0 引言
對(duì)機(jī)器人的研究具有十分重大的科研與實(shí)用價(jià)值,它可以推動(dòng)當(dāng)代仿生學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。機(jī)器人的技術(shù)水平不斷提高,應(yīng)用范圍越來(lái)越廣,已逐漸走入了人們的生活。為了讓人們更加直觀地了解機(jī)器人技術(shù),同時(shí)感受多種互動(dòng)技術(shù)在機(jī)器人上的應(yīng)用,本文重點(diǎn)對(duì)目前國(guó)內(nèi)擁有的下棋機(jī)器人、解魔方機(jī)器人、環(huán)保舞蹈機(jī)器人進(jìn)行技術(shù)分析。這些機(jī)器人都很好地結(jié)合了科學(xué)性、知識(shí)性和趣味性,又各有側(cè)重點(diǎn);下棋機(jī)器人重在啟發(fā)人們的思維,讓人們意識(shí)到機(jī)器人有像人一樣思考的能力;解魔方機(jī)器人重在體現(xiàn)機(jī)器人執(zhí)行命令的準(zhǔn)確和堅(jiān)決;環(huán)保舞蹈機(jī)器人重點(diǎn)展現(xiàn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和柔美的動(dòng)作。
1 通用技術(shù)應(yīng)用
機(jī)器人作為高端技術(shù)的代表,其準(zhǔn)確性是衡量性能非常重要的一個(gè)指標(biāo),智能性又是機(jī)器人的特性。為了充分體現(xiàn)機(jī)器人的屬性,目前機(jī)器人技術(shù)模擬了人類的部分功能,如采用智能傳感器、語(yǔ)言系統(tǒng)等。
在機(jī)器人技術(shù)中,傳感器技術(shù)被廣泛使用,以提高機(jī)器人的智能性。常用的傳感器包括超聲波傳感器和紅外傳感器。當(dāng)物體靠近機(jī)器人時(shí),傳感器會(huì)檢測(cè)到有物體靠近,便將信息反饋到控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)傳感器返回的值做出反應(yīng)。傳感器的應(yīng)用使機(jī)器人的智能性大大提高。傳感器相當(dāng)于機(jī)器人的“眼睛”和“耳朵”,有了它們,機(jī)器人就可以了解周圍的情況,并做出相應(yīng)的動(dòng)作,完成人們交予的各種工作任務(wù)。
機(jī)器人的語(yǔ)音應(yīng)用主要包括TTS(Text To Speak)技術(shù)和語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)讓機(jī)器人能“聽(tīng)懂”語(yǔ)言,TTS技術(shù)讓機(jī)器人將想說(shuō)的話大聲“說(shuō)”出口。語(yǔ)音機(jī)器人大部分都配備了TTS設(shè)備及語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)。TTS可以對(duì)文本文件進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換,使輸出的語(yǔ)音自然流暢。根據(jù)傳感器獲取的信息,機(jī)器人可以通過(guò)TTS語(yǔ)音合成技術(shù)“說(shuō)”出自己的想法,在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候給人們提示和意見(jiàn)。我們還可以修改TTS系統(tǒng)的參數(shù),改變機(jī)器人語(yǔ)言的音調(diào)、頻率、速率和音量。通過(guò)TTS系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定,我們可以根據(jù)不同的需求,賦予機(jī)器人不同的角色和性格;賦予機(jī)器人輕快活潑的性格,使它成為人類的好伙伴;賦予機(jī)器人沉穩(wěn)而堅(jiān)定的聲音,使它成為機(jī)器人科學(xué)家。如果說(shuō)TTS系統(tǒng)是機(jī)器人的嘴巴,那么語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)就是機(jī)器人的耳朵。語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)可以接收語(yǔ)音信息并加以分析,隨后與語(yǔ)音庫(kù)中預(yù)存的句子進(jìn)行比對(duì),當(dāng)配對(duì)成功后,系統(tǒng)將找到與之對(duì)應(yīng)的回答語(yǔ)句,通過(guò)TTS向人們廣播。就這樣,配備了語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)和TTS系統(tǒng)的機(jī)器人具備了與我們交談的能力。我們可以把這種交談能力賦予一些具有特殊需求的機(jī)器人,如迎賓導(dǎo)覽機(jī)器人等。
2 機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)例
2.1 下棋機(jī)器人設(shè)計(jì)
下棋機(jī)器人外形如圖1所示,由工業(yè)機(jī)械臂及控制系統(tǒng)、棋盤(pán)系統(tǒng)和專家決策系統(tǒng)組成,可以和人們進(jìn)行中國(guó)象棋的博弈。
圖1 下棋機(jī)器人
2.1.1 硬件
下棋機(jī)器人采用四自由度工業(yè)機(jī)械臂。多自由度的工業(yè)機(jī)械臂是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置,是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)械臂具有高速、高精度、不間斷工作的特性,能夠代替人類從事大量的重復(fù)性、高精度操作,是工業(yè)生產(chǎn)不可或缺的重要設(shè)備。通過(guò)“中國(guó)象棋博弈”,該機(jī)器人在體現(xiàn)工業(yè)機(jī)械臂高速、高精度特性的同時(shí),還使人們體驗(yàn)到其智能性。
2.1.2 軟件
在與機(jī)器人互動(dòng)的過(guò)程中,人們可以通過(guò)觸摸屏控制自己的棋子,我們每走一步棋,下棋機(jī)器人就會(huì)做出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作,然后根據(jù)專家決策系統(tǒng)的博弈理論決定自己如何走下一步棋。當(dāng)機(jī)器人判斷自身是否獲勝后,會(huì)將比賽結(jié)果通過(guò)圖像界面和語(yǔ)音2種方式告訴人們。
下棋機(jī)器人應(yīng)用Visual C++進(jìn)行MFC應(yīng)用程序編程。在整個(gè)下棋過(guò)程中,系統(tǒng)始終檢測(cè)人們是否下棋。如果我們長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有反應(yīng),系統(tǒng)將返回初始狀態(tài);如果檢測(cè)到我們行棋,系統(tǒng)將判斷我們行棋是否符合規(guī)則,然后專家系統(tǒng)分析棋盤(pán)面狀況,預(yù)測(cè)觀眾的行棋意圖,做出自己的判斷,開(kāi)始走棋;如果檢測(cè)到結(jié)束,會(huì)公布游戲勝負(fù)。
2.2 解魔方機(jī)器人設(shè)計(jì)
本文2.1介紹了應(yīng)用了工業(yè)機(jī)械臂的下棋機(jī)器人的設(shè)計(jì)。在工業(yè)生產(chǎn)中,和工業(yè)機(jī)械臂類似的氣動(dòng)元件也被廣泛使用,目前國(guó)內(nèi)解魔方機(jī)器人就應(yīng)用了這種技術(shù)。解魔方機(jī)器人外形如圖2所示,應(yīng)用顏色識(shí)別技術(shù)和解魔方算法,動(dòng)作使用氣缸驅(qū)動(dòng)。
圖2 解魔方機(jī)器人
2.2.1 硬件
氣缸又稱氣動(dòng)機(jī)械臂,有耐用、精確等特點(diǎn)。氣缸具有2個(gè)沖程,每個(gè)沖程位置上配有傳感器,當(dāng)氣缸運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置上,傳感器將返回信號(hào)。解魔方機(jī)器人配備PLC(Programmable Logical Controller),它采用一類可編程的存儲(chǔ)器,用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序,執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令,并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。當(dāng)PLC接到執(zhí)行命令后,它開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的氣閥,驅(qū)動(dòng)氣缸動(dòng)作,當(dāng)氣缸運(yùn)動(dòng)到位時(shí),傳感器返回信號(hào),PLC關(guān)閉氣閥,氣缸停止運(yùn)動(dòng)。
2.2.2 軟件
解魔方機(jī)器人的軟件主要包括顏色識(shí)別部分、魔方狀態(tài)建模部分、解魔方算法部分和解魔方動(dòng)作執(zhí)行部分。
顏色識(shí)別部分負(fù)責(zé)識(shí)別魔方各個(gè)面的顏色。經(jīng)過(guò)圖像處理,采集到的圖像信息被轉(zhuǎn)換為YCbCr色域。Cb和Cr這2個(gè)通道決定了色彩的屬性,通過(guò)分析它們的值,就可以區(qū)分出不同的顏色。區(qū)分出顏色后,我們將顏色信息填入一個(gè)已經(jīng)建立的魔方狀態(tài)容器,當(dāng)所有信息獲取成功后,魔方的狀態(tài)也就被完整獲取。這個(gè)過(guò)程成功地將模擬的圖像信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的魔方狀態(tài)屬性數(shù)字信息。魔方的解法是有規(guī)律可循的。魔方由6個(gè)面和26個(gè)塊組成,根據(jù)一系列的公式,我們可以在不影響其他塊的情況下,置換特定2個(gè)塊的位置或者旋轉(zhuǎn)單一的魔方方塊。我們將這些公式加以總結(jié),儲(chǔ)存在一個(gè)容器中,再將一系列公式加以串聯(lián),就形成了完整的魔方解法。得到魔方解法后,我們將一系列的動(dòng)作命令通過(guò)串口發(fā)給PLC,PLC驅(qū)動(dòng)氣缸動(dòng)作,完成對(duì)魔方的還原。
2.3 環(huán)保舞蹈機(jī)器人設(shè)計(jì)
在實(shí)踐中,伺服舵機(jī)也被廣泛應(yīng)用于小型機(jī)器人,環(huán)保舞蹈機(jī)器人便采用了這樣的技術(shù)。環(huán)保舞蹈機(jī)器人的材質(zhì)為環(huán)保紙,宣揚(yáng)了綠色環(huán)保的理念。環(huán)保紙經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)切割,在機(jī)器人關(guān)節(jié)部位配置伺服舵機(jī)驅(qū)動(dòng),形成了優(yōu)美的機(jī)器人舞蹈動(dòng)作。
2.3.1 硬件
通過(guò)SolidWorks結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),環(huán)保紙被激光切割為184個(gè)零件,根據(jù)裝備圖組裝起來(lái),圖3展示了SolidWorks的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組裝。舞蹈機(jī)器人設(shè)計(jì)了9個(gè)自由度,分別為抬頭、低頭、左/右胳膊旋轉(zhuǎn)、左/右胳膊抬起、左/右小臂彎曲和機(jī)器人整體旋轉(zhuǎn)。
圖3 舞蹈機(jī)器人SolidWorks結(jié)構(gòu)組裝圖
根據(jù)不同關(guān)節(jié)位置,可利用下式計(jì)算關(guān)節(jié)上所承受的扭矩:
M=m×g×L
式中,M為關(guān)節(jié)扭矩;m為機(jī)器人各個(gè)部分在它們質(zhì)點(diǎn)上的質(zhì)量;g為重力加速度;L為質(zhì)點(diǎn)到關(guān)節(jié)軸的力臂。
通過(guò)這個(gè)公式,我們可以大概估算每個(gè)關(guān)節(jié)所承受的扭矩。最終,我們選用了Dynamixel AX-12伺服舵機(jī)驅(qū)動(dòng)抬頭、低頭和左/右小臂彎曲;Dynamixel RX-28伺服舵機(jī)驅(qū)動(dòng)左/右胳膊旋轉(zhuǎn)和左/右胳膊抬起;86型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人整體旋轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)和舵機(jī)的扭矩性能參數(shù)如下:(1)Dynamixel AX-12伺服舵機(jī):12kg·cm(7V);16.5kg·cm(10v)。(2)Dynamixel RX-28伺服舵機(jī):28.3kg·cm(12v);37·7kg·cm(16V)。(3)86型步進(jìn)電機(jī):4116kg·cm。
2.3.2 軟件
舞蹈設(shè)計(jì)程序是Visual C++2008,如圖4所示。程序定義了運(yùn)動(dòng)函數(shù)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人動(dòng)作,函數(shù)的參數(shù)包括全部9個(gè)關(guān)節(jié)的目標(biāo)位置和運(yùn)動(dòng)速度,通過(guò)串口發(fā)給每個(gè)舞蹈機(jī)器人(如果舞蹈機(jī)器人不止一個(gè)的話),動(dòng)作到位后,給舞蹈機(jī)器人發(fā)送下一個(gè)動(dòng)作命令,最后多個(gè)動(dòng)作串聯(lián),配合音樂(lè),形成舞蹈。界面的右上方為測(cè)試窗口,輸入不同舵機(jī)的ID編號(hào)、絕對(duì)相位值和速度,驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。程序的左側(cè)則是為了方便編程加入的函數(shù)參數(shù)獲取界面,設(shè)計(jì)者只需要輸入各個(gè)關(guān)節(jié)期望到達(dá)的位置度數(shù)信息,點(diǎn)擊“Go”按鈕,舞蹈機(jī)器人就會(huì)執(zhí)行該命令,設(shè)計(jì)者確認(rèn)無(wú)誤,按下“形成復(fù)制”按鈕,直接將參數(shù)導(dǎo)入程序,如此反復(fù),一段舞蹈的設(shè)計(jì)就完成了。
圖4 舞蹈動(dòng)作設(shè)計(jì)界面
3 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了采用工業(yè)機(jī)械臂的下棋機(jī)器人、采用氣動(dòng)元件和PLC控制的解魔方機(jī)器人和利用伺服舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)、宣揚(yáng)環(huán)保理念的環(huán)保舞蹈機(jī)器人的硬件和軟件設(shè)計(jì)過(guò)程及功能,希望對(duì)廣大機(jī)器人愛(ài)好者有所幫助。
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本文標(biāo)題:淺析機(jī)電與軟件技術(shù)在機(jī)器人設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
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