仿人機器人發(fā)展概況-調(diào)查

1、仿人機器人發(fā)展概況 摘 要: 介紹了了國內(nèi)外外仿人機機器人的的發(fā)展特特點，以以行走機機構(gòu)為主主要內(nèi)容容詳細分分析了日日本、美美國等幾幾種仿人人機器人人的主要要技術(shù)及及其技術(shù)術(shù)指標，根根據(jù)國外外的樣機機設(shè)計，分分析了仿仿人機器器人的控控制設(shè)計計中的一一些問題題，就國國外仿人人機器人人發(fā)展對對中國仿仿人機器器人發(fā)展展的差異異提出了了看法。關(guān)鍵詞: 仿人機機器人，技技術(shù)，雙雙足步行行 概述仿人機器人人在過去去的100多年特特別是近近5年中中發(fā)展迅迅猛，自自從有關(guān)關(guān)綜述文文章發(fā)表表以來，情情況有了了很大改改變。行走機構(gòu)是是仿人機機器人的的關(guān)鍵技技術(shù)，對對于仿人人機器人人的研究究是從對對行走機機構(gòu)的研研

2、究開始始的，日日本旱稻稻田大學(xué)學(xué)在19973年年研制成成功了最最早具有有記載的的雙足步步行人形形機構(gòu)WWABOOT-11。本文文重點論論述世界界范圍內(nèi)內(nèi)仿人機機器人的的近期發(fā)發(fā)展，對對行走機機構(gòu)的發(fā)發(fā)展做重重點介紹紹。2 仿人人機器人人近期發(fā)發(fā)展特點點現(xiàn)如今，世世界各個個國家都都進行仿仿人機器器人的研研究，據(jù)據(jù)韓國的的一個經(jīng)經(jīng)常更新新的仿人人機器人人網(wǎng)站統(tǒng)統(tǒng)計，220055年3月月5日，世世界上共共有766各仿人人機器人人項目正正在進行行中，其其中日本本36個個，美國國10個個，韓國國7個，英英國4個個，中國國3個，瑞瑞典2個個，澳大大利亞、泰泰國、新新加坡、保保加利亞亞、伊朗朗、意大大利、奧

3、奧地利、俄俄羅斯等等國各有有1個，從從統(tǒng)計數(shù)數(shù)字可以以看出當當時日本本在此領(lǐng)領(lǐng)域的領(lǐng)領(lǐng)先地位位及其他他各國的的競爭實實力。2005年年2月118日出出版的科科學(xué)雜雜志上介介紹了一一種全新新的行走走機構(gòu)，康康奈爾大大學(xué)、麻麻省理工工學(xué)院和和荷蘭DDelfft理工工大學(xué)的的研究人人員分別別展示了了基于這這種行走走機構(gòu)的的樣機。這種行走機機構(gòu)的概概念來自自一個簡簡單的玩玩具：行行走企鵝鵝。這個個企鵝臀臀部有兩兩個沒有有動力的的關(guān)節(jié)分分別支撐撐兩條直直腿，該該企鵝可可以沿著著斜坡?lián)u搖搖晃晃晃的行走走而下，這這就是被被動動力力行走者者。問題題是在平平地上企企鵝不會會行走，研研究人員員貢獻在在于設(shè)計計了僅

4、用用少量驅(qū)驅(qū)動器就就可以在在平地上上行走的的行走機機構(gòu)。以以Asiimo為為代表的的傳統(tǒng)仿仿人機器器人每一一個關(guān)節(jié)節(jié)都用一一個驅(qū)動動器。新新行走機機構(gòu)則不不同，它它的關(guān)節(jié)節(jié)分為有有驅(qū)動和和無驅(qū)動動兩種，以以康奈爾爾的設(shè)計計為例，機機器人每每條腿的的自由度度為5個個（臀11，膝22，踝22），其其中只有有一個踝踝關(guān)節(jié)用用電機驅(qū)驅(qū)動，其其他都是是被動的的，雙手手擺動各各有一個個自由度度，通過過機械結(jié)結(jié)構(gòu)由雙雙腿帶動動，左腿腿帶動右右臂，右右腿帶動動左臂。走走動時，感感知到左左足觸地地時，右右踝驅(qū)動動右足踢踢開地面面，使右右腿擺動動至左腿腿前方，完完成一步步，反之之亦然。新新行走機機構(gòu)的特特點是節(jié)節(jié)

5、省能源源，據(jù)說說只需要要通常行行走機構(gòu)構(gòu)的十分分之一的的動力，另另外，新新型步行行機器人人走路時時一起一一伏，跟跟人沒什什么兩樣樣。Deelftt設(shè)計和和康奈爾爾的設(shè)計計大致相相同，只只是采用用氣動驅(qū)驅(qū)動，MMIT的的設(shè)計則則為每條條腿有66個自由由度，其其中兩個個踝部關(guān)關(guān)節(jié)用電電機驅(qū)動動，其他他都是被被動的。從從錄像看看，康奈奈爾和DDelfft的機機器人的的行走姿姿態(tài)是令令人滿意意的，但但似乎它它們只能能有一種種走法不象每每個關(guān)節(jié)節(jié)都采用用獨立驅(qū)驅(qū)動方式式的傳統(tǒng)統(tǒng)仿人機機器人那那樣可以以通過編編程獲得得不同的的步態(tài)至于MMIT模模型，雖雖然采用用了先進進的控制制方法，但但其蹣跚跚的步態(tài)態(tài)令

6、觀看看者對其其機構(gòu)設(shè)設(shè)計難以以接受實際上上，研究究者不止止以上33家，日日本Assanoo等人的的被動動動力步行行模型基基于能量量約束并并考慮了了ZMPP判據(jù)。傳統(tǒng)行走機機構(gòu)的研研究繼續(xù)續(xù)瞄準動動作的質(zhì)質(zhì)量。本本田提出出新一代代Asiimo的的步行速速度要增增加到225公公里小小時，跑跑步速度度增加到到3公里里時，主主要措施施是添加加腰部關(guān)關(guān)節(jié)以在在行進時時扭擺太極拳拳要求動動作連貫貫均勻，協(xié)協(xié)調(diào)完整整打太太極拳是是對仿人人機器人人動作質(zhì)質(zhì)量的最最好檢驗驗各公公司和業(yè)業(yè)余愛好好者正在在尋找更更好的設(shè)設(shè)計和控控制，以以便在今今后的機機器人太太極拳比比賽中一一決高低低。探討討人類行行走和奔奔跑時的

7、的各種動動作方式式。研究究仿人機機器人動動態(tài)步行行控制方方法是研研究重點點20004年底底前，本本田公司司宣布了了新一代代Asiimo計計劃，尋尋求更強強的行動動能力，更更佳的與與人溝通通，以及及在真實實世界中中更機敏敏的反應(yīng)應(yīng)能力。ZZMP判判據(jù)仍是是二足步步行機器器人各種種控制方方法的基基本依據(jù)據(jù)最早早提出ZZMP判判據(jù)的南南斯拉夫夫?qū)W者VVukoobraatovvic最最近對ZZMP判判據(jù)355年來的的發(fā)展作作了總結(jié)結(jié)，Liim和他他的同事事 除了了以仿人人機器人人上身軀軀干的擺擺動來補補償下肢肢運動的的力矩外外，還采采用了阻阻抗控制制方法來來吸收腳腳底板接接地時的的沖擊力力，大大大提高

8、了了行走的的穩(wěn)定性性。他們們所用的的彈簧一一阻尼模模型可以以以足夠夠的精度度模擬足足底與地地面的接接觸力，非非線性阻阻尼模型型則可模模擬足底底與地面面的沖擊擊力。3仿人機器器人的主主要技術(shù)術(shù)及其技技術(shù)指標標現(xiàn)有的仿人人機器人人五花八八門，其其自由度度數(shù)、重重量和尺尺寸也相相差甚遠遠。1仿人機器器人的自自由度現(xiàn)有的仿人人機器人人其自由由度數(shù)少少的有117個(近藤KKHR1)，多多的有441個(HUBBO)。如如下圖：仿人機器人人到底需需要多少少自由度度呢?除除了手部部另作討討論以外外，仿人人機器人人的自由由度是腿腿部、臂臂部、腰腰部、頸頸部各自自由度之之和，見見圖3以下分分別討論論這些部部分(1

9、)通通常的設(shè)設(shè)計中腿腿部自由由度為55個(臀臀2，膝膝1，踝踝2，典典型的是是近藤KKHR1)和和6個(在5個個的基礎(chǔ)礎(chǔ)上增加加1個臀臀部自由由度RLL1或LLL1，典典型的是是富士通通HOAAP-22、Assimoo和QIIRO)每條條腿5個個自由度度已經(jīng)可可以完成成基本行行走動作作增加加的臀部部自由度度可使行行走動作作更優(yōu)雅雅，少一一點機器器人味(2)臂部自自由度的的基本設(shè)設(shè)計為33個(肩肩2，肘肘1)各個公公司對第第4個臂臂部自由由度的選選擇不同同富士士通公司司的HOOAP22在3個個的基礎(chǔ)礎(chǔ)上增加加1個肩肩部自由由度RSS3或LLS3NivvanaaTecchnoologgy公司司的T

10、aaiChhi機器器人則增增加1個個腕部自自由度RRWr22或LWWr2腕部自自由度最最多可增增加3個個，QIIRO由由于腕部部增加了了2個自自由度而而成功地地表演了了持扇跳跳舞(3)一一般設(shè)計計腰部無無動作，連連Asiimo和和QIRRO也沒沒有腰部部自由度度增加加1個腰腰部自由由度首選選Wall，這個個動作對對打太極極拳和跑跑步都很很重要(4)頸部自自由度初初選為11個(NN1)，增增加1個個一般都都選N22(55)最后后，手部部自由度度差別很很大每每只手的的五指共共有211個自由由度，問問題在于于怎樣簡簡化簡簡單的設(shè)設(shè)計只是是一個手手形，不不能開合合稍復(fù)復(fù)雜的設(shè)設(shè)計中手手的動作作類似工工

11、業(yè)機器器人的夾夾持器復(fù)雜的的設(shè)計尋尋求100根手指指各自獨獨立地運運動這這將大大大增加自自由度的的總數(shù)現(xiàn)在，可可以看到到作為一一個典型型的簡單單的仿人人機器人人設(shè)計，其其自由度度的總數(shù)數(shù)為52(腿腿部)+32 (臂部部)+00(腰部部)+11(頸部部)+00(手部部)=JJ7個，這這便是近近藤KHHR一11機器人人這樣樣，我們們得知117個自自由度是是一個仿仿人機器器人(不不含被動動動力模模型)自自由度數(shù)數(shù)的低限限另一一個例子子是新一一代Assimoo，其自自由度的的總數(shù)為為62(腿腿部)+72(臂臂部，其其中肩33，肘11，腕33) +1(腰腰部)+3(頸頸部)+22(手手部，拇拇指1，其其

12、它四指指1)=34個個。仿人機器人人的驅(qū)動動電機絕大多數(shù)仿仿人機器器人都用用數(shù)字伺伺服電機機驅(qū)動。由由于伺服服電機的的轉(zhuǎn)動角角度為1120度度或 1180度度，正好好模擬人人類各關(guān)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動動不會大大于1880。的的特點日本的的近藤和和雙蕖等等公司還還開發(fā)了了仿人機機器人專專用伺服服電機。這這種專用用伺服電電機的特特點是速速度快、扭扭矩大，另另一特點點是配備備了雙向向高速接接口，能能夠確定定并傳送送當前伺伺服電機機位置，可可以實現(xiàn)現(xiàn)示教方方法編程程這對對多自由由度的仿仿人機器器人的編編程帶來來很大方方便由由于伺服服電機的的設(shè)計及及價格因因素，在在工業(yè)機機器人中中廣泛使使用的示示教編程程方法僅僅在

13、少量量仿人機機器人中中使用。伺伺服電機機的尺寸寸對仿人人機器人人的設(shè)計計有很大大影響對于一一個有22個或33個自由由度的肩肩部來說說，由于于電機的的尺寸不不允許把把它們放放在同一一平面上上，勢必必造成22個或33個電機機成串排排列這這使得手手臂的尺尺寸長得得與軀干干不成比比例，看看上去像像個大猩猩猩排排列在下下方的關(guān)關(guān)節(jié)由于于遠離肩肩部，其其轉(zhuǎn)動更更使人有有怪異的的感覺例如近近藤公司司的YDDHEZAA機器人人比KHHR一11機器人人增加了了4個自自由度(左右臂臂、腿各各增加11個)，動動作功能能增強了了，卻帶帶來了“非人”的感覺覺換句句話說，一一定尺寸寸的伺服服電機限限定了機機器人的的最小合

14、合理尺寸寸.仿人機器人人的處理理器和操操作系統(tǒng)統(tǒng)由于仿人機機器人需需要控制制多個關(guān)關(guān)節(jié)，檢檢測多個個傳感器器的信息息，因此此需要很很強的處處理能力力另一一方面，編編程和處處理圖像像等大量量信息需需要外界界計算機機的幫助助和工工業(yè)機器器人一樣樣，通常常每個關(guān)關(guān)節(jié)由一一個微處處理器和和相應(yīng)的的伺服電電機構(gòu)成成閉環(huán)各個微微處理器器接受機機器人載載CPUU的命令令仿人人機器人人處理器器的安排排有下列列幾種：(1)典型的的一般設(shè)設(shè)計是機機器人載載一個CCPU并并配備相相應(yīng)的操操作系統(tǒng)統(tǒng)，編程程和圖像像處理由由外部計計算機進進行(2)高高級別的的設(shè)計是是機器人人載2個個或3個個CPUU，主CCPU控控制步

15、態(tài)態(tài)計算，其其他CPPU用于于圖像和和傳感器器信號處處理QQIROO和HRRP-22機器人人屬于這這種高級級別類型型高級級別和一一般級別別的機器器人都裝裝載實時時操作系系統(tǒng)控控制周期期一般為為Imss(33)最低低級別的的機器人人無CPPU，只只帶微處處理器單單板，用用來執(zhí)行行從外部部主機下下載的程程序外部部計算機機與機器器人載處處理器的的信息交交換方法法有下列列幾種：(1)編程軟軟件安裝裝在外部部計算機機上，PPc需通通過電纜纜和機器器人上微微處理器器搭載的的單板連連線初始始化伺服服電機和和下載程程序程程序下載載后，電電纜可以以斷開，機機器人執(zhí)執(zhí)行已存存儲的程程序由由于處理理能力的的限制，需

16、需要幾塊塊單板一一起連接接這種種機器人人通常不不帶傳感感器這這種方法法適用于于簡單結(jié)結(jié)構(gòu)的仿仿人機器器人一一個例子子便是近近藤KHHR一11機器人人，它帶帶2塊單單板，每每塊單板板可控制制12個個電機，共共可控制制24個個電機，實實用177個口，尚尚多余77個口可可供擴展展(22)Pcc通過符符合IEEEE880211BB標準的的無線LLAN卡卡和機器器人上的的CPUU構(gòu)成網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)一一個例子子便是雙雙蕖電子子公司的的Speeecyys機器器人SSpeeecyss機器人人的CPPU是MMotoolorra的PPoweerPCC MPCC52000，操操作系統(tǒng)統(tǒng)用的是是該公司司自己開開發(fā)的以以Net

17、tBSDD為基礎(chǔ)礎(chǔ)的SppeeccysOOS機機器人頭頭部還有有2個ccF卡插插槽，可可用來插插放支持持IEEEE8002111B標標準的無無線LAAN卡因而，通通過互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)，計計算機可可接收機機器人采采集的圖圖像，亦亦可通過過附屬的的軟件SSpeeecyssSysstemm，對機機器人進進行遙控控另一一個例子子是富士士通公司司的HOOAP-2機器器人HHOAPP一2機機器人用用了7000MHHz的CCPUPC端端與機器器人端的的OS都都是RTTLinnuxHOAAP一22機器人人與PCC有2種種連接方方式一一種是有有線連接接，雙方方通過22組USSB插口口傳遞信信息，一一組USSB實時時傳送

18、程程序，另另一組為為傳送圖圖像專用用另一一種為無無線連接接，通過過插入機機器人的的CF無無線LAAN卡和和相應(yīng)軟軟件來實實現(xiàn)以以上兩個個例子都都屬于一一般級別別的機器器人(3)通通過藍牙牙技術(shù)實實現(xiàn)語音音和數(shù)據(jù)據(jù)的交換換藍牙牙的有效效范圍約約為100m這這對控制制小范圍圍內(nèi)活動動的機器器人是可可行的TaiiChii機器人人是這方方面的例例子，它它配備了了藍牙插插件當當然，藍藍牙1MMbpss的傳輸輸率對于于傳輸圖圖像顯得得太慢傳送一一幅未經(jīng)經(jīng)壓縮的的35萬萬像素的的彩色圖圖像需時時8s多多。4 仿人機機器人的的傳感器器自主引導(dǎo)車車(AGGV)類類機器人人通常采采用傳感感器來確確定是否否存在障障

19、礙，測測量前方方物體的的距離，確確定自身身的位置置和在水水平面中中的方向向這些些目標對對于仿人人機器人人同樣重重要但但仿人機機器人尚尚有更基基本的要要求雙雙足行走走的特點點決定了了為了防防止傾跌跌和提高高走動的的效仿人人機器人人必須隨隨時確定定自身在在三維空空間中的的傾斜趨趨勢以保保持動態(tài)態(tài)平衡因此，它它們優(yōu)先先采用的的傳感器器是陀螺螺和腳底底壓力傳傳感器這兩種種傳感器器在雙足足行走的的機器人人中是很很普遍的的，即使使尚未采采用的也也把這類類傳感器器作為選選件的首首選以以HOAAP-22機器人人為例，它它的姿態(tài)態(tài)傳感器器安裝在在機器人人軀干上上半部姿態(tài)傳傳感器由由3軸角角速度傳傳感器(陀螺)和

20、3軸軸加速度度傳感器器組成在機器器人靜止止狀態(tài)下下測定了了加速度度和角速速度的額額定數(shù)據(jù)據(jù)經(jīng)AAD轉(zhuǎn)換換后以機機器人腰腰部坐標標表達這這些物理理量在在動態(tài)情情況下，這這些物理理量的變變化被用用于相應(yīng)應(yīng)關(guān)節(jié)的的補償運運動姿姿態(tài)傳感感器大大大改善了了機器人人的動態(tài)態(tài)平衡性性能。HHOAPP-2機機器人的的腳底傳傳感器安安裝在腳腳底板兩兩層之間間每個個腳底板板有4個個傳感器器，位于于腳底板板的四角角腳底底板觸地地時兩層層底板平平面相對對傾斜，可可被某個個接觸傳傳感器感感知，控控制腳踝踝處關(guān)節(jié)節(jié)的運動動可以調(diào)調(diào)整腳底底板的姿姿態(tài)腳腳底板傳傳感器也也可以給給基于ZZMP判判據(jù)的控控制提供供信息。AAsi

21、mmo和HHRP一一2機器器人在手手腕和腳腳踝處分分別選用用了六維維力傳感感器可可增加對對外界的的感知。腳腳踝處六六維力傳傳感器對對以ZMMP為判判據(jù)的控控制尤為為必要索尼公公司的設(shè)設(shè)計略有有不同 ，它在在SDRR-4XX機器人人上每個個腳底板板下設(shè)44個力傳傳感器，這這是特別別設(shè)計的的薄膜傳傳感器，信信號經(jīng)AAD轉(zhuǎn)換換，由輔輔助DSSP計算算實際ZZMP位位置，經(jīng)經(jīng)輔助CCPU送送至主CCPU由此44個力傳傳感器計計算的ZZMP位位置精度度為05mmm，足夠夠滿足控控制需要要索尼尼公司還還使用了了3個二二軸加速速度傳感感器(軀軀干底部部1個，22個腳底底板各11個)，又又在軀干干底部裝裝3個

22、單單軸角速速度傳感感器(陀陀螺)加速度度傳感器器和角速速度傳感感器的輸輸出總和和用于測測量軀干干的傾斜斜度由由于機器器人個體體小，索索尼特別別關(guān)注傳傳感器的的小型化化和輕量量化改改進設(shè)計計后的加加速度傳傳感器、角角速度傳傳感器自自重分別別僅為002gg和04g。5 仿人機機器人的的視覺視覺是仿人人機器人人感知外外界的最最重要的的感覺。圖圖像處理理和分析析的計算算重負使使得許多多仿人機機器人不不得不放放棄視覺覺現(xiàn)有有的最先先進的帶帶有視覺覺的仿人人機器人人有本田田公司開開發(fā)的AAsimmo、索索尼公司司的QIIRO、川川田等公公司生產(chǎn)產(chǎn)的HRRP-22以及富富士通公公司的HHOAPP-2機機器人

23、QIRRO和AAsimmo機器器人具有有雙 目目匹配、人人臉識別別以及識識別運動動中物體體的視覺覺功能Asiimo還還有手勢勢和姿態(tài)態(tài)識別功功能這這些機器器人對視視覺信號號處理主主要有兩兩種途徑徑：Assimoo、QIIRO、HHRP-2等機機器人除除了有機機載CPPU進行行步行控控制外，還還采用11至2個個機載通通用CPPU專門門處理視視覺和傳傳感器信信息另另一種做做法是把把圖像上上傳到主主機處理理例如如單CPPU的HHOAPP-2機機器人預(yù)預(yù)留了一一個專用用的圖像像USBB通道，把把圖像上上傳到主主機處理理后再把把結(jié)果回回傳至機機器人第一種種做法機機器人帶帶有2至至3塊主主板，控控制復(fù)雜雜

24、第二二種做法法上傳圖圖像使機機器人離離不開UUSB電電纜，不不能脫機機運行；如果用用無線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)則通通訊成為為瓶頸，無無法實現(xiàn)現(xiàn)實時控控制機機器人采采用自帶帶的圖像像處理裝裝置可能能將成為為更有前前途的第第三種途途徑索索尼公司司在SDDR-44X機器器人上使使用FPPGA進進行兩個個攝像頭頭的圖像像匹配，結(jié)結(jié)果再送送主CPPU有有一種在在其它機機器人導(dǎo)導(dǎo)航上已已使用的的高速圖圖像處理理裝置BBii值得得注意這種AAnallogiieCoompuuterrs公司司生產(chǎn)的的高速圖圖像處理理裝置BBii可以以在不必必占用主主機的CCPU時時間的情情況下每每秒處理理高達1100000幅11281288圖像Bii的中中央處理理器是一一個6000MHHz的數(shù)數(shù)字信號號處理器器(DSSP)，并并配備1150MMHz浮浮點協(xié)處處理器和和ACEE16KK處理器器ACCE166K芯片片號稱第第三代人人工視網(wǎng)網(wǎng)膜，是是對生物物視網(wǎng)膜膜最成功功的模擬擬