伺服电机给机器人人脸

Albert Einstein人形机器人（Albert-Hubo）的开发人员已经完成了(参见图1)在美国德州大学的支持下，Albert-Hubo不仅可以不受束缚和支持行走(看到视频 在这里)，它的特点是有一系列自然的表情和识别视野范围内的人的能力，并转向与他们交谈(看到视频这里）.

汉森机器人公司(Hanson Robotics)的创始人兼首席执行官大卫·汉森(David Hanson)说，光是模拟面部的肌肉运动就需要32个直流齿轮马达。因为马达是可逆的，每个马达都模拟两个肌肉群的运动，总共64块肌肉。考虑到空间的限制，电机需要小直径、高扭矩密度的设备。汉森机器人团队选择了三种不同的马达，其中最小的直径不到一厘米。该型号产生的扭矩为2.8 kg/cm;加上一个额外的变速箱，减速器的比例高达6000:1。电机要么拉动连接在皮肤上的驱动连杆，要么用钢销和杠杆挤压皮肤。集成驱动电子简化了组装和操作，编码器提供条件和位置反馈。

多年来，模拟人体肉的默认材料是橡胶。Hanson机器人开发了更符合柔顺的多孔材料，使得特鲁布尔更有效地模拟人类组织的响应。结果是令人讨厌的现实。更好的是，变形材料所需的力比橡胶的23倍，切割对电机扭矩和功率的需求，这增加了电池寿命。

控制

然而，吸引人的智能组件可能是，这种密封的问题需要集中控制。Albert-Hubo采用了两个控制器：一个用于面部表情，另一个控制器在允许机器人走路的身体中运行电机。行走的行为基本上是一个受控掉落超过零动量点，涉及紧密耦合的重量偏移。Einstein Robot通过惯性传感器，陀螺仪加速度计和非常快的反馈PID环的组合完成。结果是自然的寻找手势，逃离了人工恒流运动，这通常可以在animatronic设备中看到。

除了面部表情，机器人还可以移动眼睛，调整头部的倾斜和旋转角度。该团队使用的不是运动控制器，而是一台能够处理更高级别计算的个人电脑。眼睛中的图像传感器可以让机器人在它的视野范围内识别人，并使用简单的方法转向他们可视伺服技术为例。汉森说:“传感器发送信息，我们在其上运行感知算法，将其与一个我们称为自我圈的(3D空间)模型关联起来。”“机器人会记住有人在那个空间被看到过，并对他们处于某个特定位置的可能性做出一些概率预测。然后，它会对头部和眼睛在这三个空间的运动学进行关联，这样它就可以计算如何在保持头部表现力的同时，通过伺服来观察特定的位置。”

为卡尔加里动物园制作的电子狮子(看到视频 在这里）采取了不同的方法来解决问题。狮子躺在动物园的建筑顶部。在促使游客时，狮子栩栩如生，并提供一点性能，仔细协调的声音和照明（见图2）。因此，工程团队选择了DONALD Labriola（Compicon-Controls Inc）总裁Donald Labriola表示，工程团队选择了DMX512-A，该剧院舞会剧院舞台舞台宿舍标准。项目。在该标准下，系统通常具有具有声道通道的专用处理器和称为DMX通道的附加通信链路，其组合在同一数据流中的多个不同信号。“整个工作与配合声音的协调运动有关。如果咆哮应该持续2秒，你不希望动议去上2.5秒，“Labriola说。”GilderFluke控制界面允许艺术家快速定义和改进许多协调的动作。使用不同的频道，可以协调声音段，聚光灯强度和方向，以及控制动画数字的各个方面的动作。“

DMX512由数字

DMX 512数据帧由多达512个“槽”(字节)的数据以250 kbaud串行格式发送。数据帧以一个中断字符开始，后面跟着一个“开始代码”字节，以指定如何使用帧的内容。接下来是名义上每个1字节的数据“槽”。根据DMX数据流中配置的槽的数量，帧时间可以在1.2 ms到22.7 ms之间变化，每秒最多更新44次。“我们在这些更新之间插入运动，这样我们就不会得到断奏运动，”Labriola说。

仅为1字节的基本DMX数据插槽仅限于表示仅256个状态或位置。GuilderFluke控制器和QuickSilver电机控制器能够将多个插槽组合成更大的单词，最多32位，允许用户定义更大的运动范围，并且允许仅使用单个插槽可用的设备更平滑的运动。。

当应用程序需要快速移动时，一种方法是添加更多的DMX通道并并行处理。“你可以在他们所谓的更小的星座上运行，”Labriola说，“每帧中输出的数据点更少。”而不是发送完整的512插槽，他们可以运行128或更少。这将每秒44次更新的基本速度提升至每秒数百次更新。”因为主DMX控制器从同一个数据库提取数据，所以多个并行的DMX流仍然彼此同步。Labriola补充道:“另一种方法允许艺术家定义一个动态控制插值程度的通道:对渐进运动周期进行更平滑，对快速运动进行较少平滑。”

DMX虽然很好，但也有缺点。该标准起源于单向协议。最近的更新包括双向更新，但到目前为止，市场上还没有多少兼容设备，任何数据都必须轮询，这减慢了下游数据的更新速度。对于需要双向数据流的应用程序，工程师可以引入其他工具。Labriola指出，最近的一个动画艺术应用程序结合了DMX和CANopen来实现所需的功能。他说:“他们希望能够读取电机的温度和电流，这样他们就可以进行诊断，并在故障发生前进行纠正。”他们使用CANopen进行反向通道通信和诊断，使用DMX进行动态运动控制。这两个通道同时运行，所以你可以通过CANopen通道看到发生了什么，同时DMX与舞台的其他功能协调动作。”CANopen通道也可用于串行通道上的模式切换;当需要更广泛的更新时，用户可以完全从DMX切换到诊断模式来下载软件。

Labriola说，如果控制和运动的挑战还不够，可听到的噪音可能是这个应用程序的一个问题。“如果你有一只狮子在那里，当它的嘴上下摆动时，你有伺服马达发出呜呜声，这真的会破坏效果。与其试图让它安静下来，还不如不发出声音。”而不是开始与高速电机和齿轮减速，以实现更多的扭矩，他开始与高扭矩，直接驱动伺服电机。这种装置在低速时提供了强大的力量，消除了对变速箱的需求。“在较低的速度下，马达不会发出那么多噪音，”他观察到。“从一个小结构中耦合低频是很难的。当转速达到200转/分钟时，它们基本上是静音的，而当转速达到2000转/分钟，然后再减速时，你就会开始听到马达的呜呜声和齿轮箱的牙齿打颤。”

尽管这些系统很复杂，但它们是商业系统，需要尽可能的经济。忘记绝对的光学编码器，例如，一个简单的电位器提供了一个更经济的选择。汉森集团购买集成齿轮马达作为一种节约方式。

虽然Animatronics仍然有很长的路要走，但它将取代真实的东西，但每年的技术都会变得越来越好。随着运动控制为工程师提供更强大的工具，机器人越来越靠近真实的东西。