對機(jī)器人的研究具有十分重大的科研與實(shí)用價值，它可以推動當(dāng)代仿生學(xué)、人工智能、計算機(jī)圖形學(xué)、機(jī)械設(shè)計和自動控制等相關(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)，同時感受多種互動技術(shù)在機(jī)器人上的應(yīng)用，本文重點(diǎn)對目前國內(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)計和柔美的動作。

　　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，傳感器會檢測到有物體靠近，便將信息反饋到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)會根據(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)的動作，完成人們交予的各種工作任務(wù)。

　　機(jī)器人的語音應(yīng)用主要包括TTS(Text To Speak)技術(shù)和語音識別技術(shù)。語音識別技術(shù)讓機(jī)器人能“聽懂”語言，TTS技術(shù)讓機(jī)器人將想說的話大聲“說”出口。語音機(jī)器人大部分都配備了TTS設(shè)備及語音識別技術(shù)。TTS可以對文本文件進(jìn)行實(shí)時轉(zhuǎn)換，使輸出的語音自然流暢。根據(jù)傳感器獲取的信息，機(jī)器人可以通過TTS語音合成技術(shù)“說”出自己的想法，在恰當(dāng)?shù)臅r候給人們提示和意見。我們還可以修改TTS系統(tǒng)的參數(shù)，改變機(jī)器人語言的音調(diào)、頻率、速率和音量。通過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TTS系統(tǒng)是機(jī)器人的嘴巴，那么語音識別系統(tǒng)就是機(jī)器人的耳朵。語音識別系統(tǒng)可以接收語音信息并加以分析，隨后與語音庫中預(yù)存的句子進(jìn)行比對，當(dāng)配對成功后，系統(tǒng)將找到與之對應(yīng)的回答語句，通過TTS向人們廣播。就這樣，配備了語音識別系統(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)計實(shí)例

　　2.1 下棋機(jī)器人設(shè)計

　　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)、棋盤系統(tǒng)和專家決策系統(tǒng)組成，可以和人們進(jìn)行中國象棋的博弈。

　　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)械臂是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，是靠自身動力和控制能力來實(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“中國象棋博弈”，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，還使人們體驗(yàn)到其智能性。

　　2.1.2 軟件

　　在與機(jī)器人互動的過程中，人們可以通過觸摸屏控制自己的棋子，我們每走一步棋，下棋機(jī)器人就會做出對應(yīng)的動作，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，會將比賽結(jié)果通過圖像界面和語音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。在整個下棋過程中，系統(tǒng)始終檢測人們是否下棋。如果我們長時間沒有反應(yīng)，系統(tǒng)將返回初始狀態(tài)；如果檢測到我們行棋，系統(tǒng)將判斷我們行棋是否符合規(guī)則，然后專家系統(tǒng)分析棋盤面狀況，預(yù)測觀眾的行棋意圖，做出自己的判斷，開始走棋；如果檢測到結(jié)束，會公布游戲勝負(fù)。

　　2.2 解魔方機(jī)器人設(shè)計

　　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。在工業(yè)生產(chǎn)中，和工業(yè)機(jī)械臂類似的氣動元件也被廣泛使用，目前國內(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)用顏色識別技術(shù)和解魔方算法，動作使用氣缸驅(qū)動。

　　2.2.1 硬件

　　氣缸又稱氣動機(jī)械臂，有耐用、精確等特點(diǎn)。氣缸具有2個沖程，每個沖程位置上配有傳感器，當(dāng)氣缸運(yùn)動到預(yù)定位置上，傳感器將返回信號。解魔方機(jī)器人配備PLC(Programmable Logical Controller)，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。當(dāng)PLC接到執(zhí)行命令后，它開啟對應(yīng)的氣閥，驅(qū)動氣缸動作，當(dāng)氣缸運(yùn)動到位時，傳感器返回信號，PLC關(guān)閉氣閥，氣缸停止運(yùn)動。

　　2.2.2 軟件

　　解魔方機(jī)器人的軟件主要包括顏色識別部分、魔方狀態(tài)建模部分、解魔方算法部分和解魔方動作執(zhí)行部分。

　　顏色識別部分負(fù)責(zé)識別魔方各個面的顏色。經(jīng)過圖像處理，采集到的圖像信息被轉(zhuǎn)換為YCbCr色域。Cb和Cr這2個通道決定了色彩的屬性，通過分析它們的值，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。這個過程成功地將模擬的圖像信息轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以識別的魔方狀態(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個面和26個塊組成，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)，儲存在一個容器中，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，我們將一系列的動作命令通過串口發(fā)給PLC，PLC驅(qū)動氣缸動作，完成對魔方的還原。

圖2 解魔方機(jī)器人

　　2.3 環(huán)保舞蹈機(jī)器人設(shè)計

　　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)過設(shè)計切割，在機(jī)器人關(guān)節(jié)部位配置伺服舵機(jī)驅(qū)動，形成了優(yōu)美的機(jī)器人舞蹈動作。

　　2.3.1 硬件

　　通過SolidWorks結(jié)構(gòu)設(shè)計，環(huán)保紙被激光切割為184個零件，根據(jù)裝備圖組裝起來，圖3展示了SolidWorks的結(jié)構(gòu)設(shè)計組裝。舞蹈機(jī)器人設(shè)計了9個自由度，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)。

　　根據(jù)不同關(guān)節(jié)位置，可利用下式計算關(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。

圖3 舞蹈機(jī)器人SolidWorks結(jié)構(gòu)組裝圖

　　通過這個公式，我們可以大概估算每個關(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)動抬頭、低頭和左／右小臂彎曲；Dynamixel RX-28伺服舵機(jī)驅(qū)動左/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)計程序是Visual C++2008，如圖4所示。程序定義了運(yùn)動函數(shù)驅(qū)動機(jī)器人動作，函數(shù)的參數(shù)包括全部9個關(guān)節(jié)的目標(biāo)位置和運(yùn)動速度，通過串口發(fā)給每個舞蹈機(jī)器人（如果舞蹈機(jī)器人不止一個的話），動作到位后，給舞蹈機(jī)器人發(fā)送下一個動作命令，最后多個動作串聯(lián)，配合音樂，形成舞蹈。界面的右上方為測試窗口，輸入不同舵機(jī)的ID編號、絕對相位值和速度，驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動。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)計者只需要輸入各個關(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)器人就會執(zhí)行該命令，設(shè)計者確認(rèn)無誤，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)計就完成了。

圖4 舞蹈動作設(shè)計界面

　　3 結(jié)語

　　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)計過程及功能，希望對廣大機(jī)器人愛好者有所幫助。