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
cdede00阿
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（XX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.。

1978年，Unimation公司在通用汽车公司的支持下运用了Vicarm的技术开发了Puma （可编程的通用机装配）。

1979年，斯坦福购物车越过堆满椅子的房间而没有人力协助。

购物车有一台安装在轨道上的电视摄像机，它从多个角度拍摄照片，并传送到计算机。

计算机分析车与障碍物之间的距离。

1994年CMU机器人研究所的六足机器人Dante II，在阿拉斯加山斯珀尔火山探测并采样了火山气体。

1995年，弗雷德·莫尔，罗布Younge和约翰·弗洛伊德创建了的直觉外科，并进行外科手术机器人系统的设计和销售。

在斯里兰卡，IBM和麻省理工学院工作的基础上开发新的技术。

1997年，美国宇航局的火星探路者任务是捕捉地球的图像和想象力作为火星探路者和旅居漫游者机器人土地发回其旅途遥远星球上的图像。

登陆火星探路者和探测车车机器人将在火星上捕获的图像数据传送到地面。

在同一年在同一年，本田展出了研发始于1986年的8字形行走原型人形设计项目的类人机器人3号，
2000年，本田展示了Asimo（高级步行创新移动机器人）机器人，其系列为人形机器人的下一代。

索尼公司在Robodex推出的人形机器人，被称为索尼梦幻机器人（SDR），也是第二代爱宝机器狗。

2001年，由加拿大的MD机器人公司研制的内置空间站远程机械臂系统（SSRMS）成功发射进入轨道，并开始操作完成组装国际空间站。

2004年，马克·蒂尔登开发了交互式,能言善辩,动画清晰及以上的全部可编程的人形机器人，即史宾机器人。

下面是一些大学和研究人员研发的双足项目。

新加坡国立大学有一个双足步行机器人项目正在进行中。

这个项目是由D.Lefeber的Mutlibody机械力的研究小组工程部承担的。

他们的机器人被称为“露西”。

这是身高150公分，体重30公斤的机器人。

图2。

双足机器人、布鲁塞尔大学
奥地利有一个非常漂亮的双足机器人他称之为的V-3，它来自维也纳的亚历山大Vogler。

这是身高约12“或30厘米，重达1.2公斤的机器人。

它有12个自由度
[11]
图3。

双足机器人、亚历山大Vogler
2005年佛罗里达州的新进展会议在RoboticsBelow，列出了一些市售的类人型机器人
lynxmotion双足机器人童子军：山猫侦察员机器人由Lynxmotion制造的十二伺服双足沃克每条腿具有6个自由度（DOF）。

机器人可以向前走或向后走向左走或向右走，并且可以变速。

腿部的先进设计让腿具有很好的灵活性。

图4。

lynxmotion双足
近藤KHR-1的人形机器人套件：KHR-1机器人套件近藤开放了多个人形实验并相互竞争。

这是非常独特的17个自由度的平台：它可以进行多种运动，如散步，功夫，战斗中，吸盘踢和杂技。

它可以直接控制也可以通过RS-232电缆（或无线方式（如黑客）的电脑控制。

它集成
微控制器和程序自动控制。

图5。

近藤KHR-1人型生物
WOW WEE罗伯萨皮尔：满载着姿态和智力，罗伯萨皮尔是第一个在机器人的基础上，应用生物形态科学的机器人。

由科学家马克蒂
尔登的设计制造。

图6。

罗伯萨皮尔
HRP-2：总的机器人系统设计集成了川田工业公司与国家先进工业科学研究所人型生物研究小组的技术（AIST）。

安川电机公司提供的设备和AIST的三维视觉研究的初步概念设计和清水公司所提供的视觉系统。

HRP-2的身高为154厘米，重量为58公斤（含电池）。

它有30度的自由，包括其臀部的两个自由度，悬臂裆联合允许走在狭小的地方。

其高度紧凑的电气系统的包装，使得它不必使用其他人形机器人的“背包”。

图7。

HRP-2
SONY QRIO：可以两条腿走路还可以跳舞。

它的胳膊和腿很强壮，所以它的胳膊和腿能够流畅的移动，这需要有一个全新的联合执行机构。

“实现这种智能伺服执行机构（ISA）需要尽可能小巧的机身设计，才可以实现机器人顺利移动。

图9。

索尼QRIO
3。

概念设计
地狱犬的主要概念是，将两足动物的行走
模式，变成四足行走模式的四足沃克。

它的主要思想有两种概念设计开发。

3.1设计理念1
然后使其改变模式自动实现四条腿行走。

对于整个过程，机器人先跪在地上，然后不断变化
其模式，最后实现四条腿模式。

这需要对机器
人每条腿的自由度进行调整。

虽然每条腿有这
许多的自由度，它不能转变方式，它只能前进
和后退。

要实现这一功能，每条腿至少要加一
个自由度。

躯干上的自由度用于平衡机器人，
两
条
腿
用
于
行
走。

图10。

双足行走步态设计理念1
胳膊构架几乎是相同的缘故，腿使用相同类型的所有机器人模块。

他们三自由度，这只会在完全改变时使用。

变成四条腿的机器人模式，分为四部。

四足机器人的运动将是顺利和平衡的因为手臂和腿部动作的方式几乎相同。

它们之间唯一的区别是脚和手彼此之间的距离。

所有关节和长方形部分是的人形。

图11。

四足动物模式的设计理念1
3.2设计概念2
这一设计理念是创造一个能够两条腿走
路也能成为四足动物的机器人。

一旦机器人四
肢在地面上，它的后腿蹲在行走位置上移动，
而其上肢的每个肢体上都有滚轮。

图12。

设计理念2
从上图中看出，地狱犬的机器人有8个自由度：- 3自由度，每条腿（踝，膝，髋关节）×2- 1自由度在腰间- 1自由度的胳膊适当的运行算法，机器人能够蹲下下来，保持其平衡，并将上肢放置在地板上。

然后，它会放置在适
当的关节位置继续推动其胳膊/车轮与它的腿。

图13。

从两足动物的四足动物模式
机器人为了行走，它用它的腰部作为转移
中心重力从一个侧面加强相应的腿。

机器人的
设计要保持两腿之间的距离在最低的位置，这
是为了重力改变的瞬间保持重心采取的措施。

图14。

一个步态的设计理念2
伺服电机安装在背部和腰上两个关节控制。

图15。

腰围驱动的设计理念2
一个类似的概念是用来阐明脚踝的结构。

仅在这种情况下这个环节是用来操纵机器人
做俯仰运动的踝关节。

4。

最终的设计说明
准备一个评分表，以比较两种设计。

下面
一至三是三个设计概念（其中之一是低标记和
三个不同的参数，高分）设计考虑的双足机器人的标准是必不可少的。

机器人的能力一个重要的设计标准是边走边保持其稳定性。

1和2两种设计是“静态步
行者“，机器人保持在其重心稳定区。

1＆2的设计，是他成为四足动物，给他们更大的表面行走的能力。

表面。

1设计有13个自由度，设计2有8个自由度。

更大程度的自由，这是更加复杂和昂贵的设计。

表1。

评分表的概念
概念1和概念2的最终比分是9和11。

以这项工作考虑到概念2的评级被选定为最终的概念。

最终的设计理念具有以下特点：
共有8个自由度：- 每条腿三自由度- 腰部1个自由度- 手臂驱动1自由度•重构：两足动物四足动物和四足动物双足行走•控制器：基本类型•伺服电机：舵机
为舵机的初步选择，双足步行如图16所示，可以考虑最坏的情况下。

人形中心的重力可以被认为是在人形中间的0.15米，从地面和重量可估计为12 N 。

虽然走了一步，它可以假设重心转移100。

在这个静态的情况下被计算为：姆拉= 12 X0.15 X 罪（10）= 0.312 nm 或44.2盎司的。

图16。

最终的设计理念 5。

运动学分析
这一点很重要，因为我们仍然在该项目的设计阶段的早期，决定链路长度的确切数额，是不可取的。

因此，在单位长度上选择机器人的比例和检查，以确保可满足机器人工作空间的要求。

图17。

人形比例
该图显示了如何根据单位给的机器人定值。

所有的尺寸，单位定值的倍数。

在我们的
例子中，上部和下部的腿和躯干都各有一个维度等于1个单位，而设备各2台。

伺服大小和控制器的基础初步单位定值选择，是1个单位= 10厘米。

图18。

地狱犬的人形机器人的初步尺寸
舵机的选择有一个180度的方案的最大X 围。

下图显示了所需的每个关节的运动X围。

6。

步态分析
看到初步的步态分析，如果先前定义的方案符合要求，在双足行走模式，改变模式，从两足动物到四足动物和最后走着的四足模式。

6.1两足动物的步态分析
行走模式的合成是基于零力矩点（ZMP 点）。

ZMP是定义为地面上的哪些设备的所有的总和为零的点。

如果是在脚与地面之间的所有接触点的凸壳的ZMP的双足机器人是可以走。

此后，所有接触点的凸壳被称为稳定区域。

看下面的基本设想，腰部转移到对面一侧时腿在运动中要保持稳定。

图20。

腰部运动在双足行走的稳定性
关节和脚的位置使用以前推导公式，知道脚的角度，便可以知道它离开和到达（QBQF ），这样一个稳定的行走模式就可以实现了。

图21。

双足步行脚轨迹
下面的数字是两足动物的运动步态如何行走的可视化表示。

图22。

双足行走的步态 6.2模式的改变步态分析
做一个一般的步态分析图形。

被检查的目的看，腿和手臂的工作区是可以接受的，检查限制阵地，控制算法开发和使用数据从步态
“快照”作为指导。

图23。

步态的变化从两足动物到四足动物
步行
6.3四足步态分析
接下来的数字是步态四足行走机器人的
快照。

作为数字显示，第一和第二个步骤的结
束位置是相同的，因此，步行运动是这个的重
复。

图24。

第一步-左腿
图25。

第二步-第1部分右腿
图26。

第二步-右腿部分2
7。

结论
概念设计，双足人形机器人运动学模型开
发和分析。

双足机器人，名为地狱犬，是四足
行走，以及从一个模式到其他配置。

该机器人
采用八个通过基本控制器控制的伺服系统。

最初，对人形机器人的发展进行了研究工
作和简要回顾。

后来，对两个概念的人形机器
人的设计进行了介绍和评价。

最后，选定最终
设计，对机器人进行步态研究包括两足动物和
四足行走。