仿人机器人(双足步行机器人)——国内仿人机器人研究情况
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仿生腿足式机器人的发展——浙江大学控制学院机器人实验室熊蓉教授谈国内外腿足式机器人研究情况熊蓉【期刊名称】《机器人技术与应用》【年(卷),期】2017(000)002【总页数】8页(P29-36)【作者】熊蓉【作者单位】浙江大学控制学院机器人实验室【正文语种】中文近日,来自浙江大学控制学院机器人实验室的熊蓉教授跟大家分享了仿生腿足机器人目前的研究情况以及她们团队所做的一些工作。
主要从五个方面对仿生腿足机器人展开介绍,包括研究背景与意义、研究历史与现状、关键技术与挑战、波士顿技术解析、浙大研究进展。
1.1 机器人的类型机器人有两种基本的类型,第一种是模仿人的手臂和手的功能,能够对各种物体进行操作、加工等作业的操作机器人;另外一种是模拟人、动物行走以及汽车行驶等移动能力的移动机器人。
移动机器人跟操作机器人相比,主要在于它的移动性,它扩大了机器人可作业的范围,可应用到各行业、各个领域中。
例如,它可以在工业上进行搬运、军事上进行作战、家庭里进行清洁,甚至能够到达人类难以到达的环境里面进行探测等。
目前这两种类型的机器人技术都逐步成熟,当前研究趋势是把二者结合起来,称之为移动作业机器人,它进一步强化了操作机器人作业范围和作业能力。
本文主要介绍移动机器人中腿足式机器人的情况。
目前,常见的陆地机器人通常是轮式和履带式,它们技术相对简单,而且发展成熟,已应用到诸多产品中。
另外还有一种是躯干式,它可以攀附在不平整的地面上,通过跟地面的摩擦来实现运动。
如图1所示。
1.2 为何研究仿生腿足机器人?既然轮式、履带式的技术简单且成熟,并且已有很多应用,为何还要花如此多的人力、物力研究腿足式机器人?当前,自然界里有很多地面环境并不平整,比如山地、丘陵、雪地等,在这些地面上,轮式或者履带式机器人难以行走,而足式跟轮式、履带式相比较,它在运动的灵活性和环境的适应性方面有着显著的优势,就像人在室内环境中可以轻松地上下楼梯,可以爬山,可以背负重物进行运输等。
盘点国内最具实⼒的双⾜仿⼈机器⼈研发团队有哪些?来源:⼯业机器⼈之家北京理⼯⼤学黄强教授团队北京理⼯⼤学借鉴⼈类长期进化所具备⾃然、快速、协调运动机理和灵巧结构特征,创新地研究了仿⼈机器⼈的仿⽣运动规划、控制与系统集成等关键技术,取得了新突破。
提出了仿⼈机器⼈运动规划新⽅法,⾸创了运动相似性评价准则,可全范围定量计算机器⼈运动与⼈体运动的相似度,解决了多⾃由度机器⼈拟⼈化复杂运动难题,提⾼了机器⼈运动的⾃然性和稳定性。
提出了快速传感反射平衡控制⽅法,⽆需机器⼈数理模型即可调节踝、膝、腰等关键部位,解决了复杂环境下突发扰动等平衡控制难题,显著提⾼了仿⼈机器⼈适应环境变化的能⼒和反应速度。
发明了功能仿⽣灵巧机构,攻克了系统集成技术,解决了部件与系统性能⼀致性难以匹配的问题,研制成功了集成度⾼、运动协调能⼒强的5代仿⼈机器⼈。
与4代技术创新⽅向不同,“汇童”5代仿⼈机器⼈1.62⽶的⾝⾼、63公⽄的体重略显瘦⼩,但全⾝30个⾃由度的活动能⼒,突破了基于⾼速视觉的灵巧动作控制、全⾝协调⾃主反应等关键技术,使得“汇童”5代成为具有“⾼超”运动能⼒的机器⼈健将。
“汇童”5代能进⾏乒乓球⼈机对打。
两台机器⼈对打的最⾼次数达到200多回合,堪称成为机器⼈“国球⼿”。
作为国际⾸创技术,“汇童”5代是世界仿⼈机器⼈领域的⼀项重⼤突破。
项⽬负责⼈黄强教授“因在仿⼈机器⼈设计和控制⽅⾯的贡献”当选美国电⼦电⽓⼯程师学会会⼠(IEEE Fellow)。
陕西九⽴机器⼈制造有限公司陕西九⽴机器⼈制造有限公司是⼀家制造特种机器⼈的⾼科技公司,公司主要是以特种机器⼈的研发、加⼯、⽣产制造和销售为⼀体。
其产品包括9号双⾜机器⼈(下图),国内第⼀个1:1仿⼈型“智童机器⼈”、⼈型双⾜“易”机器⼈以及全世界最⼤的载⼈“钢弹”机器⼈等。
深圳优必选有限公司在CES 2018上,我们预见了Ubtech将于2019年推出的“⼈形机器⼈管家”Walker 。
双足行走机器人知识点总结一、概述双足行走机器人是一种仿生机器人,模拟人类的行走方式,具有独特的工作原理和技术特点。
双足行走机器人的出现,不仅是人工智能和机器人技术的进步,也是对人类步行机理的深入研究和模拟。
双足行走机器人在军事、医疗、救援、娱乐等领域有着广泛的应用前景,具有较高的研究和开发价值。
本文将对双足行走机器人的相关知识点进行总结,包括其工作原理、技术特点、应用领域、研究进展等方面的内容。
二、工作原理双足行走机器人的工作原理主要包括下面几个方面:1. 仿生学原理双足行走机器人的设计初衷是模拟人类的行走方式,因此其工作原理主要受到仿生学的影响。
通过对人类步行过程和髋关节、膝关节等关节运动原理的研究,获得了双足行走机器人的灵感和设计方向。
2. 动力学原理双足行走机器人的行走是由电动机、液压系统或气动系统提供动力,通过控制步进和踢腿的方式,实现机器人步态的模拟。
通过对机械结构的精确设计和动力学方程的优化计算,提高了双足行走机器人的步行效率和稳定性。
3. 控制原理双足行走机器人的控制系统是其核心技术之一,包括硬件控制和软件控制两方面。
在硬件控制方面,采用传感器检测地面状态和机器人姿态,实现对机器人动作的精确控制;在软件控制方面,采用运动规划和动力学优化算法,实现机器人稳定行走和适应不同地形的能力。
4. 感知与决策双足行走机器人的感知与决策系统是其智能化的重要组成部分,包括视觉、声音、激光雷达等传感器,以及路径规划、障碍避障等决策算法。
通过对环境信息的感知和对行为的决策,实现双足行走机器人在复杂环境中的稳定行走和智能导航。
三、技术特点双足行走机器人具有以下技术特点:1. 多关节结构双足行走机器人与传统的轮式机器人相比,具有更加复杂的多关节结构,可以实现更加灵活的步态和更加复杂的动作。
通过对关节结构和驱动方式的优化设计,提高了机器人的运动性能和动态稳定性。
2. 动力系统双足行走机器人的动力系统包括电动机、液压系统或气动系统,可以实现不同的步态演示和负重运输。
仿人机器人的发展现状及其发展趋势摘要:当下机器人技术的研究越来越多样化及智能化与人性化,仿人机器人技术的研究已成为新的热点。
依托于5G技术仿人机器人的技术将更加成熟。
本文从仿人机器人的应用领域,目前所取得的成就和不足之处,未来的研究方向,以及发展中遇到的困难来介绍仿人机器人的发展现状和发展趋势。
关键词:仿人机器人,5G技术,人机交互,应用领域一、引言仿人机器人的研制开始于上个世纪60年代末,是机器人技术领域的主要研究方向之一。
1968年,美国的通用电器公司设制了一台叫Rig的操纵型双足步行机器人,从而揭开了仿人机器人研制的序幕。
仿人机器人在移动性,稳定性等方面都取得了较为突出的成就。
仿人机器人集机械、材料、电子、计算机、自动化等多门学科于一体,技术含量高,研究和开发难度大。
它是一个国家高技术实力和发展水平的重要标志。
因此,世界各发达国家都不惜投入巨资进行研究与开发。
目前,美国和日本等许多发达国家的科学家都在仿人机器人的研究与开发方面做了大量的工作,并取得了突破性的进展。
仿人机器人已经对人类社会产生了巨大的影响[1]。
二、仿人机器人的发展现状(1)仿人机器人是一种具有人的外形,并能够效仿人体的某些物理功能、感知系统及社交能力并能承袭人类部分经验的机器人。
它具有灵活的行走功能,可以随时走到需要的地方,包括一些对普通人来说不易到达的角落,完成人指定或预先设置的工作。
(2)从机体结构上来看,仿人机器人为做到与真人类似,其在腰部,腿部的远动结构上都存在着一定的技术支持。
仿人机器人能与人类在同样的空间内移动,无论是从机动性、能耗性和人们对其的认同感方面,较之轮式移动机器人都有无法比拟的优越性。
仿人机器人的逼真性越来越高,从第一代仿人机器人到如今的仿人机器人来说其身体外部构造以及身体的比例与人类是较为相似的。
同时,仿人机器人的运动模式与人类相似,通过多个关节以及人造肌肉的有效合作可以使仿人机器人的运动与人无异。
学号**********如fk乡悅论文题目仿生机器人的研究进展及发展趋势学生____________________院别_______________专业班级________ 12机自(3)班指导教师_________ 周妍仿生机器人的研究进展及其发展趋势摘要:随着机器人智能化技术的进步,机器人应用领域的拓展,仿生机器人的研究正在引起世界各国研究者的关注。
主要对仿生机器人的国外研究状况进行了综述并对其未来的发展趋势作了展望。
关键词:仿生机器人;研究现状;发展方向人们对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史,人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作。
1959年,第一台工业机器人在美国诞生,近几十年,各种用途的机器人相继问世,使人类的许多梦想变成了现实。
随着机器人工作环境和工作任务的复杂化,要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性,机器人简单的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求。
在仿生技术、控制技术和制造技术不斷发展的今天,仿人及仿生物机器人相继被研制出来,仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员。
1仿生机器人的基本概念仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统, 能从事生物特点工作的机器人。
仿生机器人的类型很多,主要为仿人、仿生物和生物机器人3大类。
仿生机器人的主要特点:一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人,机构复杂;二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人,通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动。
2仿生机器人的国外研究现状2.1水下仿生机器人水下机器人由于其所处的特殊环境,在机构设计上比陆地机器人难度大。
在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑。
以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形,用涡轮机驱动,具有坚硬的外壳以抵抗水压。
由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展。
仿人机器人的现状研究作者:郑利霞来源:《卷宗》2019年第34期摘要:介绍了仿人机器人研究情况,对仿人机器人根据驱动形式的不同,分别就伺服电机加谐波齿轮驱动、绳索肌腱驱动、气动人工肌肉驱动和液压驱动等四个方面的仿人机器人进行介绍,最后对目前仿人机器人的现状进行了总结。
关键词:仿人机器人;研究现状仿人机器人已经成为衡量一个国家机器人发展水平的重要标志,仿人机器人在机构原理、控制理论与技术、试验研究、步行速度稳定和集成系统等方面快速发展,从基础研究到应用研究,从表情仿人头、仿人快步走步行机构和多指手等局部研究到整体仿人设计,仿人机器人的研究越来越深入,涉及的领域也越来越广。
1 2000年以前的仿人机器人研究情况2000年以前的仿人机器人研究主要是局部研究,主要包括双足稳定动步行控制、全自立仿人机器人集成、仿人表情、多指灵巧手和类人猿机器人等方面。
1.1 双足稳定动步行控制1971年日本加藤一郎成功研制世界第一台双足步行机,1972年世界著名机器人专家Vukobratovic等提出ZMP的概念,为稳定双足动步行理论和实践提供了基础。
1.2 仿人表情机器人美国Paul Ekman等人提出的FACS原理,把“表情智能”应用于人工神经网络,推出了表情视觉识别技术。
日本专家原文雄1993年首次提出应用在机器人上的6种面部表情“AHI”。
从1996年开始,日本早稻田大学在可变脸色和面部皮肤对光强影响方面实验,实现了面部颜色表情的感知功能,陆续研制出“WE-3R”、“WE-3RIV”和“WE-4RIV”等表情机器人。
我国1996年哈工大的蔡鹤皋教授和吴伟国教授研发“演讲机器人”,1999年MIT研制出“Kismet”。
这些机器人的表情不丰富,头部未集成化,还有待发展。
1.3 仿人多指灵巧手1974年日本研制出OKADA三指灵巧手;1980年MIT和犹太大学联合研制出四指灵巧手Utah-MIT Hand ;1984年Nakano等研制Hitachi四指灵巧手;1999年德国宇航中心Hirzinger等研制出DLR-Ⅰ四指靈巧手;1999年美国研制出NASA Robonaut五指灵巧手。
仿人机器人发展概况及结构设计摘要:本文介绍了仿人机器人的特点以及当前国内外仿人机器人的发展状况,并以一种双足竞走型机器人为例,详细介绍了仿人机器人的硬件设备与机械结构组成设计。
关键词:仿人机器人;双足机器人;步态规划;1仿人机器人发展综述1.1仿人机器人的特点随着机器人相关产业的迅猛发展,在现代生产娱乐生活中,机器人的应用范围不断扩大,机器人的种类也日渐变多。
依据不同的分类标准,可以对机器人进行不同的分类,例如,依据功能可以分为机械操作、位置移动、信息传递、人机交互机器人,按照用途则可分为工业、农业、服务业、军用机器人四大类。
仿人机器人是一种具有与人类似的结构,并可以模仿人体的物理特性、感知特性及社交特性并能像人一样学习,记忆,积累经验的机器人,在外貌形状和生物功能上,有着与其他类型的非仿人机器人不同的特征,具体表现在于:(1)仿人机器人的活动方式不同于传统的机械化装置,具有多样性、普适性和抗折损性。
仿人机器人拥有类似于人类双手的两条具有一定自由度机械手臂,并在手臂的后端保留了手指的相关结构,常见的为双指,还有完全仿人的五指结构。
这样的结构使得机器人可以执行类人的机械物理活动,而且因为机器人身体自由度数量以及角度较之于人类来说更高,仿人机器人能够执行比人类活动更复杂的机械运动。
(2)智能机器人需要与外界进行自主交互,常用的机器人自主交互的方式有触觉,听觉,视觉等。
直到目前为止,仿人机器人的研究主要为手眼交互系统和自主移动车以及激光测距的结合,但因为其各自机械性结构的局限性,限制了机器人在运动中的与外界的交互行为,从而阻碍了研究,相反,仿人机器人因为类人的结构,具有更加灵活的行动能力,能够为机器人行业带来突破。
1.2国内外仿人机器人发展现状机器人的发展较早出现在美国,且发展较快。
多年以来,日韩两国基本上引领了各大机器人领域以及机器人相关学术方面的发展方向,并且主要运用在军工产业、制造业。
相比于美国以及日韩两国等国外发达国家来说中国的机器人才相关产业。
多足机器人国内外研究现状---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 多足机器人国内外研究现状最早对多足仿生机器人的研究可追溯到中国古代的“木牛流马”以及1893年Rygg设计的“机械马”。
对多足仿生机器人样机的研制来说,四足、六足、八足都是国内外多足仿生机器人研究的热点,目前,美国、日本和德国在多足仿生机器人样机领域的研究成果比较突出。
125261913年,每个人Bechtolsheim设计了一台四足机器人。
20世纪60年代初,美国的Shigley(1960年)和Baldwin(1966年)就使用凸轮连杆机构设计出比轮式车或履带车更为灵活的步行机。
其他比较典型的是美国的Mosher于1968年设计的四足车“WalkingTruck”,步行车的四条腿由液压伺服马达系统驱动,安装在驾驶员手臂和脚上的位置传感器完成位置检测功能。
虽然整机操作比较费力,但实现了步行1 / 5及爬越障碍的功能,被视为是现代步行机发展史上的一个里程碑。
但从步态规划的角度看,这种要人跟随操纵的步行机并没有体现步行机器人的实质性意义,只能算作是人操作的机械移动装置。
上世纪90年代初,美国罗克威尔公司及Is机器人公司在DARPA资助下研制了一种可对付岸边的水雷的的机器人ALUV,ALUV仿造螃蟹的外形,具有两栖运动性能,可以说是最早的两栖多足机器人。
随后,iRobot公司及美国国防先进计划研究署共同研制了机器人Ariel,Ariel前后侧各有3条腿,可以像螃蟹一样侧行,其机构设计巧妙,即使被水浪打翻了,不需做出任何的机械调整仍可行走自如。
实验报告实验名称:简易双足步行机器人实验目的:1,学习仿人机器人的概念和结构组成,了解双足步行机器人的一些基本概念;2,使用配套光盘中提供的动作程序,然后自己为机器人写动作;3,熟悉双足步行机器人运动过程中的中心调节,学习编制相应的运动步态;4,掌握“创意之星”机器人套件的搭建和调试要领。
结构组装:机器人每只腿由1个基本构型A,1个基本构型B,1个舵机固定板3,1个I5,2个V2-2,3个D8X4橡胶塞子以及数个标准连接件构成。
左腿与右腿结构对称。
头部由1个基本构型A,肩部由2个I9及相应的连接件构成。
由于机器人在运动中腿部会受到冲击力及较大的震动,所以腿部基本构型之间以及头部与肩部之间的连接件推荐使用螺纹副连接。
连接电缆:按下述顺序将各个关节的舵机的电缆连接到MultiFLEX 控制卡上:连接好MultiFLEX 控制卡的电源、通讯电缆,在计算机上打开UP-MRcommander 软件,选择并打开正确的COM 端口,以便下载程序。
调整初始姿态:取下每个舵机的舵盘,在MultlFLEX控制卡和舵机都通电的情况下,重新把它们安装在中心位置,确保整个机器人的机体在通电之后基本是直的,舵机中位调整完成后如下图所示。
为机器人写入动作序列:(1)打开UP-MRcommander 软件,设定其执行时间1200 毫秒,以便观察。
(2)位置速度舵机01 0(初始状态下,右腿舵机01不动作,起到支撑和传递力的作用,为保证稳定,故不转动) 128(中速)舵机02 0(右腿保持初始状态以确保左腿运动时整个机器人的稳定) 128舵机03 30(实现大腿向前的动作以保证小腿的抬起以及迈出)128舵机04 -30(保证左腿脚掌与地面平行从而能确保站稳) 128按上述动作取反向角度,可使其回到初始位置。
能够实现关节的运动,同时对不同的腿实行类似动作便能实现要求的动作。
关于机器人的构想:爬壁机器人想法来源:基于已有爬壁机器人的不足具体想法:爬壁机器人的使用将大大降低高层建筑的清洁成本,改善工人的劳动环境,提高劳动生产率,具有一定的社会效益、经济意义和广阔的应用前景。
双足步行机器人设计张熙婷;胡心悦;陶蕾;张佳宁【摘要】随着机器人技术的发展和控制理论的逐步成熟,对双足机器人的稳定性问题、双足机器人步行移动及其各种仿人动作的研究正受到国际学者们越来越多的普遍关注.为了实现机器人的稳定行走,采用了180°数字舵机,且具有强大处理能力的微控制芯片STM32F103C8T6,完成了步行机器人自主行走所需的硬件设计;采用U 型梁、多功能支架等组成了6自由度结构完成小车的机械结构设计,结构设计精简,便于安装调试;实现了步行机器人的稳定、精确行走的功能.试验结果表明,该步行机器人能够实现稳定、精确行走,远程控制的功能,且性能优越,应用前景广泛.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2017(030)006【总页数】3页(P147-149)【关键词】双足机器人;6自由度;微控制;数字舵机【作者】张熙婷;胡心悦;陶蕾;张佳宁【作者单位】重庆邮电大学自动化学院,重庆 400065;重庆邮电大学自动化学院,重庆 400065;重庆邮电大学自动化学院,重庆 400065;重庆邮电大学自动化学院,重庆400065【正文语种】中文【中图分类】TH1220 引言根据机器人的移动性,可分为固定式和移动式机器人。
其中移动式机器人可分为轮式和足式[1]。
自20世纪末开始,双足步行机器人的研究进入了快速发展时期。
笔者对双足机器人的步态规划和远程控制等问题进行了深入研究。
1 双足步行机器人结构设计1.1 整体结构设计为满足机器人稳定、精确行走的功能,首先对机器人行走场地进行了设计。
机器人步行场地如图1所示。
双足步行机器人整体结构主要由支撑材料、控制系统、自由度结构等组成。
为能够实现双足稳定、连贯、快速的步行,保证步行有较好的直线度,机械结构设计所采用的材料,要有较高的强度和刚度,我们选择了硬质铝合金板。
控制系统采用的是微控制器等组成的集成PCB板,具有体积小、功能强大的特点。
自由度结构是由数字舵机组成。
仿生机器人的研究综述摘要:介绍了国内外仿生机器人的最新发展动态。
归纳和阐述了各种类型仿生机器人的特点及研究成果,分析了仿生机器人的发展趋势。
关键词:仿生机器人;研究成果;发展趋势机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。
然而人们对机器人的幻想与追求却已有3000多年的历史。
人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作。
西周时期,中国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人,这是中国最早记载的机器人,体现了中国劳动人民的聪明智慧。
1738年,法国天才技师杰克#戴#瓦克逊发明了一只机器鸭,它会嘎嘎叫,会游泳和喝水,还会进食和排泄。
瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。
1893年摩尔制造了/蒸汽人0,/蒸汽人0靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。
进入20世纪后,机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持,一些适用化的机器人相继问世,1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人/电报箱0,并在纽约举行的世界博览会上展出。
1959年第一台工业机器人(可编程、圆坐标)在美国诞生,开创了机器人发展的新纪元。
随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展,使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高,移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。
由于这些技术的发展,推动了机器人概念的延伸。
20世纪,将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人,这是一个概括的、含义广泛的概念。
这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用,而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间,地面机器人、微小型机器人、水下机器人、空中机器人等各种用途的机器人相继问世,许多梦想成为了现实。
仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。
仿生机器人是机器人技术领域中一个新兴的发展分支,是当前机器人领域的研究热点。
过去、现在甚至未来,对仿生机器人的研究,都是多方面的。
近些年,国内外有诸多学者开始对仿生机器人进行深入细致的研究。
1 引言机器人是作为现代高新技术的重要象征和发展结果,已经广泛应用于国民生产的各个领域,并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化,影响着人们生活的方方面面。
对于步行机器人来说,它只需要模仿人在特殊情况下(平地或己知障碍物)完成步行动作,这个条件虽然可以使机器人的骨骼机构大大降低和简化,但也不是说这个系统就不复杂了,其步行动作一样是高度自动化的运动,需要控制机构进行复杂而巧妙地协调各个关节上的动作。
双足机器人的研究工作开始于上世纪60年代末,只有三十多年的历史,然而成绩斐然。
如今已成为机器人领域主要研究方向之一。
最早在1968年,英国的Mosher.R 试制了一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人[1],揭开了双足机器人研究的序幕。
该机器人只有踝和髋两个关节,操纵者靠力反馈感觉来保持机器人平衡。
1968~1969年间,南斯拉夫的M.Vukobratovic提出了一种重要的研究双足机器人的理论方法,并研制出全世界第一台真正的双足机器人。
双足机器人的研制成功,促进了康复机器人的研制。
随后,牛津大学的Witt等人也制造了一个双足步行机器人,当时他们的主要目的是为瘫痪者和下肢残疾者设计使用的辅助行走装置。
这款机器人在平地上走得很好,步速达0.23米/秒。
日本加藤一郎教授于1986年研制出WL-12型双足机器人。
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1.3秒,步幅30厘米的平地动态步行。
法国Poitiers大学力学实验室和国立信息与自动化研究所INRIA机构共同开发了一种具有15个自由度的双足步行机器人BIP2000,其目的是建立一整套具有适应未知条件行走的双足机器人系统。
它们采用分层递解控制结构,使双足机器人实现站立、行走、爬坡和上下楼梯等。
此外,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方面也做出了许多工作。
国内双足机器人的研制工作起步较晚。
仿人机器人(双足步行机器人)——国内仿人机器人研究情况主动仿人机器人
我国从上世纪80年代中期才开始仿人机器人的研究,哈尔滨工业大学从1985年开始仿人机器人的研制工作,先后研制出仿人机器人HIT-I、HIT-II和HIT-III[84][85]。
HIT-I具有12个自由度,可实现静态步行;HIT-II具有12个自由度,髋关节和腿部结构采用平行四边形结构;HIT-III具有12自由度,基于神经网络逼近系统逆动力学模型和RBF(Radial Basis )神经网络前馈控制的力矩补偿控制方法[86],实现了动态的步行行走。
国防科技大学于1988年到1995年期间,先后成功研制平面型6自由度机器人KDW-I,空间运动型机器人KDW-II 和KDW-III。
其中KDW-III具有12个自由度,可实现步幅40cm,步速4s/步的平地行走和上下台阶等静态步行。
2000年底,国防科技大学研制成功的“先行者”高1.4m,重20kg,可实现前进、后退、转弯等动作,基于此,研究人员还建立了仿人机器人关节转角与零力矩点之间的函数关系,构造了具有学习功能的自适应步态规划参数修正框架[87-89]。
2003年,国防科技大学研制成功了最新仿人机器人Blackmann,具有36个自由度,采用正交关节设计,逆动力学基于几何模型与可变阻尼最小二乘算法相结合来求解[90]。
北京理工大学从2002年和2005年先后完成了BHR-01和BHR-02仿人机器人[91],其中BHR-02高1.6m,重63kg,配置32个自由度,可表演太极圈和刀术等复杂动作,考虑复杂环境的应用,提出了基于机器人自身约束条件的行走调节步态控制算法[92]。
清华大学于2002年4月研制出仿人机器人THBIP-I[93-96],THBIP-I高1.80m,总重量130千克,几何尺寸及质量分布均参考我国成年人相应参数进行设计,共配置32个自由度。
为了复现人体踝关节侧摆的非线性驱动力特性,THBIP-I 踝关节侧摆采用了“行星减速器+四连杆传动”的独特结构,实现了踝侧摆和踝前摆两关节传动轴垂直正交,同时减少了运动干涉性,提高
了传动性能。
同时,研究人员还建立了THBIP-I的有限性弹性力学模型,分析了支撑腿切换冲击和弹性变形对步行性能的影响[97-99],针对机器人的行走误差,提出了自调整模糊控制算法[100][101],在考虑驱动器动态特性、关节间隙和柔顺性的前提下,对关节轨迹跟踪进行了分散鲁棒控制研究[8]。
THBIP-II于2005年3月研制成功[102],该机器人高0.7m,重18kg,配置了24个自由度,可实现步幅15cm,每步4s的动态行走,其该进型号于2009年5月完成[103],旨在研究仿人机器人灵活多变动作的实现和在复杂人类生活环境中的应用[104]。
此外,我国的上海交通大学[105]、上海大学[106]、西北工业大学[107]、天津大学[108]等单位也开展了仿人机器人的理论和技术研究,并取得了一定成果。
被动仿人机器人
国内对于被动仿人机器人的研究刚刚起步,清华大学精仪系于2006年成功研制了平面无脚半被动仿人机器人THR-1,旨在研究大步幅动态步行和仿生控制策略,目前该机器人已经实现了步幅0.13m (腿长的0.56倍),每步0.64s的动态行走[122-125]。
在研的半被动仿人机器人THR-II,采用人工气动肌肉驱动,有望在仿生控制方面取得突破。
北京大学工学院智能控制实验室[126]也于2006年,成功研制了一款带有上身的被动仿人机器人,其每条机械腿的髋关节安装电机,用来控制腿的摆动,踝和膝关节的弹性机构用于稳定行走。
此外,清华大学计算机系的毛勇[127][128]、自动化系的苏学敏[129]、航空航天学院的柳宁[130]、吉林大学的刘振泽[131]等人都针对被动机器人的机理和环境适应性进行了理论和仿真实验研究。
被动仿人机器人成为当前研究的热点最重要的原因是能量有效性和自然步态的生成,但被动仿人机器人研究到目前为止还不到十年,其结构简单、步态单一和环境适应性差的特点,使得被动仿人机器人无法实现复杂动作,也无法满足非结构人类生活环境应用的基本要求,被动机器人要进入实用阶段还有很长的路要走。