Robot NAO Niedoskonali

Tytuł artykułu:
Robot NAO
Autor:
Niedoskonali
Wrocław
2015
WSTĘP
NAO to interaktywna kombinacja sprzętu i oprogramowania, pozwalająca na kreowanie interakcji
użytkownik-robot. Pierwszy prototyp powstał w 2006r. a zaraz za nim zaczęły pojawiać się coraz to nowsze
i doskonalsze jego wersje (rys. 1). Sama idea robota humanoidalnego zrodziła się z potrzeby stworzenia
realistycznego towarzysza – pomocnika, który potrafi nie tylko chodzić, mówić i realizować
zaprogramowane funkcje, ale na swój robotyczny sposób myśleć, budować relacje i reagować w zależności
od sytuacji w której się znajduje.
Rys.1. Rozwój robota NAO na przestrzeni lat [a]
Rys.2. Modyfikacje modeli NAO [b]
Firma jak do tej pory zaprezentowała 6 modeli robota, a każdy z modeli doczekał się kilku swoich
wersji. Najnowszym modelem jest NAO Next Gen (wersja V5/2014r.) i to właśnie na nim skoncentrujemy
swoją uwagę.
BUDOWA
NAO to prawie 58-iocentymetrowy
iocentymetrowy robot (23cale),
który waży 5,4kg (rys. 3).. Dostępny
Dostę
jest w dwóch
wariantach kolorystycznych: czerwonym
czerwony
i niebieskim,
aczkolwiek dostępne są równieżż różne
róż
modele NAO
w kolorach: szarym, turkusowym, czy pomarańczowym.
pomara
Robot, jako obiekt funkcjonalny, składa się
si
z szeregu modułów odpowiadających
ających poszczególnym
częściom ludzkiego ciała tj.: stopy,, podudzia, uda, tułów,
przedramiona, ramiona oraz głowa. Posiada 26 stopni
swobody, a ruchomość poszczególnych segmentów
zawdzięcza napędom,
dom, kontrolowanym przez szereg
czujników różnego rodzaju (rys. 4).
Rys. 3.
3 Wymiary robota [b]
[
Rys.4. Podstawowe elementy budowy NAO (adaptowano z [c])
Robot wyposażony
ony jest w procesor Intel ATOM Z530 1.6 GHz umieszczony w głowie oraz
dodatkowy procesor ARM 9, umieszczony w klatce piersiowej. Zasilany jest akumulatorem litowolitowo
jonowym (LI-Ion) o pojemności
ści 2,25 Ah,
Ah którego pojemność wystarcza na około godzinę
godzin aktywnego
użytkowania
ytkowania oraz około dwóch, przy aktywacji autonomicznego życia. Napędzany
ędzany jest za pomocą
pomoc 26-iu
serwomechanizmów (szczotkowych,
h, bezrdzeniowych) czterech rodzajów [d]:
- Coreless DC Motors, model 22NT82213P,
22NT82213P 8 300 obr/min ± 10% ( ),
- Coreless DC Motors, model 17N88208E,
17N88208E 8 400 obr/min ± 12% ( ),
- Coreless DC Motors, model 16GT83210E,
16GT83210E 10 700 obr/min ± 10% ( ),
- Coreless DC Motors, model DCX16S01GBKL651,
DCX16S01GBKL651 12 700 obr/min ± 10% ( ).
Zastosowanie poszczególnych modeli w odniesieniu do przegubów, prezentują
prezentują oznaczenia kolorystyczne na
rysunku 5.
Rys.5. Ruchomości
Ruchomo w obrębie
bie poszczególnych przegubów [b]
RUCHOMOŚĆ
Odpowiednia kolaboracja poszczególnych członów oraz zastosowane napędy
nap
pozwalają na
uzyskanie dużych
ych zakresów ruchu w poszczególnych stawach. I mimo, iż
iż jest to robot humanoidalny
(budowany na wzorzec ludzki), a jego parametry ruchowe są
s tylko zbliżone
żone do ludzkich, to naszym
subiektywnym zdaniem i tak osiągnię
ągnięto
to dobry wynik. Robot jest w stanie poruszać
porusza się i odzwierciedlać
ludzkie zachowania w płynny i przyzwoicie naturalny sposób.
W poniższych tabelach przedstawiono maksymalne wartości
warto wychyleńń w poszczególnych stawach:
Tabela 1.
Człon
Ruchomo
Ruchomość
Zakres
Głowa / szyja (rys. 6)
Odchylenie w przód/ w tył
29,5°/-38,5°
Rys. 6. Maksymalne wychylenia głowy w przód i w tył [bb]
Tabela 2.
Człon
Ramię (rys. 7)
Ruchomo
Ruchomość
Zakres
Odwodzenie/ przywodzenie (st. ramienny)
76°/18°
Zginanie/prostowanie (st. ramienny)
119,5°/-119,5°
Rotacja (st. łokciowy)
119,5°/-119,5°
Zginanie/prostowanie (st. łokciowy)
88,5°/-2°
Rotacja (nadgarstek)
104,5°/-104,5°
Zginanie/prostowanie palców
-
Rys. 7. Zakresy ruchu w obrębie
obr
kończyny górnej [b]
Rys.8. Chwytne dłonie
Tabela 3.
Człon
Ruchomość
Zakres
Biodra (staw biodrowy) (rys. 9)
Rotacja
42,44°/-65,62°
Rys. 9. Ruchomości w obrębie stawu biodrowego [b]
Tabela 4.
Człon
Noga (rys.10)
Ruchomość
Zginanie / prostowanie (st. biodrowy)
Zginanie / prostowanie (st. kolanowy)
Zginanie / prostowanie (st. skokowy)
Odwodzenie / przywodzenie (st. biodrowy)
Pronacja / supinacja
Zakres
88°/-27.73°
121.47°/-5.9°
53.4°/-67.97°
45.29°/ -21.74°
44.06°/22.8°
Rys. 10. Zakresy ruchów w obrębie kończyny dolnej [b]
CZUJNIKI I URZĄDZENIA
DZENIA KOMUNIKACYJNE
Robot posiada szereg urządzeń
ądzeń komunikacyjnych, pozwalających
cych mu na odbieranie sygnałów
z otoczenia, analizę ich oraz odpowiedź w postaci określonego
lonego zachowania. Do podstawowego
podstawow
wyposażenia
NAO składają się:
1) Głośniki – dzięki
ki którym odbiera sygnały dźwiękowe.
d
kowe. Przydatne podczas sterowania głosowego, czy
generowania dialogu NAO - użytkownik
uż
(rys. 11).
Rys.11. Lokalizacja głośników (adaptowano z [b])
2) Mikrofony – posiada cztery mikrofony: dwa przednie (A i B) oraz dwa tylnie (C i D), działające
działaj
w
zakresie częstotliwości
ści 150Hz do 12kHz.
12kHz
Rys. 12. Lokalizacja mikrofonów [b]
3) Kamery HD – robot wyposażony
wyposażony jest w dwie kamery HD (rys. 13), które rejestrują 30
obrazów/sekundę,, w rozdzielczości
rozdzielczoś 1280x960.
Rys.
Rys.13.
Lokalizacja i parametry kamer [b]
Rys.14. Jakość
Jako obrazów uzyskanych z kamer robota
4) Emitery podczerwieni – umieszczone w oczach (rys. 15), emitująą fale długości
długoś 940nm.
Rys.15. Emitery umiejscowione w oczach [e]
5) Diody LED – rozmieszczone na całym robocie (rys. 16): 6 LED-ów
ów na głowie, które są
s sprzężone
z czujnikami dotyku (głaszcząc
(głaszczą robota po głowie, diody zapalają się),
ę), 16 LED-ów
LED
w oczach (po 8 w
każdym oku), 20 LED-ów
ów dookoła głośników
gło
(po 10 na jeden głośnik)
śnik) oraz dookoła przycisku
zasilania.
Rys.16. Rozmieszczenie LED-ów [b]
6) Czujniki nacisku FSR (Force Sensitive Resistors)- 8 okrągłych czujników (rys. 17) umieszczonych na
spodzie stóp (po 4 czujniki w każdej stopie). Czujniki pracują w zakresie 0-25 N. Oporność (rezystancja)
czujnika maleje wraz ze wzrostem siły nacisku na sensor. Umożliwia to pomiar siły nacisku.
Rys.17. Czujniki nacisku w stopach [b]
7) Układ inercyjny – zlokalizowany w tułowiu układ odniesienia, na podstawie którego robot ustala
stan równowagi. Wyposażony we własny procesor, składa się z akceleratora i żyroskopu o prędkości
kątowej ~500°/s. Dane wyjściowe umożliwiają oszacowanie prędkości tułowia i postawy, w jakiej
znajduje się robot.
8) Czujniki ultradźwiękowe (sonary) – NAO wyposażony jest w dwa czujniki ultradźwiękowe, które
pozwalają mu oszacować odległość od napotkanej przeszkody (rys.18). Zasięg efektywnej pracy
sonarów to 20 – 80cm. Obiekty znajdujące się bliżej niż 20 cm, są traktowane jako „obecne”, robot
nie potrafi oszacować ich dokładniejszej odległości. Odległość obiektów znajdujących się dalej niż
80cm są tylko szacowane (max 3m).
Rys.18. Lokalizacja czujników ultradźwiękowych [b]
9) Czujniki położenia – 36 czujników hallotronowych pozwala na śledzenie położenia poszczególnych
członów, dzięki czemu niemożliwa jest kolizja pomiędzy różnymi segmentami ciała. Dokładność
tych czujników sięga 0,1°.
10) Czujniki dotykowe – tutaj możemy rozróżnić czujniki wspomniane przy diodach LED. Otóż na
głowie mamy 3 czujniki pojemnościowe (rys. 19), reagujące na zbliżanie do powierzchni aktywnej
dowolnego materiału (przykładowy efekt: podświetlenie).
Rys.19. Lokalizacja czujników dotykowych [b]
Kolejnym czujnikiem dotykowym jest umieszczony na klatce piersiowej przycisk zasilania (rys. 20).
Dłuższe przytrzymanie go służy do uruchamiania i wyłączania NAO. Obecne są również czujniki
pojemnościowe umieszczone w poszczególnych członach przedramion, po 3 na każdej ręce (rys. 21).
Rys.20. Przycisk zasilania [b]
Rys.21. Czujniki pojemnościowe przedramion [b]
Ostatnim rodzajem czujników reagujących
reaguj cych na kontakt z innym obiektem, są
s zderzaki wbudowane
w stopy. Na każdą stopę przypada jeden zderzak, obsługiwany przez dwa czujniki (rys. 22).
Rys.22. Czujniki zlokalizowane stopach robota [b]
FUNKCJE I ZASTOSOWANIE
Do nauki programowania
Pieczę nad całym układem sprawuje oprogramowanie NAOqi, czyli system operacyjny oparty na
naturalnych emocjach i interakcjach. Jest to wspólne oprogramowanie dla wszystkich robotów Aldebaran,
które pozwala zrozumieć i zinterpretować dane zebrane z czujników. NAO używany jest jako robot
edukacyjny w ponad 70 krajach, gdzie jest popularny w środowisku programistów do nauki programowania.
Ma rozbudowane biblioteki ruchów, w których możemy znaleźć zestaw podstawowych pozycji (rys. 23) jak
i bardziej zaawansowanych
Rys.23. Podstawowe pozycje robota NAO [b]
Ponieważ istnieje nieskończona liczba pozycji, utworzono podgrupy gromadzące postawy
podobnego typu. Przykładem może być grupa „Sitting”, w której zawarte są np. pozycje „Sit” and
„SitRelax”. Dostępne są również biblioteki złożonych ruchów, bądź pełnych sekwencji np.: Tai Chi.
Użytkownicy mogą tworzyć skomplikowane sekwencje zachowań na własną rękę.
W sieci możemy znaleźć szereg aplikacji do robota NAO. Jedną z niezbędnych aplikacji, jeżeli
chodzi o nadawanie konkretnych ruchów, jest Choreographe, który wykorzystuje istniejące biblioteki
pozycji. Jest to opcja dla początkujących programistów. Sterowanie robotem za pomocą tej aplikacji
odbywa się poprzez Wi-Fi. W narzędziu programujemy w formie graficznej, układając bloki w logiczne
połączenia. Podczas wykonywania ruchów, możemy obserwować NAO w czasie rzeczywistym na ekranie
komputera. Sam Choreographe jest niezwykle prosty w obsłudze i składa się z kilku podstawowych paneli
(rys.24):
- zawartości projektu (A),
- biblioteki (B),
- rozkładu bloków (C),
- biblioteki pozycji i podglądu video (D),
- podglądu pozycji robota (E).
Rys.24.. Schemat interfejsu aplikacji Choreographe
Do zabawy i edukacji
NAO jest przydatny nie tylko w środowisku programistów. Współczesne roboty humanoidalne są
s
przystosowane do współpracy z ludźmi
źmi samotnymi i cierpiących
cierpi cych na autyzm. Podstawową
Podstawow ich zaletą jest fakt,
iż potrafią wzbudzać emocje. Obcowanie
bcowanie z robotem, dostarczającym
dostarczaj
mniejsząą liczbę bodźców niż człowiek,
jest więcc łatwiejsze, bezpieczniejsze i ma działanie terapeutycznie. Dzięki
ęki temu pacjenci szybciej się
rozwijają w zakresie komunikacji werbalnej i łatwiej
łatwi nawiązują kontakty społeczne [g].
Szeroki zakres funkcji robota pozwala na wykorzystywanie go również
równie do nauki i zabawy.
Przykładem może być np. nauka tabliczki mnożenia,
enia, zabawa w rozpoznawanie kształtów i twarzy, czy
szereg zabaw dialogowych, dostępnych
ępnych w 19 językach.
j
Po więcej
cej szczegółowych informacji zapraszamy do oficjalnej dokumentacji zamieszczonej przez firmę
firm
Aldebaran pod adresem: http://doc.aldebaran.com/2-1/home_nao.html.
http://doc.aldebaran.com/2
ŹRÓDŁA:
[a]
[b]
[c]
[d]
[e]
[f]
[g]
http://robosavvy.com/forum/viewtopic.php?t=7670
http://doc.aldebaran.com/2-1/home_nao.html
1/home_nao.html
http://www.stemfinity.com/NAO
http://www.stemfinity.com/NAO-V5-Evolution-STEM-Academic-Robot-Blue
file:///C:/Users/Eliza/Downloads/Datasheet_Mechatronics_Ankle_EN.pdf
http://ognacgnouc.com/2010/11/nao
http://ognacgnouc.com/2010/11/nao-developer-program-opening-today/
http://naoworkshop.blogspot.com/2012/08/first
http://naoworkshop.blogspot.com/2012/08/first-test.html
http://naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news,395984,gdzie
ktualnosci/news,395984,gdzie-czlowiek-nie-moze
moze-tam-robota-posle.html