Хюманоиден nao робот, управляван с мисъл



Дата08.05.2018
Размер74.52 Kb.


НАЦИОНАЛНА СТУДЕНТСКА НАУЧНО-

ТЕХНИЧЕСКА КОНФЕРЕНЦИЯ 2016

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – СОФИЯ

Copyright © 2016 НСНТК

ХЮМАНОИДЕН NAO РОБОТ, УПРАВЛЯВАН С МИСЪЛ

Я. Йорданов, ТУ-София, jasen.jordanov@abv.bg

Абстракт: В доклада ще бъде разгледана една от най-иновативните теми в момента, а именно изучаването на човешкия мозък и сигналите, които протичат в него. На база на тях ще бъде управляван хюманоиден робот NAO V5, извършващ три основни действия – ходене, клякане и говор, както и връщане в неутрална позиция. За реализирането на връзката от човешкия мозък до робота, в проекта се използват блутут и WiFi комуникация.

Ключови думи: Блутут, ЕЕГ (Eлектроенцефалография), Емотив, NAO, Хюманоид, Python, WiFi

MIND-CONTROLLED HUMANOID ROBOT NAO

Y. Yordanov, TU-Sofia, jasen.jordanov@abv.bg

Abstract: This report will take into consideration one of the most innovative ideas at this moment in time, specifically the study of the human brain and the signals it uses inside of it. Based on these signals a humanoid robot NAO V5 will have the ability to be controlled and perform three basic functions – walking, squatting, and talking, this includes coming back to the home position. In order to establish the link between the human brain and the robot, Bluetooth and Wi-Fi communications are used in the project.

Keywords: Bluetooth, EEG (Electroencephalography), Emotiv, Humanoid, NAO, Python, Wi-Fi


  1. ЕMOTIV EPOC+


1.1 Описание
Този харуер е създаден за специализирани мозъчни изследвания, както и за апликации, свързани с контрол посредством мозъка ( BCI – brain-computer interface). Той дава достъп до голямо количесто висококачествени ЕЕГ данни, както и съответния софтуер за обработката им. Позволява засичането на лицеви изражения, емоции и мисловни команди. Преди работа е задължително сензорите на каската да бъдат навлажнени със специален лосион, което гарантира доброто улавяне на мозъчната активност.
1.2. Сигнали
Emotiv Epoc+ притежава 14 канала за данни - AF3, F7, F3, FC5, T7, P7, O1, O2, P8, T8, FC6, F4, F8, AF4. Те са стандартизирани спрямо международната система „10-20“ - за позиционниране на електроди по скалпа. Съшо така притежава 2 референтни канала, които се поставят на места, където няма електрически импулси от мозъка – в случая зад ушите. На база на тях се отчита информацията от другите 14 канала. Ето и някои характеристики:



  • Честота на отчитане – 128/256 SPS

  • Канали – 14

  • Честотна лента - 0.2 – 43Hz, с филтри на 50Hz и 60Hz


1.3. Връзка
За връзка с компютър се предлагат два варианта – единят е да се използва блутут, а другият – вграден WiFi на 2.4GHz. В комплект на каската е включен USB приемник.
1.4. Захранване
За захранване на Emotiv Epoc+ е избрана литиево-полимерна батерия с капацитет 480mAh. Тя е вградена и позволява непрестанна работа и предоставя възможност за до 12 часа непрекъсната работа чрез WiFi или до 6 часа чрез Bluetooth.


2. СОФТУЕР
2.1. Emotiv Control Panel
Контролният панел осъшествява връзката между сензорната каска и персоналният компютър (лаптоп). Той получава изпратените по блутут данни и ги обработва. В него могат да се извършват следните проверки и да се извършват следните действия:

2.1.1. Проверка за разположението на сензорите по главата
Всеки сензор си има точно определено място, на което трябва да бъде поставен (т.н. система 10-20). Чрез контролният панел се визуализира дали датчика е на мястото си и каква е силата на сигнала, който се получава от всеки един - `чрез цветове зелено, жълто и червено. Ако няма връзка с дадения сензор, то той бива оцветен в черно.
2.1.2. Отчитане на лицеви изражения
Софтуерът дава възможност да се засичат лицеви изражения – от движение на веждите, през мигане до усмихване. Също така има фини настройки на отчитане – ако софтуерът е засякъл, че потребителят е мигнал, а той реално не е – може да бъде настроен така, че да отчита по-рядко (или по-често, в зависимост от необходимостта).
2.1.3. Отчитане на емоции
На потребителят се предлага възмоцност за отчитане на следните емоции във времето:



  • Отегчение

  • Напрежение

  • Медитация

  • Ентусиазъм

  • Ентусиазъм в по-дълъг прериод от време

Емоциите се отчитат в стойностти между 0 (емоцията не фигурира или е лош сигнала) и 1 (силна емоция). Чрез тези стойности и софтуер, който ще бъде разгледан по-надолу в доклада, могат да се създадат условия, при които дадена команда да бъде изпълнена – например ако стойността на „Медитация/Спокойствие“ е над 0.5, да бъде отключена дадена ключалка.


Човешките емоции могат да бъдат реализирани върху директно робота. Чрез движения на тялото, звук и цветовете на очите си той може да изразява не само описаните по-горе, но и тъга и страх.
2.1.4. Движение на предмет с мисъл
Последният раздел от софтуера отговаря за обучение на потребителя да контролира с мисълта си предмет – в случая 3D кубче. След многобройни тренировъчни сесии потребителят се обучава да управлява кубчето нагоре, надолу, да го завърта около оста му и дори да го накара да изчезне. Задължително е първоначално да бъде тренирана неутрална позиция, на базата на която се обучават останалите команди. Отново има вариант за връзка с допълнителн софтуер, който да извежда командите извън контролния панел.
2.2. Emokey
Този софтуер също се предлага от производителя. Неговата задача се състои в това да се свързва с контролния панел, описан в предната точка, и на базата на резултатите, които панелът отчита, да изпраща предварително зададени клавишни комбинации, символи, кликания на мишката или цели думи (разнообразието е голямо – в зависимост от нуждите на потребителя) към вече отворен в операционната система прозорец. Първоначално трябва да се създаде правило. В него се задава какво да бъде изпращано към зададения прозорец. Към вече създадено правило се добавя условие – правилното да се изпълнява когато усливието е изпълнено/не е изпълнено, да се изчака определено време след изпълнено условие и т.н.
2.3. Python код за комуникация между персоналния компютър и хюманоида NAO
Този код отговаря за комуникацията между персоналния компютър и хюманоида. Написани са на Python 2.7. Той получава командите, изпратени от Emokey, обработва ги и на база на обработката изпраща сигнали към робота – дали да говори, ходи или кляка.

.

3. ХЮМАНОИДЕН РОБОТ NAO


Роботът има собствена операционна система – NAOqi OS. Има вградени 5 „сетива“ за комуникация с външния свят:


  • Движение – роботът има 25 степени на свобода, който му позволяват да се движи и адаптира в средата около него

  • Усещане – реализира се чрез многобройните сензори, разположени по целия робот – камери, сонари и т.н.

  • Говор и слух – благодарение на вградените си микрофони и високоговорители, NAO коминикра с човека по естествен път – чрез говорене и слушане

  • Зрение – роботът има вградени 2 камери, на базата на които може да разпознава форми и обекти

  • Свързаност – NAO има достъп до интернет благодарение на вградените си Ethernet и WiFi адаптери


3.1. Управление
Роботът се управлява от процесор ATOM Z530 с работна честота 1.6 GHz. В допълнение разполага с 1GB RAM, 2GB Flash и 8GB вградена памет.
3.2. Захранване
Батерията в робота е литиево-йонна и притежава следните характеристики:


  • Номинална мощност - 21.6 V / 2.25 Ah

  • Максимален волтаж зареждане - 25.2 V

  • Препоръчителен ток зареждане - 1.8 A

  • Максимален заряд / максимален ток на разреждане - 2.3 A / 2.0 A

  • Време за зареждане < 3h00

  • Време на употреба ~ 60 min (активна употреба) ~ 90 min (нормална употреба)


3.3. Сензори
3.3.1. Сензори за натиск

Тези сензори променят резистивността си в зависимост от приложения натиск. Те са поставени в стъпалата на робота и отчитат натиск от 0 до 25N.



3.3.2. Инерциална част

Тази част се намира в торса на робота и има собствен процесор за изчисления. Състои се от:



  • 3-аксиален жироскоп с ъглова скорост ~500°/s,

  • 3-аксиален акселерометър с ускорение ~2g.


3.3.3. Сонари

Във робота има 2 приемника и 2 предавателя. Те му позволяват да измерва разстоянието между него и заобикалящите го обекти. Основни техни характеристики са:



  • Честота: 40kHz

  • Стъпка: 1cm-4cm (зависи от разстоянието до обекта)

  • Обхват на засичане: 0.20 m - 0.80 m

Под 20 cm няма точни данни за разстоянието до обекта – роботът знае единствено, че той съшествува. Над 80 cm стойността, връщана от сонарите, е приблизителна.

  • Ъгъл на засичане: 60° (конусовидно)

Сензорите са разположени в торса на робота.

3.3.4. Сензори за допир

Роботът разполага с много на брой сензори за допир по цялото си тяло. На главата му са разположени 3 броя, един на гърдите му, 3 на всяка ръка и 1 в предната част на всяко от стъпалата му, който го предпазват от евентуални удари в твърди обекти.



3.4. Свързаност

Роботът има 3 вида връзка с интернет:



  • Еthernet - 1×RJ45 - 10/100/1000 base T.

  • Wifi - IEEE 802.11 a/b/g/n

  • USB – 2.0

Всички портове за връзка се намират под капаче в тила на робота.



3.5. Взаимодействие с околната среда
Роботът има голям набор от прибори, с които му помагат успешно да взаимодейства със заобикалящата го среда – микрофони, високоговорители, камери, светодиоди. Чрез тях той може да проведе разговор с човек, да изрази емоция, да избегне препятствия и др.
3.5.1. Високоговорители

В робота се използва стерео броудкаст система, изградена от 2 говорителя. Те са позиционирани в ушите на робота.



3.5.2. Микрофони

NAO разполага с 4 микрофона, разположени в главата му. Техни основни характеристики са:



  • Чувствителност - 20mV/Pa +/-3dB на 1KHz

  • Честотен обхват на работа – от 150Hz до 12kHz

3.5.3. Камери

Роботът използва 2 еднакви камери, разположени в главата му. Тяхната резолюция е 1280х960 със скорост 30 кадъра в секунда. Горната камера позволява на робота да индентифицира обекти в полето, което вижда, докато долната му позволява да извършва по-лесно задачи като дрибъл с топка например. Някои основни характеристики на камерите са:



  • Модел - MT9M114

  • Тип - SOC Image Sensor

  • Imaging Array Resolution 1.22 Mp

  • Оптичен формат - 1/6 inch

  • Активни пиксели (HxV) - 1288x968

  • Размер на пиксела - 1.9µm*1.9µm

  • Динамичен обхват - 70 dB

  • Съотношение Сигнал/Шум - 37dB

  • Изходен видео сигнал - 1280*960@30fps

  • Формат на изходните данни - YUV422 color space

  • Ъгъл на виждане - 72.6°DFOV (60.9°HFOV,47.6°VFOV)

  • Обхват на фокуса - 30cm ~ безкрайност

  • Тип на фокуса - фиксиран

4. ФИГУРИ, ТАБЛИЦИ И ФОРМУЛИ

Фиг.1. Изглед на Еmotiv Epoc+



Фиг.2. Цялостен изглед на хюманоидния робот NAO



Фиг.3. Изглед на 3D куба, който потребителят се обучава да контролира с мисъл



ЛИТЕРАТУРА

  1. http://www.emotiv.com/product/emotiv-epoc-14-channel-mobile-eeg/

  2. https://emotiv.zendesk.com/hc/en-us/articles/201453885-Emotiv-Xavier-Tools-XavierEmoKey

  3. http://doc.aldebaran.com/2-1/index.html

  4. https://www.python.org/download/releases/2.7/









База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница