仿人机器人发展概况

仿人机器人发展概况摘要：介绍了国内外仿人机器人的发展特点，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，就国外仿人机器人发展对中国仿人机器人发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年中发展迅猛，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发展，对行走机构的发展做重点介绍。2仿人机器人近期发展特点现如今，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各仿人机器人项目正在进行中，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，研究人员贡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。新行走机构则不同，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的设计则为每条腿有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Asan。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高低。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Asim。计划，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应能力°ZMP判据仍是二足步行机器人各种控制方法的基本依据.最早提出ZMP判据的南斯拉夫学者Vukobratovic最近对ZMP判据35年来的发展作了总结，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，非线性阻尼模型则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.以下分别讨论这些部分•⑴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个的基础上增加1个臀部自由度RL1或LL1，典型的是富士通HOAP-2、Asim。和QIRO）.每条腿5个自由度已经可以完成基本行走动作.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）臂部自由度的基本设计为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个的基础上增加1个肩部自由度RS3或LS3.NivanaTechnology公司的TaiChi机器人则增加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•⑶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，手部自由度差别很大.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5X2（腿部）+3X2（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6X2（腿部）+7X2（臂部，其中肩3,肘1，腕3）+1（腰部）+3（颈部）+2X2（手部，拇指1，其它四指1）=34个。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十不成比例，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.例如近藤公司的YDH—EZA机器人比KHR一1机器人增加了4个自由度（左右臂、腿各增加1个），动作功能增强了，却带来了“非人”的感觉.换句话说，一定尺寸的伺服电机限定了机器人的最小合理尺寸.仿人机器人的处理器和操作系统由于仿人机器人需要控制多个关节，检测多个传感器的信息，因此需要很强的处理能力.另一方面，编程和处理图像等大量信息需要外界计算机的帮助.和工业机器人一样，通常每个关节由一个微处理器和相应的伺服电机构成闭环.各个微处理器接受机器人载CPU的命令.仿人机器人处理器的安排有下列几种：（1）典型的一般设计是机器人载一个CPU并配备相应的操作系统，编程和图像处理由外部计算机进行.（2）高级别的设计是机器人载2个或3个CPU，主CPU控制步态计算，其他CPU用于图像和传感器信号处理.QIRO和HRP-2机器人属于这种高级别类型.高级别和一般级别的机器人都装载实时操作系统.控制周期一般为Ims.（3）最低级别的机器人无CPU，只带微处理器单板，用来执行从外部主机下载的程序外部计算机与机器人载处理器的信息交换方法有下列几种：（1）编程软件安装在外部计算机上，Pc需通过电缆和机器人上微处理器搭载的单板连线初始化伺服电机和下载程序.程序下载后，电缆可以断开，机器人执行已存储的程序.由于处理能力的限制，需要几块单板一起连接.这种机器人通常不带传感器.这种方法适用于简单结构的仿人机器人.一个例子便是近藤KHR一1机器人，它带2块单板，每块单板可控制12个电机，共可控制24个电机，实用17个口，尚多余7个口可供扩展.（2）Pc通过符合IEEE802.11B标准的无线LAN卡和机器人上的CPU构成网络.一个例子便是双蕖电子公司的Speecys机器人.Speecys机器人的CPU是Motolora的PowerPCMPC5200，操作系统用的是该公司自己开发的以Net—BSD为基础的SpeecysOS.机器人头部还有2个cF卡插槽，可用来插放支持IEEE802.11B标准的无线LAN卡.因而，通过互联网，计算机可接收机器人采集的图像，亦可通过附属的软件SpeecysSystem,对机器人进行遥控.另一个例子是富士通公司的HOAP-2机器人.HOAP—2机器人用了700MHz的CPU.PC端与机器人端的OS都是RT—Linux.HOAP一2机器人与PC有2种连接方式.一种是有线连接，双方通过2组USB插口传递信息，一组USB实时传送程序，另一组为传送图像专用.另一种为无线连接，通过插入机器人的CF无线LAN卡和相应软件来实现.以上两个例子都属于一般级别的机器人.（3）通过蓝牙技术实现语音和数据的交换.蓝牙的有效范围约为10m.这对控制小范围内活动的机器人是可行的.TaiChi机器人是这方面的例子，它配备了蓝牙插件.当然，蓝牙1Mbps的传输率对于传输图像显得太慢.传送一幅未经压缩的35万像素的彩色图像需时8s多。4仿人机器人的传感器自主引导车（AGV）类机器人通常采用传感器来确定是否存在障碍，测量前方物体的距离，确定自身的位置和在水平面中的方向.这些目标对于仿人机器人同样重要.但仿人机器人尚有更基本的要求.双足行走的特点决定了为了防止倾跌和提高走动的效仿人机器人必须随时确定自身在三维空间中的倾斜趋势以保持动态平衡.因此，它们优先采用的传感器是陀螺和脚底压力传感器.这两种传感器在双足行走的机器人中是很普遍的，即使尚未采用的也把这类传感器作为选件的首选.以HOAP-2机器人为例，它的姿态传感器安装在机器人躯干上半部.姿态传感器由3轴角速度传感器（陀螺）和3轴加速度传感器组成.在机器人静止状态下测定了加速度和角速度的额定数据.经AD转换后以机器人腰部坐标表达这些物理量.在动态情况下，这些物理量的变化被用于相应关节的补偿运动.姿态传感器大大改善了机器人的动态平衡性能。HOAP-2机器人的脚底传感器安装在脚底板两层之间.每个脚底板有4个传感器，位于脚底板的四角.脚底板触地时两层底板平面相对倾斜，可被某个接触传感器感知，控制脚踝处关节的运动可以调整脚底板的姿态.脚底板传感器也可以给基于ZMP判据的控制提供信息°Asimo和HRP一2机器人在手腕和脚踝处分别选用了六维力传感器.可增加对外界的感知。脚踝处六维力传感器对以ZMP为判据的控制尤为必要.索尼公司的设计略有不同，它在SDR-4X机器人上每个脚底板下设4个力传感器，这是特别设计的薄膜传感器，信号经AD转换，由辅助DSP计算实际ZMP位置，经辅助CPU送至主CPU.由此4个力传感器计算的ZMP位置精度为0.5mm，足够满足控制需要.索尼公司还使用了3个二轴加速度传感器（躯干底部1个，2个脚底板各1个），又在躯干底部装3个单轴角速度传感器（陀螺）.加速度传感器和角速度传感器的输出总和用于测量躯干的倾斜度.由于机器人个体小，索尼特别关注传感器的小型化和轻量化.改进设计后的加速度传感器、角速度传感器自重分别仅为0.2g和0.4g。5仿人机器人的视觉视觉是仿人机器人感知外界的最重要的感觉。图像处理和分析的计算重负使得许多仿人机器人不得不放弃视觉.现有的最先进的带有视觉的仿人机器人有本田公司开发的Asimo、索尼公司的QIRO、川田等公司生产的HRP-2以及富士通公司的HOAP-2机器人.QIRO和Asim。机器人具有双目匹配、人脸识别以及识别运动中物体的视觉功能.Asim。还有手势和姿态识别功能.这些机器人对视觉信号处理主要有两种途径：Asimo、QIRO、HRP-2等机器人除了有机载CPU进行步行控制外，还采用1至2个机载通用CPU专门处理视觉和传感器信息.另一种做法是把图像上传到主机处理.例如单CPU的HOAP-2机器人预留了一个专用的图像USB通道，把图像上传到主机处理后再把结果回传至机器人.第一种做法机器人带有2至3块主板，控制复杂.第二种做法上传图像使机器人离不开USB电缆，不能脱机运行；如果用无线网络则通讯成为瓶颈，无法实现实时控制.机器人采用自带的图像处理装置可能将成为更有前途的第三种途径.索尼公司在SDR-4X机器人上使用FPGA进行两个摄像头的图像匹配，结果再送主CPU.有一种在其它机器人导航上已使用的高速图像处理装置Bi—i值得注意.这种AnalogieComputers公司生产的高速图像处理装置Bi一i可以在不必占用主机的CPU时间的情况下每秒处理高达10000幅128X12