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仿人机器人研究进展简介(二)

仿人机器人的研究目前已经取得了长足的进展。从一开始的仿人机器人机构设计,腿部控制原理,平衡机理分析,步态规划等,目前的典型几款仿人机器人已经将一些关键技术有机融合在一起。国外在仿人机器人的研究上有了很多炫酷的展示,包括美国、日本人和欧盟。但是不同国家在仿人机器人的研究方向上有明显的不同,尤其在研究背景和目的上。总体来说,美国的研究主要集中在航天以及军事领域,日本的研究主要在居家以及生活应用领域,而欧洲偏向于特殊场景以及医疗等领域。

自1970年以来,日本早稻田大学的加藤一郎(Professor Ichiro Kato)教授小组就进行了人形研究。他们开发了一种名为“ WABOT” 的人形机器人。除早稻田外,特别是从1990年开始对人形机器人进行了很多研究,例如麻省理工学院,美国宇航局(美国),东京大学,ERATO,ATR等。

公司对类人机器人的兴趣是不断增长,其技术也取得了显着进步。在日本,本田于1996年发布了仿人P2,这是一种具有非常可靠的两足动物行走能力的仿人。根据本田的研究结果,日本人形机器人项目(HRP)于1998年左右启动,最重要的结果是AIST与Kawada Industries取得的。目前,HRP-3/4型人形机器人具有很高的移动性和防水性,旨在与人类进行露天协作。但是,本田介绍了ASIMO机器人的运行和工作情况在封闭的人类环境中。受到这一活跃领域的启发,还有其他小组,例如慕尼黑工业大学,它开发了具有先进运动系统的类人机器人约翰尼。之后,在韩国科学技术院(KAIST)Hubo实验室开发了具有创新面孔和动作能力的人形机器人爱因斯坦-胡波(Einstein-Hubo)。丰田开发了包括音乐家类人机器人在内的合作伙伴机器人。跟随这种机器人技术趋势,马德里卡洛斯三世大学开发了Rh-1类人机器人,用于在人类环境中工作。研究后的趋势表明身高和体重下降;否则,自由度的提高对于获得稳定的步行运动和灵巧的姿势变化(包括手臂操纵,构建小型但功能强大的致动器和电子元件以及开发高效的计算算法)是一项挑战。

1 美国研究进展

2011年2月,NASA将Robonaut 2发射到了国际空间站。对于位于休斯敦的NASA约翰逊航天中心的机器人团队来说,这是一项巨大的成就。太空中还有其他机器人,但Robonaut是第一个执行超越地球任务的先进人形机器人。在国际空间站上,该机器人最终旨在与宇航员并肩工作,执行一些乏味和重复性的任务,这些任务占用了大量的时间,而站上的人们可能会花费大量时间在科学和发现上。

Robonaut

下面是大名鼎鼎的出自美国波士顿动力的人形机器人altas

altas

2 欧盟研究进展

自1995年以来,DLR一直在开发轻巧的机器人手臂和手。2006年,研究人员将两只手臂,手和一个躯干组合起来,制造了第一个安装在桌子上的贾斯汀上身。 2008年,增加了带轮底座,并推出了Rollin'Justin。 2012年,当前系统配备了针对移动基地的改进控制系统和更新的计算平台。

Rolin Justin

Toro是一种先进的人形机器人,用作研究平台,结合操纵和运动研究双足行走和自主行为。具有位置和扭矩控制模式。有效载荷为10公斤。基于KUKA-DLR轻型机器人(LWR)手臂驱动器。

Toro

3 日本研究进展

日本仿人机器人的研究在居家环境下处于后来居上,并一致处于行业内的顶尖水平,从初期的原理样机WABOT1和WABOT2,尽管技术尚不成熟,但是已经集成了视觉听觉等信息,此两款仿人机器人由早稻田大学研制成功。

早稻田大学WABOT1和WABOT2

之后本田Honda研发了P1,P2和P3,其中P2是世界上首台双足稳定步行的仿人机器人(1996)

本田P1-P2-P3

本田机器人在2000年,进一步缩小P3机器人的尺寸和重量,由此诞生了大名鼎鼎的Asimo仿人机器人。

Asimo

日本产业技术综合研究所(METI) 从 1998 年开始实施仿人机器人项目(Humanoid Robotics Project) 的研究, 整个项目历经 5 年时间, 于 2002 年研制出了 HRP(1-2),并陆续推出了HRP3和HRP4.

HRP4

日 本索 尼 于 2000 年 11 月 推出 了 仿人娱乐型机器人 SDR-3X( Sony Dream Robot-3X), SDR-3X 是一个小型化的仿人机器人 .现在, 它的名字改为 QRIO(Quest for cuRIOsity)。 QRIO 不仅能够行走, 还可以躺下、 站起、 多机器人同步舞蹈.

Sony QRIO

4 仿人机器人的基本特征

人形机器人属于多体系统,且一般来说,对于人形机器人,可以将整体视为一个纯刚体系统。其主要研究内容包含了人形机器人运动学和动力学的建模,运动学和动力学的建模是人形机器人控制的基础。且关于人形机器人控制中有一个很重要的概念,零里据点(ZMP),ZMP 用于规划机器人的步行运动,目前很多人形机器人的步行模式均是基于ZMP生成的。ZMP指标是放置机器人摔倒的一个充分条件,并不是必要条件。并且对于机器人在不平整路面行走,上下楼梯等任务,需要对ZMP的概念和应用做一定的推广。仿人机器人步行模式首先考虑的是在无外界扰动的情况下生成目标关节轨迹,然后依据特定的传感器数据做反馈控制。关于人形机器人步行模式的生成方法,有的是根据线性倒立摆的动力学控制倒立摆模型中腿的伸缩力和长度以保持一定的重心高度。与一般机器人不同的是,仿人机器人需要考虑全身运动,其包括粗略的全身运动模式的生成,主要的方法包括基于运动捕获的生成法,基于GUI的生成法,和基于多维空间的高速搜索法,以及保证稳定性的全身运动模式的变换方法。

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