人形机器人技术文献综述

1、 专业文献综述题目:人形机器人技术姓名: 程德俊学院: 工学院专业: 自动化班级: 自动化72班学号: 3227227指导教师:尹文庆 职称: 教授200 年4月20日南京农业大学教务处制人形机器人技术 作者:程德俊指导教师:尹文庆摘要:人形机器人是一类双足行走的智能机器人,与传统的机器人相比有很大的优势,同时也比传统机器人复杂很多,文中主要对人形机器人的研究现状,技术路线进行综述,从人形机器人的发展、意义,机械结构,动力源,控制理论和步态规划等几方面进行剖析。明确人形机器人研究的重点、难点,确立研究方法,研究方向。关键词:人形机器人;研究方法;控制理论;步态规划 Technology of

2、Humanoid RoboticsAuthor: ChengDejun Instructor: YinWenqingAbstract:Humanoid robot is a kind of walking robots. It has many advantages over the traditional ones, as well as much more complexity. This paper is basically a roundup of the current study situation and technology routes of humanoid robot i

3、n aspects of the development and meanings of humanoid robots, mechanical structure, power sources, control theory and gait planning. Key and target points of humanoid robot research have been identified and research technique and direction established.Key words: Humanoid robot;Research Methods;Contr

4、ol Theory;Gait planning 前言: 近些年来,国内外仿人双足机器人技术飞速发展,比较著名的有日本本田公司最新的 ASIMO1、东京大学的 H7、美国波士顿动力公司的 Bigdog、北理工的“汇童”仿人机器人2。人形机器人的出现是控制科学、传感器技术、人工智能、材料科学等学科的技术融合,是科学技术发展的必然产物,智能化人形机器人可以替代或协助人类工作,使人类从繁重、危险的工作环境中得以解脱。1 研究意义及现状1.1研究意义: 研究表明,地球上近一半的地面不能为传统的轮式或履带式车辆到达,而很多足式动物却可以在这些地面上行走自如。这就给人们一种启事,即足式运动方式具有其它地面推

5、进方式所不具备的独特优越性。双足步行机器人是足式运动系统中较高级的一种,双足步行运动系统可以在复杂的环境中较高速运动,对环境具有很强的适应性,既可以进入相对狭窄的空间,也可以跨越障碍、上下台阶、甚至在不平整的地面运动,与其它移动方式相比,具有更广阔的应用前景。1.2研究现状: 如今,步行机器人向着不同的方向发展,一个是外形上与真实人类的细部特征相同的发展;另一个是功能上接近人类,具备人类一样的运动能力和灵活性及对环境的判断能力。目前,对步行机器人的研究主要以美国和日本为首,日本对人形机器人的研究起步于1960年代后期。1969年日本早稻田大学加藤一郎教授研制出WAP-1平面自由度步行机。研究的

6、内容包括行走机构的设计以及相应的控制方式。进入1990年代,人形机器人在控制方法和人工智能等方面的研究成果不断出现,从而推动了双足不行机器人的发展,此后机器人的行走能力、智能化和功能越来越强大,最著名的人形机器人就是本田公司的ASIMO1。 与日本不同,美国的机器人偏重于军事应用,重点强调的是机器人的功能。所以美国的步行机器人外形趋向于机械结构,而在外形上并不做过多的研究,具有代表性的是美国最新的智能军用机器人“Petman”,它不仅仅可以爬山涉水,还可以帮助士兵承载负荷。“Petman”的双腿完全模仿人类设计,内部安装有减震装置,行进速度可达7km/h,其内部的计算机,可以根据环境的变化调整

7、行进姿态2。 我国机器人研究起步较晚1985年以来,相继有部分高校进行了这方面的研究并取得了一定成果。同时,为了促进机器人技术在我国的发展,全国各地尤其是部分高校举办了各种类型的机器人大赛,中国机器人大赛是由中国自动化学会机器人竞赛工作委员会和科技部高技术研究发展中心主办的一个全国性的赛事,其中最为引人瞩目的舞蹈机器人项目,足球机器人项目就是为了促进上足步行机器人的发展而设立的。由于步行机器人的实现目前还存在很多技术难题,前几届全国机器人大赛基本上是以轮式机器人为主,步行机器人参赛才被列入议程不久。由此可见,双足步行机器人的发展还有一段很长的路要走。2 研究方法与理论基础: 机器人是机械、电气

8、及控制论的结合,在精妙的机械构架如果离开了电气驱动和控制算法也只能是空架子,反之,有好的的控制论而没有稳定、合理的机械机构机器人还是无法运转。2.1 机械构架 人形机器人的机械结构以人体自身为蓝本,初期进行了大部分简化,最少简化到15自由度,但是在研究过程中,研究人员发现,在结构简化后虽然给控制算法的设计带来便利,但也使机器人动作不灵活,动作执行带有明显的机械痕迹等问题。于是研究人员又尝试增加自由度,使的机器人动作比原来优雅和流畅,但同时伺服电机也增加,这就使得机器人外形不如人体自身合理和匀称。在这样的前提下,研究人员又从机器人材料,动力机构等寻求突破,比如用工程塑料代替原有钢材、铝材,改原有

9、串联机构为并联机构或串并混联机构。 2.2 动力源早期人形机器人使用伺服电机作为主要动力源,伺服电机无电刷和换向器,因此工作可靠,对维护和保养要求低,惯量小,易于提高系统的快速性,适应于高速大力矩工作状态,同功率下有较小的体积和重量。但伺服电机成本较高,驱动电路设计复杂。近年来较多的小型人形机器人选用舵机4(伺服电机的一种)做动力,相对传统的伺服电机,舵机机械结构简单便于安装,控制容易,虽然控制精度没有传统伺服电机高(现在部分舵机精度已经可以和传统伺服电机媲美)但在精度,控制复杂程度,体积,扭矩等因素间得到完美的平衡,使用者越来越多。 2.3 控制理论 人形机器人最大的特点是模仿人类用两条腿行

10、走,这种行走方式是虽然是最高效的行走方式,同时也是最复杂的方式。目前人形机器人的研究主要还集中在对行走机构的控制上11。 零力矩点( ZMP,Zero Moment Point )是判定仿人机器人动态稳定运动的重要指标,1968年南斯拉夫学者M.Vukobratovic在其步行机器人动态平衡理 论中定义了这一概念。 图中给出了ZMP模型示意图,ZMP落在脚掌的范围里面,则机器人可以稳定的行走。传统的机械领域,都是去建立双足机器人的数学模型,并根据ZMP必须落在稳定区域(脚掌范围)去推导控制法则。目前,基于ZMP的动态稳定判据仍然广泛应用于步行机器人和移动机械手的动态稳定运动的规划与控制。 两足

11、走行的行走方式有静态步行、准动态步行和动态步行三种。 静态步行,两足步行机器人靠地面反力和摩擦力来支撑,绕此合力作用点力矩为零的点称为零力矩点ZMP8。在行走过程中,始终保持ZMP在脚的支撑面或支撑区域内。 准动态步行,把维持机器人的行走分为单脚支撑期和双脚支撑期,在单脚支撑期采用静态步行控制方式,将双脚支撑期视为倒立摆,控制重心由后脚支撑面滑到前脚支撑面。 动态步行,这是一种类人型的行走方式。在行走过程中,将整个驱体视为多连杆倒立摆,控制其姿态稳定性,并巧妙利用重力、蹬脚和摆动推动重心前移,实现两足步行。动态步行涉及机构控制和能源等难题,目前仍处于研究阶段,两足步行机器人可用于宇宙探测、排险

12、及军事等方面。 步态规划,人形机器人步态规划主要看脚踝关节轨迹是否平滑,要求曲线有二阶平滑度13,利用样条插值可以得到满足该要求的曲线,如使用三次样条插值求机器人脚踝轨迹。利用Matlab求出样条曲线如图 踝关节轨迹 踝关节曲线一次求导 踝关节曲线二次求导 由以上仿真结果可知,在行走过程中机器人的踝关节轨迹、踝关节轨迹的一阶导数和踝关节轨迹的二阶导数都是连续的。而且摆动腿着地时的速度为零,大大减小了冲击,保证了机器人行走的稳定性。 结论:人形机器人向着两个方向发展,一个是高度仿人,外貌与人类细节特征相似的方向发展,另一个方向是在功能上接近真是人类,具备和人类一样的运动性喝灵活性,对运行环境有较

13、高判断力,能自主调节姿态。目前这两个方向的发展都有了显著的成果,但任然存在许多问题,比如如何提高机器人的智能性,如何提高机器人关节灵活性的同时减少和简化结构。随着科学研究的深入及各种新型材料的运用,这些问题将很快解决。 参考文献:1Chestnutt J, Lau M, Cheung G, et al. Footstep planning for the Honda ASIMO humanoidC/Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. Piscataway, NJ,USA: IE

14、EE, 2005: 629-634.2Endo G, Nakanishi J, Morimoto J, et al. Experimental studies of a neural oscillator for biped locomotion with QRIOC/ Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2005: 596-602.3Nishiwaki K, Kagami S, Kuniyoshi Y, et al. To

15、e joints that enhance bipedal and fullbody motion of humanoid robotsC/Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2002:3105-3110.4岳建锋.两足步行器轨迹规划和图形仿真D.导师:范顺成.:河北工业大学,20035张勇,许东来,. 小型双足步行机器人的步态规划J. 计算机仿真,2010,11.148-1516张小江,高秀华,. 三次样条插值在

16、机器人轨迹规划应用中的改进研究J. 机械设计与制造,2008,9.170-1717邢登鹏,苏剑波,. 仿人机器人及其步态控制J. 自动化博览,2010,S1. 78-808韩庆瑶,赵怡,朱晓光,. 基于Pro/E和ADAMS的双足步行机器人三维造型及仿真J. 机械,2010,10. 42-449毕盛,闵华清,温正东,陈强,朱金辉,. 双足步行机器人控制电路设计与实现J. 科学技术与工程,2010,31. 7661-766410张勇,许东来,. 小型双足步行机器人的步态规划J. 计算机仿真,2010,11. 184-15111邢登鹏,苏剑波,. 仿人机器人及其步态控制J. 自动化博览,2010,S1. 78-8012梁青,宋宪玺,周烽,王永,. 基于ADAMS的双足机器人建模与仿真J. 计算机仿真,2010,5. 162-165+23813许艳惠,. 一种双足机器人的步态规划研究J. 核电子学与探测技术,2010,4. 542-54514韩庆瑶,赵怡,朱晓光,. 基于Pro/E和ADAMS的双足步行机器人三维造型及仿真J. 机械,2010,10. 42-4415王