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　　新形態機器人的聽覺切換器掌控技術

　　國際金屬加工網

　　先進制造 ◇ 系列技術講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國機器人行業典型研討會

　　聽覺是人類交互外間重要信息的重要手段，聽覺繼電器是機器人以獲取環境重要信息的關鍵性組成部分。責任編輯主要討論新形態機器人BHR-1的聽覺繼電器。首先介紹機器人頸部的聽覺總體結構方案，然后論述了如前所述立體聽覺的重要信息處置和頸部體育運動掌控，最后通過最終目標追蹤和物體截取試驗說明了掌控系統的可行性。

總體方案及掌控技術　　新形態機器人的聽覺繼電器要求能夠依照具體環境和具體情況進行主動搜尋，動態將探頭轉向最終目標，同時實現對內部空間最終目標的動態追蹤并以獲取物體的二維邊線重要信息，從而掌控肩膀同時實現時地體的準確截取。

　　BHR-1)的頸部有2個分量，面部放置兩只CCD探頭做為聽覺傳感器來模擬人的眼睛。機器人的肩膀也是模新形態類的手部設計的，具有7個分量，肩下肢3個分量，肘下肢2個分量，腕下肢2個分量，可以同時實現人類手部的各種動作。機器人依照最終目標的二維邊線重要信息同時實現時地體的截取。

新形態機器人BHR-1的總體設計方案如圖2所示。為了同時實現物體的快速功能定位，需要完成繪圖和體育運動掌控的任務。一臺排序機將難以滿足快速功能定位的動態性要求，因而責任編輯選用了雙排序機處置和Memolink通信方式的掌控系統結構，采用兩臺排序機分別負責雙眼立體聽覺的重要信息處置和機器人的體育運動掌控。Memolink是掌控系統間進行快速通信的一種有效解決方案。

　　機器人的聽覺追蹤以及最終目標截取的同時實現都依賴體育運動掌控排序機對機器人的體育運動掌控。運

　　圖2 掌控系統總體方案

　　動掌控技術依照聽覺處置掌控系統的處置意見，掌控機器人采取相應決策。例如

　　:頸部的兩分量旋轉，以追蹤最終目標的體育運動或者手部肩膀去截取最終目標。體育運動掌控模塊以RT-Linux動態操作操作掌控系統做為軟件平臺，保證了機器人掌控技術的動態性。

　　機器人的體育運動掌控模塊的涉嫌第一類是機器人的各下肢的視角，而下肢是由電機助推的，因而涉嫌第一類事實上是助推下肢旋轉的電機旋轉的視角，是一個邊線繼電器。

掌控系統采用了兩套多功能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，提高了掌控系統的集成性并減小了掌控系統體積和重量。

　　在掌控訊號的輸出方面，由于掌控的目的是為了機器人的頸部能夠追蹤體育運動的最終目標，因而事實上Eygurande就是依照繪圖模塊的處置意見得到的，在繪圖的過程中，最終求得的最終目標的邊線就是后面體育運動掌控模塊的Eygurande。由于繪圖模塊的處置意見本身就是數字量，體育運動掌控模塊所得到的邊線重要信息也是數字訊號，因而，這里不需要模數切換的過程。

　　在意見反饋訊號的輸出方面，因為涉嫌第一類是電機，確切的說是電機旋轉的視角，是邊線掌控，因而可以用電機上面的丘帕卡編解碼器的輸出做為意見反饋訊號。丘帕卡編解碼器是一個量測

電機所轉過身的視角的器件，它以波形的方式來意見反饋電機轉過身的視角，電機轉過身的視角越大，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 機器人頸部體育運動掌控模塊SimRank

　　接口來做為意見反饋訊號的輸出通道，它可以量測丘帕卡編解碼器的波形輸出特征值。機器人頸部的體育運動掌控模塊的結構SimRank如圖3所示。

　　如前所述立體聽覺的聽覺重要信息處置

　　掌控系統選用了如前所述立體聽覺的解決方案，通過加入了深度重要信息，使得最終目標的搜尋結果更加精確。掌控系統采用了美國SRI人工智能中心所開發的兩套高速的雙眼立體聽覺掌控系統SVS(small vision system)。

圖像拆分是物體辨識的預處置階段，是機器人聽覺繼電器的關鍵性技術之一。該掌控系統選用了如前所述顏色重要信息的共振頻率拆分方法。理論分析和試驗結果都表明，對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，測得的RGB顏色值分布很分散，很難確定辨識RGB的共振頻率范圍。而HSV模型更接近人眼對顏色的交互，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更適合于用做辨識處置的基礎。責任編輯選用HSV模型做為顏色辨識處置的基礎，選取其中的參數H和V做為辨識處置的判別依據。RGB內部空間中一點到HSV內部空間中一點的具體轉化關系如下:

　　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

　　掌控系統首先離線采樣最終目標圖像區域，將該局部彩色圖像從RGB模型轉化為HSV模型，對其中H、S兩個分量分別作直方圖，得到選定區域的H、S共振頻率，這是一個離線的學

　　圖4 聽覺處置流程圖

　　習過程。在隨后的動態圖像辨識中，

　　H、S共振頻率依照前一個聽覺周期的彩色圖像動態更新以適應新的光照條件。

聽覺處置掌控系統的流程圖如圖4所示，掌控系統采用探頭來采集圖像，在對圖像進行一系列的預處置之后，對其進行區域拆分，以得到多個區域，再搜尋這些區域，依照已知最終目標特征找到目　　標所在的區域。如果找到，則掌控機器人頸部面向最終目標，同時更新最終目標的特征，以用來在下次搜尋時采用，如果沒有找到相匹配的最終目標，則可能最終目標被暫時隱藏或丟失，這時開始下一次處置，以等待最終目標再次出現。

　　因為聽覺處置掌控系統處置的是上一個周期的圖像，所以得到的最終目標坐標也是上一個周期的坐標，如果用此方向坐標來做為體育運動掌控的輸出，則頸部體育運動始終滯后一個周期。為了加快掌控系統的速度，責任編輯選用了比例微分掌控，掌控系統地輸出輸出函數為:

　　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)時間上掌控技術的輸出;(αk,βk)表示在時間 t(k)最終目標的方向坐標;(αk’, βk’)該時刻二分量機構的方向坐標;eα(k)和eβ(k) 分別表示該時刻頸部邊線與最終目標邊線之間的偏差;kp和kd分別為掌控技術的比例系數和微分系數。通過試驗調節kp和kd，kd＜＜kp，掌控系統可以既有較高的反應速度，同時又具有穩定性。

　　體育運動掌控過程

依照前面的敘述，排序機掌控技術的工作過程是一個循環的動態數據采集，動態決策，動態掌控的過程，在本掌控系統中，依照所選用器件的具體情況，假設對所有的掌控環完成這樣的一個循環大約需要m毫秒的時間左右。在聽覺重要信息處置掌控系統中，處置一幀圖像平均需要n毫秒左右的時間，由于聽覺處置和體育運動掌控任務的特點的不同，n>>m，也就是說聽覺處置的周期要遠遠大于體育運動掌控的周期。在一個聽覺處置的周期內，掌控系統可以完成多個掌控周期的處置。因而在一個聽覺處置周期之后，掌控系統應該做好下一個聽覺處置周期之內的體育運動規劃，也就是做好后面多個掌控周期之內的體育運動規劃，這樣才能保證機器人的頸部以均勻、平緩，同時又是精確的速度來追蹤最終目標。

　　掌控技術軟件流程如圖5所示。

在每一個體育運動掌控周期內，程序都首先要查看Memolink，看聽覺重要信息處置掌控系統是否有新的處置意見通過Memolink傳遞到體育運動掌控技術，如果沒有，程序就按照預設的體育運動規劃來掌控機器人體育運動;如

　　圖5 機器人體育運動掌控的軟件流程

　　果有，程序就先要依照聽覺掌控系統的處置意見來修改體育運動規劃。為了使機器人頸部的體育運動平穩，我們把每次預設的體育運動規劃所規劃的時間定為略大于聽覺處置的平均周期，這樣就能夠保證掌控系統在每次新的聽覺處置意見到來之時，原有的體育運動規劃還沒有執行完。從而使只要最終目標在不斷體育運動，機器人頸部便可以處于不斷體育運動過程中，避免了機器人頸部時轉時停的現象。

　　隨后程序分別讀取規劃和意見反饋，依照兩者之差來求得掌控量，再發出掌控訊號，掌控機器人頸部的旋轉。

對于掌控量的求法程序選用了傳統的PID算法，設t(k)為第k個體育運動掌控周期時刻，在t(k)時間上，掌控系統的輸出量為Yk，體育運動規劃的規劃量為Xk，依據PID算法，在t(k＋1)時間上，掌控系統的輸出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，積分系數，微分系數。在一個掌控技術中，一定大小積分系數可以使掌控系統沒有殘差，但會降低響應速度;而一定大小的比例系數可以加快掌控系統的響應速度，并能依照輸出的變化提前做出響應，但可能導致掌控系統不穩定。因而在結果可以接受的情況下，應該只采用比例系數，如果結果達不到要求再采用積分系數和微分系數。

　　試驗

本掌控系統中，聽覺重要信息處置掌控系統和體育運動掌控技術分別適用Windows和RT-Linux做為軟件開發平臺。RT-Linux是動態操作掌控系統，采用它可以滿足體育運動掌控的動態性，而Windows掌控系統的強大的多媒體功能使其成為繪圖的平臺。聽覺重要信息處置排序機的CPU為PⅣ 2.4GB,內存512M;體育運動掌控排序機的CPU為PⅢ 700MHz，內存256M;Memolink是連接聽覺處置掌控系統與體育運動掌控技術的橋梁，我們選用的產品選用PCI接口，最大傳輸速率為1Mbytes/s。探頭為SVS聽覺處置掌控系統，每秒鐘采樣15幀。

SVS聽覺處置掌控系統安裝才2分量的體育運動機構上，該機構在2個分量方向的體育運動足以使其指向任何方向，因而可以同時實現追蹤物體。BHR-1的頸部的二維尺寸為寬19cm，高27cm，深19cm，重量2.8kg，以上數據包括機械

　　結構、軸承、電機、攝像機等。

　　利用該掌控系統追蹤和功能定位物體時，圖像的處置速度為每秒鐘10幀，聽覺切換器周期為100ms左右，體育運動掌控技術的切換器周期是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。

　　為進一步驗證責任編輯提出的聽覺功能定位與動作規劃的方法的有效性，BHR-1掌控系統同時實現了時地體的截取試驗(如圖7)，機器人肩膀是具有7個分量的機器人的右臂，試驗過程中，聽覺掌控系統將最終目標物體的二維重要信息通過memolink傳遞給體育運動掌控排序機，體育運動掌控排序機依照上面提出的方法規劃數據并同時實現截取物體。

結語責任編輯給出了一種如前所述雙眼聽覺的物體的追蹤和功能定位方案。雙眼聽覺用于以獲取最終目標物體的二維內部空間重要信息，同時實現物體的功能定位。這個掌控系統選用了雙排序機處置和Memolink 通訊方式，兩臺排序機分別進行聽覺重要信息處置和體育運動掌控，保證了掌控系統具有較高的響應速度。

　　( 文章來源：互聯網 )

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