仿人机器人发展概况-调查

1、仿人机器人发展概况 摘 要: 介绍了了国内外外仿人机机器人的的发展特特点，以以行走机机构为主主要内容容详细分分析了日日本、美美国等几几种仿人人机器人人的主要要技术及及其技术术指标，根根据国外外的样机机设计，分分析了仿仿人机器器人的控控制设计计中的一一些问题题，就国国外仿人人机器人人发展对对中国仿仿人机器器人发展展的差异异提出了了看法。关键词: 仿人机机器人，技技术，双双足步行行 概述仿人机器人人在过去去的100多年特特别是近近5年中中发展迅迅猛，自自从有关关综述文文章发表表以来，情情况有了了很大改改变。行走机构是是仿人机机器人的的关键技技术，对对于仿人人机器人人的研究究是从对对行走机机构的研研

2、究开始始的，日日本旱稻稻田大学学在19973年年研制成成功了最最早具有有记载的的双足步步行人形形机构WWABOOT-11。本文文重点论论述世界界范围内内仿人机机器人的的近期发发展，对对行走机机构的发发展做重重点介绍绍。2 仿人人机器人人近期发发展特点点现如今，世世界各个个国家都都进行仿仿人机器器人的研研究，据据韩国的的一个经经常更新新的仿人人机器人人网站统统计，220055年3月月5日，世世界上共共有766各仿人人机器人人项目正正在进行行中，其其中日本本36个个，美国国10个个，韩国国7个，英英国4个个，中国国3个，瑞瑞典2个个，澳大大利亚、泰泰国、新新加坡、保保加利亚亚、伊朗朗、意大大利、奥

3、奥地利、俄俄罗斯等等国各有有1个，从从统计数数字可以以看出当当时日本本在此领领域的领领先地位位及其他他各国的的竞争实实力。2005年年2月118日出出版的科科学杂杂志上介介绍了一一种全新新的行走走机构，康康奈尔大大学、麻麻省理工工学院和和荷兰DDelfft理工工大学的的研究人人员分别别展示了了基于这这种行走走机构的的样机。这种行走机机构的概概念来自自一个简简单的玩玩具：行行走企鹅鹅。这个个企鹅臀臀部有两两个没有有动力的的关节分分别支撑撑两条直直腿，该该企鹅可可以沿着着斜坡摇摇摇晃晃晃的行走走而下，这这就是被被动动力力行走者者。问题题是在平平地上企企鹅不会会行走，研研究人员员贡献在在于设计计了仅

4、用用少量驱驱动器就就可以在在平地上上行走的的行走机机构。以以Asiimo为为代表的的传统仿仿人机器器人每一一个关节节都用一一个驱动动器。新新行走机机构则不不同，它它的关节节分为有有驱动和和无驱动动两种，以以康奈尔尔的设计计为例，机机器人每每条腿的的自由度度为5个个（臀11，膝22，踝22），其其中只有有一个踝踝关节用用电机驱驱动，其其他都是是被动的的，双手手摆动各各有一个个自由度度，通过过机械结结构由双双腿带动动，左腿腿带动右右臂，右右腿带动动左臂。走走动时，感感知到左左足触地地时，右右踝驱动动右足踢踢开地面面，使右右腿摆动动至左腿腿前方，完完成一步步，反之之亦然。新新行走机机构的特特点是节节

5、省能源源，据说说只需要要通常行行走机构构的十分分之一的的动力，另另外，新新型步行行机器人人走路时时一起一一伏，跟跟人没什什么两样样。Deelftt设计和和康奈尔尔的设计计大致相相同，只只是采用用气动驱驱动，MMIT的的设计则则为每条条腿有66个自由由度，其其中两个个踝部关关节用电电机驱动动，其他他都是被被动的。从从录像看看，康奈奈尔和DDelfft的机机器人的的行走姿姿态是令令人满意意的，但但似乎它它们只能能有一种种走法不象每每个关节节都采用用独立驱驱动方式式的传统统仿人机机器人那那样可以以通过编编程获得得不同的的步态至于MMIT模模型，虽虽然采用用了先进进的控制制方法，但但其蹒跚跚的步态态令

6、观看看者对其其机构设设计难以以接受实际上上，研究究者不止止以上33家，日日本Assanoo等人的的被动动动力步行行模型基基于能量量约束并并考虑了了ZMPP判据。传统行走机机构的研研究继续续瞄准动动作的质质量。本本田提出出新一代代Asiimo的的步行速速度要增增加到225公公里小小时，跑跑步速度度增加到到3公里里时，主主要措施施是添加加腰部关关节以在在行进时时扭摆太极拳拳要求动动作连贯贯均匀，协协调完整整打太太极拳是是对仿人人机器人人动作质质量的最最好检验验各公公司和业业余爱好好者正在在寻找更更好的设设计和控控制，以以便在今今后的机机器人太太极拳比比赛中一一决高低低。探讨讨人类行行走和奔奔跑时的

7、的各种动动作方式式。研究究仿人机机器人动动态步行行控制方方法是研研究重点点20004年底底前，本本田公司司宣布了了新一代代Asiimo计计划，寻寻求更强强的行动动能力，更更佳的与与人沟通通，以及及在真实实世界中中更机敏敏的反应应能力。ZZMP判判据仍是是二足步步行机器器人各种种控制方方法的基基本依据据最早早提出ZZMP判判据的南南斯拉夫夫学者VVukoobraatovvic最最近对ZZMP判判据355年来的的发展作作了总结结，Liim和他他的同事事 除了了以仿人人机器人人上身躯躯干的摆摆动来补补偿下肢肢运动的的力矩外外，还采采用了阻阻抗控制制方法来来吸收脚脚底板接接地时的的冲击力力，大大大提高

8、了了行走的的稳定性性。他们们所用的的弹簧一一阻尼模模型可以以以足够够的精度度模拟足足底与地地面的接接触力，非非线性阻阻尼模型型则可模模拟足底底与地面面的冲击击力。3仿人机器器人的主主要技术术及其技技术指标标现有的仿人人机器人人五花八八门，其其自由度度数、重重量和尺尺寸也相相差甚远远。1仿人机器器人的自自由度现有的仿人人机器人人其自由由度数少少的有117个(近藤KKHR1)，多多的有441个(HUBBO)。如如下图：仿人机器人人到底需需要多少少自由度度呢?除除了手部部另作讨讨论以外外，仿人人机器人人的自由由度是腿腿部、臂臂部、腰腰部、颈颈部各自自由度之之和，见见图3以下分分别讨论论这些部部分(1

9、)通通常的设设计中腿腿部自由由度为55个(臀臀2，膝膝1，踝踝2，典典型的是是近藤KKHR1)和和6个(在5个个的基础础上增加加1个臀臀部自由由度RLL1或LLL1，典典型的是是富士通通HOAAP-22、Assimoo和QIIRO)每条条腿5个个自由度度已经可可以完成成基本行行走动作作增加加的臀部部自由度度可使行行走动作作更优雅雅，少一一点机器器人味(2)臂部自自由度的的基本设设计为33个(肩肩2，肘肘1)各个公公司对第第4个臂臂部自由由度的选选择不同同富士士通公司司的HOOAP22在3个个的基础础上增加加1个肩肩部自由由度RSS3或LLS3NivvanaaTecchnoologgy公司司的T

10、aaiChhi机器器人则增增加1个个腕部自自由度RRWr22或LWWr2腕部自自由度最最多可增增加3个个，QIIRO由由于腕部部增加了了2个自自由度而而成功地地表演了了持扇跳跳舞(3)一一般设计计腰部无无动作，连连Asiimo和和QIRRO也没没有腰部部自由度度增加加1个腰腰部自由由度首选选Wall，这个个动作对对打太极极拳和跑跑步都很很重要(4)颈部自自由度初初选为11个(NN1)，增增加1个个一般都都选N22(55)最后后，手部部自由度度差别很很大每每只手的的五指共共有211个自由由度，问问题在于于怎样简简化简简单的设设计只是是一个手手形，不不能开合合稍复复杂的设设计中手手的动作作类似工工

11、业机器器人的夹夹持器复杂的的设计寻寻求100根手指指各自独独立地运运动这这将大大大增加自自由度的的总数现在，可可以看到到作为一一个典型型的简单单的仿人人机器人人设计，其其自由度度的总数数为52(腿腿部)+32 (臂部部)+00(腰部部)+11(颈部部)+00(手部部)=JJ7个，这这便是近近藤KHHR一11机器人人这样样，我们们得知117个自自由度是是一个仿仿人机器器人(不不含被动动动力模模型)自自由度数数的低限限另一一个例子子是新一一代Assimoo，其自自由度的的总数为为62(腿腿部)+72(臂臂部，其其中肩33，肘11，腕33) +1(腰腰部)+3(颈颈部)+22(手手部，拇拇指1，其其

12、它四指指1)=34个个。仿人机器人人的驱动动电机绝大多数仿仿人机器器人都用用数字伺伺服电机机驱动。由由于伺服服电机的的转动角角度为1120度度或 1180度度，正好好模拟人人类各关关节转动动不会大大于1880。的的特点日本的的近藤和和双蕖等等公司还还开发了了仿人机机器人专专用伺服服电机。这这种专用用伺服电电机的特特点是速速度快、扭扭矩大，另另一特点点是配备备了双向向高速接接口，能能够确定定并传送送当前伺伺服电机机位置，可可以实现现示教方方法编程程这对对多自由由度的仿仿人机器器人的编编程带来来很大方方便由由于伺服服电机的的设计及及价格因因素，在在工业机机器人中中广泛使使用的示示教编程程方法仅仅在

13、少量量仿人机机器人中中使用。伺伺服电机机的尺寸寸对仿人人机器人人的设计计有很大大影响对于一一个有22个或33个自由由度的肩肩部来说说，由于于电机的的尺寸不不允许把把它们放放在同一一平面上上，势必必造成22个或33个电机机成串排排列这这使得手手臂的尺尺寸长得得与躯干干不成比比例，看看上去像像个大猩猩猩排排列在下下方的关关节由于于远离肩肩部，其其转动更更使人有有怪异的的感觉例如近近藤公司司的YDDHEZAA机器人人比KHHR一11机器人人增加了了4个自自由度(左右臂臂、腿各各增加11个)，动动作功能能增强了了，却带带来了“非人”的感觉觉换句句话说，一一定尺寸寸的伺服服电机限限定了机机器人的的最小合

14、合理尺寸寸.仿人机器人人的处理理器和操操作系统统由于仿人机机器人需需要控制制多个关关节，检检测多个个传感器器的信息息，因此此需要很很强的处处理能力力另一一方面，编编程和处处理图像像等大量量信息需需要外界界计算机机的帮助助和工工业机器器人一样样，通常常每个关关节由一一个微处处理器和和相应的的伺服电电机构成成闭环各个微微处理器器接受机机器人载载CPUU的命令令仿人人机器人人处理器器的安排排有下列列几种：(1)典型的的一般设设计是机机器人载载一个CCPU并并配备相相应的操操作系统统，编程程和图像像处理由由外部计计算机进进行(2)高高级别的的设计是是机器人人载2个个或3个个CPUU，主CCPU控控制步

15、态态计算，其其他CPPU用于于图像和和传感器器信号处处理QQIROO和HRRP-22机器人人属于这这种高级级别类型型高级级别和一一般级别别的机器器人都装装载实时时操作系系统控控制周期期一般为为Imss(33)最低低级别的的机器人人无CPPU，只只带微处处理器单单板，用用来执行行从外部部主机下下载的程程序外部部计算机机与机器器人载处处理器的的信息交交换方法法有下列列几种：(1)编程软软件安装装在外部部计算机机上，PPc需通通过电缆缆和机器器人上微微处理器器搭载的的单板连连线初始始化伺服服电机和和下载程程序程程序下载载后，电电缆可以以断开，机机器人执执行已存存储的程程序由由于处理理能力的的限制，需

16、需要几块块单板一一起连接接这种种机器人人通常不不带传感感器这这种方法法适用于于简单结结构的仿仿人机器器人一一个例子子便是近近藤KHHR一11机器人人，它带带2块单单板，每每块单板板可控制制12个个电机，共共可控制制24个个电机，实实用177个口，尚尚多余77个口可可供扩展展(22)Pcc通过符符合IEEEE880211BB标准的的无线LLAN卡卡和机器器人上的的CPUU构成网网络一一个例子子便是双双蕖电子子公司的的Speeecyys机器器人SSpeeecyss机器人人的CPPU是MMotoolorra的PPoweerPCC MPCC52000，操操作系统统用的是是该公司司自己开开发的以以Net

17、tBSDD为基础础的SppeeccysOOS机机器人头头部还有有2个ccF卡插插槽，可可用来插插放支持持IEEEE8002111B标标准的无无线LAAN卡因而，通通过互联联网，计计算机可可接收机机器人采采集的图图像，亦亦可通过过附属的的软件SSpeeecyssSysstemm，对机机器人进进行遥控控另一一个例子子是富士士通公司司的HOOAP-2机器器人HHOAPP一2机机器人用用了7000MHHz的CCPUPC端端与机器器人端的的OS都都是RTTLinnuxHOAAP一22机器人人与PCC有2种种连接方方式一一种是有有线连接接，双方方通过22组USSB插口口传递信信息，一一组USSB实时时传送

18、程程序，另另一组为为传送图图像专用用另一一种为无无线连接接，通过过插入机机器人的的CF无无线LAAN卡和和相应软软件来实实现以以上两个个例子都都属于一一般级别别的机器器人(3)通通过蓝牙牙技术实实现语音音和数据据的交换换蓝牙牙的有效效范围约约为100m这这对控制制小范围围内活动动的机器器人是可可行的TaiiChii机器人人是这方方面的例例子，它它配备了了蓝牙插插件当当然，蓝蓝牙1MMbpss的传输输率对于于传输图图像显得得太慢传送一一幅未经经压缩的的35万万像素的的彩色图图像需时时8s多多。4 仿人机机器人的的传感器器自主引导车车(AGGV)类类机器人人通常采采用传感感器来确确定是否否存在障障

19、碍，测测量前方方物体的的距离，确确定自身身的位置置和在水水平面中中的方向向这些些目标对对于仿人人机器人人同样重重要但但仿人机机器人尚尚有更基基本的要要求双双足行走走的特点点决定了了为了防防止倾跌跌和提高高走动的的效仿人人机器人人必须随随时确定定自身在在三维空空间中的的倾斜趋趋势以保保持动态态平衡因此，它它们优先先采用的的传感器器是陀螺螺和脚底底压力传传感器这两种种传感器器在双足足行走的的机器人人中是很很普遍的的，即使使尚未采采用的也也把这类类传感器器作为选选件的首首选以以HOAAP-22机器人人为例，它它的姿态态传感器器安装在在机器人人躯干上上半部姿态传传感器由由3轴角角速度传传感器(陀螺)和

20、3轴轴加速度度传感器器组成在机器器人静止止状态下下测定了了加速度度和角速速度的额额定数据据经AAD转换换后以机机器人腰腰部坐标标表达这这些物理理量在在动态情情况下，这这些物理理量的变变化被用用于相应应关节的的补偿运运动姿姿态传感感器大大大改善了了机器人人的动态态平衡性性能。HHOAPP-2机机器人的的脚底传传感器安安装在脚脚底板两两层之间间每个个脚底板板有4个个传感器器，位于于脚底板板的四角角脚底底板触地地时两层层底板平平面相对对倾斜，可可被某个个接触传传感器感感知，控控制脚踝踝处关节节的运动动可以调调整脚底底板的姿姿态脚脚底板传传感器也也可以给给基于ZZMP判判据的控控制提供供信息。AAsi

21、mmo和HHRP一一2机器器人在手手腕和脚脚踝处分分别选用用了六维维力传感感器可可增加对对外界的的感知。脚脚踝处六六维力传传感器对对以ZMMP为判判据的控控制尤为为必要索尼公公司的设设计略有有不同 ，它在在SDRR-4XX机器人人上每个个脚底板板下设44个力传传感器，这这是特别别设计的的薄膜传传感器，信信号经AAD转换换，由辅辅助DSSP计算算实际ZZMP位位置，经经辅助CCPU送送至主CCPU由此44个力传传感器计计算的ZZMP位位置精度度为05mmm，足够够满足控控制需要要索尼尼公司还还使用了了3个二二轴加速速度传感感器(躯躯干底部部1个，22个脚底底板各11个)，又又在躯干干底部装装3个

22、单单轴角速速度传感感器(陀陀螺)加速度度传感器器和角速速度传感感器的输输出总和和用于测测量躯干干的倾斜斜度由由于机器器人个体体小，索索尼特别别关注传传感器的的小型化化和轻量量化改改进设计计后的加加速度传传感器、角角速度传传感器自自重分别别仅为002gg和04g。5 仿人机机器人的的视觉视觉是仿人人机器人人感知外外界的最最重要的的感觉。图图像处理理和分析析的计算算重负使使得许多多仿人机机器人不不得不放放弃视觉觉现有有的最先先进的带带有视觉觉的仿人人机器人人有本田田公司开开发的AAsimmo、索索尼公司司的QIIRO、川川田等公公司生产产的HRRP-22以及富富士通公公司的HHOAPP-2机机器人

23、QIRRO和AAsimmo机器器人具有有双 目目匹配、人人脸识别别以及识识别运动动中物体体的视觉觉功能Asiimo还还有手势势和姿态态识别功功能这这些机器器人对视视觉信号号处理主主要有两两种途径径：Assimoo、QIIRO、HHRP-2等机机器人除除了有机机载CPPU进行行步行控控制外，还还采用11至2个个机载通通用CPPU专门门处理视视觉和传传感器信信息另另一种做做法是把把图像上上传到主主机处理理例如如单CPPU的HHOAPP-2机机器人预预留了一一个专用用的图像像USBB通道，把把图像上上传到主主机处理理后再把把结果回回传至机机器人第一种种做法机机器人带带有2至至3块主主板，控控制复杂杂

24、第二二种做法法上传图图像使机机器人离离不开UUSB电电缆，不不能脱机机运行；如果用用无线网网络则通通讯成为为瓶颈，无无法实现现实时控控制机机器人采采用自带带的图像像处理装装置可能能将成为为更有前前途的第第三种途途径索索尼公司司在SDDR-44X机器器人上使使用FPPGA进进行两个个摄像头头的图像像匹配，结结果再送送主CPPU有有一种在在其它机机器人导导航上已已使用的的高速图图像处理理装置BBii值得得注意这种AAnallogiieCoompuuterrs公司司生产的的高速图图像处理理装置BBii可以以在不必必占用主主机的CCPU时时间的情情况下每每秒处理理高达1100000幅11281288图像Bii的中中央处理理器是一一个6000MHHz的数数字信号号处理器器(DSSP)，并并配备1150MMHz浮浮点协处处理器和和ACEE16KK处理器器ACCE166K芯片片号称第第三代人人工视网网膜，是是对生物物视网膜膜最成功功的模拟拟