仿人机器人发展现状及其腰部机构研究.pdf

第 24卷2005年第 4期4月机 械 科 学 与 技 术C 24Ap 42005收 稿 日 期 : 2003 06 24基 金 项 目 :国 家 “ 863” 高 技 术 研 究 发 展 计 划 项 目 ( 2001 助作 者 简 介 :李 艳 杰 (1969 - ) ,女 (汉 ) ,辽 宁 ,博 士 研 究 生 杰文 章 编 号 : 100328728 (2005) 0420400204仿 人 机 器 人 发 展 现 状 及 其 腰 部 机 构 研 究李 艳 杰 1, 2, 3 ,赵 铁 军 4 ,谈 大 龙 3 ,吴 镇 炜 1 ,钟 华 1, 2(1中 国 科 学 院 沈 阳 自 动 化 研 究 所 ,沈 阳 110016; 2中 国 科 学 院 研 究 生 院 ,北 京 100039;3沈 阳 工 业 学 院 机 械 工 程 分 院 ,沈 阳 110168; 4沈 阳 工 业 大 学 机 械 工 程 学 院 ,沈 阳 110023)摘 要 :仿 人 机 器 人 目 前 已 成 为 机 器 人 领 域 的 研 究 热 点 问 题 之 一 。 本 文 对 仿 人 机 器 人 目 前 的 发 展 现 状 进 行 了 综 述 ,介 绍 了 腰 部 机 构 在 仿 人 机 器 人 的 作 用 以 及 具 有 不 同 结 构 特 点 的 腰 部 机 构 。 介 绍 了 一 种 新 型 的 两 个 自 由 度 的 并 联 差动 驱 动 的 腰 部 机 构 ,并 进 行 了 运 动 学 分 析 及 P 下 的 响 应 特 性 分 析 。 实 验 结 果 表 明 ,该 机 构 具 有 较 快 的 响 应 速度 和 较 好 稳 态 精 度 。关 键 词 : 仿 人 机 器 人 ;腰中 图 分 类 号 : 文 献 标 识 码 : AD en t a 2, 3 , 2(1 10016;2 of 00039;3 10168;4 10023)is of in of It of of s a of 2is by a s ID a p W 型 机 器 人 是 一 种 具 有 人 的 外 形 ,并 能 够 效 仿 人 体的 某 些 物 理 功 能 、 感 知 系 统 及 社 交 能 力 并 能 承 袭 人 类 部 分经 验 的 机 器 人 。 仿 人 型 机 器 人 的 研 究 目 的 不 是 企 图 制 造以 假 乱 真 或 替 代 人 类 的 机 械 ,而 是 要 创 造 一 种 新 型 工 具 ,它 能 在 典 型 的 日 常 环 境 中 和 人 类 交 流 ,在 更 广 泛 的 环 境 任务 中 扩 展 人 类 的 能 力 。 仿 人 机 器 人 不 仅 具 有 能 走 的 双 腿和 双 臂 ,有 头 、 眼 、 颈 、 腰 等 物 理 特 征 ,还 能 模 仿 人 类 的 视觉 、 触 觉 、 语 言 ,甚 至 情 感 等 功 能 。 这 和 能 在 特 种 环 境 下 工作 的 服 务 机 器 人 是 有 区 别 的 。目 前 仿 人 机 器 人 的 研 究 已 经 成 为 机 器 人 学 研 究 的 热点 ,是 多 学 科 的 交 叉 。 中 国 科 学 院 沈 阳 自 动 化 研 究 所 研 制的 轮 式 移 动 宜 人 机 器 人 是 一 个 仿 人 机 器 人 技 术 研 究 平 台 ,它 由 正 交 轮 式 移 动 平 台 、 腰 部 、 双 臂 、 躯 干 及 头 部 组 成 ,共21个 自 由 度 ,其 中 腰 部 机 构 具 有 两 个 自 由 度 ,利 用 两 个 差动 轮 系 实 现 封 闭 式 传 动 ,是 一 个 创 新 性 机 构 。本 文 介 绍 了 仿 人 机 器 人 的 发 展 现 状 ,分 析 了 腰 部 机 构在 仿 人 机 器 人 中 的 作 用 ,以 及 差 动 轮 系 驱 动 的 轮 式 移 动 宜人 机 器 人 腰 部 机 构 的 结 构 特 点 ,给 出 了 腰 部 机 构 的 运 动 学方 程 ,建 立 了 基 于 网 络 控 制 系 统 ,并 对 该 腰部 机 构 的 控 制 响 应 特 性 进 行 了 实 验 研 究 。1 仿 人 机 器 人 的 发 展 现 状 1 6 日 本 的 早 稻 田 大 学 研 究 仿 人 机 器 人 已 有 将 近 40年 的历 史 ,并 在 1973年 创 建 了 世 界 上 第 一 个 仿 人 形 机 器 人1992年 早 稻 田 大 学 集 中 工 业 界 、 政 府 和 学 术 界的 力 量 开 始 了 仿 人 机 器 人 工 程 ( ,它的 最 终 目 标 是 开 发 能 与 人 类 分 享 信 息 和 行 为 空 间 的 机 器人 。 1995年 ,该 工 程 生 产 了 第 一 个 名 为 机 , 合 视 听 信 息 ,声 音 对 话 和 姿 态 运 动 与 人 进 行第 4期 李 艳 杰 等 :仿 人 机 器 人 发 展 现 状 及 其 腰 部 机 构 研 究几 个 基 本 的 信 息 互 动 。 1997年 ,早 稻 田 大 学 又 集 成 了 工 程前 期 的 技 术 ,开 发 了 两 个 新 的 仿 人 机 器 人 ,命 名 为 W (图 1)。 肢 移 动 机 构 是 车 体 ,它 综 合 视 觉 环 境 认 知 、 对 话 能 力 、姿 态 行 为 实 现 与 人 类 的 信 息 交 互 ; 个 全 面 具有 人 体 构 造 的 机 器 人 。 它 能 用 双 腿 步 行 ,能 携 带 物 体 ,具有 信 息 交 互 能 力 。 早 稻 田 大 学 的 仿 人 机 器 人 的 最 新 成 果是 W 它 是 在提 高 个 子 系 统 的 基 础 上 发 展 而 来 ,能 更 好 地实 现 人 与 机 器 人 的 交 互 ,W 安 全 性 (冲 击 和 碰 撞时 的 安 全 )和 可 操 作 性 (移 动 性 和 灵 活 性 )作 为 基 本 要 求 ,它 能 完 成 从 地 板 上 拿 起 物 体 及 打 鸡 蛋 等 任 务 。日 本 的 的 仿 人 机 器 人 工 程 开 始 于 1986年 ,经 过 十 年 的 秘 密 研 究 , 996年 一 经 问 世 ,便 令 世 人 瞠目 。 界 上 第 一 个 无 缆 仿 人 机 器 人 ,它 能 走 ,能 上 下 台阶 ,能 推 小 车 。 2的 改 进 ,减 小 了 尺 寸 (重 量 由 原 来的 210 130 度 由 1800 1600 高了 步 行 能 力 。 2000年 本 田 公 司 又 推 出 了 新 型 双 脚 步 行 机 器人 “ A in ” ,和 “ 相比 ,体 形 更 小 、 重 量 更 轻 ,并 采 用 了 新 开 发 的 技 术 “ ” 实 现 更 加 自 由 的步 行 。 2002年 12月 又 推 出 了 最 新 款 的 A 仿 人 机 器 人 (图 2) ,它 的 主 要 特 点 是 :(1) 基 于 认 知 技 术 的 先 进 的 交 流 能 力 。 它 能 实 现 移动 物 体 认 知 、 位 置 /姿 态 认 知 、 环 境 认 知 、 声 音 认 知 和 面 部认 知 。(2) 网 络 集 成 能 力 。 它 能 与 用 户 网 络 系 统 相 连 完 成用 户 指 令 ,还 能 通 过 互 联 网 为 主 人 的 问 题 寻 找 答 案图 1 W 2 A 本 东 京 大 学 开 发 的 7,采 用 空 间 技 术 ,它 们 具有 低 重 量 (55 高 强 度 的 特 点 。 5个 自 由 度 ,它 能走 上 和 走 下 25 台 阶 ,还 能 认 识 预 存 的 人 的 面 孔 。日 本 京 都 的 先 进 通 信 研 究 所 ( 发 了 世界 上 第 一 个 能 在 两 轮 基 座 上 自 平 衡 的 仿 人 机 器 人 。 这 一“ 系 列 的 机 器 人 能 实 现 人 与 机 器 人 的 对 等 交 流 。 了 日 常 活 动 中 交 流 行 为 的 种 类 ,能 够 表 达更 多 的 姿 态 和 行 为 。 倒 立 摆 机 构 实 现 在 两 轮基 座 上 自 平 衡 。 使 机 器 人 能 与 不 同 高 度 的 人 谈 话 ,能 在 说话 时 向 后 看 ,能 通 过 移 动 腰 来 做 幽 默 的 姿 势 ,能 用 手 指 指向 特 定 物 体 。 日 本 索 尼 公 司 于 2000年 推 出 的 紧 凑 型 仿 人 机 器 人 。 500 220 5 24个 自 由 度 ,它 除 了 能 走 以 外 ,还 能 蹲 下 、 起 来 、 同 步 舞蹈 ,但 它 不 能 走 上 或 走 下 台 阶 。 2002年 该 公 司 又 推 出 了 器 人 ,它 的 自 由 度 数 达 到 了 38个 。 它 利 用 实 时运 动 控 制 系 统 实 现 在 像 地 毯 类 的 弹 性 地 面 上 行 走 ,并 保 持平 衡 。 觉 和 声 音 认 知 能 力 也 大 有 提 高 。日 本 的 1998年 开 始 实 施 了 一 个 为 期 五 年 的 仿 人 机 器 人 工 程( 基 于 平 台 的 方 法 ,即 用 第 一 阶 段 开 发 的平 台 作 为 第 二 阶 段 的 基 础 框 架 。 第 二 阶 段 的 主 要 任 务 是为 仿 人 机 器 人 找 到 有 前 景 的 应 用 ,为 仿 人 机 器 人 工 业 的 批量 生 产 铺 路 。 下 生 产 的 仿 人 机 器人 样 机 ,它 在 臀 关 节 采 用 悬 臂 结 构 、 增 加 两 个 自 由 度 的 腰关 节 等 特 殊 机 构 ,使 它 能 在 露 天 的 粗 糙 地 面 上 行 走 ,并 使得 身 体 运 动 范 围 更 大 、 稳 定 性 更 好 。 它 的 另 一 个 显 著 特 点是 没 有 了 后 背 的 电 池 包 。美 国 麻 省 理 工 学 院 开 发 的 人 只 有 上 身 ,没 有下 肢 ,主 要 作 为 研 究 机 器 人 的 头 脑 智 能 、 认 知 与 感 知 、 手 臂的 灵 活 性 及 柔 顺 型 等 的 平 台 。美 国 佛 罗 里 达 大 学 的 机 器 智 能 实 验 室 (M 开 发 仿人 机 器 人 为 人 工 认 知 、 自 然 语 言 处 理 、 轨 迹 规划 、 自 动 导 航 、 人 与 机 器 人 交 互 等 的 研 究 平 台 。我 国 在 仿 人 形 机 器 人 方 面 做 了 大 量 研 究 ,并 取 得 了 很多 成 果 。 比 如 长 沙 国 防 科 技 大 学 研 制 成 了 双 足 步 行 机 器人 (先 行 者 号 ) ,北 京 航 空 航 天 大 学 研 制 成 了 多 指 灵 巧 手 ,中 国 科 学 院 沈 阳 自 动 化 所 、 哈 尔 滨 工 业 大 学 、 清 华 大 学 、 北京 科 技 大 学 也 在 这 方 面 做 了 大 量 深 入 的 工 作 。 我 国 最 新成 果 是 北 京 理 工 大 学 于 2002年 12月 推 出 的 仿 人 机 器 人 按 照 亚 洲 人 的 标 准 ,身 高 1. 58 m,体 重 76 它全 身 有 32个 关 节 ,使 其 活 动 起 来 比 较 自 如 ,步 幅 为 0. 33m,速 度 为 每 小 时 1 它 还 能 打 太 极 拳 。2 腰 关 节 在 仿 人 机 器 人 中 的 作 用 7 13 从 生 物 学 的 角 度 来 看 ,猴 子 有 细 长 的 腰 ,但 它 主 要 生活 在 树 上 ;黑 猩 猩 和 大 猩 猩 等 大 型 灵 长 类 动 物 像 人 类 一 样主 要 生 活 在 陆 地 上 ,它 们 的 臀 关 节 和 肩 关 节 有 很 大 的 力 量和 运 动 范 围 ,但 却 没 有 腰 的 灵 活 性 ,它 骨 盆 上 边 和 最 下 面的 肋 骨 之 间 没 有 间 隙 。 而 人 类 在 骨 盆 和 肋 骨 之 间 有 腰 相连 ,使 人 类 的 脊 骨 可 以 带 动 上 身 弯 曲 、 侧 倾 及 扭 转 ,使 人 类的 活 动 有 更 大 的 移 动 性 和 灵 活 性 ,人 类 是 有 腰 的 唯 一 的 大型 灵 长 类 动 物 。在 仿 人 机 器 人 中 加 入 腰 ,旨 在 提 高 机 器 人 步 行 稳 定 性及 在 连 续 快 速 步 行 中 让 仿 人 机 器 人 能 像 人 类 一 样 实 现 整 个身 体 (上 肢 、 下 肢 及 腰 )的 协 调 动 作 ,完 成 各 种 不 同 工 作 。104机 械 科 学 与 技 术 第 24卷2. 1 腰 关 节 在 连 续 稳 定 的 动 态 步 行 中 的 作 用1990年 早 稻 田 大 学 的 J et 了利 用 腰 的 两 轴 (俯 仰 和 横 滚 轴 )运 动 补 偿 在 任 意 规 划 力 矩 点 )下 的 下 肢 运 动 产 生 的 力 矩 实 现 双 足 动 态 稳 定的 快 速 步 行 的 控 制 方 法 ,平 面 步 行 速 度 可 达 0. 64 s/ 长 0. 3 m / 实 验 发 现 ,这 种 方 法 虽 然 实 现 了 快 速 步行 ,但 步 行 时 在 偏 转 轴 产 生 的 力 矩 使 得 机 器 人 在 偏 转 轴 上有 旋 转 ,并 成 为 影 响 步 行 稳 定 性 的 重 要 因 素 。 而 人 类 则 不仅 可 以 补 偿 俯 仰 轴 和 横 滚 轴 的 力 矩 还 可 以 通 过 双 臂 的 摆动 和 腰 部 的 旋 转 来 补 偿 偏 转 轴 的 力 矩 从 而 保 持 步 行 的 整体 稳 定 性 。1993年 他 们 又 提 出 了 腰 部 的 三 轴 力 矩 补 偿 的 控 制 方法 ,并 在 机 器 人 行 了 实 验 研 究 ,平 面 步 行 速度 可 达 0. 54 s/ 长 0. 3 m / . 2 腰 在 全 身 协 调 动 态 步 行 中 的 作 用1996年 J et 研 究 双 足 步 行 仿人 机 器 人 整 个 身 体 (下 肢 、 上 肢 和 腰 )的 协 调 动 态 步 行 ,得到 了 机 器 人 的 全 身 协 调 动 态 步 行 控 制 方 法 ,该 方 法 主 要 通过 腰 部 的 协 调 运 动 来 补 偿 由 任 意 规 划 下 的 下 肢 运 动 及 手臂 运 动 产 生 的 三 轴 (俯 仰 ,横 滚 和 偏 转 轴 )力 矩 。 在 仿 人 机器 人 W 行 的 步 行 实 验 表 明 ,可 实 现 :(1) 手 臂 固 定 时 的 正 常 动 态 步 行 (前 进 及 后 退 ) , 0. 10s/ 0. 15 s/ 8. 00 s/ 1. 28 s/ 2) 动 态 舞 蹈 (向 前 、 向 后 及 摆 臀 ) ;(3) 双 臂 动 态 持 重 物 , 0. 10 s/ 0. 15 s/ 1. 28s/ 重 1. 5 . 3 腰 在 有 情 感 步 行 中 的 作 用人 类 的 步 行 还 能 表 达 人 类 的 情 感 ,比 如 ,人 在 高 兴 的时 候 ,走 路 常 有 仰 头 、 挺 胸 、 脚 步 轻 快 ;而 在 伤 心 的 时 候 ,常有 低 头 、 弯 腰 、 步 履 缓 慢 等 特 征 。 双 足 步 行 机 器 人 若 能 用身 体 的 运 动 来 表 达 情 感 ,将 使 仿 人 机 器 人 更 具 亲 和 力 ,易于 与 人 类 交 流 。 A 步 行 机器 人 有 情 感 步 行 的 实 验 研 究 。 不 同 情 感 状 态 下 选 择 头 、臂 、 腰 的 不 同 运 动 参 数 ,得 到 不 同 的 步 态 特 征 ,步 行 前 根 据这 些 参 数 来 规 划 下 肢 、 腰 和 头 的 运 动 模 式 ,计 算 腰 部 的 补偿 运 动 以 实 现 稳 定 的 有 情 感 步 行 ;步 行 中 利 用 程 序 控 制 每个 情 感 步 行 模 式 。 此 外 ,腰 关 节 在 扩 大 机 器 人 工 作 空 间 中也 起 到 了 重 要 的 作 用 。2. 4 腰 在 轮 式 仿 人 机 器 人 中 的 应 用机 器 人 W 械 结 构 由 头 、 腰 、 车 和 手 指 等 几 部 分组 成 ,它 的 腰 关 节 (图 3)由 一 个 旋 转 轴 (关 节 1)和 两 个 侧 倾轴 (关 节 2和 关 节 3)。 通 过 关 节 2和 3的 反 向 旋 转 ,实 现 弯腰 但 不 倾 倒 ,它 可 以 扩 展 垂 直 面 上 的 工 作 空 间 ,可 以 增 加 整个 身 体 的 冗 余 度 ,有 效 地 抑 制 人 机 接 触 时 的 冲 击 力 。机 器 人 于 同 轴 两 轮 倒 立 摆 的 移 动 机 构 ,它 具 有 3个 自 由 度 的 腰 关 节 ,第 一 个 关 节 用 于 扭 转 上 身 ,使 在 地 面 上 移 动 就 可 以 向 四 周 看 ;第 二 个关 节 用 于 实 现 上 身 的 侧 倾 ;第 三 个 关 节 是 平 行 连 杆 机 构 实现 上 身 的 前 后 俯 仰 。 腰 关 节 的 组 合 运 动 能 够 抵 消 上 身 运动 引 起 的 中 心 变 化 ,还 可 以 实 现 在 不 平 路 面 运 动 过 程 中 保持 上 身 直 立 向 上 。图 3 W 关 节中 国 科 学 院 沈 阳 自 动 化 所 的 轮 式 移 动 仿 人 机 器 人 的腰 部 机 构 采 用 新 颖 的 并 联 差 动 驱 动 机 构 (图 4) ,可 以 实 现双 电 机 驱 动 仿 人 机 器 人 的 俯 仰 或 侧 倾 的 单 独 运 动 ,又 可 以实 现 俯 仰 和 侧 倾 的 复 合 运 动 。 还 具 有 电 源 消 耗 低 ,降 低 中心 ,提 高 稳 定 性 的 特 点 。图 4 并 联 差 动 驱 动 腰 部 机 构3 腰 部 机 构 的 运 动 学 分 析 14, 15 该 腰 部 机 构 本 质 上 是 串 联 机 构 形 式 ,依 据 串 联 机 构 末端 连 杆 的 位 姿 与 关 节 变 量 之 间 的 关 系 ,建 立 腰 部 机 构 运 动学 方 程 ,即02 200 1= 00 0 0 1(1)式 中 : 02 部 末 端 的 姿 态 矩 阵 ; 0 部 末 端 的 位 置矩 阵 ; 侧 倾 和 俯 仰 的 关 节 变 量 ; 部 高 度 。根 据 差 动 轮 系 的 运 动 特 点 ,差 动 轮 系 输 出 轴 的 速 度 ,就 是 侧 倾 和 俯 仰 运 动 的 关 节 速 度 ,即q 1 = 1i | I 2 | (2)q 2 = 1i | I 2 | (3)式 中 : 为 驱 动 电 机 2的 转 速 ; 动 比 。204第 4期 李 艳 杰 等 :仿 人 机 器 人 发 展 现 状 及 其 腰 部 机 构 研 究4 腰 部 机 构 性 能 测 试 与 分 析为 对 腰 部 机 构 实 施 控 制 并 对 腰 部 机 构 的 运 动 及 控 制性 能 进 行 实 验 研 究 ,建 立 了 基 于 实 验 平台 ,该 平 台 的 硬 件 结 构 主 要 由 基 于 总 线控 制 器 及 两 个 基 于 单 片 机 的 关 节 控 制 器 、 带 光 电 编 码 器 的伺 服 电 机 、 放 大 器 、 A / 等 组 成 。对 两 关 节 电 机 实 施 速 度 的 P +位 置 策 略 ,电 机 输 出 轴 的 角 位 移 由 增 量 式 光 电 编 码 器 获 得 ,速 度 由 位移 的 微 分 求 得 。 为 获 得 腰 部 机 构 末 端 的 响 应 特 性 ,在 该 机构 的 末 端 安 装 了 两 个 倾 角 计 ,分 别 用 于 测 量 腰 部 机 构 俯 仰和 侧 倾 运 动 的 实 际 空 间 角 度 值 。 利 用 该 网 络 控 制 平 台 ,对腰 部 机 构 的 实 时 响 应 特 性 进 行 了 实 验 研 究 。 图 5为 其 中 一个 关 节 电 机 的 速 度 响 应 曲 线 ;图 6为 俯 仰 位 置 响 应 曲 线 。图 5 伺 服 电 机 速 度 阶 跃 响 应 曲 线图 6 俯 仰 位 置 响 应 曲 线实 验 结 果 表 明 ,合 理 选 择 控 制 器 参 数 ,该 腰 部 机 构 的速 度 阶 跃 响 应 的 上 升 时 间 可 达 60 m s,响 应 速 度 较 快 ,空 间位 置 跟 踪 误 差 可 达 0. 2 。5 结 论在 双 足 步 行 仿 人 机 器 人 中 加 入 腰 关 节 ,利 用 腰 来 补 偿机 器 人 下 肢 及 上 肢 运 动 在 两 轴 或 三 轴 的 不 平 衡 力 矩 可 以实 现 机 器 人 动 态 的 、 稳 定 的 、 连 续 的 、 快 速 的 步 行 运 动 ,还可 以 使 机 器 人 完 成 带 感 情 的 步 行 。 腰 的 补 偿 作 用 可 以 使机 器 人 的 上 身 变 的 “ 柔 软 ” ,从 而 使 机 器 人 的 步 态 更 柔 顺 。腰 在 轮 式 移 动 中 的 主 要 作 用 是 给 机 器 人 的 手 臂 增 加 了 冗