机器人介绍分解
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仿人机器人研究与发展
2013年6月17日
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
“机器人”一词的由 来
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’s Universal Robots)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。
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。
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.
WA来自百度文库OT-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。
1980年，推出WL-9 DR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。
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“8 63”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.
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。
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 。
4）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3
5）法国BIP2000计划是由法国de Mecanique des Soloder s 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，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-CN RS、LMSCNRS 和LMP-CNRS 4 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.
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(Waseda Auicmatic Pedipulator)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。
3）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Meltran I，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，Meltran II成功实现在位置路面上的动态行走。
2013年6月17日
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
“机器人”一词的由 来
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’s Universal Robots)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。
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。
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.
WA来自百度文库OT-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。
1980年，推出WL-9 DR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。
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“8 63”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.
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。
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 。
4）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。
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P2
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图3
5）法国BIP2000计划是由法国de Mecanique des Soloder s 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，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-CN RS、LMSCNRS 和LMP-CNRS 4 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.
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(Waseda Auicmatic Pedipulator)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。
3）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Meltran I，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，Meltran II成功实现在位置路面上的动态行走。