仿生机器人分析.pptx

仿生机器人仿生学仿生学n定义：仿生学（仿生学（bionics bionics）是指模仿生物建造技）是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。仿生学的问间内，它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。示了极强的生命力。仿生仿生机器人技术简介机器人技术简介n n定义n n分类n n特点n n国内外研究情况n n目前存在难题n n发展方向 仿生机器人定义仿生机器人定义n n模仿自然界中生物的外形、运动原理或行为方式的系统，能从事生物特点工作的机器人。返回首页按照所模仿对象进行分类按照所模仿对象进行分类n n仿人，包括仿人的机械臂和仿人步行。n n仿生物。n n生物机器人。返回首页仿生机器人特点仿生机器人特点n n多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人，机构复杂。n n其驱动方式不同于常规的关节型机器人，通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动。返回首页仿生机器人国内外研究情况仿生机器人国内外研究情况n n水下仿生机器人n n空中仿生机器人n n地面仿生机器人n n仿人机器人n n生物机器人返回首页仿生機械仿生機械海下海下水下仿生机器人水下仿生机器人北航北航水下仿生机器鱼水下仿生机器鱼日本日本水下仿生机器鱼水下仿生机器鱼日本日本 Underwater-Wandan nPower Supply:NiCd Power Supply:NiCd Batteries+17 VBatteries+17 Vn nDynamic:Dynamic:n nPurpose:SwimmingPurpose:SwimmingJohn Kumph iRobothttp:/robosapiens.mit.edu/wanda.htmArieliRobothttp:/robosapiens.mit.edu/ariel.htmn nSensor:Motor position,foot contact,pressure Sensor:Motor position,foot contact,pressure (underwater),flow(underwater),compass,(underwater),flow(underwater),compass,inclinometer,metal detectorsinclinometer,metal detectorsn nPower Supply:22 NiCd cells Power Supply:22 NiCd cells n nCost:$50000(materials only)Cost:$50000(materials only)n nDynamic:Dynamic:n nPurpose:mine sweepingPurpose:mine sweeping水下仿生机器人水下仿生机器人美国美国返回首页空中仿生机器人空中仿生机器人n n定义n n举例空中仿生机器人定义空中仿生机器人定义n n具有自主导航能力，无人驾驶的飞行器。返回空中仿生机器人举例空中仿生机器人举例n n美国机器蝇n n法国机器鸟返回首页地面仿生机器人地面仿生机器人返回返回蛇形机器人蛇形机器人返回返回 蒼龍蒼龍、号機号機 Shigeo Hirose TITechShigeo Hirose TITechhttp:/mozu.mes.titech.ac.jp/hirohome.htmlhttp:/mozu.mes.titech.ac.jp/hirohome.htmln nSensor:(CCD x2+Microphone)Sensor:(CCD x2+Microphone)n nPower Supply:DC12V BatteryPower Supply:DC12V Batteryn nDynamic:Motor 72W x1+17W x2Dynamic:Motor 72W x1+17W x2n nPurpose:SaviourPurpose:Saviour爬壁机器人爬壁机器人NINJADynamic:Dynamic:A A VM(Valve-regulated Multiple)suction padVM(Valve-regulated Multiple)suction pad Purpose:Purpose:清洗窗戶清洗窗戶!高速道路牆壁檢查高速道路牆壁檢查!Avi:Avi:1 1Shigeo HiroseShigeo HiroseTITechTITechhttp:/mozu.mes.titech.ac.jp/hirohomhttp:/mozu.mes.titech.ac.jp/hirohome.htmle.html TITAN-VIII (Roller-Walker)n nSensor:Potentiometer for each joint Sensor:Potentiometer for each joint n nPower Supply:DC 30 to 48v(for motors)Power Supply:DC 30 to 48v(for motors)DC 5v,+-15v(for drivers)DC 5v,+-15v(for drivers)n nCost:Cost:24years,40persons24years,40personsn nDynamic:Dynamic:TITechDriver Ver.2TITechDriver Ver.2n nPurpose:Rescue(VII),Load(VIII)Purpose:Rescue(VII),Load(VIII)n nAvi:Avi:movemoveShigeo HiroseShigeo HiroseTITechTITechhttp:/mozu.mes.titech.ac.jphttp:/mozu.mes.titech.ac.jp/hirohome.html/hirohome.htmlRocker Bogie Sole Stiquiton nPower Supply:9V batteryPower Supply:9V batteryn nCost:$10Cost:$10n nDynamic:Nitinol WiresDynamic:Nitinol Wires(記憶金屬記憶金屬)n nPurpose:Muscle wirePurpose:Muscle wiren nAvi:Avi:1 1、2 2James M.Conrad(Research Triangle Park)Jonathan W.Mills(Indiana University)http:/www.cs.indiana.edu/robotics/colony.html返回首页最成功的四足机器人最成功的四足机器人BigDog仿人机器人仿人机器人n仿人肢体型n仿人双足型返回首页日本双足机器人日本双足机器人n n日本本田和大阪大学联合研制的P1,P2,P3型仿人步行机器人。n n在P3基础上研制了ASIMO智能机器人（1.2m,43kg,)爬楼梯，6km/h奔跑，声音识别，通过头部照相机捕捉画面识别人类各种手势和10种脸型。返回TMSUK04 T5 http:/www.tmsuk.co.jp/jap/index.html遠端操控1993年1月開発 1996年1月開発 1997年開発 TMSUK04TMSUK04 1999年開発T5 2000年開発TMSUK04-2 株式会社 危険地域（工事現場災害現場）滅火!2000年前后，日本年前后，日本SONY、丰田、本田、富士通等公、丰田、本田、富士通等公司开发并展示了一系列类人型机器人产品，具备了较高司开发并展示了一系列类人型机器人产品，具备了较高的水平。的水平。SDR-4X(Sony Dream Robot)http:/www.watch.impress.co.jp/pc/docs/2002/0320/sony.htm1994 P1ASIMO SDR 2000P31997 P2PS:Prototype=原形 ASIMO=short for Advanced Step in Innovative Mobility 1996公開發表震撼機械人學界!1988年国防科技大学研制成功了六关节平面运动型双年国防科技大学研制成功了六关节平面运动型双足步行机器人。足步行机器人。2000年，我国第一台类人型机器人在国防科大研制成年，我国第一台类人型机器人在国防科大研制成功。功。目前，国内也有较成熟的类人型机器人产品。目前，国内也有较成熟的类人型机器人产品。Nao机器人机器人法国法国Aldebaran-Robotics 公司的产品。公司的产品。RoboCup机器人世界杯的标准平台组比赛用机器人。有视觉、听觉和姿态传感，能感知外部环境和自身姿有视觉、听觉和姿态传感，能感知外部环境和自身姿态。态。它可在它可在 Linux、微软或、微软或 MacOS 等多种平台上编程开发。等多种平台上编程开发。价格约为十多万人民币。价格约为十多万人民币。n n机器人综合特性参数：机器人综合特性参数：机器人综合特性参数：机器人综合特性参数：体型特征：体型特征：体型特征：体型特征：身身 高：高：5858公分公分体体 重：重：4.3 Kg4.3 Kg身体类型：身体类型：工业塑料工业塑料能耗：能耗：能耗：能耗：电电 源：源：AC 90-230 V/DC 24 VAC 90-230 V/DC 24 V电池容量：电池容量：充电后使用充电后使用45min45min，可反复使用，可反复使用400400次以上。次以上。自由度：自由度：自由度：自由度：共计共计共计共计25 25 自由度自由度自由度自由度头头 部：部：2 2 自由度自由度手手 臂：臂：5 5 自由度自由度*2 2 只只骨骨 盆：盆：1 1 自由度自由度腿腿 部：部：5 5 自由度自由度*2 2 只只手：手：1 1 自由度自由度*2 2 只只多媒体：多媒体：多媒体：多媒体：扬声器：扬声器：2 2 只扬声器只扬声器扩音器：扩音器：4 4 只话筒只话筒视视 觉：觉：2 2 只只CMOSCMOS数字摄像头数字摄像头处理器配置及编程环境处理器配置及编程环境 x86 AMD Geode 500 Mhz 嵌入式 CPU，256 MB SDRAM/2 GB Flash memory，嵌入Linux 操作系统。可以可以通过行为编辑软件Choregraphe，使用C+语言编程，或是通过一个丰富的应用程序接口（API），使用不同脚本语言来编程。编辑好的程序通过网络接口下载并执行。n n各种传感器各种传感器各种传感器各种传感器压力传感器（压力传感器（压力传感器（压力传感器（FSRFSR）NaoNaoNaoNao的每只脚上配备有四个压力传感器（的每只脚上配备有四个压力传感器（的每只脚上配备有四个压力传感器（的每只脚上配备有四个压力传感器（FSRFSRFSRFSR），传感），传感），传感），传感器的值用来确定每只脚压力中心的位置，并进行适当调整，器的值用来确定每只脚压力中心的位置，并进行适当调整，器的值用来确定每只脚压力中心的位置，并进行适当调整，器的值用来确定每只脚压力中心的位置，并进行适当调整，让让让让NaoNaoNaoNao更好地保持平衡。更好地保持平衡。更好地保持平衡。更好地保持平衡。NAO的硬件部分n n声纳声纳声纳声纳 NaoNao的躯干上安装了两的躯干上安装了两的躯干上安装了两的躯干上安装了两对超声波发射器和接收器，对超声波发射器和接收器，对超声波发射器和接收器，对超声波发射器和接收器，这样，这样，这样，这样，NaoNao就可以了解到周就可以了解到周就可以了解到周就可以了解到周围是否有障碍物以及障碍物围是否有障碍物以及障碍物围是否有障碍物以及障碍物围是否有障碍物以及障碍物的数量。的数量。的数量。的数量。n n红外传感器红外传感器红外传感器红外传感器 安装在安装在安装在安装在NaoNao眼睛里的眼睛里的眼睛里的眼睛里的红外线发射器和接收器可红外线发射器和接收器可红外线发射器和接收器可红外线发射器和接收器可以使以使以使以使NaoNao连接至其周围的连接至其周围的连接至其周围的连接至其周围的物体，作为远程控制。物体，作为远程控制。物体，作为远程控制。物体，作为远程控制。（直线传输）（直线传输）（直线传输）（直线传输）n n摄像头摄像头 NaoNao配备有两个配备有两个配备有两个配备有两个CMOS CMOS 摄像头，规格摄像头，规格摄像头，规格摄像头，规格640 x480640 x480，每秒，每秒，每秒，每秒最多能捕获最多能捕获最多能捕获最多能捕获3030个图像。第一个图像。第一个图像。第一个图像。第一个摄像头位于前额，看向前个摄像头位于前额，看向前个摄像头位于前额，看向前个摄像头位于前额，看向前方。另一个位于嘴部，观察方。另一个位于嘴部，观察方。另一个位于嘴部，观察方。另一个位于嘴部，观察其附近的环境。其附近的环境。其附近的环境。其附近的环境。n n麦克风和扬声器麦克风和扬声器麦克风和扬声器麦克风和扬声器 NAONAO的脑袋中装备有的脑袋中装备有的脑袋中装备有的脑袋中装备有4 4个全方位的麦克风，在两个个全方位的麦克风，在两个个全方位的麦克风，在两个个全方位的麦克风，在两个耳朵部位装备有两个立体声的扬声器。耳朵部位装备有两个立体声的扬声器。耳朵部位装备有两个立体声的扬声器。耳朵部位装备有两个立体声的扬声器。n n碰撞传感器碰撞传感器 如果障碍物过低而无法被如果障碍物过低而无法被如果障碍物过低而无法被如果障碍物过低而无法被胸前的探测器探测到（例如台胸前的探测器探测到（例如台胸前的探测器探测到（例如台胸前的探测器探测到（例如台阶、地上的物体等），那么位阶、地上的物体等），那么位阶、地上的物体等），那么位阶、地上的物体等），那么位于于于于NaoNaoNaoNao脚尖的机械碰撞传感器脚尖的机械碰撞传感器脚尖的机械碰撞传感器脚尖的机械碰撞传感器会首先碰触到障碍物并把这一会首先碰触到障碍物并把这一会首先碰触到障碍物并把这一会首先碰触到障碍物并把这一信息传送给信息传送给信息传送给信息传送给NaoNaoNaoNao。这样，。这样，。这样，。这样，NaoNaoNaoNao就就就就可以试着绕开这个障碍物。可以试着绕开这个障碍物。可以试着绕开这个障碍物。可以试着绕开这个障碍物。n n电容式传感器电容式传感器 NaoNao的头顶上配备了一个的头顶上配备了一个的头顶上配备了一个的头顶上配备了一个电容式传感器。这样，可以电容式传感器。这样，可以电容式传感器。这样，可以电容式传感器。这样，可以通过触摸向通过触摸向通过触摸向通过触摸向NaoNao传递信息。传递信息。传递信息。传递信息。例如，要责备例如，要责备例如，要责备例如，要责备NaoNao时，可以时，可以时，可以时，可以简单按几下。简单按几下。简单按几下。简单按几下。n n陀螺仪传感器陀螺仪传感器 陀螺仪传感器可以感陀螺仪传感器可以感陀螺仪传感器可以感陀螺仪传感器可以感知物体所处的机械状态，知物体所处的机械状态，知物体所处的机械状态，知物体所处的机械状态，从而辅助从而辅助从而辅助从而辅助NAONAO更好地保持更好地保持更好地保持更好地保持身体的平衡，并且可以使身体的平衡，并且可以使身体的平衡，并且可以使身体的平衡，并且可以使NAONAO跌倒了自动站起来。跌倒了自动站起来。跌倒了自动站起来。跌倒了自动站起来。n nNAO的通信与交流方式的通信与交流方式 NaoNao可以通过红外线进行远程控制。可以通过红外线进行远程控制。可以通过红外线进行远程控制。可以通过红外线进行远程控制。NaoNao也也也也可以通过可以通过可以通过可以通过Wi-FiWi-Fi来连接无线，来连接无线，来连接无线，来连接无线，NaoNao还可以通过语音还可以通过语音还可以通过语音还可以通过语音识别进行进行简单的命令接收和交流。识别进行进行简单的命令接收和交流。识别进行进行简单的命令接收和交流。识别进行进行简单的命令接收和交流。生物机器人生物机器人n即活体生物的人工控制。返回首页仿生机器人发展方向仿生机器人发展方向n n结构微型化结构微型化用于小型管道的检测等用于小型管道的检测等n n可重构机器人（模块化和可重组）可重构机器人（模块化和可重组）-军事侦察、灾军事侦察、灾害现场调查害现场调查n n实用性实用性服务型机器人服务型机器人n n仿生机器人群仿生机器人群机器人生产线、无人作战机群机器人生产线、无人作战机群n n新型仿生原理机器人新型仿生原理机器人运动机理的建模、生物行运动机理的建模、生物行为方式的研究。为方式的研究。n n智能化：非结构环境下具有普遍实用意义的自主智能化：非结构环境下具有普遍实用意义的自主步态规划生成及控制。步态规划生成及控制。返回首页蟑螂机器人蟑螂机器人返回首页机器蝇机器蝇返回机器鸟机器鸟返回机械手机械手n n国外先进机械手n n哈工大灵巧手n n北航灵巧手返回东京机器手东京机器手i机器手机器手卡门机械臂卡门机械臂返回返回日本灵巧手日本灵巧手n n4指，各三个关节，全手共14个自由度。返回仿生微型机器人仿生微型机器人n n仿生微型机器人定义n n国内外研究投入情况n n发展方向返回仿生微型机器人国内外研究情况仿生微型机器人国内外研究情况日本日本通产省通产省“微型机械十年计划微型机械十年计划”（9393年开始）年开始）经费经费250250亿日元亿日元 体积体积1 1立方立方cm cm 零件尺寸零件尺寸100100微米以下微米以下 用于用于核电站管道维护和人体疾病治疗核电站管道维护和人体疾病治疗德国德国为期为期3 3年年 60006000万英镑万英镑 “毫微米技术开发计划毫微米技术开发计划”美国美国蚂蚁微型机器人、苍蝇微型机器人蚂蚁微型机器人、苍蝇微型机器人中国中国主要集中在高校主要集中在高校 比如上交的六足微小型仿蟑螂机器人比如上交的六足微小型仿蟑螂机器人返回仿生微型机器人发展方向仿生微型机器人发展方向n n微型能源n n微驱动和控制技术n n纳米级尺寸的发展n n新型仿生原理机器人返回蜜蜂蜜蜂沙漠蚂蚁沙漠蚂蚁蚂蚁化学导航蚂蚁化学导航返回返回CPG在仿生机器人技术中的应用在仿生机器人技术中的应用n nCPGCPG（central pattern generator),central pattern generator),生物利用生物利用CPGCPG振荡网络的自振荡网络的自激行为产生有节律的协调运动。激行为产生有节律的协调运动。n n基于基于CPGCPG原理原理的运动控制是新兴的机器人运动控制方法。的运动控制是新兴的机器人运动控制方法。n n基于基于CPGCPG网络的特点网络的特点，可以作为机器人运动的底层控制器。，可以作为机器人运动的底层控制器。n n目前已经实现了运用目前已经实现了运用LabviewLabview完成完成CPGCPG神经网络模型的软件神经网络模型的软件实现，并应用于实现，并应用于舵机驱动爬壁机器人舵机驱动爬壁机器人的运动控制。的运动控制。n n在仿生机器人中的在仿生机器人中的应用实例应用实例。返回CPG网络的特点网络的特点n n可以在缺乏高层命令和外部反馈的情况下自动产生稳定的节律信号，而反馈信号和高层命令又可以对CPG的行为进行调节。n n通过相位锁定，可以产生多种稳定、自然的相位关系，实现不同的运动模式。n n易于和输入信号或物理系统耦合，使节律行为在整个系统中传导。n n结构简单，具有很强的适应性。返回CPG单元单元CPG神经元结构图神经元结构图CPG网络网络返回舵机驱动爬壁机器人舵机驱动爬壁机器人返回CPG在仿生机器人中的应用实例在仿生机器人中的应用实例n n鱼形机器人鱼形机器人-国防科大，由两个神经元和简单连国防科大，由两个神经元和简单连接关系组成，其振荡的收敛速度，幅度和频率分接关系组成，其振荡的收敛速度，幅度和频率分别由动力学方程中的三个参数独立控制，该系统别由动力学方程中的三个参数独立控制，该系统能够对启动、停止和直线巡游等动作进行良好控能够对启动、停止和直线巡游等动作进行良好控制。制。n n蛇形机器人蛇形机器人-中科院，构建了蛇形机器人中科院，构建了蛇形机器人CPGCPG网网络模型，通过动力学仿真验证了该络模型，通过动力学仿真验证了该CPGCPG网络对蜿网络对蜿蜒运动控制的有效性，并仿真验证了转弯控制。蜒运动控制的有效性，并仿真验证了转弯控制。返回ASIMO终结者终结者返回人造肌肉人造肌肉人造肌肉机械臂人造肌肉机械臂人造肌肉机器人人造肌肉机器人返回亟待解决的难题亟待解决的难题n n体积重量过大n n平台承载能力不强n n视觉研究不成熟n n步行敏捷性不强n n控制方法控制算法需要改进n n供能续航问题返回首页蛇蛇返回SMA驱动驱动返回