類人型機(jī)器人

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔類人型機(jī)器人 ASIMO 的問世班級(jí)：11電氣一班姓名：夏禹學(xué) 號(hào) ：8110211046ASIMOUh. VlondM HurrtaancKd Robct A34 MO實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔同組人員：石梁簡(jiǎn)介相信很多人對(duì)機(jī)器人的最初印象，會(huì)是來自于科幻小說或是科幻電影里，而今，人類的創(chuàng)造能力就如同其無限的想象能力一般，機(jī)器人早已不是存在于虛擬的世界里，它已隨著科技的進(jìn)步“登堂入室”，與我們的生活密不可分?！皺C(jī)器人” 一詞起源于捷克語，意為強(qiáng)迫勞動(dòng)力或奴隸。 這個(gè)詞是由劇作家 Karel Capek 引 入的，他虛構(gòu)創(chuàng)作的機(jī)器人很象Fran ke nste in 博士的怪物-

2、由化學(xué)和生物學(xué)方法而不是機(jī)械方法創(chuàng)造的生物。但現(xiàn)在流行文化中的機(jī)械機(jī)器人和這些虛構(gòu)的生物創(chuàng)作物沒多大區(qū) 別。想象一下未來的生活，機(jī)器人在你家里幫你煮飯，幫你做家務(wù)，幫你打掃房間或者在你工作的時(shí)候遞上一杯熱熱的咖啡？機(jī)器人已經(jīng)能夠代替人類做很多人類不想做的事情，甚至不能做的事情。在世界各地的很多現(xiàn)代化工廠中， 機(jī)器人已經(jīng)很早就代替工人組裝汽車， 尤 其是那些重復(fù)性很高的工作。 現(xiàn)在的商場(chǎng)里，也早已開始出售各種類型的清潔機(jī)器人， 能夠 自動(dòng)幫助你清潔家里的地面，雖然目前功能上單一了一點(diǎn)，但是畢竟也幫你做了不少工作。日本的本田公司（Honda ）在 1986 年就開始類人機(jī)器人的研究工作，到了201

3、1年為止已經(jīng) 20 多年了。在這 20 多年中，他們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域取得了舉世矚目的成績(jī)，ASIMO的研制成功讓 Ho nda 公司成為目前這個(gè)領(lǐng)域最領(lǐng)先的公司。在這篇文章中，我們將詳細(xì)了 解一下ASIMO 是如何工作的，基本的原理是什么。ASIMO的名稱由來ASIMO,代表 Advaneed Step in Innovative Mobility。是日本本田公司開發(fā)的目前世界上最先進(jìn)的步行機(jī)器人。也是目前世界上唯一能夠爬樓梯，慢速奔跑的雙足機(jī)器人。 雖然其它公司也有類似的雙足機(jī)器人，但是沒有任何一家的產(chǎn)品能在步態(tài)仿真度上面能達(dá)到ASIMO 的水準(zhǔn)。除了 ASIMO 杰出的步行能力以外，ASIMO

4、的智能也同樣出色。語音識(shí) 別功能以及實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔人臉識(shí)別功能能夠使用語音控制ASIMO 以及使用手勢(shì)來進(jìn)行交流。不僅如此，ASIMO 的手臂還能夠開電燈，開門，拿東西，拖盤子，甚至還能推車。Honda眼中的ASIMOHon da 希望開發(fā)出的機(jī)器人是能夠幫助人類，尤其是老年人的人類助手，而不是一個(gè)高科技玩具。因此 ASIMO 被設(shè)計(jì)成 1.2 米的高度，正好能夠和輪椅上的人平視。這讓ASIMO看上去非常有親和力， 因?yàn)榇蟪叽绲臋C(jī)器人會(huì)讓人有威脅感，小孩子也不會(huì)喜歡一個(gè)太高大的家伙。同時(shí)，這個(gè)高度也正好讓 ASIMO 能夠拿取桌子上的物體。這個(gè)設(shè)計(jì)因素在 ASIMO 被創(chuàng)建之初就已經(jīng)考慮

5、到了，可見Honda 工程師們的用心良苦。ASIMOASIMO的結(jié)構(gòu)：類似人類的身體結(jié)構(gòu)Honda 的工程師們?cè)陧?xiàng)目初始階段花費(fèi)了大量的時(shí)間研究了昆蟲，哺乳動(dòng)物的腿部移動(dòng)，甚至登山運(yùn)動(dòng)員在爬山時(shí)的腿部運(yùn)動(dòng)方式。這些研究幫助工程師們更好的了解我們?cè)谛凶哌^程中發(fā)生的一切，特別是關(guān)節(jié)處的運(yùn)動(dòng)。比如，我們?cè)谛凶叩臅r(shí)候會(huì)移動(dòng)我們的重心，并且前后擺動(dòng)雙手來平衡我們的身體。這些構(gòu)成了ASIMO 行走的基礎(chǔ)方式。在行走過程中，我們的腳趾也扮演了非常重要的角色，在平衡我們身體上起了很大的作用。在 ASIMO 的腳上也有類似的機(jī)理，而且還使用了吸震材料來吸收行走過程中產(chǎn)生的對(duì)關(guān)節(jié)的沖擊力，就像人類的軟組織一樣。實(shí)

6、用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔ASIMO 和人類一樣，有髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和足關(guān)節(jié)。機(jī)器人中的關(guān)節(jié)一般用“自由度”來表示。一個(gè)自由度表示一個(gè)運(yùn)動(dòng)可以或者向上，或者向下，或者向右，或者向左。ASIMO擁有 26 個(gè)自由度，分散在身體的不同部位。其中脖子有2 個(gè)自由度，每條手臂有 6 個(gè)自由度，每條腿也有 6 個(gè)自由度。腿上自由度的數(shù)量是根據(jù)人類行走，上下樓梯所需要的關(guān)節(jié)數(shù)研究出來的。ASIMO 身上兩個(gè)傳感器保證了 ASIMO 能夠正常行走，它們是速度傳感器和陀螺傳感器。正面照照關(guān)節(jié)謄關(guān)節(jié)腳關(guān)節(jié)ASIMO 關(guān)節(jié)圖ASIMO實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔它們主要用來讓 ASIMO 知道他身體目前前進(jìn)的速度以及和地面所成的角

7、度，并依次計(jì)算出 平衡身體所需要調(diào)節(jié)量。這兩個(gè)傳感器起的作用和我們?nèi)祟悆?nèi)耳相同。要進(jìn)行平衡的調(diào)節(jié)，ASIMO 還必須要有相應(yīng)的關(guān)節(jié)傳感器和6 軸的力傳感器，來感知肢體角度和受力情況。ASIMO的動(dòng)作：類似人類的步行方式除非你很了解機(jī)器人學(xué)，否則你很難想象要讓ASIMO 象人類這樣行走是多么的困難，而ASIMO 又是如何令人難以置信的達(dá)到這個(gè)程度的。ASIMO 的行走中最重要的部分就是它的調(diào)節(jié)能力。ASIMO 除了能像人類一樣正常的步行之外，它還能對(duì)行走過程中遇到的情況 進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。比如在有一定斜度的平面上行走，甚至有可能在行走過程中被人推了一下， ASIMO 都能快速對(duì)這些情況進(jìn)行及時(shí)地處理

8、，并進(jìn)行相應(yīng)的姿態(tài)調(diào)節(jié)，以確保能夠正常的 行走。為了實(shí)現(xiàn)這些，ASIMO 的工程師們需要考慮 ASIMO 在行走中產(chǎn)生的慣性力。當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)，它將受到由地球引力，以及加速或減速行進(jìn)所引起的慣性力的影響。這些力的總和被稱之為總慣性力。當(dāng)機(jī)器人的腳接觸地面時(shí)，它將受到來自地面反作用力的影響， 這個(gè)力稱之為地面反作用力。所有這些力都必須要被平衡掉，而 ASIMO 的控制目標(biāo)就是要找到一個(gè)姿勢(shì)能夠平衡掉所有的力。這稱做zero mome nt po int (ZMP)。當(dāng)機(jī)器人保持最佳平衡狀態(tài)的情況下行走時(shí)，軸向目標(biāo)總慣性力與實(shí)際地面反作用力相等。相應(yīng)地，目標(biāo)ZMP 與地面反作用力的中心點(diǎn)也重合。當(dāng)

9、機(jī)器人行走在不平坦的地面時(shí)，軸向目標(biāo)總慣性 力與實(shí)際的地面反作用力將會(huì)錯(cuò)位，因而會(huì)失去平衡，產(chǎn)生造成跌倒的力。跌倒力的大小與目標(biāo) ZMP 和地面反作用力中心點(diǎn)的錯(cuò)位程度相對(duì)應(yīng)。簡(jiǎn)而言之，目標(biāo)ZMP 和地面反作用力中心點(diǎn)的錯(cuò)位是造成失去平衡的主要原因。假若 Honda 機(jī)器人失去平衡有可能跌倒時(shí)，下述三個(gè)控制系統(tǒng)將起作用，以防止跌倒，并保持繼續(xù)行走狀態(tài)。地面反作用力控制：腳底要能夠適應(yīng)地面的不平整，同時(shí)還要能穩(wěn)定的站住。目標(biāo) ZMP 控制：當(dāng)由于種種原因造成 ASIMO 無法站立，并開始傾倒的時(shí)候，需要控制他 的上肢反方向運(yùn)動(dòng)來控制即將產(chǎn)生的摔跤，同時(shí)還要加快步速來平衡身體。實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔

10、落腳點(diǎn)控制：當(dāng)目標(biāo) ZMP 控制被激活的時(shí)候，ASIMO 需要調(diào)節(jié)每步的間距來滿足當(dāng)時(shí)身體的位置，速度和步長(zhǎng)之間的關(guān)系A(chǔ)SIMO的動(dòng)作：穩(wěn)步的行走ASIMO 能夠感應(yīng)到即將摔倒的情況，并能夠很快對(duì)此做出反應(yīng)；但是ASIMO 的工程師想要更多的功能。他們不但想讓ASIMO 能夠行走的更順暢，還想讓 ASIMO 能夠在不停止的情況下轉(zhuǎn)身。目前絕大多數(shù)其它類人機(jī)器人無法做到這一點(diǎn)。ASIMO 的腿部特寫當(dāng)我們走到彎角處需要轉(zhuǎn)身的時(shí)候，我們將我們身體的重心移到轉(zhuǎn)身的位置。ASIMO 使用了一種叫做 “動(dòng)作預(yù)測(cè)控制”，也叫做“ iWalk ”技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。ASIMO 需要預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)身所需 要的重心的移動(dòng)的位置

11、以及持續(xù)時(shí)間。由于這個(gè)技術(shù)是實(shí)時(shí)(Real Time )技術(shù)，因此 ASIMO能夠不需要停止就能夠轉(zhuǎn)身，實(shí)現(xiàn)邊走邊轉(zhuǎn)身。實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔本質(zhì)上，ASIMO 每走一步，他就需要計(jì)算一次他的重心位置以及慣量，并預(yù)測(cè)在下一步移動(dòng)后的位置，同時(shí)計(jì)算出所需要的重心移動(dòng)距離。他主要通過調(diào)節(jié)以下4 個(gè)因素：步長(zhǎng)：每步行走的長(zhǎng)度 位姿：身體的位置 速度：整體移動(dòng)的速度 行走方向：下一步移動(dòng)的方 向 ASIMO的動(dòng)作：上下樓梯 上下樓梯的動(dòng)作如果只是靠事先的程序輸入的話絕對(duì)不可能 實(shí)現(xiàn)。即使是輸入了階梯的高度及前后的距離，如果多達(dá)29 層的話，也會(huì)因誤差累積而無法正常走下來。為此， Honda 在 ASIM

12、O 的每只腳上，都裝了一個(gè) 6 軸力傳感器，用來監(jiān) 測(cè)每一步的穩(wěn)定程度。再結(jié)合陀螺儀和加速度傳感器，ASIMO 使用了獨(dú)特的數(shù)學(xué)算法來讓他上下樓梯，并能夠上下斜坡而平地。Hon da 的工程通過使其腳內(nèi)側(cè)不緊貼地面、腳趾比臺(tái)階邊緣向前探出少許這樣的站立方式來探測(cè)出臺(tái)階的邊緣。在這一狀態(tài)下，如果通過腳底的壓力傳感器進(jìn)行壓力分布測(cè)量的話，可以預(yù)先測(cè)出邊緣的位置。下樓梯時(shí)的著地點(diǎn)也可以同樣進(jìn)行預(yù)測(cè)。雖然操作人員向 ASIMO 輸入了樓梯大致的高度，但是最終則是通過 ASIMO 足底的傳感器來確認(rèn)樓梯位置的。不只是下樓梯，ASIMO 還能夠在斜坡上轉(zhuǎn)彎。這時(shí)由于ASIMO 的每一步都要變換姿勢(shì)，并改變

13、與ZMP 的關(guān)系，較下樓梯難度更大。下樓梯與在斜坡轉(zhuǎn)彎使用了相同的算法，因此不需要改變模式。機(jī)器人ASIMO-關(guān)于ASIMO的未來設(shè)想：如今 ASIMO 行走、奔跑自如，跳舞、射門、跑8 字、跑樓梯樣樣都行。在交互方面，ASIMO 還能與人類互動(dòng)協(xié)作進(jìn)行握手、猜拳等動(dòng)作，并與人進(jìn)行簡(jiǎn)單的交談、講笑話。更 為神奇的是，它除了可以為人端茶倒水、推車帶路，作為主人的你還不用擔(dān)心它“肚子餓”，據(jù)介紹，最新版的 ASIMO 機(jī)器人，快要沒電的時(shí)候，可以自己找地方進(jìn)行充電。而通過編 程，ASIMO還能指揮整個(gè)交響樂團(tuán)進(jìn)行表演。研究員介紹，在未來， ASIMO 將能做到有自己的面部表情，這將使其與人類的交談

14、變得更為自然和諧。ASIMO 將成為“感性”機(jī)器人中的杰出代表。實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔主要新技術(shù)：1 ）能夠?qū)崿F(xiàn)像人類一樣自然奔跑的新姿勢(shì)控制技術(shù)2 ）自律性的連續(xù)移動(dòng)技術(shù) 3）配合人的活動(dòng)而連貫活動(dòng)的技術(shù)1、新姿勢(shì)控制技術(shù)為了防止高速移動(dòng)產(chǎn)生的足部打滑和空中旋轉(zhuǎn)，保持平衡狀態(tài)，Hon da 通過利用上半身彎曲和旋轉(zhuǎn)的新姿勢(shì)控制理論和新開發(fā)的高速應(yīng)答硬件等，使 ASIMO 的最大奔跑速度達(dá)到了 3km/h。同時(shí)，步行速度也由原來的 1.6km/h 提高到 2.5km/h。2、自律性的連續(xù)移 動(dòng)技術(shù)通過地面?zhèn)鞲衅鳙@得的周圍環(huán)境信息和預(yù)先錄入的地圖信息等，ASIMO 能夠在步行的同時(shí)修正路線偏差，途

15、中無需停歇地直接移動(dòng)到目的地。通過地面?zhèn)鞲衅骱皖^部視覺傳感器發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，ASIMO 可以自身判斷，迂回選擇其他路線。3、配合人的活動(dòng)而連貫活動(dòng)的技術(shù)SIMO 通過頭部視覺傳感器、手腕部位新增加的腕力傳感器等檢測(cè)人的動(dòng)作，可以進(jìn)行物品交接，或配合人的動(dòng)作而握手，而且能夠朝著手被牽引的方向邁步等，實(shí)現(xiàn)了與人相配合的動(dòng)作。主要數(shù)據(jù)1、奔跑速度 3km/h （跳躍時(shí)間 0.5s） 2、普通步行速度2.5km/h （原來為 1.6km/h） 3 、身高 130cm（原來為 120cm） 4、體重 54kg（原來 52kg）5、活動(dòng)時(shí)間 1 小時(shí)（原來為 30 分鐘）實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：奔

16、跑或步行時(shí)，通過手腕部位的擺動(dòng)，以及腰部積極地旋轉(zhuǎn)，消除腳 部擺動(dòng)所產(chǎn)生的反作用力，從而提高步行速度。手腕彎曲關(guān)節(jié)：在手腕部位再增加2 個(gè)軸，使手腕能夠柔軟、靈活地活動(dòng)拇指關(guān)節(jié)：原來使用 1 個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng) 5 個(gè)手指，為了使拇指能夠獨(dú)立活動(dòng)，再增加馬達(dá)，使得 ASIMO 能夠拿各種各樣的東西。關(guān)于新姿勢(shì)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的奔跑，要在極短的周期內(nèi)無間歇地反復(fù)進(jìn)行足部的踢腿、邁步、著地動(dòng)作，同時(shí)，還必須要吸收足部在著地瞬間產(chǎn)生的沖擊。Honda 利用新開發(fā)的高速運(yùn)算處理電路、高速應(yīng)答/高功率馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置、輕型/高剛性的腳部構(gòu)造等，設(shè)計(jì)、開發(fā)出性能高于 以往 4 倍以上的高精度/高速應(yīng)答硬件。2、防止旋轉(zhuǎn)、打滑在足部離開地面之前的瞬間和離開地面之后，由于足底和地面間的壓力很小，所以很容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)和打滑?？朔D(zhuǎn)和打滑，成為在提高奔跑速度方面所面臨的控制上的最大課 題。對(duì)此，Hon da 在獨(dú)創(chuàng)的雙足步行控制理論的基礎(chǔ)上，積極地運(yùn)用上半身的彎曲和旋轉(zhuǎn)，開發(fā)出既能防止打滑又能平穩(wěn)奔跑的新型控制理論。由此， ASIMO 實(shí)現(xiàn)了時(shí)速達(dá) 3km/h 的像人類一樣的平穩(wěn)奔跑。 而且， 步行速度也由原 來的 1.6km/h提高到 2.5km