二、人形機(jī)器人課件

第三章節(jié)：人形機(jī)器人—陳黃祥（研究方向：機(jī)器人研究、創(chuàng)新能力研究）作業(yè)回顧與點(diǎn)評(píng)

自主作業(yè)：

美贊臣售貨機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

討論內(nèi)容：1、造型2、功能怎么樣的機(jī)器人是人形機(jī)器人？

一國(guó)內(nèi)發(fā)展情況過(guò)去國(guó)內(nèi)有關(guān)機(jī)器人的研究大都集中于自動(dòng)導(dǎo)航車、履帶式服務(wù)機(jī)器人、智慧型輪椅、先進(jìn)家用服務(wù)機(jī)器人、機(jī)械手臂、居家看護(hù)機(jī)器人、個(gè)人型助理機(jī)器人系統(tǒng)、小中型足球機(jī)器人等系統(tǒng)之主要核心與系統(tǒng)整合技術(shù)之研發(fā)與軟硬體裝備建置，較少有雙足平臺(tái)之類人型機(jī)器人相關(guān)研究，國(guó)內(nèi)所開發(fā)之類人型機(jī)器人都以RC伺服機(jī)（馬達(dá)）為其驅(qū)動(dòng)單元，但是此類型之機(jī)器人一般僅于娛樂(lè)之用，無(wú)法承受太大之負(fù)載，成為人們服務(wù)之助力，所以發(fā)展大型類人型機(jī)器人有其必要。

發(fā)展歷程

類人型機(jī)器人的研究，最早可追溯至西元1893年，GeorgesMoore創(chuàng)作了第一個(gè)利用蒸氣驅(qū)動(dòng)類人型步行機(jī)器[Rosheim,1994]，然詳細(xì)構(gòu)造與運(yùn)動(dòng)原理我們并無(wú)法得知。其后在第一次大戰(zhàn)期間，Thring發(fā)明了具有腿之農(nóng)耕機(jī)[Thring,1983]。至1970年之間，許多研究人員進(jìn)行輔助人類行走的步行機(jī)器之研究，如Bernstein于1948年于莫斯科義肢設(shè)計(jì)研究中心，發(fā)展具電子裝置的腿外骨骼（Exosceleton）[Karsten,2003]。圖1.1早稻田大學(xué)的人型機(jī)器人研究室[1]

圖解此外，Vukobratovic于1975年，在南斯拉夫的貝爾格勒，發(fā)展輔助行走步行機(jī)器[SongandWaldron,1989]（圖1-4）。日本可說(shuō)是世界上最熱衷于類人型機(jī)器、且一直持續(xù)不斷研究的國(guó)家。從1966年至今，早稻田大學(xué)的人型機(jī)器人研究室[Koganezawa,Takanishi,andSugano,1991]，從早期有著最基本之雙足移動(dòng)功能的WL-1（圖1-1a）開始；到了WL-3（圖1-1b），已經(jīng)可以站立和坐下；WAP-3（圖1-5c），可上下樓梯和斜坡，更可以轉(zhuǎn)彎，而且是世界上第一個(gè)三維二足步行機(jī)器；WABOTI（圖1-1d），可量測(cè)距離和方向，是世界上第一個(gè)照人類尺寸設(shè)計(jì)的機(jī)器人；WL-9DR（圖1-1e），將腳底接觸地板的點(diǎn)，由三個(gè)增加到四個(gè)，所以可利用數(shù)值解得到較特殊的步行方式；而近年來(lái)WL-12（圖1-1h），不但增加了上半身，且具兩個(gè)自由度的腰部，可以走得更像人類。

圖1.2日本本田公司ASIMO之演進(jìn)[2]圖1.3日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）HRP系列[3]

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，SDR-3X[Kuroki,Ishida,andYamaguchi,2001]（圖1-3），每一只腳具有六個(gè)自由度，不但會(huì)跳舞，還可單腿站立；而在2002年，SONY更發(fā)表了最新一代的SDR-4X[Fujita,Kuroki,Ishida,andDoi,2003]（圖1-4），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(lái)，可說(shuō)是向家用機(jī)器人的目標(biāo)，又邁進(jìn)了一大步。類人型機(jī)器人之控制發(fā)展

類人型機(jī)器人在分析上和運(yùn)動(dòng)控制上擁有相當(dāng)大的瓶頸需要突破，因?yàn)槠鋭?dòng)力方程式具有非線性、高階和強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，以現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型和解析運(yùn)算法并不足以得到完整且精確的步態(tài)解，另外類人型機(jī)器人與輪型平臺(tái)之機(jī)器人不同的地方，在于類人型機(jī)器人除了可控制的可驅(qū)動(dòng)自由度之外，還多了不可驅(qū)動(dòng)的自由度，所謂不可驅(qū)動(dòng)的自由度指的就是雙足機(jī)構(gòu)腳底板與地面之間所存在的自由度，因?yàn)榇瞬糠葜杂啥炔o(wú)法由馬達(dá)控制之，故稱之為不可驅(qū)動(dòng)的自由度。而這些自由度的控制將對(duì)整部機(jī)器人的姿態(tài)穩(wěn)定具有重要的意義。類人型智慧型機(jī)器人之雙足設(shè)計(jì)與研制必須建構(gòu)出雙足機(jī)構(gòu)并推導(dǎo)出其最適合之運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力方程式，發(fā)展出最佳化控制方法達(dá)到雙足機(jī)構(gòu)能夠?qū)嶋H行走之最終目的。類人型機(jī)器人是一個(gè)必須同時(shí)整合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、自我定位、控制系統(tǒng)、電腦視覺(jué)、感測(cè)器融合、無(wú)線網(wǎng)路等不同領(lǐng)域之跨領(lǐng)域技術(shù)。

類人型機(jī)器人的基本研究思路主要可分為基于仿生學(xué)原理和基于動(dòng)態(tài)控制原理兩種，這兩種不同思路的研究方法在類人型機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計(jì)和規(guī)劃中都有廣泛的應(yīng)用，基于仿生學(xué)原理算法的可行性，完全依賴于步態(tài)數(shù)據(jù)，而機(jī)器人的具體步態(tài)和實(shí)際物理參數(shù)會(huì)互相影響，要得到大量適用于已知機(jī)器人的步行數(shù)據(jù)并不是一件容易的事情，并且不同機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)也會(huì)擁有不同的物理參數(shù)，故并無(wú)共享性，因此基于仿生學(xué)原理的研究方法不具有適用性，采用力/力矩感測(cè)器建構(gòu)ZMP的量測(cè)系統(tǒng)，才可以有效使得實(shí)際與預(yù)先規(guī)劃之ZMP軌跡吻合。類人型機(jī)器人的研制必須基于動(dòng)態(tài)控制原理的思路來(lái)著手

基于動(dòng)態(tài)控制原理思路下的研究，主要又可分成基于模型和非模型兩種，基于模型的雙足控制是借鑒已知的物理模型之特性來(lái)對(duì)類人型機(jī)器人模型進(jìn)行大膽的簡(jiǎn)化，最有名的模型為Hemami等人[5]于20世紀(jì)70年代后期提出的倒單擺模型，此一模型是利用一階倒單擺，將倒單擺的桿子和機(jī)器人的雙足進(jìn)行對(duì)應(yīng)，將類人型機(jī)器人踝關(guān)節(jié)的力矩驅(qū)動(dòng)看作倒單擺的基底關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，從而把類人型機(jī)器人的步行過(guò)程和倒單擺的直立擺動(dòng)過(guò)程作對(duì)應(yīng)。1991年文獻(xiàn)[6]實(shí)際設(shè)計(jì)出具有倒單擺特性的類人型機(jī)器人。使用狀態(tài)回饋控制雙足機(jī)“MeltranII”的質(zhì)量中心沿著約束線動(dòng)作，使得其水平動(dòng)力學(xué)方程近似為線性倒單擺模型。雖然在隨后的研究中倒單擺模型已逐步發(fā)展為三維空間之多級(jí)倒單擺，并加入對(duì)踝關(guān)節(jié)和腳底板的考慮，模型也越來(lái)越接近實(shí)際機(jī)器人的雙足模型。但是有鑒于倒單擺的特性，此類模型僅適用于雙足質(zhì)量和慣量都非常小的情況下，多數(shù)類人型機(jī)器人之雙足并無(wú)法達(dá)到此要求。若采用此單一模型僅能生成雙足之參考步態(tài)軌跡，難以實(shí)際應(yīng)用于雙足步態(tài)的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)于雙足步態(tài)的理論方面，在1972年學(xué)者Vukobratovic[7]提出的ZMP（ZeroMomentPoint）穩(wěn)定判斷（如圖2.1）。闡明人類動(dòng)態(tài)的行走平衡不是因?yàn)榫哂斜容^大的腳底支撐面，而是因?yàn)樯眢w各部份復(fù)雜的協(xié)調(diào)作用，因?yàn)樵诳紤]動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，當(dāng)某一特定點(diǎn)之地面的反作用力等效于一對(duì)力N和力矩M對(duì)腳底的作用時(shí)，這個(gè)支撐點(diǎn)就是零力矩點(diǎn)（ZMP點(diǎn)），而機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡則取決于ZMP點(diǎn)的位置，我們可以預(yù)先規(guī)劃出理想的ZMP軌跡，通過(guò)調(diào)整各關(guān)節(jié)扭矩力或動(dòng)量補(bǔ)償，使得實(shí)際ZMP軌跡和預(yù)先規(guī)劃之ZMP軌跡吻合，便可達(dá)到穩(wěn)定行走。但是由于結(jié)構(gòu)和機(jī)械重量的問(wèn)題，感測(cè)器必須安裝在小腿上，并通過(guò)數(shù)學(xué)的轉(zhuǎn)換來(lái)消除踝關(guān)節(jié)的影響，才能獲得實(shí)際的ZMP。類人型機(jī)器人未來(lái)發(fā)展與應(yīng)用

隨著社會(huì)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，人類對(duì)于科技之產(chǎn)品依賴性日益殷切，且因醫(yī)學(xué)科技進(jìn)步快速，老年化社會(huì)快速地形成。因此，服務(wù)型機(jī)器人未來(lái)發(fā)展?jié)摿Σ蝗菪∮U。在科技尖端的時(shí)代，機(jī)器人成為人民的守護(hù)者，尤其在老弱婦孺的服務(wù)，以現(xiàn)今的科技并不無(wú)可能。所以服務(wù)型機(jī)器人未來(lái)將成為社會(huì)不可或缺的生活伙伴，而類人型機(jī)器人相較之下又更勝于一般輪型或多足機(jī)器人，原因無(wú)它類人型機(jī)器人擁有與人類相仿之外表讓人更易親近（圖3.1），同時(shí)類人型之移動(dòng)對(duì)于地形起伏或狹窄空間之通過(guò)都有較優(yōu)越之克服能力。除了成為服務(wù)型機(jī)器人之外，類人型機(jī)器人也同樣擁有娛樂(lè)以及教育之發(fā)展空間，從組成舞團(tuán)或樂(lè)團(tuán)進(jìn)行巡回演出到代替老師本尊前往教室上課，這些功能在未來(lái)都有可能藉由類人型機(jī)器人進(jìn)行完整之實(shí)現(xiàn)。

日本大阪大學(xué)最新研制的“ReplieeR-1”機(jī)器人

日本科學(xué)家成功研制出一種逼真機(jī)器人，其外形酷似一個(gè)5歲的日本小女孩。這款新型機(jī)器人命名為“ReplieeR-1”，它具有柔韌性硅皮膚，內(nèi)置的數(shù)十個(gè)傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)，使其能夠像人類一樣移動(dòng)、與相應(yīng)環(huán)境進(jìn)行交互反應(yīng)。韓國(guó)研制人型機(jī)器人會(huì)做家務(wù)韓國(guó)科學(xué)家研制出“人型機(jī)器人”，會(huì)跳舞、做家務(wù)、還會(huì)表達(dá)情緒。研究人員將這款人型機(jī)器人取名為“馬魯”，馬魯身高1.5米，可以模仿人類張開閉合嘴唇、擠眉弄眼、上肢和下肢自如活動(dòng)、會(huì)自動(dòng)停止行走。此外，馬魯還會(huì)表達(dá)自己的情緒，高興或生氣時(shí)會(huì)散發(fā)出兩種不同的香味。這是由韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院(KIST)研究人員設(shè)計(jì)研發(fā)的，也是韓國(guó)首例。研發(fā)組負(fù)責(zé)人YouBum-Jae說(shuō)：“這種機(jī)器人為人型機(jī)器人在家政服務(wù)領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)用開辟了道路，它可以邊走邊跳舞，還以代替人來(lái)做家務(wù)?！边@一切都是通過(guò)先進(jìn)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以效仿多種人類動(dòng)作，在行走時(shí)如果遇到障礙物，靈活的雙手可以搬走障礙物雨果認(rèn)為，“人工大腦”遲早會(huì)超過(guò)人類。人腦的轉(zhuǎn)換能力是10的16次方/秒，而人工智能機(jī)器的運(yùn)算速度高達(dá)10的40次方/秒，是人腦水平的10的24次方倍?！澳菚r(shí)候他們對(duì)待人類可能就像拍死一個(gè)蚊子這么簡(jiǎn)單?！庇旯A(yù)測(cè)，人工大腦并不會(huì)立即控制人類，此前還會(huì)有一段與人類“和平相處”的時(shí)期。這一時(shí)期它不斷接近但尚未超越人的智力水平，因此“聊天機(jī)器人”、“家務(wù)機(jī)器人”、“伴侶機(jī)器人”將使人類的生活充滿樂(lè)趣。但這樣的美景并不會(huì)長(zhǎng)久，人工大腦的繼續(xù)發(fā)展將使人類面臨災(zāi)難。關(guān)于超級(jí)人工智能的討論(20分鐘）辯論結(jié)論科技前進(jìn)的腳步是擋不住的，也許我們只能期望，人工大腦最終能放棄地球去更廣闊的宇宙，讓人類在這里繼續(xù)自由生存?！睍?huì)照相，會(huì)指路，還會(huì)表演才藝博君一笑……世博會(huì)期間，最具人氣的世博明星——吉祥物海寶將走進(jìn)游客們中間，親自提供各種特色服務(wù)。這身為“服務(wù)明星”的海寶，是一款1.55米高的智能服務(wù)型機(jī)器人。3月7日，它在“動(dòng)漫海寶新春匯”活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)亮相，向與會(huì)者及市民們“初試身手”。由浙江大學(xué)領(lǐng)銜設(shè)計(jì)的“海寶智能服務(wù)型機(jī)器人”表演了精彩的川劇變臉，更與四名小朋友一同起舞，博得堂彩。據(jù)浙江大學(xué)副校長(zhǎng)褚健介紹，此款海寶智能機(jī)器人為世博游客所需量身定造，主要擁有五大功能：一是信息咨詢。通過(guò)海寶機(jī)器人胸前的觸摸屏，人們可以提供世博信息、公共信息、引路導(dǎo)航等多項(xiàng)信息咨詢服務(wù)。二是迎賓服務(wù)。海寶機(jī)器人可以準(zhǔn)確辨識(shí)來(lái)賓的方位、人數(shù)和行進(jìn)方向，自動(dòng)進(jìn)入迎賓服務(wù)狀態(tài)，采用中日韓英法德六種語(yǔ)言，進(jìn)行熱情問(wèn)候和自我介紹，并能主動(dòng)伸手向游客表達(dá)握手意愿，完成生動(dòng)的握手動(dòng)作。三是交談互動(dòng)。在海寶機(jī)器人的引導(dǎo)下，游客可以與海寶機(jī)器人進(jìn)行關(guān)于世博知識(shí)等主題的趣味語(yǔ)言交互及問(wèn)答。四是為游客提供攝影照片服務(wù)。五是才藝展示。海寶機(jī)器人可以表演多種舞蹈、主持節(jié)目、說(shuō)故事講笑話，演唱多語(yǔ)種歌曲。此外，海寶機(jī)器人還能進(jìn)行多機(jī)器人協(xié)作，組成海寶軍團(tuán)集體作戰(zhàn)，包括協(xié)作引領(lǐng)參觀、機(jī)器人換崗儀式和團(tuán)體舞蹈表演等。

NEC發(fā)布兒童監(jiān)護(hù)機(jī)器人PaPeRo2005

該系統(tǒng)可與兒童交流。具體設(shè)計(jì)思路是，在機(jī)器人身上加裝觸摸型傳感器，以便識(shí)別兒童的觸摸信號(hào)。系統(tǒng)還增加了無(wú)線聲音傳感器和識(shí)別兒童面部特征的軟硬件引擎。今后，通過(guò)手機(jī)遙控，用戶可用機(jī)器人作為保護(hù)和監(jiān)護(hù)兒童的遠(yuǎn)程遙控工具，通過(guò)手機(jī)畫面和控制面板來(lái)監(jiān)控和操作機(jī)器人，使機(jī)器人真正成為兒童保育員。ASIMO表演轟動(dòng)佛山引發(fā)禪城小學(xué)生機(jī)器人熱

ASIMO與小朋友跳舞ASIMO為小朋友端飲料ASIMO表演射門日本東京的高島屋商場(chǎng)近日為解決顧客排長(zhǎng)隊(duì)購(gòu)物難的問(wèn)題，引入了一款語(yǔ)音識(shí)別機(jī)器人當(dāng)?shù)陠T，讓顧客享受到了非同尋常的服務(wù)。語(yǔ)音識(shí)別機(jī)器人機(jī)器人薩婭在東京一小學(xué)從事教學(xué)工作。#愛(ài)知世博會(huì)防恐“最酷”是機(jī)器人

一個(gè)機(jī)器人在為參觀者做向?qū)?/p>

機(jī)器人樂(lè)手正在合奏樂(lè)曲

“利古里奧”的造價(jià)為6000萬(wàn)日元（約合57．3萬(wàn)美元），身高1．5米，軀干呈桶狀，兩只眼睛猶如探照燈。它裝備有語(yǔ)音警告系統(tǒng)和兩條可彎曲臂膀，它們可以很輕松地抓拿爆炸物或化學(xué)物質(zhì)并送至安全區(qū)域。在20日的演示展覽中，“利古里奧”撿起一枚炸彈，并發(fā)出警告說(shuō)：“發(fā)現(xiàn)一件可疑物體，我會(huì)把它挪開?！?/p>

變形金剛來(lái)了改裝機(jī)器巨人驚現(xiàn)烏克蘭由于烏克蘭的Kominternovsky地區(qū)安全局勢(shì)不太穩(wěn)定，不得不采取非常規(guī)手段來(lái)增強(qiáng)保衛(wèi)措施，因此才出現(xiàn)了圖片中的巨型機(jī)器人——TIS-1CB。

機(jī)器人21——2009年1月14日周三，日本東京的早稻田大學(xué)機(jī)械工程系實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的機(jī)器人21，它的指間正在靈巧地抓取一根吸管，展示出它對(duì)細(xì)小物體的操縱能力。菅野茂樹(ShigekiSugano)博士領(lǐng)導(dǎo)早稻田大學(xué)的一個(gè)科研組研發(fā)了這種非常先進(jìn)的機(jī)器人，他們希望這些機(jī)器人能幫助老年人。殘疾人機(jī)器人助手——2008年11月10日，在東京舉行的衛(wèi)生機(jī)器人展覽活動(dòng)中，被稱作“MySpoon”的機(jī)器人助手正在給日本政府高官喂飯吃。日本Secom公司研發(fā)的這款“MySpoon”機(jī)器人是為了幫助殘疾人利用嘴巴、手或腳控制一個(gè)操作桿吃飯。奏樂(lè)機(jī)器人——2008年5月4日，豐田汽車公司的機(jī)器人在陳列室中正在演奏樂(lè)器。行走機(jī)器人——2009年1月8日，北京郊區(qū)農(nóng)民吳玉祿（音譯）在自家附近操作由他自制的行走機(jī)器人拉著的人力車溜達(dá)。這款機(jī)器人是熱衷于發(fā)明創(chuàng)造的吳玉祿制造的最新、最大的機(jī)器人。他用從垃圾堆撿來(lái)的金屬絲、金屬片、螺絲釘和釘子等為材料，從