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1、新型ASIMO 機器人,學院：自動化學院,姓名：余 春,學號：111101217,專題介紹,目 錄,,ASIMO研發(fā)歷程,2,,設計理念,3,,4,,相關技術,4,,主要功能,6,,應用前景,7,5,,研發(fā)背景,1,規(guī)格特性,研發(fā)背景,仿人機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、學習功能、自治能力、聯(lián)想記憶、情感交流的智能機器人。 仿人機器人集機械、材料、電子、計算機、自動化等多門學科為一體，技術含量高、研究和開發(fā)難度大，它是一個國家高技術實力和發(fā)展水平的重要標志。仿人機器人是以后機器人研究的主攻方向。,圖1 仿人機器人,,為什么要研究仿人機器人？ 少有的高階、非線性
2、、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的一個非常理想的實驗平臺； 可以有力的推進政治、社會、軍事領域的變革，并且促進工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、服務等行業(yè)的發(fā)展。,研發(fā)背景,,仿人機器人研究，開始于20世紀60年代末，至今已有40多年的歷史。國內(nèi)外的許多學者都在從事仿人機器人的研究和開發(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器人，從而揭開了仿人機器人研究的序幕。 1968年，日本早稻田大學加藤一郎教授在日本首先展開了仿人機器人的研究工作，他在1969年研制出了具有6自由度的WAP-1型步行機器人。1971年，加藤一郎教授又研制出了
3、具有11自由度的WAP-3和11自由度的WL5型二足步行機器人。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器人。,研發(fā)背景,,研發(fā)背景,,圖2 早稻田大學仿人機器人研究產(chǎn)品集,再者，由1986年開始，日本的Honda公司，也作了一系列有關類人型機器的研究，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
4、開發(fā)，研制出了在世界上居領先地位的類人型機器人成果。 美國也在仿人機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公斤的小型機器人，（圖4），每一只腳具有六個自由度，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，可說是向家用機器人的目標，又邁進了一大步。,研發(fā)背景,,,研發(fā)背景,,我國的仿人機器人起步較晚。1985年以來，相繼有幾所高校進行了這方面的研究
5、并取得了一定的成果。比如長沙國防科技大學研制成了雙足步行機器人，北京航空航天大學研制成了多指靈巧手，哈爾濱工業(yè)大學、北京科技大學也在這方面做了大量深入的工作。,圖3 “先行者”仿人機器人,圖4 日本本田公司ASIMO之演進,圖5 SONY機器人,,ASIMO研發(fā)歷程,,日本本田公司研制的仿人機器人ASIMO，是目前最先進的仿人行走機器人。 ASIMO的開發(fā)經(jīng)歷了5個階段，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幾個產(chǎn)品。1993-1997年推出了P1、P2、P3。從2000年至今
6、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,,,ASIMO研發(fā)歷程,,,ASIMO研發(fā)歷程,,,ASIMO研發(fā)歷程,,,ASIMO研發(fā)歷程,,,ASIMO的外形尺寸設計，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和門把手，并在桌旁和工作臺旁進行工作。其眼睛的高度應與坐在椅子上的成年人眼睛的高度在一個水平面上，這樣較易于與其進行信息聯(lián)絡。 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，而這一點則實現(xiàn)了機器人從自動機器到自律機器的進化。 Honda認為自律機器人需具備三大要素：姿態(tài)
7、高度平衡突然邁步仍能保持姿態(tài)平穩(wěn)；外界認知通過多個傳感器將周圍人的活動等變化狀況進行綜合分析和推斷；產(chǎn)生自律行動根據(jù)已有信息進行預測，在無人操作的情況下自行判斷下一步的行動。,設計理念,,,規(guī)格特性,,新型ASIMO實現(xiàn)了智能、身體協(xié)調性與作業(yè)性能三方面的提升。 全新開發(fā)的智能化技術可根據(jù)類似人類視覺、聽覺、觸覺等各類傳感器獲取的信息進行綜合判斷，由此推斷周圍的狀況并決定自身的對應行動。 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。 新型ASIMO采用融合視覺與觸覺的物體認知技術，可以
8、進行握瓶、旋轉瓶蓋、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，還能完成需復雜手指運動才可實現(xiàn)的手語表達。,,新型ASIMO的規(guī)格特性,,圖6,,新型ASIMO的規(guī)格特性,,,, 視覺感應器：其眼部攝影機通過連續(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； 水平感應器：由紅外線感應器和CCD攝像機構成的sensymg系統(tǒng)共同工作，可避開障礙物； 超音波感應器：以音波測量3m范圍內(nèi)的物體，即使在毫無燈光的黑暗中行使也完全無礙； 壓力感應器：調節(jié)握手、搬運等各種作業(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：向中央計算機傳遞平衡調節(jié)信
9、息 ； 關節(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（類似人類的關節(jié)）,自由動作 使用道具 信息交流,主要功能,,,自由動作,,以時速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，讓腿部力量加大，活動范圍擴大。,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，能夠靈活應對外部的各種狀況。,單腳跳躍行走 ，得益于全新控制技術，可進行單腳跳躍行走。,,自由動作,,打出手語 ，高性能小型多指
10、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)手指進行獨立操控，從而完成需復雜手指運動才可實現(xiàn)的手語表達。,踢足球，全新控制技術，讓腿部力量加大，活動范圍擴大，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{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?？烧{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示，根據(jù)標示一邊走一邊。,直線行走，ASIMO在雙腳均離地時可積極地控制姿勢，保持直線行走。2005年Honda發(fā)表的新技術使ASIMO的最高時
11、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8字形走動。,全身協(xié)調運動，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)表的新技術提高了ASIMO的全身協(xié)調功能，在提高全身平衡性的同時實現(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)手指獨立操控抓握。,搬運托盤，運用視覺傳感器和手腕力度傳感器，ASIMO可根據(jù)實際情況交接實物。比如，ASIMO可通過手腕接觸放置托盤的桌子，從而判斷高度和負荷大小。另外，還可協(xié)調全身動作來放置托盤，無論桌子高低，都可靈活應對。,推車前進，運用手腕的傳感器，
12、ASIMO可調整左右手腕的推力，保持與推車之間的合適距離，一邊前進一邊推車。當推車遇到障礙時，ASIMO還會自行減速并改變行進方向，直線或者轉彎推車。,,信息交流,,同時分辨多人講話 ，通過視覺與聽覺傳感器聯(lián)動辨識人的臉部與聲音，可同時辨識多人的聲音，而這一點即便是人類也很難做到。,預測行人的行走方向，調整步伐以免發(fā)生碰撞?；诳臻g傳感器提供的信息，可對數(shù)秒后人的行進方向進行預測。若發(fā)現(xiàn)與自身移動預測位s置發(fā)生沖突，將瞬間選擇其他線路，確保行進時不與人相撞。,識別聲音和來源，ASIMO可識別人的聲音以及其它響動，可進行簡單的會話。另外，ASIMO還可以識別聲音的來源，當你叫它時，它還會把頭轉向
13、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提供的影像信息中的多個移動物體，能識別儲存在記憶中的面部，稱呼姓名、傳達信息，可做向導?？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。當你伸出手時，ASIMO會跟你握手。當你揮手時，ASIMO會回應揮手。,認知環(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
14、然出現(xiàn)在面前時會停下來，離開后繼續(xù)步行。2005年末Honda發(fā)表的新技術提高了各傳感器的精度，使ASIMO對周圍環(huán)境的認知度更高。,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，將客人引導至預定的場所，可根據(jù)顧客的信息進行適宜的接待和服務。,相關技術,,1. 智能化、實時和靈活的行走技術= i-WALK,i-WALK技術的特點是在早期行走控制技術的基礎上增加了預測移動控制技術。這項新的雙腿行走技術使得機器人的行走更加具有靈活性，使ASIMO更順暢和更自然地行走。,,當人向前行走并開始轉向時，在開始轉向前會朝轉
15、向的內(nèi)側改變其重心。 正是由于有了i-WALK技術，ASIMO可以實時地預測其下一個移動動作并提前改變其重心。,形成預測移動控制技術,圖7 預測移動控制技術,,相關技術,,（1） 實現(xiàn)了智能化、實時和靈活的行走 由于可以連續(xù)靈活行走，ASIMO能夠在任何時間快速而順暢地移動和行走。,（2） 除了改變腳的位置和轉向外，也可以自如地改變步幅,P3及其前代機器人是根據(jù)儲存的行走方式進行轉向的。ASIMO則可以實時地形成行走方式，并可隨意改變腳的位置和轉向角度。因此，可以向多個方向順暢地行走。此外，由于能夠自如地改變步幅(每步的時間)，所以ASIMO的移動更加自然。,,相關技術,,(3) 步
16、態(tài)控制： 假若Honda機器人失去平衡有可能跌倒時，下述三個控制系統(tǒng)將起作用，以防止跌倒，并保持繼續(xù)行走狀態(tài)。 地面反作用力控制：腳底要能夠適應地面的不平整，同時還要能穩(wěn)定的站住。 目標ZMP控制：當由于種種原因造成ASIMO無法站立，并開始傾倒的時候，需要控制他的上肢反方向運動來控制即將產(chǎn)生的摔跤，同時還要加快步速來平衡身體。 落腳點控制：當目標ZMP控制被激活的時候，ASIMO需要調節(jié)每步的間距來滿足當時身體的位置，速度和步長之間的關系。,圖8 ASIMO的步態(tài)控制,,相關技術,,圖9 ASIMO的控制流程,,相關技術,,2. 識別技術促進了溝通,識別移動物體，識別情景、姿勢等等，識別
17、技術促進了溝通。,視覺情報：識別移動體視覺情報：識別情景和姿勢理解人類的姿勢和動作視覺情報：識別面部識別個人視覺情報：識別環(huán)境把握周圍物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,,相關技術,, 檢測出由頭部裝載的攝像機提供的影像信息中的多個移動物體，識別移動物體的距離和方向。用攝像機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。推斷人手指向的位置，向該方向移動。(姿勢識別)人伸出手時會握手。(姿勢識別)人揮手時，會回應做揮手動作。(動
18、作識別)等等。,,相關技術,, 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。被叫名字后可以轉向那個方向并看著對方?？粗f話的人的臉進行回答。對突然發(fā)出的聲音(落下和撞擊的聲音等)作出反應并看那個方向等等, 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、傳達信息，可做向導?？勺R別十個人左右等等。, 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。,,相關技術,,3. 與網(wǎng)絡的結合, 可根據(jù)顧客的信息進行適宜的接待和服務?？上騻€人計算機終端傳送客人來訪的通
19、知，并可直接傳送來訪者的面部圖象?？蓪⒖腿艘龑е良s定的場所等等。 可根據(jù)聲音指令在被詢問到新聞和天氣時，可以從因特網(wǎng)獲取信息進行回答等等。,,相關技術,,4.新姿勢控制技術,,為了防止高速移動產(chǎn)生的足部打滑和空中旋轉，保持平衡狀態(tài)，Honda通過利用上半身彎曲和旋轉的新姿勢控制理論和新開發(fā)的高速應答硬件等，使ASIMO的最大奔跑速度達到了9km/h。,5.自律性的連續(xù)移動技術,通過地面?zhèn)鞲衅鳙@得的周圍環(huán)境信息和預先錄入的地圖信息等，ASIMO能夠在步行的同時修正路線偏差，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，ASIMO可以自身判斷，迂回選擇其他路線。,6
20、. 配合人的活動而連貫活動的技術,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，實現(xiàn)了與人相配合的動作。,,相關技術,,,7. 控制方法,ASIMO的“背包”攜帶有計算機（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。,,應用前景,,仿人機器人具有人類的外觀，可以適應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展人類的能力，在服務，醫(yī)療，教育，娛樂等多個領域可以得到廣泛應用。,,應用前景,,圖9 ASIMO擔任服務員,圖10 ASIMO擔任指揮員,謝謝,
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