早稻田大学机器人

上海大学2011～2012学年冬季学期研究生课程考试课程名称：机器人工程课程编号：091101701论文题目:早稻田大学机器人研究研究生姓名:诸华林学号:11721126论文评语:成绩:任课教师:评阅日期:“早稻田大学机器人研究”调研报告诸华林〔上海大学机电工程与自动化学院，上海200072〕摘要：本文介绍了早稻田大学的机器人研究状况，及各个时期的主要机器人代表型号。并且根据早稻田大学机器人研究的特点，以双足步行机器人为重点，简述其设计关键技术。最后简单介绍了早稻田大学机器人研究与国内机器人研究的比照状况，并且对国内机器人研究提出些许建议。关键词：早稻田大学；机器人；双足步行机器人ResearchonRobotsOfWasedaUniversityZhuHualin(SchoolofMechanicalandElectricalEngineeringandAutomation，ShanghaiUniversity，Shanghai200072，China)Abstract:ThispaperintroducetheconditionofrobotsresearchinWasedaUniversity.Atthesametime,itgivesabriefintroductionoftypicalrobotversionmadebyWasedaUniversity.AccordingtothecharacteristicofresearchinWasedaUniversity,weputemphasisonthe“bipedwalkingrobots”.Thekeytechnologiesof“bipedwalkingrobots”isgiveninthepaper.Atlast,wediscussthecomparisionsbetweenresearchinWasedaUniversityandthedomesticsituationonit.Meanwhile,somesuggestionsarepreserented.Keyword:WasedaUniversity;Robot;Bipedwalkingrobots机器人〔Robot〕是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原那么纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。机器人的开展主要分为三代：第一代机器人属于示教再现型,第二代那么具备了感觉能力,第三代机器人是智能机器人,它不仅具有感觉能力,而且还具有独立判断和行动的能力。 1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。在机器人的开展史中，有许多里程碑式的进步，包括早稻田大学为机器人科学带来的长足的进步。一：早稻田大学机器人开展历程 早稻田大学，一个具有浓厚田园色彩的校名，它是日本最负盛名的大学之一。它的科研水平一直走在世界大学的前列。早在1964年早稻田大学就开始了机器人制造和使用的研究。早稻田大学对较多种类的机器人都有一定的研究和探索，特别是加藤一郎教授创立的加藤实验室对于两足机器人的研究更是对机器人的开展做出了卓越的奉献。纵观早稻田大学的机器人开展史几乎可以说是加藤实验室的研究史。 1.1第一台真正意义上的仿人机器人——WABOT11973年，WABOT1号，机器人，如图1，于“早大”有关研究室协作下完成。该机器人身高约2米，体重160公斤。有两只手，两条腿，在胸部有2个眼睛、耳朵和嘴巴。全身共有26个关节，手上还装有触觉传感器。机器人能用日语与人进行预先规定范围内的简单的对话。它可根据人的语言命令巡视周围，找到物体，并测出机器人与物体的距离，然后缓慢的走到目标前，伸出双手，抓住目标再返回原地。 图1WABOT——1号机器人1.2早稻田大学关于假手的研究加藤先生从1964年开始研制假手，历经5年，至1969年完成了WH4P假手的研究室实验阶段。从1973年起，WH4P开始朝实用化、商品化开展。经过数次修改和实验，假手终于正式成为商品出售。它可以利用断臂肌肉产生的肌电信号来控制手指动作，从而实现“拿”和“抓”两个动作。1979年，WH-9H3号假手完成，如图2。它有三个自由度，能做到手指开闭、手腕回转和手掌屈伸三个动作。它接受断臂的肌电信号，并通过CPU8085构成的微型计算机对这6路信号进行处理和识别，最后采用液压方式进行驱动。 1982年夏，早稻田大学又展示了具有力矩和位置控制的机械手WAM-6，如图3，它共有9个自由度〔肩——3自由度、肘——3自由度、手指——2自由度〕。这只手有了力的感觉，更加接近人手的柔软性和适应性。它能够完成转动手柄开门、绕开障碍物。[1] 图2WH-9H3号假手图3WAM-6号假手1.3第一台准动态机器人——WL9DR早稻田大学在1972年完成了静态步行〔即WABOT1号机器人〕后，就开始了更接近人的走路姿势的所谓“准动态步行机”的研究，即步行过程中，当落地脚交换时身体的重心进行动态地转移。于是早稻田大学于1981年2月初进行了公开表演，展示了WL-9DR号机器人，如图三，这是世界首次完成此项试验。WL-9DR相当于人的下半身，两条腿共有10个自由度，高度约0.5米。步行机采用程序控制的方式，每个关节的角度通过电位器反应给计算机。采用微机进行数据文件管理，再用另一台微机通过A/D转换对步行机进行控制。它的研制成功使得机器人从40s缩短到9s，步幅从0.17m提高到0.45m，下半身体重从130公斤减至40.7公斤。[2]图4WL-9DR号机器人1.4早稻田大学对假肢的研究早稻田大学对于假肢的研究开始于1971年，并于1974年完成了WLP-5的研制和临床试验，它所带的便携式微机控制盒可以对大腿肌电信息进行处理以调节假肢的运动、制动状况，力求使残废者在步行时更接近健康人。[1]图5WLP-5号假肢1.5效劳机器人TWENDY-ONE系列早稻田大学的仿人型机器人“Twendy-One”，见图5的研制工程开始于2000年。2007年11月底，早稻田大学的科学家历时七年研制，推出了强调平安、可靠和灵巧的第一代仿人型机器人“Twendy-One”。机器人“Twendy-One”的外型有些笨重，但是手指却非常灵活。它一只手能轻松拿起了桌上的一根吸管，然后另一只手稳稳的端起了一个杯子。这一演示证明了“Twendy-One”可以很好地给需要喂药的老年人或者残障人士提供效劳。虽然是仿人型机器人，“Twendy-One”的手和人却并不完全一样，它只有四个手指。据早稻田的专家介绍，机器人的每一只手都安装了13个先进的传感器，可以完成许多人类的动作，而机器人手指关节处的弹簧，那么保持了动作的稳定性。早稻田大学机器人研究专家：这个机器人的手根本上可以完成，所有人类能做出的动作，首先它的手指外表使用了柔软的硅胶，触感与人手接近，而它的手指末端的传感器，敏感程度也根本接近人类。除了平安、灵巧之外，机器人“Twendy-One”的臂力也很强，它依靠两个滚轴式的滑轮站立，可以搀扶行动不便者站立起来，也可以帮他们抱到床上去。但第一代机器人的电池仅能维持15分钟的活动，每次使用后，它装有电脑系统的后背都可能变得过热。2009年1月14日，早稻田大学推出Twendy-one型效劳机器人的升级版，它延长了电池的使用时间。图5TWENDY-ONE号效劳机器人1.6早稻田大学载人机器人研究早稻田大学教授高西等人此前曾于2003年11月开发出了能够坐人行走的双足行走机器人“WL-16”，此后又于2005年4月开发出了坐上人之后能够上下台阶的新型机器人“WL-16RII”，逐渐对机器人进行了改进。2006年4月底推出的WL-16RIII就是上述机器人的后续型号。[3]早稻田大学理工学术院教授高西淳夫研究室和日本机器人开发风险企业Tmsuk公司，日前开发出了坐上人以后能够在台阶或室外坑洼之处行走的双足行走机器人“WL-16RIII〔WasedaLeg-No.16RefinedIII〕”。在高1.28m的机器人上部安装了坐人的椅子，并装有用来指示行进方向和速度的操纵杆，能够沿着设想的方向行进。该机器人的总重量为76kg。坐上一位体重55kg的成年男性以后，在公路上铺设的盲道上，以及人行横道和倾斜角为3度的砂石路等路面上实现了稳定行走。2007年3月中旬，早稻田大学又推出了最新的载人机器人WL-16IV〔图6〕，它在功能和稳定性上相对WL-16III进一步加强。图6WL-16IV号载人机器人1.7情感机器人2009年6月23日，日本早稻田大学推出了一款情感丰富的机器人—KOBIAN〔图7〕。据说该款机器人是世界上首款能够同时利用表情和动作与人进行全面情绪互动的机器人。[4]图7情感机器人KOBIAN二：两足步行机器人关键技术图8是日本早稻田大学研制开发的WL-16载人两足机器人，它是世界上第一台能够实现载人步行的两足步行机器人。WL-16机器人系列并没有采用常规的两足步行机器人所采用的、模仿人体下肢结构的串联式多关节方式，而是创新地采用了平行连杆机构。[5]与传统的串联式关节结构设计相比，这样的结构设计大大提高了机器人的结构强度和稳定性，这无疑对于实现载人有着非常重要的意义，但同时这种结构设计减小了机器人的灵活度，关节的活动范围也受到一定限制。[6]那么对于两足步行机器人的设计关键是什么呢？图8WL-16载人两足机器人2.1稳定控制在两足机器人的研究过程中，如何保证步行过程中的动态稳定，始终是一个关键问题。为使两足机器人获得稳定的步态，目前通用的方式是：离线进行步态规划，然后加以在线修正。在步态规划过程中，目前普遍采用武科布拉托维奇提出的ZMP(零力矩点)判据[7]，即步行过程中零力矩点ZMP必须始终落在机器人的支撑平面内，该步态才是动态稳定的。其中，ZMP这样定义：地面对脚底板沿Z向作用的分布力的合力，假设这个合力作用点处的力矩为零，这一点便是ZMP点。传统的仿人型两足机器人，是具有类似于人类根本外观特征和步行运动功能的一种机器人。在这类机器人的运动控制中，它们的上体姿态控制对于保证整个系统的动态稳定性非常重要。通过控制上体姿态可以间接地对ZMP进行调整。上体在前向平面内应满足的外部空间约束条件为：式中：S———两足步行机器人行走的步长；xs———双脚支撑期开始时机器人的上体到支撑腿的踝关节的距离；xc———双脚支撑期结束时机器人的上体到支撑腿踝关节的距离。参照上述约束条件对机器人的上体轨迹预先进行规划，可以有效地提高仿人型机器人在步行过程中的稳定性；但对于载人两足步行机器人，这样的方法无法实现。这类机器人不具有与仿人型机器人一样的上体结构，而且在步行过程中，乘坐者的身体晃动不可预知，因此无法预先进行判断和规划。考虑到这些因素，要提高载人机器人的动态稳定性，必须在以下两个方面进行更深入地研究：〔1〕在人体自由晃动引起重心随机变化的条件下，建立人-机器人一体化的动力学模型。通过引入上身扰动参数对传统控制方法进行修正，建立模拟乘坐者晃动情况的人-机一体化的动力学模型。〔2〕载人条件下的稳定步态控制。机器人快速行走的稳定性可以根据ZMP判据判别。通常，实际ZMP的稳定区与边界应保持一定的距离,即有效稳定区。通过人机交互对机器人进行控制也不失为一种新的解决途径。在行进过程中，与机器人自身的传感器系统相比，乘坐者会对外界环境，诸如障碍物、地面平整度等有更为全面的了解。因此，在机器人的运动控制中，乘坐者的自主控制可以适当介入，例如，预先设定在不同地面条件下机器人的不同步态，而由乘坐者根据不同的地面条件和外部环境进行选择；乘坐者根据人体的运动习惯，通过一些上体动作，诸如晃臂摆头、适当移动身体重心等，来辅助实现机器人的动态平衡。借助以上的方式，使乘坐者的判断适度地表达在机器人的稳定控制中，实现人与机器人之间更密切的协同配合，提高机器人的环境适应性和动态稳定性。2.2平安保护载人两足步行机器人如果要实际应用，使用平安性就必须得到很好的保证。除了通过各种方法来提高它行进过程中的动态稳定性以外，还应该引入必要的平安装置，以确保在机器人摔倒的突发情况下，乘坐者的人身平安。在上文所介绍的几种两足载人机器人中，平安性方面的考虑已有所表达。例如，i-foot机器人设计了卵形座椅，上海交通大学在研的机器人在座椅上也添加了环形防护架。这样，在机器人摔倒时，防止乘坐者身体直接触地，降低受伤的可能性。但显然这种设计对于人体的头部、背部等容易受到伤害的部位起到的保护作用非常有限。当摔倒时，人体最先触地的部位通常是背部、手臂、臀部以及头部。在这些部位中，背部和头部极易因撞击而受到严重伤害，而臀部可以承受的冲击最大，且臀部触地对人体造成的伤害也最小。因此，人们在摔倒时，会尽量使臀部先触地接受冲击，防止受伤。这样的思路可以用于两足步行载人机器人的平安装置设计。在机器人摔倒时，通过主动控制，使乘坐者臀部最先接受冲击，防止受伤。上海交通大学在两足步行椅机器人的研究过程中，设计了一种座椅平安保护装置。座椅与腿部之间设置轴可以相对转动。在正常情况下，两者之间的固定由电磁卡销实现。座椅底部安装倾角传感器，当检测到座椅倾斜角度超过设定值〔即摔倒无法防止〕，电磁卡销松开，同时轴上电机工作，使座椅相对腿部转动，保证触地时，座椅水平触地，防止乘坐者头部等重要部位受伤，如图9所示。图9座椅平安保护装置的作用上述的平安保护方法对乘坐者的保护更为合理和有效，但目前还有需要改进之处。例如，系统响应速度有待提高，系统重量较大，结构较复杂等等。载人两足步行机器人要推广实用，乘坐者的平安保护就是一个无法回避的问题。以上介绍的只是初步的一些成果和思路，更为合理和有效的平安保护方案还有待于进一步的研究和探索。2.3减震系统在步行过程中，步行机器人脚部落地瞬间会产生较大冲击，极易对机体造成损害。所以，步行机器人脚部一般都安装橡胶制成的减震垫。对于载人两足步行机器人来说，仅仅在脚部安装橡胶垫无法满足它的减震要求，因为除去脚部触地带来的震动，座椅还会随着机体进行有规律的上下震动。座椅过大的震动不仅会给乘坐者带来不适，更重要的是，还会造成机器人的重心偏移，影响整个系统的稳定性。因此，在座椅和机体之间的减震系统设计非常重要。减震系统根据工作方式的不同可以分为主动悬挂和被动悬挂两类。主动悬挂方式采用液压或气压装置，根据控制信号，主动对系统产生的震动进行吸收；被动悬挂方式一般通过采用弹簧和阻尼器等装置，来被动吸收系统运动过程中所产生的震动。以上两种避震系统方案各有其优劣。主动悬挂方式有着更好的减震效果，但是结构复杂，实现起来比拟困难，较大的重量也会对机器人性能带来一定影响；被动悬挂方式结构简单，更容易实现，但减震效果又有限制。因此，两种减震方式的取舍和改进还需进一步试验和研究。[8]三：早稻田大学机器人开展趋势与国内机器人开展前景3.1早稻田大学机器人“日本机器人之父”加藤一郎教授是开创两足步行机器人研究的先驱，70年代研发了人工肌肉驱动的下肢机器人，90年代研发了以液压、电机驱动的WL系列下肢机器人,90年代WABIAN系列开始带有上肢才具有拟人形,高西淳夫研究室是原加藤实验室的延续。WABIAN-RIV(图10)有如下特点:A:尽量再现人的步行功能为了最大限度地再现人体步行机能,WABIAN设计成身高与人相近,有44个关节(多出其它样机7-9)个,头部可前后、俯仰、侧摆、转动、肩部可回转，手腕可前后、左右、回转、设计的自由度愈多当然愈灵活，但是也势必造成控制的难度。因此WABIAN主要表达在研究价值上。B:全身协调运动控制早稻田大学创立的全身协调运动控制方法适应于尽可能多地再现人体运动功能的目标，其特点是以上身为主实现大幅度动作，下身协从平衡。此方法后来被改进并应用到索尼3DR-3X中。C:高度智能化WABIAN-RIV还具有视觉、听觉，能够听从局部手势、体语和声音调整行走起停，方向、步速、步幅，还能与人进行简单的语音交流。[9]图10WABLAN-RIV3.2国内〔仿人〕机器人开展国内机器人，特别是仿人机器人的研制工作起步较晚。1985年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果。其中以哈尔滨工业大学和国防科技大学最为典型。哈尔滨工业大学自1985年开始研制双足步行机器人。基于控制理论曾经获得自然科学基金和国家“863”方案的支持。迄今为止已经完成了三个型号的研制工作:第一个型号HIT-I为10个自由度。重100kg，高1.2m，关节由直流伺服电极驱动，属于静态步行。第二个型号HIT-II为12个自由度，该机器人髋关节和腿部结构采用了平行四边形结构。第三个型号HIT-III为12个自由度，踝关节采用两电机交叉结构，同时实现两个自由度，腿部结构采用了圆筒形结构。HIT-III实现了静态步行和动态步行。能够完成前/后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。目前，哈尔滨工业大学机器人研究所与机械电子工程教研室合作，正在致力于功能齐全的仿人机器人HIT-IV的研制工作，该机器人包括行走机构、上身及臂部执行机构，初步设定32个自由度。国防科技大学也进行了这方面的研究。在1989年研制成功了一台双足行走机器人。这台机器人具有10个自由度，能完成静态步行、动态步行。清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等高等院校和研究机构也在近几年投入了相当的人力、物力，进行智能仿人机器人的研制工作。总体来说，我国的机器人的开展水平与国外，特别是日本，还有较大的差距，但近些年，我国的机器人研发能力已有长足的进步，相信在不久后的未来，我们将进一步缩短与日本的差距，甚至超越日本，找到自己的研发特色。[10]3.3对于我国机器人研究的些许建议A、长期研发方案及经费保障机器人研发耗时长、耗资大，早稻田大学的机器人研发延续了30年。我国必须从长计议有多年的方案和数千万元数量级的资金才能成气候B、在市场运作中获得成功日本一条成功经验是将研发置于市场大环境中运作。由于公司决策层的远见卓识研发后期得到了丰厚的回报。中国期盼远见卓识的大公司参加机器人方案，成功需要的公司的“主导”作用，以市场为风向标进行机器人研发。C、组织精干队伍研究方案摊子不宜铺大，只有集中在国家级的科研单位小组以及有实力的公司才可能坚持做这种长线研发投入，力戒一哄而起。D、循序渐进机器人的研究是一个渐进的过程。拟人机器人更是如此。步行机器人的三大功能：步行、手及手臂作业、大脑决策。以步行最困难日本早稻田大学和本田的本田都是从下肢着手逐步延展至上肢的。我国的研究方案要既克服急