仿人機(jī)器人發(fā)展概況

仿人機(jī)器人發(fā)展概況摘要：介紹了國(guó)內(nèi)外仿人機(jī)器人的發(fā)展特點(diǎn)，以行走機(jī)構(gòu)為主要內(nèi)容詳細(xì)分析了日本、美國(guó)等幾種仿人機(jī)器人的主要技術(shù)及其技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)國(guó)外的樣機(jī)設(shè)計(jì)，分析了仿人機(jī)器人的控制設(shè)計(jì)中的一些問題，就國(guó)外仿人機(jī)器人發(fā)展對(duì)中國(guó)仿人機(jī)器人發(fā)展的差異提出了看法。關(guān)鍵詞：仿人機(jī)器人，技術(shù)，雙足步行1概述仿人機(jī)器人在過去的10多年特別是近5年中發(fā)展迅猛，自從有關(guān)綜述文章發(fā)表以來，情況有了很大改變。行走機(jī)構(gòu)是仿人機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于仿人機(jī)器人的研究是從對(duì)行走機(jī)構(gòu)的研究開始的，日本旱稻田大學(xué)在1973年研制成功了最早具有記載的雙足步行人形機(jī)構(gòu)WABOT-1。本文重點(diǎn)論述世界范圍內(nèi)仿人機(jī)器人的近期發(fā)展，對(duì)行走機(jī)構(gòu)的發(fā)展做重點(diǎn)介紹。2仿人機(jī)器人近期發(fā)展特點(diǎn)現(xiàn)如今，世界各個(gè)國(guó)家都進(jìn)行仿人機(jī)器人的研究，據(jù)韓國(guó)的一個(gè)經(jīng)常更新的仿人機(jī)器人網(wǎng)站統(tǒng)計(jì)，2005年3月5日，世界上共有76各仿人機(jī)器人項(xiàng)目正在進(jìn)行中，其中日本36個(gè)，美國(guó)10個(gè)，韓國(guó)7個(gè)，英國(guó)4個(gè)，中國(guó)3個(gè)，瑞典2個(gè)，澳大利亞、泰國(guó)、新加坡、保加利亞、伊朗、意大利、奧地利、俄羅斯等國(guó)各有1個(gè)，從統(tǒng)計(jì)數(shù)字可以看出當(dāng)時(shí)日本在此領(lǐng)域的領(lǐng)先地位及其他各國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。2005年2月18日出版的《科學(xué)》雜志上介紹了一種全新的行走機(jī)構(gòu)，康奈爾大學(xué)、麻省理工學(xué)院和荷蘭Delft理工大學(xué)的研究人員分別展示了基于這種行走機(jī)構(gòu)的樣機(jī)。這種行走機(jī)構(gòu)的概念來自一個(gè)簡(jiǎn)單的玩具：行走企鵝。這個(gè)企鵝臀部有兩個(gè)沒有動(dòng)力的關(guān)節(jié)分別支撐兩條直腿，該企鵝可以沿著斜坡?lián)u搖晃晃的行走而下，這就是被動(dòng)動(dòng)力行走者。問題是在平地上企鵝不會(huì)行走，研究人員貢獻(xiàn)在于設(shè)計(jì)了僅用少量驅(qū)動(dòng)器就可以在平地上行走的行走機(jī)構(gòu)。以Asimo為代表的傳統(tǒng)仿人機(jī)器人每一個(gè)關(guān)節(jié)都用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。新行走機(jī)構(gòu)則不同，它的關(guān)節(jié)分為有驅(qū)動(dòng)和無驅(qū)動(dòng)兩種，以康奈爾的設(shè)計(jì)為例，機(jī)器人每條腿的自由度為5個(gè)（臀1，膝2,踝2），其中只有一個(gè)踝關(guān)節(jié)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其他都是被動(dòng)的，雙手?jǐn)[動(dòng)各有一個(gè)自由度，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)由雙腿帶動(dòng)，左腿帶動(dòng)右臂，右腿帶動(dòng)左臂。走動(dòng)時(shí)，感知到左足觸地時(shí)，右踝驅(qū)動(dòng)右足踢開地面，使右腿擺動(dòng)至左腿前方，完成一步，反之亦然。新行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是節(jié)省能源，據(jù)說只需要通常行走機(jī)構(gòu)的十分之一的動(dòng)力，另外，新型步行機(jī)器人走路時(shí)一起一伏，跟人沒什么兩樣°Delft設(shè)計(jì)和康奈爾的設(shè)計(jì)大致相同，只是采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，MIT的設(shè)計(jì)則為每條腿有6個(gè)自由度，其中兩個(gè)踝部關(guān)節(jié)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其他都是被動(dòng)的。從錄像看，康奈爾和Delft的機(jī)器人的行走姿態(tài)是令人滿意的，但似乎它們只能有一種走法.不象每個(gè)關(guān)節(jié)都采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式的傳統(tǒng)仿人機(jī)器人那樣可以通過編程獲得不同的步態(tài).至于MIT模型，雖然采用了先進(jìn)的控制方法，但其蹣跚的步態(tài)令觀看者對(duì)其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)難以接受.實(shí)際上，研究者不止以上3家，日本Asan。等人的被動(dòng)動(dòng)力步行模型基于能量約束并考慮了ZMP判據(jù)。傳統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)的研究繼續(xù)瞄準(zhǔn)動(dòng)作的質(zhì)量。本田提出新一代Asimo的步行速度要增加到2.5公里/小時(shí)，跑步速度增加到3公里/時(shí)，主要措施是添加腰部關(guān)節(jié)以在行進(jìn)時(shí)扭擺.太極拳要求動(dòng)作連貫均勻，協(xié)調(diào)完整.打太極拳是對(duì)仿人機(jī)器人動(dòng)作質(zhì)量的最好檢驗(yàn).各公司和業(yè)余愛好者正在尋找更好的設(shè)計(jì)和控制，以便在今后的機(jī)器人太極拳比賽中一決高低。探討人類行走和奔跑時(shí)的各種動(dòng)作方式。研究仿人機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行控制方法是研究重點(diǎn)2004年底前，本田公司宣布了新一代Asim。計(jì)劃，尋求更強(qiáng)的行動(dòng)能力，更佳的與人溝通，以及在真實(shí)世界中更機(jī)敏的反應(yīng)能力°ZMP判據(jù)仍是二足步行機(jī)器人各種控制方法的基本依據(jù).最早提出ZMP判據(jù)的南斯拉夫?qū)W者Vukobratovic最近對(duì)ZMP判據(jù)35年來的發(fā)展作了總結(jié)，Lim和他的同事除了以仿人機(jī)器人上身軀干的擺動(dòng)來補(bǔ)償下肢運(yùn)動(dòng)的力矩外，還采用了阻抗控制方法來吸收腳底板接地時(shí)的沖擊力，大大提高了行走的穩(wěn)定性。他們所用的彈簧一阻尼模型可以以足夠的精度模擬足底與地面的接觸力，非線性阻尼模型則可模擬足底與地面的沖擊力。3仿人機(jī)器人的主要技術(shù)及其技術(shù)指標(biāo)現(xiàn)有的仿人機(jī)器人五花八門，其自由度數(shù)、重量和尺寸也相差甚遠(yuǎn)。1仿人機(jī)器人的自由度現(xiàn)有的仿人機(jī)器人其自由度數(shù)少的有17個(gè)（近藤KHR.1），多的有41個(gè)（HUBO）。如下圖：仿人機(jī)器人到底需要多少自由度呢？除了手部另作討論以外，仿人機(jī)器人的自由度是腿部、臂部、腰部、頸部各自由度之和，見圖3.以下分別討論這些部分?⑴通常的設(shè)計(jì)中腿部自由度為5個(gè)（臀2,膝1，踝2,典型的是近藤KHR.1）和6個(gè)（在5個(gè)的基礎(chǔ)上增加1個(gè)臀部自由度RL1或LL1，典型的是富士通HOAP-2、Asim。和QIRO）.每條腿5個(gè)自由度已經(jīng)可以完成基本行走動(dòng)作.增加的臀部自由度可使行走動(dòng)作更優(yōu)雅，少一點(diǎn)機(jī)器人味.（2）臂部自由度的基本設(shè)計(jì)為3個(gè)（肩2,肘1）.各個(gè)公司對(duì)第4個(gè)臂部自由度的選擇不同.富士通公司的HOAP2在3個(gè)的基礎(chǔ)上增加1個(gè)肩部自由度RS3或LS3.NivanaTechnology公司的TaiChi機(jī)器人則增加1個(gè)腕部自由度RWr2或LWr2.腕部自由度最多可增加3個(gè),QIRO由于腕部增加了2個(gè)自由度而成功地表演了持扇跳舞?⑶一般設(shè)計(jì)腰部無動(dòng)作，連Asimo和QIRO也沒有腰部自由度.增加1個(gè)腰部自由度首選Wal，這個(gè)動(dòng)作對(duì)打太極拳和跑步都很重要.（4）頸部自由度初選為1個(gè)（N1），增加1個(gè)一般都選N2.（5）最后，手部自由度差別很大.每只手的五指共有21個(gè)自由度，問題在于怎樣簡(jiǎn)化.簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)只是一個(gè)手形，不能開合.稍復(fù)雜的設(shè)計(jì)中手的動(dòng)作類似工業(yè)機(jī)器人的夾持器.復(fù)雜的設(shè)計(jì)尋求10根手指各自獨(dú)立地運(yùn)動(dòng).這將大大增加自由度的總數(shù).現(xiàn)在，可以看到作為一個(gè)典型的簡(jiǎn)單的仿人機(jī)器人設(shè)計(jì)，其自由度的總數(shù)為5X2（腿部）+3X2（臂部）+0（腰部）+1（頸部）+0（手部）=J7個(gè)，這便是近藤KHR一1機(jī)器人.這樣，我們得知17個(gè)自由度是一個(gè)仿人機(jī)器人（不含被動(dòng)動(dòng)力模型）自由度數(shù)的低限.另一個(gè)例子是新一代Asimo,其自由度的總數(shù)為6X2（腿部）+7X2（臂部，其中肩3,肘1，腕3）+1（腰部）+3（頸部）+2X2（手部，拇指1，其它四指1）=34個(gè)。仿人機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)絕大多數(shù)仿人機(jī)器人都用數(shù)字伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為120度或180度，正好模擬人類各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)大于180。的特點(diǎn).日本的近藤和雙蕖等公司還開發(fā)了仿人機(jī)器人專用伺服電機(jī)。這種專用伺服電機(jī)的特點(diǎn)是速度快、扭矩大，另一特點(diǎn)是配備了雙向高速接口，能夠確定并傳送當(dāng)前伺服電機(jī)位置，可以實(shí)現(xiàn)示教方法編程.這對(duì)多自由度的仿人機(jī)器人的編程帶來很大方便.由于伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)及價(jià)格因素，在工業(yè)機(jī)器人中廣泛使用的示教編程方法僅在少量仿人機(jī)器人中使用。伺服電機(jī)的尺寸對(duì)仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)有很大影響.對(duì)于一個(gè)有2個(gè)或3個(gè)自由度的肩部來說，由于電機(jī)的尺寸不允許把它們放在同一平面上，勢(shì)必造成2個(gè)或3個(gè)電機(jī)成串排列.這使得手臂的尺寸長(zhǎng)得與軀十不成比例，看上去像個(gè)大猩猩.排列在下方的關(guān)節(jié)由于遠(yuǎn)離肩部，其轉(zhuǎn)動(dòng)更使人有怪異的感覺.例如近藤公司的YDH—EZA機(jī)器人比KHR一1機(jī)器人增加了4個(gè)自由度（左右臂、腿各增加1個(gè)），動(dòng)作功能增強(qiáng)了，卻帶來了“非人”的感覺.換句話說，一定尺寸的伺服電機(jī)限定了機(jī)器人的最小合理尺寸.仿人機(jī)器人的處理器和操作系統(tǒng)由于仿人機(jī)器人需要控制多個(gè)關(guān)節(jié)，檢測(cè)多個(gè)傳感器的信息，因此需要很強(qiáng)的處理能力.另一方面，編程和處理圖像等大量信息需要外界計(jì)算機(jī)的幫助.和工業(yè)機(jī)器人一樣，通常每個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)微處理器和相應(yīng)的伺服電機(jī)構(gòu)成閉環(huán).各個(gè)微處理器接受機(jī)器人載CPU的命令.仿人機(jī)器人處理器的安排有下列幾種：（1）典型的一般設(shè)計(jì)是機(jī)器人載一個(gè)CPU并配備相應(yīng)的操作系統(tǒng)，編程和圖像處理由外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行.（2）高級(jí)別的設(shè)計(jì)是機(jī)器人載2個(gè)或3個(gè)CPU，主CPU控制步態(tài)計(jì)算，其他CPU用于圖像和傳感器信號(hào)處理.QIRO和HRP-2機(jī)器人屬于這種高級(jí)別類型.高級(jí)別和一般級(jí)別的機(jī)器人都裝載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng).控制周期一般為Ims.（3）最低級(jí)別的機(jī)器人無CPU，只帶微處理器單板，用來執(zhí)行從外部主機(jī)下載的程序外部計(jì)算機(jī)與機(jī)器人載處理器的信息交換方法有下列幾種：（1）編程軟件安裝在外部計(jì)算機(jī)上，Pc需通過電纜和機(jī)器人上微處理器搭載的單板連線初始化伺服電機(jī)和下載程序.程序下載后，電纜可以斷開，機(jī)器人執(zhí)行已存儲(chǔ)的程序.由于處理能力的限制，需要幾塊單板一起連接.這種機(jī)器人通常不帶傳感器.這種方法適用于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的仿人機(jī)器人.一個(gè)例子便是近藤KHR一1機(jī)器人，它帶2塊單板，每塊單板可控制12個(gè)電機(jī)，共可控制24個(gè)電機(jī)，實(shí)用17個(gè)口，尚多余7個(gè)口可供擴(kuò)展.（2）Pc通過符合IEEE802.11B標(biāo)準(zhǔn)的無線LAN卡和機(jī)器人上的CPU構(gòu)成網(wǎng)絡(luò).一個(gè)例子便是雙蕖電子公司的Speecys機(jī)器人.Speecys機(jī)器人的CPU是Motolora的PowerPCMPC5200，操作系統(tǒng)用的是該公司自己開發(fā)的以Net—BSD為基礎(chǔ)的SpeecysOS.機(jī)器人頭部還有2個(gè)cF卡插槽，可用來插放支持IEEE802.11B標(biāo)準(zhǔn)的無線LAN卡.因而，通過互聯(lián)網(wǎng)，計(jì)算機(jī)可接收機(jī)器人采集的圖像，亦可通過附屬的軟件SpeecysSystem,對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遙控.另一個(gè)例子是富士通公司的HOAP-2機(jī)器人.HOAP—2機(jī)器人用了700MHz的CPU.PC端與機(jī)器人端的OS都是RT—Linux.HOAP一2機(jī)器人與PC有2種連接方式.一種是有線連接，雙方通過2組USB插口傳遞信息，一組USB實(shí)時(shí)傳送程序，另一組為傳送圖像專用.另一種為無線連接，通過插入機(jī)器人的CF無線LAN卡和相應(yīng)軟件來實(shí)現(xiàn).以上兩個(gè)例子都屬于一般級(jí)別的機(jī)器人.（3）通過藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的交換.藍(lán)牙的有效范圍約為10m.這對(duì)控制小范圍內(nèi)活動(dòng)的機(jī)器人是可行的.TaiChi機(jī)器人是這方面的例子，它配備了藍(lán)牙插件.當(dāng)然，藍(lán)牙1Mbps的傳輸率對(duì)于傳輸圖像顯得太慢.傳送一幅未經(jīng)壓縮的35萬像素的彩色圖像需時(shí)8s多。4仿人機(jī)器人的傳感器自主引導(dǎo)車（AGV）類機(jī)器人通常采用傳感器來確定是否存在障礙，測(cè)量前方物體的距離，確定自身的位置和在水平面中的方向.這些目標(biāo)對(duì)于仿人機(jī)器人同樣重要.但仿人機(jī)器人尚有更基本的要求.雙足行走的特點(diǎn)決定了為了防止傾跌和提高走動(dòng)的效仿人機(jī)器人必須隨時(shí)確定自身在三維空間中的傾斜趨勢(shì)以保持動(dòng)態(tài)平衡.因此，它們優(yōu)先采用的傳感器是陀螺和腳底壓力傳感器.這兩種傳感器在雙足行走的機(jī)器人中是很普遍的，即使尚未采用的也把這類傳感器作為選件的首選.以HOAP-2機(jī)器人為例，它的姿態(tài)傳感器安裝在機(jī)器人軀干上半部.姿態(tài)傳感器由3軸角速度傳感器（陀螺）和3軸加速度傳感器組成.在機(jī)器人靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)定了加速度和角速度的額定數(shù)據(jù).經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后以機(jī)器人腰部坐標(biāo)表達(dá)這些物理量.在動(dòng)態(tài)情況下，這些物理量的變化被用于相應(yīng)關(guān)節(jié)的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng).姿態(tài)傳感器大大改善了機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡性能。HOAP-2機(jī)器人的腳底傳感器安裝在腳底板兩層之間.每個(gè)腳底板有4個(gè)傳感器，位于腳底板的四角.腳底板觸地時(shí)兩層底板平面相對(duì)傾斜，可被某個(gè)接觸傳感器感知，控制腳踝處關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)可以調(diào)整腳底板的姿態(tài).腳底板傳感器也可以給基于ZMP判據(jù)的控制提供信息°Asimo和HRP一2機(jī)器人在手腕和腳踝處分別選用了六維力傳感器.可增加對(duì)外界的感知。腳踝處六維力傳感器對(duì)以ZMP為判據(jù)的控制尤為必要.索尼公司的設(shè)計(jì)略有不同，它在SDR-4X機(jī)器人上每個(gè)腳底板下設(shè)4個(gè)力傳感器，這是特別設(shè)計(jì)的薄膜傳感器，信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，由輔助DSP計(jì)算實(shí)際ZMP位置，經(jīng)輔助CPU送至主CPU.由此4個(gè)力傳感器計(jì)算的ZMP位置精度為0.5mm，足夠滿足控制需要.索尼公司還使用了3個(gè)二軸加速度傳感器（軀干底部1個(gè)，2個(gè)腳底板各1個(gè)），又在軀干底部裝3個(gè)單軸角速度傳感器（陀螺）.加速度傳感器和角速度傳感器的輸出總和用于測(cè)量軀干的傾斜度.由于機(jī)器人個(gè)體小，索尼特別關(guān)注傳感器的小型化和輕量化.改進(jìn)設(shè)計(jì)后的加速度傳感器、角速度傳感器自重分別僅為0.2g和0.4g。5仿人機(jī)器人的視覺視覺是仿人機(jī)器人感知外界的最重要的感覺。圖像處理和分析的計(jì)算重負(fù)使得許多仿人機(jī)器人不得不放棄視覺.現(xiàn)有的最先進(jìn)的帶有視覺的仿人機(jī)器人有本田公司開發(fā)的Asimo、索尼公司的QIRO、川田等公司生產(chǎn)的HRP-2以及富士通公司的HOAP-2機(jī)器人.QIRO和Asim。機(jī)器人具有雙目匹配、人臉識(shí)別以及識(shí)別運(yùn)動(dòng)中物體的視覺功能.Asim。還有手勢(shì)和姿態(tài)識(shí)別功能.這些機(jī)器人對(duì)視覺信號(hào)處理主要有兩種途徑：Asimo、QIRO、HRP-2等機(jī)器人除了有機(jī)載CPU進(jìn)行步行控制外，還采用1至2個(gè)機(jī)載通用CPU專門處理視覺和傳感器信息.另一種做法是把圖像上傳到主機(jī)處理.例如單CPU的HOAP-2機(jī)器人預(yù)留了一個(gè)專用的圖像USB通道，把圖像上傳到主機(jī)處理后再把結(jié)果回傳至機(jī)器人.第一種做法機(jī)器人帶有2至3塊主板，控制復(fù)雜.第二種做法上傳圖像使機(jī)器人離不開USB電纜，不能脫機(jī)運(yùn)行；如果用無線網(wǎng)絡(luò)則通訊成為瓶頸，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制.機(jī)器人采用自帶的圖像處理裝置可能將成為更有前途的第三種途徑.索尼公司在SDR-4X機(jī)器人上使用FPGA進(jìn)行兩個(gè)攝像頭的圖像匹配，結(jié)果再送主CPU.有一種在其它機(jī)器人導(dǎo)航上已使用的高速圖像處理裝置Bi—i值得注意.這種AnalogieComputers公司生產(chǎn)的高速圖像處理裝置Bi一i可以在不必占用主機(jī)的CPU時(shí)間的情況下每秒處理高達(dá)10000幅128X12