浅析仿人机器人发展概况

仿人机器人开展概况 摘 要 介绍了国内外仿人机器人的开展特点，以行走机构为主要内容详细分析了日本、美国等几种仿人机器人的主要技术及其技术指标，根据国外的样机设计，分析了仿人机器人的控制设计中的一些问题，就国外仿人机器人开展对中国仿人机器人开展的差异提出了看法。 关键词 仿人机器人，技术，双足步行 1 概述 仿人机器人在过去的10多年特别是近5年中开展迅猛，自从有关综述文章发表以来，情况有了很大改变。 行走机构是仿人机器人的关键技术，对于仿人机器人的研究是从对行走机构的研究开始的，日本旱稻田大学在1973年研制成功了最早具有记载的双足步行人形机构WABOT-1。本文重点论述世界范围内仿人机器人的近期开展，对行走机构的开展做重点介绍。 2 仿人机器人近期开展特点 现如今，世界各个国家都进行仿人机器人的研究，据韩国的一个经常更新的仿人机器人网站统计，2005年3月5日，世界上共有76各仿人机器人工程正在进行中，其中日本36个，美国10个，韩国7个，英国4个，中国3个，瑞典2个，澳大利亚、泰国、新加坡、保加利亚、伊朗、意大利、奥地利、俄罗斯等国各有1个，从统计数字可以看出当时日本在此领域的领先地位及其他各国的竞争实力。 2005年2月18日出版的科学杂志上介绍了一种全新的行走机构，康奈尔大学、麻省理工学院和荷兰Delft理工大学的研究人员分别展示了基于这种行走机构的样机。 这种行走机构的概念来自一个简单的玩具行走企鹅。这个企鹅臀部有两个没有动力的关节分别支撑两条直腿，该企鹅可以沿着斜坡摇摇晃晃的行走而下，这就是被动动力行走者。问题是在平地上企鹅不会行走，研究人员奉献在于设计了仅用少量驱动器就可以在平地上行走的行走机构。以Asimo为代表的传统仿人机器人每一个关节都用一个驱动器。新行走机构那么不同，它的关节分为有驱动和无驱动两种，以康奈尔的设计为例，机器人每条腿的自由度为5个〔臀1，膝2，踝2〕，其中只有一个踝关节用电机驱动，其他都是被动的，双手摆动各有一个自由度，通过机械结构由双腿带动，左腿带动右臂，右腿带动左臂。走动时，感知到左足触地时，右踝驱动右足踢开地面，使右腿摆动至左腿前方，完成一步，反之亦然。新行走机构的特点是节省能源，据说只需要通常行走机构的十分之一的动力，另外，新型步行机器人走路时一起一伏，跟人没什么两样。Delft设计和康奈尔的设计大致相同，只是采用气动驱动，MIT的设计那么为每条腿有6个自由度，其中两个踝部关节用电机驱动，其他都是被动的。从录像看，康奈尔和Delft的机器人的行走姿态是令人满意的，但似乎它们只能有一种走法．不象每个关节都采用独立驱动方式的传统仿人机器人那样可以通过编程获得不同的步态．至于MIT模型，虽然采用了先进的控制方法，但其蹒跚的步态令观看者对其机构设计难以接受．实际上，研究者不止以上3家，日本Asano等人的被动动力步行模型基于能量约束并考虑了ZMP判据。 传统行走机构的研究继续瞄准动作的质量。本田提出新一代Asimo的步行速度要增加到2．5公里／小时，跑步速度增加到3公里／时，主要措施是添加腰部关节以在行进时扭摆．太极拳要求动作连贯均匀，协调完整．打太极拳是对仿人机器人动作质量的最好检验．各公司和业余爱好者正在寻找更好的设计和控制，以便在今后的机器人太极拳比赛中一决上下。探讨人类行走和奔跑时的各种动作方式。研究仿人机器人动态步行控制方法是研究重点2004年底前，本田公司宣布了新一代Asimo方案，寻求更强的行动能力，更佳的与人沟通，以及在真实世界中更机敏的反响能力。ZMP判据仍是二足步行机器人各种控制方法的根本依据．最早提出ZMP判据的南斯拉夫学者Vukobratovic最近对ZMP判据35年来的开展作了总结，Lim和他的同事 除了以仿人机器人上身躯干的摆动来补偿下肢运动的力矩外，还采用了阻抗控制方法来吸收脚底板接地时的冲击力，大大提高了行走的稳定性。他们所用的弹簧一阻尼模型可以以足够的精度模拟足底与地面的接触力，非线性阻尼模型那么可模拟足底与地面的冲击力。 3仿人机器人的主要技术及其技术指标 现有的仿人机器人五花八门，其自由度数、重量和尺寸也相差甚远。 1仿人机器人的自由度 现有的仿人机器人其自由度数少的有17个近藤KHR．1，多的有41个HUBO。如以下图 仿人机器人到底需要多少自由度呢除了手部另作讨论以外，仿人机器人的自由度是腿部、臂部、腰部、颈部各自由度之和，见图3．以下分别讨论这些局部．1通常的设计中腿部自由度为5个臀2，膝1，踝2，典型的是近藤KHR．1和6个在5个的根底上增加1个臀部自由度RL1或LL1，典型的是富士通HOAP-2、Asimo和QIRO．每条腿5个自由度已经可以完成根本行走动作．增加的臀部自由度可使行走动作更优雅，少一点机器人味．2臂部自由度的根本设计为3个肩2，肘1．各个公司对第4个臂部自由度的选择不同．富士通公司的HOAP2在3个的根底上增加1个肩部自由度RS3或LS3．NivanaTechnology公司的TaiChi机器人那么增加1个腕部自由度RWr2或LWr2．腕部自由度最多可增加3个，QIRO由于腕部增加了2个自由度而成功地表演了持扇跳舞．3一般设计腰部无动作，连Asimo和QIRO也没有腰部自由度．增加1个腰部自由度首选Wal，这个动作对打太极拳和跑步都很重要．4颈部自由度初选为1个N1，增加1个一般都选N2．5最后，手部自由度差异很大．每只手的五指共有21个自由度，问题在于怎样简化．简单的设计只是一个手形，不能开合．稍复杂的设计中手的动作类似工业机器人的夹持器．复杂的设计寻求10根手指各自独立地运动．这将大大增加自由度的总数．现在，可以看到作为一个典型的简单的仿人机器人设计，其自由度的总数为52腿部32 臂部0腰部1颈部0手部J7个，这便是近藤KHR一1机器人．这样，我们得知17个自由度是一个仿人机器人不含被动动力模型自由度数的低限．另一个例子是新一代Asimo，其自由度的总数为62腿部72臂部，其中肩3，肘1，腕3 1腰部3颈部22手部，拇指1，其它四指134个。 2 仿人机器人的驱动电机 绝大多数仿人机器人都用数字伺服电机驱动。由于伺服电机的转动角度为120度或 180度，正好模拟人类各关节转动不会大于180。的特点．日本的近藤和双蕖等公司还开发了仿人机器人专用伺服电机。这种专用伺服电机的特点是速度快、扭矩大，另一特点是配备了双向高速接口，能够确定并传送当前伺服电机位置，可以实现示教方法编程．这对多自由度的仿人机器人的编程带来很大方便．由于伺服电机的设计及价格因素，在工业机器人中广泛使用的示教编程方法仅在少量仿人机器人中使用。伺服电机的尺寸对仿人机器人的设计有很大影响．对于一个有2个或3个自由度的肩部来说，由于电机的尺寸不允许把它们放在同一平面上，势必造成2个或3个电机成串排列．这使得手臂的尺寸长得与躯干不成比例，看上去像个大猩猩．排列在下方的关节由于远离肩部，其转动更使人有怪异的感觉．