新形态机器人的听觉转换器控制技术

2023-07-11 03:31:04

　　新形态机器人的听觉切换器掌控技术

　　先进制造 ◇ 系列技术讲座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中国机器人行业典型研讨会

　　听觉是人类交互外间重要信息的重要手段，听觉继电器是机器人以获取环境重要信息的关键性组成部分。责任编辑主要讨论新形态机器人BHR-1的听觉继电器。首先介绍机器人颈部的听觉总体结构方案，然后论述了如前所述立体听觉的重要信息处置和颈部体育运动掌控，最后通过最终目标追踪和物体截取试验说明了掌控系统的可行性。

总体方案及掌控技术　　新形态机器人的听觉继电器要求能够依照具体环境和具体情况进行主动搜寻，动态将探头转向最终目标，同时实现对内部空间最终目标的动态追踪并以获取物体的二维边线重要信息，从而掌控肩膀同时实现时地体的准确截取。

　　BHR-1)的颈部有2个分量，面部放置两只CCD探头做为听觉传感器来模拟人的眼睛。机器人的肩膀也是模新形态类的手部设计的，具有7个分量，肩下肢3个分量，肘下肢2个分量，腕下肢2个分量，可以同时实现人类手部的各种动作。机器人依照最终目标的二维边线重要信息同时实现时地体的截取。

新形态机器人BHR-1的总体设计方案如图2所示。为了同时实现物体的快速功能定位，需要完成绘图和体育运动掌控的任务。一台排序机将难以满足快速功能定位的动态性要求，因而责任编辑选用了双排序机处置和Memolink通信方式的掌控系统结构，采用两台排序机分别负责双眼立体听觉的重要信息处置和机器人的体育运动掌控。Memolink是掌控系统间进行快速通信的一种有效解决方案。

　　机器人的听觉追踪以及最终目标截取的同时实现都依赖体育运动掌控排序机对机器人的体育运动掌控。运

　　图2 掌控系统总体方案

　　动掌控技术依照听觉处置掌控系统的处置意见，掌控机器人采取相应决策。例如

　　:颈部的两分量旋转，以追踪最终目标的体育运动或者手部肩膀去截取最终目标。体育运动掌控模块以RT-Linux动态操作操作掌控系统做为软件平台，保证了机器人掌控技术的动态性。

　　机器人的体育运动掌控模块的涉嫌第一类是机器人的各下肢的视角，而下肢是由电机助推的，因而涉嫌第一类事实上是助推下肢旋转的电机旋转的视角，是一个边线继电器。

掌控系统采用了两套多功能U228，将所有的A/D切换、D/A切换、ENC、PWM、32位IO等多种功能都集成在该U228上，提高了掌控系统的集成性并减小了掌控系统体积和重量。

　　在掌控讯号的输出方面，由于掌控的目的是为了机器人的颈部能够追踪体育运动的最终目标，因而事实上Eygurande就是依照绘图模块的处置意见得到的，在绘图的过程中，最终求得的最终目标的边线就是后面体育运动掌控模块的Eygurande。由于绘图模块的处置意见本身就是数字量，体育运动掌控模块所得到的边线重要信息也是数字讯号，因而，这里不需要模数切换的过程。

　　在意见反馈讯号的输出方面，因为涉嫌第一类是电机，确切的说是电机旋转的视角，是边线掌控，因而可以用电机上面的丘帕卡编解码器的输出做为意见反馈讯号。丘帕卡编解码器是一个量测

电机所转过身的视角的器件，它以波形的方式来意见反馈电机转过身的视角，电机转过身的视角越大，它输出的波形特征值就越多，反之，输出的波形特征值就越少。因而我们选用了U228上的ENC(encoder)

　　图3 机器人颈部体育运动掌控模块SimRank

　　接口来做为意见反馈讯号的输出通道，它可以量测丘帕卡编解码器的波形输出特征值。机器人颈部的体育运动掌控模块的结构SimRank如图3所示。

　　如前所述立体听觉的听觉重要信息处置

　　掌控系统选用了如前所述立体听觉的解决方案，通过加入了深度重要信息，使得最终目标的搜寻结果更加精确。掌控系统采用了美国SRI人工智能中心所开发的两套高速的双眼立体听觉掌控系统SVS(small vision system)。

图像拆分是物体辨识的预处置阶段，是机器人听觉继电器的关键性技术之一。该掌控系统选用了如前所述颜色重要信息的共振频率拆分方法。理论分析和试验结果都表明，对同一颜色特性的物体，在光源种类、放大率、物体反射特性等不同条件下，测得的RGB颜色值分布很分散，很难确定辨识RGB的共振频率范围。而HSV模型更接近人眼对颜色的交互，它将采集的颜色重要信息分为配色、饱和度和亮度三种特性量化，配色特性H能比较精确地反映颜色种类，对外间光照条件的变化敏感程度低，因而，HSV较之RGB更适合于用做辨识处置的基础。责任编辑选用HSV模型做为颜色辨识处置的基础，选取其中的参数H和V做为辨识处置的判别依据。RGB内部空间中一点到HSV内部空间中一点的具体转化关系如下:

　　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

　　掌控系统首先离线采样最终目标图像区域，将该局部彩色图像从RGB模型转化为HSV模型，对其中H、S两个分量分别作直方图，得到选定区域的H、S共振频率，这是一个离线的学

　　图4 听觉处置流程图

　　习过程。在随后的动态图像辨识中，

　　H、S共振频率依照前一个听觉周期的彩色图像动态更新以适应新的光照条件。

听觉处置掌控系统的流程图如图4所示，掌控系统采用探头来采集图像，在对图像进行一系列的预处置之后，对其进行区域拆分，以得到多个区域，再搜寻这些区域，依照已知最终目标特征找到目　　标所在的区域。如果找到，则掌控机器人颈部面向最终目标，同时更新最终目标的特征，以用来在下次搜寻时采用，如果没有找到相匹配的最终目标，则可能最终目标被暂时隐藏或丢失，这时开始下一次处置，以等待最终目标再次出现。

　　因为听觉处置掌控系统处置的是上一个周期的图像，所以得到的最终目标坐标也是上一个周期的坐标，如果用此方向坐标来做为体育运动掌控的输出，则颈部体育运动始终滞后一个周期。为了加快掌控系统的速度，责任编辑选用了比例微分掌控，掌控系统地输出输出函数为:

　　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)为在t(k＋1)时间上掌控技术的输出;(αk,βk)表示在时间 t(k)最终目标的方向坐标;(αk’, βk’)该时刻二分量机构的方向坐标;eα(k)和eβ(k) 分别表示该时刻颈部边线与最终目标边线之间的偏差;kp和kd分别为掌控技术的比例系数和微分系数。通过试验调节kp和kd，kd＜＜kp，掌控系统可以既有较高的反应速度，同时又具有稳定性。

　　体育运动掌控过程

依照前面的叙述，排序机掌控技术的工作过程是一个循环的动态数据采集，动态决策，动态掌控的过程，在本掌控系统中，依照所选用器件的具体情况，假设对所有的掌控环完成这样的一个循环大约需要m毫秒的时间左右。在听觉重要信息处置掌控系统中，处置一帧图像平均需要n毫秒左右的时间，由于听觉处置和体育运动掌控任务的特点的不同，n>>m，也就是说听觉处置的周期要远远大于体育运动掌控的周期。在一个听觉处置的周期内，掌控系统可以完成多个掌控周期的处置。因而在一个听觉处置周期之后，掌控系统应该做好下一个听觉处置周期之内的体育运动规划，也就是做好后面多个掌控周期之内的体育运动规划，这样才能保证机器人的颈部以均匀、平缓，同时又是精确的速度来追踪最终目标。

　　掌控技术软件流程如图5所示。

在每一个体育运动掌控周期内，程序都首先要查看Memolink，看听觉重要信息处置掌控系统是否有新的处置意见通过Memolink传递到体育运动掌控技术，如果没有，程序就按照预设的体育运动规划来掌控机器人体育运动;如

　　图5 机器人体育运动掌控的软件流程

　　果有，程序就先要依照听觉掌控系统的处置意见来修改体育运动规划。为了使机器人颈部的体育运动平稳，我们把每次预设的体育运动规划所规划的时间定为略大于听觉处置的平均周期，这样就能够保证掌控系统在每次新的听觉处置意见到来之时，原有的体育运动规划还没有执行完。从而使只要最终目标在不断体育运动，机器人颈部便可以处于不断体育运动过程中，避免了机器人颈部时转时停的现象。

　　随后程序分别读取规划和意见反馈，依照两者之差来求得掌控量，再发出掌控讯号，掌控机器人颈部的旋转。

对于掌控量的求法程序选用了传统的PID算法，设t(k)为第k个体育运动掌控周期时刻，在t(k)时间上，掌控系统的输出量为Yk，体育运动规划的规划量为Xk，依据PID算法，在t(k＋1)时间上，掌控系统的输出Yk＋1为

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

　　上式中KP，Ki，Kd分别为比例系数，积分系数，微分系数。在一个掌控技术中，一定大小积分系数可以使掌控系统没有残差，但会降低响应速度;而一定大小的比例系数可以加快掌控系统的响应速度，并能依照输出的变化提前做出响应，但可能导致掌控系统不稳定。因而在结果可以接受的情况下，应该只采用比例系数，如果结果达不到要求再采用积分系数和微分系数。

　　试验

本掌控系统中，听觉重要信息处置掌控系统和体育运动掌控技术分别适用Windows和RT-Linux做为软件开发平台。RT-Linux是动态操作掌控系统，采用它可以满足体育运动掌控的动态性，而Windows掌控系统的强大的多媒体功能使其成为绘图的平台。听觉重要信息处置排序机的CPU为PⅣ 2.4GB,内存512M;体育运动掌控排序机的CPU为PⅢ 700MHz，内存256M;Memolink是连接听觉处置掌控系统与体育运动掌控技术的桥梁，我们选用的产品选用PCI接口，最大传输速率为1Mbytes/s。探头为SVS听觉处置掌控系统，每秒钟采样15帧。

SVS听觉处置掌控系统安装才2分量的体育运动机构上，该机构在2个分量方向的体育运动足以使其指向任何方向，因而可以同时实现追踪物体。BHR-1的颈部的二维尺寸为宽19cm，高27cm，深19cm，重量2.8kg，以上数据包括机械

　　结构、轴承、电机、摄像机等。

　　利用该掌控系统追踪和功能定位物体时，图像的处置速度为每秒钟10帧，听觉切换器周期为100ms左右，体育运动掌控技术的切换器周期是3ms，近距离的功能定位精度较高，最高精度为1m处3‰。图6为BHR-1的颈部追踪和物体功能定位试验。

　　为进一步验证责任编辑提出的听觉功能定位与动作规划的方法的有效性，BHR-1掌控系统同时实现了时地体的截取试验(如图7)，机器人肩膀是具有7个分量的机器人的右臂，试验过程中，听觉掌控系统将最终目标物体的二维重要信息通过memolink传递给体育运动掌控排序机，体育运动掌控排序机依照上面提出的方法规划数据并同时实现截取物体。

结语责任编辑给出了一种如前所述双眼听觉的物体的追踪和功能定位方案。双眼听觉用于以获取最终目标物体的二维内部空间重要信息，同时实现物体的功能定位。这个掌控系统选用了双排序机处置和Memolink 通讯方式，两台排序机分别进行听觉重要信息处置和体育运动掌控，保证了掌控系统具有较高的响应速度。

　　( 文章来源：互联网 )

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