1、北京理工大学机器人研究概况,北京理工大学智能机器人研究所黄强,一、研究所机器人方向二、仿人机器人研究工作,提纲,一、研究所机器人方向,移动机器人微小型机器人空间机器人传感器、驱动控制仿人机器人,移动机器人,微小型机器人,微小型机器人,光电传感器,人体热释电传感器,摄像头,仿人机器人研究工作,仿人机器人的国内外研究现状 仿人型机器人仿真平台 仿人型机器人步行规划与控制 仿人机器人设计,特点：人类生活环境的适应能力工作环境：办公室、医院等运载工具：小汽车、飞机等,仿人机器人,具有双脚、双手、头部、躯干的机器人,作业的通用性：不需改造环境，可代替人完成各种作业,北京理工大学”汇童”仿人机器人,国外研
2、究现状,1973年加藤一郎教授为首的日本早稻田大学1992年日本早稻田大学及工业界组织1997年日本本田技术研究所（10年秘密研究）仿人机器人P2、P3、ASIMO相继问世（目前总投资近100亿日圆）1998年日本通产省国家专项（5年50亿日圆）2000年日本索尼公司,国外研究现状,现在其它组织德国慕尼黑军事大学美国麻省理工学院法国INRIA国家研究所韩国国家科学技术研究院日本富士通公司日本科学技术厅,早稻田大学仿人形机器人,1985年弾銅琴机器人,WABIAN仿人形机器人,日本通产省国家专项仿人形机器人,国内研究现状,起步较早的研究单位国防科技大学哈尔滨工业大学现在研究行列清华大学上海交通大
3、学上海大学中科院沈阳自动化所北京理工大学等,仿真平台的重要性,建立与实际的仿人机器人具有一致性的仿真系统,软件控制方法评价系统软件开发硬件机械机构设计电机性能的评价,降低成本缩短研究周期,基本环境：DADS（Dynamics Analysis and Design System),仿真平台构成,机器人动力学模型电机数学模型传感器数学模型外界环境模型控制器等,地面反力接触模型建立,杨氏系数模量原理:,Em : 杨氏模量 Cr : 弹性系数 : 相对位移 r : 接触半径,优点：计算精度高实际接触变形等同,F = KX + DX,.,K: 66 线性弹性矩阵D: 对角色阻尼矩阵X: 相对位移量和旋
4、转量,力/力矩传感器模型建立,优点：计算简单和实际传感器等同,单梁理论:,根据目标运动算出电机所需技术指标 根据所用的实际电机算出机器人的运动性能 电机参数: 能量、力矩和时间常数,电机模型建立,仿真平台实验,3维步行,确定速度2km/h时所需电机力矩,2. 仿人型机器人 步行规划与控制,1.基于机器人动力学的离线步态规划First design ZMP, then derive body motionTakanishi: ICAR85; Shin: ICRA90;Hirose: ICRA98; Dasgupta: ICRA99, etc.Derive body motion by maxim
5、izing stability marginHuang: ICRA99,稳定步行方面前人的工作,难以应付实际环境的不确定性,2. 基于机器人模型的在线控制Control based on full dynamics including foot contact forces Furusho: IJRR90; Fujimoto: ICRA98Control based on simplified dynamics Yamaguchi: ICRA96; Zheng: IEEE Trans R Hirai: ICRA98, Gienger at ICRA01,稳定步行方面前人的工作,环境突发变化的快
6、速响应 传感信息的局部反馈,固有步态,反射动作,通常环境的周期韵律动作 不断学习和练习而获得,人类的韵律步行,环境突发变化的快速响应 在线的局部传感反馈,已知环境的周期运动 离散的动力学方程计算而获得,传感反射,仿人型机器人的步行,动态步态,动态步态规划,足部运动: 适应路面条件（凹凸路面，楼梯等）躯干运动:维持稳定性 (平衡作用),创新点: (Huang et al, IEEE Trans. R&A 2001)不事先规定轨迹ZMP同时考虑躯干运动范围和ZMP稳定区域,ZMP反射控制踝关节以保持期望的ZMP位置着地相位反射控制脚以合适时间着地躯干姿势反射控制大腿关节以保持期望的躯干姿势,传感反
7、射,创新点: (Huang et al, IEEE Trans. R&A 2005)不需要机器人模型易于对付环境突发变化的快速响应,ZMP 反射,o,o,Dqa(nTs) = Sdqa(jTs),dqa(jTs) =,Kac*dzmp(jTs)-Kas* Dq (j-1)Ts),Fz 0Fz = 0,Dqa,控制踝关节以保持期望的ZMP位置,o,o,o,o,控制脚以合适时间着地,DZf(nTs) = SdZf (jTs),dZf (jTs) =,Kfc*Fz-Kfs* DZf (j-1)Ts),Fz 0Fz = Mr,DZf,着地相位反射,o,Dq h(nTs) = Sdqh(jTs),dqh
8、(jTs) =,Dq actb(jTs)-Khs* Dqh (j-1)Ts),Fz 0Fz = 0,Dq h,控制大腿关节以保持期望的躯干姿势,躯干姿势反射,基于传感器的实时仿真,未知凹凸路面步行,3. 仿人机器人设计,机构设计,材料轻型铝镁合金机构刚性谐波减速器机构形状传动机构连接传动器件特制及特殊加工,控制系统,多计算机动体系结构：动作规划、运动控制、信息处理、遥操作等多级计算机分布式处理：视觉、语言、力觉、平衡觉等采用分布式DSP处理多种通讯方式：Memory Link内存共享、无线网络和有线网络传输,计算机控制结构,复杂动作设计,人体运动获取,运动学匹配,动力学匹配,实验,Humanoid Robot BHR-2 （2005年）,Degrees of Freedom:32 Weight 63 kg DimensionHeight: 1.6 mWidth: 0.5 mDepth: 0.3 m SensorsGyrometersG-sensors6 force/torque sensorsVisionSound,Human actor,Robot Model,“Sword” Movement,汇童参展,创新中国,“十五”重大成就展,凤凰卫视,科技创新成就展,谢谢！,
