仿人机器人发展概况调查

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Asimo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。傍1仿人机器昌人的自由度吨现有的仿人枝机器人其自葱由度数少的强有17个(甚近藤KHR嘉．1)，多向的有41个年(HUBO朱)。如下图逆：激仿人机器人霜到底需要多鞠少自由度呢呼?除了手部谦另作讨论以您外，仿人机械器人的自由敌度是腿部、恐臂部、腰部最、颈部各自责由度之和，揪见图3．以秘下分别讨论猎这些部分．横(1)通常考的设计中腿裙部自由度为谁5个(臀2稍，膝1，踝强2，典型的合是近藤KH境R．1)和达6个(在5辆个的基础上言增加1个臀绒部自由度R崖L1或LL绩1，典型的协是富士通H除OAP-2供、Asim志o和QIR哨O)．每条喂腿5个自由置度已经可以考完成基本行始走动作．增括加的臀部自名由度可使行铲走动作更优河雅，少一点殿机器人味．孕(2)臂部闪自由度的基始本设计为3消个(肩2，挠肘1)．各拼个公司对第成4个臂部自步由度的选择鸦不同．富士判通公司的H煎OAP2在香3个的基础附上增加1个献肩部自由度训RS3或L怕S3．Ni赌vanaT习echno驻logy公饥司的Tai度Chi机器菊人则增加1塑个腕部自由渐度RWr2屈或LWr2订．腕部自由冰度最多可增丘加3个，Q岸IRO由于纵腕部增加了醋2个自由度距而成功地表述演了持扇跳哄舞．(3)揉一般设计腰呆部无动作，圣连Asim叶o和QIR挨O也没有腰当部自由度．蒸增加1个腰烦部自由度首园选Wal，邻这个动作对糊打太极拳和支跑步都很重摊要．(4)户颈部自由度扶初选为1个雅(N1)，密增加1个一亚般都选N2该．(5)最渔后，手部自往由度差别很遥大．每只手妻的五指共有冠21个自由毫度，问题在叉于怎样简化夏．简单的设蠢计只是一个躲手形，不能铜开合．稍复娃杂的设计中概手的动作类疮似工业机器份人的夹持器遭．复杂的设拣计寻求10约根手指各自怠独立地运动曲．这将大大搏增加自由度强的总数．现塑在，可以看框到作为一个县典型的简单沈的仿人机器传人设计，其灭自由度的总超数为5失×吹2(腿部)无+3逃×捏2勤衰(臂部)+菊0(腰部)绝+1(颈部拐)+0(手病部)=J7盒个，这便是嚷近藤KHR晚一1机器人袄．这样，我就们得知17怨个自由度是秀一个仿人机闯器人(不含敲被动动力模腔型)自由度君数的低限．化另一个例子惹是新一代A饿simo，覆其自由度的恩总数为6之×框2(腿部)静+7赖×佳2(臂部，淹其中肩3，逗肘1，腕3野)+1(经腰部)+3恨(颈部)+正2吉×虚2(手部，丛拇指1，其兽它四指1)债=34个。腥仿人机器人俊的驱动电机吵绝大多数仿低人机器人都录用数字伺服辫电机驱动。建由于伺服电供机的转动角韵度为120软度或18犯0度，正好杯模拟人类各气关节转动不乔会大于18依0。的特点危．日本的近遮藤和双蕖等羞公司还开发鸭了仿人机器渗人专用伺服坦电机。这种珍专用伺服电南机的特点是迁速度快、扭监矩大，另一补特点是配备展了双向高速惧接口，能够斑确定并传送贼当前伺服电厉机位置，可狂以实现示教筋方法编程．凡这对多自由树度的仿人机全器人的编程渔带来很大方纷便．由于伺辱服电机的设漏计及价格因枝素，在工业款机器人中广办泛使用的示现教编程方法湖仅在少量仿筋人机器人中绢使用。伺服绩电机的尺寸杰对仿人机器焦人的设计有百很大影响．盟对于一个有凭2个或3个善自由度的肩速部来说，由享于电机的尺减寸不允许把警它们放在同捆一平面上，么势必造成2魄个或3个电逮机成串排列死．这使得手题臂的尺寸长读得与躯干不疑成比例，看回上去像个大符猩猩．排列模在下方的关犁节由于远离燥肩部，其转正动更使人有疮怪异的感觉器．例如近藤恐公司的YD嫁H道—池EZA机器屿人比KHR创一1机器人劲增加了4个晓自由度(左剑右臂、腿各滨增加1个)骄，动作功能族增强了，却观带来了膛“脖非人货”锤的感觉．换盗句话说，一质定尺寸的伺记服电机限定慕了机器人的誓最小合理尺陵寸.壶仿人机器人竭的处理器和泰操作系统末由于仿人机咐器人需要控爽制多个关节末，检测多个占传感器的信够息，因此需穗要很强的处洒理能力．另逗一方面，编卸程和处理图国像等大量信般息需要外界浪计算机的帮堂助．和工业膏机器人一样耳，通常每个屿关节由一个档微处理器和酿相应的伺服慧电机构成闭尘环．各个微饼处理器接受纸机器人载C执PU的命令蜓．仿人机器抱人处理器的糖安排有下列欲几种：(1悦)典型的一分般设计是机逼器人载一个亡CPU并配缴备相应的操菌作系统，编州程和图像处唇理由外部计周算机进行．丑(2)高级翻别的设计是拔机器人载2百个或3个C汽PU，主C蛇PU控制步康态计算，其朵他CPU用治于图像和传蛾感器信号处般理．QIR停O和HRP搁-2机器人狡属于这种高逆级别类型．像高级别和一代般级别的机团器人都装载吩实时操作系横统．控制周丘期一般为I执ms．(3节)最低级别分的机器人无扣CPU，只焦带微处理器诊单板，用来扭执行从外部逆主机下载的毛程序外部计派算机与机器拨人载处理器涂的信息交换源方法有下列宵几种：(1民)编程软件锅安装在外部冈计算机上，沉Pc需通过替电缆和机器你人上微处理技器搭载的单蝇板连线初始京化伺服电机太和下载程序疏．程序下载贵后，电缆可奔以断开，机凡器人执行已宣存储的程序夫．由于处理劫能力的限制饶，需要几块呆单板一起连沉接．这种机偿器人通常不头带传感器．扬这种方法适合用于简单结捡构的仿人机哑器人．一个躁例子便是近受藤KHR一析1机器人，角它带2块单浩板，每块单匪板可控制1吹2个电机，摇共可控制2恢4个电机，驾实用17个奶口，尚多余使7个口可供琴扩展．(2尽)Pc通过质符合IEE遍E802．名11B标准危的无线LA忧N卡和机器饲人上的CP揪U构成网络抗．一个例子嘉便是双蕖电侧子公司的S锈peecy糕s机器人．坊Speec岁ys机器人哀的CPU是烟Motol丽ora的P吊owerP宴C炸相MPC52栗00，操作堪系统用的是捕该公司自己如开发的以N灰et龄—圣BSD为基杜础的Spe茶ecysO底S．机器人止头部还有2复个cF卡插残槽，可用来持插放支持I豆EEE80谋2．11B岸标准的无线责LAN卡．丽因而，通过才互联网，计胡算机可接收颠机器人采集立的图像，亦窗可通过附属摸的软件Sp睁eecys考Syste薯m，对机器喜人进行遥控锣．另一个例胖子是富士通法公司的HO何AP-2机宴器人．HO傅AP一2机旧器人用了7貌00MHz活的CPU．峰PC端与机脏器人端的O握S都是RT通—矮Linux趴．HOAP烛一2机器人温与PC有2稳种连接方式免．一种是有钢线连接，双询方通过2组幼USB插口浸传递信息，扒一组USB硬实时传送程式序，另一组法为传送图像裙专用．另一顺种为无线连痕接，通过插剪入机器人的泉CF无线L愈AN卡和相嫌应软件来实柜现．以上两愚个例子都属掉于一般级别其的机器人．备(3)通过崖蓝牙技术实船现语音和数各据的交换．蚂蓝牙的有效薄范围约为1陈0m．这对雅控制小范围捆内活动的机欣器人是可行撕的．Tai丧Chi机器根人是这方面挣的例子，它息配备了蓝牙蒸插件．当然绢，蓝牙1M折bps的传爸输率对于传丘输图像显得速太慢．传送火一幅未经压前缩的35万喂像素的彩色半图像需时8义s多。暗4仿人机它器人的传感南器剃自主引导车盐(AGV)如类机器人通寻常采用传感轮器来确定是夜否存在障碍演，测量前方黎物体的距离肿，确定自身敲的位置和在挑水平面中的设方向．这些剪目标对于仿葛人机器人同侍样重要．但仅仿人机器人窗尚有更基本古的要求．双寻足行走的特昂点决定了为落了防止倾跌竟和提高走动守的效仿人机踩器人必须随勒时确定自身棒在三维空间铲中的倾斜趋妥势以保持动喂态平衡．因烧此，它们优品先采用的传撞感器是陀螺钟和脚底压力毯传感器．这泼两种传感器疼在双足行走调的机器人中形是很普遍的死，即使尚未绩采用的也把仇这类传感器把作为选件的语首选．以H会OAP-2炮机器人为例每，它的姿态宇传感器安装暖在机器人躯抖干上半部．病姿态传感器初由3轴角速彩度传感器(省陀螺)和3拖轴加速度传呀感器组成．谱在机器人静扶止状态下测碌定了加速度卷和角速度的骨额定数据．伟经AD转换燃后以机器人州腰部坐标表裹达这些物理务量．在动态蹄情况下，这巷些物理量的疑变化被用于涝相应关节的烈补偿运动．掩姿态传感器列大大改善了喷机器人的动读态平衡性能继。HOAP五-2机器人球的脚底传感刻器安装在脚猴底板两层之仔间．每个脚谷底板有4个雾传感器，位听于脚底板的蹈四角．脚底荷板触地时两荷层底板平面嗽相对倾斜，漆可被某个接粗触传感器感刊知，控制脚村踝处关节的非运动可以调奋整脚底板的遮姿态．脚底孟板传感器也售可以给基于呜ZMP判据块的控制提供盏信息。As味imo和H软RP一2机柄器人在手腕添和脚踝处分尝别选用了六般维力传感器跳．可增加对努外界的感知饱。脚踝处六估维力传感器霞对以ZMP上为判据的控挺制尤为必要抢．索尼公司婆的设计略有诞不同，它晋在SDR-虚4X机器人帮上每个脚底迁板下设4个被力传感器，取这是特别设遗计的薄膜传朋感器，信号享经AD转换击，由辅助D忍SP计算实亡际ZMP位闪置，经辅助引CPU送至熔主CPU．么由此4个力教传感器计算裕的ZMP位斤置精度为0慨．5mm，探足够满足控巷制需要．索橡尼公司还使刷用了3个二盗轴加速度传男感器(躯干吼底部1个，商2个脚底板芝各1个)，柳又在躯干底译部装3个单涨轴角速度传典感器(陀螺冈)．加速度哈传感器和角涌速度传感器位的输出总和静用于测量躯泻干的倾斜度放．由于机器兴人个体小，当索尼特别关访注传感器的刷小型化和轻氏量化．改进秤设计后的加姥速度传感器羞、角速度传爆感器自重分皮别仅为0．砍2g和0．粒4g。渣5仿人机帮器人的视觉包视觉是仿人筝机器人感知祸外界的最重低要的感觉。浆图像处理和郊分析的计算鞋重负使得许词多仿人机器颗人不得不放萌弃视觉．现蜡有的最先进沈的带有视觉接的仿人机器神人有本田公承司开发的A帆simo、济索尼公司的诚QIRO、时川田等公司觉生产的HR尼P-2以及艺富士通公司你的HOAP对-2机器人丧．QIRO组和Asim蓬o机器人具支有双目匹久配、人脸识加别以及识别娃运动中物体邀的视觉功能墙．Asim啦o还有手势士和姿态识别捐功能．这些发机器人对视侄觉信号处理里主要有两种认途径：As弄imo、Q忠IRO、H台RP-2等里机器人除了旬有机载CP耳U进行步行宋控制外，还凶采用1至2逢个机载通用炎CPU专门脾处理视觉和昆传感器信息费．另一种做剥法是把图像盛上传到主机闪处理．例如胁单CPU的输HOAP-衰2机器人预嗓留了一个专故用的图像U伟SB通道，烫把图像上传手到主机处理辣后再把结果乐回传至机器怪人．第一种邀做法机器人逐带有2至3心块主板，控姥制复杂．第咐二种做法上搁传图像使机敞器人离不开坛USB电缆程，不能脱机芒运行；如果浙用无线网络霜则通讯成为器瓶颈，无法驳实现实时控玩制．机器人问采用自带的祥图像处理装岂置可能将成钢为更有前途布的第三种途垃径．索尼公推司在SDR轿-4X机器胶人上使用F调PGA进行麻两个摄像头也的图像匹配缓，结果再送衫主CPU．创有一种在其县它机器人导韵航上已使用优的高速图像市处理装置B晌i鸣—答i值得注意丙．这种An器alogi谢eComp舰uters爆公司生产的贪高速图像处桶理装置Bi马—恰i可以在不乖必占用主机数的CPU时阿间的情况下哲每秒处理高痛达1000辛0幅128羡×乱128图像将．Bi耽—震i的中央处睡理器是一个般600MH林z的数字信债号处理器(衬DSP)，寿并配备15尽0MHz浮腔点协处理器恳和ACE1美6K处理器码．ACE1寿6K芯片号倚称第三代人弹工视网膜，竿是对生物视织网膜最成功抹的模拟．它抬的设计基于窜细胞神经网你络(CNN诵，Cell追ula