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《机器人程序设计——仿人机器人竞技娱乐运动设计》课件第1章.ppt

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第1章仿人机器人发展概况

1.1引言

1.2仿人机器人国内外发展概述

1.1引言

机器人对我们来说已经不再陌生,比尔·盖茨曾预言:

未来机器人肯定会像个人电脑一样普及每一个家庭,那势必

又将掀起一次技术性的革命,改变人类的日常生活。步入21

世纪以来,对机器人的研究已经成为最具有代表性的高技术

课题之一,因为它涵盖了机械、控制、电子、计算机、人工

智能等各个领域。

仿人机器人是一种外形像人的机器人。在当今机器人领

域里,具有双足的仿人机器人也许是最具有吸引力和挑战性

的研究平台之一,这不仅是因为人类想要创造一个和自身类

似的机器人,它可以模拟人类思维、与人类交谈、进行各种

仿人的运动,从而更容易被人类社会所接受,而且由于现代

社会的环境是人类设计的,例如各种楼梯、人行道、门把的

位置以及使用工具的大小等诸多事物都应设计成符合人类的

使用习惯。因此,对仿人机器人的研究就可以省去为研究其

他机器人而专门设计的环境空间。

与其他移动机器人(轮式、履带式、爬行式机器人等)相

比,仿人机器人具有高度的适应性与灵活性。具体表现在:

(1)对环境要求低。仿人机器人与地面的接触点是离散

的,可以选择合适的落脚点来适应崎岖的路面,它既可以在

平地上行走,也可以在复杂的非结构化环境中行走,如在凹

凸不平的地面上行走、在狭窄的空间里移动、上下楼梯和斜

坡、跨越障碍等。由于其外形和功能像人,仿人机器人适合

在人类生活和工作的环境中与人类协同工作,不需要专门为

其进行大规模的环境改造。

(2)动作灵活。除了完成普通多足机器人可以实现的变

速前进与后退外,仿人机器人还可以实现不同角度和速度的

转弯,并能够完成跑、跳、踢甚至一些类似舞蹈与武术的高

难度动作。

(3)能量消耗小。机器人力学计算表明,仿人机器人具

有比轮式和履带式机器人更小的能耗。已有的仿人机器人步

行研究显示,被动式机器人可以在没有主动能量输入的情况

下,完全采用重力作为驱动力完成下坡等动作。另外,改进

能源装置和机械结构也可以不同程度地减少能量的消耗,进

一步提高能量的利用率。

1.2仿人机器人国内外发展概述

1.2.1仿人机器人国外发展现状

号称“机器人王国”的日本在仿人机器人研究领域走在

了世界的前沿。日本早稻田大学的仿人机器人研究小组是世

界上第一个研究仿人机器人的小组。他们从1968年就开始开

展WABOT仿人机器人计划,直到1973年,“仿人机器人之

父”加藤一郎开发了世界上第一台仿人机器人WABOT-1,

如图1-1(a)所示。虽然当时这台机器人只能够简单地通过静

态方式步行,但是它能够用日语和人进行简单的交流,并且

可以通过视觉识别物体,还能用双手操作物体。之后,由于

使用不同的驱动舵机,特别是各种不同的人工肌肉和控制方

法,

该研究小组一直在推出各种型号的WABOT仿人机器人,并

且把相关研究领域如智能和生物技术进行有效的综合。该研

究组最近推出的Wabian-RV仿人机器人如图1-1(b)所示,它

具有43个制动电机和8个被动关节,成为迄今为止最复杂的

仿人机器人之一。这款机器人能够提前分析视觉和听觉来模

拟人类的感官系统,并根据传感器信息,在线生成整个身体

的运动,它还可以通过高兴、悲伤和生气等表情来和人类进

行情感上的交流。

图1-1早期机器人

日本本田公司于1986年开始制定研制仿人机器人计划,

经过长达10年的研究,于1996年成功研制出P2机器人,如

图1-2(a)所示。P2机器人身高180 cm,体重210 kg。它的研

制成功,使仿人机器人的研究步入了新的时代。本田公司采

用合金连杆和谐波减速驱动,消除了传动背隙,并采用计算

机辅助设计,使用有限元的方法进行三维立体分析。这种开

发方式成为了研制仿人机器人的一种范本。本田公司在P2

机器人推出之后,于1997年又推出了身高和体重比P2机器

人小的P3机器人(见图1-2(b)),后又于2000年推出了身高

120 cm,体重43 kg的ASIMO机器人(见图1-2(c))。ASIMO机

器人集成了当今世界上最先进的研究成果,在运动规划、

视觉定位、语音识别等各个方面都有不俗的表现。其步态采

用I-WALK(IntelligentReal-timeFlexibleWalk)技术,可以实

时预测下一步的动作,从而提前改变自身重心来调节整体动

作的连贯性。

图1-2本田公司开发的机器人

2004年之后,新的技术应用在ASIMO机器人身上,使

其能够以6 km/h的速度像人一样平稳地跑步,而且可以非常

自然地做各种复杂的动作,例如上下

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