仿人机器人多控制器通信系统的研究

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1、重庆大学硕士学位论文仿人机器人系统的一个关键问题。本课题采用的仿人机器人关节由电机和传感器组成,电机由带独立处理器的伺服控制器模块来驱动,该模块能够独立处理自己的相关数据,感知外界环境,类似智能体,因此,仿人机器人的多控制器就可以看成有多个Agent组成的多智能体系统(MAS),仿人机器人多控制器通信系统的研究就可以从研究MAS通信系统出发。仿人机器人[12-16]的研制开始于上世纪60年代末,虽然只有三十多年的研究历史,但是研究工作进展迅速。90年代中期,研究内容已由原先的仿人腿部行走上升到全方位的仿人,并且在传感、自治、图像、人机交互等方面取得了长足的进步。加藤一郎教授是开创两足步

2、行机器人研究的先驱,高西淳夫研究室是原加藤实验室的延续。该实验室的WABIAN-RV是日本早稻田大学开发的WABIAN系列中最新最先进的仿人机器人[17],如图1.1所示。为了最大限度地体现人体步行运动机能,WABIAN-RV采用与人相近的身高,具有43个自由度,头部可前后、俯仰、侧摆、转动,肩部可回转摆动,手腕可以做前后、左右、回转的动作。图1.1WABIAN-RVFig.1.1WABIAN-RV此外,WABLAN-RV还具有视觉、听觉,而且能够听从部分手势、体语和声音调整行走起停、方向等,还能与人进行简单的语音交流,其控制通信系统如图1.2所示。41绪论图1.2WABLAN-RV通

3、信系统结构图Fig.1.2CommunicationStructureofWABLAN-RV由图可知,上位机控制系统分为主从机,由两台PC机组成。主机负责控制关节运动,计数器板以及D/A板通过ISA总线与CPU、双口RAM进行通信。从机则负责处理获取到的视频和音频信号,通过PCI总线控制视觉跟踪模块获取视频信号,并且与双口RAM进行数据通信,同时通过USB总线经由头部装置采集音频信号。主从机之间则通过双口RAM进行数据通信。世界第一台真正意义上的仿人机器人,是日本Honda公司于1996年12月推出的P-2型机器人[18],如图1.3所示。图1.3P-2Fig.1.3P-2P-2是世界

4、上首台无缆自主式仿人机器人,身高1.82m、重量210kg,共有285重庆大学硕士学位论文个自由度。P-2型机器人通过陀螺仪、加速度传感器以及六个脚底压力传感器把地面的信息传给机器人的控制单元进行判断,进而控制平衡身体。其控制通信结构如图1.4所示。图1.4P-2通信系统结构图Fig.1.4CommunicationStructureofP-2如图所示,P-2的中央控制系统是由四个微处理器构成。它们分别负责手臂控制、腿部控制、关节局部控制以及视觉处理。P-2内部采用VME总线进行数据通信,VME是一种串行总线,它采用异步、非复用的传输模式,最大传输速率可达40Mbps。控制计算机通过中

5、央控制模块中的I/O板分别控制各个关节单元。另外,身体倾斜传感器、手臂操作力传感器、地面反力传感器的数据也是通过I/O板反馈到中央控制系统。由于P-2采用了自载式无缆技术,所有控制计算机,传感器都装载在机器人本体上,因此它还采用无线通讯方式。目前,世界上最先进的机器人是日本Honda公司于2002年12月推出的新款ASIMO[19-20],如图1.5所示。目标是研制一种能够和人类共存、合作,并且能够完成人类不能完成的任务的新型智能机器人。61绪论图1.5ASIMOFig.1.5ASIMOASIMO身高1.2m、体重43kg、共有34个自由度,采用Honda自行开发的处理器、VxWork

6、s操作系统,驱动元件采用伺服电机、Harmonic减速器、镍氢电池作为动力源。传感器方面,ASIMO应用了视觉传感器、听觉传感器、陀螺仪、压力传感器、六维力传感器等。其控制通信结构如图1.6所示。图1.6ASIMO通信系统结构图Fig.1.6CommunicationStructureofASIMO如图所示,ASIMO的控制规划、通讯模块、声觉模块和视觉模块通过PCI总线进行数据通信,头部摄像头通过PCI总线连接视觉模块,并且可以利用无线电同工作站进行通讯,它具有智能实时柔性行走技术。索尼于2000年末研制出了仿人机器人SDR-3X,其身高为50cm,重量为5kg,每分钟可以步行15米

7、,并可按照音乐节拍翩翩起舞等可以进行较高速度的自律运动。另外还配备声音识别和图像识别功能,如图1.7所示。7重庆大学硕士学位论文图1.7SDR-3XFig.1.7SDR-3XSDR-3X分别在头部安装了2个关节、躯干部安装了2个关节、每个手臂安装了4个关节、每个下肢和足部安装了6个关节,共计24个配置了驱动机构的“关节”通过2个64bitRISC微处理器进行实时控制。实时操作系统为索尼独自开发的“Aperios”,其控制通信系统如图1.8所示。

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