《智能機(jī)器人學(xué)》課件-第9章 仿生機(jī)器人

第9章

仿生機(jī)器人主要內(nèi)容9.1仿生機(jī)器人概述9.2仿生機(jī)器人發(fā)展歷史9.3仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)9.4仿生機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例9.5仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例9.6仿生機(jī)器人實(shí)物展示隨著機(jī)器人行業(yè)的快速發(fā)展，人們希望機(jī)器人能夠在日常生活中輔助和替代人類(lèi)完成更多復(fù)雜繁瑣的任務(wù)。其中，仿生機(jī)器人是當(dāng)下研究的一個(gè)熱點(diǎn)。仿生機(jī)器人能夠在人們的生活中起到非常重要的作用，因?yàn)槠渚哂邢袢艘粯拥慕Y(jié)構(gòu)和外貌，相比傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人更能融入到人類(lèi)的生活環(huán)境，比如醫(yī)療機(jī)器人、迎賓機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等。9.1仿生機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)上，讓仿生機(jī)器人擁有更智能更聰明的“大腦”。從技術(shù)的角度看，仿生機(jī)器人所涉及的范圍非常廣，其交叉融合了包括機(jī)械設(shè)計(jì)、智能控制、機(jī)電一體化、視覺(jué)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科知識(shí)，因此具有非常好的研究?jī)r(jià)值。9.1仿生機(jī)器人概述近代以來(lái)國(guó)內(nèi)外有許多科學(xué)家投入到仿生機(jī)器人的研究中。也已經(jīng)有取得不少的成績(jī)。相較于國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，國(guó)外的仿生機(jī)器人研究起步比較早，已經(jīng)有科學(xué)家和工程師設(shè)計(jì)出了一些相對(duì)比較接近于人類(lèi)的仿生機(jī)器人。不過(guò)，近幾年來(lái)，隨著國(guó)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(jī)器人發(fā)展歷史日本是最早開(kāi)展仿生機(jī)器人研究的國(guó)家之一，在1968年，世界上第一臺(tái)仿生機(jī)器人誕生于日本早稻田大學(xué)，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(guó)外仿生機(jī)器人發(fā)展歷史圖9-1WABOT-1機(jī)器人1985年，加藤一郎團(tuán)隊(duì)研發(fā)了擅長(zhǎng)藝術(shù)表演的第二代仿生機(jī)器人WABOT-2，如圖9-2所示。WABOT-2機(jī)器人比WABOT-1機(jī)器人在外形上更加像人類(lèi)，并且，WABOT-2搭載了具有21個(gè)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(guó)外仿生機(jī)器人發(fā)展歷史圖9-2WABOT-2機(jī)器人這也是最早研究冗余度機(jī)械臂在仿生機(jī)器人上應(yīng)用的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)之一，為仿生機(jī)器人上的冗余度機(jī)械臂研究打開(kāi)了先河。9.2.1國(guó)外仿生機(jī)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(jī)器人，如圖9-3所示，相比WABOT系列機(jī)器人，ASMIO機(jī)器人擁有者和人類(lèi)尺寸幾乎相同的身體軀干，并且在樣貌和手指等細(xì)節(jié)上更加像真實(shí)的人類(lèi)，其整體看上去就像是一個(gè)穿著宇航服的“宇航員”。9.2.1國(guó)外仿生機(jī)器人發(fā)展歷史圖9-3ASMIO機(jī)器人

東京大學(xué)JST實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的HRP-2在2005年問(wèn)世，如圖9-4所示，其手臂和雙腿安裝了具有更強(qiáng)扭矩的關(guān)節(jié)電機(jī)，因此使得HRP-2機(jī)器人可以完成推箱子等任務(wù)。9.2.1國(guó)外仿生機(jī)器人發(fā)展歷史圖9-4HPR-2機(jī)器人2007年，法國(guó)公司Aldebaran公司開(kāi)發(fā)了一款名叫NAO的仿生型機(jī)器人，值得注意的是，如圖9-5所示，NAO機(jī)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(jué)系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)，不僅如此，NAO機(jī)器人還能做到雙足平衡并且行走。9.2.1國(guó)外仿生機(jī)器人發(fā)展歷史圖9-5NAO機(jī)器人

新加坡南洋理工大學(xué)的NadiaThalmann教授及其團(tuán)隊(duì)在2016年發(fā)布了一款仿生機(jī)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(jì)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(guó)外仿生機(jī)器人發(fā)展歷史9.2.1國(guó)外仿生機(jī)器人發(fā)展歷史圖9-6Nadine機(jī)器人Allas是波士頓公司開(kāi)發(fā)的最新一款人形機(jī)器人，控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)手臂、身體和腿的運(yùn)動(dòng)，使之行走起來(lái)更像人的姿態(tài)，能夠在有限的空間內(nèi)完成較為復(fù)雜的工作，如圖9-7所示。9.2.1國(guó)外仿生機(jī)器人發(fā)展歷史圖9-7波士頓動(dòng)力Atlas機(jī)器人

Spot機(jī)器人也是由波士頓公司開(kāi)發(fā)的機(jī)器狗。它可以像狗狗一樣在各種地形上靈活運(yùn)動(dòng)，搬運(yùn)東西,如圖9-8所示。9.2.1國(guó)外仿生機(jī)器人發(fā)展歷史圖9-8波士頓動(dòng)力Spot機(jī)器狗雖然起步?jīng)]有其他國(guó)家早，但是我國(guó)也是比較早投身仿生機(jī)器人研究的國(guó)家之一。在1988年，得益于國(guó)家基金、863計(jì)劃的推動(dòng)，由長(zhǎng)沙國(guó)防科技大學(xué)研發(fā)的六自由度平面運(yùn)動(dòng)型雙足步行機(jī)器人誕生，雖然其還不算嚴(yán)格意義上的仿生機(jī)器人，但是它的誕生為我國(guó)仿生機(jī)器人的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。9.2.2國(guó)內(nèi)仿生機(jī)器人發(fā)展歷史2000年的11月29日，長(zhǎng)沙國(guó)防科技大學(xué)終于研制出我國(guó)第一臺(tái)全自主研發(fā)的仿生機(jī)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(gè)卡通人物，其擬人屬性并不是很突出。但是，“先行者”的誕生對(duì)我國(guó)仿生機(jī)器人的研究是具有里程碑意義的，它的誕生推動(dòng)了我國(guó)仿生機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。9.2.2國(guó)內(nèi)仿生機(jī)器人發(fā)展歷史清華大學(xué)THBIP系列仿生機(jī)器人的研究始于2000年初，經(jīng)過(guò)了三個(gè)版本的迭代，在2006年推出的第三代樣機(jī)THBIP-III已經(jīng)能夠完成揮手和上下臺(tái)階的工作。9.2.2國(guó)內(nèi)仿生機(jī)器人發(fā)展歷史此后，由北京大學(xué)研發(fā)的BHR系列機(jī)器人、清華大學(xué)研制的THBIP系列仿人機(jī)器人等相繼面世。BHR機(jī)器人一共迭代了3個(gè)版本，在2011年的第三代作品BHR-3已經(jīng)初步具有仿生機(jī)器人的基本形態(tài)，并且在肢體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)上已經(jīng)可以完成高自由度的雙足及雙臂動(dòng)作，比如表演太極拳和刀劍等。9.2.2國(guó)內(nèi)仿生機(jī)器人發(fā)展歷史而談到比較有代表性意義的機(jī)器人，那就一定是“索菲亞”?！八鞣苼啞笔且豢钣上愀蹪h森機(jī)器人技術(shù)公司所開(kāi)發(fā)的女性類(lèi)人機(jī)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(duì)話和記憶知識(shí)。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(lèi)歷史上首個(gè)獲得公民身份的仿生機(jī)器人。9.2.2國(guó)內(nèi)仿生機(jī)器人發(fā)展歷史人形機(jī)器人的發(fā)明過(guò)程非常復(fù)雜，在這個(gè)過(guò)程中投入了大量的工作和研究。大多數(shù)時(shí)候，發(fā)明家和工程師都面臨著一些挑戰(zhàn)。一級(jí)傳感器和執(zhí)行器非常重要，一個(gè)小錯(cuò)誤就可能導(dǎo)致故障。仿人機(jī)器人通過(guò)傳感器和執(zhí)行器等特定功能來(lái)移動(dòng)、說(shuō)話和執(zhí)行操作。9.2.3仿生機(jī)器人行業(yè)的挑戰(zhàn)雖然仿生機(jī)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(jī)器人時(shí)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(xué)習(xí)能力（4）與環(huán)境的交互（5）軀體結(jié)構(gòu)和四肢運(yùn)動(dòng)（6）體系結(jié)構(gòu)（7）基于AI的交互9.2.3仿生機(jī)器人行業(yè)的挑戰(zhàn)仿生機(jī)器人的研究是當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱門(mén)之一。與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人相比，仿生機(jī)器人的顯著特性就是它具有與人類(lèi)相似的特點(diǎn)，包括具有像人類(lèi)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(lèi)相似的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。因此，研究仿生機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，應(yīng)該以人類(lèi)的身體構(gòu)造出發(fā)，設(shè)計(jì)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)、自由度、空間尺寸等。9.3仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)本節(jié)旨在利用電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作一款模仿人體關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的仿生機(jī)器人，合理選用電機(jī)及設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，使得仿生機(jī)器人能夠從體積大小、運(yùn)動(dòng)性能、外形外觀等都盡可能地接近人類(lèi)，如圖9-10所示。9.3仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖9-10傳統(tǒng)機(jī)器人與極仿生機(jī)器人人類(lèi)的關(guān)節(jié)是肢體之間的連接器，也是運(yùn)動(dòng)的樞紐。人體全身共有78個(gè)關(guān)節(jié)，根據(jù)《人體解剖學(xué)》所述，人類(lèi)關(guān)節(jié)按照運(yùn)動(dòng)類(lèi)型分為三類(lèi)，不動(dòng)關(guān)節(jié)、微動(dòng)關(guān)節(jié)以及活動(dòng)關(guān)節(jié)。9.3.1人體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不動(dòng)關(guān)節(jié)是指兩骨之間以結(jié)締組織相連接，中間沒(méi)有任何縫隙的關(guān)節(jié)，一般來(lái)說(shuō)無(wú)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能，此類(lèi)關(guān)節(jié)有顱骨關(guān)節(jié)、胸骨關(guān)節(jié)等。微動(dòng)關(guān)節(jié)可進(jìn)行小幅度的運(yùn)動(dòng)，其關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)通過(guò)纖維連接或者依靠韌帶和骨間膜連接，此類(lèi)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(dòng)關(guān)節(jié)，活動(dòng)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(guò)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(lèi)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(diǎn)對(duì)于仿生機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為了能夠在占用盡可能少體積的情況下實(shí)現(xiàn)盡可能多的仿生機(jī)器人自由度，因此在模仿人體身體結(jié)構(gòu)的時(shí)候，只針對(duì)可大幅度運(yùn)動(dòng)的、能夠展現(xiàn)人類(lèi)特性的關(guān)節(jié)進(jìn)行模仿和設(shè)計(jì)。9.3.1人體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)從最基本的層面上來(lái)看，人體可以分為四個(gè)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(jī)器人基本組成機(jī)器人的定義范圍很廣，大到工廠作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人，小到居家打掃家庭服務(wù)機(jī)器人。許多機(jī)器人專(zhuān)家（制造機(jī)器人的人）使用的是一種更為精確的定義：他們規(guī)定，機(jī)器人應(yīng)具備可重新編程的大腦（一臺(tái)計(jì)算機(jī)），用來(lái)控制身體。根據(jù)這一定義，機(jī)器人與其他可移動(dòng)的機(jī)器（如汽車(chē)）的不同在于它們具有計(jì)算機(jī)這一要素。9.3.2仿生機(jī)器人基本組成大多數(shù)機(jī)器人確實(shí)擁有一些共同的特性，例如：（1）移動(dòng)底盤(pán)幾乎所有機(jī)器人都有一個(gè)可以用來(lái)移動(dòng)的身體結(jié)構(gòu),如圖9-11所示。9.3.2仿生機(jī)器人基本組成圖9-11機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)（2）能量源，機(jī)器人都需要一個(gè)能量源來(lái)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部傳動(dòng)裝置。（3）驅(qū)動(dòng)電路及執(zhí)行裝置，傳動(dòng)裝置一般都是通過(guò)導(dǎo)線與一塊電路相連。如圖9-12所示為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電路板。9.3.2仿生機(jī)器人基本組成圖9-12機(jī)器人系統(tǒng)電路板（4）傳感器系統(tǒng)，并非所有的機(jī)器人都具有傳感系統(tǒng)，只有少數(shù)機(jī)器人具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)或味覺(jué)等感知功能。（5）人工智能算法，人工智能（AI）無(wú)疑是目前機(jī)器人學(xué)中最引人矚目的領(lǐng)域，同時(shí)也是最有爭(zhēng)議的領(lǐng)域。以上是機(jī)器人的一些基本組成部分。機(jī)器人專(zhuān)家可以將這些元素通過(guò)無(wú)數(shù)種方法組合起來(lái)，從而制造出無(wú)限復(fù)雜的機(jī)器人。9.3.2仿生機(jī)器人基本組成人體的結(jié)構(gòu)可以分為四個(gè)大部分，分別是頭部、軀干、上肢和下肢。本節(jié)按照四個(gè)大部分分別設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和自由度，以更好地模仿人類(lèi)的動(dòng)作。圖9-13是本文所設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人全身自由度分布圖。9.3.3仿生機(jī)器人自由度設(shè)計(jì)9.3.3仿生機(jī)器人自由度設(shè)計(jì)圖9-13仿生機(jī)器人全身自由度分配機(jī)器人硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)器人底層最為至關(guān)重要的部分。它關(guān)系到了各個(gè)關(guān)節(jié)以及整體的運(yùn)動(dòng)效果。需要綜合考慮驅(qū)動(dòng)源和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。需要根據(jù)各個(gè)關(guān)節(jié)的作用以及受力情況進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，以滿足各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)行的基礎(chǔ)之上。9.4仿生機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例對(duì)于仿生機(jī)器人的關(guān)節(jié)，需要有動(dòng)力源及動(dòng)力元件驅(qū)動(dòng)才能夠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源有很多種，常用的動(dòng)力源一般有電能、氣動(dòng)能、液動(dòng)能。電動(dòng)動(dòng)力源即使用電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。氣動(dòng)是以壓縮空氣作為動(dòng)力源，帶動(dòng)機(jī)械完成伸縮或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。液動(dòng)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(jī)械能。9.4.1仿生機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)選型表9-1詳細(xì)列舉了三種動(dòng)力源的優(yōu)缺點(diǎn)。9.4.1仿生機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)選型動(dòng)力源類(lèi)型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電動(dòng)不受溫度影響；控制方便；體積?。晦D(zhuǎn)矩范圍廣結(jié)構(gòu)復(fù)雜；機(jī)械效率低；轉(zhuǎn)速范圍?。灰资茈娫?、頻率干擾氣動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；開(kāi)關(guān)速度快；同體積執(zhí)行器提供力矩比電動(dòng)執(zhí)行器大；成本低需要要外界氣源；因?yàn)闅怏w的壓縮性，速度不均勻，難以控制液動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；輸出力最大；具有自潤(rùn)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(duì)執(zhí)行器影響大對(duì)于仿生機(jī)器人的關(guān)節(jié)電機(jī)選型，為了使所用關(guān)節(jié)都能夠進(jìn)行精確的角度控制，因此本書(shū)對(duì)仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)選用的電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)是盡量選取能夠精確控制角度的電機(jī)。本書(shū)把仿生機(jī)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(lèi)。9.4.1仿生機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)選型表9-2列舉了本書(shū)設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人的關(guān)節(jié)電機(jī)選型分類(lèi)，并將在后續(xù)章節(jié)中描述各關(guān)節(jié)的具體設(shè)計(jì)。9.4.1仿生機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)選型關(guān)節(jié)類(lèi)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(píng)果肌、上臂、手肘、小臂、手腕、手指本節(jié)將介紹本書(shū)所設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人的頭部設(shè)計(jì)方案。由前面人體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)章節(jié)所分析得出結(jié)論，在設(shè)計(jì)仿生機(jī)器人身體機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)針對(duì)可大幅度運(yùn)動(dòng)的、能夠展現(xiàn)人類(lèi)特性的關(guān)節(jié)進(jìn)行模仿和設(shè)計(jì)。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案如圖9-14所示是人類(lèi)頭部肌肉的分布圖，人類(lèi)頭部肌肉包括有控制臉部運(yùn)動(dòng)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(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案圖9-14人類(lèi)頭部肌肉分布圖

如圖9-15所示，是本書(shū)仿生機(jī)器人的頭部設(shè)計(jì)方案的總覽圖，本書(shū)所設(shè)計(jì)仿生機(jī)器人由幾大部分組成。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案圖9-15頭部機(jī)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(jī)器人眉骨設(shè)計(jì)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(dòng)電機(jī)、3眉骨三個(gè)部分。為了模仿人類(lèi)的“揚(yáng)眉”、“皺眉”、“斜挑”等動(dòng)作，因此每根眉骨設(shè)計(jì)有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)自由度，機(jī)器人頭部的安裝空間比較有限，所以選擇了小型舵機(jī)作為眉骨結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)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(dòng)電機(jī)3眉骨如圖9-17是單邊眉骨驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，1、2為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，3是眉骨連桿，4、5為眉骨驅(qū)動(dòng)點(diǎn)。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案圖9-17單邊眉骨驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案1左驅(qū)動(dòng)電機(jī)2右驅(qū)動(dòng)電機(jī)3眉骨連桿4眉骨驅(qū)動(dòng)點(diǎn)15眉骨驅(qū)動(dòng)點(diǎn)2如圖9-18所示是在Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件下，眉骨結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下的動(dòng)作展示。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案圖9-18眉骨運(yùn)動(dòng)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(jī)器人眼睛設(shè)計(jì)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(jìn)行連接；2驅(qū)動(dòng)電機(jī)，與眉骨設(shè)計(jì)一樣，選用舵機(jī)作為眼球結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，能夠節(jié)省頭部設(shè)計(jì)空間；3眼球，主要由眼球支撐框架和可轉(zhuǎn)動(dòng)眼球組成；4眼瞼，左右眼睛分別有能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的眼瞼。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案圖9-19眼睛總結(jié)構(gòu)圖

1支撐安裝板2驅(qū)動(dòng)電機(jī)3眼球4眼瞼受限于安裝位置的原因，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸和眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)軸很難設(shè)計(jì)成同軸，因此需要設(shè)計(jì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)去解決這個(gè)問(wèn)題。常用的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)等。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是指具有曲柄和搖桿的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其中，雙曲柄機(jī)構(gòu)的平行四邊形機(jī)構(gòu)是常用的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案如圖9-20是平行四邊形機(jī)構(gòu)的示意圖，其中，邊1、3為長(zhǎng)度相等的曲柄，邊2、4為連桿，電機(jī)安裝在點(diǎn)C，點(diǎn)B和A是關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，當(dāng)C轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)點(diǎn)A和B的以相同的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了由C點(diǎn)到A、B點(diǎn)的傳動(dòng)。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案圖9-20平行四邊形機(jī)構(gòu)原理圖如圖9-21(a)是眼球轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案圖，其中1為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，2為平面四邊形機(jī)構(gòu)的曲柄，3是平行四邊形機(jī)構(gòu)的連桿，4則為兩個(gè)眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，5是仿生形眼球。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案圖9-21眼睛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖(a)眼球轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案3連桿2曲柄1驅(qū)動(dòng)電機(jī)4轉(zhuǎn)動(dòng)軸5眼球如圖9-21(b)和圖9-21(c)是眼球轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行上下轉(zhuǎn)動(dòng)和左右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案(b)眼球上下運(yùn)動(dòng)(c)眼球左右運(yùn)動(dòng)如圖9-21(d)是單邊眼瞼轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，其中1是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，2是轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄，3是轉(zhuǎn)動(dòng)軸，4是平行四邊形機(jī)構(gòu)的連桿，5是眼瞼。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案(d)眼瞼轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案5眼瞼4連桿2曲柄1驅(qū)動(dòng)電機(jī)3轉(zhuǎn)動(dòng)軸如圖9-21(e)和圖9-21(f)是眼球打開(kāi)和閉合的狀態(tài)。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案(f)眼瞼閉合(e)眼瞼打開(kāi)3.仿生機(jī)器人嘴巴機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9-22所示為本書(shū)仿生機(jī)器人的嘴巴設(shè)計(jì)方案。其中，包括有1驅(qū)動(dòng)電機(jī)，2是齒輪同步帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，3編碼器，4是牙齒支撐架。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案圖9-22仿生機(jī)器人嘴巴設(shè)計(jì)方案3編碼器2齒輪同步帶傳動(dòng)組1驅(qū)動(dòng)電機(jī)4牙齒支撐架綜上考慮，需要用到齒輪和同步帶的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。如圖9-23是本書(shū)設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人的嘴巴結(jié)構(gòu)傳動(dòng)方案，其中包括三個(gè)轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸1是步進(jìn)電機(jī)的輸出軸，轉(zhuǎn)軸2是編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)軸3是牙齒支撐架轉(zhuǎn)軸。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案圖9-23仿生機(jī)器人嘴巴傳動(dòng)方案如圖9-24所示是仿生機(jī)器人嘴巴設(shè)計(jì)方案的詳細(xì)機(jī)構(gòu)圖。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要步進(jìn)電機(jī)、角度編碼器、固定平臺(tái)、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(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案圖9-24仿生機(jī)器人嘴巴設(shè)計(jì)詳細(xì)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(tái)步進(jìn)電機(jī)圖9-25同時(shí)也展示了肌肉驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的安裝及工作示意圖。第一、第二舵機(jī)固定于固定平臺(tái)，帶動(dòng)兩側(cè)嘴部表情連桿運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)連桿端點(diǎn)與硅膠外表皮連接，舵機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為連接點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)硅膠表皮的表情動(dòng)作。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案圖9-25仿生機(jī)器人肌肉驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)第一舵機(jī)第二舵機(jī)嘴部表情連桿4.仿生機(jī)器人脖子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本書(shū)設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人脖子結(jié)構(gòu)有兩個(gè)自由度，能夠支撐并控制頭部結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)和上下點(diǎn)頭的動(dòng)作。如圖9-26所示是仿生機(jī)器人脖子機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。仿生機(jī)器人脖子結(jié)構(gòu)包括有1支撐架，2電動(dòng)推桿，3傳動(dòng)輪同步帶和4直流電機(jī)及編碼器9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案圖9-26仿生機(jī)器人脖子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)3傳動(dòng)輪同步帶2電動(dòng)推桿1支撐架4步進(jìn)電機(jī)及編碼器如圖9-27展示了本書(shū)仿生機(jī)器人在低頭和仰頭時(shí)的狀態(tài)。9.4.2仿生機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)方案圖9-27仿生機(jī)器人脖子低頭仰頭動(dòng)作展示

(a)低頭狀態(tài)(b)仰頭狀態(tài)本書(shū)設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人的單個(gè)手臂具有肩膀關(guān)節(jié)（兩個(gè)自由度）、上臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)、手肘轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)、小臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)、手腕關(guān)節(jié)和手掌關(guān)節(jié)（五個(gè)自由度，分別對(duì)應(yīng)五個(gè)手指），單手臂有十一個(gè)自由度，雙臂共二十二個(gè)自由度。9.4.3仿生機(jī)器人雙臂設(shè)計(jì)如圖9-28所示，圖中展示的是本書(shū)設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人單個(gè)手臂的結(jié)構(gòu)圖及各個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系。9.4.3仿生機(jī)器人雙臂設(shè)計(jì)圖9-28仿生機(jī)器人單手臂結(jié)構(gòu)圖電機(jī)的選擇上，由于整體臂長(zhǎng)達(dá)75厘米，肩膀關(guān)節(jié)在抬起時(shí)所需要的力矩變得很大，普通的電機(jī)很難提供足夠的力矩。因此，本書(shū)選用專(zhuān)門(mén)用于機(jī)器人一體化關(guān)節(jié)的大功率無(wú)刷伺服行星減速電機(jī)作為肩膀關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該電機(jī)的特點(diǎn)是高度集成了伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器，減速器和編碼器的集成伺服電機(jī)，能夠在體積和力矩上同時(shí)滿足機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)需求。9.4.3仿生機(jī)器人雙臂設(shè)計(jì)1.身體及腿部設(shè)計(jì)如圖9-29所示是仿生機(jī)器人的身體軀干及雙腿結(jié)構(gòu)圖。本書(shū)所設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人下半身采用鋁型材和鋁板搭建。其中包括有1腰部機(jī)構(gòu)，為了增加仿生機(jī)器人整體的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，設(shè)計(jì)了一個(gè)腰部的自由度。腰部的旋轉(zhuǎn)自由度設(shè)計(jì)方案與脖子轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)類(lèi)似，因此不作另外介紹和展示。2腿部結(jié)構(gòu)主要通過(guò)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(jī)器人的重量。3是支撐椅，用作固定仿生機(jī)器人的整個(gè)身體機(jī)械結(jié)構(gòu)。9.4.4仿生機(jī)器人其他部分設(shè)計(jì)9.4.4仿生機(jī)器人其他部分設(shè)計(jì)圖9-29仿生機(jī)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(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)是主體部分，是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和身體支撐的主要部分。為了加工方便和運(yùn)行穩(wěn)定，一般機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都比較平面化。而人類(lèi)的外觀具有許多的細(xì)節(jié)。因此，為了讓仿生機(jī)器人外觀看起來(lái)更具有人類(lèi)的特性，需要設(shè)計(jì)具有人類(lèi)外表特點(diǎn)的硬質(zhì)外殼包裹機(jī)械結(jié)構(gòu)。使機(jī)器人外表看起來(lái)更具有人的特點(diǎn)。9.4.4仿生機(jī)器人其他部分設(shè)計(jì)如圖9-30是本書(shū)設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人的臉部硬質(zhì)外殼。9.4.4仿生機(jī)器人其他部分設(shè)計(jì)圖9-30仿生機(jī)器人臉部外殼

3.皮膚設(shè)計(jì)為了讓機(jī)器人具有更逼真的外貌特征，做到真正意義上的仿生。本書(shū)在硬質(zhì)外殼的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款硅膠材質(zhì)的軟性仿生機(jī)器人外皮。硅膠具有很好的伸展特性和機(jī)械特性，用在仿生機(jī)器人上能夠保證機(jī)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(lèi)的皮膚，因此是非常好的皮膚材料。9.4.4仿生機(jī)器人其他部分設(shè)計(jì)如圖9-31(a)所示是本書(shū)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人硅膠外皮軟件效果圖。其根據(jù)真人樣貌設(shè)計(jì)，開(kāi)模進(jìn)行硅膠灌制。如圖9-31(b)是制作后的硅膠實(shí)物體。9.4.4仿生機(jī)器人其他部分設(shè)計(jì)9.4.4仿生機(jī)器人其他部分設(shè)計(jì)圖9-31機(jī)器人軟性外皮設(shè)計(jì)(a)機(jī)器人外皮軟件設(shè)計(jì)圖(b)機(jī)器人外皮實(shí)物加工圖對(duì)于加工材料的選型，機(jī)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(jī)械特點(diǎn)是密度小，同體積下比其他金屬要輕，強(qiáng)度也相對(duì)較高。選取鋁合金的主要優(yōu)點(diǎn)是減輕仿生機(jī)器人整體的重量，同時(shí)也保證了機(jī)械關(guān)節(jié)的硬度。對(duì)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(jī)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(jì)關(guān)節(jié)零件的時(shí)候，需要盡量把零件設(shè)計(jì)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(guò)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(duì)于一些不能進(jìn)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(jìn)行加工。同樣采用3D打印工藝的還有仿生機(jī)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(shí)間和金錢(qián)成本。9.4.5仿生機(jī)器人加工及組裝如圖9-32(a)所示為本書(shū)所設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人頭部的機(jī)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(shū)設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人安裝臉部外殼后的效果圖，在實(shí)物效果圖中可以看出，外殼的安裝能夠很好的包裹機(jī)械結(jié)構(gòu)并且不影響關(guān)鍵關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。如圖9-32(c)是本書(shū)設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人硅膠皮膚安裝后的效果圖。9.4.5仿生機(jī)器人加工及組裝9.4.5仿生機(jī)器人加工及組裝圖9-32仿生機(jī)器人頭部機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)物圖(a)頭部機(jī)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(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與皮膚的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)示意圖，其中，紅色點(diǎn)所圈出位置是需要粘連的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，包括有1眉毛的四個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，4頰肌的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)。而對(duì)于臉部其他關(guān)節(jié)，眼瞼、眼球本身具有人體特征，因此無(wú)需和皮膚相連。嘴巴則可以直接拉動(dòng)整個(gè)下顎部分皮膚運(yùn)動(dòng)，因此也無(wú)需與皮膚相連。9.4.5仿生機(jī)器人加工及組裝9.4.5仿生機(jī)器人加工及組裝圖9-33仿生機(jī)器人臉部皮膚運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)5嘴巴6脖子4頰肌驅(qū)動(dòng)點(diǎn)3眼球2眼瞼1眉毛驅(qū)動(dòng)點(diǎn)如圖9-34(a)為本書(shū)設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人雙臂及其他部分的安裝實(shí)物圖。仿生機(jī)器人雙臂部分的加工，采用的是輕質(zhì)的PLA材料進(jìn)行加工，能夠減輕手臂各關(guān)節(jié)電機(jī)的負(fù)載。而身體其他部分則采用了鋁合金作為加工材料，因?yàn)樯眢w和手臂部分有衣服等的覆蓋，因此對(duì)于身體和雙臂的部分不作硅膠皮膚的設(shè)計(jì)和制作。9.4.5仿生機(jī)器人加工及組裝(a)仿生機(jī)器人雙臂及身體機(jī)械實(shí)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(jī)器人整體安裝完成后的效果圖。9.4.5仿生機(jī)器人加工及組裝(b)仿生機(jī)器人整機(jī)實(shí)物圖本節(jié)將介紹仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)，仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)包括有硬件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和交互系統(tǒng)。硬件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是和硬件底層相關(guān)，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)和控制關(guān)節(jié)電機(jī)等。操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的計(jì)算機(jī)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(fù)責(zé)各個(gè)功能軟件的實(shí)現(xiàn)。交互系統(tǒng)是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互部分的系統(tǒng)，能夠使仿生機(jī)器人準(zhǔn)確接收來(lái)自用戶的操作指令并且實(shí)施相應(yīng)的功能。9.5仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例如圖9-35是本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的整體框圖以及數(shù)據(jù)流向。9.5仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例圖9-35仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)整體框圖硬件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要任務(wù)是驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)，并且接收關(guān)節(jié)電機(jī)的位置傳感器信息，運(yùn)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(dòng)電路、傳感器以及通信單元。如圖9-36所示是本文的仿生機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。9.5.1硬件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)9.5.1硬件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖9-36仿生機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖通信部分也是硬件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一大部分，本驅(qū)動(dòng)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(jī)通信、傳感器通信等。其主要的通信過(guò)程為：首先通過(guò)串口中斷接收來(lái)自控制系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的指令，指令中有數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符，通過(guò)識(shí)別標(biāo)識(shí)符進(jìn)行相應(yīng)的操作或者進(jìn)行指令的分發(fā)。9.5.1硬件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.操作系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)是整個(gè)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(jìn)程管理、設(shè)備管理等功能。在本系統(tǒng)中，主要負(fù)責(zé)運(yùn)行仿生機(jī)器人的所有功能程序，包括有通信、算法運(yùn)行、信號(hào)采集、功能實(shí)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(jì)本系統(tǒng)所選用的計(jì)算機(jī)硬件配置是搭載InterCoreI5的中央處理器的工業(yè)主機(jī)，其主頻達(dá)2.5GHz，有4個(gè)物理核心，能夠同時(shí)運(yùn)行8個(gè)線程，在處理和計(jì)算速度上保證了仿生機(jī)器人多個(gè)節(jié)點(diǎn)程序同時(shí)運(yùn)行。本文選用了Linux和ROS（RobotOperatingSystem）的操作系統(tǒng)架構(gòu)去運(yùn)行。Linux是具有免費(fèi)、開(kāi)源、可靠、可多平臺(tái)的操作系統(tǒng)，并且非常適合嵌入式設(shè)備。而ROS系統(tǒng)則是近幾年非常火爆的一款用于編寫(xiě)機(jī)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(shí)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(jì)如圖9-37是一個(gè)ROS系統(tǒng)的框架圖，其中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)程序運(yùn)行進(jìn)程，能夠獨(dú)立運(yùn)行功能程序，比如圖像采集、語(yǔ)音對(duì)話等，每個(gè)功能節(jié)點(diǎn)可以有獨(dú)立的編程環(huán)境，解耦性非常好。9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖9-37ROS系統(tǒng)框架示例如圖9-38是本文設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人操作系統(tǒng)的整體框架。Linux系統(tǒng)是整個(gè)框架的外部載體，Linux上的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)與USB的攝像頭和麥克風(fēng)設(shè)備通信，獲取圖像和音頻信息，Linux系統(tǒng)同時(shí)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(jī)器人控制系統(tǒng)的操作系統(tǒng)層的功能節(jié)點(diǎn)框架以及通信流向。操作系統(tǒng)中運(yùn)行有多個(gè)功能節(jié)點(diǎn)，包括圖像處理節(jié)點(diǎn)、雙機(jī)械臂算法運(yùn)行節(jié)點(diǎn)、音頻處理節(jié)點(diǎn)以及用于通信的上位機(jī)通信節(jié)點(diǎn)和MCU通信節(jié)點(diǎn)。9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖9-38仿生機(jī)器人操作系統(tǒng)框架

2.功能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)功能節(jié)點(diǎn)主要包括圖像處理功能節(jié)點(diǎn)、語(yǔ)音交互功能節(jié)點(diǎn)、雙臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等，圖像處理節(jié)點(diǎn)的主要功能是在仿生機(jī)器人交互時(shí)，通過(guò)人臉識(shí)別獲取用戶的當(dāng)前位置，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器人的脖子轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器人一直朝向用戶。9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)該功能的作用是能夠讓仿生機(jī)器人在交互時(shí)保持“注意力”。語(yǔ)音交互功能節(jié)點(diǎn)主要功能是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。如圖9-39(a)所示為本系統(tǒng)的圖像處理節(jié)點(diǎn)流程圖。如圖9-39(b)所示為本系統(tǒng)的語(yǔ)音交互功能節(jié)點(diǎn)流程圖。9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)(a)圖像處理功能節(jié)點(diǎn)流程圖(b)語(yǔ)音交互功能節(jié)點(diǎn)流程圖3.ROS系統(tǒng)安裝ROS系統(tǒng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊化編程，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此被廣泛應(yīng)用在各種的類(lèi)型的機(jī)器人上。本書(shū)所介紹的機(jī)器人采用的就是ROS系統(tǒng)的框架，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人各個(gè)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(jì)ROS系統(tǒng)主要是安裝在ubuntu系統(tǒng)上，不同的ubuntu系統(tǒng)對(duì)應(yīng)著不同的ROS版本。主要常見(jiàn)的版本有ubuntu14.04對(duì)應(yīng)的Indigo，ubuntu16.06的Kinetic，ubuntu18.04的Melodic。接下來(lái)將以u(píng)buntu16.04所對(duì)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(gè)過(guò)程都在系統(tǒng)終端進(jìn)行。9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)9.5.2操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)(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(xiàng)（6）sudoapt-getinstallpython-rosinstallpython-rosinstall-generatorpython-wstoolbuild-essential(7)初始化rosdep（7）sudorosdepinitrosdepupdate執(zhí)行完這個(gè)流程后，基本就已經(jīng)安裝完ROS比較核心的功能包了。再運(yùn)行roscore就能測(cè)試ROS系統(tǒng)是否安裝成功。成功安裝完ROS系統(tǒng)后的運(yùn)行roscore的界面如圖9-40所示