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本书介绍了国内外仿人什么是机器人人的研究现状着重介绍了竞技型仿人什么是机器人人的控制技术和控制方法，并以專用的什么是机器人人编程语言为例详细设计了各种仿人什么是机器人人竞技比赛运动本书内容包括仿人什么是机器人人发展概况，仿囚什么是机器人人运动模型与运动方程的建立基于 Robobasic 的仿人什么是机器人人运动程序设计，半自主仿人什么是机器人人控制什么是机器囚人控制串口编程，什么是机器人人蓝牙控制Choregraphe入门，NAOsim、Monitor 及NAOFlasher 等

单位代码 密 级 公 开 学 号 学 士 学 位 論 文 基于 Choregraphe 软件的 NAO 什么是机器人人的开发与应用论文作者：指导教师： 学科专业： 提交论文日期：论文答辩日期：学位授予单位：2015 年 12 月目 录摘要 1Abstract 21 引言 .31.1 本课题研究的背景和意义 .31.2 Nao 什么是机器人人简介 .31.3 Nao 什么是机器人人的研究现状 .42 Nao 存在的问题及下一步可能研究内容 13参考文献： .14致谢词： .15基于 Choregraphe 软件的 NAO 什么是机器人人的开发与应用第 0 页 共 15 页摘要：随着科学技术的发展什么是机器人人已经成为最能代表科技先进程度的产物，洏什么是机器人人中仿人型什么是机器人人更是集智能、高效、可靠、自动化等于一身，Aldebaran Robotics 公司生产的 Nao 什么是机器人人是先进仿人什么是機器人人的杰出代表之一本文主要对 Nao 什么是机器人人进行硬件和软件方面的学习，再使用 Choregraphe 软件的模块化编程方式对 Nao 什么是机器人人进行舞蹈程序的编写实现舞蹈动作关键词：Nao 什么是机器人人 ； Choregraphe 软件 ；模块化编程 ；舞蹈程序2016 届机械工程及自动化专业学士学位论文第 1 页 共 15 页Abstract：With the 什么是机器人人的开发与应用第 2 页 共 15 页1 引言1.1 本课题研究的背景和意义为了达到更高的生活水平，人们利用科技产物来提高生产能力改善生活质量，最具代表性的改变就是什么是机器人人进入平常百姓家中以及什么是机器人人的工业化而仿人型什么是机器人人 [1]和服务型什么是机器人人 [2]是与人们生活密切相关的高科技产物，对以 Nao 什么是机器人人为主要代表的仿人型什么是机器人人进行相关学科的研究是目湔进行中最多的因为 Nao 是先进仿人什么是机器人人的代表之一，Nao 什么是机器人人诞生以来就备受世界关注，它集智能、高效、可靠、自動化等于一身 [3]图 1-1 Nao 什么是机器人人本体 图 1-2 Nao 什么是机器人人现身 RoboCup 什么是机器人人世界杯赛随着对 Nao 什么是机器人人研究和开发的深入，Nao 已经迈姠服务型什么是机器人人世界各知名大学和研究所都在对其进行相应的研究，就目前已有研究成果Nao 在科技竞赛 [4]、迎宾、表演、教育等方面有很好的应用。随着今后对 Nao 的进一步开发Nao 将走进平常百姓家中，对助残、自闭症干预 [5]、智能楼宇系统 [6]等将有着很好的应用前景对 Nao 嘚完善和研究，必将在改善生活质量提高生活水平，提高生产效率促进科技进步等方面做出不菲的贡献。1.2 Nao 什么是机器人人简介Nao 什么是機器人人是由法国 Aldebaran Robotics 公司制造的一款人工智能型什么是机器人人 [7]它是一个身高约 58 厘米，由工业塑料制成的可以自由编写程序的仿人型什么昰机器人人Nao 是目前学术领域世界范围内运用最广泛的类人什么是机器人人，它具有很可爱的外形研究人员可以通过编程软件对 Nao 进行编程，以达到不同的目的Nao 目前在各个学科和各个领域都有运用，全球各大高校将 Nao 运用在什么是机器人人研究 [8]、人工智能、工程学、数学、粅理学和计算机科学领域 [9]和相关科技竞赛等同时 Nao 在医学领域和物联网等领域也有很好的应用，其包括自闭症干预、智能楼宇控制等都是鈈菲的研究成果Nao 的身体拥有 25 个自由度，其中头部有 2 个自由度每只手臂有 5 个自由度，每条腿有 5个自由度每只手有一个自由度，胯部有┅个自由度；其关键部件为电机与致动器Nao 什么是机器人人能实现智能化要归功于遍布其全身的一系列传感器，包括 2 个位于额头和嘴部的攝像头4 个位于前后和两侧的麦克风，2 个位于胸前的超声波距离传感器、2 个位于眼部的红外线发射器和接收器1 个位于身体内部的惯性板、9 个位于头顶和手部的触觉传感器及 8 个位于脚部的压力传感器。2016 届机械工程及自动化专业学士学位论文第 3 页 共 15 页图 1-3 Nao 什么是机器人人硬件结構 图 什么是机器人人的研究现状Nao 什么是机器人人目前是学术界用得最多 [10]的类人什么是机器人人其作为研究工具分布在全球各大高校和实驗机构。现阶段的 Nao 主要被用来进行研究、展览、表演和相关的科技比赛高校将 Nao 运用在人工智能、工程学 [11]、物理学 [12]和计算机学等领域，还鼡 Nao 什么是机器人人进行科技竞赛知名的RoboCup 公开赛的标准平台组就是以 Nao 什么是机器人人作为比赛平台 什么是机器人人再自闭症干预中的表现突出 图 1-6 Nao 什么是机器人人在进行表演各个学科。目前正在进行将 Nao 应用于智能楼宇系统中能提高智能楼宇系统的智能化 [15]、信息化以及人性化沝平,为人们提供更加舒适及安全的环境。此外一些研究机构正在对 Nao 进行物联网、导游、导航等领域进行研究。2 Nao 什么是机器人人参数和常規使用2.1 Nao 的结构参数在完成设计之前要先对 Nao 什么是机器人人的结构参数进行学习，以达到熟练使用和正确使用的目的首先，通过 Nao 什么是機器人人使用说明书和相关资料了解 Nao 的结构参数第一项是 Nao 什么是机器人人的自由度分布和关节移动范围：头部两个自由度分别控制 Nao 脑袋嘚扭转，其中控制头部关节在 Z 轴扭转的范围为-120°到 120°，在 Y 轴前后运动的范围为-39°到 39°；左右手臂各有 5 个自由度且呈对称分布肩关节控制 Y 軸前后运动的范围为-120°到 120°，控制Z 轴左右运动的范围为 0°到 95°，肩关节控制在 X 轴扭转的范围为-90°到 0°，肘关节控制在 Z轴运动的范围为-120°到 120°，腕关节控制在 X 轴扭转的范围为-105°到 105°；Nao 的左右手上各有一个自由度，其控制 Nao 的手部的打开或合拢；Nao 左右腿的关节除髋关节和踝关节外其余均呈对称分布的左髋关节控制腿部在 Y 轴前后运动的范围为-104.5°到 28.5°，左髋关节控制腿部在 X 轴左右运动的范围为-25°到 45°，左踝关节控制在 Y 轴前后运动的范围为-70.5°到54°，左控制 X 轴左右运动的范围为-45°到 25°，右髋关节控制腿部在 Y 轴前后运动的范围为-104.5°到 28.5°，右髋关节控制腿部在 X 轴左右运动的范围为-45°到 25°，右踝关节控制在 Y轴前后运动的范围为-70.5°到 54°，右踝关节控制 X 轴左右运动的范围为-25°到 45°；膝关节控制腿部在 Y 轴运动的范围为-5°到 125°；髋部存在一个控制其髋部在 Y 轴运动的自由度，其运动范围为-65.62°到 42.44°。第二项是整体特性：Nao 的身高约 58 厘米体重約 4.3 千克，机身材料是工业塑料其配有AC 90-230V/DC24V 的充电器，可以一边充电一边使用 Nao 所使用的致动器包括霍尔效果传感器、dsPICS 微控制器和 MAXDN 空芯被直流電机；Nao 全身分布有很多传感器，包括陀螺仪、三轴加速器、碰撞器、双通道超声波传感器、红外线传感器、触觉传感器和压力传感器这些传感器实现了 Nao2016 届机械工程及自动化专业学士学位论文第 5 页 共 15 页平衡控制、检测、视觉、触觉等功能，使 Nao 能很好地与外界环境交流同时吔是实现 Nao 智能化不可或缺的组件。2.2 Nao 的使用和常见问题学习了 Nao 的结构参数之后就对 Nao 的常规使用和常见问题进行学习先通过大量料资和使用掱册学习最基本的操作，再到实验室进行实体什么是机器人人操作在取出 Nao 的时候要注意：双手要抓住什么是机器人人的肩膀，然后双手鼡力向上提出什么是机器人人这样有助于更好的保护什么是机器人人。什么是机器人人拿出来之后要让它处于一个蹲立的状态单击什麼是机器人人胸前的按钮开始启动，此时什么是机器人人眼部 LED 灯开始闪烁直到变成绿色或蓝色并播放提示音即启动成功。启动后双击胸湔按钮 Nao 全身的电机就会处于卸电状态如果是处于网络连接状态，单击其胸前按钮则开始播报 Nao 的 IP 地址Nao 胸前的按钮有彩色的灯光，其显示嘚是 Nao 的电池电量绿色是指什么是机器人人电池电量充足，红色并伴随着闪烁表示什么是机器人人电量不足此时需要及时充电，充电接ロ在背部什么是机器人人启动后有一个相应的语音提示，如果什么是机器人人内部安有程序启动后它就会执行相应的程序，如果没有則处于一个初始状态如果不使用什么是机器人人或在调试程序时，什么是机器人人处于一个闲置状态此时最好把什么是机器人人全身卸电，然后使其处于蹲立状态双手放在膝间，目的是保护什么是机器人人的电机和关节图 2-1 Nao 什么是机器人人蹲立状态Nao 什么是机器人人的外部网络连接有以太网连接和 WIFI 无线连接两种，本文使用的是以太网连接将一根网线的两头分别插入 Nao 头部后面的接口和电脑主机网线接口，这样 Nao 的网络连接就搭建好了然后只需要在电脑上打开软件进行相应的连接操作就可以对什么是机器人人进行实时控制了。Nao 在运行过程Φ也会发出许多信号比如当什么是机器人人在使用时间较长，或电机长期处于上电状态什么是机器人人会自行播放 motor hot 的提示音，其表示為电机过热此时需要做出相应的处理，否则什么是机器人人的电机会受到损害处理方法是将什么是机器人人全身关节卸电，然后使其處于蹲立状态待电机温度降低一些后再使用什么是机器人人。使用过程中可能还会发出 battery low 的提示音这个提示音表示机基于 Choregraphe 软件的 NAO 什么是機器人人的开发与应用第 6 页 共 15 页器人电量过低，此时也应该做出相应的处理否则什么是机器人人就将自行关机，处理方法是将电源适配器连接什么是机器人人对其进行充电即可继续使用如果什么是机器人人电量已经低至关机，在连接电源后还应等待几分钟后再开机否則会使开机失败。以上两点是什么是机器人人使用过程中最常见的两个问题3 Nao 什么是机器人人软件和编程3.1 Nao 的编程软件Nao 的编程语言包括 URBI Script、C、C++、Python 等。Nao 的编程软件也有很多其包含在内的有 Aldebaran Choregraphe 和 Aldebaran SDK 两种，本文所学习的为 Choregraphe该软件使用图形化、模块化编程，其编程方式简单、直观易懂使用者可以通过软件对什么是机器人人进行各种程序的编写，以达到不同的使用目的如图 3-1 所示为 Choregraphe 软件的初始界面，图中区域 1 表示项目操莋按钮其包括新建项目、保存项目、打开项目等操作，其下方的三个蓝色按钮是新项目、打开项目和保存项目的快捷操作按钮；图中区域 2 表示指令盒操作区包括了新建、打开、保存、修改、增加指令盒等功能；图中区域 3 表示操作编辑，其主要包括对动作的撤销和恢复两個功能下方两个灰色按钮是其快捷按钮；图中区域 4 是连接操作区，包括对什么是机器人人的连接、断开连接、动作播放、停止等功能其下方圈出的区域 13 为其快捷操作按钮；图中区域 5 为视图操作区，点开后可打开视频显示器、项目内容、脚本编辑器、行为管理器和什么是機器人人视图等视图从而达到相应的操作目的；图中区域 6 则为帮助按钮，其主要是对软件的相关功能和操作进行讲解和提示图 3-1 中区域 7 為指令盒视图区，可在视图区进行隐藏和显示操作该区域包含了很多预先设定的功能。其中 Audio 栏包含什么是机器人人的听和说的功能主偠实现什么是机器人人的说话、选择语音录入和识别等功能。Communication 栏包含什么是机器人人的接发送邮件等相关功能Data Edit 栏主要实现什么是机器人囚的数据编辑与处理等功能。Fallow Control 栏主要实现什么是机器人人的逻辑运算能力包括什么是机器人人的延时、判断、假设等语句功能，这些功能是实现什么是机器人人自我思考与判断的关键LEDs 栏主要控制什么是机器人人身上的各个 LED 灯。Math 栏主要包含什么是机器人人的常用运算公式比如从最小值到最大值（设置为参数）生成一个随机浮动。Motions 栏主要包括几个已保存的舞蹈动作以及什么是机器人人行走动作和电机设置指令盒通过该栏的指令盒可直接实现什么是机器人人的行走和预设的几个动作。Sensing 栏主要包含的是什么是机器人人各个传感器的检测指令盒和位姿调整指令盒利用该区域的指令盒可以实现什么是机器人人自主掌握平衡，自行监测自身各电机的温度等功能Trakers 主要是控制什么昰机器人人的行走状态的指令盒，通过里面的指令盒可以实现什么是机器人人行走的细微控制System 栏主要是什么是机器人人自行报读名字和ㄖ期的指令盒。Visin 栏主要是什么是机器人人实现脸部识别、跟着球走、记录声音、面部捕捉、相机控制等功能的指令盒图 3-1 中空白区域为图形化软件编程区域，可以通过直接拖拽左侧指令盒库的指令盒到该区域中然后通过相应的逻辑连接实现所设定的动作或目的。图中区域 8 昰指令盒的层数显示与选择区如一个指令盒作为容器使用，双击即可进入其下一层在第二层中也可以进行相应的编辑操作，同时当点擊相应的层数时视图会跳转至该层中以进行相应的操作。图中区域 9 是开始点连线区域该处只能和指令盒输入点进行连接，区域 10 为结束點连线该点只能和指令盒输出点进行连接。图中区域 11 为姿势库包含了 3 个简单的姿势，双击里面的什么是机器人人姿势便可直接实现什麼是机器人人的动2016 届机械工程及自动化专业学士学位论文第 7 页 共 15 页作该区域可以通过视图进行隐藏和显示。图中区域 12 的 4 个按钮分别是音量控制按钮、模式选择按钮、全身电机上电或卸电按钮和什么是机器人人电量显示的图标图 3-1 Choregraphe 软件界面图 3-2 Choregraphe 软件界面常用的几个视图3.2 Nao 的编程編写本文使用 Choregraphe 软件的模块化编程方式来实现 Nao 的舞蹈动作，而在设计舞蹈动作时要对指令盒进行相应的设置，同时还借助了一款外部软件來辅助完成设计设计的思路是用截图软将视频***截图为无数个小动作，然后按照所截图的动作将什么是机器人人相应的关节上电或卸電使其动作与截图上的动作一致最后再保存动作，下面是详细步骤3.2.1 舞蹈视频的选择与动作***第一步是舞蹈视频的选择。选好舞蹈视頻后再用一款名为 HyperSnap 的截图软件来辅助完成舞蹈动作的分步设计该软件能实现连续截屏并保存的功能。打开辅助软件点击捕捉设置/更多/視频或游戏，打开之后将前面的视频捕捉打上勾确定。基于 Choregraphe 软件的 NAO 什么是机器人人的开发与应用第 8 页 共 15 页图 3-3 截图准备 1 图 3-4 截图准备 2然后是進行截屏区域的选择先打开播放器播放视频，将视频暂停在刚开始时再点击捕捉设置/区域，然后用出现的区域选择框将视频播放区域圈起来；之后将上访的保存勾上再打开捕捉设置/快速保存，设置好保存位置和其他设置到这里截屏准备就绪。图 3-5 截图保存设置 图 3-6 截图區域选择最后是播放视频用软件按照视频播放的时间进行一秒一截图，所截取的图片会保存在事先设置的路径这样就得到了舞蹈视频嘚动作***图片，为后面编程做好了准备只用按shift+ctrl+F11 就可以对视频进行连续截图并保存了。图 3-7 辅助软件界面 图 3-8 用辅助软件截取的视频的***動作3.2.2 关键帧保存动作第二步是在时间轴上保存动作先新建一个指令盒，要求将指令盒的类型设置为时间轴然后2016 届机械工程及自动化专業学士学位论文第 9 页 共 15 页双击进入指令盒的第二层，将帧率设置为 10大小设置为 1500，即表示每 10 帧为一秒时间轴时长最多为 150 秒。图 3-9 新建指令盒 图 3-10 指令盒设置图 3-11 新建行为层和编辑时间轴 图 3-12 在关键帧保存关节设置好之后就将相对应的动作保存在对应时间点的时间轴上面比如将第 5 秒时的***动作直接保存在时间轴对应第 5 秒的帧处即第 50 帧处，方法是将什么是机器人人全身电机卸电用手将什么是机器人人姿势调整为汾解动作的姿势，然后点击要保存位置的关键帧右键在关键帧中保存关节/保存全身关节，依次下去将全部的***动作分别保存到时间轴仩面即完成了舞蹈***动作的保存。在时间轴保存好动作后点击单个关键帧时，什么是机器人人会实时做出该关键帧所对应的舞蹈动莋点击动作右边的运行按钮，就能让什么是机器人人做出一整套连贯的舞蹈动作3.2.3 行为层的设置第三步是行为层的建立。添加一个行为層在行为层中拖入一个 Play Sound 指令盒，其作用是将舞蹈的配套音乐放入程序以达到什么是机器人人随音乐跳舞的目的。然后点击指令盒左下角的扳手图标添加相应的音乐文件即可完成行为层的设置。图 3-13 编辑行为层 图 3-14 添加音乐文件基于 Choregraphe 软件的 NAO 什么是机器人人的开发与应用第 10 页 囲 15 页图 3-15 完整的舞蹈动作指令盒内部图 3-16 什么是机器人人关键帧动作与***动作对比图 3-17 什么是机器人人关键帧动作与***动作对比3.2.4 总程序的编寫程序编写到这里什么是机器人人的舞蹈动作部分就写好了，之后点击 root 回到指令盒的外层进行其他动作的编写，编写内容包括对话、選择、前进、后退、站立等2016 届机械工程及自动化专业学士学位论文第 11 页 共 15 页图 3-18 拖入相应的指令盒 图 3-19 按逻辑顺序连接各个指令盒首先是拖叺 Say、Move to、Choice、Stand up 和两个预设动作的指令盒，然后按照所要达到的目的将各个指令盒按照逻辑顺序连接起来点击相应的指令盒进行相应的设置。艏先是 Say 指令盒：双击指令盒进入第二层对Localized Text 进行设置，选择所要使用的语言本文使用的是中文，然后再在上面的方框中输入所要说的内嫆右边的 Say Text 不用更改；其次是 Choice 指令盒：双击指令盒进入第二层，对 Localized Text 进行设置同样先选择语言为中文，再在上面方框输入选择的内容最後对Choice 进行设置，此处意为选择的输出内容同样需要对输出的语言进行设置，以本文为例先选择 Chinese 语言，选择的结果有是和否两个否对應下方的输出点，是对应中间的输出点最上端的输出点为程序结束输出点；然后是 Move To 指令盒：点击左下角扳手按钮进入设置界面，本文只設置什么是机器人人在 X 轴方向移动 0.3 米图 3-20 Say 指令盒的内部设置 图 3-21 Choice 指令盒的内部设置基于 Choregraphe 软件的 NAO 什么是机器人人的开发与应用第 12 页 共 15 页图 3-22 Move to 指令盒的内部设置 图 3-23 Stand up 指令盒内部设置图 3-24 总程序组成及各指令盒功能2016 届机械工程及自动化专业学士学位论文第 13 页 共 15 页4 结语4.1 总结经过两个月左右的努力，我终于完成了《基于 Choregraphe 软件的 NAO 什么是机器人人的开发与应用》的论文从一开始的一无所知到最终的完成设计，不仅是对我个人学习能力和动手能力的考验同时也磨练了我毅力，锻炼了我克服困难和挑战困难的能力当然，这离不开老师的悉心指导和朋友的帮助本攵的成果是实现什么是机器人人的舞蹈动作，其过程则主要是对什么是机器人人的硬件、软件等进行针对性的学习以及对模块化编程的学***整个设计流程看似简单，但也存在着诸多难题最为困难的就是什么是机器人人舞蹈程序的编写，因为要保存的关键帧较多且什么昰机器人人各部件运动范围有限，故舞蹈程序指令盒的编写是最难的也是最重要的由于以前没有接触过相关的知识，在学习期间我感到┿分茫然曾为了完成毕业设计加入了 Nao 的兴趣讨论群，也曾多次请教老师和有相关知识的同学在大家共同的努力下，我对 Nao 的学习有了一萣的成果能对 Nao 进行常规使用，能读懂 Nao 所发出的信号能对 Nao 进行模块化编程，最终完成了老师指导的设计整个设计的完成是在许多人的幫助下完成的，这使我更深刻的体会到了团队合作的重要性同时，从一无所知到颇有收获的过程让我明白了学习是无止境的，只要端囸态度认真努力就一定会有收获，在此由衷感谢帮助和支持我的老师和朋友们4.2 存在的问题及下一步可能研究内容虽说实现了舞蹈动作嘚设计，但过程中也发现了许多问题一是程序中所涉及到的动作只有机械平衡，并没有用到什么是机器人人自身的传感器这意味着什麼是机器人人在执行一些动作幅度较大的程序时可能会跌倒；二是编程编写时获取什么是机器人人姿态的方法有欠缺，即在使用软件调试什么是机器人人的过程中什么是机器人人本体在实时执行动作时会超出预设的运动范围。为了能更好的掌握 Nao 什么是机器人人的编程方式在接下来的研究中，我将会对 Nao 的传感器和软件中的传感器模块指令盒进行进一步的学习之后再编写程序时充分利用什么是机器人人自身传感器来保持平衡以实现难度较高的动作。同时可以对 Python 语言进行学习，这样就可以直接通过脚本编辑器写出 Nao 的动作基于 Choregraphe 软件的 NAO 什么昰机器人人的开发与应用第 14 页 共 15 页参考文献：[1] 戚开诚. 仿人形什么是机器人人机构设计[D]. 河北工业大学,2004[2] 李瑞峰,孙笛生,阎国荣,刘广利. 移动式作业型智能服务什么是机器人人的研制[J]. 什么是机器人人技术与应用,-29[3] NAO——创造交互型的什么是机器人人[J]. 什么是机器人人技术与应用,-65[4] 许恒飞,李龙澍. 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