仿人形机器人的设计

赛伯乐人形机器人：第一部分- 设计

伊斯梅特·灿德德，穆罕默德·萨利姆·纳赛尔，蒋树声叶Tosunoglu萨布里佛

罗里达国际大学

机械工程学院

西弗拉格勒街10555

迈阿密，佛罗里达州33174

305-348-6841

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摘要

创造类人型机器人的目的是设计一个可以完成人类复杂动作,具有自主决策功能,能够帮助人类，甚至完成人类无法完成的任务的机器人。建立类人型机器人一直吸引了世界各地的科学家，虽然目的看似简单,但这是一个艰巨的任务。在这篇文章中,我们将呈现一种命名为赛伯乐的仿人机器人的概念,像双足动物一样行走,然后切换到四足的运动模式。第一部分的主要内容是,理想的系统标准,设计方案和最终设计选定以及通过运动学的分析得到仿人机器人的模拟方案。

关键字：仿人形机器人，赛伯乐机器人，双足，四足

1.引言

构建人形机器人的目的是简单地设计一个可以完成人类复杂运动和能够真诚地帮助人类的机器人。尽管其目的简单,但是要完成这个任务相当困难。例如前本田工程师实现了他们梦想建立一个进的仿人机器人，花了超过18年的时间，在这段时间里他们不断的学习，探究和实验，也走了不少的弯路。[1]

行走过程分为两个主要部分即静态和动态步行。静态步行人形机器人包括完整的移动身体的齿轮的基地脚区域，与此同时其他脚抬起并前进。这种机器人是从运动学角度（轨迹，或位移控制）来设计和控制的，结果是有相当大的脚以一个缓慢的速度行走。一个静态步行双足足动物,如本田P3的人形机器人,“不移动很像人并且能量效率低下。它移动与nonpendular外观相似，本田2000机器人在行走时需要大约2kw功率，他需要的功率是同样大小人类的肌肉工作功率的20倍[1]。动态稳定性需要快速行走和多样的地形。在行走时重心不在支撑腿区域内时，机器人在下一个动态平衡区域时就会失衡。

被动动态步行可增加到三分之一组不同类型的步行过程。无动力玩具士兵或企鹅早在一个世纪前就已经发明，它们可以沿着缓坡行走而没有任何电机的控制。通过对它们的腿和胳膊的长度和大众的仔细选择，这些玩具在行走时保持平衡而消耗很少的能量（来自重力）。这种模型以一种固定的方式行走,但他们的结构很简单。使用这个作为起点,可以添加更多的自由度,可以添加驱动和控制实现更加流畅的运动。

研究的目的是趋向于设计简单且能够实现更多功能。为此，我们选择了一个静态步行具有能力从两足改变到四足模式运动，以下部分提供一段到目前为止人形机器人研究历程。最后，介绍了最终设计理念的选择过程，最终设计的详细解释和提出离了初步的步态定义。

2、仿人机器人的发展历程

机器人的研究与应用在过去的三十年有了明显提高，机器人开始用于工业主要在装配生产线上。当他们发展得更智能的时候，在人们的日常生活中与人们的相互作用不断提高。

仿人机器人研究加速使得机器人智力水平的增加成为人类日常生活的一部分。以下阐述了机器人从简单的机械发展到动作形态都像人的类人型机器人的历程[2]。

古希腊的工程师ctesibus 让器官和水中与移动数字结合起来。

1774年瑞士发明家彼埃尔和Henri-louis jacquet-droz创造一些最复杂的机器人，他们的自动抄写员研制成功。这个栩栩如生的男孩可以画写任何长达40个字符的消息。一个女性的机器人演奏钢琴又是他们的另一重大发明之一。

1801约瑟提花发明了一种用打孔卡操作的纺织机器，这台机器被称为一个可编程纺织

机并且进入了批量生产。

1830，美国克里斯托弗设计一个凸轮车床。

1892，西沃德创造了一个电动起重机夹钳来移动铸锭炉。

1921，第一次提到“机器人”是在伦敦上演的称为“卢布”的戏剧，或由作家卡雷尔Ç阿派克捷写的《罗森的万能机器人》一书。（Ç阿派克先生也被称为“发明家”的科幻流派）。书中介绍了机器人这个词出自斯洛伐克语“robota”，这意思是一个农奴或卑躬屈膝的劳动或强制劳动。

1941年，科幻小说家艾萨克阿西莫夫第一次用“机器人”这个词来描述机器人技术并预测一个强大的机器人产业的崛起。1946，乔治·德沃尔的通用重放装置控制设备通过专利申请这个设备使用磁性程序记录器。在同一年，计算机首次出现。美国科学家J . presper 埃克特和约翰莫奇利在宾夕法尼亚大学建立第一个大型电子计算机。另一台计算机，被称为旋风的第一台通用数字计算机，在麻省理工学院解决了第一个问题。

1948年麻省理工学院的教授诺伯特维纳发表了关于人工智能研究的影响“控制论”，描述了在电子、机械和生物系统之间通信与控制的概念。

1951年，原子能委员会的雷蒙德戈尔茨设计了一个配备了铰接臂的遥控机器人。

1954，乔治·德沃尔设计了第一个可编程的机器人，叫做Universal Automation.，后来他把机器人的名字缩写为Unimation,，1956年这个词成为第一个机器人公司的名字。

1956，乔治·德沃尔瑟恩格尔贝格创建了世界上第一个机器人公司。

1959，在麻省理工学院的实验室里计算机辅助制造表现在伺服系统上。同时星球公司出售了第一个商用机器人。

1961年在新泽西的一个通用汽车厂第一次在生产线上运用了工业机器人，它被称为通用机械手。

1963年，设计了由计算机控制了第一个人工机械臂。兰乔的机械臂是作为残疾人的一种工具，六自由度使得和人类的手臂具有相同的灵活性。

1964年在麻省理工学院，斯坦福研究学院（斯里兰卡），斯坦福大学，和爱丁堡大学开设了人工智能研究实验室。

1965，“专家系统”是第一次专家系统或程序的执行而设计的知识积累的学科专家。

1968年，马尔文·明斯基发明了像章鱼触须一样的机械臂。也是在这一年，斯里兰卡建立和测试一个具有视觉能力的移动机器人，被称为沙基。沙基是第一在生活环境中具有独立思考能力和交流的移动机器人

1969年，在斯坦福大学一种先进的机器人手臂，成为了研究项目的一个标准。机械臂是第一个利用电动电脑控制的机器人手臂，并因斯坦福手臂而闻名。

1970年，沙基作为第一个人工智能控制的移动机器人被人们所知，它是由国际公司制造的。

20世纪70年代，丁堡大学的弗莱迪机器人是车辆为信息部的早期人工智能工作可称为手/眼协调装配机器人。最值得一提的成就是通用的汇编程序，能够使机器人把堆在桌子上混乱的零部件组装成玩具船货玩具汽车。实验表明，在笛卡尔空间坐标为机器人编制最终系列位置程序时，为一个具有传感器的机器人设计成功的汇编程序是非常困难的，这仍然是目前在商业装配机器人使用的方法。

1973年，第一款商用小型机控制工业机器人是由辛那提米拉克龙公司的理查德·霍恩辛开发的。该机器人被称为T3的，即明未来的工具。

1974年，执行小件的机器人手臂（白银臂）装配使用触摸和压力传感器的反馈设计。沙因曼教授，斯坦福大学手臂的开发者，组建了向市场推出了工业应用的新型机械手臂，是由微型计算机控制的。

1976年，机器人手臂上运用于海盗1号和2的空间探测器上，维克手臂公司把微型计算机运用到机械臂的设计上。

1977年，ASEA公司，一家欧洲的机器人公司，提供了两种规格电力驱动的工业机器人。

两中机器人都使用了微电脑控制器进行编程和操作。同一年Unimation公司收购了维克机械臂公司.。