1、人形机器人人形机器人PPTPPT讲座讲座作业回顾与点评 自主作业：自主作业： 美赞臣售货机器人设计方案 讨论内容：讨论内容： 1、造型 2、功能怎么样的机器人是人形机器人？ 类人型机器人之发展现况 类人型机器人是一门由仿生学、机构设计、控制理论和人工智慧等多项科技形成的跨领域科技，与轮型和多足机器人相比，类人型机器人拥有较大的优势去适应更复杂的地形，并且有更加灵活的运动能力和速度变化能力。一国内发展情况 过去国内有关机器人的研究大都集中于自动导航车、履带式服务机器人、智慧型轮椅、先进家用服务机器人、机械手臂、居家看护机器人、个人型助理机器人系统、小中型足球机器人等系统之主要核心与系统整合技术之
2、研发与软硬体装备建置，较少有双足平台之类人型机器人相关研究，国内所开发之类人型机器人都以RC伺服机（马达）为其驱动单元，但是此类型之机器人一般仅于娱乐之用，无法承受太大之负载，成为人们服务之助力，所以发展大型类人型机器人有其必要。 发展历程 类人型机器人的研究，最早可追溯至西元1893年，Georges Moore创作了第一个利用蒸气驱动类人型步行机器Rosheim, 1994，然详细构造与运动原理我们并无法得知。其后在第一次大战期间，Thring发明了具有腿之农耕机Thring, 1983。至1970年之间，许多研究人员进行辅助人类行走的步行机器之研究，如Bernstein于1948年于莫斯
3、科义肢设计研究中心，发展具电子装置的腿外骨骼（Exosceleton）Karsten, 2003。图1.1 早稻田大学的人型机器人研究室1图解 此外，Vukobratovic于1975年，在南斯拉夫的贝尔格勒，发展辅助行走步行机器Song and Waldron, 1989（图1-4）。日本可说是世界上最热衷于类人型机器、且一直持续不断研究的国家。从1966年至今，早稻田大学的人型机器人研究室Koganezawa, Takanishi, and Sugano, 1991，从早期有着最基本之双足移动功能的WL-1（图1-1a）开始；到了WL -3（图1-1b），已经可以站立和坐下；WAP-3（图
4、1-5c），可上下楼梯和斜坡，更可以转弯，而且是世界上第一个三维二足步行机器；WABOT I （图1-1d），可量测距离和方向，是世界上第一个照人类尺寸设计的机器人；WL-9DR（图1-1e），将脚底接触地板的点，由三个增加到四个，所以可利用数值解得到较特殊的步行方式；而近年来WL-12（图1-1h），不但增加了上半身，且具两个自由度的腰部，可以走得更像人类。 再者，由1986年开始，日本的Honda公司Honda, 2003，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1-2），不但将机器人
5、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。 ASIMO的全名为Advanced Step in Innovative MObility，采用具有及时预测动作控制系统的i-Walk技术，让ASIMO在行走时能更加顺畅，同时在电脑工作站中启动行进步伐的预先设定，并使用携带式的控制器来进行弹性的步伐及手部的动作操作。此外，ASIMO透过它的身体的重力感应器和脚底的触觉感测器把地面的状况送回电脑，电脑则根据路面情况作出判断，进而平衡
6、身体，稳定地前后左右行走。它不仅能于平坦路面行走，还可以上/下楼梯和行走于倾斜的路面，由于脚底安装有压力感测器，脚底不平也能保持身体的直立姿态，与1997年同公司所研发的P3相比，它具有体型小、质量轻、动作紧凑轻柔的特点。 ASIMO身高120cm，体重43公斤，适合于家庭操作和自然行走。 图1.2 日本本田公司ASIMO之演进2 类人型机器人HRP（Humanoid Robotics Program）系列是AIST与川田工业（Kawada）、川崎重工业（Kawasaki）共同合作的研究成果，经费是由新能源暨产业技术总合开发机构（NEDO）基础技术研究事业之在实际环境中作业的人型机器人基础技术
7、研究开发计画所支助。 HRP-2类人型机器人平台（图1.3）于2002年3月公开，其直立高度约有5英呎2英寸，重量接近128磅，有30个自由度。 HRP-2是一台人机互动之人形机器人，它可以和一个人合抬一块大木板，透过感应另一端由人施加的力和方向来掌握平衡；假如跌倒亦能毫发无伤地再站起来，具有完成日常任务之基本能力。 2009年日本产业技术综合研究所（AIST）展示一款会说话，可行走而又具有丰富表情的新型“女性”机器人- HRP-4C，其全身共有30个马达来控制肢体移动也可以做出喜、怒、哀、乐和惊讶的表情。 图1.3 日本产业技术综合研究所（AIST）HRP系列3在西元2000年，SONY公司
8、也发表了高50公分，重5公斤的小型机器人，SDR-3XKuroki, Ishida, and Yamaguchi, 2001（图1-3），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SDR-4XFujita, Kuroki, Ishida, and Doi, 2003（图1-4），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。图1.4 SONY机器人4类人型机器人之控制发展类人型机
9、器人在分析上和运动控制上拥有相当大的瓶颈需要突破，因为其动力方程式具有非线性、高阶和强耦合的特点，以现有的数学模型和解析运算法并不足以得到完整且精确的步态解，另外类人型机器人与轮型平台之机器人不同的地方，在于类人型机器人除了可控制的可驱动自由度之外，还多了不可驱动的自由度，所谓不可驱动的自由度指的就是双足机构脚底板与地面之间所存在的自由度，因为此部份之自由度并无法由马达控制之，故称之为不可驱动的自由度。而这些自由度的控制将对整部机器人的姿态稳定具有重要的意义。类人型智慧型机器人之双足设计与研制必须建构出双足机构并推导出其最适合之运动及动力方程式，发展出最佳化控制方法达到双足机构能够实际行走之最
10、终目的。类人型机器人是一个必须同时整合运动机构、自我定位、控制系统、电脑视觉、感测器融合、无线网路等不同领域之跨领域技术。类人型机器人的基本研究思路主要可分为基于仿生学原理和基于动态控制原理两种，这两种不同思路的研究方法在类人型机器人的步态设计和规划中都有广泛的应用，基于仿生学原理算法的可行性，完全依赖于步态数据，而机器人的具体步态和实际物理参数会互相影响，要得到大量适用于已知机器人的步行数据并不是一件容易的事情，并且不同机器人之间的数据也会拥有不同的物理参数，故并无共享性，因此基于仿生学原理的研究方法不具有适用性，采用力/力矩感测器建构ZMP的量测系统，才可以有效使得实际与预先规划之ZMP轨
11、迹吻合。类人型机器人的研制必须基于动态控制原理的思路来着手基于动态控制原理思路下的研究，主要又可分成基于模型和非模型两种，基于模型的双足控制是借鉴已知的物理模型之特性来对类人型机器人模型进行大胆的简化，最有名的模型为Hemami等人5于20世纪70年代后期提出的倒单摆模型，此一模型是利用一阶倒单摆，将倒单摆的杆子和机器人的双足进行对应，将类人型机器人踝关节的力矩驱动看作倒单摆的基底关节驱动，从而把类人型机器人的步行过程和倒单摆的直立摆动过程作对应。 1991年文献6实际设计出具有倒单摆特性的类人型机器人。使用状态回馈控制双足机“MeltranII”的质量中心沿着约束线动作，使得其水平动力学方程
12、近似为线性倒单摆模型。虽然在随后的研究中倒单摆模型已逐步发展为三维空间之多级倒单摆，并加入对踝关节和脚底板的考虑，模型也越来越接近实际机器人的双足模型。但是有鉴于倒单摆的特性，此类模型仅适用于双足质量和惯量都非常小的情况下，多数类人型机器人之双足并无法达到此要求。若采用此单一模型仅能生成双足之参考步态轨迹，难以实际应用于双足步态的实现。关于双足步态的理论方面，在1972年学者Vukobratovic7提出的ZMP（Zero Moment Point）稳定判断（如图2.1）。阐明人类动态的行走平衡不是因为具有比较大的脚底支撑面，而是因为身体各部份复杂的协调作用，因为在考虑动态平衡时，当某一特定点
13、之地面的反作用力等效于一对力N和力矩M对脚底的作用时，这个支撑点就是零力矩点（ZMP点），而机器人的动态平衡则取决于ZMP点的位置，我们可以预先规划出理想的ZMP轨迹，通过调整各关节扭矩力或动量补偿，使得实际ZMP轨迹和预先规划之ZMP轨迹吻合，便可达到稳定行走。但是由于结构和机械重量的问题，感测器必须安装在小腿上，并通过数学的转换来消除踝关节的影响，才能获得实际的ZMP。类人型机器人未来发展与应用 随着社会和产业结构的变化，人类对于科技之产品依赖性日益殷切，且因医学科技进步快速，老年化社会快速地形成。因此，服务型机器人未来发展潜力不容小觑。在科技尖端的时代，机器人成为人民的守护者，尤其在老弱
14、妇孺的服务，以现今的科技并不无可能。所以服务型机器人未来将成为社会不可或缺的生活伙伴，而类人型机器人相较之下又更胜于一般轮型或多足机器人，原因无它类人型机器人拥有与人类相仿之外表让人更易亲近（图3.1），同时类人型之移动对于地形起伏或狭窄空间之通过都有较优越之克服能力。除了成为服务型机器人之外，类人型机器人也同样拥有娱乐以及教育之发展空间，从组成舞团或乐团进行巡回演出到代替老师本尊前往教室上课，这些功能在未来都有可能藉由类人型机器人进行完整之实现。 人型机器人零接触 机器人是一个典型的机电一体化系统，它融合了造型、机械、电子、传感器、计算机软件硬件和人工智能等众多先进技术，是目前世界各国高校和
15、研究所进行教学研究和工程训练理想的实验平台。人们理想中的机器人无疑都是有着人一样的外形，类人双足机器人将是人类最亲近的朋友。人形机器人也是所有机器人行业中的集大成者。在高校中如拥有人形机器人实验室就标志着该高等院校在机器人研究领域内已经进入最高阶段。在国际学术界，类人形双足机器人的研究已经被列为机器人的第一课题，这意味着机器人时代已经来临。以机器人王国日本为例，每个研究机器人的科研院所都有一个共同的类人双足机器人研究项目。人形机器人实验室以新型机器人研制开发为载体，同时兼顾表演和比赛，设置有详细的课程安排，为培养学生创新实践能力提供了一个良好的实验平台。日本大阪大学最新研制的“Repliee
16、R-1”机器人 日本科学家成功研制出一种逼真机器人，其外形酷似一个5岁的日本小女孩。这款新型机器人命名为“Repliee R-1”，它具有柔韧性硅皮肤，内置的数十个传感器和发动机，使其能够像人类一样移动、与相应环境进行交互反应。韩国研制人型机器人会做家务 韩国科学家研制出“人型机器人”，会跳舞、做家务、还会表达情绪。研究人员将这款人型机器人取名为“马鲁”，马鲁身高1.5米，可以模仿人类张开闭合嘴唇、挤眉弄眼、上肢和下肢自如活动、会自动停止行走。此外，马鲁还会表达自己的情绪，高兴或生气时会散发出两种不同的香味。这是由韩国科学技术院( KIST )研究人员设计研发的，也是韩国首例。研发组负责人Yo
17、u Bum-Jae说：“这种机器人为人型机器人在家政服务领域的商业应用开辟了道路，它可以边走边跳舞，还以代替人来做家务。”这一切都是通过先进的动作捕捉系统来实现的，可以效仿多种人类动作，在行走时如果遇到障碍物，灵活的双手可以搬走障碍物“人工大脑之父”的雨果德加里斯 被誉为“人工大脑之父”的雨果德加里斯教授走进清华大学讲堂，在两小时的演讲时间内，给大家描述了一个“人工智能的世界”：“可能20年、30年后人工智能机器就可以和人做朋友了，但50年后，人工智能将成为人类最大的威胁。世界最终会因人工智能超过人类而爆发一场战争，这场智能战争也许会夺去数十亿人的生命。”这种听起来像“骇客帝国”一样的描述却是
18、建立在科学研究的基础上。他的著作智能简史已经由清华大学出版社翻译成中文正式出版。 雨果认为，“人工大脑”迟早会超过人类。人脑的转换能力是10的16次方/秒，而人工智能机器的运算速度高达10的40次方/秒，是人脑水平的10的24次方倍。“那时候他们对待人类可能就像拍死一个蚊子这么简单。”雨果预测，人工大脑并不会立即控制人类，此前还会有一段与人类“和平相处”的时期。这一时期它不断接近但尚未超越人的智力水平，因此“聊天机器人”、“家务机器人”、“伴侣机器人”将使人类的生活充满乐趣。但这样的美景并不会长久，人工大脑的继续发展将使人类面临灾难。关于超级人工智能的讨论(20分钟）你将是哪一派 宇宙主义者(
19、主张发展人工智能的人) 地球主义者(反对发展人工智能的人) 和人工智能控制论者(将自己改造成机器人的人)辩论结论 科技前进的脚步是挡不住的，也许我们只能期望，人工大脑最终能放弃地球去更广阔的宇宙，让人类在这里继续自由生存。” 会照相，会指路，还会表演才艺博君一笑世博会期间，最具人气的世博明星吉祥物海宝将走进游客们中间，亲自提供各种特色服务。这身为“服务明星”的海宝，是一款1.55米高的智能服务型机器人。3月7日，它在“动漫海宝新春汇”活动现场亮相，向与会者及市民们“初试身手”。由浙江大学领衔设计的“海宝智能服务型机器人”表演了精彩的川剧变脸，更与四名小朋友一同起舞，博得堂彩。据浙江大学副校长褚
20、健介绍，此款海宝智能机器人为世博游客所需量身定造，主要拥有五大功能：一是信息咨询。通过海宝机器人胸前的触摸屏，人们可以提供世博信息、公共信息、引路导航等多项信息咨询服务。二是迎宾服务。海宝机器人可以准确辨识来宾的方位、人数和行进方向，自动进入迎宾服务状态，采用中日韩英法德六种语言，进行热情问候和自我介绍，并能主动伸手向游客表达握手意愿，完成生动的握手动作。三是交谈互动。在海宝机器人的引导下，游客可以与海宝机器人进行关于世博知识等主题的趣味语言交互及问答。四是为游客提供摄影照片服务。五是才艺展示。海宝机器人可以表演多种舞蹈、主持节目、说故事讲笑话，演唱多语种歌曲。此外，海宝机器人还能进行多机器人
21、协作，组成海宝军团集体作战，包括协作引领参观、机器人换岗仪式和团体舞蹈表演等。 目前我们合作研发的机器人-8S人形机器人NEC发布儿童监护机器人PaPeRo 2005 该系统可与儿童交流。具体设计思路是，在机器人身上加装触摸型传感器，以便识别儿童的触摸信号。系统还增加了无线声音传感器和识别儿童面部特征的软硬件引擎。今后，通过手机遥控，用户可用机器人作为保护和监护儿童的远程遥控工具，通过手机画面和控制面板来监控和操作机器人，使机器人真正成为儿童保育员。 ASIMO表演轰动佛山 引发禅城小学生机器人热 ASIMO与小朋友跳舞 ASIMO为小朋友端饮料ASIMO表演射门 日本东京的高岛屋商场近日为解
22、决顾客排长队购物难的问题，引入了一款语音识别机器人当店员，让顾客享受到了非同寻常的服务。机器人萨娅在东京一小学从事教学工作。 #爱知世博会防恐爱知世博会防恐 “最酷最酷”是机器人是机器人 一个机器人在为参观者做向导一个机器人在为参观者做向导 机器人乐手正在合奏乐曲机器人乐手正在合奏乐曲 “利古里奥”的造价为6000万日元（约合573万美元），身高15米，躯干呈桶状，两只眼睛犹如探照灯。它装备有语音警告系统和两条可弯曲臂膀，它们可以很轻松地抓拿爆炸物或化学物质并送至安全区域。在20日的演示展览中，“利古里奥”捡起一枚炸弹，并发出警告说：“发现一件可疑物体，我会把它挪开。” 变形金刚来了 改装机器
23、巨人惊现乌克兰 由于乌克兰的Kominternovsky地区安全局势不太稳定，不得不采取非常规手段来增强保卫措施，因此才出现了图片中的巨型机器人TIS-1CB。 机器人212009 年1月14日周三，日本东京的早稻田大学机械工程系实验室开发的机器人21，它的指间正在灵巧地抓取一根吸管，展示出它对细小物体的操纵能力。菅野茂树 (Shigeki Sugano)博士领导早稻田大学的一个科研组研发了这种非常先进的机器人，他们希望这些机器人能帮助老年人。 残疾人机器人助手2008年11月10日，在东京举行的卫生机器人展览活动中，被称作“My Spoon”的机器人助手正在给日本政府高官喂饭吃。日本Seco
24、m公司研发的这款“My Spoon”机器人是为了帮助残疾人利用嘴巴、手或脚控制一个操作杆吃饭。 奏乐机器人2008年5月4日，丰田汽车公司的机器人在陈列室中正在演奏乐器。 行走机器人2009年1月8日，北京郊区农民吴玉禄（音译）在自家附近操作由他自制的行走机器人拉着的人力车溜达。这款机器人是热衷于发明创造的吴玉禄制造的最新、最大的机器人。他用从垃圾堆捡来的金属丝、金属片、螺丝钉和钉子等为材料，从1986年就开始制造机器人。 人形握手机器人2009年2月17日，在伦敦科学博物馆里，一名观众在和名叫“贝尔蒂”（Berti）的机器人握手。它是跟真人一样大的人形机器人，设计师制造它的目的是模仿人类手势
25、。2月17日到19日，该机器人在伦敦科学博物馆进行了展出。 冲茶机器人2009年3月2日，参观者在德国中部汉诺威举行的世界最大规模的高科技展览会CeBIT上观看人形遥控系统“Rollin Justin”表演调制速溶茶。 日本发明能做煎饼机器人 可灵巧用铲子.摩托曼做煎饼的第一步：在碗中搅动原料，再将其倒在加热板上信息技术应用前沿科技-机器人信息技术应用前沿科技-机器人摩托曼能正确的利用铲子机器人甚至能根据你的口味来制作煎饼 打鼓机器人Motoman系列的最新版 美国猴子通过互联网远程遥控日本机器人 第七届中国国际高新技术成果交易会上，一个憨态可掬、有着丰富面部表情、“能说会道”的卡通机器人，受到中外客商的广泛关注和喜爱。这是由哈工大机器人工程技术中心研制的国内第一台有表情的机器人首次在国内公开亮相。这台名为“百智星”的幼教机器人身高约35厘米，采用卡通造型，长着胖鼻子、大耳朵和金黄色的头发，能够唱儿歌、教英语、讲故事、背唐诗、说笑话、做体操等，并能根据自己讲述内容的变化，同步变换面部喜怒哀乐等表情，四肢、头、颈等也能相应动作。(初霞)
