上海大学2011～2012学年冬季学期研究生课程考试课程名称： 机器人工程 课程编号： 091101701 论文题目: 早稻田大学机器人研究 研究生姓名: 诸华林 学 号: 11721126 论文评语:成 绩: 任课教师: 评阅日期: “早稻田大学机器人研究”调研报告诸华林（上海大学 机电工程与自动化学院，上海200072）摘要：本文介绍了早稻田大学的机器人研究状况，及各个时期的主要机器人代表型号并且根据早稻田大学机器人研究的特点，以双足步行机器人为重点，简述其设计关键技术最后简单介绍了早稻田大学机器人研究与国内机器人研究的对比状况，并且对国内机器人研究提出些许建议关键词：早稻田大学；机器人；双足步行机器人Research on Robots Of Waseda UniversityZhu Hualin(School of Mechanical and Electrical Engineering and Automation， Shanghai University， Shanghai 200072， China)Abstract:This paper introduce the condition of robots research in Waseda University.At the same time,it gives a brief introduction of typical robot version made by Waseda University.According to the characteristic of research in Waseda University,we put emphasis on the “biped walking robots”.The key technologies of “biped walking robots”is given in the paper.At last,we discuss the comparisions between research in Waseda University and the domestic situation on it.Meanwhile,some suggestions are preserented.Key word: Waseda University;Robot; Biped walking robots 机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。
它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作机器人的发展主要分为三代：第一代机器人属于示教再现型,第二代则具备了感觉能力,第三代机器人是智能机器人,它不仅具有感觉能力, 而且还具有独立判断和行动的能力 1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始在机器人的发展史中，有许多里程碑式的进步，包括早稻田大学为机器人科学带来的长足的进步一：早稻田大学机器人发展历程 早稻田大学，一个具有浓厚田园色彩的校名，它是日本最负盛名的大学之一它的科研水平一直走在世界大学的前列早在1964年早稻田大学就开始了机器人制造和使用的研究早稻田大学对较多种类的机器人都有一定的研究和探索，特别是加藤一郎教授创立的加藤实验室对于两足机器人的研究更是对机器人的发展做出了卓越的贡献纵观早稻田大学的机器人发展史几乎可以说是加藤实验室的研究史 1.1 第一台真正意义上的仿人机器人——WABOT 11973年，WABOT 1号，机器人，如图1，于“早大”有关研究室协作下完成。
该机器人身高约2米，体重160公斤有两只手，两条腿，在胸部有2个眼睛、耳朵和嘴巴全身共有26个关节，手上还装有触觉传感器机器人能用日语与人进行预先规定范围内的简单的对话它可根据人的语言命令巡视周围，找到物体，并测出机器人与物体的距离，然后缓慢的走到目标前，伸出双手，抓住目标再返回原地 图1 WABOT——1号机器人1.2 早稻田大学关于假手的研究加藤先生从1964年开始研制假手，历经5年，至1969年完成了WH4P假手的研究室实验阶段从1973年起，WH4P开始朝实用化、商品化发展经过数次修改和实验，假手终于正式成为商品出售它可以利用断臂肌肉产生的肌电信号来控制手指动作，从而实现“拿”和“抓”两个动作1979年，WH-9H3号假手完成，如图2它有三个自由度，能做到手指开闭、手腕回转和手掌屈伸三个动作它接受断臂的肌电信号，并通过CPU8085构成的微型计算机对这6路信号进行处理和识别，最后采用液压方式进行驱动 1982年夏，早稻田大学又展示了具有力矩和位置控制的机械手WAM-6，如图3，它共有9个自由度（肩——3自由度、肘——3自由度、手指——2自由度）。
这只手有了力的感觉，更加接近人手的柔软性和适应性它能够完成转动手柄开门、绕开障碍物[1] 图2 WH-9H3号假手 图3 WAM-6号假手1.3 第一台准动态机器人——WL9DR早稻田大学在1972年完成了静态步行（即WABOT1号机器人）后，就开始了更接近人的走路姿势的所谓“准动态步行机”的研究，即步行过程中，当落地脚交换时身体的重心进行动态地转移于是早稻田大学于1981年2月初进行了公开表演，展示了WL-9DR号机器人，如图三，这是世界首次完成此项试验WL-9DR相当于人的下半身，两条腿共有10个自由度，高度约0.5米步行机采用程序控制的方式，每个关节的角度通过电位器反馈给计算机采用微机进行数据文件管理，再用另一台微机通过A/D转换对步行机进行控制它的研制成功使得机器人从40s缩短到9s，步幅从0.17m提高到0.45m，下半身体重从130公斤减至40.7公斤[2]图4 WL-9DR号机器人1.4早稻田大学对假肢的研究早稻田大学对于假肢的研究开始于1971年，并于1974年完成了WLP-5的研制和临床试验，它所带的便携式微机控制盒可以对大腿肌电信息进行处理以调节假肢的运动、制动状况，力求使残废者在步行时更接近健康人。
[1]图5 WLP-5号假肢1.5 服务机器人TWENDY-ONE系列早稻田大学的仿人型机器人“Twendy-One”，见图5的研制项目开始于2000年2007年11月底，早稻田大学的科学家历时七年研制，推出了强调安全、可靠和灵巧的第一代仿人型机器人“Twendy-One”机器人“Twendy-One”的外型有些笨重，但是手指却非常灵活它一只手能轻松拿起了桌上的一根吸管，然后另一只手稳稳的端起了一个杯子这一演示证明了“Twendy-One”可以很好地给需要喂药的老年人或者残障人士提供服务虽然是仿人型机器人，“Twendy-One”的手和人却并不完全一样，它只有四个手指据早稻田的专家介绍，机器人的每一只手都安装了13个先进的传感器，可以完成许多人类的动作，而机器人手指关节处的弹簧，则保持了动作的稳定性早稻田大学机器人研究专家：这个机器人的手基本上可以完成，所有人类能做出的动作，首先它的手指表面使用了柔软的硅胶，触感与人手接近，而它的手指末端的传感器，敏感程度也基本接近人类除了安全、灵巧之外，机器人“Twendy-One”的臂力也很强，它依靠两个滚轴式的滑轮站立，可以搀扶行动不便者站立起来，也可以帮他们抱到床上去。
但第一代机器人的电池仅能维持15分钟的活动，每次使用后，它装有电脑系统的后背都可能变得过热2009年1月14日，早稻田大学推出Twendy-one型服务机器人的升级版，它延长了电池的使用时间图5 TWENDY-ONE号服务机器人1.6 早稻田大学载人机器人研究早稻田大学教授高西等人此前曾于2003年11月开发出了能够坐人行走的双足行走机器人“WL-16”，此后又于2005年4月开发出了坐上人之后能够上下台阶的新型机器人“WL-16RII”，逐渐对机器人进行了改良2006年4月底推出的WL-16RIII就是上述机器人的后续型号[3]早稻田大学理工学术院教授高西淳夫研究室和日本机器人开发风险企业Tmsuk公司，日前开发出了坐上人以后能够在台阶或室外坑洼之处行走的双足行走机器人“WL-16RIII（Waseda Leg-No. 16 Refined III）”在高1.28m的机器人上部安装了坐人的椅子，并装有用来指示行进方向和速度的操纵杆，能够沿着设想的方向行进该机器人的总重量为76kg坐上一位体重55kg的成年男性以后，在公路上铺设的盲道上，以及人行横道和倾斜角为3度的砂石路等路面上实现了稳定行走。
2007年3月中旬，早稻田大学又推出了最新的载人机器人WL-16IV（图6），它在功能和稳定性上相对WL-16III进一步加强 图6 WL-16IV号载人机器人1.7情感机器人2009年6月23日，日本早稻田大学推出了一款情感丰富的机器人—KOBIAN（图7）据说该款机器人是世界上首款能够同时利用表情和动作与人进行全面情绪互动的机器人[4]图7 情感机器人KOBIAN二：两足步行机器人关键技术图8是日本早稻田大学研制开发的WL-16载人两足机器人，它是世界上第一台能够实现载人步行的两足步行机器人WL-16机器人系列并没有采用常规的两足步行机器人所采用的、模仿人体下肢结构的串联式多关节方式，而是创新地采用了平行连杆机构[5]与传统的串联式关节结构设计相比，这样的结构设计大大提高了机器人的结构强度和稳定性，这无疑对于实现载人有着非常重要的意义，但同时这种结构设计减小了机器人的灵活度，关节的活动范围也受到一定限制[6]那么对于两足步行机器人的设计关键是什么呢？图8 WL-16载人两足机器人 2.1 稳定控制在两足机器人的研究过程中，如何保证步行过程中的动态稳定，始终是一个关键问题为使两足机器人获得稳定的步态，目前通用的方式是：离线进行步态规划，然后加以修正。
在步态规划过程中，目前普遍采用武科布拉托维奇 提出的ZMP(零力矩点)判据[7]，即步行过程中零力矩点ZMP必须始终落在机器人的支撑平面内，该步态才是动态稳定的其中，ZMP 这样定义：地面对脚底板沿Z向作用的分布力的合力，若这个合力作用点处的力矩为零，这一点便是ZMP点传统的仿人型两足机器人，是具有类似于人类基本外观特征和步行运动功能的一种机器人在这类机器人的运动控制中，它们的上体姿态控制对于保证整个系统的动态稳定性非常重要通过控制上体姿态可以间接地对ZMP进行调整上体在前向平面内应满足的外部空间约束条件为：式中： S———两足步行机器人行走的步长；xs———双脚支撑期开始时机器人的上体到支撑腿的踝关节的距离；xc———双脚支撑期结束时机器人的上体到支撑腿踝关节的距离参照上述约束条件对机器人的上体轨迹预先进行规划，可以有效地提高仿人型机器人在步行过程中的稳定性；但对于载人两足步行机器人，这样的方法无法实现这类机器人不具有与仿人型机器人一样的上体结构，而且在步行过程中，乘坐者的身体晃动不可预知，因此无法预先进行。