《Honda的ASIMO是如何行走的》.docx

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《Honda的ASIMO是如何行走的》

《Honda的ASIMO是如何行走的》

想象一下以后的生活，机器人在你家里帮你煮饭，帮你做家务，帮你打扫房间或者在你工作的时候递上一杯热热的咖啡？

机器人差不多能够代替人类做专门多人类不想做的情况，甚至不能做的情况。

在世界各地的专门多现代化工厂中，机器人差不多专门早就代替工人组装汽车，专门是那些重复性专门高的工作。

现在的商场里，也早已开始出售各种类型的清洁机器人，能够自动关心你清洁家里的地面，尽管目前功能上单一了一点，然而如何说也帮你做了许多工作。

日本的本田公司〔Honda〕在1986年就开始类人机器人的研究工作，到了2006年为止差不多整整20年了。

在这20年中，他们在那个领域取得了举世瞩目的成绩，ASIMO的研制成功让Honda公司成为目前那个领域最领先的公司。

在这篇文章中，我们将详细了解一下ASIMO是如何工作的，差不多的原理是什么。

ASIMO的名称由来

ASIMO,代表AdvancedStepinInnovativeMobility。

是日本本田公司开发的目前世界上最先进的步行机器人。

也是目前世界上唯独能够爬楼梯，慢速奔驰的双足机器人。

尽管其它公司也有类似的双足机器人，然而没有任何一家的产品能在步态仿真度上面能达到ASIMO的水准。

除了ASIMO杰出的步行能力以外，ASIMO的智能也同样杰出。

语音识别功能以及人脸识别功能能够使用语音操纵ASIMO以及使用手势来进行交流。

不仅如此，ASIMO的手臂还能够开电灯，开门，拿东西，拖盘子，甚至还能推车。

图1：

ASIMO

Honda眼中的ASIMO

Honda期望开发出的机器人是能够关心人类，专门是老年人的人类助手，而不是一个高科技玩具。

因此ASIMO被设计成1.2米的高度，正好能够和轮椅上的人平视。

这让ASIMO看上去专门有亲和力，因为大尺寸的机器人会让人有威逼感，小小孩也可不能喜爱一个太高大的家伙。

同时，那个高度也正好让ASIMO能够拿取桌子上的物体，如图2所示。

那个设计因素在ASIMO被创建之初就差不多考虑到了，可见Honda工程师们的用心良苦。

图2：

1.2米的高度正好让ASIMO能够拿取屋内多数的物品

ASIMO的结构：

类似人类的躯体结构

Honda的工程师们在项目初始时期花费了大量的时刻研究了昆虫，哺乳动物的腿部移动，甚至登山运动员在爬山时的腿部运动方式。

这些研究关心工程师们更好的了解我们在行走过程中发生的一切，专门是关节处的运动。

比如，我们在行走的时候会移动我们的重心，同时前后摆动双手来平稳我们的躯体。

这些构成了ASIMO行走的基础方式。

在行走过程中，我们的脚趾也扮演了专门重要的角色，在平稳我们躯体上起了专门大的作用。

在ASIMO的脚上也有类似的机理，而且还使用了吸震材料来吸取行走过程中产生的对关节的冲击力，就像人类的软组织一样。

图3：

ASIMO正面照

ASIMO和人类一样，有髋关节，膝关节和足关节。

机器人中的关节一样用〝自由度〞来表示。

一个自由度表示一个运动能够或者向上，或者向下，或者向右，或者向左。

ASIMO拥有26个自由度，分散在躯体的不同部位。

其中颈项有2个自由度，每条手臂有6个自由度，每条腿也有6个自由度。

腿上自由度的数量是依照人类行走，上下楼梯所需要的关节数研究出来的。

图4：

ASIMO关节图

ASIMO身上两个传感器保证了ASIMO能够正常行走，它们是速度传感器和陀螺传感器。

它们要紧用来让ASIMO明白他躯体目前前进的速度以及和地面所成的角度，并依次运算出平稳躯体所需要调剂量。

这两个传感器起的作用和我们人类内耳相同。

要进行平稳的调剂，ASIMO还必须要有相应的关节传感器和6轴的力传感器，来感知肢体角度和受力情形。

ASIMO的动作：

类似人类的步行方式

除非你专门了解机器人学，否那么你专门难想象要让ASIMO象人类如此行走是多么的困难，而ASIMO又是如何令人难以置信的达到那个程度的。

ASIMO的行走中最重要的部分确实是它的调剂能力。

ASIMO除了能像人类一样正常的步行之外，它还能对行走过程中遇到的情形进行自我调剂。

比如在有一定斜度的平面上行走，甚至有可能在行走过程中被人推了一下，ASIMO都能快速对这些情形进行及时地处理，并进行相应的姿势调剂，以确保能够正常的行走。

为了实现这些，ASIMO的工程师们需要考虑ASIMO在行走中产生的惯性力。

当机器人行走时，它将受到由地球引力，以及加速或减速行进所引起的惯性力的阻碍。

这些力的总和被称之为总惯性力。

当机器人的脚接触地面时，它将受到来自地面反作用力的阻碍，那个力称之为地面反作用力。

所有这些力都必须要被平稳掉，而ASIMO的操纵目标确实是要找到一个姿势能够平稳掉所有的力。

这称做"zeromomentpoint"（ZMP）。

当机器人保持最正确平稳状态的情形下行走时，轴向目标总惯性力与实际地面反作用力相等。

相应地，目标ZMP与地面反作用力的中心点也重合。

当机器人行走在不平坦的地面时，轴向目标总惯性力与实际的地面反作用力将会错位，因而会失去平稳，产生造成跌倒的力。

跌倒力的大小与目标ZMP和地面反作用力中心点的错位程度相对应。

简而言之，目标ZMP和地面反作用力中心点的错位是造成失去平稳的要紧缘故。

假假设Honda机器人失去平稳有可能跌倒时，下述三个操纵系统将起作用，以防止跌倒，并保持连续行走状态。

∙地面反作用力操纵：

脚底要能够适应地面的不平坦，同时还要能稳固的站住。

∙目标ZMP操纵：

当由于种种缘故造成ASIMO无法站立，并开始倾倒的时候，需要操纵他的上肢反方向运动来操纵立即产生的摔跤，同时还要加快步速来平稳躯体。

∙落脚点操纵：

当目标ZMP操纵被激活的时候，ASIMO需要调剂每步的间距来满足当时躯体的位置，速度和步长之间的关系。

图5：

ASIMO的步态操纵

ASIMO的动作：

稳步的行走

ASIMO能够感应到立即摔倒的情形，并能够专门快对此做出反应；然而ASIMO的工程师想要更多的功能。

他们不但想让ASIMO能够行走的更顺畅，还想让ASIMO能够在不停止的情形下转身。

目前绝大多数其它类人机器人无法做到这一点。

图6：

ASIMO的腿部特写

当我们走到弯角处需要转身的时候，我们将我们躯体的重心移到转身的位置。

ASIMO使用了一种叫做〝动作推测操纵〞，也叫做〝iWalk〞技术来实现。

ASIMO需要推测转身所需要的重心的移动的位置以及连续时刻。

由于那个技术是实时〔RealTime〕技术，因此ASIMO能够不需要停止就能够转身，实现边走边转身。

图7：

重心移动原理

本质上，ASIMO每走一步，他就需要运算一次他的重心位置以及惯量，并推测在下一步移动后的位置，同时运算出所需要的重心移动距离。

他要紧通过调剂以下4个因素：

∙步长：

每步行走的长度

∙位姿：

躯体的位置

∙速度：

整体移动的速度

∙行走方向：

下一步移动的方向

图8：

ASIMO的操纵流程

ASIMO的动作：

上下楼梯

上下楼梯的动作假如只是靠事先的程序输入的话绝对不可能实现。

即使是输入了阶梯的高度及前后的距离，假如多达29层的话，也会因误差累积而无法正常走下来。

为此，Honda在ASIMO的每只脚上，都装了一个6轴力传感器，用来监测每一步的稳固程度。

再结合陀螺仪和加速度传感器，ASIMO使用了专门的数学算法来让他上下楼梯，并能够上下斜坡而如履平地。

Honda的工程通过使其脚内侧不紧贴地面、脚趾比台阶边缘向前探出少许如此的站立方式来探测出台阶的边缘。

在这一状态下，假如通过脚底的压力传感器进行压力分布测量的话，能够预先测出边缘的位置。

下楼梯时的着地点也能够同样进行推测。

尽管操作人员向ASIMO输入了楼梯大致的高度，然而最终那么是通过ASIMO足底的传感器来确认楼梯位置的。

不只是下楼梯，ASIMO还能够在斜坡上转弯。

这时由于ASIMO的每一步都要变换姿势，并改变与ZMP的关系，较下楼梯难度更大。

下楼梯与在斜坡转弯使用了相同的算法，因此不需要改变模式。

图6：

ASIMO在走楼梯

ASIMO的技术参数：

体重

52公斤

行走速度

0-1.6公里/小时

行走范畴

范畴可调整，步幅可调整

抓握力

0.5公斤/手（每只手5个手指）

作动器

伺服电机+谐波减速器+驱动单元

操纵装置

行走/操作操纵单元，无线发送单元

传感器

脚部六轴向脚部方位传感器

躯体陀螺仪和加速传感器

电源部分

38.4V/10AH（镍锌）

操作部分

操纵台和便携操纵器

自由度〔类似人类的关节〕

头部

颈关节（U/D，RT）*1

2DOF

臂

肩关节（F/B，U/D，RT）

肘关节（F/B）

腕关节（RT）

3DOF

1DOF

1DOF

5DOF×2手臂=10DOF

手

五个手指（抓握）

1DOF

1DOF×2手=2DOF

腿

髋关节（F/B，L/R，RT）

膝关节（F/B）

踝关节（F/B，L/R）

3DOF

1DOF

2DOF

6DOF×2腿=12DOF

机器人ASIMO---关于ASIMO的以后设想：

追求技术的不断进步。

21世纪，Honda期待着ASIMO真正地对人类有益，丰富人类的生活。

今后，Honda仍将以〝挑战精神〞连续研究和开发，与ASIMO一起，不断地向〝以后之梦〞迈进。

笔者后记：

新的ASIMO差不多在行走能力上又有了新的突破，2004年12月公布的新型ASIMO差不多能够达到每小时6KM的奔驰速度以及迂回行走。

同时其关节自由度也达到了34个。

新开发的技术依照其官方网站的描述为：

要紧新技术：

1〕能够实现像人类一样自然奔驰的新姿势操纵技术

2〕自律性的连续移动技术

3〕配合人的活动而连贯活动的技术

1、新姿势操纵技术

为了防止高速移动产生的足部打滑和空中旋转，保持平稳状态，Honda通过利用上半身弯曲和旋转的新姿势操纵理论和新开发的高速应答硬件等，使ASIMO的最大奔驰速度达到了3km/h。

同时，步行速度也由原先的1.6km/h提高到2.5km/h。

2、自律性的连续移动技术

通过地面传感器获得的周围环境信息和预先录入的地图信息等，ASIMO能够在步行的同时修正路线偏差，途中无需停歇地直截了当移动到目的地。

通过地面传感器和头部视觉传感器发觉障碍物时，ASIMO能够自身判定，迂回选择其他路线。

3、配合人的活动而连贯活动的技术

SIMO通过头部视觉传感器、手腕部位新增加的腕力传感器等检测人的动作，能够进行物品交接，或配合人的动作而握手，而且能够朝着手被牵引的方向迈步等，实现了与人相配合的动作。

要紧数据

1、奔驰速度

3km/h（跳跃时刻0.05秒）

2、一般步行速度

2.5km/h〔原先为1.6km/h〕

3、身高

130cm〔原先为120cm〕

4、体重

54kg〔原先为52kg〕

5、活动时刻

1小时〔原先为30分钟〕

6、关节自由度

34度〔原先为26度〕

腰部旋转关节：

奔驰或步行时，通过手腕部位的摆动，以及腰部积极地旋转，排除脚部摆动所产生的反作用力，从而提高步行速度。

手腕弯曲关节：

在手腕部位再增加2个轴，使手腕能够柔软、灵活地活动

拇指关节：

原先使用1个马达驱动5个手指，为了使拇指能够独立活动，再增加1个马达，使得ASIMO能够拿各种各样的东西。

头部关节：

在头部关节部位再增加1个轴，以增加头部的表达能力。

※关于新姿势操纵技术

在实现机器人的奔驰方面，面临着2大课题。

一个是正确地吸取飞跃和着陆时的冲击，另一个是防止高速带来