仿人机器人

目录[隐藏]

简介

仿人机器人的研究重点

仿人机器人的用途

仿人机器人的发展历史

图书.仿人机器人

[编辑本段]简介

　　模仿人的形态和行为而设计制造的机器人就是仿人机器人，一般分别或同时具有仿人的四肢和头部。中国科技大学陈小平教授介绍，机器人一般根据不同应用需求被设计成不同形状，如运用于工业的机械臂、轮椅机器人、步行机器人等。而仿人机器人研究集机械，电子，计算机，材料，传感器，控制技术等多门科学于一体，代表着一个国家的高科技发展水平。从机器人技术和人工智能的研究现状来看，要完全实现高智能，高灵活性的仿人机器人还有很长的路要走，而且，人类对自身也没有彻底地了解，这些都限制了仿人机器人的发展。

[编辑本段]仿人机器人的研究重点

　　仿人机器人要能够理解，适应环境，精确灵活地进行作业，高性能传感器的开发必不可少。传感器是机器人获得智能的重要手段，如何组合传感器摄取的信息，并有效地加以运用，是基于传感器控制的基础，也是实现机器人自治的先决条件。
　　仿人机器人研究在很多方面已经取得了突破，如关键机械单元，基本行走能力，整体运动，动态视觉等，但是离我们理想中的要求还相去甚远，还需要在仿人机器人的思维和学习能力，与环境的交互，躯体结构和四肢运动，体系结构等方面进行更进一步的研究。
　　·思维和学习能力
　　现有仿人机器人系统的主要缺陷是对环境的适应性和学习能力的不足。机器的智能来源于与外界环境的相互作用，同时也反映在对作业的独立完成度上。机器人学习控制技术是实现仿人机器人在结构和非结构环境下实现智能化控制的一项重要技术。但是由于受到传感器噪音，随机运动，在线学习方式以及训练时间的限制，学习控制的实时性还不能令人满意。仍需要研究和开发新的学习算法，学习方式，以不断完善学习控制理论和相应的评价理论。目前针对机器人学习控制的研究，大都停留在试验室仿真的水平上。
　　·与环境的交互
　　仿人机器人与环境相互影响的能力依赖于其富于表现力的交流能力，如肢体语言(包括面部表情)，思维和意识的交互。目前，机器人与人的交流仅限于固定的几个词句和简单的行为方式，其主要原因是:
　　1)大多仿人机器人的信息输入传感器是单模型的；
　　2)部分应用多模型传感器的系统没有采用对话的交流方式；
　　3)对输入信息的采集仅限于固定的位置，比如图像信息，照相机往往没有多维视角，信息的深度和广度都难以保证，准确性下降。
　　·躯体结构和四肢运动
　　毫无疑问，仿人机器人行动的多样性，通用性和必要的柔性是“智能”实现的首要因素。它是保证仿人机器人可塑性和与人交流的前提。仿人机器人的结构则决定了它能不能为人所接受，而且也是它像不像人的关键。仿人机器人必须拥有类似人类上肢的两条机械臂，并在臂的末端有两指或多指手部。这样不仅可以满足一般的机器人操作需求，而且可以实现双臂协调控制和手指控制以实现更为复杂的操作。仿人机器人要具有完成复杂任务所需要的的感知活动，还要在已经完成过的任务重复出现时要像条件反射一样自然流畅地作出反应。
　　·体系结构
　　仿人机器人的体系结构是定义机器人系统各组成部分之间相互关系和功能分配，确定单台机器人或多个机器人系统的信息流通关系和逻辑的计算结构。也就是仿人机器人信息处理和控制系统的总体结构。如果说机器人的自治能力是仿人机器人的设计目标，那么体系结构的设计就是实现这一目标的手段。现在仿人机器人的研究系统追求的是采用某种思想和技术，从而实现某种功能或达到某种水平。
　　所以其体系结构各有不同，往往就事论事。解决体系结构中的各种问题，并提出具有一定普遍指导意义的结构思想无疑具有重要的理论和实际价值，这是摆在研究人员面前的一项长期而艰巨的任务。

[编辑本段]仿人机器人的用途

　　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，娱乐等多个领域得到广泛应用。
　　·服务
　　21世纪人类将进入老龄化社会，发展仿人机器人能弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务，医疗等社会问题。仿人机器人可以与人友好相处，能够很好地担任陪伴，照顾，护理老人和病人的角色，以及从事日常生活中的服务工作，因此家庭服务行业的仿人机器人应用必将形成新的产业和新的市场。
　　·医疗
　　在医疗领域，仿人机器人可以用于假肢和器官移植，用仿人机器人技术可以做成动力型假肢，协助瘫痪病人实现行走的梦想。然而，我们现在还几乎看不到以控制论开发出的生物体与人体完美的结合，因此，这方面还需要更进一步的研究和探索。
　　·教育
　　一般来讲仿人机器人在教育领域有两种应用：
　　1)学生通过制作仿人机器人来实践机械结构和复杂控制软件模块的设计。
　　2)学生用仿人机器人进行实验来增强动手能力和解决新问题的能力。
　　·娱乐
　　仿人形机器人可以用来在展览会上做广告，它很吸引人的注意，因为它在外形上更接近人类，所以更能引起人的兴趣。另外，它还可以用于家庭娱乐。
　　·结论
　　仿人机器人是能够与人相互影响的最理想的机器人，因为它的外形像人，它的思维方式和行为方式也将越来越接近人。仿人机器人能够通过与环境的交互不断获得新知识，而且还能用它的设计者根本想象不到的方式去完成各种任务，它会自己适应非结构化的，动态的环境。在人类的历史中，曾经因为我们制造机器的局限性，使得我们不得不去适应机器，而现在我们要让机器来适应我们，仿人机器人是完成这一梦想的最好机会。

[编辑本段]仿人机器人的发展历史

　　仿人和高仿真是机器人发展的主要方向。从技术发展来看，人是世界上最高级的动物，以人为背景的研究就是最高的目标，并且能够带动相关学科的发展；而从感情层面来说，人喜欢与人相近的东西。目前各国科学家都正在积极进行仿人机器人的研发。
　　研制与人类外观特征类似，具有人类智能，灵活性，并能够与人交流，不断适应环境的仿人机器人一直是人类的梦想之一。世界上最早的仿人机器人研究组织诞生于日本，1973年，以早稻田大学加藤一郎教授为首，组成了大学和企业之间的联合研究组织，其目的就是研究仿人机器人。加藤一郎教授突破了仿人机器人研究中最关键的一步———两足步行。1996年11月，本田公司研制出了自己的第一台仿人步行机器人样机P2，2000年11月，又推出了最新一代的仿人机器人ASIMO。国防科技大学也在2001年12月独立研制出了我国第一台仿人机器人。
　　在2005年爱知世博会上，大阪大学展出了一台名叫ReplieeQ1expo的女性机器人。该机器人的外形复制自日本新闻女主播藤井雅子，动作细节与人极为相似。参观者很难在较短时间内发现这其实是一个机器人。
　　由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身高1.2米，体重52公斤。它的行走速度是0-1.6km/h。早期的机器人如果直线行走时突然转向，必须先停下来，看起来比较笨拙。而ASIMO就灵活得多，它可以实时预测下一个动作并提前改变重心，因此可以行走自如，进行诸如“8”字形行走、下台阶、弯腰等各项“复杂”动作。此外，ASIMO还可以握手、挥手，甚至可以随着音乐翩翩起舞。
　　在仿人机器人领域，日本和美国的研究最为深入。日本方面侧重于外形仿真，美国则侧重用计算机模拟人脑的研究。
　　我国政府也逐渐开始关注这个领域。由北京理工大学牵头、多个单位参加历经三年攻关打造的仿人机器人名叫“汇童”，它们主要来自于科技部“十五”863计划和科工委基础研究重点项目的资助。据主要研制者黄强教授介绍，通过短短几年技术攻关，我国已掌握了集机构、控制、传感器、电源于一体的高度集成技术，研制出具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能的仿人机器人，具有自主知识产权；而且“汇童”在国际上首次实现了模仿太极拳、刀术等人类复杂动作，是在仿人机器人复杂动作设计与控制技术上的突破。
　　仿人机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，也在人类生产、生活中有着广泛的用途。由于仿人机器人具有人类的外观特征，因而可以适应人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业。它不仅可以在有辐射、粉尘、有毒的环境中代替人们作业，而且可以在康复医学上形成动力型假肢，协助瘫痪病人实现行走的梦想。将来它可以在医疗、生物技术、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输、农林水产等多个领域得到广泛应用。目前，我国仿人机器人研究与世界先进水平相比还有差距。我国科技工作者正在为赶超世界先进水平而努力奋斗。

[编辑本段]图书.仿人机器人

　　作　者： （日）梶田秀司　编著，管贻生　译
　　出 版 社： 清华大学出版社
　　出版时间： 2007-3-1
　　字　数： 193000
　　版　次： 1
　　页　数： 227
　　纸　张： 胶版纸
　　I S B N ： 9787302144533
　　包　装： 平装
　　所属分类： 图书 >> 计算机/网络 >> 人工智能
　　定价：￥26.00
　　内容简介
　　本书是国际上第一部系统介绍仿人机器人的专著。内容包括仿人机器人学的运动学、ZMP和动力学、双足步态规划、全身运动模式的生成和动力学仿真等，是对10多年来仿人机器人的研究成果的总结。本书图文并茂，深入浅出，内容丰富，对广大读者了解和掌握当今世界在仿人机器人上的最新发展和水平具有重要参考价值。
　　目录
　　第1章　仿人机器人概论
　　第2章　运动学
　　2.1　坐标变换
　　2.1.1　世界坐标系
　　2.1.2　局部坐标系和齐次变换
　　2.1.3　局部坐标系之间的相对性
　　2.1.4　齐次变换的链乘法则
　　2.2　转动特性
　　2.2.1　滚动、俯仰和偏摆
　　2.2.2　旋转矩阵的含义
　　2.2.3　旋转矩阵的逆阵
　　2.2.4　角速度矢量
　　2.2.5　旋转矩阵的微分与角速度矢量
　　2.2.6　角速度矢量的积分与矩阵指数之间的关系
　　2.2.7　矩阵的对数
　　2.3　三维空间中的速度
　　2.3.1　单个物体的速度和角速度
　　2.3.2　两个物体的速度和角速度
　　2.4　机器人的数据结构和编程
　　2.4.1　数据结构
　　2.4.2　用递归方法编程
　　2.5　仿人机器人的运动学
　　2.5.1　模型的建立　
　　2.5.2　由关节角求连杆的位姿：正运动学
　　2.5.3　由连杆的位姿求关节角：逆运动学
　　2.5.4　逆运动学的数值解法
　　2.5.5　雅可比
　　2.5.6　关节速度、连杆的速度和角速度的计算
　　2.5.7　奇异姿态
　　2.5.8　附录：辅助函数
　　第3章　ZMP和动力学
　　3.1 ZMP和地面反作用力
　　3.1.1 ZMP概述
　　3.1.2 二维分析
　　3.1.3 三维分析
　　3.2　ZMP的测量　
　　3.2.1　一般情况
　　3.2.2　单脚ZMP
　　3.2.3　考虑双足时的ZMP
　　3.3　仿人机器人的动力学　
　　3.3.1　仿人机器人的运动和地面作用力
　　3.3.2 动量
　　3.3.3　角动量
　　3.3.4　刚体的角动量和惯性张量
　　3.3.5　机器人质心的计算
　　3.3.6　机器人动量的计算
　　3.3.7　机器人角动量的计算
　　3.4　基于机器人运动的ZMP计算
　　3.4.1　ZMP的推导
　　3.4.2　ZMP的近似计算
　　3.5　对ZMP的几点说明
　　3.5.1　两种解释
　　3.5.2　因质心加速度的影响ZMP可在支撑多边形之外吗
　　3.5.3　ZMP的局限性
　　3.6　附录：凸集和凸包
　　第4章　双足步行
　　第5章　全身运动模式的生成
　　第6章　动力学仿真
　　参考文献
　　索引

扩展阅读：

1.图书 http://www.zhuoyuewangshangshucheng.cn/dangdangwangtushu/2008121195121.html

2.http://www.scuec.edu.cn/jsj/zidonghua/data/2006/1106/article_349.htm

3.http://cache.baidu.com/c?word=%B7%C2%3B%C8%CB%3B%BB%FA%C6%F7%3B%C8%CB&url=http%3A//www%2Ezjrobot%2Ecom/upload/download/%B7%C2%C8%CB%BB%FA%C6%F7%C8%CB%B8%C5%CA%F6%2Epdf&p=8b2a964591811bb508e296395454&user=baidu