《ASIMO机器人》PPT课件

新型ASIMO 机器人学院：自动化学院姓名：余 春学号：111101217专题介绍 目 录ASIMO研发历程 2设计理念 34相关技术4主要功能6应用前景 75研发背景 1规格特性 研发背景 仿人机器人是一种外观与人类似，具有移动功能、感知功能、操作功能、学习功能、自治能力、联想记忆、情感交流的智能机器人。 仿人机器人集机械、材料、电子、计算机、自动化等多门学科为一体，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。仿人机器人是以后机器人研究的主攻方向。 图1 仿人机器人 为什么要研究仿人机器人？n少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统，是研究各种新理论和新方法的一个非常理想的实验平台；n可以有力的推进政治、社会、军事领域的变革，并且促进工业、农业、商业、服务等行业的发展。研发背景 仿人机器人研究，开始于20世纪60年代末，至今已有40多年的历史。国内外的许多学者都在从事仿人机器人的研究和开发。1968年，美国通用电气公司的研究人员Mosher试制了一台名为“Rig”的操纵型两足步行机器人，从而揭开了仿人机器人研究的序幕。 1968年，日本早稻田大学加藤一郎教授在日本首先展开了仿人机器人的研究工作，他在1969年研制出了具有6自由度的WAP-1型步行机器人。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型二足步行机器人。随后的几年，又推出了WAROT-1，WL-9DR，WL-10RD，WL-12等各种类型的仿人机器人。研发背景 研发背景 图2 早稻田大学仿人机器人研究产品集 再者，由1986年开始，日本的Honda公司，也作了一系列有关类人型机器的研究，从第一代的E0、E1、E2、E3、E4、E5、E6、P1 、P2、P3，到2003 年来台湾展览的ASIMO（图3），不但将机器人的高度缩小至120公分，重量也减轻至52公斤；与高160公分、重130公斤的P3相比，不但增加了安全性，也较有亲和力。 ASIMO为本田公司投入巨资经过10多年的开发，研制出了在世界上居领先地位的类人型机器人成果。 美国也在仿人机器人方面也取得了一定的成果。在西元2000年，SONY公司也发表了高50公分，重5公斤的小型机器人，（图4），每一只脚具有六个自由度，不但会跳舞，还可单腿站立；而在2002年，SONY更发表了最新一代的（图4），它的高度58公分、重6.5公斤，每一只脚同样具有六个自由度，除了具有前一代SDR-3X的功能外，还可以在10mm的凹凸地面行走，上10度的斜坡，甚至被推倒了还能自己站起来，可说是向家用机器人的目标，又迈进了一大步。研发背景 研发背景 我国的仿人机器人起步较晚。1985年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果。比如长沙国防科技大学研制成了双足步行机器人，北京航空航天大学研制成了多指灵巧手，哈尔滨工业大学、北京科技大学也在这方面做了大量深入的工作。 图3 “先行者”仿人机器人 图4 日本本田公司ASIMO之演进图5 SONY机器人 ASIMO研发历程 日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO，是目前最先进的仿人行走机器人。 ASIMO的开发经历了5个阶段，从1986年开始，至今已经20多年。1986年是E0阶段，1987-1991年逐步完成E1、E2、E3，从1991到1993年，本田又完成了E4、E5、E6几个产品。1993-1997年推出了P1、P2、P3。从2000年至今是ASIMO的研发阶段。 ASIMO研发历程 ASIMO研发历程 ASIMO研发历程 ASIMO研发历程 ASIMO研发历程 ASIMO研发历程 ASIMO研发历程 n ASIMO的外形尺寸设计，需要满足它能够在人类生活环境中自由地移动并使它更加便利化。ASMIO的身高尺寸要使它能够操作电灯开关和门把手，并在桌旁和工作台旁进行工作。其眼睛的高度应与坐在椅子上的成年人眼睛的高度在一个水平面上，这样较易于与其进行信息联络。n 新型ASIMO可根据周围人的活动状况对自己的行动作出判断，而这一点则实现了机器人从自动机器到自律机器的进化。n Honda认为自律机器人需具备三大要素：姿态高度平衡突然迈步仍能保持姿态平稳；外界认知通过多个传感器将周围人的活动等变化状况进行综合分析和推断；产生自律行动根据已有信息进行预测，在无人操作的情况下自行判断下一步的行动。设计理念 规格特性n新型ASIMO实现了智能、身体协调性与作业性能三方面的提升。n全新开发的智能化技术可根据类似人类视觉、听觉、触觉等各类传感器获取的信息进行综合判断，由此推断周围的状况并决定自身的对应行动。n敏捷性大幅提升，即使在崎岖路面上仍可保持稳定姿势顺利行走，能够灵活应对外部的各种状况。步行、奔跑、逆向奔跑、单腿跳跃、双腿跳跃等活动均可自由、连续地完成。n新型ASIMO采用融合视觉与触觉的物体认知技术，可以进行握瓶、旋转瓶盖、握住装有液体的纸杯并保持其完好无损等灵巧的手部作业。此外，还能完成需复杂手指运动才可实现的手语表达。 新型ASIMO的规格特性 图6 新型ASIMO的规格特性尺寸 长度130cm宽度45cm深度 34cm重量 48kg（比上一代减轻6kg） 性能最大时速时速9km（上一代时速6km） 活动时间 40分（步行时） 通过自动充电可实现连续活动 关节自由度头部 3 总计 57个关节（较上一代增加 了23个） 腕部 72 手部 122 腰部 2 腿部 62 视觉感应器：其眼部摄影机通过连续拍摄图片，再与数据库内容作比较，以轮廓的特征识别人类及辨别来者身份； 水平感应器：由红外线感应器和CCD摄像机构成的sensymg系统共同工作，可避开障碍物； 超音波感应器：以音波测量3m范围内的物体，即使在毫无灯光的黑暗中行使也完全无碍；压力感应器：调节握手、搬运等各种作业的力度；速度传感器：感测“阿西莫”的体位及移动速度；陀螺仪传感器：向中央计算机传递平衡调节信息 ；关节角度传感器和六轴压力传感器：完成人类肌肉和皮肤在感测肌肉力量、压力和关节角度方面所做的工作。新型ASIMO的规格特性传感器类型（只列了以下几种）： 新型ASIMO的规格特性自由度（类似人类的关节）头部 颈关节(U/D，RT) *1 3 DOF臂 肩关节(F/B，U/D，RT) 肘关节(F/B) 腕关节(RT) 3 DOF1 DOF3 DOF 7 DOF2手臂 = 14 DOF腰 弯1 DOF手 拇指1 DOF 四指1 DOF 2 DOF2手 = 4 DOF腿 髋关节(F/B，L/R，RT) 膝关节(F/B) 踝关节(F/B，L/R) 3 DOF1 DOF2 DOF 6 DOF2腿 = 12 DOF n自由动作n使用道具n信息交流主要功能 自由动作以时速9km奔跑 ，较之上一代的6km，奔跑速度显著提升。双脚跳跃悬空 ，全新控制技术，让腿部力量加大，活动范围扩大。在崎岖路面上行走 ，敏捷性大幅提升在崎岖路面上仍可保持稳定姿势顺利行走，能够灵活应对外部的各种状况。 单脚跳跃行走 ，得益于全新控制技术，可进行单脚跳跃行走。 自由动作打出手语 ，高性能小型多指手，在手掌、五指中分别内置接触传感器与压力传感器后，可对各节手指进行独立操控，从而完成需复杂手指运动才可实现的手语表达。踢足球，全新控制技术，让腿部力量加大，活动范围扩大，并能自由变换着位置。自在步行，ASIMO可以在平坦的地面上顺畅行走。可调整步伐来保持上半身的平衡，还可旋回、8字行走 上下台阶，ASIMO可以在平坦的地面上顺畅行走。可调整步伐来保持上半身的平衡，还可旋回、8字行走。 自由动作自动修正位置，ASIMO可自行识别步行路线上的标示，根据标示一边走一边。直线行走，ASIMO在双脚均离地时可积极地控制姿势，保持直线行走。2005年Honda发表的新技术使ASIMO的最高时速提高至6km。旋回奔跑，ASIMO可自行控制姿势，保持稳定的旋回奔跑或8字形走动。 全身协调运动，ASIMO可配合步行姿势来控制手腕的动作，还会跳舞。2005年末Honda发表的新技术提高了ASIMO的全身协调功能，在提高全身平衡性的同时实现动作的柔软和迅速。 使用道具拧瓶盖倒水 ，手掌、五指中分别内置接触传感器与压力传感器，各节手指独立操控抓握。搬运托盘，运用视觉传感器和手腕力度传感器，ASIMO可根据实际情况交接实物。比如，ASIMO可通过手腕接触放置托盘的桌子，从而判断高度和负荷大小。另外，还可协调全身动作来放置托盘，无论桌子高低，都可灵活应对。 推车前进，运用手腕的传感器，ASIMO可调整左右手腕的推力，保持与推车之间的合适距离，一边前进一边推车。当推车遇到障碍时，ASIMO还会自行减速并改变行进方向，直线或者转弯推车。 信息交流同时分辨多人讲话 ，通过视觉与听觉传感器联动辨识人的脸部与声音，可同时辨识多人的声音，而这一点即便是人类也很难做到。预测行人的行走方向，调整步伐以免发生碰撞。基于空间传感器提供的信息，可对数秒后人的行进方向进行预测。若发现与自身移动预测位s置发生冲突，将瞬间选择其他线路，确保行进时不与人相撞。识别声音和来源，ASIMO可识别人的声音以及其它响动，可进行简单的会话。另外，ASIMO还可以识别声音的来源，当你叫它时，它还会把头转向你的方向，看着说话的人来交流。 面部识别，检测出由头部装载的摄像机提供的影像信息中的多个移动物体，能识别储存在记忆中的面部，称呼姓名、传达信息，可做向导。可识别10人左右。 信息交流识别移动物体，通过头部摄像头，ASIMO可辨别出多个移动体，并判断出与其的距离、方向。凭借摄像头的信息，ASIMO可跟着人步行。情景和姿势的识别，从影像信息中检测出手的位置和运动，识别姿势和动作。不仅仅可识别声音指令，也可以使别人的自然动作并作出反应。当你伸出手时，ASIMO会跟你握手。当你挥手时，ASIMO会回应挥手。认知环境，识别周围的环境，把握障碍物的位置，可以避免碰撞并绕行。人或其他移动的障碍物突然出现在面前时会停下来，离开后继续步行。2005年末Honda发表的新技术提高了各传感 器的精度，使ASIMO对周围环境的认知度更高。 NewIC通信卡 ，根据IC通信卡提供的客人信息，ASIMO可判断出对方的属性和位置，判断与客人的距离，还会与擦身而过的人打招呼，将客人引导至预定的场所，可根据顾客的信息进行适宜的接待和服务。 相关技术1. 智能化、实时和灵活的行走技术= i-WALK i-WALK技术的特点是在早期行走控制技术的基础上增加了预测移动控制技术。这项新的双腿行走技术使得机器人的行走更加具有灵活性，使ASIMO更顺畅和更自然地行走。 当人向前行走并开始转向时，在开始转向前会朝转向的内侧改变其重心。 正是由于有了i-WALK技术，ASIMO可以实时地预测其下一个移动动作并提前改变其重心。形成预测移动控制技术图7 预测移动控制技术 相关技术（1） 实现了智能化、实时和灵活的行走 由于可以连续灵活行走，ASIMO能够在任何时间快速而顺畅地移动和行走。 （2） 除了改变脚的位置和转向外，也可以自如地改变步幅 P3及其前代机器人是根据储存的行走方式进行转向的。ASIMO则可以实时地形成行走方式，并可随意改变脚的位置和转向角度。 因此，可以向多个方向顺畅地行走。 此外，由于能够自如地改变步幅(每步的时间)，所以ASIMO的移动更加自然。 相关技术(3) 步态控制： 假若Honda机器人失去平衡有可能跌倒时，下述三个控制系统将起作用，以防止跌倒，并保持继续行走状态。 l地面反作用力控制：脚底要能够适应地面的不平整，同时还要能稳定的站住。 l目标ZMP控制：当由于种种原因造成ASIMO无法站立，并开始倾倒的时候，需要控制他的上肢反方向运动来控制即将产生的摔跤，同时还要加快步速来平衡身体。 l落脚点控制：当目标ZMP控制被激活的时候，ASIMO需要调节每步的间距来满足当时身体的位置，速度和步长之间的关系。 图8 ASIMO的步态控制 相关技术 图9 ASIMO的控制流程 相关技术2. 识别技术促进了沟通 识别移动物体，识别情景、姿势等等，识别技术促进了沟通。 视觉情报：识别移动体视觉情报：识别情景和姿势理解人类的姿势和动作视觉情报：识别面部识别个人视觉情报：识别环境把握周围物体的位置及大小听觉信息：声音识别理解听觉信息：音源识别识别人的声音及其他声音，判断方位 相关技术 检测出由头部装载的摄像机提供的影像信息中的多个移动物体，识别移动物体的距离和方向。用摄像机追踪人的行动跟着人步行感知到人的接近并打招呼，等等。 从影像信息中检测出手的位置和运动，识别姿势和动作。不仅仅可识别声音指令，也可以使别人的自然动作并作出反应。推断人手指向的位置，向该方向移动。(姿势识别) 人伸出手时会握手。(姿势识别)人挥手时，会回应做挥手动作。(动作识别)等等。 相关技术 特定音源位置的能力有了提高，另外可识别人的声音和其他声音。被叫名字后可以转向那个方向并看着对方。看着说话的人的脸进行回答。对突然发出的声音(落下和撞击的声音等)作出反应并看那个方向等等 人和ASIMO即使都在移动之中也可以识别面部。能识别储存在记忆中的面部，称呼姓名、传达信息，可做向导。可识别十个人左右等等。 识别周围的环境，把握障碍物的位置，可以避免碰撞并绕行。人或其他移动的障碍物突然出现在面前时会停下来，离开后继续步行。发现静止障碍物会绕行等等。 相关技术3. 与网络的结合 可根据顾客的信息进行适宜的接待和服务。可向个人计算机终端传送客人来访的通知，并可直接传送来访者的面部图象。可将客人引导至约定的场所等等。可根据声音指令在被询问到新闻和天气时，可以从因特网获取信息进行回答等等。 相关技术4.新姿势控制技术 为了防止高速移动产生的足部打滑和空中旋转，保持平衡状态，Honda通过利用上半身弯曲和旋转的新姿势控制理论和新开发的高速应答硬件等，使ASIMO的最大奔跑速度达到了9km/h。5.自律性的连续移动技术 通过地面传感器获得的周围环境信息和预先录入的地图信息等，ASIMO能够在步行的同时修正路线偏差，途中无需停歇地直接移动到目的地。通过地面传感器和头部视觉传感器发现障碍物时，ASIMO可以自身判断，迂回选择其他路线。6. 配合人的活动而连贯活动的技术 ASIMO通过头部视觉传感器、手腕部位新增加的腕力传感器等检测人的动作，可以进行物品交接，或配合人的动作而握手，而且能够朝着手被牵引的方向迈步等，实现了与人相配合的动作。 相关技术7. 控制方法 ASIMO的“背包”携带有计算机（又称大脑），用于控制ASIMO的动作。 ASIMO可由三种方法控制：(1) PC (2) 无线控制器（有点类似操纵杆） (3) 声音指令 此外，还可以通过采用802.11无线技术以及膝上型或台式电脑，可以控制ASIMO ，还可以看到它通过摄像眼看到的东西。 应用前景 仿人机器人具有人类的外观，可以适应人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业，并可以在很多方面扩展人类的能力，在服务，医疗，教育，娱乐等多个领域可以得到广泛应用。 应用前景 图9 ASIMO担任服务员图10 ASIMO担任指挥员