第9章 前沿机器人

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1、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

2、年代末，现在已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Rabbit,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,“先行者”仿人机器人 “汇童”5仿人机器人 Alpha 1S仿人机器人,9.1.2立

3、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 立体图像获取 摄像机标定 特征提取 立体匹配 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

4、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

5、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

6、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

7、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G

8、ifu Hand 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

9、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 手指关节运动形式；手指数目；手掌结构；手指结构形式（关节的数目及相对姿态）；各关节运动的驱动方式及传动方式；各关节的截面结构形式；手的材料（包括表面材料，即皮肤）；传感器设计及布局；各手指之间的相对位置及姿态；各关

10、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：首先和是无需考虑的问题；其次、和是需要专门研究的；然后、和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

11、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

12、）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

13、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。 人机交互技术的发展 选择性感知系统 智能交互系统,第9章 前沿机器人,9.1.6仿人机器人的触觉系统 1. 触觉系统敏感材料的选择 功能敏感材料是传感器之本，科研人员不断研究各种新的敏感材料和新的敏感机理来模仿触觉，新材料的研究涉及的种类繁多，如基于压阻式、压电式、电容式、磁敏式、光电式和超声式等各种敏感材料。敏感材料的早期研究主要集中在对聚偏二氟乙烯聚合物的压电柔性材料上，目前主要集中在基于柔软、韧性好的压敏导电橡胶和薄膜电容器上。2006年，Lee

14、H K 等人利用聚二甲基硅氧烷制作了一种电容式触觉传感器；2008年，加拿大的Cannata C研制了一种基于电容式柔性触觉阵列传感器。国内重庆大学的秦岚等人利用导电橡胶做成大面积的电阻式阵列传感器；合肥工业大学的黄英等人利用导电橡胶做成了三维触觉传感器；昆明理工大学的付朝阳等人对力敏导电橡胶进行了理论研究。尽管如此，由于受导电机理、“敏感材料”制备工艺等因素的制约，导电橡胶触觉传感器的研究基本处于理论研究和实验阶段。,第9章 前沿机器人,9.1.6仿人机器人的触觉系统 2. 传感器结构设计与解耦算法研究 传感器性能与敏感单元的结构设计有着直接的联系，在整个传感器系统的设计中，传感器的结构设计

15、尤为重要。日本东京大学的Shimojo M等人基于力敏导电橡胶设计了一种整体性结构的新型柔性触觉传感器，该结构只能检测单维压力；中科院智能机械研究所的沈春山提出一种网状结构三维阵列触觉传感器设计思想；中国科学技术大学的徐菲基于柔性力敏导电橡胶设计了一种具有整体多层网状结构的三维阵列触觉传感器，使得研究的触觉传感器能够在具有“类皮肤”柔性的同时实现三维力检测功能。以上各传感器结构设计的建模和理论分析过程大多基于敏感材料的理想特性，与实际应用有较大差距，传感器结构设计仍存在许多待解决的关键问题,第9章 前沿机器人,9.1.6仿人机器人的触觉系统 3. 信号获取电路设计与传感器标定 三维柔性触觉传感器采集系统能够直接获得由于力的加载而使柔性触觉传感器产生弹性形变进而使得柔性触觉传感器的阻值变化而产生的电压信号，并能对获取的信息进行实时显示。柔性触觉传感器无论采用何种材料制作，理论分析基于的理想特性与实际特性都有一定的差距，因此，需要对柔性触觉传感器进行实际的标定，通过标定实验发现理论与实际的误差并分析原因，对传感器结构和模型进一步修正完善。目前，国内外的标定方法一般采用砝码加载式，中科院合肥智能所机器人传感器实验室设计了一种砝码加载式的六维力传感器标定系统。