《ASIMO機(jī)器人》PPT課件

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1、新型ASIMO 機(jī)器人學(xué)院：自動化學(xué)院姓名：余 春學(xué)號：111101217專題介紹 目 錄ASIMO研發(fā)歷程 2設(shè)計(jì)理念 34相關(guān)技術(shù)4主要功能6應(yīng)用前景 75研發(fā)背景 1規(guī)格特性 研發(fā)背景 仿人機(jī)器人是一種外觀與人類似，具有移動功能、感知功能、操作功能、學(xué)習(xí)功能、自治能力、聯(lián)想記憶、情感交流的智能機(jī)器人。 仿人機(jī)器人集機(jī)械、材料、電子、計(jì)算機(jī)、自動化等多門學(xué)科為一體，技術(shù)含量高、研究和開發(fā)難度大，它是一個(gè)國家高技術(shù)實(shí)力和發(fā)展水平的重要標(biāo)志。仿人機(jī)器人是以后機(jī)器人研究的主攻方向。 圖1 仿人機(jī)器人 為什么要研究仿人機(jī)器人？n少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)，是研究各種新理論和新方法

2、的一個(gè)非常理想的實(shí)驗(yàn)平臺；n可以有力的推進(jìn)政治、社會、軍事領(lǐng)域的變革，并且促進(jìn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、服務(wù)等行業(yè)的發(fā)展。研發(fā)背景 仿人機(jī)器人研究，開始于20世紀(jì)60年代末，至今已有40多年的歷史。國內(nèi)外的許多學(xué)者都在從事仿人機(jī)器人的研究和開發(fā)。1968年，美國通用電氣公司的研究人員Mosher試制了一臺名為“Rig”的操縱型兩足步行機(jī)器人，從而揭開了仿人機(jī)器人研究的序幕。 1968年，日本早稻田大學(xué)加藤一郎教授在日本首先展開了仿人機(jī)器人的研究工作，他在1969年研制出了具有6自由度的WAP-1型步行機(jī)器人。1971年，加藤一郎教授又研制出了具有11自由度的WAP-3和11自由度的WL5型二足步行機(jī)器

3、人。隨后的幾年，又推出了WAROT-1，WL-9DR，WL-10RD，WL-12等各種類型的仿人機(jī)器人。研發(fā)背景 研發(fā)背景 圖2 早稻田大學(xué)仿人機(jī)器人研究產(chǎn)品集 再者，由1986年開始，日本的Honda公司，也作了一系列有關(guān)類人型機(jī)器的研究，從第一代的E0、E1、E2、E3、E4、E5、E6、P1 、P2、P3，到2003 年來臺灣展覽的ASIMO（圖3），不但將機(jī)器人的高度縮小至120公分，重量也減輕至52公斤；與高160公分、重130公斤的P3相比，不但增加了安全性，也較有親和力。 ASIMO為本田公司投入巨資經(jīng)過10多年的開發(fā)，研制出了在世界上居領(lǐng)先地位的類人型機(jī)器人成果。 美國也在仿人

4、機(jī)器人方面也取得了一定的成果。在西元2000年，SONY公司也發(fā)表了高50公分，重5公斤的小型機(jī)器人，（圖4），每一只腳具有六個(gè)自由度，不但會跳舞，還可單腿站立；而在2002年，SONY更發(fā)表了最新一代的（圖4），它的高度58公分、重6.5公斤，每一只腳同樣具有六個(gè)自由度，除了具有前一代SDR-3X的功能外，還可以在10mm的凹凸地面行走，上10度的斜坡，甚至被推倒了還能自己站起來，可說是向家用機(jī)器人的目標(biāo)，又邁進(jìn)了一大步。研發(fā)背景 研發(fā)背景 我國的仿人機(jī)器人起步較晚。1985年以來，相繼有幾所高校進(jìn)行了這方面的研究并取得了一定的成果。比如長沙國防科技大學(xué)研制成了雙足步行機(jī)器人，北京航空航天大

5、學(xué)研制成了多指靈巧手，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)也在這方面做了大量深入的工作。 圖3 “先行者”仿人機(jī)器人 圖4 日本本田公司ASIMO之演進(jìn)圖5 SONY機(jī)器人 ASIMO研發(fā)歷程 日本本田公司研制的仿人機(jī)器人ASIMO，是目前最先進(jìn)的仿人行走機(jī)器人。 ASIMO的開發(fā)經(jīng)歷了5個(gè)階段，從1986年開始，至今已經(jīng)20多年。1986年是E0階段，1987-1991年逐步完成E1、E2、E3，從1991到1993年，本田又完成了E4、E5、E6幾個(gè)產(chǎn)品。1993-1997年推出了P1、P2、P3。從2000年至今是ASIMO的研發(fā)階段。 ASIMO研發(fā)歷程 ASIMO研發(fā)歷程 ASIMO研發(fā)歷程

6、 ASIMO研發(fā)歷程 ASIMO研發(fā)歷程 ASIMO研發(fā)歷程 ASIMO研發(fā)歷程 n ASIMO的外形尺寸設(shè)計(jì)，需要滿足它能夠在人類生活環(huán)境中自由地移動并使它更加便利化。ASMIO的身高尺寸要使它能夠操作電燈開關(guān)和門把手，并在桌旁和工作臺旁進(jìn)行工作。其眼睛的高度應(yīng)與坐在椅子上的成年人眼睛的高度在一個(gè)水平面上，這樣較易于與其進(jìn)行信息聯(lián)絡(luò)。n 新型ASIMO可根據(jù)周圍人的活動狀況對自己的行動作出判斷，而這一點(diǎn)則實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人從自動機(jī)器到自律機(jī)器的進(jìn)化。n Honda認(rèn)為自律機(jī)器人需具備三大要素：姿態(tài)高度平衡突然邁步仍能保持姿態(tài)平穩(wěn)；外界認(rèn)知通過多個(gè)傳感器將周圍人的活動等變化狀況進(jìn)行綜合分析和推斷；產(chǎn)

7、生自律行動根據(jù)已有信息進(jìn)行預(yù)測，在無人操作的情況下自行判斷下一步的行動。設(shè)計(jì)理念 規(guī)格特性n新型ASIMO實(shí)現(xiàn)了智能、身體協(xié)調(diào)性與作業(yè)性能三方面的提升。n全新開發(fā)的智能化技術(shù)可根據(jù)類似人類視覺、聽覺、觸覺等各類傳感器獲取的信息進(jìn)行綜合判斷，由此推斷周圍的狀況并決定自身的對應(yīng)行動。n敏捷性大幅提升，即使在崎嶇路面上仍可保持穩(wěn)定姿勢順利行走，能夠靈活應(yīng)對外部的各種狀況。步行、奔跑、逆向奔跑、單腿跳躍、雙腿跳躍等活動均可自由、連續(xù)地完成。n新型ASIMO采用融合視覺與觸覺的物體認(rèn)知技術(shù)，可以進(jìn)行握瓶、旋轉(zhuǎn)瓶蓋、握住裝有液體的紙杯并保持其完好無損等靈巧的手部作業(yè)。此外，還能完成需復(fù)雜手指運(yùn)動才可實(shí)現(xiàn)的

8、手語表達(dá)。 新型ASIMO的規(guī)格特性 圖6 新型ASIMO的規(guī)格特性尺寸 長度130cm寬度45cm深度 34cm重量 48kg（比上一代減輕6kg） 性能最大時(shí)速時(shí)速9km（上一代時(shí)速6km） 活動時(shí)間 40分（步行時(shí)） 通過自動充電可實(shí)現(xiàn)連續(xù)活動 關(guān)節(jié)自由度頭部 3 總計(jì) 57個(gè)關(guān)節(jié)（較上一代增加 了23個(gè)） 腕部 72 手部 122 腰部 2 腿部 62 視覺感應(yīng)器：其眼部攝影機(jī)通過連續(xù)拍攝圖片，再與數(shù)據(jù)庫內(nèi)容作比較，以輪廓的特征識別人類及辨別來者身份； 水平感應(yīng)器：由紅外線感應(yīng)器和CCD攝像機(jī)構(gòu)成的sensymg系統(tǒng)共同工作，可避開障礙物； 超音波感應(yīng)器：以音波測量3m范圍內(nèi)的物體，即

9、使在毫無燈光的黑暗中行使也完全無礙；壓力感應(yīng)器：調(diào)節(jié)握手、搬運(yùn)等各種作業(yè)的力度；速度傳感器：感測“阿西莫”的體位及移動速度；陀螺儀傳感器：向中央計(jì)算機(jī)傳遞平衡調(diào)節(jié)信息 ；關(guān)節(jié)角度傳感器和六軸壓力傳感器：完成人類肌肉和皮膚在感測肌肉力量、壓力和關(guān)節(jié)角度方面所做的工作。新型ASIMO的規(guī)格特性傳感器類型（只列了以下幾種）： 新型ASIMO的規(guī)格特性自由度（類似人類的關(guān)節(jié)）頭部 頸關(guān)節(jié)(U/D，RT) *1 3 DOF臂 肩關(guān)節(jié)(F/B，U/D，RT) 肘關(guān)節(jié)(F/B) 腕關(guān)節(jié)(RT) 3 DOF1 DOF3 DOF 7 DOF2手臂 = 14 DOF腰 彎1 DOF手 拇指1 DOF 四指1 DO

10、F 2 DOF2手 = 4 DOF腿 髖關(guān)節(jié)(F/B，L/R，RT) 膝關(guān)節(jié)(F/B) 踝關(guān)節(jié)(F/B，L/R) 3 DOF1 DOF2 DOF 6 DOF2腿 = 12 DOF n自由動作n使用道具n信息交流主要功能 自由動作以時(shí)速9km奔跑 ，較之上一代的6km，奔跑速度顯著提升。雙腳跳躍懸空 ，全新控制技術(shù)，讓腿部力量加大，活動范圍擴(kuò)大。在崎嶇路面上行走 ，敏捷性大幅提升在崎嶇路面上仍可保持穩(wěn)定姿勢順利行走，能夠靈活應(yīng)對外部的各種狀況。 單腳跳躍行走 ，得益于全新控制技術(shù)，可進(jìn)行單腳跳躍行走。 自由動作打出手語 ，高性能小型多指手，在手掌、五指中分別內(nèi)置接觸傳感器與壓力傳感器后，可對各節(jié)

11、手指進(jìn)行獨(dú)立操控，從而完成需復(fù)雜手指運(yùn)動才可實(shí)現(xiàn)的手語表達(dá)。踢足球，全新控制技術(shù)，讓腿部力量加大，活動范圍擴(kuò)大，并能自由變換著位置。自在步行，ASIMO可以在平坦的地面上順暢行走?？烧{(diào)整步伐來保持上半身的平衡，還可旋回、8字行走 上下臺階，ASIMO可以在平坦的地面上順暢行走。可調(diào)整步伐來保持上半身的平衡，還可旋回、8字行走。 自由動作自動修正位置，ASIMO可自行識別步行路線上的標(biāo)示，根據(jù)標(biāo)示一邊走一邊。直線行走，ASIMO在雙腳均離地時(shí)可積極地控制姿勢，保持直線行走。2005年Honda發(fā)表的新技術(shù)使ASIMO的最高時(shí)速提高至6km。旋回奔跑，ASIMO可自行控制姿勢，保持穩(wěn)定的旋回奔跑或

12、8字形走動。 全身協(xié)調(diào)運(yùn)動，ASIMO可配合步行姿勢來控制手腕的動作，還會跳舞。2005年末Honda發(fā)表的新技術(shù)提高了ASIMO的全身協(xié)調(diào)功能，在提高全身平衡性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)動作的柔軟和迅速。 使用道具擰瓶蓋倒水 ，手掌、五指中分別內(nèi)置接觸傳感器與壓力傳感器，各節(jié)手指獨(dú)立操控抓握。搬運(yùn)托盤，運(yùn)用視覺傳感器和手腕力度傳感器，ASIMO可根據(jù)實(shí)際情況交接實(shí)物。比如，ASIMO可通過手腕接觸放置托盤的桌子，從而判斷高度和負(fù)荷大小。另外，還可協(xié)調(diào)全身動作來放置托盤，無論桌子高低，都可靈活應(yīng)對。 推車前進(jìn)，運(yùn)用手腕的傳感器，ASIMO可調(diào)整左右手腕的推力，保持與推車之間的合適距離，一邊前進(jìn)一邊推車。當(dāng)推車

13、遇到障礙時(shí)，ASIMO還會自行減速并改變行進(jìn)方向，直線或者轉(zhuǎn)彎推車。 信息交流同時(shí)分辨多人講話 ，通過視覺與聽覺傳感器聯(lián)動辨識人的臉部與聲音，可同時(shí)辨識多人的聲音，而這一點(diǎn)即便是人類也很難做到。預(yù)測行人的行走方向，調(diào)整步伐以免發(fā)生碰撞。基于空間傳感器提供的信息，可對數(shù)秒后人的行進(jìn)方向進(jìn)行預(yù)測。若發(fā)現(xiàn)與自身移動預(yù)測位s置發(fā)生沖突，將瞬間選擇其他線路，確保行進(jìn)時(shí)不與人相撞。識別聲音和來源，ASIMO可識別人的聲音以及其它響動，可進(jìn)行簡單的會話。另外，ASIMO還可以識別聲音的來源，當(dāng)你叫它時(shí)，它還會把頭轉(zhuǎn)向你的方向，看著說話的人來交流。 面部識別，檢測出由頭部裝載的攝像機(jī)提供的影像信息中的多個(gè)移動

14、物體，能識別儲存在記憶中的面部，稱呼姓名、傳達(dá)信息，可做向?qū)??？勺R別10人左右。 信息交流識別移動物體，通過頭部攝像頭，ASIMO可辨別出多個(gè)移動體，并判斷出與其的距離、方向。憑借攝像頭的信息，ASIMO可跟著人步行。情景和姿勢的識別，從影像信息中檢測出手的位置和運(yùn)動，識別姿勢和動作。不僅僅可識別聲音指令，也可以使別人的自然動作并作出反應(yīng)。當(dāng)你伸出手時(shí)，ASIMO會跟你握手。當(dāng)你揮手時(shí)，ASIMO會回應(yīng)揮手。認(rèn)知環(huán)境，識別周圍的環(huán)境，把握障礙物的位置，可以避免碰撞并繞行。人或其他移動的障礙物突然出現(xiàn)在面前時(shí)會停下來，離開后繼續(xù)步行。2005年末Honda發(fā)表的新技術(shù)提高了各傳感 器的精度，使A

15、SIMO對周圍環(huán)境的認(rèn)知度更高。 NewIC通信卡 ，根據(jù)IC通信卡提供的客人信息，ASIMO可判斷出對方的屬性和位置，判斷與客人的距離，還會與擦身而過的人打招呼，將客人引導(dǎo)至預(yù)定的場所，可根據(jù)顧客的信息進(jìn)行適宜的接待和服務(wù)。 相關(guān)技術(shù)1. 智能化、實(shí)時(shí)和靈活的行走技術(shù)= i-WALK i-WALK技術(shù)的特點(diǎn)是在早期行走控制技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了預(yù)測移動控制技術(shù)。這項(xiàng)新的雙腿行走技術(shù)使得機(jī)器人的行走更加具有靈活性，使ASIMO更順暢和更自然地行走。 當(dāng)人向前行走并開始轉(zhuǎn)向時(shí)，在開始轉(zhuǎn)向前會朝轉(zhuǎn)向的內(nèi)側(cè)改變其重心。 正是由于有了i-WALK技術(shù)，ASIMO可以實(shí)時(shí)地預(yù)測其下一個(gè)移動動作并提前改變其重

16、心。形成預(yù)測移動控制技術(shù)圖7 預(yù)測移動控制技術(shù) 相關(guān)技術(shù)（1） 實(shí)現(xiàn)了智能化、實(shí)時(shí)和靈活的行走 由于可以連續(xù)靈活行走，ASIMO能夠在任何時(shí)間快速而順暢地移動和行走。 （2） 除了改變腳的位置和轉(zhuǎn)向外，也可以自如地改變步幅 P3及其前代機(jī)器人是根據(jù)儲存的行走方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向的。ASIMO則可以實(shí)時(shí)地形成行走方式，并可隨意改變腳的位置和轉(zhuǎn)向角度。 因此，可以向多個(gè)方向順暢地行走。 此外，由于能夠自如地改變步幅(每步的時(shí)間)，所以ASIMO的移動更加自然。 相關(guān)技術(shù)(3) 步態(tài)控制： 假若Honda機(jī)器人失去平衡有可能跌倒時(shí)，下述三個(gè)控制系統(tǒng)將起作用，以防止跌倒，并保持繼續(xù)行走狀態(tài)。 l地面反作用力控

17、制：腳底要能夠適應(yīng)地面的不平整，同時(shí)還要能穩(wěn)定的站住。 l目標(biāo)ZMP控制：當(dāng)由于種種原因造成ASIMO無法站立，并開始傾倒的時(shí)候，需要控制他的上肢反方向運(yùn)動來控制即將產(chǎn)生的摔跤，同時(shí)還要加快步速來平衡身體。 l落腳點(diǎn)控制：當(dāng)目標(biāo)ZMP控制被激活的時(shí)候，ASIMO需要調(diào)節(jié)每步的間距來滿足當(dāng)時(shí)身體的位置，速度和步長之間的關(guān)系。 圖8 ASIMO的步態(tài)控制 相關(guān)技術(shù) 圖9 ASIMO的控制流程 相關(guān)技術(shù)2. 識別技術(shù)促進(jìn)了溝通 識別移動物體，識別情景、姿勢等等，識別技術(shù)促進(jìn)了溝通。 視覺情報(bào)：識別移動體視覺情報(bào)：識別情景和姿勢理解人類的姿勢和動作視覺情報(bào)：識別面部識別個(gè)人視覺情報(bào)：識別環(huán)境把握周圍物

18、體的位置及大小聽覺信息：聲音識別理解聽覺信息：音源識別識別人的聲音及其他聲音，判斷方位 相關(guān)技術(shù) 檢測出由頭部裝載的攝像機(jī)提供的影像信息中的多個(gè)移動物體，識別移動物體的距離和方向。用攝像機(jī)追蹤人的行動跟著人步行感知到人的接近并打招呼，等等。 從影像信息中檢測出手的位置和運(yùn)動，識別姿勢和動作。不僅僅可識別聲音指令，也可以使別人的自然動作并作出反應(yīng)。推斷人手指向的位置，向該方向移動。(姿勢識別) 人伸出手時(shí)會握手。(姿勢識別)人揮手時(shí)，會回應(yīng)做揮手動作。(動作識別)等等。 相關(guān)技術(shù) 特定音源位置的能力有了提高，另外可識別人的聲音和其他聲音。被叫名字后可以轉(zhuǎn)向那個(gè)方向并看著對方?？粗f話的人的臉進(jìn)行

19、回答。對突然發(fā)出的聲音(落下和撞擊的聲音等)作出反應(yīng)并看那個(gè)方向等等 人和ASIMO即使都在移動之中也可以識別面部。能識別儲存在記憶中的面部，稱呼姓名、傳達(dá)信息，可做向?qū)А？勺R別十個(gè)人左右等等。 識別周圍的環(huán)境，把握障礙物的位置，可以避免碰撞并繞行。人或其他移動的障礙物突然出現(xiàn)在面前時(shí)會停下來，離開后繼續(xù)步行。發(fā)現(xiàn)靜止障礙物會繞行等等。 相關(guān)技術(shù)3. 與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合 可根據(jù)顧客的信息進(jìn)行適宜的接待和服務(wù)?？上騻€(gè)人計(jì)算機(jī)終端傳送客人來訪的通知，并可直接傳送來訪者的面部圖象?？蓪⒖腿艘龑?dǎo)至約定的場所等等?？筛鶕?jù)聲音指令在被詢問到新聞和天氣時(shí)，可以從因特網(wǎng)獲取信息進(jìn)行回答等等。 相關(guān)技術(shù)4.新姿勢控制

20、技術(shù) 為了防止高速移動產(chǎn)生的足部打滑和空中旋轉(zhuǎn)，保持平衡狀態(tài)，Honda通過利用上半身彎曲和旋轉(zhuǎn)的新姿勢控制理論和新開發(fā)的高速應(yīng)答硬件等，使ASIMO的最大奔跑速度達(dá)到了9km/h。5.自律性的連續(xù)移動技術(shù) 通過地面?zhèn)鞲衅鳙@得的周圍環(huán)境信息和預(yù)先錄入的地圖信息等，ASIMO能夠在步行的同時(shí)修正路線偏差，途中無需停歇地直接移動到目的地。通過地面?zhèn)鞲衅骱皖^部視覺傳感器發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，ASIMO可以自身判斷，迂回選擇其他路線。6. 配合人的活動而連貫活動的技術(shù) ASIMO通過頭部視覺傳感器、手腕部位新增加的腕力傳感器等檢測人的動作，可以進(jìn)行物品交接，或配合人的動作而握手，而且能夠朝著手被牽引的方向邁步等，實(shí)現(xiàn)了與人相配合的動作。 相關(guān)技術(shù)7. 控制方法 ASIMO的“背包”攜帶有計(jì)算機(jī)（又稱大腦），用于控制ASIMO的動作。 ASIMO可由三種方法控制：(1) PC (2) 無線控制器（有點(diǎn)類似操縱桿） (3) 聲音指令 此外，還可以通過采用802.11無線技術(shù)以及膝上型或臺式電腦，可以控制ASIMO ，還可以看到它通過攝像眼看到的東西。 應(yīng)用前景 仿人機(jī)器人具有人類的外觀，可以適應(yīng)人類的生活和工作環(huán)境，代替人類完成各種作業(yè)，并可以在很多方面擴(kuò)展人類的能力，在服務(wù)，醫(yī)療，教育，娛樂等多個(gè)領(lǐng)域可以得到廣泛應(yīng)用。 應(yīng)用前景 圖9 ASIMO擔(dān)任服務(wù)員圖10 ASIMO擔(dān)任指揮員