911仿人机器人的发展历史和研究现状

仿人机器人是一种外观与人相似，具有移动功能、感知功能、操作功能、学习能力、自治能力、联想记忆、情感交流的智能机器人。它具有灵活的行走机构，可以随时走到需要的地方，包括一些对普通人来说不易到达的角落，完成人指定或预先设置的工作。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。比如，在机械制造、化工生产、核电维修、包装运输、设备安装等工业生产领域，以及在军事战斗、医疗手术、科学教育、办公事务、家务劳动等社会生活领域代替或者帮助人类完成各种工作，并且可以在许多方面扩展人的能力。第9章前沿机器人9.1仿人机器人9.1.1仿人机器人的发展历史和研究现状仿人机器人研究开始于20世纪60年代末。国内外的许多学者都在从事仿人机器人的研究与开发，如今仿人机器人已经成为机器人技术领域里的主要研究方向之一。第9章前沿机器人WABOT-1仿人机器人WL-10RD仿人机器人9.1.1仿人机器人的发展历史和研究现状第9章前沿机器人P3仿人机器人ASIMO仿人机器人9.1.1仿人机器人的发展历史和研究现状第9章前沿机器人SDR-3X仿人机器人QRIO仿人机器人9.1.1仿人机器人的发展历史和研究现状第9章前沿机器人MIT设计的COG仿人机器人二足步行机器人Rabbit9.1.1仿人机器人的发展历史和研究现状第9章前沿机器人“先行者”仿人机器人BRH-01仿人机器人THBIP-I仿人机器人9.1.2立体视觉系统仿人机器人视觉是机器人获取外界信息、自律控制、与人交互的重要手段。由于仿人机器人具有独特的功能和优异的自律性，因而其视觉的研究在各发达国家的科学家中引起了很大的热情，其中以与人的双眼生理结构和工作机理相类似的立体视觉为代表。下面介绍立体视觉的处理过程、立体视觉系统的组成和原理，并通过人脸识别的例子说明立体视觉的工作过程。1.立体视觉处理过程1)立体图像获取2)摄像机标定3)特征提取4)立体匹配5)三维重建第9章前沿机器人9.1.2立体视觉系统2.立体视觉系统构成立体视觉系统的研究目标是简化人类复杂的视觉反馈系统，建立起仿人机器人的两眼协调运动数学模型和控制方法，使仿人机器人的两眼也能和人类的两眼一样实现协调运动、前庭动眼反射、滑动性眼球运动、辐辏运动等视觉机能，并且在各种环境中能自律和有效的完成三维重构、目标识别、追踪定位、运动检测、手眼协调、障碍避免、步行规划等作业。第9章前沿机器人9.1.2立体视觉系统3.立体视觉工作原理第9章前沿机器人9.1.2立体视觉系统4.立体视觉系统实例1）深度分割通过立体视觉系统获得的图形，经过立体匹配、深度提炼得到图像对所对应的深度图以后，下一步便可以根据与摄像机的距离进行深度分割。只要能够足够精确地估计物体与摄像机的距离，即使物体间具有相似的颜色和纹理特性，深度分割也可以将特定深度范围内的物体分割出来。这种技术特别适用于将目标物体从复杂背景中分离出来。使用这种技术将人头从含有复杂背景的图像中分离出来，下图显示了深度分割提取前景的效果。第9章前沿机器人9.1.2立体视觉系统2）颜色分割在对图像进行提取深度图运算的同时，肤色区域的提取也可同时进行。通过分析色彩图像的色彩因素，得到关于色度与彩色坐标系的关系，建立相应的便于检测肤色的坐标变换方法，提取出类似肤色的区域。第9章前沿机器人利用肤色空间得到的肤色检测结果9.1.2立体视觉系统3）几何与颜色信息融合将深度分割和颜色分割得到的图像进行融合就可获得准确的人脸定位结果。第9章前沿机器人融合几何和颜色信息的人脸9.1.3五指灵巧手手是人获得认知的重要渠道，是人完成灵巧操作的最重要器官。从机器人这一概念提出之日起，人们便把其想象成能够像人一样具有高度的智能，能够完成各种复杂的操作。目前，在日本和欧美等发达国家的工厂和企业中，工业机械手已经被广泛地用来代替工人完成各类简单和重复性的工作。这些工业机械手基本上是限定在特定的环境中完成单一的操作。对于一些在繁重、危险、恶劣、极限或一般的环境下需要人手才能完成的复杂作业而言，例如捏、夹、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、贴、牵、拽、磨、削、刨、搓等，普通的工业机械手则显得无能为力。由于和人手一样带有五个手指和手掌及分布触觉技能的五指形灵巧手具有极强的功能和很高的通用性，它完全可以代替或者帮助人类在各种场合下灵巧地完成各类复杂的作业。第9章前沿机器人9.1.3五指灵巧手1．五指灵巧手设计的关键技术1）手指的模块化设计从人手结构来看，人手的五指互相独立，互相协作。因此设计五指灵巧手时五指可以独立设计。除了拇指，其余四指结构大致相同。它们的第3、4关节相互咬合一起运动，它们的基本节都在手掌内，几乎不产生运动，所以设计时可以针对某一指重点展开，其他指头可以在其基础上做尺寸上的调整，这样设计符合模块化的思想，既方便设计、装配与维护，又有利于设计质量的提高。对于人手来说，拇指是最灵活的，其每一个关节都能独立的运动，设计也较其他四指复杂。这些设计思想在NTU和GifuHandⅡ的设计中都得以不同程度的体现。第9章前沿机器人9.1.3五指灵巧手1．五指灵巧手设计的关键技术2）传感器设计在机器人的设计中传感器设计始终占有很大的比重，对于人手来说，与外界接触主要是通过触觉来完成的。触觉对于手的意义如同视觉对于眼，所以触觉传感器成为五指形灵巧手的核心部件，而触觉传感器的设计也成了至关重要的部分。除了触觉传感器，力传感器的设计也很重要。3）控制系统研究控制系统由放置在手外通过腱控发展到嵌入手内部的压缩尺寸的微型控制，这将使五指形灵巧手的尺寸和重量达到人手水平。目前认为设计五指形灵巧手的控制算法，通过与人手的交互使五指形灵巧手获得灵巧操作所需的知识和技能。但是这又不同于主从型机械手，对于主从型机械手，从手（机械手）接收引导手（一般是人手）的动作信号，并根据接收到的信号产生相应的反应动作。五指形灵巧手的研究则体现了更高的智能，该类型的手具有较强的自学习，自适应能力，通过反复的训练，它具有自主决策能力。所以设计神经网络将成为算法设计的关键。第9章前沿机器人9.1.3五指灵巧手1．五指灵巧手设计的关键技术4）结构优化①手指关节运动形式；②手指数目；③手掌结构；④手指结构形式（关节的数目及相对姿态）；⑤各关节运动的驱动方式及传动方式；⑥各关节的截面结构形式；⑦手的材料（包括表面材料，即皮肤）；⑧传感器设计及布局；⑨各手指之间的相对位置及姿态；⑩各关节的长度及可旋转关节的旋转角度范围。对于五指形灵巧手的研究，上述十个问题大致分为四类：首先②和④是无需考虑的问题；其次⑤、⑦和⑧是需要专门研究的；然后①、③和⑥是需通过测试优化的；最后则可以通过建立合适的优化算法来实现。5）材料研究机器人的发展始终是与材料科学的研究密切相关的，从五指形灵巧手来看，无论是各个部件的制造还是手外层覆盖的皮肤都对材料的要求十分苛刻。材料选择的优劣直接关系到五指灵巧手的重量、灵巧度、耐用性和制造难度等多个方面。第9章前沿机器人9.1.3五指灵巧手2．五指灵巧手成熟实例第9章前沿机器人9.1.4二足步行机构二足步行机构是仿人机器人的重要组成部分，也是设计非常困难的部分。下面主要介绍二足步行机构的建模，二足步行机构的控制，二足步行机构的分类及目前二足步行机构设计存在的问题。1．二足步行机构建模第9章前沿机器人仿人机器人模型9.1.4二足步行机构二足步行机构是仿人机器人的重要组成部分，也是设计非常困难的部分。下面主要介绍二足步行机构的建模，二足步行机构的控制，二足步行机构的分类及目前二足步行机构设计存在的问题。1．二足步行机构建模第9章前沿机器人环境约束下的二足步行模型9.1.4二足步行机构2.二足步行机构控制3.二足步行机构的分类根据控制方法（步态生成和步行控制）的不同，可以将现有的仿人机器人二足步行分类如下：1）静态步行2）动态步行3)基于生物特征的步行4．二足步行的主要问题（1）仿人机器人自身的不稳定性。（2）二足步行机构是一个非线性的混合系统。（3）系统受到来自地面条件的约束。（4）对人类步行的原理尚未完全理解。第9章前沿机器人9.1.5人机交互技术自从机器人走进人们的工作和生活以来，人们为机器人发展了各种类型的交互设备和交互方法，用于与人的沟通。仿人机器人发明的目的是为了更好的为人类服务，因此仿人机器人需要有效地与人进行沟通和交流。从最初的工业机器人完全地按照人类的指令进行工作，到现在的具有较高智能的仿人机器人自主地融入人们的工作和生活，甚至其最终目标是成为人类的伙伴，与人类共存，仿人机器人的交互功能和技术始终是机器人发展中的重点。由于仿人机器人的交互技术涉及的范围很广，因此本节只对仿人机器人的关键交互技术进行分析和研究。1.人机交互技术的发展2.选择性感知系统3.智能交互系统第9章前沿机器人9.1.6仿人机器人的发展方向仿人机器人是许多技术的综合与集成。但是，由于受到计算机技术、控制技术、电子技术、通信技术、传感器技术、人工智能、数学建模、机构学、材料学、仿生学等相关科学发展的制约，仿人机器人至今基本上处于实验室研制阶段。尤其是二足行走的速度、稳定性和自适应能力仍不十分理想。只有在走稳走好之后再加上手臂等执行机构才谈得上真正的仿人。当然，仿人不能仅仅局限于这些，还应仿人的视觉、触觉、语言、行为、情感等功能。目前，本田公司的P3仿人机器人虽然已经走向市场化，但是他的功能还很有限，离实际意义上的仿人还有相当的一段距离。所以仿人机器人给科研工作者提供了广阔的研究空间，提出了一个又一个新的挑战。同时也促进了许多相关学科的发展，导致了一些新理论和新方法的出现。目前，越来越多的学者投入到这一新兴的前沿学科里来。根据仿人机器人目前的发展现状，可以对未来仿人机器人的研究方向和发展趋势作如下预测。1.本体结构的改进第9章前沿机器人9.1.6仿人机器人的发展方向2.运动学和动力学求解理论和方法的发展3.驱动源的改进4.人体医学、生物学和仿生学的发展仿人机器人就是要模仿人的某些技能，如双脚直立行走、自主判断、利用工具等。由于人体医学和生物学发展速度的限制，目前医学界和生物学界对人体的工作机理了解还不是十分透彻，如精确的人体运动学和动力学、人体大脑的工作机理等。另外，仿人机器人不能仅仅限制在仿人上，还应模仿其他生物的一些功能.5.传感器技术的发展6.控制技术和集成技术的发展7.智能技术和软件技术的发展8.良好的人机接口设计9.网络机器人技术和虚拟机器人技术10.良好的群体协作和人类协作第9章前沿机器人9.2微机器人与微操作9.2.1微机器人的概念及其发展现状微机器人是现代机器人技术发展的重要方向之一，由于其结构尺寸微小、器件精密，可进行微细定位和微细操作，微机器人可以应用在其他机器人无法应用的场合：对于人类无法进入的危险区域，如航天飞机、导弹、核动力工厂以及石油化工的大量管道的探伤和维修等更是十分需要微型管道机器人；医疗上用于诊断、注药、切除和修补的微型机器人；用于操作血球、细胞的微机器人；集成电路的检查和修补以及制作过程中的微定位和微操作；微机器人还在军事上具有应用价值，例如用来进行军事侦察，具有不易被发现的优点等。第9章前沿机器人9.2微机器人与微操作第9章前沿机器人9.2微机器人与微操作9.2.2微型机器人微型机器人的发展是和微驱动器的发展分不开的，轰动世界的突破性的成就是1987年美国加州大学伯克利分校首先研制出了转子直径为60~120um的微型静电动机，随后MIT也研制出了100um的静电动机。美国威斯康星大学研制出一种气动式微型机电发动机，器件尺寸仅为头发直径的几分之一，该发动机的质量不过5g，能提供5V以上的输出电压。他们还研制出了外径为27mm、内经为8mm的齿轮以及能产生出千分之一牛顿量级的线性制动器。第9章前沿机器人9.2.3微操作机器人在现代生物医学工程中，随着细胞生物学、遗传学、基因工程等科学的发展，像细胞分离、细胞融合、细胞的转基因注射以及对染色体的切割和分离等细胞级的微细操作越来越被广泛应用。将微操作机器人技术引入到生物工程显微操作中，不仅会把人工操作中所涉及的