《仿人机器人基础理论与技术》黄强，黄岩，余张国作|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《仿人机器人基础理论与技术》

【作　者】黄强，黄岩，余张国作

【页 数】 247

【出版社】 北京：北京理工大学出版社 , 2021.01

【ISBN号】978-7-5682-9545-1

【分 类】仿人智能控制-智能机器人

【参考文献】 黄强，黄岩，余张国作. 仿人机器人基础理论与技术. 北京：北京理工大学出版社, 2021.01.

图书封面：

图书目录：

《仿人机器人基础理论与技术》内容提要：

本书是北京理工大学仿人机器人团队二十余年来在相关领域积累的理论方法、技术创新及应用研究的成果总结，系统地介绍仿人机器人的基础理论与关键技术，遵循深入浅出的讲述方式，适应多层次的读者。本书既可作为仿人机器人领域教师、学生等专业人员的参考资料，也可以作为对仿人机器人有兴趣的读者的入门教程。 本书既有对仿人机器人理论方法的阐述，也有对应用实例的介绍。本书每一章针对仿人机器人研究介绍典型的思想、原理、计算方法，并在每一章最后一节结合一个实例介绍方法如何应用。这样的安排便于读者对该方法有更快速的了解，也易于非机器人专业的初学者学习。

《仿人机器人基础理论与技术》内容试读

■第1章

概述

1.1仿人机器人及其研究意义

仿人机器人是一种具有人类外形特征的机器人，尤其是指有双腿形态的机器人。与其他类型的机器人相比，仿人机器人用双足移动、双手操作，不用改变自身就能适应人类的生活和工作环境，直接使用人类的工具和装备进行工作。

仿人机器人是智能机器人科学问题和关键技术的高度集成研究平台。与其他类型的移动机器人相比，仿人机器人具有自由度高、运动参数多、系统复杂、适应环境多变、运动多样等特点。因此，仿人机器人是机械、材料电子、控制、智能、仿生等多学科交叉的产物，仿人机器人的关键技术突破对智能机器人感知、驱动、传动、控制、智能等技术发展起到推动和引领作用。

仿人机器人在家庭服务、公共安全等领域有广泛和重大需求。在家庭服务方面，仿人机器人具有类人的形态，适用于在家庭环境中协助人类完成各种任务，包括家政服务、娱乐示教、康复护理等。在公共安全方面，仿人机器人可以实现拟人化的“摔滚走爬跳”多模态运动，实现野外复杂环境的作业能力，在代替人类执行危险任务等方面发挥关键作用。

研究仿人机器人也是对人类自身的有益探索。理解人类的运动机理一直是科学界关注的问题，仿人机器人可以作为研究人类行为特征与运动机制的物理

仿人机器人基础理论与技术

模型。仿人机器人动作可重复，参数可以系统、定量地调整，也可以执行人难以完成的危险、极端动作，能深入地分析人类运动的机制。对仿人机器人的研究，也可促进对假肢、外骨骼等人体辅助行走设备的研发。

美国、日本、韩国、德国等发达国家均把仿人机器人研究水平作为本国智能机器人领域研究水平的核心标杆，将发展高性能仿人机器人作为重大国家战略投入巨资支持。仿人机器人研究已经成为这些国家科技竞争的重要制高点之一。

1.2仿人机器人的发展及现状

我国古代最早的仿人机器人记录可以追溯到西周时期，《列子·汤问》记载了能工巧匠偃师发明制作了能歌善舞的机器人。偃师将该机器人献给周穆王，机器人表演栩栩如生，引人惊叹。此后，唐朝的《朝野全载》中记录了可以倒酒的类人机器人，《拾遗录》中记载了可以登台表演的机器人。英语中的“机器人”一词“robot”来源于斯拉夫语中的“robota”,最初出现在捷克

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著名剧作家卡雷尔·恰佩克1920年的科幻戏剧《罗素姆万能机器人》中，其最初的含义是苦役、劳工。苏联科幻作家艾萨克·阿西莫夫在他1942年发表的作品《转圈圈》中第一次明确提出机器人三定律：“机器人不得伤害人类：机器人必须服从人类的命令，除非这条命令与第一条原则相矛盾；机器人必须保护自己，除非这种保护与以上两条原则相矛盾。”近现代仿人机器人的研发始于1967年日本早稻田大学。经过几十年的发展，仿人机器人理论与技术取得重要进展，仿人机器人研究已成为国际智能机器人领域的引领性热点。

1.2.1国外仿人机器人发展进程

回顾国际仿人机器人的发展历程，有三个重要标志：日本早稻田大学

1967年研发双足机器人WL-1,标志着世界上第一台仿人步行机器人的诞生：

日本本田公司1996年发布P2仿人机器人，标志着仿人机器人进入了系统高集

成发展阶段；美国波士顿动力公司2009年发布PETProto机器人，标志着仿人机器人进入高动态运动发展阶段。

1.以早稻田大学仿人机器人为代表的早期发展阶段

日本早稻田大学是仿人机器人研究的发源地。日本早稻田大学加藤一郎教授1967年研发了双足机器人WL-1,1973年研制的WAB0T-1(WAsedaroB0T)是世界上最早的具有全身类人结构的仿人机器人[图1-1(a)]。该机器人具有上身、上肢和双腿，以及视觉识别系统、语音通信系统和触觉传感

第1章概述

器。WABOT-1能够通过视觉识别物体、通过听觉和语音合成与人进行交流，

还可以实现双足行走，并用上肢和双手搬运物体。之后，加藤一郎实验室又开发了WABOT-2[图1-1(b)],该机器人能够进行基本的对话，可以通过视觉阅读乐谱，能控制双手和脚在钢琴上演奏。后来，日本早稻田大学研发了

WL-9DR、WL-1OR、WL-12RVII、WABIAN等仿人机器人。

WABOT-2

(a)

(b)

图1-1日本早稻田大学研发的仿人机器人WABOT-1和WABOT-2

(a)WABOT-1机器人；(b)WABOT-2机器人

在美国，Marc Raibert从l980年开始先后在卡内基梅隆大学(CMU)和麻省

理工学院(MT)领导腿足机器人研究，研发了系列单腿、双足、四足机器人，实

现了跳跃、奔跑等运动，图1-2(a)和图1-2(b)显示了其中两款代表性的双足机器人。图1-2（a)为1985一1990年研制的一款二维双足机器人，用

(a)

(b)

图1-2美国麻省理工学院Leg Laboratory在20世纪8090年代研制的

两款代表性双足机器人

(a)二维双足机器人；(b)三维双足机器人

仿人机器人基础理论与技术

来验证单腿控制算法可以推广到双足机器人的奔跑上，该机器人可以实现在不平整地面上的运动。图1-2(b)为一款1989一1995年研制的三维双足机器人，该机器人可以实现跳跃、奔跑等运动。1992年Marc Raibert创立波士顿动力(Boston Dynamics)公司。

2.以本田仿人机器人为代表的系统高度集成发展阶段

日本本田公司从1986年开始实施研制仿人机器人的秘密计划，经过10年

的秘密研发，在1996年推出了仿人机器人P2[图1-3()]。该机器人身高

180cm,体重210kg,将电源、传感器集成于一体，应用基于传感器的平衡控制方法。此后，本田公司又在1997年发布了仿人机器人P3[图1-3(b)],身高160cm,体重130kg,该机器人不仅能在平地上行走，还可以在台阶和倾斜的路面上运动。2O00年，本田公司推出了仿人机器人ASIM0(Advanced

Step in M0 bility)[图1-3(c)],身高120cm,体重43kg。ASIM0具有26个自由度，可以实现行走、上下楼梯、舞蹈等复杂的运动，还能实现跑步。该机器人装配了视觉感应器、超声波感应器等大量传感器，可以识别附近的人和物体。

相比于早期的仿人机器人，本田公司的成功主要源于机械制造、驱动方式及传感控制技术，并在此基础上实现了系统高度集成。本田公司在步行机构中应用高刚度连杆，在驱动中采用大扭矩的谐波减速器，以保证较高的机器人整体刚度并消除传动齿隙，满足大扭矩的传动。同时，本田公司还专门开发了适合大型仿人机器人的传感器，应用加速度计和姿态传感器检测机器人躯干的位姿，应用六维力/力矩传感器检测地面对机器人的反作用力/力矩。这些做法也成为后来仿人机器人研制的重要参考。

(a)

(b)

(c)

图1-3日本本田公司研制的仿人机器人

(a)P2;(b)P3;(c)ASIMO

第1章概述

。

在本田公司成功推出一系列仿人机器人之后，一些其他日本公司和研究机构也展开了仿人机器人的研究。

1998年开始，日本经济产业省(Ministry of Economy,Trade and Industry)投人4000万美元进行为期五年的仿人机器人工程(Humanoid Robotics

Project)。该工程的主要目标是研发能够在工厂中执行任务、在家庭和办公环境中服务的仿人机器人。在该项目的支持以及一些日本高校和研究机构的参与

下，一系列仿人机器人被研发出来，其中比较著名的是HRP-2和HRP4C。

HRP-2身高154cm,重58kg,如图1-4(a)所示，该机器人具有语音识别功能和声音识别技术，可以在非平整地面行走，从摔倒姿态爬起，与人进行交互操作等。HRP4C身高158cm,体重43kg,如图1-4(b)所示，是一款具有表情的美女机器人。该机器人具有更灵巧的运动能力，可以做出喜、怒、哀、乐和惊讶的表情，能够做出类人的舞蹈动作并像真人那样唱出优美的歌曲。

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(a)

(b)

图1-4日本经济产业省研制的代表性仿人机器人HRP-2和HRP4C

(a)HRP-2;(b)HRP-4C

日本早稻田大学2O06年发布的仿人机器人WABIAN-2R(WAsedaBIpedal humANoid-.No.2 Refined)身高148cm,体重64kg,如图1-5所示。该机器人的脚部具有弯曲的足弓和脚趾关节，在行走时用脚跟先着地，抬脚时脚趾关节先弯曲然后蹬地，行走时步态与人类比较接近。

韩国科学技术院(Korea Advanced Institute of Science and Technology,

KAIST)从21世纪初开始研制出了一系列仿人机器人。其中最著名的是2004

年发布的KHR-3,也称为HUB0,如图1-6所示。该机器人身高120cm,体

仿人机器人基础理论与技术

图1-5日本早稻田大学研制的仿人机器人WABIAN-2R

重55kg,具有认知和合成声音的功能，以及两眼单独活动的视觉功能

欧洲也在仿人机器人领域进行了大量研究，并取得了很多成就。德国慕尼黑工业大学应用力学研究所在2003年研制了仿人机器人Johnnie,该机器人高

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1.8m,重40kg,具有23个自由度，可实现2.2k/h速度的行走。随后该单位的研究者又在Johnnie基础上研制了新型仿人机器人LOLA,如图1-7所示。

LOLA在很多方面都有突破性的提高，例如增加足部的主动和被动自由度，使用

仿生轻量化设计来优化腿部等关键结构，以及一体化集成的模块化关节驱动。

图1-6韩国科学技术院研制的HUB0图1-7德国慕尼黑工业大学研制的LOLA

德国宇航局(Deutsches Zentrum fur Luft-und Raumfahrt,DLR)从2Ol0年开

始研制一款双足机器人，2013年发布了最新版本，命名为“TOR0”(图1-8)。

···试读结束···