机器人介绍分解课件

仿人机器人研究与发展2013年6月17日仿人机器人研究与发展2013年6月17日1主要内容

一.国外仿人机器人的研究概况

二.国内仿人机器人的研究概况

三.仿人机器人的发展方向四.仿人机器人的应用五.仿人机器人的展望主要内容一.国外仿人机器人的研究概况2

1920年，捷克剧作家卡里洛·奇别克在其科幻剧本《罗萨姆万能机器人制造公司》(Rossum’sUniversalRobots)首次使用了ROBOT这个名词，意思是“人造的人”。现在已被人们作为机器人的专用名词。“机器人”一词的由来“机器人”一词的由来3机器人学是一门综合性的新兴学科,它涉及机械工程学、电气工程学、微电子工程学、计算机工程学、控制工程学、信息传感工程学、声学工程学、仿生学以及人工智能工程学等多门尖端学科。仿人机器人是机器人学的一个分支。机器人学是一门综合性的新兴学科,它涉及机械工程学、电气工程4仿人机器人与轮式、履带式机器人相比的优点1）能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，能方便的上下台阶以及通过不平整、不规则或较窄的路面，移动盲区小；2）能耗很小。该机器人具有独立的能源装置，同时，机器人力学计算表明，足式机器人的能耗通常低于轮式、履带式机器人；3）具有广阔的工作空间。由于行走系统占地面积小，从而活动范围大，为其机械手提供更大的活动空间。4）其科研促进机器人学及其他相关学科的发展。双足行走是生物界难度最高的不行动作，其步行性能是其他步行结构无法比拟的，从而推动机器人学的研究及发展。仿人机器人与轮式、履带式机器人相比的优点5第一部分国外仿人机器人的研究概况仿人机器人的研制始于二十世纪六十年代末，研究工作进展十分迅速，如今已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。1）1968年，美国R.Smosher（通用电气公司）试制一台叫“Rig”的操纵型双足步行机器人机械，从而揭开仿人机器人研制的序幕。2）1968年，日本早稻田大学加藤一郎教授在日本首先展开了双足机器人的研制工作。1969年研制出WAP-1(WasedaAuicmaticPedipulator)平面自由度步行机，采用人造橡胶肌肉为关节，通过肌肉收缩牵引关节转动而迈步，具有六个自由度，但稳定性不高。1971年，加藤实验室研制出WL-5双足步行机器人，采用液压驱动，具有11个自由度，可以实现固定步幅、速度的景泰步行。第一部分国外仿人机器人的研究概况仿人机器人的研制始于二十6WABOT-1

图1

WABOT-2

图2

1973年，加藤等人在WL-5的基础上配置机械手及人工听觉、视觉装置，组成自主式机器人WAROT-1。WABOT-17

1980年，推出WL-9DR双足机器人，采用预先设计步行方式的程序控制法，用步行运动分析及重复试验设计不太轨迹，用以控制机器人步行运动，同时，采用以单脚支撑为静态，双脚切换为动态的步行方案，实现固定步幅速度的准动态步行。行走速度较之前有所提高。

1984年，研制采用踝关节力矩控制的WL-10RD双足机器人，实现更为高速的平稳动态步行。

1986年，成功研制WL-12(R)步行机器人，通过躯体运动来补偿下肢的任意运动，实现了平地动态步行，速度也由最初的每步45s缩短至每步1.3s。1980年，推出WL-9DR双足机器人，采用预先设计83）日本机械学院的S.Kajita等针对一台具有4台前向驱动电机且完全安装在机器人上的五连杆平面型双足步行机器人MeltranI，研究其动态行走方法。为使机器人实现稳定周期性动态行走，采用约束控制方法，剔除理想线性倒立摆模型，同时提出机构轨道能量守恒概念，实现在已知不平整地面下的稳定动态步行。1996年，又在此基础上加载超声波视觉传感器以实现反馈功能，MeltranII成功实现在位置路面上的动态行走。机器人介绍分解课件94）日本本田公司从1986年至今推出了P系列1、2、3型机器人，着重于设计一般家用机器人。P3和ASIMO的推出，将仿人机器人的研制推上新台阶，使仿人机器人的研制和生产走上实用化、工程化和市场化的道路。P1

P2

P3

图34）日本本田公司从1986年至今推出了P系列1、2、3型机器105）法国BIP2000计划是由法国deMecaniquedes

SolodersdePoitiers

实验室和INRIA

机构共同开发的一种具有15

个自由度的双足步行机器人，其目的就是建立一整套具有适应未知条件行走的双足机器人系统，他们将此项目分为INRIA、LAG-CNRS、LMS-CNRS和LMP-CNRS4个组,分别完成不同的任务（如INRIA主要完成系统实时控制的理论及实际的研究,研究极限环和稳定性以及行走在斜坡上的研究;LAG-CNRS研究上双足机器人系统的建模和优化控制;LMS负责机械结构的设计;LMP主要研究运动生理学方面以便为此计划提供数据）.为了使控制系统设计简化,他们采用了复杂系统控制中广泛被采用的分层递解控制结构.5）法国BIP2000计划是由法国deMecanique11第二部分国内仿人机器人的研究概况

国内起步较晚，1985年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果.其中以哈尔滨工业大学和国防科技大学最为典型1）哈尔滨工业大学自1985年开始研制双足步行机器人,基于控制理论曾经获得自然科学基金和国家“863”计划的支持,迄今为止已经完成了三个型号的研制工作:

第一个型号HIT-Ⅰ为10个自由度,重100kg,高1.2m,关节由直流伺服电极驱动,属静态步行.第二部分国内仿人机器人的研究概况国内起步较晚12

第二个型号HIT-Ⅱ为12个自由度,该机器人髋关节和腿部结构采用了平行四边形结构.

第三个型号HIT-Ⅲ为12

个自由度,踝关节采用两电机交叉结构,同时实现两个自由度,腿部结构采用了圆筒形结构.HIT-Ⅲ实现了静态步行和动态步行,能够完成前/后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作.2）国防科技大学也进行了这方面的研究.在1989年研制成功了一台双足行走机器人,这台机器人具有10个自由度,能完成静态步行、动态步行.经过10年攻关，国防科技大学于2001年12月研制成功我国第一台仿人机器人——“现行者”，实现了机器人技术的重大突破。“先行者”有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂和双足，有一定的语言功能，可以动态步行。第二个型号HIT-Ⅱ为12个自由度,该机器人髋关13图4先行者3）清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等高等院校和研究机构也在近几年投入了相当的人力、物力,进行智能仿人机器人的研制工作.图4先行者3）清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等14第三部分仿人机器人的发展方向

根据仿人机器人的发展现状，可以对未来仿人机器人的研究方向和发展趋势做如下预测。1）本体机构的改进（仿人机器人是一个多关节和具有冗余自由度的复杂系统。如何实现预期功能而且又使结构最优化是一个很值得研究的问题。一个功能齐全的仿人机器人必须要有一个结构紧凑和配置合理的机械本体，在研制过程中，应该考虑采用更先进的材料，提高零件的制造精度和装配精度）2）驱动电源的改进（仿人机器人目前所用的驱动源主要有在线提供能源和离线自带电源两种。理想的能源应该具有高的能源密度、耐高温、耐腐蚀、可再生、低成本等。但是，现在自带能源容量有限，而且仿人机器人的关节众多，所以如何改进驱动源，使其体积小、重量轻而且容量大，也是在仿人机器人的研制过程中必须解决的问题。）第三部分仿人机器人的发展方向根据仿人机器人的发展现状，153）运动学和动力学求解理论和方法的发展（由于仿人机器人的高阶、强耦合和非线性，使得仿人机器人运动学和动力学的精确求解非常困难，而且也没有十分理想的理论或方法来求解逆运动学的解析解，只有外加一些限制条件，如能量消耗最小、峰值力矩最小等来求出运动学和动力学的近似解。这样往往导致仿人机器人的规划运动与实际运动有较大的出入。所以要想得到理想的运动规划，必须在运动学和动力学的求解方法上有重大的突破。3）运动学和动力学求解理论和方法的发展（由于仿人机器人的164）网络机器人技术和虚拟机技术（通过通信网络将许多个仿人机器人连接到计算机网络上，并且通过网络对仿人机器人进行有效的控制，这种技术包括网络遥控操作控制技术、信息组压缩和扩展技术以及传输技术等。在将遥控作为一种主要手段控制仿人机器人的同时，基于多传感器、多媒体和虚拟现实、增强的虚拟遥控操作和人机交互技术，也是需要大力发展的技术）。4）网络机器人技术和虚拟机技术（通过通信网络将许多个仿人17第四部分仿人机器人的应用

仿人机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，也在人类生产、生活中有着广泛的用途。由于仿人机器人具有人类的外观特征，更容易适应人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业。它不仅可以在有辐射、粉尘、有毒环境中代替人类作业，而且可以在很多方面扩展人类的能力，具有广阔的应用前景。将来它还将在家庭服务、医疗、教育、社会娱乐、生物技术、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输、农林水产等领域得到广泛的应用。第四部分仿人机器人的应用仿人机器人18

1）服务21世纪人类将进入老龄化社会，发展仿人机器人能弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务，医疗等社会问题。仿人机器人可以与人友好相处，能够很好地担任陪伴，照顾，护理老人和病人的角色，以及从事日常生活中的服务工作，因此家庭服务行业的仿人机器人应用必将形成新的产业和新的市场。2）医疗在医疗领域，仿人机器人可以用于假肢和器官移植，用仿人机器人技术可以做成动力型假肢，协助瘫痪病人实现行走的梦想。然而，我们现在还几乎看不到以控制论开发出的生物体与人体完美的结合，因此，这方面还需要更进一步的研究和探索。1）服务19

3）教育

一般来讲仿人机器人在教育领域有两种应用：a学生通过制作仿人机器人来实践机械结构和复杂控制软件模块的设计。b学生用仿人机器人进行实验来增强动手能力和解决新问题的能力。

4）娱乐

仿人形机器人可以用来在展览会上做广告，它很吸引人的注意，因为它在外形上更接近人类，所以更能引起人的兴趣。另外，它还可以用于家庭娱乐。3）教育20第五部分仿人机器人的展望

虽然仿人机器人目前还处于研制阶段，很不成熟，也有一些人认为机器人进入人类的世界可能对我们是一种威胁，但是我想这并不会妨碍它的发展，就像当初汽车进入人类生活一样，很多人也是持一种怀疑的态度，但事实证明人类现在已经离不开汽车了。我认为若干年之后，仿人机器人一定会像科幻小说里面描写的一样进入千家万户，并且像汽车一样成为人们生活中必不可少的东西，届时人类的生活方式又将会因为它们而发生翻天覆地的变化。第五部分仿人机器人的展望虽然仿人机器人目前还处于研21谢谢谢谢22仿人机器人研究与发展2013年6月17日仿人机器人研究与发展2013年6月17日23主要内容

一.国外仿人机器人的研究概况

二.国内仿人机器人的研究概况

三.仿人机器人的发展方向四.仿人机器人的应用五.仿人机器人的展望主要内容一.国外仿人机器人的研究概况24

1920年，捷克剧作家卡里洛·奇别克在其科幻剧本《罗萨姆万能机器人制造公司》(Rossum’sUniversalRobots)首次使用了ROBOT这个名词，意思是“人造的人”。现在已被人们作为机器人的专用名词。“机器人”一词的由来“机器人”一词的由来25机器人学是一门综合性的新兴学科,它涉及机械工程学、电气工程学、微电子工程学、计算机工程学、控制工程学、信息传感工程学、声学工程学、仿生学以及人工智能工程学等多门尖端学科。仿人机器人是机器人学的一个分支。机器人学是一门综合性的新兴学科,它涉及机械工程学、电气工程26仿人机器人与轮式、履带式机器人相比的优点1）能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，能方便的上下台阶以及通过不平整、不规则或较窄的路面，移动盲区小；2）能耗很小。该机器人具有独立的能源装置，同时，机器人力学计算表明，足式机器人的能耗通常低于轮式、履带式机器人；3）具有广阔的工作空间。由于行走系统占地面积小，从而活动范围大，为其机械手提供更大的活动空间。4）其科研促进机器人学及其他相关学科的发展。双足行走是生物界难度最高的不行动作，其步行性能是其他步行结构无法比拟的，从而推动机器人学的研究及发展。仿人机器人与轮式、履带式机器人相比的优点27第一部分国外仿人机器人的研究概况仿人机器人的研制始于二十世纪六十年代末，研究工作进展十分迅速，如今已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。1）1968年，美国R.Smosher（通用电气公司）试制一台叫“Rig”的操纵型双足步行机器人机械，从而揭开仿人机器人研制的序幕。2）1968年，日本早稻田大学加藤一郎教授在日本首先展开了双足机器人的研制工作。1969年研制出WAP-1(WasedaAuicmaticPedipulator)平面自由度步行机，采用人造橡胶肌肉为关节，通过肌肉收缩牵引关节转动而迈步，具有六个自由度，但稳定性不高。1971年，加藤实验室研制出WL-5双足步行机器人，采用液压驱动，具有11个自由度，可以实现固定步幅、速度的景泰步行。第一部分国外仿人机器人的研究概况仿人机器人的研制始于二十28WABOT-1

图1

WABOT-2

图2

1973年，加藤等人在WL-5的基础上配置机械手及人工听觉、视觉装置，组成自主式机器人WAROT-1。WABOT-129

1980年，推出WL-9DR双足机器人，采用预先设计步行方式的程序控制法，用步行运动分析及重复试验设计不太轨迹，用以控制机器人步行运动，同时，采用以单脚支撑为静态，双脚切换为动态的步行方案，实现固定步幅速度的准动态步行。行走速度较之前有所提高。

1984年，研制采用踝关节力矩控制的WL-10RD双足机器人，实现更为高速的平稳动态步行。

1986年，成功研制WL-12(R)步行机器人，通过躯体运动来补偿下肢的任意运动，实现了平地动态步行，速度也由最初的每步45s缩短至每步1.3s。1980年，推出WL-9DR双足机器人，采用预先设计303）日本机械学院的S.Kajita等针对一台具有4台前向驱动电机且完全安装在机器人上的五连杆平面型双足步行机器人MeltranI，研究其动态行走方法。为使机器人实现稳定周期性动态行走，采用约束控制方法，剔除理想线性倒立摆模型，同时提出机构轨道能量守恒概念，实现在已知不平整地面下的稳定动态步行。1996年，又在此基础上加载超声波视觉传感器以实现反馈功能，MeltranII成功实现在位置路面上的动态行走。机器人介绍分解课件314）日本本田公司从1986年至今推出了P系列1、2、3型机器人，着重于设计一般家用机器人。P3和ASIMO的推出，将仿人机器人的研制推上新台阶，使仿人机器人的研制和生产走上实用化、工程化和市场化的道路。P1

P2

P3

图34）日本本田公司从1986年至今推出了P系列1、2、3型机器325）法国BIP2000计划是由法国deMecaniquedes

SolodersdePoitiers

实验室和INRIA

机构共同开发的一种具有15

个自由度的双足步行机器人，其目的就是建立一整套具有适应未知条件行走的双足机器人系统，他们将此项目分为INRIA、LAG-CNRS、LMS-CNRS和LMP-CNRS4个组,分别完成不同的任务（如INRIA主要完成系统实时控制的理论及实际的研究,研究极限环和稳定性以及行走在斜坡上的研究;LAG-CNRS研究上双足机器人系统的建模和优化控制;LMS负责机械结构的设计;LMP主要研究运动生理学方面以便为此计划提供数据）.为了使控制系统设计简化,他们采用了复杂系统控制中广泛被采用的分层递解控制结构.5）法国BIP2000计划是由法国deMecanique33第二部分国内仿人机器人的研究概况

国内起步较晚，1985年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果.其中以哈尔滨工业大学和国防科技大学最为典型1）哈尔滨工业大学自1985年开始研制双足步行机器人,基于控制理论曾经获得自然科学基金和国家“863”计划的支持,迄今为止已经完成了三个型号的研制工作:

第一个型号HIT-Ⅰ为10个自由度,重100kg,高1.2m,关节由直流伺服电极驱动,属静态步行.第二部分国内仿人机器人的研究概况国内起步较晚34

第二个型号HIT-Ⅱ为12个自由度,该机器人髋关节和腿部结构采用了平行四边形结构.

第三个型号HIT-Ⅲ为12

个自由度,踝关节采用两电机交叉结构,同时实现两个自由度,腿部结构采用了圆筒形结构.HIT-Ⅲ实现了静态步行和动态步行,能够完成前/后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作.2）国防科技大学也进行了这方面的研究.在1989年研制成功了一台双足行走机器人,这台机器人具有10个自由度,能完成静态步行、动态步行.经过10年攻关，国防科技大学于2001年12月研制成功我国第一台仿人机器人——“现行者”，实现了机器人技术的重大突破。“先行者”有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂和双足，有一定的语言功能，可以动态步行。第二个型号HIT-Ⅱ为12个自由度,该机器人髋关35图4先行者3）清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等高等院校和研究机构也在近几年投入了相当的人力、物力,进行智能仿人机器人的研制工作.图4先行者3）清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等36第三部分仿人机器人的发展方向

根据仿人机器人的发展现状，可以对未来仿人机器人的研究方向和发展趋势做如下预测。1）本体机构的改进（仿人机器人是一个多关节和具有冗余自由度的复杂系统。如何实现预期功能而且又使结构最优化是一个很值得研究的问题。一个功能齐全的仿人机器人必须要有一个结构紧凑和配置合理的机械本体，在研制过程中，应该考虑采用更先进的材料，提高零件的制造精度和装配精度）2）驱动电源的改进（仿人机器人目前所用的驱动源主要有在线提供能源和离线自带电源两种。理想的能源应该具有高的能源密度、耐高温、耐腐蚀、可再生、低成本等。但是，现在自带能源容量有限，而且仿人机器人的关节众多，所以如何改进驱动源，使其体积小、重量轻而且容量大，也是在仿人机器人的研制过程中必须解决的问题。）第三部分仿人机器人的发展方向根据仿人机器人的发展现状，373）运动学和动力学求解理论和方法的发展（由于仿人机器人的高阶、强耦合和非线性，使得仿人机器人运动学和动力学的精确求解非常困难，而且也没有十分理想的理论或方法来求解逆运动学的解析解，只有外加一些限制条件，如能量消耗最小、峰值力矩最小等来求出运动学和动力学的近似解。这样往往导致仿人机器人的规划运动与实际运动有较大的出入。所以要想得到理想的运动规划，必须在运动学和动力学的求解方法上有重大的突破。3）运动学和动力学求解理论和方法的发展（由于仿人机器人的384）网络机器人技术和虚拟机技术（通过通信网络将许多个仿人机器人连接到计算机网络上，并且通过网络对仿人机器人进行有效的控制，这种技术包括网络遥控操作控制技术、信息组压缩和扩展技术以及传输技术等。在将遥控作为一种主要手段控制仿人机器人的同时，基于多传感器、多媒体和虚拟现实、增强的虚拟遥控操作和人机交互