單個手臂具有肩膀關(guān)節(jié)（兩個自由度）、上臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、手肘轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、小臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、手腕關(guān)節(jié)和手掌關(guān)節(jié)（五個自由度，分別對應(yīng)五個手指），單手臂有十一個自由度，雙臂共二十二個自由度。9.4.3仿生機器人雙臂設(shè)計如圖9-28所示，圖中展示的是本書設(shè)計的仿生機器人單個手臂的結(jié)構(gòu)圖及各個軸的轉(zhuǎn)動關(guān)系。9.4.3仿生機器人雙臂設(shè)計圖9-28仿生機器人單手臂結(jié)構(gòu)圖電機的選擇上，由于整體臂長達75厘米，肩膀關(guān)節(jié)在抬起時所需要的力矩變得很大，普通的電機很難提供足夠的力矩。因此，本書選用專門用于機器人一體化關(guān)節(jié)的大功率無刷伺服行星減速電機作為肩膀關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機。該電機的特點是高度集成了伺服電機，伺服驅(qū)動器，減速器和編碼器的集成伺服電機，能夠在體積和力矩上同時滿足機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動需求。9.4.3仿生機器人雙臂設(shè)計1.身體及腿部設(shè)計如圖9-29所示是仿生機器人的身體軀干及雙腿結(jié)構(gòu)圖。本書所設(shè)計的仿生機器人下半身采用鋁型材和鋁板搭建。其中包括有1腰部機構(gòu)，為了增加仿生機器人整體的轉(zhuǎn)動范圍，設(shè)計了一個腰部的自由度。腰部的旋轉(zhuǎn)自由度設(shè)計方案與脖子轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)類似，因此不作另外介紹和展示。2腿部結(jié)構(gòu)主要通過鋁型材和鋁板搭建，鋁型材和鋁板的結(jié)構(gòu)能夠減少仿生機器人的重量。3是支撐椅，用作固定仿生機器人的整個身體機械結(jié)構(gòu)。9.4.4仿生機器人其他部分設(shè)計9.4.4仿生機器人其他部分設(shè)計圖9-29仿生機器人身體結(jié)構(gòu)

1腰部結(jié)構(gòu)3支撐椅2腿部結(jié)構(gòu)2.外殼設(shè)計機械結(jié)構(gòu)是主體部分，是實現(xiàn)運動結(jié)構(gòu)和身體支撐的主要部分。為了加工方便和運行穩(wěn)定，一般機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計都比較平面化。而人類的外觀具有許多的細節(jié)。因此，為了讓仿生機器人外觀看起來更具有人類的特性，需要設(shè)計具有人類外表特點的硬質(zhì)外殼包裹機械結(jié)構(gòu)。使機器人外表看起來更具有人的特點。9.4.4仿生機器人其他部分設(shè)計如圖9-30是本書設(shè)計的仿生機器人的臉部硬質(zhì)外殼。9.4.4仿生機器人其他部分設(shè)計圖9-30仿生機器人臉部外殼

3.皮膚設(shè)計為了讓機器人具有更逼真的外貌特征，做到真正意義上的仿生。本書在硬質(zhì)外殼的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款硅膠材質(zhì)的軟性仿生機器人外皮。硅膠具有很好的伸展特性和機械特性，用在仿生機器人上能夠保證機械結(jié)構(gòu)多次推拉不變形，在材質(zhì)、觸感等方面也比較接近人類的皮膚，因此是非常好的皮膚材料。9.4.4仿生機器人其他部分設(shè)計如圖9-31(a)所示是本書所設(shè)計的機器人硅膠外皮軟件效果圖。其根據(jù)真人樣貌設(shè)計，開模進行硅膠灌制。如圖9-31(b)是制作后的硅膠實物體。9.4.4仿生機器人其他部分設(shè)計9.4.4仿生機器人其他部分設(shè)計圖9-31機器人軟性外皮設(shè)計(a)機器人外皮軟件設(shè)計圖(b)機器人外皮實物加工圖對于加工材料的選型，機械結(jié)構(gòu)部分采用鋁合金作為主要的加工材料，鋁合金的機械特點是密度小，同體積下比其他金屬要輕，強度也相對較高。選取鋁合金的主要優(yōu)點是減輕仿生機器人整體的重量，同時也保證了機械關(guān)節(jié)的硬度。對于成本的考慮，平面結(jié)構(gòu)的零件只需要用到線切割等工藝，三維結(jié)構(gòu)的零件則需要用到CNC的工藝，相比之下，平面結(jié)構(gòu)零件的加工成本要低得多。9.4.5仿生機器人加工及組裝因此，為了能夠盡量的節(jié)省成本，在設(shè)計關(guān)節(jié)零件的時候，需要盡量把零件設(shè)計成平面的結(jié)構(gòu)。若是三維結(jié)構(gòu)的零件，則先盡量拆分成不同的平面零件，然后再通過連接件的方式把平面結(jié)構(gòu)連接成三維的零件。在加工工藝方面，對于一些不能進行平面連接成三維結(jié)構(gòu)的零件，且受力不大的零件，比如眼眶結(jié)構(gòu)、眉骨連桿、手臂外殼等，則采用3D打印的工藝進行加工。同樣采用3D打印工藝的還有仿生機器人的外殼，外殼只作支撐作用，并且具有很多曲面結(jié)構(gòu)，因此采用3D打印技術(shù)加工能夠節(jié)省時間和金錢成本。9.4.5仿生機器人加工及組裝如圖9-32(a)所示為本書所設(shè)計的仿生機器人頭部的機械結(jié)構(gòu)圖，為了增加仿生特性，在嘴巴結(jié)構(gòu)上加上了仿生牙齒。如圖9-32(b)為本書設(shè)計的仿生機器人安裝臉部外殼后的效果圖，在實物效果圖中可以看出，外殼的安裝能夠很好的包裹機械結(jié)構(gòu)并且不影響關(guān)鍵關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的運動。如圖9-32(c)是本書設(shè)計的仿生機器人硅膠皮膚安裝后的效果圖。9.4.5仿生機器人加工及組裝9.4.5仿生機器人加工及組裝圖9-32仿生機器人頭部機械結(jié)構(gòu)實物圖(a)頭部機械結(jié)構(gòu)(b)頭部外殼組裝圖(c)頭部皮膚組裝圖如圖9-33是仿生機器人的機械結(jié)構(gòu)與皮膚的驅(qū)動點示意圖，其中，紅色點所圈出位置是需要粘連的驅(qū)動點，包括有1眉毛的四個驅(qū)動點，4頰肌的驅(qū)動點。而對于臉部其他關(guān)節(jié)，眼瞼、眼球本身具有人體特征，因此無需和皮膚相連。嘴巴則可以直接拉動整個下顎部分皮膚運動，因此也無需與皮膚相連。9.4.5仿生機器人加工及組裝9.4.5仿生機器人加工及組裝圖9-33仿生機器人臉部皮膚運動驅(qū)動點5嘴巴6脖子4頰肌驅(qū)動點3眼球2眼瞼1眉毛驅(qū)動點如圖9-34(a)為本書設(shè)計的仿生機器人雙臂及其他部分的安裝實物圖。仿生機器人雙臂部分的加工，采用的是輕質(zhì)的PLA材料進行加工，能夠減輕手臂各關(guān)節(jié)電機的負載。而身體其他部分則采用了鋁合金作為加工材料，因為身體和手臂部分有衣服等的覆蓋，因此對于身體和雙臂的部分不作硅膠皮膚的設(shè)計和制作。9.4.5仿生機器人加工及組裝(a)仿生機器人雙臂及身體機械實物圖為了使外表更加的美觀和更具有仿生特性，身體部分加裝了仿生的衣服，頭部部分也安裝有假發(fā)。如圖9-34(b)是本仿生機器人整體安裝完成后的效果圖。9.4.5仿生機器人加工及組裝(b)仿生機器人整機實物圖本節(jié)將介紹仿生機器人的控制系統(tǒng)，仿生機器人的控制系統(tǒng)包括有硬件驅(qū)動系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和交互系統(tǒng)。硬件驅(qū)動系統(tǒng)主要是和硬件底層相關(guān)，負責驅(qū)動和控制關(guān)節(jié)電機等。操作系統(tǒng)是管理計算機硬件與軟件資源的計算機程序，它是硬件基礎(chǔ)上的第一層軟件，是硬件和其它軟件溝通的橋梁，負責各個功能軟件的實現(xiàn)。交互系統(tǒng)是負責實現(xiàn)人機交互部分的系統(tǒng)，能夠使仿生機器人準確接收來自用戶的操作指令并且實施相應(yīng)的功能。9.5仿生機器人控制系統(tǒng)設(shè)計案例如圖9-35是本文設(shè)計的控制系統(tǒng)的整體框圖以及數(shù)據(jù)流向。9.5仿生機器人控制系統(tǒng)設(shè)計案例圖9-35仿生機器人控制系統(tǒng)整體框圖硬件驅(qū)動系統(tǒng)的主要任務(wù)是驅(qū)動各個關(guān)節(jié)電機，并且接收關(guān)節(jié)電機的位置傳感器信息，運行閉環(huán)算法，提供控制接口到操作系統(tǒng)層。其主要部分包括微控制單元（MicrocontrollerUnit,MCU）、驅(qū)動電路、傳感器以及通信單元。如圖9-36所示是本文的仿生機器人驅(qū)動系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。9.5.1硬件驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計9.5.1硬件驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計圖9-36仿生機器人驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖通信部分也是硬件驅(qū)動系統(tǒng)的一大部分，本驅(qū)動系統(tǒng)的通信主要包括與操作系統(tǒng)的通信、與行星減速電機通信、傳感器通信等。其主要的通信過程為：首先通過串口中斷接收來自控制系統(tǒng)發(fā)送來的指令，指令中有數(shù)據(jù)標識符，通過識別標識符進行相應(yīng)的操作或者進行指令的分發(fā)。9.5.1硬件驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計1.操作系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)最核心的部分，它是管理硬件與軟件資源的程序，包括有文件管理、進程管理、設(shè)備管理等功能。在本系統(tǒng)中，主要負責運行仿生機器人的所有功能程序，包括有通信、算法運行、信號采集、功能實現(xiàn)等，是本系統(tǒng)的內(nèi)核和基石。9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計本系統(tǒng)所選用的計算機硬件配置是搭載InterCoreI5的中央處理器的工業(yè)主機，其主頻達2.5GHz，有4個物理核心，能夠同時運行8個線程，在處理和計算速度上保證了仿生機器人多個節(jié)點程序同時運行。本文選用了Linux和ROS（RobotOperatingSystem）的操作系統(tǒng)架構(gòu)去運行。Linux是具有免費、開源、可靠、可多平臺的操作系統(tǒng)，并且非常適合嵌入式設(shè)備。而ROS系統(tǒng)則是近幾年非?；鸨囊豢钣糜诰帉憴C器人軟件程序的操作系統(tǒng)，雖然它的名字是操作系統(tǒng)，但實際上它是一款具有高靈活性的軟件框架。9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計如圖9-37是一個ROS系統(tǒng)的框架圖，其中，每個節(jié)點就是一個程序運行進程，能夠獨立運行功能程序，比如圖像采集、語音對話等，每個功能節(jié)點可以有獨立的編程環(huán)境，解耦性非常好。9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計圖9-37ROS系統(tǒng)框架示例如圖9-38是本文設(shè)計的仿生機器人操作系統(tǒng)的整體框架。Linux系統(tǒng)是整個框架的外部載體，Linux上的字符設(shè)備驅(qū)動能夠?qū)崿F(xiàn)與USB的攝像頭和麥克風設(shè)備通信，獲取圖像和音頻信息，Linux系統(tǒng)同時也是ROS框架的載體。圖中，ROS系統(tǒng)框架中展現(xiàn)了本文仿生機器人控制系統(tǒng)的操作系統(tǒng)層的功能節(jié)點框架以及通信流向。操作系統(tǒng)中運行有多個功能節(jié)點，包括圖像處理節(jié)點、雙機械臂算法運行節(jié)點、音頻處理節(jié)點以及用于通信的上位機通信節(jié)點和MCU通信節(jié)點。9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計圖9-38仿生機器人操作系統(tǒng)框架

2.功能節(jié)點設(shè)計功能節(jié)點主要包括圖像處理功能節(jié)點、語音交互功能節(jié)點、雙臂運動規(guī)劃等，圖像處理節(jié)點的主要功能是在仿生機器人交互時，通過人臉識別獲取用戶的當前位置，然后通過驅(qū)動仿生機器人的脖子轉(zhuǎn)動，使機器人一直朝向用戶。9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計該功能的作用是能夠讓仿生機器人在交互時保持“注意力”。語音交互功能節(jié)點主要功能是實現(xiàn)人機對話。如圖9-39(a)所示為本系統(tǒng)的圖像處理節(jié)點流程圖。如圖9-39(b)所示為本系統(tǒng)的語音交互功能節(jié)點流程圖。9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計(a)圖像處理功能節(jié)點流程圖(b)語音交互功能節(jié)點流程圖3.ROS系統(tǒng)安裝ROS系統(tǒng)通過節(jié)點之間的通訊來實現(xiàn)模塊化編程，具有獨特的優(yōu)勢。因此被廣泛應(yīng)用在各種的類型的機器人上。本書所介紹的機器人采用的就是ROS系統(tǒng)的框架，來實現(xiàn)對機器人各個部分的聯(lián)合控制。這一小節(jié)將將介紹ROS系統(tǒng)的安裝方法。9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計ROS系統(tǒng)主要是安裝在ubuntu系統(tǒng)上，不同的ubuntu系統(tǒng)對應(yīng)著不同的ROS版本。主要常見的版本有ubuntu14.04對應(yīng)的Indigo，ubuntu16.06的Kinetic，ubuntu18.04的Melodic。接下來將以ubuntu16.04所對應(yīng)的Kinetic為例介紹ROS系統(tǒng)在ubuntu系統(tǒng)中的安裝流程。整個過程都在系統(tǒng)終端進行。9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計(1)設(shè)置sources.list（1）sudosh-c'echo"deb/ros/ubuntu$(lsb_release-sc)main">/etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'(2)設(shè)置key（公鑰已更新）（2）sudoapt-keyadv--keyserver'hkp://:80'--recv-keyC1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654(3)更新package（3）sudoapt-getupdate(4)安裝ROSkinetic完整版（4）sudoapt-getinstallros-kinetic-desktop-full(5)配置ROS環(huán)境（5）echo"source/opt/ros/kinetic/setup.bash">>~/.bashrcsource~/.bashrc(6)安裝依賴項（6）sudoapt-getinstallpython-rosinstallpython-rosinstall-generatorpython-wstoolbuild-essential(7)初始化rosdep（7）sudorosdepinitrosdepupdate執(zhí)行完這個流程后，基本就已經(jīng)安裝完ROS比較核心的功能包了。再運行roscore就能測試ROS系統(tǒng)是否安裝成功。成功安裝完ROS系統(tǒng)后的運行roscore的界面如圖9-40所示