太空精靈——機器人宇航員（下）

+ 劉進軍　編譯

星空閃爍

太空精靈——機器人宇航員（下）

+ 劉進軍編譯

面部與眼睛

5.超極限——視覺

“人形機器人-1”的眼睛是2只CCD攝像機。它有一套眼睛指向系統(tǒng)，指示雙眼，近乎獨立地跟蹤人類和視覺對象。一雙眼睛包括一個控制變焦、聚焦和光圈調(diào)整的電腦，以及鼻子處的一個小型相機。兩只大相機提供周邊視力，為“大腦”整合指向控制和校準。

機器人的第一視覺功能是一個立體視覺跟蹤器。這個跟蹤器使用了頭部立體圖像系統(tǒng)，以區(qū)別背景、前景物體。雙眼由平移頭部保持在其選定的對象，最親密的前景對象為中心的移動視場。例如，它可以跟蹤一個人在實驗室周圍散步。

每個圖像通過高斯濾波器、帶通濾波器，過濾或強調(diào)圖像的邊緣，同時理順詳細的跡象，然后利用左右立體聲對圖像進行匹配校準。三維圖像的目標是取得有關(guān)的音響，尋找一個立體聲，在有限深入的三維中心的范圍內(nèi)獲得精確位置。如果發(fā)現(xiàn)超過一個目標，機器人以最近的一個為主要目標。機器人將轉(zhuǎn)換最接近的前景為追蹤的對象。如有必要，機器人將擴大搜索范圍，直到找到一個前景對象。

聰明，是指眼明耳亮。機器人頭盔上的兩根天線相當于耳朵，收發(fā)信號。它分辨聲音、聲音來源和方向的能力超過人類。如果安裝一套微波接收器，甚至能聽見人類聽不見的各種微波信號。

眼睛：CCD攝像機

6.超級大腦——控制系統(tǒng)

機器人也有行為規(guī)范。機器人的控制系統(tǒng)將根據(jù)主人的指令、數(shù)據(jù)、安全規(guī)則、運動學(xué)算法提供實時共同控制。

控制系統(tǒng)必須實現(xiàn)安全、可靠的控制?？刂葡到y(tǒng)分為集中控制和分級控制。太空機器人遵循分級式控制，即采用多臺微機分擔控制。

集中控制：總的控制結(jié)構(gòu)建立在主系統(tǒng)自治的概念上。這些自主權(quán)結(jié)合每個控制器、安全系統(tǒng)、低級別的信息，并測序。因此，每一個下級控制系統(tǒng)都包含與同級系統(tǒng)進行交流。當一個模式發(fā)生變化，在主系統(tǒng)的指令下，每一個下級控制系統(tǒng)自主有序的配置、更改程序。

分級控制：分級控制屬于高度自治的控制方式，包括任務(wù)序列、笛卡爾控制、視覺、通信接口、共同控制和把握等等。更高一級的分自主權(quán)，可以讓下級子自主權(quán)決定需要提供執(zhí)行所需的任務(wù)。整個系統(tǒng)設(shè)計完美，每個子系統(tǒng)自治處理自己的內(nèi)部安全和決策。如果發(fā)生沖突，由主系統(tǒng)仲裁允許或授予自主權(quán)。如果發(fā)生故障，一個較低級別的分自治系統(tǒng)可以要求更高的分自治層次，或主系統(tǒng)控制器將處理系統(tǒng)一級的行動，關(guān)閉或重新配置。這種方法的優(yōu)點是每個子自治可以是單獨控制和行動，提高了系統(tǒng)的效率。

絕對聽從命令，叫我干啥就干啥

7.豪華神經(jīng)——宇航電子系統(tǒng)

宇航電子系統(tǒng)包括4個主要子系統(tǒng)：嵌入式電機控制、數(shù)據(jù)采集與感覺輸入、電力分配和控制、數(shù)據(jù)處理。

嵌入式電機控制：電機控制模塊用來有效地控制各靈巧手和手腕的14個自由度?？刂破髟O(shè)計了3軸電機驅(qū)動器。這種電機控制方法所需的線纜數(shù)目從300多個減少到剛剛超過75個。機械手的電動集中在4個電機包。每包電機接口為3軸功率驅(qū)動器、混合柔性印刷電路板和納米連接器。2個手腕電機集成了2個單軸電機驅(qū)動器控制上下左右方向。電機混合驅(qū)動提供額定28V直流電。印刷電路板作為三者之間的電動機包、混合電機驅(qū)動器和控制器。納米連接器提供28V的直流電源和接口數(shù)據(jù)。混合動力電機驅(qū)動器具有良好的熱傳導(dǎo)性，柔性電路結(jié)構(gòu)，連接到前臂。柔性電路周圍的三重電機組，提供連接電線。

數(shù)據(jù)采集與感覺輸入：2只手/手腕模塊，包含84個反饋和控制傳感器，其中60個是模擬傳感器，并要求傳感器信號調(diào)節(jié)和數(shù)字化。每個電機的位置自由度傳感器、力傳感器，以及聯(lián)合的絕對位置傳感器。2個手臂模塊，包含90個傳感器，其中80個是模擬傳感器。每個驅(qū)動器包含一個電機位置傳感器、關(guān)節(jié)力矩傳感器、絕對位置傳感器、溫度傳感器和4個分布在整個聯(lián)合體的傳感器。傳感器的數(shù)據(jù)傳輸，采用IRIG-106-93的PCM格式，有能力接受48個通道的應(yīng)變輸入，32個可編程模擬輸入，96個固定的模擬輸入通道，16個熱輸入通道。

電力配電、控制和引信安全：配電及控制子系統(tǒng)為全系統(tǒng)的安全服務(wù)，處理能力增加一倍。這是實施計算機和手動控制的關(guān)斷控制。手動開關(guān)包括每個制動部分，以方便測試和重新配置。由于太空機器人是相當緩慢的移動機器人。它的主計算機沒有任何發(fā)生故障處理的能力。

數(shù)據(jù)處理：高效計算機和CPU足以處理機器人的內(nèi)部和外部信息數(shù)據(jù)。

電子芯片

臨場感——指揮機器人

8.真實感覺——臨場感

太空機器人可以通過子系統(tǒng)建立遠程控制，實現(xiàn)臨場實時控制。

臨場感是指一個人操作控制一個遠程機器人行動的真實感。操作者必須學(xué)會控制43個自由度。由于機器人是仿真擬人的。控制邏輯方法是主從關(guān)系。操作者利用手臂、頭部、手部和手指的動作，建立所需的任務(wù)和主從控制程序。機器人重復(fù)同樣的動作。遠程控制的目標是提供一個直觀、真實、精準、低成本的邏輯程序，并跟蹤機器人的方法。

壓力傳感器內(nèi)置在機器人的手指中。手指傳遞的力量可以用數(shù)字或圖像顯示出來。手指的壓力傳感器測力，可傳遞觸覺信息。

磁定位跟蹤器可以定位手臂、軀干和頭部跟蹤的位置。網(wǎng)真系統(tǒng)將產(chǎn)生通過機器人位置命令構(gòu)成跟蹤。未來的遠程控制系統(tǒng)將以新的方法和算法，大大提高遠距離操縱安全性和性能，讓太空機器人靈巧操作。

高難度：攀爬天花板

爬坡競賽

9.仿真模擬——新人類

美國宇航局研制太空機器人的目的之一是登陸月球、火星。從理論上說，仿真模擬是驗證控制算法、掌握算法、路徑規(guī)劃的唯一方法。2006年秋，美國宇航局約翰遜中心、美國宇航局噴氣推進實驗室等，在亞利桑那州的酷似火星的沙漠進行了機器人宇航員測試賽。

太空機器人可以干很多事。如果5年后的某一天，在維也納金色大廳，西裝革履、滿臉絡(luò)腮胡子的帕瓦羅蒂唱起《我的太陽》。你一定會疑問：這小子怎么又活了？其實這是人形機器人干的。如果帕瓦羅蒂復(fù)活，看見假“帕瓦羅蒂”惟妙惟肖的演唱表演，他也只能自嘆不如。

如果舉辦一次帕瓦羅蒂模仿秀，帕瓦羅蒂本人肯定名落孫山。帕瓦羅蒂不見得每次表演都十分成功，每次都唱上最高音，而假“帕瓦羅蒂”每次都會表演得十分成功，超過帕瓦羅蒂的最高音。

盡管第一代太空機器人的仿真模擬與人類很像，但還有差距。第2代太空機器人的誕生將開辟宇航新時代。機器人終于夢想成真，成為宇航員。

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