硬件平台

NAO是一個57釐米高的可編程仿人機器人。其關鍵組件如下：

·  擁有25個自由度（DOF）的身體，其關鍵部件為電機與致動器。

·  一系列傳感器：2個攝像頭、4個麥克風、1個超聲波距離傳感器、2個紅外線發射器和接收器、1個慣性板、9個觸覺傳感器及8個壓力傳感器。

·  用於自我表達的器件：語音合成器、LED燈及2個高品質揚聲器。

·  一個CPU（位於機器人頭部），運行一個Linux內核，並支持ALDEBARAN公司自行研製的專有中間件（NAOqi）。

·  第二個CPU（位於機器人軀幹內）。

·  一個55瓦時電池， 根據使用方式的不同，可為NAO提供1.5小時、甚至更長的自主時間。

NAOqi

構建機器人的應用程序具有挑戰性：

應用程序建立在大量先進的複雜技術之上，如語音識別、物體識別、地圖構建等。

應用程序必須安全可靠，而且能夠利用有限的資源、在有限的環境中運行。

嵌入式軟件NAOqi包含一個跨平台的分布式機器人框架，快速、安全、可靠，為開發人員提供了一個全面的基礎，以提高、改進NAO的各項功能。

NAOqi使算法的API可供其它算法使用。通過該軟件，用戶還可選擇將模塊在NAO上運行或是在一臺電腦上遠程運行。

用戶可在Windows、Mac或Linux系統下開發代碼，並通過C++、Python、Urbi、.Net等多種語言進行調用。建立在該框架之上的模塊提供豐富的API接口，以便與NAO互動。

NAOqi可滿足一般機器人開發的需要：並行，資源，同步，事件。

正如在其它框架中一樣，NAOqi中也包含通用層。這些通用層專為NAO設計。通過NAOqi，不同模塊（如運動、音頻、視頻等）之間可協調溝通，還可實現齊次規劃，並與ALMemory模塊共享信息。

運動

全方位行走

NAO行走使用的是一個簡單動態模型（線性倒擺，LIPM）及二次規劃 （Quadratic programming）。NAO使用關節傳感器提供的反饋信息，來完成行走平衡。這樣，既可提高機器人行走的魯棒性，免受小的干擾，也可吸收軀幹在前面 和側面的振盪。此外，NAO還可在多種地面上行走，如地毯、瓷磚地、木質地板等，並可從一種地面自如地行走至另一種地面。

全身運動

NAO的運動模型基於一個普遍的逆運動學（Generalized Inverse Kinematics），可處理笛卡爾和關節控制、平衡、冗余和任務優先級等。換言之，當要求NAO伸出手臂時，它會同時彎下軀幹。這是因為它的手臂和腿 部關節都被考慮在內。而且NAO會停止移動，以保持平衡。

摔倒管理器

摔倒管理器（Fall Manager）可在機器人摔倒時起到保護作用。它的主要功能在於探測機器人的重心（CoM）是否超出支持多邊形的範圍。該支持多邊形根據接觸地面的雙足 的位置來確定。當摔倒管理器探測到機器人要摔倒時，所有的運動任務都會被終止，機器人的雙臂會根據情況處於自我保護的位置，而且機器人重心降低，電機的剛 度也會降為零。

視覺

NAO擁有兩個攝像頭，可以跟蹤、學習並識別不同的圖像和麵部。

NAO 採用兩個高清攝像頭，有效像素達920萬，每秒30幀

其中一個攝像頭位於機器人前額，拍攝其前方的水平畫面。另一個位於嘴部，用於掃描週圍環境。

通過視覺軟件，您可再現NAO看到的圖片及視頻流。然而，如果人無法感知並分析週圍的環境，就算眼睛能看到，那又有什麼用呢？

正是出於這個原因，NAO身上包含了一系列算法，用於探測和識別不同的面部和物體形狀。這樣，機器人就可以認出和它說話的人、找到一個皮球或是更為複雜的物體。

這些算法均為NAO專門開發。而且，我們在開發過程中，始終力爭將處理器資源的使用率降至最低。

此外，通過NAO的SDK，您可自行開發模塊，並可連接至OpenCV（OpenCV：由英特爾公司最早開發的開源計算機視覺庫）。

您可以在NAO上執行模塊，或是將模塊傳送至與機器人連接的電腦上。這樣，您就可以輕鬆地使用OpenCV的顯示功能，來開發和測試自行設計的算法，並可獲得圖片反饋。

音頻

NAO擁有四個麥克風，可跟蹤聲源，還可使用七種語言進行語音識別和聲音合成。

聲源定位

讓機器人與人類互動是研製仿人機器人的主要目的之一。聲源定位功能用於確定聲音來自何方。為了生成魯棒且有用的輸出數據，同時滿足CPU和內存方面的要求，NAO的聲源定位功能基於“到達時間差”法（Time Difference of Arrival）。

換言之，當NAO附近的某個聲源發出聲音時，NAO身上的四個麥克風在接收聲波的時間上會略有差異。

例如，當有人在NAO左側說話時，相應的信號會首先到達機器人左側的麥克風，几毫秒之後到達位於前額與腦後的麥克風，最後到達右側的麥克風。

這種時間差名為“雙耳時間差”（interaural time differences，簡稱ITD）。在這些時間差的基礎上，通過數學運算可獲得聲源的當前位置。

這樣，每當聽到一個聲音時，機器人就可借助4個麥克風測量到的ITD值，通過運算檢索到聲源的方向（方位角和仰角）。

該功能作為一個NAOqi模塊供用戶使用。模塊名為“ALAudioSourceLocalization”，提供一個C++和Python的API接口，可準確地與某一Python腳本或NAO模塊互動。

 

Choregraphe中也包含兩個相關指令盒，幫助用戶在某一行為中使用該功能：

可行的實際應用包括：

·  探測、跟蹤並識別某個人

·  探測、跟蹤並識別某個可發聲物體

·  在某一特定方向的語音識別

·  在某一特定方向的說話者識別

·  遠程安全監控

·  娛樂

音頻信號處理

由於機器人上的嵌入式處理器計算能力有限，有時可將某些運算導出至遠程桌面或服務器上完成。

這個方法尤其適用於處理音頻信號。例如，在一個遠程處理器上進行語音識別時，效率會更高（速度更快且更準確）。大部分現代智能手機就是以遠程方式來處理語音識別。

用戶可能會希望直接在機器人上應用自己的信號處理算法。

NAOqi框架使用“簡單對象訪問協議”（Simple Object Access Protocol，簡稱SOAP）來發送和接收網絡音頻信號。

使用ALSA庫（Advanced Linux Sound Architecture）在NAO上生成和記錄聲音。

ALAudioDevice模塊管理音頻的輸入和輸出。

專業人員利用NAO的音頻處理能力，可進行大量與人機互動及信息交流有關的實驗和研究。

例如，NAO可用作一個交流器件。用戶可以像是在和另一個人交談一樣，與機器人互動（如交談、傾聽等）。

信號處理自然也是一個很好的應用實例。用戶可借助音頻模塊，實時獲得來自麥克風的原始音頻數據，然後使用自己的代碼予以處理。

觸覺傳感器

除攝像頭和麥克風外，NAO還配備了電容式傳感器，分別位於頭頂與手部。每處的傳感器分為三部分。

由此，您就可以通過觸摸向NAO發出訊息，例如，按下一次觸摸傳感器，告訴機器人自行關閉，或是使用該傳感器來觸發某一相關動作。

該系統與LED燈配套使用，可指示觸摸類型。它還可用來編輯複雜序列。

 

超聲波

NAO配備雙通道超聲波系統，包括兩個發射器和兩個接收器。

通過該系統，機器人可估計自身與週圍環境中的障礙物之間的距離。探測範圍介於0至70釐米之間。

當與障礙物的距離小於15釐米時，機器人不會獲得具體的距離信息，而只是知道附近有一個物體。

 

連接

以太網與Wifi無線連接

NAO支持Wi-Fi無線連接（a、b、g標準）和以太網連接。這是目前使用最廣氾 的兩種網絡連接方式。此外，NAO眼部還配備了紅外線發射與接收器，可連接至週圍環境中的物體上。NAO與IEE 802.11g Wi-Fi標準兼容，可用於WPA和WEP網絡，因此可較為容易地連接至家庭或辦公室網絡上。NAO的操作系統支持以太網與Wi-Fi無線連接，因此，除 需要在無線連接時輸入密碼外，無需進行其它任何特別的設置。

NAO的網絡連接能力為研究工作提供了多種可能性。您可通過聯網的任何一臺電腦來控制NAO或為其編程。

以下為NAO用戶開發的若干應用實例：

·  根據IP地址，NAO可確定其當前的位置，正確報告天氣預報；

·  讓NAO尋找更多與某一主題有關的信息；NAO會自動連接至維基百科，並朗讀相關詞條；

·  將NAO連接至相應的音頻流，機器人會轉播某一在線電台的節目；

運用XMPP技術（如谷歌聊天系統使用的技術），用戶可遠程控制NAO，並獲得由機器人的攝像頭返回的視頻流。

紅外線技術

通過紅外信號，不同的機器人NAO之間可相互交流。NAO還可與其它支持紅外線技術的器件 交流。例如，用戶可以讓NAO向其它器件發送紅外線信號，以控制這些器件（例如：“NAO，請打開電視！”）。此外，NAO也可接收如遙控器等紅外線發射 器發出的指令。兩個機器人NAO之間可直接交流。

紅外線技術早已成為在家用電器上廣氾使用的一項遙控技術。因此，NAO只需經過適當調整，即可適用於家庭使用。此外，NAO還可探測接收到的紅外線信號來自其左側，還是右側。

 

開源

近五年多以來，Aldebaran Robotics公司一直致力于開發機器人平台的嵌入式系統，希望與研究、開發人員以及參與仿人機器人新興項目的人員共同分享跨平台構建工具、核心通信庫和其它基本模塊。

NAO用戶可充分利用Aldebaran Robotics公司的豐富經驗，將精力集中在開發創新的應用程序上。

此外，不斷成長的NAO社團以強大的創新能力為特色，也可令用戶受益匪淺。

機器人及其相關應用程序仍屬新興的研究領域。

如要共同探索未來的應用程序，就有必要在我們的用戶社區內與其他成員不斷溝通與交流。

 

NAO機器人的應用

NAO機器人憑借其開放的編程框架，應用廣氾。

在科研領域，使用者將機器人應用於計算機科學、數學、物理、人工智能、機械自動化、通信工程、心理學、醫療等尖端研究。

在教育領域，教師將教學目的融入機器人的開發中，例如瑞典的高校成立實驗室鼓勵學生自主創新進行語音識別與視覺的結合應用。

在工業領域，企業研發部門將機器人與其交流產品想結合，利用軟件的開放性賦予機器人工業附加值，例如危險工作環境監控和數據採集等。

在商業領域，機器人蔘與大型產品發布會等，以彰顯產品以及公司對高新科技的重視，達到市場營銷的良好效果。