《機(jī)器人程序設(shè)計(jì)-仿人機(jī)器人競(jìng)技娛樂運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)》課件第1章

第1章仿人機(jī)器人發(fā)展概況1.1引言1.2仿人機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展概述

1.1引言

機(jī)器人對(duì)我們來說已經(jīng)不再陌生，比爾·蓋茨曾預(yù)言：未來機(jī)器人肯定會(huì)像個(gè)人電腦一樣普及每一個(gè)家庭，那勢(shì)必又將掀起一次技術(shù)性的革命，改變?nèi)祟惖娜粘Ｉ?。步?1世紀(jì)以來，對(duì)機(jī)器人的研究已經(jīng)成為最具有代表性的高技術(shù)課題之一，因?yàn)樗w了機(jī)械、控制、電子、計(jì)算機(jī)、人工智能等各個(gè)領(lǐng)域。仿人機(jī)器人是一種外形像人的機(jī)器人。在當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域里，具有雙足的仿人機(jī)器人也許是最具有吸引力和挑戰(zhàn)性的研究平臺(tái)之一，這不僅是因?yàn)槿祟愊胍獎(jiǎng)?chuàng)造一個(gè)和自身類似的機(jī)器人，它可以模擬人類思維、與人類交談、進(jìn)行各種仿人的運(yùn)動(dòng)，從而更容易被人類社會(huì)所接受，而且由于現(xiàn)代社會(huì)的環(huán)境是人類設(shè)計(jì)的，例如各種樓梯、人行道、門把的位置以及使用工具的大小等諸多事物都應(yīng)設(shè)計(jì)成符合人類的使用習(xí)慣。因此，對(duì)仿人機(jī)器人的研究就可以省去為研究其他機(jī)器人而專門設(shè)計(jì)的環(huán)境空間。與其他移動(dòng)機(jī)器人(輪式、履帶式、爬行式機(jī)器人等)相比，仿人機(jī)器人具有高度的適應(yīng)性與靈活性。具體表現(xiàn)在：

(1)對(duì)環(huán)境要求低。仿人機(jī)器人與地面的接觸點(diǎn)是離散的，可以選擇合適的落腳點(diǎn)來適應(yīng)崎嶇的路面，它既可以在平地上行走，也可以在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中行走，如在凹凸不平的地面上行走、在狹窄的空間里移動(dòng)、上下樓梯和斜坡、跨越障礙等。由于其外形和功能像人，仿人機(jī)器人適合在人類生活和工作的環(huán)境中與人類協(xié)同工作，不需要專門為其進(jìn)行大規(guī)模的環(huán)境改造。

(2)動(dòng)作靈活。除了完成普通多足機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)的變速前進(jìn)與后退外，仿人機(jī)器人還可以實(shí)現(xiàn)不同角度和速度的轉(zhuǎn)彎，并能夠完成跑、跳、踢甚至一些類似舞蹈與武術(shù)的高難度動(dòng)作。

(3)能量消耗小。機(jī)器人力學(xué)計(jì)算表明，仿人機(jī)器人具有比輪式和履帶式機(jī)器人更小的能耗。已有的仿人機(jī)器人步行研究顯示，被動(dòng)式機(jī)器人可以在沒有主動(dòng)能量輸入的情況下，完全采用重力作為驅(qū)動(dòng)力完成下坡等動(dòng)作。另外，改進(jìn)能源裝置和機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以不同程度地減少能量的消耗，進(jìn)一步提高能量的利用率。

1.2仿人機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展概述

1.2.1仿人機(jī)器人國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

號(hào)稱“機(jī)器人王國(guó)”的日本在仿人機(jī)器人研究領(lǐng)域走在了世界的前沿。日本早稻田大學(xué)的仿人機(jī)器人研究小組是世界上第一個(gè)研究仿人機(jī)器人的小組。他們從1968年就開始開展WABOT仿人機(jī)器人計(jì)劃，直到1973年，“仿人機(jī)器人之父”加藤一郎開發(fā)了世界上第一臺(tái)仿人機(jī)器人WABOT-1，如圖1-1(a)所示。雖然當(dāng)時(shí)這臺(tái)機(jī)器人只能夠簡(jiǎn)單地通過靜態(tài)方式步行，但是它能夠用日語(yǔ)和人進(jìn)行簡(jiǎn)單的交流，并且可以通過視覺識(shí)別物體，還能用雙手操作物體。之后，由于使用不同的驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，特別是各種不同的人工肌肉和控制方法，該研究小組一直在推出各種型號(hào)的WABOT仿人機(jī)器人，并且把相關(guān)研究領(lǐng)域如智能和生物技術(shù)進(jìn)行有效的綜合。該研究組最近推出的Wabian-RV仿人機(jī)器人如圖1-1(b)所示，它具有43個(gè)制動(dòng)電機(jī)和8個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)，成為迄今為止最復(fù)雜的仿人機(jī)器人之一。這款機(jī)器人能夠提前分析視覺和聽覺來模擬人類的感官系統(tǒng)，并根據(jù)傳感器信息，在線生成整個(gè)身體的運(yùn)動(dòng)，它還可以通過高興、悲傷和生氣等表情來和人類進(jìn)行情感上的交流。圖1-1早期機(jī)器人日本本田公司于1986年開始制定研制仿人機(jī)器人計(jì)劃，經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)10年的研究，于1996年成功研制出P2機(jī)器人，如圖1-2(a)所示。P2機(jī)器人身高180?cm，體重210?kg。它的研制成功，使仿人機(jī)器人的研究步入了新的時(shí)代。本田公司采用合金連桿和諧波減速驅(qū)動(dòng)，消除了傳動(dòng)背隙，并采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，使用有限元的方法進(jìn)行三維立體分析。這種開發(fā)方式成為了研制仿人機(jī)器人的一種范本。本田公司在P2機(jī)器人推出之后，于1997年又推出了身高和體重比P2機(jī)器人小的P3機(jī)器人(見圖1-2(b))，后又于2000年推出了身高120?cm，體重43?kg的ASIMO機(jī)器人(見圖1-2(c))。ASIMO機(jī)器人集成了當(dāng)今世界上最先進(jìn)的研究成果，在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、視覺定位、語(yǔ)音識(shí)別等各個(gè)方面都有不俗的表現(xiàn)。其步態(tài)采用I-WALK(IntelligentReal-timeFlexibleWalk)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)下一步的動(dòng)作，從而提前改變自身重心來調(diào)節(jié)整體動(dòng)作的連貫性。圖1-2本田公司開發(fā)的機(jī)器人

2004年之后，新的技術(shù)應(yīng)用在ASIMO機(jī)器人身上，使其能夠以6?km/h的速度像人一樣平穩(wěn)地跑步，而且可以非常自然地做各種復(fù)雜的動(dòng)作，例如上下樓梯、端水、與人握手、跳舞、踢球等，如圖1-3所示。圖1-3機(jī)器人完成的動(dòng)作日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省從1998年開始組織與人協(xié)調(diào)共處的機(jī)器人系統(tǒng)研究項(xiàng)目“HumanoidRoboticsProject(HRP)”，旨在開發(fā)與人共處同一空間并且能夠和人一起協(xié)調(diào)工作的仿人機(jī)器人。為此，他們研制了一系列的仿人機(jī)器人，如圖1-4所示。其中比較著名的是HRP-2，它身高154?cm，體重58?kg，具有30個(gè)關(guān)節(jié)，并且每個(gè)關(guān)節(jié)都是獨(dú)立控制的，可以進(jìn)行倒地并且起立的動(dòng)作。最新推出的HRP-4C機(jī)器人在語(yǔ)音和視覺上獲得了重大突破，她采用人造肌肉與皮膚，可以通過視覺和語(yǔ)音識(shí)別人唱歌時(shí)的表情和聲音，從而進(jìn)行模仿，效果惟妙惟肖，神情達(dá)到了與真人幾乎難以區(qū)分的程度。圖1-4仿人機(jī)器人日本的東京大學(xué)也對(duì)仿人機(jī)器人進(jìn)行了研究，其研制成功的H7型仿人機(jī)器人可以實(shí)時(shí)生成動(dòng)態(tài)步態(tài)，在屋外行走。此外，日本研制的典型仿人機(jī)器人還有富士通公司的HOAP系列機(jī)器人和豐田公司的樂隊(duì)機(jī)器人等。

除了日本之外，世界其他國(guó)家也在仿人機(jī)器人方面進(jìn)行了大量的研究，如圖1-5所示。圖1-5其他國(guó)家的仿人機(jī)器人韓國(guó)在仿人機(jī)器人研究方面加大投入，近幾年大有趕超日本的趨勢(shì)。2005年，韓國(guó)的KAIST(KoreaAdvancedInstituteofScienceandTechnology)成功研發(fā)出具有41個(gè)自由度，身高125?cm，體重55?kg的HUBO仿人機(jī)器人。該機(jī)器人除了基本的行走之外，還具有和人類交談的語(yǔ)音功能。

法國(guó)的deMecaniquedesSolodersdePoitiers實(shí)驗(yàn)室和INRIA機(jī)構(gòu)于2000年開發(fā)了BIP2000仿人機(jī)器人，該機(jī)器人腿部由15個(gè)自由度組成，可以實(shí)現(xiàn)行走、上下斜坡、上下樓梯等動(dòng)作。BIP2000仿人機(jī)器人采用全局規(guī)劃層、步態(tài)規(guī)劃層、控制實(shí)現(xiàn)層分層控制結(jié)構(gòu)的策略，其目的是建立一個(gè)能適應(yīng)各種外界環(huán)境的仿人機(jī)器人系統(tǒng)。德國(guó)的慕尼黑科技大學(xué)設(shè)計(jì)了Johnnie仿人機(jī)器人，包括每條腿上的6個(gè)自由度在內(nèi)，該款機(jī)器人共有17個(gè)自由度，身高180?cm，體重40?kg。由于采用有限元方式對(duì)機(jī)器人的重量進(jìn)行了優(yōu)化，該款機(jī)器人能夠進(jìn)行較快的行走。

美籍華人鄭元芳博士在1986年成功研制出美國(guó)第一臺(tái)仿人機(jī)器人SD-2，該機(jī)器人腿部具有8個(gè)自由度，能夠進(jìn)行靜態(tài)行走。之后他又提出把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到步態(tài)控制中的想法。H.?Benbrahim和W.?T.?Mi等人通過在SD-2上增加兩個(gè)膝關(guān)節(jié)，成功實(shí)現(xiàn)了用CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)器人的實(shí)時(shí)行走。MIT的Pratt教授在SpringFlamingo和SpringTurkey仿人機(jī)器人的控制中提出了虛擬模型控制策略(VirtualModelControl,VMC)，通過彈簧振子、阻尼器等元件固連在機(jī)器人系統(tǒng)中產(chǎn)生虛擬驅(qū)動(dòng)力和力矩，有效地避免了機(jī)器人繁瑣的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算，并能有效地利用機(jī)械勢(shì)能使腿被動(dòng)地完成擺動(dòng)過程。美國(guó)Cornell大學(xué)的Andy和Steve、荷蘭Delft大學(xué)的Martijn和美國(guó)MIT的Russ分別開發(fā)了基于被動(dòng)動(dòng)力學(xué)的雙足機(jī)器人。它們的部分關(guān)節(jié)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)平面步行，而且能量效率和人類步行效率相當(dāng)。這類機(jī)器人的效率是目前可以平面步行的雙足機(jī)器人中最高的。這三個(gè)雙足機(jī)器人的共同特點(diǎn)是采用了簡(jiǎn)單的控制策略和巧妙的機(jī)械設(shè)計(jì)，如圖1-6所示。圖1-6國(guó)外大學(xué)研制的機(jī)器人還有一些國(guó)家如比利時(shí)布魯塞爾大學(xué)的Verrelst教授研制的仿人機(jī)器人Lucy、加拿大的T.?McGeer研制的被動(dòng)機(jī)器人等具有二級(jí)倒立擺的特征，可以在斜坡上穩(wěn)定行走。英國(guó)的Shadow項(xiàng)目、保加利亞Kibertron公司的Kibertron項(xiàng)目等都開發(fā)出了各具特色的仿人機(jī)器人。

1.2.2仿人機(jī)器人國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)研究仿人機(jī)器人起步較晚，但是經(jīng)過這些年的努力，已經(jīng)有了很大的發(fā)展。如圖1-7所示為近幾年來國(guó)內(nèi)研究的仿人機(jī)器人。圖1-7國(guó)產(chǎn)機(jī)器人哈爾濱工業(yè)大學(xué)從1985年開始研制雙足步行機(jī)器人，先后研制出HIT-Ⅰ、HIT-Ⅱ和HIT-Ⅲ?三種型號(hào)的機(jī)器人。其中，HIT-Ⅲ?實(shí)現(xiàn)了步距200?mm的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)步行，能夠完成前進(jìn)、后退、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯及上斜坡等動(dòng)作。國(guó)防科技大學(xué)于1988年開始研制雙足機(jī)器人，并于2000年底成功研制出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)高140?cm，體重20?kg的仿人機(jī)器人“先行者”。該款機(jī)器人可以在偏差較小的不確定環(huán)境中行走。2003年國(guó)防科技大學(xué)又推出了可以實(shí)現(xiàn)無(wú)纜行走的第四代仿人機(jī)器人。1999年，上海交通大學(xué)成功研制出了一款名為SFHR的仿人機(jī)器人，其手臂和腿部的自由度分別是10個(gè)和12個(gè)，而全身的自由度為24個(gè)。SFHR的主體采用主動(dòng)視覺系統(tǒng)控制，該款機(jī)器人為多傳感器集成技術(shù)、機(jī)器人學(xué)技術(shù)和機(jī)器人控制算法的研究提供了很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。2002年，北京理工大學(xué)的黃強(qiáng)教授研制出一款名為BHR-1型的仿人機(jī)器人。該款機(jī)器人身高158cm，體重76?kg，全身具有32個(gè)自由度，行走速度可以達(dá)到1km/h，并且能夠根據(jù)安裝在機(jī)器人身上的傳感器設(shè)備(平衡覺、自身力覺)采集機(jī)器人行走時(shí)地面情況的變化信息，從而可以在未知地面上進(jìn)行穩(wěn)定行走。2005年，黃強(qiáng)教授又研制出“匯童”，該機(jī)器人身高160?cm，體重63?kg，具有視覺、語(yǔ)音、力覺和平衡覺等功能，能夠完成前行、后退、左右移動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯等動(dòng)作，并且第一次成功模仿了人類的刀術(shù)和太極拳等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。2012年，最新研制的匯童第4代、第5代仿人機(jī)器人可以有上百種面部表情和打乒乓球的功能。清華大學(xué)于2002年4月成功研制出仿人機(jī)器人THBIP-Ⅰ。該機(jī)器人具有32個(gè)自由度，采用獨(dú)特的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了無(wú)纜連續(xù)穩(wěn)定的平地行走、連續(xù)上下樓梯行走。其平地行走速度為4.2?m/min，步距為35?cm，跨越臺(tái)階高度為75?mm，跨越速度為20?s/步，并且在仿人機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、穩(wěn)定行走理論、動(dòng)力學(xué)及步態(tài)規(guī)劃和非完整動(dòng)態(tài)系統(tǒng)控制理論與方法等方面取得了一些創(chuàng)新成果和突破性進(jìn)展。2005年3月，清華大學(xué)在第一代仿人機(jī)器人的基礎(chǔ)上研制出第二代仿人機(jī)器人THBIP-Ⅱ，該款機(jī)器人高70?cm，重約18?kg，共24個(gè)自由度。該小型仿人機(jī)器人下肢關(guān)節(jié)采用直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由同步帶及諧波減速器構(gòu)成傳動(dòng)系統(tǒng)，采用集中式控制方式。該項(xiàng)目主要立足于解決小型仿人機(jī)器人的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和行走穩(wěn)定性理論及控制問題，并致力于在復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題上的突破。2006年9月，清華大學(xué)又研制出平面欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人THBIP-Ⅲ，該機(jī)器人目前可實(shí)現(xiàn)步幅0.13?m,速度為0.64?s/步的動(dòng)態(tài)行走。該機(jī)器人的設(shè)計(jì)目的是為研究大步幅動(dòng)態(tài)步行穩(wěn)定性判據(jù)與仿生控制策略等步行基礎(chǔ)理論提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

總體來說，雖然國(guó)內(nèi)的仿人機(jī)器人研究還處于起步階段，但是經(jīng)過各大高校和科研單位的不斷努力，已經(jīng)取得了可喜的成績(jī)，相信在未來一定會(huì)達(dá)到甚至超過國(guó)際先進(jìn)水平。1.2.3仿人型競(jìng)技娛樂機(jī)器人研究現(xiàn)狀

當(dāng)大型仿人機(jī)器人的研究正受到全世界的普遍關(guān)注時(shí)，小型仿人機(jī)器人的研制也拉開了序幕。小型仿人機(jī)器人的研究多以競(jìng)技娛樂為研究目的，通過競(jìng)技娛樂平臺(tái)來體現(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)對(duì)新的技術(shù)提出要求。這方面研究的代表作首推索尼公司在2000年研制出的SDR-3X(SonyDreamRobot-3X)。該款機(jī)器人身高50?cm，體重僅5?kg，可以以15m/min的速度前進(jìn)，也可以進(jìn)行倒地姿態(tài)起立、單腿站立、按照音樂節(jié)拍進(jìn)行舞蹈等各種復(fù)雜動(dòng)作。2003年，索尼公司又推出了仿人機(jī)器人QRIO，該機(jī)器人是世界上第一個(gè)會(huì)跑步的機(jī)器人。其跑步時(shí)的滯空時(shí)間為6?ms，雙腳跳躍時(shí)的滯空時(shí)間為10?ms。法國(guó)機(jī)器人公司AldebaranRobotics于2005年成功研制出一款名叫NAO的娛樂型仿人機(jī)器人。該款機(jī)器人身高58?cm,體重4.3?kg，全身有24個(gè)自由度，其中每條手臂和腿部各5個(gè)自由度。該機(jī)器人還配備了2個(gè)揚(yáng)聲器，4個(gè)麥克風(fēng)，2個(gè)基于CMOS的數(shù)字?jǐn)z像頭以形成立體視覺，并且具有聲吶、加速度、傾斜、壓力等多種傳感器；可以使用無(wú)線或有線的方式通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接；可以通過支持C++的Choregraphe進(jìn)行程序編寫，該軟件還可以與RoboticsStudio和CyberboticsWebots相兼容，并且支持Linux、Windows等多種平臺(tái)。NAO機(jī)器人在2007年已經(jīng)取代索尼公司的AIBO四足狗機(jī)器人，成為RoboCup機(jī)器人足球的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)。韓國(guó)的Mini公司最近幾年一直致力于研究小型競(jìng)技仿人機(jī)器人，先后研制出ROBONOVA、MF-1和MF-AI型仿人機(jī)器人。其中ROBONOVA型仿人機(jī)器人在教學(xué)和競(jìng)技方面取得了較好的成效。另外還有JVC公司于2005年1月推出的新型機(jī)器人“J4”、ZMP公司開發(fā)的NUVO和日本Kondo公司推出的DIY人型機(jī)器人KHR-1等。這些機(jī)器人的特點(diǎn)是身高都不超過40?cm，體重一般在1.5?kg以內(nèi)，全身由可拆卸的直流電機(jī)組成，非常方便組裝和更換，并且調(diào)試界面擬人化，對(duì)于初學(xué)者來說非常容易入門。

三種小型仿人機(jī)器人如圖1-8所示。圖1-8小型仿人機(jī)器