仿人机器人原理与实战

仿人机器人（Android）是一种模仿人类的服务机器人，具有丰富的交互功能。本书以生物学原理为基础，从机械结构、硬件电路和软件编程等方面，通过不同主题的实验展示如何将交互性恰当地设计和表达出来，内容包括：反射弧，行为链，动态平衡，光与视觉，耳朵，心肺功能，循环系统，肌肉、心跳与年龄，以及机器人的情感与表达。本书适合开发教育或娱乐机器人产品的工程师学习借鉴，同时也可作为高等院校机械、自动化、电子和计算机等专业高年级本科生的参考读物。

译者序
前言
第1章  反射弧 1
1.1  反射弧生物学基础 1
1.2  反射弧与仿人机器人设计 6
1.3  反射弧实验入门 7
1.4  反射弧实验进阶 12
1.5  反射弧“小魔怪” 31
1.6  反射弧搜索关键词 32
第2章  行为链 33
2.1  行为链生物学基础 33
2.2  行为链与仿人机器人设计 36
2.3  行为链实验入门 37
2.4  行为链实验进阶 46
2.5  行为链“小魔怪” 53
2.6  行为链搜索关键词 54
第3章  动态平衡 55
3.1  动态平衡生物学基础 55
3.2  动态平衡与仿人机器人设计 58
3.3  热平衡模拟器 65
3.4  热平衡实验进阶 72
3.5  附加项目：电加热板的PID控制 77
3.6  热平衡“小魔怪” 79
3.7  动态平衡搜索关键词 80
第4章  光与视觉 81
4.1  生物学基础与瞳孔光反射 81
4.2  光反射实验入门 82
4.3  创建动态的眼睛 86
4.4  一双活生生的眼睛 89
4.5  对光有反应的生动的眼睛 91
4.6  项目：Mark54瞳孔检查模拟器 92
4.7  光线跟踪与目标检测 95
4.8  光线跟踪检查 95
4.9  小结 99
第5章  耳朵 102
5.1  耳朵生物学基础 102
5.2  耳朵与仿人机器人设计 107
5.3  声音定位实验入门 107
5.4  声音定位实验进阶 115
5.5  声音定位“小魔怪” 149
5.6  声音定位搜索关键词 149
第6章  心肺功能 150
6.1  心肺功能生物学基础 150
6.2  心肺功能与仿人机器人设计 153
6.3  心音模拟器 153
6.4  肺音模拟器 164
6.5  心音与肺音联合模拟器 168
6.6  心肺功能“小魔怪” 173
6.7  心肺功能搜索关键词 173
第7章  如果仿人机器人流血了，我们能止血吗 175
7.1  循环系统生物学基础 175
7.2  循环系统与仿人机器人设计 180
7.3  心脏脉冲模拟器 180
7.4  心脏脉冲模拟器进阶 186
7.5  与心音和肺音模拟器集成 190
7.6  循环系统“小魔怪” 193
7.7  循环系统搜索关键词 194
第8章  只是时间问题 195
8.1  肌肉力量与衰老问题 195
8.2  心跳恢复率与健康程度 205
8.3  年龄“小魔怪” 213
8.4  年龄搜索关键词 213
第9章  情感与表达 215
9.1  仿人机器人高仿真方法 215
9.2  仿人机器人低仿真方法 217
9.3  机器人的微笑 217
9.4  声音合成 222
9.5  EMIC-2指令集 224
9.6  语音验证实验入门 225
9.7  利用Epson解析器表达声音 227
9.8  利用DECTalk解析器表达声音 228
9.9  构建会表达的仿人机器人 231
9.10  Tatrick如何表达 236
9.11  实例1：利用多彩眼睛打招呼 239
9.12  实例2：做坏事的机器人 240
9.13  实例3：困惑的小孩 240
9.14  实例4：喝醉的机器人 241
9.15  实例5：聪明的智者 242
9.16  实例6：耐心的病人 242
9.17  小结 243
附录  相关资源 245

前    言本书以人体为讨论对象，采用一种独特而有趣的视角来学习嵌入式系统、机器人学和电子学。诚然，爬行机器人和地毯清洁机器人是非常酷的实验平台，但是它们多半是冷冰冰的、毫无生气的机器。反之，人类拥有复杂的神经反射，包括根据压力调节心跳频率和根据环境光线强度调节瞳孔大小等。如果你想迈出制造更接近人类的机器人的第一步，那么本书是你的不二选择。 首先，本书的灵感一部分来源于科幻作家所描绘的影像，一部分来源于我们开发救生用人工智能系统的经验。如果你已经看过《银翼杀手》《太空堡垒卡拉狄加》《异形》《终结者》《普罗米修斯》或《神秘博士》，那么就不能将机器人的最高水平简单地等同于一个会思考的罐头盒，而忽略它的智能。在这些或者其他科幻经典中塑造的仿人机器人不仅可以通过图灵测试，而且在生理学上是正确的—它们能够跟我们一样呼吸、流血和出汗。因此，如果不做外科手术式的深究，那么这些仿人机器人与人类实在难以区分。 其次，本书的灵感中更急迫和更实际的部分来源于仿人替代品，这种替代品可以用来训练健康监护人员以挽救和护理真实的病人。然而在开发这些替代品的过程中获得的经验是，我们离这个目标还有很大差距。现有的这些系统除了多了几个传感器外，跟街边玻璃柜子里的人体模特没有多大区别。我们现在需要的是一群充满渴望与热情的工程师、实验师和发明家，一起创造下一代仿人替代品。希望本书能使你迈出探索旅程的第一步，即使你的终极目标是创造一个配得上“银翼杀手”称号的仿人机器人，你也应该坚持读完本书。设计一种有利于拯救生命的人工智能系统是个不错的开端。 在编写本书的过程中，我们做了以下几个假设： 你已经阅读了一些有关电子学的入门书籍。 你已经对某种流行的微控制器做过编程，特别是Arduino。 你已经通过操作机器人装置或者学习网站/杂志上的文章获得了一些有关构建机器人的基本经验。 你已经了解电气安全知识并且在实际操作中遵守这些规则。 你拥有并使用保护眼睛的装置（如果碰巧有个线头飞进你的眼睛，那么在仿生植入技术获得突破前，你的视力可能会永久损伤）。 你拥有自然且强烈的好奇心。 学习目标我们竭尽全力确保你读完本书后可以获得以下技能： 加深对人工智能系统的理解。每一章中的项目都有助于你在生物机能方面获得全新的体验。 进一步理解如何利用微控制器、传感器和驱动器等组件对人体系统进行建模和仿真。 帮助你将嵌入式系统应用到本书以外的人工智能系统中。人体是一部相当复杂的机器，内部成千上万个子系统互相连接，作为本书实例再恰当不过了。 帮助你在设计和建造人工智能系统时考虑得更加周全。也许你将会花费数千元购买那些与实物几乎一模一样的道具，但最为关键的是在探索旅程中对机器人内部原理的理解。本书并不是要建造一个《太空堡垒卡拉狄加》的6号克隆品，其实这将是我们下一本书关注的核心内容。 本书结构本书是按照系统来组织和布局各章节内容的，从而逐步提高项目的复杂度。你可以随意跳转到自己感兴趣的项目，但是仍然有必要略读该项目之前的章节。前面章节设计的项目是为了更好地支持后续章节中更高级的项目。 各章的组织框架如下： 生物学基础  描述各章内容涉及的生物学基础理论。 与仿人机器人设计的关系  描述如何将生物学转换到仿人机器人系统设计。 实验入门  描述如何利用电路、Arduino、源代码和传感器亲自动手做实验。 实验进阶  描述如何从基础实验的启发中获得更多知识。 “小魔怪”  描述各章的共性问题和注意事项。 搜索关键词  读者可以在搜索引擎中搜索自己感兴趣的关键词，扩大知识面。 第1章  反射弧利用一对舵机、几个传感器和一个Arduino微控制器来探索反射弧的基本概念。首先利用这些电路资源仿真一个神经反射单元—反射弧，之后你就可以获得许多反射模板，并将这些模板扩展和应用到仿人机器人设计中。 第2章  行为链以第1章内容为基础，探索行为链以及行为链如何形成仿生的多样性，利用五自由度机械臂、热传感器、光传感器和几个LED，阐述如何建造一个自主且具有可预知行为的机器人。 第3章  动态平衡利用Arduino、温度传感器和加热源来探索热平衡与相关基本控制理论。我们将应用Arduino的PID库，以便将焦点放在控制理论的应用上，而不是简单地重复执行。 第4章  光与视觉主要研究光传感器，为仿人机器人增加一定程度的视觉功能。我们将创建一双具备可变瞳孔的人造眼，并能够随时盯着光源。这样，仿人机器人就会拥有一张能够与人交流的活生生的脸。 第5章  耳朵探索声音定位，并模拟追踪声源时的眼睛和头部运动。我们还将使用定向和全向麦克风、硅胶耳朵、被动式红外传感器、舵机控制转台、Arduino微控制器和高性能的ChipKit Arduino等器材。 第6章  心肺功能探索声音和触觉反馈以及仿人的心音与肺音。我们将使用MP3扩展板、Arduino微控制器、几个霍尔效应传感器和用来产生理想热源和呼吸音的表面换能器。我们也将探索如何使声音对内部或外部环境中的行为触发器做出反应。 第7章  如果仿人机器人流血了，我们能止血吗学习如何为仿人机器人增加一套具备脉冲功能的循环系统。我们将使用流体泵、压力传感器和Arduino脉冲监视器扩展板来生成脉冲压力波，为各器官提供逼真的脉冲，从而使机器人对外部和内部条件变化做出反应。该章内容需要使用第3章开发的系统。 第8章  只是时间问题你是否发现很多机器人开发者都忽视了对年龄和衰老的模拟？该章将阐述这个共性问题，探索生物系统为什么会衰老，更重要的是在智能系统中如何模拟恰当的行为。我们需要用到第2章和第6章中的系统。 第9章  情感与表达探索制造具有表达能力的机器人的几种可行方法，这将是非常有趣的。我们会用到EMIC-2文本–语音模块、一组8×8双色LED矩阵和一些多色LED来创建一个可以说话和表达的机器人头部。 附录  相关资源提供了有关传感器、驱动器和Arduino兼容硬件的一系列清单，当然也包括一些参考网站。 可下载的代码完整的代码可以从www.mhprofessional.com/Androids找到。 有关硬件的说明我们尽量将各章中的项目设计得简单可行。尽管这些项目多数都采用Arduino Uno或等效微控制器，但是如果你手头已经有Arduino Leonardo、Mega或者80MHz ChipKit Uno32，那么这些也是可行的。类似地，尽管我们列出了许多特定品牌的扩展板、传感器和输出设备，但是如果你已经拥有同类产品，那就没有必要购买了。例如，尽管我们在第2章中使用标准Lynxmotion机器人手臂，但你当然可以购买舵机等零件，还可DIY机器人所需的夹具。 样机套件同样如此。如果你教授一个班级的课程且准备时间很短，那么你应该考虑各种各样现有的样机套件和设备。我们在一些项目中采用Grove平台，当然其他同类或者更高级的平台也是可行的。 最后，在设计这些项目的过程中，我们没有接受任何赞助商的支持或者资金资助，我们是通过零售渠道购买实验器材的。唯一例外的是第9章中的机器人身体部分是从美国军方远程医疗和高新技术研究中心（TATRC）借用的。