第8章 拟人机器人

2020-03-01 133浏览

  • 1.机器人引论 第8章 拟人机器人
  • 2.第8章 拟人机器人 o o o o o 8.1 拟人机器人的发展 8.2 拟人机器人的基本结构 8.3 拟人机器人的主要功能 8.4 拟人机器人的行为控制 8.5 拟人机器人的应用
  • 3.8.1 拟人机器人的发展 8.1.1 拟人机器人的发展历史 o 拟人机器人是模仿人的形态和行为而设计制造的一种外形像 人的机器人，是真正字面意义上或狭义的机器人。 o 1968年，美国的R.Smosher（通用电气公司）试制了一台叫 “Rig”的操纵型双足步行机器人机械，从而揭开了拟人机 器人研制的序幕。 o 1968年，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平面自由度步行机。 n 1971年，加藤实验室研制出WL-5双足步行机器人。实现了步 幅15cm，每步45s的静态步行。 n 1973年，加藤等人在WL-5的基础上配置机械手及人工视觉、 听觉装置组成自主式机器人WABOT-1。
  • 4.n 1980年又推出WL-9DR双足机器人。实现了步幅45cm，每步9s 的准动态步行。 n 1984年，加藤实验室又研制出采用踝关节力矩控制的WL-10RD 双足机器人，实现了步幅40cm，每步1.5s的平稳动态步行。 n 1985年加藤研究室在日本筑波科学博览会上公开展示了能演奏 钢琴的拟人机器人WABOT-2。 n 1986年,加藤实验室又研制成功了WL-12(R)步行机器人，该机器 人通过躯体运动来补偿下肢的任意运动，在躯体的平衡作用下， 实现了步行周期1.3s，步幅30cm的平地动态步行。 n 加藤一郎由于长期致力于研究拟人机器人，被誉为“拟人机器 人之父”。
  • 5.(a) WABOT-1 (b) WABOT-2 早稻田大学的拟人机器人
  • 6.o 1993年，日本东京大学研究小组发表了小型拟人机器人系 列（有脑但不能行走的两足两臂机器人（远程大脑拟人机 器人，RBHs））。此次研究开发的目的主要在于机器人的 软件部分，因此将机器人的身体与控制软件的头部从物理 层面上分开了。 o 1992年早稻田大学的研究小组启动了一项由政府、产业界、 科研院所共同进行的计划项目“拟人型”。1995年，该项 目被NEDO（新能源/产业技术综合开发机构）的1995年度 最前端领域研究开发方案招标研究计划所采纳，由此而开 发的拟人机器人就是Hadaly-2和WABIAN。
  • 7.(a) Hadaly-2 (b) WABIAN 早稻田大学拟人机器人
  • 8.o 日本本田技研工业公司从1986年至今已经推出了P系列1，2， 3型机器人。P1型是本田公司最初研制的行走机器人，主要 是对双足步行机器人进行基础性的研究工作。 o P2型于1996年12月推出，是世界上首台能用双足稳定步行的 拟人机器人。 1997年12月本田公司又推出了P3型双足步行机 器人，基本上与P2型相似，只是改善了零部件的材料，对其 进行了小型化、轻量化改进。 o 2000年11月20日本田公司又推出了新一代的拟人机器人阿西 莫 ASIMO（Advanced Step in Innovative Mobility）。
  • 9.(a) P2 (b) P3 本田的拟人机器人 (c) ASIMO
  • 10.o 东京大学的研究小组研究的H4（1998年）、H5（1998年）、H6 （2000年）、H7（2001年）。此项目得到了日本学术振兴会未 来开拓推进事业“关于微机械电子与软机械电子综合集成的高 级活体功能机械的研究（JSPS-RFTF96P00801）”的资助 o 1999年，东京大学相继发表了H5机器人的动态步行研究报告、 有关视觉联动型迈步动作的研究报告及有关上腿部协调型的起 立动作的研究报告等。 o 1998年，日本经济产业省启动一项为期5年的关于“与人类协调、 共存型机器人系统的研究开发”的国家计划项目（HRP： Humanoid Robotics Project）。该项目（HRP）以“在人类的工作、 生活环境中，能与人类协调、共存，进行复杂工作的拟人机器 人系统的开发”为目的。作为成果，项目开发出了HRP-1（1999 年）、HRP-1 S（2001年）、HRP-2 P（2002年）及小型的验证用 模型（1999年）。
  • 11.(a) H5 (b) H6 东京大学的拟人机器人 (c) H7
  • 12.(a) HRP-1 (b) HRP-2P (c) HRP-3P 日本产业技术综合研究所的拟人机器人
  • 13.o 日本索尼公司于2000年11月推出了拟人型娱乐型机器人“Sony Dream Robot-3X”（SDR-3X）。 o 2002年3月，索尼公司又开发出运动性能更好、交流能力更强的 SDR-4X。 (a) SDR-3X行走姿态 (b) SDR-4X在有障碍物的路面行走 索尼的拟人机器人 (c) SDR-4X跌倒后站起来
  • 14.o 美国Ohio大学的Y.F.Zheng等人于1990年提出用神经网络来实现双足步 行机器人动态步行，并在SD-1双足步行机器人中得以实现。 o MIT的G. A. Pratt和J. E. Pratt等人在Spring Turkey和Spring Flamingo双足 机器人的控制中提出了虚模型控制策略。 o 法国BIP2000计划是由法国de Mecanique des Soloders de Poitiers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。 o 此外，美国、英国、苏联、南斯拉夫、加拿大、意大利、德国、韩 国等国家许多学者在行走机器人的力学、模型和型号研制方面也作 出了相应的工作。如英国于1970年研制成功的“Witt”型双足机器人； 苏联则研制出两轮双足行走机器人；南斯拉夫的Minor、Vokobratovic 在《Legged Locomotion Robots》一书中利用数学模型对类人型双足 步行机器人的步行进行了全面的分析，为双足步行机器人的研究奠 定了理论基础。
  • 15.8.1.2 中国拟人机器人发展概况 o 中国拟人机器人的研制工作起步较晚。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。 o 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 行智能拟人机器人的研制工作。
  • 16.(a) 哈工大HIT-III (b) 国防科大“先行者” 中国的拟人机器人 (c) 清华大学THBIP-I
  • 17.8.2 拟人机器人的基本结构 8.2.1 拟人机器人的头部 o 拟人的机器人头部用来实现各种表情，表达机器人的内在情感状态， 最终使机器人通过丰富生动的表情与人进行自然流畅的情感交流。 o 拟人机器人的头部一般具有横摇轴和俯仰轴2个自由度，可以实现头 部的俯仰、回转运动，完成点头、摇头等基本动作；另外，有的拟人 机器人头部有两只眼睛，能实现上下和左右转动，即具有4个自由度。 o 有的拟人机器人不具有头部自由度，如本田的P2、P3、ASIMO等；有 的拟人机器人只具有眼部自由度，如东京大学的H5，具有能绕水平轴 和垂直轴转动的两个眼球，共4个自由度；有的拟人机器人头部和脸 部具有多达15个自由度，能实现各种各样的表情，如美国麻省理工学 院AI实验室开发的拟人机器人Kismet。 o 拟人机器人的头部除了能实现各种表情之外，还需要能感觉周围的环 境信息。其感觉器官包括眼睛和耳朵。
  • 18.H5的头部 MIT拟人机器人Kismet的头部
  • 19.8.2.2 拟人机器人的四肢 1 拟人机器人的下肢 o 拟人机器人下肢的自由度 o 从国内外研究的较为成熟的拟人机器人来看，几 乎所有的拟人机器人腿部都选择6自由度的方式， 其分配方式为：髋关节3个自由度、膝关节1个自 由度、踝关节2个自由度。由于踝关节缺少了一个 旋转自由度，当机器人行走中进行转弯时，只能 依靠大腿与上身连接处的旋转来实现，需要先决 定转过的角度，并且需要更多的步数来完成行走 转弯这个动作。但是这样的设计可以降低踝关节 的设计复杂程度，有利于踝关节的机构布置，从 而减小机构的空间体积，减轻下肢的质量。 腿部6个自由度的分配
  • 20.o 拟人机器人下肢结构和驱动方式 几种拟人机器人下肢关节驱动 机器人名 称 ASIMO HRP-2 WABIAN 研究机构 驱动装置 H o n d a 公 伺服电机、谐波减速齿轮 司 日本METI 伺服电机、谐波减速齿轮 BIP2000 早 稻 田 大 直流伺服电机 学 法国 直流电机、滚动丝杠连杆结构 M2 MIT THBIP-1 清华大学 直流电机、平行弹簧阻尼滚动丝 杠结构 直流电机、滚珠丝杠和曲柄连杆 减速机构 机器人质 量 43kg 58kg 50kg 40kg 不详 不详 动力源 38V/10AH电 池 48V/18AH NI-H电池 不详 不详 Ni-MH蓄电 池
  • 21.日本的HRP - 2在设计上虽然仍运用了 谐波减速齿轮和同步带的传动，但是在 设计上有所改进，为了避免谐波减速齿 轮的定减速比所造成的传动误差，特别 运用了调速带。对于最终输出轴的谐波 齿轮进行优化，减小了尺寸，比普通齿 轮重量降低35 %，从而减轻整机的重量 和空间占用。在结构上HRP-2的髋关节 处采用了悬臂式布置，如图所示，这种 结构具有两个优点：（1）可以给机器 人的腿部提供更大的活动空间，通过对 腿部形成的支撑多边形的调整，可以在 机器人摔倒时，承受两倍的力量，甚至 实现机器人的跳跃。（2）可以实现机 器人的直线行走，这是其他拟人机器人 难以完成的行走步态。 HRP-2的下肢结构
  • 22.M2的设计采用了滚动丝杠和连杆机构， 但是空间布置有很大的差异。M2将丝 杠布置在大腿和小腿后部的两侧，分别 实现了两个方向的自由度，如图所示。 这样的布置是模拟人腿部肌肉的收缩来 驱动腿部的运动，为实现腿部的柔性运 动创造了条件。另外，这个结构既利用 了腿部空间又给滚动丝杆以极大的布置 空间，这给电机的选型和机构的实现， 以及传感器的布置都提供了方便。但是 由于丝杆连杆机构的衔接部分占用了膝 关节的旋转空间，从而使得膝关节的运 动角度很有限。 M2的下肢结构
  • 23.法国的BIP2000的下肢驱动主要运用了滚动丝杠作为驱动方式，如图所示。 BIP2000在膝关节的驱动采用了滚动丝杠曲轴连杆机构。它通过螺栓将滚 动丝杠固定在膝关节的中间。四周由4个能沿直线移动的滚轴引导。丝杠的 旋转产生滑块的滑动，这个滑块本身又推动与之临近的一条臂上的拉杆。 该系统具有高精确度和低摩擦的特点，可以通过对电机的控制实现膝关节 的运动。但是由于膝关节处的空间有限，要求滚动丝杠的驱动力矩相对要 大，但是结构又要求紧凑，这给设计和制造带来很大的难度。 (a) BIP2000的腿部 (b) BIP2000的膝关节 (c)BIP2000的踝关节
  • 24.2 拟人机器人的手臂 o 拟人机器人手臂的自由度 o 机器人的每个手臂一般具有六个自由度，其分配方式为：肩关节 由一个前向关节和一个侧向关节正交组合而成，可以实现大臂的 前后摆动和侧摆；肘关节由一个前向关节和一个转向正交组合而 成，可以实现小臂的前后摆动和转动；腕关节由一个侧向关节和 一个转向关节正交组合而成，可以实现手腕的左右摆动和转动。 o 拟人机器人手臂的结构形式 o 根据驱动器和构件的位置关系，可以将拟人机器人的手臂的结构 大体分为外骨骼型和内骨骼型。
  • 25.外骨骼结构手臂 内骨骼结构手臂
  • 26.3 拟人机器人的手 o 手的构成方法可以按照手指数与配置方法、指关节的自由度 配置和驱动方法（腔驱动和减速机驱动这类间接驱动方式居 多）、传感器的种类与配置方法等进行分类。 几类代表性的手机构 (a) 腱驱动型4指手 (b)减速器驱动型4指手 (c)带力觉和触觉的5指手
  • 27.8.2.3 拟人机器人的躯体 o 躯体在拟人机器人中起连接机器人的下肢、手臂和头颈部分 的作用。有些拟人机器人躯体不具有自由度，如本田的P2、 P3、ASIMO等。有些具有1个自由度，如WABOT-1的躯体部 有横摇轴自由度；Hadaly-2的躯干部具有偏转自由度，它的 上身可以扭动。而WABIAN的躯干部有横摇轴、俯仰轴、偏 转轴各1个自由度。
  • 28.8.3 拟人机器人的主要功能 8.3.1 拟人机器人的拟人行为 o 拟人机器人是模仿人的形态和行为而设计制造的机器人。它具 有人类的外观特征，适应人类生活环境，能模拟人的行为，进 行两足步行、单腿站立、双手抓握物体、感知障碍物、摔倒后 的起身动作、交互式表演等，能模仿人类的情绪表情（诸如欢 喜、惊讶、啼哭等），能进行环境识别、对话功能等。 o 两足稳定步行(不翻倒) 是拟人机器人最基本、最重要的行为能 力之一。拟人机器人在步行过程中，有两种不同的步行方式， 即静态步行和动态步行。 o 在静态步行中，机器人的质心在地面上的投影始终不超越支撑 多边形的范围；而在动态步行中，质心的投影在某些时刻可以 越离支撑多边形。
  • 29.ASIMO下楼梯 ASIMO做表演
  • 30.o 除了双足步行、抓握物体等基本动作能力之外，拟人机器人的拟 人行为还表现在对周围环境的认知和情感表达上。 o MIT（AI实验室）开发的拟人机器人Kismet，通过语音识别和语音 合成、图像识别、表情或视线的表现，能与人进行交流。它的脸 部有多达15个自由度，能表现各种各样的感情。 (a) 高兴 (b) 睡觉 Kismet的表情
  • 31.8.3.2 拟人机器人的人机交互(HRI) o 在机器人学中，人机交互指人与机器人之间的信息交流，人与机 器人进行交互的通道包括语音、视觉、超声波、红外等。 o HRI是随着机器人的不断发展而发展的。随着机器人从工业机器人 发展到智能机器人以及更复杂的拟人机器人，HRI也不断进步。 o 传感技术的进步为机器人带来了新的感知能力，例如力传感器和 触觉传感器被研究和集成到人机界面中去，以赋予机器人测量力 的反馈和感觉刚性和可变形物体的能力。 o 在对拟人机器人的研究中，尽管最初的研究目标，即想要达到自 治机器人这个目的没有完全实现，但是逐渐认识到半自治的拟人 机器人，即部分地被人类操作员控制，能够提供更有效和更现实 的功能。其最近的研究工作侧重于发展协作交互(collaborative interaction)，共享控制(shared control)，和有监督的自治 (supervised autonomy)等。
  • 32.8.4 拟人机器人的行为控制 8.4.1 步行模式生成器 1 ZMP规范 o 所谓稳定的步行是指脚移动时机器人不会摔倒，也就是机器人能保 持支撑状态。摔倒也算是一种旋转运动，因此机器人摔倒（不再保 持支撑状态）可似认为是该机器人以通过脚部与路面的接触点（假 设是3点以上）所形成的支撑多边形的某条边或某个点在路面上的直 线为轴产生转动，并且产生了绕该轴的（从支撑多边形来看）向外 的力矩。 o 反过来说，为了维持支撑状态，机器人对所有的边都不能产生向外 的力矩，只能产生向内的力矩。由于机器人的支撑点不能悬空，对 于所有的支撑点而言，机器人作用于路面的重力或惯性力所产生的 力都是压向路面的，那么可以知道这些力的合力对路面的作用点（ 假设为P）必须是在支撑多边形的内部。
  • 33.在点P处，很明显，由合力所 产生的力矩为零。这些力矩为 零的点被称为ZMP。 o 在将多点支撑的支撑点用直线连接所组成的多边形中，面积 最大的凸多边形被称为支撑多边形。在步行的任何瞬间，如 果ZMP存在于支撑多边形的内侧，并且机器人有作用于路面 的作用力的话，机器人就能够步行稳定而不会摔倒。这就是 ZMP规范。这个支撑多边形也被称为稳定区域。
  • 34.o 如果两足步行机器人是单脚支撑，那么很明显，稳定区域就是支 撑脚的脚底，而其ZMP就在此脚底内。若是双脚支撑，稳定区域就 在两脚底构成的支撑多边形内，而ZMP就必须在该区域内。 (a) 单脚支撑 稳定区域 (b)双脚支撑
  • 35.2 ZMP方程式的导出 o 为了简化拟人机器人与路面相互关系的处理， 做如下的假定，并 设定如下的坐标系： o 机器人是由质点组成的（多质点系）。 o 路面十分坚硬，无论作用了多大的力或力矩，地面都不会变形或移动。 o 设坐标系为直角坐标系O-X YZ（右手规则），其中由X轴（与机器人的 正面方向一致）和Y轴构成的平面与路面一致，与路面垂直的轴为Z轴。 o 机器人的脚底与路面的接触状态为着地点的集合。 o 在着地点（绕X轴、Y轴以及Z轴）旋转的摩擦系数十分小，可以忽略。 o 机器人步行时的推力被限制在其着地点的两个方向（X轴以及Y轴）上不 产生滑动的范围之内。
  • 36.向量的设定 关于路面上的任意点P的力矩平衡式： d 2 ri i mi (ri  p)  ( dt 2  G )  T  0 式中，mi为第i个质点的质量；ri = [rix，riy，riz]T为第i个质点的位置向 量；p = [px，py，0]T为点P的位置向量；G = [gx，gy，gz]T为重力加速 度向量；T = [Tx，Ty，Tz]T为点P的地面反作用力力矩。  m (r  p )  (r  g )  r (r  g )    m  r (r  g )  ( r  p )  (r  g ) 按各个分量来表示： Tx   Ty i i i i iy iz y ix iz x z ix iz x iy y iz z Tz   mi  ( rix  px )  ( riy  g y )  ( riy  p y )( rix  g x )  i
  • 37.若Tx = 0，Ty = 0，点P就成为ZMP。即ZMP方程式可以表示如下： px  u x  m (r  g )r   m (r  g )r   m (r  g )  m (r  g )r   m (r  g )r   m (r  g ) i i iz z i i py  u y i i iz z i ix ix x iz i iy y iz i iz iy i i z i iz z 式中，u = [ux，uy，0]T为ZMP的位置向量。
  • 38.d 2 ri 设点P的地面反作用力为Fr，则：  mi ( 2  G )  Fr  0 dt i 按各个分量来表示 Frx   mi ( rix  g x ) Fry   mi ( riy  g y ) i Frz    mi (riz  g z ) i i 为了保证机器人与地面相接触，必须满足以下条件： F 也就是说，必须有  m (r  g )  0 i i iz rz 0 z riz  g z , g z  0 但一般来说，Z轴方向的加速度很小，即  因此，条件 F rz 0 能够得到满足。
  • 39.如果  rix  0 可以得到： u x  riy  0  riz  0 m r  m i ix i i i  cx uy m r  m i iy i i  cy i 式中，[cx，cy，cz]T 为机器人的重心位置向量。 可以看出，静态步行的时候，ZMP为机器人的重心在路面上的垂直投 影。因此，ZMP规范与我们平常用来判定步行稳定的基准，即重心相 一致，并且它是比仅考虑惯性力更严密的基准。
  • 40.3 步行模式的生成 o 以转动关节相连接组成的拟人机器人，其ZMP方程式为具 有耦合的非线性二阶微分方程。因此，通过解析方法来求 解满足所导出的ZMP方程式的步行模式十分困难。 o 一般的做法是在将机器人模型进行近似处理的同时，对机 器人的运动进行约束。然后，通过线性/解耦处理，将ZMP 方程式降阶到用解析方法或数值方法容易求解的程度，就 可以实时生成实用的满足ZMP精度的步行模式。另外，通 过在ZMP方程式中添加外力项，也可以使其具有对外力的 适应能力。
  • 41.8.4.2 拟人机器人的双足步行 o 为实现所期望的步行而设定的一组关节角时间序列称为步行摸 式。为了产生步行模式，使用“步行模式生成器”。 o 需要利用姿态传感器（陀螺仪）、加速度传感器、力传感器和 其他装置的信息来修正步行模式。这就是步行稳定控制器。
  • 42.(a) 理想情况下双足机器人通过再现步行模式实现行走 (b) 实际环境中双足机器人需要一个稳定器
  • 43.o 步行稳定控制器的主要作用是修正和减小机器人实际状态和 目标步行模式之间的偏差。通常拟人机器人的步行稳定控制 方法有： n n n n n n n 通过踝关节力矩进行控制 通过改变落脚点进行控制 通过质心加速度控制ZMP 上半身姿态控制 模型ZMP控制 冲击的吸收 通过LQ进行稳定控制
  • 44.o 实际的稳定控制系统可以通过综合上述几种控制原理来构造。这 里介绍一个成功的实例。本田公司P2的步行控制系统。 本田P2的控制系统
  • 45.8.4.3 全身运动模式的生成 o 大多数方法首先生成粗略的全身运动，然后再对它进行修正 使得ZMP轨迹处在支撑多边形内以满足动态稳定条件。从全 身运动模式的生成到机器人上的具体实现，流程如图所示： 从全身运动模式的生成到机器人上的具体实现的流程图
  • 46.1 粗略全身运动模式的生成方法 o 基于运动捕获的生成法 n 拟人机器人具有人的形状，因而可以根据人的运动模式来生成 其全身运动。 o 基于GUI（图形用户接口）的生成法 n 通过计算机图形动画的制作也可以有效地生成拟人机器人的全 身运动模式。 o 多维空间高速搜索法 n 多维空间高速搜索法在由机器人所有关节角构成的矢量空间中 进行快速搜索，可以生成诸如捡取桌子下面的物体而避免与障 碍物相碰等全身运动模式。
  • 47.2 保证稳定性的全身运动模式的变换方法 o 粗略全身运动模式的方法并不能保证机 器人的动态稳定性，其结果不能直接用 在真实的机器人上。因此，有必要对所 生成的粗略全身运动模式进行修正以满 足动态稳定性条件。具有代表性的变换 方法包括： o 动力学过滤 n 动力学过滤是一种将物理上不能实现的 全身运动模式转变成物理系统上可行的 运动模式的方法，过滤器由一个控制器 和一个优化器组成。 动力学过滤器的原理
  • 48.o 自动平衡 n 自动平衡器以粗略的全身运动模式为输人，在进行变换时通过二次 规划中的最优化方法求各采样时刻的关节角。这种方法强调静态稳 定性，虽然不能保证稳定的步行，但对机器人维持在原位和支撑多 边形不改变时的稳定运动还是有效的。 n 自动平衡器通过下列控制方法进行平衡补偿：使机器人重心保持在 通过支撑多边形内一给定点的铅垂轴上、使绕这一给定点的惯性力 矩保持在一定的范围内（惯性力矩容许范围的设定应满足两个约束 条件，即：①ZMP保持在支撑多边形内，②由惯性力矩产生的角 动量在采样时间内小于零。）。 o 躯干轨迹补偿算法 n 躯干轨迹补偿算法根据腿的运动轨迹、ZMP轨迹和手的运动轨迹， 在ZMP和绕铅垂轴的力矩目标范围内计算躯干的补偿轨迹。这一轨 迹就用作机器人的全身运动模式。
  • 49.8.5 拟人机器人的应用 o 拟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 于拟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、有毒的环境中代替人们 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。将来它可以在家庭服务、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、农林水产等多个领域得到广泛 应用。