畢業(yè)設計（論文）-人形機器人設計

1、摘要人形機器人是機器人研究領(lǐng)域最高研究成果的代表，是多學科交叉的綜合高新技術(shù)領(lǐng)域，它預示著機器人技術(shù)未來的開展方向。它涉及到機械電子、計算機、自動控制、無線通訊和仿生材料等眾多子學科的相關(guān)研究與綜合應用。我國積極舉辦各類機器人大賽，普及機器人知識，以促進機器人技術(shù)的開展。本課題以2021年華北五省大學生機器人大賽為背景，自主開發(fā)和研究參賽的人形機器人，文中介紹了本屆機器人比賽的規(guī)那么、方案研究等相關(guān)內(nèi)容。重點對人形機器人的機械、電控系統(tǒng)、運動學分析和動作設計等關(guān)鍵技術(shù)進行研究。論文第一章主要說明課題來源以及本屆人形機器人大賽情況，同時說明本課題的背景及意義。第二章重點介紹了人形機器人及其相關(guān)技

2、術(shù)，和國內(nèi)外人形機器人的開展概況，并結(jié)合本課題說明了人形機器人的開展趨勢。第三章在分析本屆比賽特點的根底上制定參賽方案，研究戰(zhàn)術(shù)策略，以此確定人形機器人的主要功能及技術(shù)要求。第四章首先對機器人各個關(guān)節(jié)自由度進行了合理配置，共設置了16個自由度。并詳細說明其機械結(jié)構(gòu)的設計以及制作過程，最后選擇適宜的材料進行加工、裝配，完成人形機器人的機械系統(tǒng)的搭建，并進行了可靠性分析。第五章闡述了人形機器人的電控系統(tǒng)，包括人形機器人舵機型號、舵機控制板和電池的選取，之后介紹了上位機控制軟件及其編程要求，最后說明了用PS2手柄無線控制機器人動作的相關(guān)操作。第六章對機器人進行了運動學分析，基于ZMP點對人形機器人行

3、走步態(tài)進行了分析，確保進行運動時機器人的穩(wěn)定性。第七章著重介紹了人形機器人的動作實驗，記錄了拳擊、舞蹈和靜態(tài)步行的相關(guān)動作。本課題的研究為人形機器人的一些仿人動作提供了一個可行的技術(shù)參考，形成了一套實用的設計方案和實驗方法，可作為人形機器人制作的技術(shù)參考。關(guān)鍵詞：人形機器人；舞蹈機器人；動作編程；步態(tài)規(guī)劃；舵機控制The design and development of humanoid robotAbstractThe humanoid robot is representative of robot research in the field of the highest achieve

4、ments, is a multidisciplinary comprehensive high-tech fields. It indicates that the robotics in the future direction of development. It involves the related research and integrated application of mechanical and electronic, computer, automatic control, wireless communication and bionic materials and

5、many sub disciplines. In order to promote the development of robotics, different kinds of robot competition have been organized all over the country to popularize robot knowledge.This paper, based on five provinces of North China University Robot Contest 2021, mainly focuses on developing humanoid r

6、obot for the competition. The paper describes the strategy and the key technologies of humanoid robot, mechanical control system, kinematics analysis and motion design etc. in this competition. The paper focuses on the contemporary situation and development of humanoid robot in the first two chapter

7、s. It also introduces the significance of this subject based on the competition. Chapters III mainly analyzes the rules of the competition and develops strategies according to the characteristics of the rules. Chapters IV focuses on the research of humanoid robots mechenical structure and explain th

8、e progress of design, manufacture, experiment and improvement in details. The fifth part of this paper simply explains the control system of the humanoid robot and its basic control principle.Finally,describing the related operation of PS2 handle wireless control of robot. In order to ensure the sta

9、bility of the robots motion,Chapters VI focuses on the research of humanoid robots kinematics analysis , and based on ZMP point of humanoid robot walking gait analysis. The last chapter focuses on the robots experiments, recording the movements of boxing, dance and static walking.This article emphas

10、izes on the humanoid robots manufacture, which can be referred as the material of the technology of the humanoid robots. Key Words：humanoid robot；dance robot; action programming；gait analysis; Servo目錄 TOC o 1-3 h z HYPERLINK l _Toc419876721 摘要 PAGEREF _Toc419876721 h I HYPERLINK l _Toc419876724 引言 P

11、AGEREF _Toc419876724 h 1 HYPERLINK l _Toc419876725 1緒論 PAGEREF _Toc419876725 h 2 HYPERLINK l _Toc419876726 課題來源及背景分析 PAGEREF _Toc419876726 h 2 HYPERLINK l _Toc419876727 課題來源 PAGEREF _Toc419876727 h 2 HYPERLINK l _Toc419876728 課題背景分析 PAGEREF _Toc419876728 h 2 HYPERLINK l _Toc419876729 課題研究意義 PAGEREF

12、_Toc419876729 h 3 HYPERLINK l _Toc419876730 本章小結(jié) PAGEREF _Toc419876730 h 4 HYPERLINK l _Toc419876731 2文獻綜述 PAGEREF _Toc419876731 h 5 HYPERLINK l _Toc419876732 人形機器人及其技術(shù)概述 PAGEREF _Toc419876732 h 5 HYPERLINK l _Toc419876733 人形機器人的定義 PAGEREF _Toc419876733 h 5 HYPERLINK l _Toc419876734 人形機器人的組成 PAGEREF

13、 _Toc419876734 h 5 HYPERLINK l _Toc419876735 人形機器人的應用 PAGEREF _Toc419876735 h 7 HYPERLINK l _Toc419876736 人形機器人的開展概況 PAGEREF _Toc419876736 h 7 HYPERLINK l _Toc419876737 國外人形機器人的開展概況 PAGEREF _Toc419876737 h 8 HYPERLINK l _Toc419876738 國內(nèi)人形機器人的開展概況 PAGEREF _Toc419876738 h 10 HYPERLINK l _Toc419876739

14、人形機器人的開展趨勢 PAGEREF _Toc419876739 h 14 HYPERLINK l _Toc419876740 本章小結(jié) PAGEREF _Toc419876740 h 14 HYPERLINK l _Toc419876741 3方案研究與策略分析 PAGEREF _Toc419876741 h 15 HYPERLINK l _Toc419876742 比賽方案研究 PAGEREF _Toc419876742 h 15 HYPERLINK l _Toc419876743 比賽規(guī)那么分析 PAGEREF _Toc419876743 h 15 HYPERLINK l _Toc419

15、876744 比賽勝負判定 PAGEREF _Toc419876744 h 16 HYPERLINK l _Toc419876745 比賽策略研究 PAGEREF _Toc419876745 h 16 HYPERLINK l _Toc419876746 4人形機器人機械系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc419876746 h 18 HYPERLINK l _Toc419876747 人形機器人的設計要求 PAGEREF _Toc419876747 h 18 HYPERLINK l _Toc419876748 自由度分配 PAGEREF _Toc419876748 h 18 HYPERLINK

16、l _Toc419876749 頭部自由度分配 PAGEREF _Toc419876749 h 19 HYPERLINK l _Toc419876750 上肢自由度分配 PAGEREF _Toc419876750 h 19 HYPERLINK l _Toc419876751 軀干自由度分配 PAGEREF _Toc419876751 h 19 HYPERLINK l _Toc419876752 下肢自由度分配 PAGEREF _Toc419876752 h 20 HYPERLINK l _Toc419876753 機器人的材料選擇 PAGEREF _Toc419876753 h 21 HYPE

17、RLINK l _Toc419876754 機器人材料選擇原那么 PAGEREF _Toc419876754 h 21 HYPERLINK l _Toc419876755 市場可供選擇材料分析 PAGEREF _Toc419876755 h 21 HYPERLINK l _Toc419876756 機械結(jié)構(gòu)設計 PAGEREF _Toc419876756 h 23 HYPERLINK l _Toc419876757 整體尺寸確定 PAGEREF _Toc419876757 h 23 HYPERLINK l _Toc419876758 頭部設計 PAGEREF _Toc419876758 h 2

18、4 HYPERLINK l _Toc419876759 手臂設計 PAGEREF _Toc419876759 h 24 HYPERLINK l _Toc419876760 軀干設計 PAGEREF _Toc419876760 h 25 HYPERLINK l _Toc419876761 大腿間距 PAGEREF _Toc419876761 h 26 HYPERLINK l _Toc419876762 腿部設計 PAGEREF _Toc419876762 h 26 HYPERLINK l _Toc419876763 足部設計 PAGEREF _Toc419876763 h 27 HYPERLIN

19、K l _Toc419876764 虛軸設計 PAGEREF _Toc419876764 h 28 HYPERLINK l _Toc419876765 本章小結(jié) PAGEREF _Toc419876765 h 29 HYPERLINK l _Toc419876766 5人形機器人電控系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc419876766 h 30 HYPERLINK l _Toc419876767 機器人驅(qū)動元件選擇 PAGEREF _Toc419876767 h 30 HYPERLINK l _Toc419876768 驅(qū)動形式選擇 PAGEREF _Toc419876768 h 30 HYP

20、ERLINK l _Toc419876769 舵機概述 PAGEREF _Toc419876769 h 31 HYPERLINK l _Toc419876770 舵機具體型號選擇+舵機速度 PAGEREF _Toc419876770 h 33 HYPERLINK l _Toc419876771 機器人舵機控制板選擇 PAGEREF _Toc419876771 h 35 HYPERLINK l _Toc419876772 舵機控制板比照 PAGEREF _Toc419876772 h 35 HYPERLINK l _Toc419876773 5.2.2torobot 32路舵機控制板概述 PAG

21、EREF _Toc419876773 h 36 HYPERLINK l _Toc419876774 上位機控制軟件 PAGEREF _Toc419876774 h 36 HYPERLINK l _Toc419876775 5.3.1 軟件界面 PAGEREF _Toc419876775 h 36 HYPERLINK l _Toc419876776 5.3.2 編程要求 PAGEREF _Toc419876776 h 37 HYPERLINK l _Toc419876777 5.3.3 脫機工作 PAGEREF _Toc419876777 h 38 HYPERLINK l _Toc4198767

22、78 電池選擇 PAGEREF _Toc419876778 h 38 HYPERLINK l _Toc419876779 5.5 PS2手柄 PAGEREF _Toc419876779 h 39 HYPERLINK l _Toc419876780 本章小結(jié) PAGEREF _Toc419876780 h 40 HYPERLINK l _Toc419876781 6人形機器人的運動學分析 PAGEREF _Toc419876781 h 41 HYPERLINK l _Toc419876782 腿部動作分析 PAGEREF _Toc419876782 h 41 HYPERLINK l _Toc41

23、9876783 人形機器人的手臂動作分析 PAGEREF _Toc419876783 h 42 HYPERLINK l _Toc419876784 步態(tài)分析 PAGEREF _Toc419876784 h 43 HYPERLINK l _Toc419876785 人形機器人的坐標系建立 PAGEREF _Toc419876785 h 44 HYPERLINK l _Toc419876786 運動學方程建立 PAGEREF _Toc419876786 h 45 HYPERLINK l _Toc419876787 人形機器人的零力矩點 PAGEREF _Toc419876787 h 49 HYPE

24、RLINK l _Toc419876788 人形機器人的前向運動 PAGEREF _Toc419876788 h 50 HYPERLINK l _Toc419876789 7人形機器人實驗與調(diào)試 PAGEREF _Toc419876789 h 52 HYPERLINK l _Toc419876790 人形機器人仿真實驗 PAGEREF _Toc419876790 h 52 HYPERLINK l _Toc419876791 人形機器人靜態(tài)步行實驗 PAGEREF _Toc419876791 h 52 HYPERLINK l _Toc419876792 人形機器人拳擊動作實驗 PAGEREF _

25、Toc419876792 h 52 HYPERLINK l _Toc419876793 人形機器人舞蹈動作實驗 PAGEREF _Toc419876793 h 52 HYPERLINK l _Toc419876794 本章小結(jié) PAGEREF _Toc419876794 h 52 HYPERLINK l _Toc419876795 結(jié)論 PAGEREF _Toc419876795 h 53 HYPERLINK l _Toc419876796 參 考 文 獻 PAGEREF _Toc419876796 h 54 HYPERLINK l _Toc419876797 附 錄 PAGEREF _Toc

26、419876797 h 57 HYPERLINK l _Toc419876798 在 學 取 得 成 果 PAGEREF _Toc419876798 h 58 HYPERLINK l _Toc419876799 致謝 PAGEREF _Toc419876799 h 59引言作為一種娛樂機器人，人形機器人具有很強的欣賞性和趣味性，涉及到機械、電子控、通訊、人工智能、機器人學和仿生材料等多個領(lǐng)域。人們在智能化方面進行了各種各樣的探索，但是要進一步提高智能水平以向人類看齊，卻仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。本課題以“2021年華北五省大學生機器人大賽為背景，自主開發(fā)和研究參賽的人形機器人，文中介紹了本屆機器人

27、比賽的規(guī)那么、方案研究等相關(guān)內(nèi)容。重點對人形機器人的機械、電控系統(tǒng)、運動學分析和動作設計等關(guān)鍵技術(shù)進行研究。日本走在人形機器人研發(fā)的前沿，應用水平較高，如日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所開發(fā)的名為HRP-2的舞蹈機器人。研究人員利用特殊攝像機將藝術(shù)家跳舞的畫面輸入電腦，然后將解析后的數(shù)據(jù)輸入給機器人，利用這些數(shù)據(jù)控制機器人手的動作和腳步，實現(xiàn)了機器人的舞蹈動作。本田公司推出的人形機器人ASIMO，將人形機器人的研究提升到了一個新的高度。ASIMO具有26個自由度，可以通過便攜式控制器或個人電腦控制它的前進方向和上肢及腿部的動作可以自動識別人的動作、聲音和面容，實現(xiàn)自主行走、上下樓梯等動作，可以說具有劃時代的

28、意義。國內(nèi)由于整體水平的限制，研究相對落后，動作設計和實現(xiàn)方面的相關(guān)研究還比擬少。本文根據(jù)比賽的相關(guān)要求，詳細的介紹了人形機器人的機械系統(tǒng)、電控系統(tǒng)的設計和制作過程，并進行運動學分析，取得了較為理想的成果，機器人可以完成編排好的拳擊、舞蹈動作。1緒論課題來源及背景分析人形機器人通常由多個關(guān)節(jié)組成，是一個高階、非線性的多自由度系統(tǒng)，這為機器人的運動學、動力學及控制理論的研究提供了一個較為理想的實驗平臺。華北五省大學生機器人大賽中專門設有針對人形機器人的拳擊和舞蹈比賽，本課題就是以此為平臺對人形機器人的機械結(jié)構(gòu)和電子控制系統(tǒng)等進行研究。華北五省機器人大賽，是由華北五省市、自治區(qū)教育主管部門共同舉辦

29、的大學生學科競賽活動，比賽以智能機器人為研究對象，是面向大學生的一種具有探索性工程實踐活動和科技競賽。大賽每年舉辦一次，并且在2021年正式將人形機器人比賽參加其中，增加了比賽的欣賞性和趣味性。課題背景分析本課題研制的人形機器人主要是參加華北五省大學生機器人大賽中人形機器人組的拳擊和舞蹈工程的比賽。拳擊比賽是考驗一個機器人能否猛烈地擊打?qū)Ψ绞箤Ψ降沟鼗蛟趯Ψ降拿土掖驌魲l件下能否抵擋住或保持平衡能力的對抗賽，往屆比賽如圖1-1。拳擊主要表現(xiàn)機器人如何產(chǎn)生爆發(fā)力，并且打中對方的要害局部使機器人被打倒。 圖1-1機器人拳擊比賽 圖1-2機器人舞蹈比賽舞蹈比賽是展現(xiàn)機器人動作與音樂結(jié)合的協(xié)調(diào)性，考驗參

30、賽選手的編程編曲能力。本次比賽的場地為的平坦區(qū)域，地面鋪有綠色薄地毯，地毯厚為2mm3mm，舞蹈機器人必須在該范圍內(nèi)運動，往屆比賽如圖1-2。機器人舞蹈時間應不少于兩分鐘但不能超過五分鐘。機器人舞蹈動作必須是完全自主的，開機啟動可用遙控等方式，但表演開始后不得有人為干擾或引導機器人。機器人動作由參賽隊伍自行設計控制，可以伴隨音樂自行跳舞，表演，機器人服飾根據(jù)表演風格自行設計。根據(jù)機器人動作的連貫性，欣賞性，穩(wěn)定性以及與音樂的適配性進行打分，按得分由高到低的順序排序，角逐出冠軍。人形機器人設計難點：1人形機器人進行步行動作的時候，其重心位置會實時改變，保證機器人平穩(wěn)工作存在較大困難；2在平衡機器

31、人身高、體重、臂展等條件時，需要考慮的問題較多；3為了提高對機器人動作的仿人程度，人形機器人需要設置較多的自由度數(shù)，要實現(xiàn)對各個關(guān)節(jié)的準確控制有一定難度；4舞蹈動作較為復雜，讓機器人按編好的程序連續(xù)工作25分鐘，前期編程需要的工作量較大；5機器人拳擊比賽對機器人動作穩(wěn)定性、出拳的力度以及抗擊打能力要求較高，要多方面考慮。課題研究意義人形機器人的研發(fā)與制作過程是對大學四年所學專業(yè)根底知識的一次重要演練和應用，對于培養(yǎng)一個工程人員應具備的工程素養(yǎng)，提高機械專業(yè)的設計創(chuàng)新能力、動手能力、分析解決問題能力都具有十分積極的意義。具體來說，在人形機器人的開發(fā)與設計過程中，每一組零件的裝配過程乃至每一個零件

32、的設計過程都是對自身專業(yè)水平的一次檢驗和提高。所謂“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，大學所學的專業(yè)根底知識大多只是一些理論，而對于工科專業(yè)的學生來說，必須要經(jīng)過工程訓練，在工程工程中實踐所學內(nèi)容，才能做到理論聯(lián)系實際，切實掌握所學內(nèi)容。在機械方面，需要考慮機器人整體外觀，機械結(jié)構(gòu)以及選取材料等問題，對作圖能力以及設計能力有著較高的要求。在電控方面，為了控制人形機器人模仿人類的動作，無論是藍牙無線控制還是有線控制，必須用到通信技術(shù)，在機器人與上位機之間建立通信關(guān)系。而在對機器人動作進行編排時，通過上位機控制軟件控制舵機轉(zhuǎn)動角度和持續(xù)時間來實現(xiàn)機器人的動作，這也在考驗電控知識。對于電控知識相對薄弱

33、的機械專業(yè)學生來說，機器人的制作過程是一個很好的學習過程，可以學到很多單片機原理、通信、傳感器應用和自動控制方面的知識，嘗試一些電路制作與單片機控制。在人形機器人的制作過程中，可以感受到從圖紙到實物成形、從冰冷的零部件到實現(xiàn)人類動作的快樂，每一次成功的喜悅、每一次失敗的教訓都必將成為人生中一筆珍貴的財富。參加華北五省大學生機器人大賽，有利于激發(fā)大學生開發(fā)與研制高科技產(chǎn)品的興趣和學生的想象力；有利于培養(yǎng)學生的科學創(chuàng)新精神，鼓勵學生探索創(chuàng)新思維；有利于提高學生理論聯(lián)系實際的水平，使學生能在實踐中檢驗和修正自己的設計理論。本章主要介紹了華北五省大學生機器人大賽的背景，表達了本課題研究的主要工作，以及

34、本屆機器人大賽中拳擊比賽和舞蹈比賽的主要規(guī)那么，針對本屆比賽的要求，制訂出了本課題研究的主要任務。2文獻綜述人形機器人及其技術(shù)概述人形機器人的定義人形機器人，又稱仿人機器人，是具有與人相類似身體結(jié)構(gòu)的機器人。1886年法國作家利爾亞當在他的小說?未來夏娃?中，將外表看起來像人的機器起名為“安德羅丁android，就是一種人形機器人。雖然是文學作品里的定義，但已經(jīng)概括出了人形機器人的雛形。按照 HYPERLINK :/baike.baidu /view/3017000.htm t _blank 利爾亞當?shù)拿枋?，人形機器人由4局部組成：生命系統(tǒng)平衡、步行、發(fā)聲、身體擺動、感覺、表情、調(diào)節(jié)運動等；造

35、型解質(zhì)關(guān)節(jié)能自由運動的金屬覆蓋體，一種盔甲；肌肉1在上述盔甲上有肉體、靜脈、性別等身體的各種形態(tài)；人造皮膚含有膚色、輪廓、頭發(fā)、視覺、牙齒、手爪等。機器人學是一門高度交叉的綜合學科2，而人形機器人是機器人研究領(lǐng)域最高研究成果的代表，是多學科交叉和結(jié)合的綜合高新技術(shù)領(lǐng)域，它預示著機器人技術(shù)未來的開展方向。人類是地球上最富有智慧的生物，對人類行為進行模仿的機器人那么是對高級智能形式的探索。它涉及到機械電子、計算機、傳感、自動控制、無線通訊、精密機械和仿生材料等眾多子學科的前沿研究與綜合集成。人形機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品，一般由機械本體、傳感器、控制系統(tǒng)和驅(qū)動器等四局部組成3。機械本體是機器人實

36、施動作的執(zhí)行機構(gòu)。為對機械本體進行精確控制，傳感器應提供機器人本體或其所處環(huán)境的相關(guān)信息，控制系統(tǒng)依據(jù)控制程序產(chǎn)生指令信號，通過控制各關(guān)節(jié)運動坐標的驅(qū)動元件，使各臂桿端點按照要求的軌跡、速度和加速度，以一定的姿態(tài)到達空間指定的位置。驅(qū)動器將控制系統(tǒng)輸出的信號變換成大功率的信號，以驅(qū)動機械本體工作。機械本體機器人的本體由機械手和移動裝置兩局部組成。機械手由手臂和末端執(zhí)行器組成。手臂通過各個關(guān)節(jié)的運動使末端執(zhí)行器進行預定的運動或到達預定的位置。末端執(zhí)行器直接作用于任務對象，它是手部、抓持機構(gòu)、手爪及固定于手臂末端的工具的總稱。機器人的移動裝置有輪式、雙足式及特殊機構(gòu)等類型。人形機器人出于對仿人程度

37、的考慮，通常都選擇雙足式移動機構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)是機器人的指揮中心4，相當于人的大腦功能，負責對作業(yè)指令信息、內(nèi)外環(huán)境信息進行處理，并依據(jù)預定的本體模型、環(huán)境模型和控制程序做出決策，產(chǎn)生相應的控制信號，通過驅(qū)動器驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的各個關(guān)節(jié)按所需的順序、沿確定的位置或軌跡運動，完成特定的作業(yè)，其流程圖如圖2-1所示。圖2-1 機器人控制系統(tǒng)圖傳感器傳感器是機器人的感測系統(tǒng)，相當于人的感覺器官，是機器人系統(tǒng)的重要組成局部，包括外部傳感器和內(nèi)部傳感器兩大類5。外部傳感器用來感知機器人所處的工作環(huán)境或工作狀況信息，又可分成環(huán)境傳感器和末端執(zhí)行器傳感器兩種類型；前者用于識別物體和檢測物體與機器人的距離等信

38、息，后者安裝在末端執(zhí)行器上，檢測處理精巧作業(yè)的感覺信息。常見的外部傳感器有觸覺傳感器、力傳感器、視覺傳感器等。而內(nèi)部傳感器主要用來檢測機器人本身的狀態(tài)，為機器人的運動控制提供必要的本體狀態(tài)信息，如速度傳感器、位置傳感器等。驅(qū)動器驅(qū)動器是機器人的動力系統(tǒng)，相當于人的心血管系統(tǒng)，一般由驅(qū)動裝置和傳動機構(gòu)兩局部組成。因驅(qū)動方式的不同，驅(qū)動裝置可以分成電動、液動和氣動三種類型。驅(qū)動裝置中的電動機、舵機、液壓缸、氣缸可以與操作機直接相連，也可以通過傳動機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)相連。傳動機構(gòu)通常有齒輪傳動、鏈傳動、帶傳動、蝸輪蝸桿傳動等幾種類型。人形機器人具有人類相似度很高的外觀，可以適應人類的生活和工作環(huán)境，代替

39、人類完成各種作業(yè)，并可以在很多方面擴展人類的能力，在 HYPERLINK :/baike.baidu /view/133203.htm t _blank 效勞，醫(yī)療，教育，娛樂等多個領(lǐng)域得到廣泛應用6。在效勞領(lǐng)域，21世紀人類將進入 HYPERLINK :/baike.baidu /view/725231.htm t _blank 老齡化社會，開展人形機器人能彌補年輕勞動力的嚴重缺乏，解決老齡化社會的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/2951354.htm t _blank 家庭效勞，醫(yī)療等社會問題。人形機器人可以與人 HYPERLINK :/baike.baidu

40、 /view/1293020.htm t _blank 友好相處，能夠很好地擔任陪伴，照顧，護理老人和病人的角色，以及從事日常生活中的效勞工作，因此家庭效勞行業(yè)的人形機器人應用必將形成新的產(chǎn)業(yè)和新的市場。在醫(yī)療領(lǐng)域，人形機器人可以用于假肢和器官移植，用人形機器人技術(shù)可以做成動力型假肢，協(xié)助癱瘓病人實現(xiàn) HYPERLINK :/baike.baidu /view/1837052.htm t _blank 行走的夢想。在教育領(lǐng)域，人形機器人在教育領(lǐng)域主要有兩種應用：學生通過制作人形機器人來學習機械結(jié)構(gòu)和復雜控制軟件模塊的設計；學生用仿人機器人進行實驗來增強動手能力和解決實際問題的能力。在娛樂領(lǐng)域，

41、人形 HYPERLINK :/baike.baidu /view/3777295.htm t _blank 機器人可以用來在展覽會上做廣告，因為它在 HYPERLINK :/baike.baidu /view/4099020.htm t _blank 外形上更接近人類，所以更能引起人的興趣。另外，它還可以用于家庭娛樂。關(guān)于人形機器人的研究開始于20世紀60年代末，至今已有40多年的歷史。國內(nèi)外的許多學者都在從事人形機器人的研究與開發(fā)，如今人形機器人已經(jīng)成為機器人技術(shù)領(lǐng)域里的主要研究方向之一。由于人形機器人代表了機器人技術(shù)的尖端水平，因此各個國家在人形機器人技術(shù)上都不遺余力地投入人力、財力、物力

42、進行相關(guān)研究，其機械結(jié)構(gòu)、電子控制系統(tǒng)、動作平穩(wěn)性、步態(tài)規(guī)劃等都是現(xiàn)在機器人研究領(lǐng)域的熱門工程7。造出了第一臺雙足步行機器人8，名為“Rig，正式拉開了人形機器人研究的序幕，但該機器人只有踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，操作者根據(jù)力反響來保持機器人的平衡。同年，日本早稻田大學的加藤一郎教授也開始著手展開雙足人形機器人的研制工作9。南斯拉c于1969年提出了ZMP(Zero Moment Point)理論，較好地解決了動態(tài)步行穩(wěn)定性判斷問題，并且成功地研制出了全世界第一臺具有人類根本特征的雙足人形機器人。此后，各國科學家在此理論的根底上進行了更深入的研究，并且取得了一系列優(yōu)秀的成果。美籍華人鄭元芳研制的雙足步行

43、機器人10-12，其中SD-2機器人具有8個自由度，能在平地上完成前、后、左、右行走的動作，并且還能夠走斜坡13，14。法國國立信息與自動化研究所INRIA和Poitiers大學力學實驗室共同研發(fā)制造出了一種具有15個自由度的雙足步行機器人BIP200015，已經(jīng)初步具備人的一些特征關(guān)節(jié)，能完成站立、上下樓梯、行走和爬坡等動作。從1986年開始，本田公司16著手研制雙足人形機器人，其中P系列的多款人形機器人都算得上是同時代的翹楚。2021年11月20日，本田公司推出了人形機器人ASIMO，將人形機器人的研究提升到了一個新的高度。ASIMO機器人身高1.2m，體重43kg，具有26個自由度，可以

44、通過便攜式控制器或個人電腦控制它的前進方向和上肢及腿部的動作17。ASIMO的眼睛是一臺攝像機，在鎖定并計算好行進路線后，“陀螺儀負責慣性導航，修正行走線路的偏差；“六軸向力傳感器用于測量臺階的級數(shù)，使ASIMO能夠連續(xù)通過較長的樓梯而不會失足；“關(guān)節(jié)角度傳感器用于測量地面是否平整，以便使ASIMO可以聰明地躲過溝溝坎坎；“速度傳感器那么保證ASIMO 不會因為超速而摔倒18。正是由于這些技術(shù)的應用，使得ASIMO可以自動識別人的動作、聲音和面容，實現(xiàn)自主行走、上下樓梯等動作，可以說具有劃時代的意義。2000年11月21日，索尼公司推出了娛樂型人形機器人“Sony Dream Robot-3x

45、，簡稱為SDR-3X如圖2-2。其身高為50cm，重量為5kg，共計24個自由度。SDR-3X機器人具有實時自適應運動控制系統(tǒng)，可以通過傳感器實時檢測外部路況，使得它可以在任意地形的路況進行穩(wěn)定行走。SDR-3X主要靠上身動作表演,下身僅僅適從跟隨。由于在腰關(guān)節(jié)特設了兩個自由度 ,因此她能表演展臂、劈叉、踢球、傾倒后自主站立、優(yōu)美舞姿等19。SDR-3X安裝ISA系列的三種體積小、重量輕、精度高、內(nèi)藏減速器和ASIC驅(qū)動控制電路板的專用AC伺服電機,真正實現(xiàn)了電機集成技術(shù)，該系列自制電機的重量僅是同類傳統(tǒng)電機的1/51/4，SDR-3X采用的控制系統(tǒng)軟件為OPEN-R。由于索尼的SDR-3X人

46、形機器人定位都是娛樂型的機器人，其機構(gòu)也是按串聯(lián)20-21設計制造的，所以雖然它的承載能力低，但是其結(jié)構(gòu)更加靈活，容易做各種動作。 圖2-2 SDR-3X 圖2-3 QRIO 圖2-4 KONDO2003年12月18日，索尼公司通過對控制系統(tǒng)和ISA-Intelligent Servo Actuator的改良，推出了世界上第一款實現(xiàn)跑步功能的雙足人形機器人22QRIO。QRIO如圖2-3身高58cm，體重7kg，全身共計38個自由度。它具有非常強大的運動、思考、區(qū)分能力，依靠3顆64位的RISC處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)正常的對話和運動等功能。頭部有7個話筒,兩個CCD 攝像機,能夠感知周圍的環(huán)境,自動

47、搜尋聲音或物品來源,并通過人工智能進行識別23。在2005年雞年春節(jié)晚會上,為劉德華伴舞的兩個機器人就是QRIO。QRIO機器人最大的突破就是跑步，它可以在跑步時滯空20ms，雙腳跳躍時滯空40ms，機器人實現(xiàn)跑步這一高難度動作可以算是機器人開展史重要的一個里程碑。在小型人形機器人方面，一些研究者使用舵機作為驅(qū)動元件制作機器人平臺。圖2-4是日本KONDO公司推出的KONDO，身高0.34m，體重1.2kg，共17個自由度。KONDO24通過兩片多路運動控制器控制17個微型伺服馬達運動，實現(xiàn)各種動作。KHR-1HV編程可以直觀的采用流程圖設定機器人的動作；也可以采用世界首創(chuàng)的動作仿真“示范教學

48、功能，用手操作機器人的表演步驟，電腦便會將這一組動作完全的紀錄起來，并正確儲存。利用“示范教學功能，可以使機器人在短時間內(nèi)做出一整組的動作，比起其他需要花數(shù)小時設定的機器人，KHR-1HV的動作設定之快速、簡單，令人嘆為觀止。國內(nèi)人形機器人的研究起步較晚，1989年，國防科技大學25研制出中國第一臺人形機器人“先行者如圖2-5。它身高1.4m，重2Okg，采用了串聯(lián)機構(gòu)。針對高速動態(tài)步行控制問題，通過分析支撐腳踝關(guān)節(jié)負載力矩對系統(tǒng)整體動態(tài)平衡的影響，利用倒擺式模型與約束控制相結(jié)合的步態(tài)綜合設計與控制方法，定義了步態(tài)穩(wěn)定性的概念，使得我國首次實現(xiàn)了雙足步行機器人穩(wěn)的動態(tài)步行，步行周期為0.81秒

49、，步長為2022厘米。能夠快速自如地平穩(wěn)步行，能夠在小偏差、不確定環(huán)境中行走，并具有一定的語言功能?！跋刃姓邫C器人的成功研制，拉開了我國人形機器人研發(fā)的序幕，此后多所高校和研究院所進行了相關(guān)的研究，并且取得了一系列驕人的成果。哈爾濱工業(yè)大學從1985年開始研制雙足人形機器人，前幾年研制的HIT-I、HIT-與HIT-如圖2-6型雙足人形機器人不斷改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)26。2001年推出的HIT-雙足人形機器人，其上身和腳掌安裝了三維微型加速度傳感器，足底有二維力矩傳感器，采用直流電機經(jīng)諧波減速實現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，腿部為串聯(lián)結(jié)構(gòu)方式，每條腿具有6個自由度(髖關(guān)節(jié)3個，膝關(guān)節(jié)l個，踝關(guān)節(jié)2個)。全身共有17個自

50、由度，實現(xiàn)了平地靜態(tài)各個方向的行走及上下樓梯動作，同時在多傳感器的輔助協(xié)調(diào)在線控制下，實現(xiàn)了準動態(tài)行走，行走速度到達0.2m/s，其整體指標逐步到達國際先進水平。 圖2-5 先行者 圖2-6 HIT- 圖2-7 BHR-02 2002年，北京理工大學完成了人形機器人 BHR-01的研制。2005年，中科院沈陽自動化所和北京理工大學合作研制了人形機器人BHR-02圖2-7，是目前國內(nèi)最先進的人形機器人。BHR-02機器人共計32個自由度，它身m，體重63kg，腿部結(jié)構(gòu)為串聯(lián)方式，采用直流電機經(jīng)諧波減速后，由同步齒型帶傳動實現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。BHR-02成功實現(xiàn)了正常路況下的行走和轉(zhuǎn)彎、上下臺階，它還能

51、夠感知自身的平衡狀態(tài)及地面高度變化，從而實現(xiàn)了未知地面情況下的穩(wěn)定行走27，28。它還具有語音對話、視覺、平衡覺、力覺等功能，功能到達了國際先進水平。在國際上BHR-02機器人首次實現(xiàn)了打太極拳、表演武術(shù)等高難度復雜動作。BHR-02的面世，使中國成為繼日本之后，第一個研制出無外接電纜行走，集電源、感知、驅(qū)動、機構(gòu)和控制于一體的高水平人形機器人國家，標志著我國人形機器人研究已經(jīng)跨入世界先進行列。為了直觀地表示人形機器人的開展史，以及各個機器人的特點，本文根據(jù)所查文獻，集中選取了一系列有代表性的機器人進行了比照，結(jié)果如表2-1所示。表2-1 著名機器人比照機器人型號高度/m質(zhì)量/kg自由度頭肩肘

52、腕手腰髖膝踝實現(xiàn)動作P313028231110212第一個完全獨立依靠兩條腿行走的HYPERLINK :/baike.baidu /view/2788.htm t _blank機器人。該HYPERLINK :/baike.baidu /view/2788.htm t _blank機器人有三維視覺，頭部能自如轉(zhuǎn)動，雙腳能躲開障礙物，能改變方向，在被推倒后可以自我平衡。ASIMO4826231110312可以在運動過程中改變其腳部的落地位置，并且還可以將走路、向前跑、倒退跑這幾個動作連續(xù)得非常自然而沒有明顯的停頓，還可以單腿連續(xù)跳躍或進行雙腿的連續(xù)跳躍。穩(wěn)步行走，上下樓梯，單腳站立。SDR-3X5

53、24231110212最高速度為15m/min的前進/后退/左右橫行；在前進過程中左右轉(zhuǎn)身(異步轉(zhuǎn)90度)；由伏臥/仰臥狀態(tài)起立；單腿站立(在斜面上也可)；在凸凹不平的路面上行走；踢球；舞蹈。另外，SDR-3X可以識別20種聲音，講由聲音合成的20種語言，同時對顏色也可以識別。HRP-4C4330221110212可以做出喜、怒、哀、樂、驚訝等表情。具備有能夠邊看邊學歌手唱歌的能力，甚至能將歌手演唱時的嘴型記錄下來，模仿唱歌時的種種表情、呼吸體態(tài)等。KONDOKHR-117121000212通過兩片多路運動控制器，控制 17 個微型伺服馬達運動，實現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、跳舞等各種類人動作。QRIO73

54、8231110212實現(xiàn)自然行走，可通過“眼睛來發(fā)現(xiàn)墻壁的存在，并防止與墻壁相撞。在傾斜變化的地面上,能夠自動平衡身體以防止跌倒；在跌倒時能自我保護；能看到并分辨視野中的物體，還可以轉(zhuǎn)動頭部來協(xié)助判斷,從而確定最優(yōu)的路線。能與人進行對話交流；能夠跳舞,跳躍,在跳躍狀態(tài)下不接觸地面的時間可達40ms。WABIAN-2R6441231251312有著彎曲的足弓和靈活的腳趾，它的腳跟能先著地，能抬起腳趾。這是一個進步，雖然和人類走路相比擬仍然存在差異。最新的WABIAN-2R能旋轉(zhuǎn)腳，重心橫向運動也從50毫米減少到 34毫米，而人類為30毫米,與人類相差無幾。先行者2017121000212完成原地

55、扭動、平地前進、后退、左右側(cè)行和左右轉(zhuǎn)彎等動作。此外，該機器人還具有一定的語言功能，并能表演眨眼動作。先行者在步行中，通過手臂前后擺動與下肢動動相協(xié)調(diào)，實現(xiàn)了小偏差未知地面環(huán)境中的動態(tài)穩(wěn)定行走。BHR-26332231110212以1km/h的速度行走，具有視覺、語音對話、力覺、平衡覺等功能，表演太極拳、刀術(shù)等復雜的動作。另外，由于使用基于多種傳感器的穩(wěn)定行走控制方法，保證了機器人能夠感知自身平衡狀態(tài)及地面高度變化，從而能在未知地面情況下實現(xiàn)穩(wěn)定行走。研制人形機器人是為了創(chuàng)造出一種創(chuàng)新型工具，使機器人具備人類的一些相應特征如思維、行走、判斷、感官等能力，在一定程度上代替人類從事相關(guān)的工作以效勞

56、人類，并且能夠與人類和諧相處的高端智能機器人。由于雙足人形機器人具有更靈活的行走能力，能夠適應各種地形，具有較強的越障能力，可以輕松地上下樓梯，行動盲區(qū)較少，使得人形機器人擁有了比工業(yè)機器人更廣闊的工作空間。而且人形機器人具有更高的智力水平，故人形機器人更能夠適應未知環(huán)境，并且可以自主完成一些工作。因此，在危險的、對人體有害的、或是超高溫的工作環(huán)境中，對于一些重復性的、機械的工作，人形機器人完全可以代替人類保質(zhì)保量地完成這些工作29。另外，由于人形機器人具有與人相似的外形特征，并具備良好的人機交互能力。所以，在娛樂與效勞領(lǐng)域，人形機器人具有更突出的優(yōu)勢和更加廣闊的應用前景。人形機器人可以做成禮

57、儀、導游機器人，在景點、酒店接待客人，并且可以與人進行簡單的交流對話。在大型游樂園，為了增加娛樂性，人形機器人還可以唱歌和表演舞蹈，還能跟人進行交流。人形機器人是能夠與人相互影響的最理想的機器人，因為它的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/4099020.htm t _blank 外形像人，它的思維方式和行為方式也將越來越接近人。人形機器人能夠通過與環(huán)境的交互不斷獲得新知識，而且還能用它的設計者根本想象不到的方式去完成各種任務，它會自己適應非結(jié)構(gòu)化的、動態(tài)的環(huán)境。長遠來看，從技術(shù)開展的角度考慮，人形機器人的研發(fā)制造將會對傳統(tǒng)的機械電子、計算機控制方式提出更大的挑戰(zhàn)，促

58、進技術(shù)的不斷開展，比方：操作結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計；開放式的控制技術(shù)，模塊化的控制系統(tǒng)；基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感應技術(shù)等30。并將極大地推進仿人學的研究和應用，使人類更好地了解探索生命的奧秘。當然，人形機器人對人類的益處遠不止這些，它將會給人類在科技、社會、經(jīng)濟、文化、倫理等方面帶來深遠的影響。本章重點闡述了人形機器人的概念及其技術(shù)的開展概況，還介紹了與人形機器人相關(guān)的常識，包括人形機器人的定義、組成、分類及開展史，分析了國內(nèi)和國外在人形機器人領(lǐng)域的一些進展和現(xiàn)在的開展水平，并對人形機器人的未來開展趨勢做了展望。3方案研究及總體設計機器人拳擊比賽是考驗一個機器人能否猛烈地擊打?qū)Ψ绞箤Ψ?/p>

59、倒地或在對方的猛烈打擊條件下能否抵擋住或保持平衡能力的對抗賽。比賽場地為直徑2m的圓盤，地面鋪有綠色薄地毯，地毯厚為2mm3mm，參加拳擊比賽的機器人必須在該范圍內(nèi)運動，場地圖如圖3-1。人形機器人拳擊比賽具體規(guī)那么如下：1比賽時雙方必須戴上標準的拳擊手套，否那么不允許參加比賽；2總身高600mm,總體重kg,總臂長250mm；3整個比賽分3輪進行，每輪比賽時間為2分鐘，中間休息1分鐘；4在每輪比賽中，如果某一方打倒對方，或使對方從圓盤滾下來就得1分，被打倒或被推下的一方應在15秒內(nèi)假設本輪比賽結(jié)束時間未到調(diào)整機器人重新開始比賽，成心拖延時間超過15秒，裁判應提出警告并給對手隊增加1分，超過3

60、0秒假設本輪比賽結(jié)束時間未到不能比賽者，裁判應宣布該輪比賽結(jié)束，對方以3:0勝出，待休息1分鐘后再進行新一輪比賽；5將3輪比賽成績累加，得分最高者獲勝。如果在比賽結(jié)束時仍然平局就進行加時賽，在規(guī)定時間內(nèi)先擊倒對方者獲勝；6在比賽過程中，如果機器人不在對方打擊條件下自行倒下去而過30秒鐘后仍然起不來就算負給對方0:2，但如果自己能站起來，就允許比賽照常進行； 圖3-1拳擊比賽場地 圖3-2舞蹈比賽場地舞蹈比賽是展現(xiàn)機器人動作與音樂結(jié)合的協(xié)調(diào)性，考驗參賽選手的編程編曲能力。本次比賽的場地為的平坦區(qū)域，地面鋪有綠色薄地毯，地毯厚為2mm3mm，舞蹈機器人必須在該范圍內(nèi)運動，比賽場地如圖3-2。機器人