NAO机器人编程学习

NAO 机器人机器人编程编程学习学习 目录 1、基本介绍. 1 1.1 实体平台. 2 1.1.1 运动. 2 1.1.2 视觉. 2 1.1.3 语音. 2 1.1.4 触摸传感器和声纳测距仪 . 3 1.1.5 连接性. 3 1.1.6 开源. 4 1.2 特征参数. 4 2、Choregraphe 软件 . 5 2.1Choregraphe 软件介绍 . 5 2.2 综合运用. 5 2.2.1 连接机器人 . 6 2.2.2 程序编写 . 6 1 机器人 NAO 是各种软、硬件巧妙结合的独特产物，由大量传感器、电机和 软件构成，所有软件由专门设计的操作系统 NAOqi 来控制。NAO 虽然目前还尚 未进入家庭，但已在教育界成为一颗耀眼的明星。在 70 多个国家里，它走入中 学和大学的信息技术和科技专业课堂，许多大学生借助 NAO，以寓教于乐、学 以致用的方式学习编程。NAO 也征服了一大批程序开发人员。在他们眼里，NAO 是一个功能强大、具有惊人表现力的应用程序创建平台，可以让大量设想变为现 实， 由此开辟出程序开发的新天地，也为日后创作出面向大众的机器人铺平了道 路。 1、基本、基本介绍介绍 2 1.11.1 实体平台实体平台 NAO 是一个身高 58cm 的可编程仿人机器人，内含以下构件： 拥有 25 个自由度的身体，主要元件为电机和电动制动器； 传感器系统，包括：2 个摄像头、4 个麦克风、声纳测距仪、2 套红外线接收 器和发送器、1 个惯性器件板、9 个触摸传感器和 8 个压力传感器； 多种交流设备，包括语音合成器、LED 灯及 2 个高保真扬声器； 英特尔 ATOM 1.6 GHz 处理器（位于头部） ，运行 Linux 内核； 第二个 CPU 位于躯干； 27.6 瓦时电池，根据使用情况，可为 NAO 提供超过 1.5 个小时的自主动力。 1.1.1 运动运动 1.1.1.1 全方位行走 NAO 行走使用的是一个简单的动态模型（直线倒立摆）和二次规划，通过 关节传感器反馈的信息保持稳定，保证行走的鲁棒性，免受小干扰，并可吸收躯 干在正向和侧向平面上的摆动。NAO 可在多种地面上行走，如地毯、瓷砖地、 木地板等，而且在行走过程中能够顺利地从一种地面走到另一种地面上。 1.1.1.2 摔倒管理器 摔倒管理器可在 NAO 摔倒时起到一定的保护作用，其主要功能是探测 NAO 的质量中心是否超出了支撑多边形。 质心是否超出支撑多边形由机器人的足底与 地面的接触点来决定。一旦探测到机器人摔倒状况，所有运动任务都会被终止， NAO 的双臂会根据摔倒方向采取保护姿势，机器人的质心会降低，刚度会降至 零。 1.1.2 视觉视觉 NAO 拥有两个 920P 摄像头，每秒最多可摄取 30 个图像，可追踪、记忆并 识别不同的图像和人脸。一个摄像头位于 NAO 前额，负责水平扫视。另一个位 于嘴部，扫描周围环境。用户可通过软件获得 NAO 看到的图片和视频流。NAO 包含有一系列算法，可帮助机器人探测并识别出看到的人脸或形状。这样，NAO 就可以认出和它说话的人，也可以找到皮球或更加复杂的物品。 1.1.3 语音语音 NAO 使用 4 个麦克风来探测声音，并可通过语音识别和声音合成功能，运 用 8 种语音与人交流。 1.1.3.1 声源定位 声源定位功能帮助机器人辨别出声源方向。NAO 的声源定位基于一个名为 “到达时间差”的方法，当一个声源发出声音时，NAO 的 4 个麦克风接受到声波的 时间略有不同。如下图 1，如果一个人站在 NAO 左边和它说话，其声波会首先 到达左侧麦克风，在几微秒后到达位于前方和后方的麦克风，最后到达右侧麦克 3 风。这种时间差名为“双耳时间差” ，可对其进行数学处理，以确定声源的位置。 在 Choregraphe 软件中也有相关的指令盒，方便用户在行为程序中运用该功能。 图 1 1.1.3.2 音频信号处理 在 NAO 机器人上，嵌入式处理器的运算能力往往很有限，因此有必要在电 脑或服务器上进行某些远程运算。这一点在处理音频信号时尤其重要，在一个远 程处理器上进行语音识别往往会更加有效、快速和准确。 1.1.4 触摸触摸传感器和声纳测距传感器和声纳测距仪仪 1.1.4.1 触摸传感器 除摄像头和麦克风以外，NAO 机器人还配备了电容式传感器。分别位于头 部（三个）和双手，用户可以通过触摸传感器向 NAO 机器人发送指令。例如， 轻按头部可以让 NAO 停止动作或则触发一些列动作。 1.1.4.2 声纳测距仪 NAO 配备有 2 个声纳通道，2 个发送器和 2 个接收器。由此，NAO 可估测与 周围障碍物之间的距离， 探测范围为 0-70cm。 如果与障碍物相距不到 15cm， NAO 不会收到具体的距离数据，只会知道附近有一个物体。 1.1.5 连接连接性性 1.1.5.1 以太网及无线上网 目前，NAO 支持以太网和 WIFI 无线上网。NAO 的联网功能为开发其应用提 供了大量的空间，用户可以在网络上的任意一台电脑来控制 NAO 或为其编程。 如： 通过 IP 地址，NAO 可以知道自己身处何处，并向用户提供个性化的天气预报； 向 NAO 提出一个关于某主题的问题，它会自动连接到维基百科，找到并读出 相应的解释； 将 NAO 连接至一个音频流，它会为用户播放某个在线电台的广播节目； 4 使用 XMPP 技术，可远程控制 NAO 并获得其摄像头的视频流。 1.1.5.2 红外线 NAO 可凭借红外线技术与其它 NAO 及其它使用红外线的设备进行交流。用 户可设置 NAO，通过红外线交流来控制其它设备，如“NAO 请把电视机打开”。 NAO 还可以接受由遥控器等红外线发射器发出的指令，并确定信号的方向。 1.1.6 开源开源 多年来，Aldebaran Robotics 一直致力于为机器人平台开发嵌入式系统，并 希望与广大机器人研究员和程序开发员分享多平台建设工具和其它基本模块。 因为 NAO 机器人采用嵌入式系统，所以 NAO 的开发空间还很大。人们可以 根据自己的想象力对 NAO 进行综合开发，实现各种不同的功能。例如：1)语音 对话，实现人机交流互动。2)人脸追踪和识别，可以根据声源的位置，自动面向 声源并开启人脸识别模式， 识别人脸、 进行学习。 当识别到人脸之后会主动问好、 握手。3)红外遥控，通过红外遥控技术可以让 NAO 完成一系列复杂的动作，如 拾取物体， 模仿人的动作等。 4)走迷宫， 在迷宫的各个拐角处设置一些转向图标， NAO 会根据识别到的转向信号作出相应的转向，直到走出迷宫。5)远程 iPad 控 制，可以远程控制 NAO 并获得其摄像头的视频流。6)自闭症治疗，提前为 NAO 机器人编程，设定简单的动作和交流语言，并根据自闭症患者的语言或者肢体反 应，进行重复或者鼓励。例如某患者对音乐有特别喜好，在他根据机器人要求完 成某组动作或者回答问题后，机器人会自动播放音乐并配合舞蹈，进一步激发患 者的学习热情。7)人形编程，NAO 不仅支持多种语言和图形编程，还支持人形编 程。在舞蹈编写过程中，直接扳动 NAO 机器人的相应关节使其完成相应的动作， 即可完成相关的编程。 1.21.2 特征特征参数参数 主板 CPU:ATOM RAM:1GB 闪存：2GB 驱动 MAXON 空心杯直流电机 dsPIC 微处理器 霍尔传感器 软件 嵌入式：C+/Python 远程： C+/Python/NET/Tava/Matlab 连接 以太网 WIFI 电源 48.6 瓦时，正常工作 90 分钟 传感器 36 个霍尔传感器 2 个单轴陀螺仪 1 个三轴加速计 2 个碰撞传感器 2 组超声波传感器 2 个红外传感器 8 个压力传感器 25 个自由度 头部 2 手臂 5x2 手 1x2 盆骨 1 腿部 5x2 多媒体 4 个麦克风 身高 58cm 2 个扬声器 体重 5.4kg 视觉 2 个数字摄像头/视野：60 度 识别语言 8 种语言 5 2、Choregraphe 软件软件 2.12.1ChoregrapheChoregraphe 软件软件介绍介绍 Choregraphe 软件是阿尔德巴兰公司开发的一款编程软件，可以编写程序、 与 NAO 连接、灌输和下载程序、与 Webots 连接可以仿真执行程序（检测程序的 可靠性，安全性） 、与 Monitor 连接检测机器人的实时数据。Choregraphe 软件界 面见图 2。 图 2 在运用 Choregraphe 软件编写程序时的注意事项： 输入内容不论是中文还是英语，其标点符号都是在英文状态下输入； 行为管理器， 显示机器人中已有程序， 也可以给机器人灌输、 导出和删除程序； 在给机器人灌输程序时，软件的版本一定要和机器人的版本一样； 在程序的编写过程中，一定要随时保存程序； 在机器人空闲时，卸载电机刚度，以免电机过热。 2.22.2 综合综合运用运用 以一个比较综合的程序的编写过程为例，来介绍 Choregraphe 软件的编程过 程。该程序的功能有语音对话、人脸识别、球体追踪、跳舞。 6 2.2.1 连接连接机器人机器人 启动Choregraphe软件通过网线连接机器人和电脑点击连接至图标双击机 器人头像（见图 3） 。 图 3 2.2.2 程序程序编写编写 A、语音对话的内容有： 说话主体 人 机器人 说话内容 你好 你好，人类 你来自哪里 我来自重庆 坐下 好的（并完成相应的动作） 起立 好的（并完成相应的动作） B、人脸识别：其中有一个声源定位功能，机器人能判断出声源的位置，并主动 将头部面向声源，机器人在捕捉到人脸之后会主动问好（你好，人类） 。 C、球体追踪：手持一个红色的小球，再离机器人头部 40cm 的位置缓慢移动小 球，机器人的头部会跟随小球的移动而移动。 D、跳舞：机器人可以跳骑马舞。 第一步：跟大多数软件一样，建立一个新项目、命名和保存拖拽（按住鼠标左 键不放） “Motor On/Off”和“Stand Up”指令盒到编程区点击鼠标右键选择“添 加一个新指令盒”，并命名为“Action”，指令盒类型设为“流程图”各指令盒的连 接如图 4。 7 图 4 第二步：头部按钮设置，双击自定义的“Action”指令盒拖拽“Tactile Head”指令 盒到编程区选中“Tactile Head”指令盒，点击鼠标右键选择编辑指令盒，将输 入点“frontTouched”和输出点 “onStopped” 的类型改为 “数字”双击 “Tactile Head” 指令盒（创建头部按钮功能，机器人头部的三个按钮分别实现三个功能，前触摸 按钮实现开始程序功能、头顶触摸按钮实现暂停功能、后触摸按钮实现选择翻页 功能）点击最上面一个“if”指令盒，点击右键选择编辑指令盒，增加输入点命 名为“inputnum”，类型为“数字”、属性为“onEvent”；将输出点“onStopped”的属 性改为“数字”双击最上面一个“if”指令盒， 将脚本编辑器的内容改为如图 5点 击右键添加一个新指令盒，命名为“zijia”，输出点的类型改为“数字”、属性为“可 多次激活”，将脚本编辑器的内容改为如图 6从指令盒库拖入一个“Switch Case” 指令盒和四个“Say”指令盒，并改名如图 7 所示双击语音对话指令盒，在四个 “Say”指令盒中分别输入：语音对话、人脸识别、球体追踪和骑马舞。 8 图 5 9 图 6 10 图 7 第三步： 点击中上方的“Action” 从指令盒库中， 拖入“Say”box、 “Switch Case”box 和“Stand Up”box 各一个将“Say”改名为“Z 暂停”， 同时将说话内容也改为“暂停” 添加四个新的指令盒分别命名为： “Y 语音对话”、“R 人脸识别”、“Q 球体追踪” 和“Q 骑马舞”，指令盒类型全部为“流程图”。连接详情见图 8。 图 8 第四步： 语音对话编辑， 双击“Y 语音对话”Box， 从指令盒中拖入一个“Speech Reco” 指令盒，并点击其左下角的小扳手，在弹出的参数设置对话框中输入“你好;坐下; 起立;你来自哪里” 从指令盒库中拖入一个“Switch Case”Box，一个“Stand 11 Up”Box，一个“Sit Down”Box；两个“Say”Box 的内容分别输入：你好，人类；我来 自重庆拖入一个“Wait”Box，并点击其左下角的表扳手，在弹出的参数对话框 中输入 1 秒创建一个新的指令盒，命名为“Stop”，指令盒类型为“脚本”，双击 “Stop”指令盒，将脚本内容改为图 9连接详情见图 10。 图 9 12 图 10 第五步： 人脸识别编辑， 双击“R 人脸识别”Box从指令盒库中拖入“Stand Up”Box、 “Select Camera”Box、“Face Detection”Box、“Switch Case”Box 和“Say”Box 各一个 将“Say”Box 的说话内容改为“你好，人类”连接详情见图 11。 图 11 第六步： 球体追踪编辑， 双击“Q 球体追踪”指令盒拖入“Stand Up”、 “Say”和“WB Tracker”指令盒各一个将“Say”Box 的内容改为“进入球体追踪模式，手持红球在 距离我