阿西莫機器人

1 簡介

　　ASIMO身高1.3米，體重48公斤。它的行走速度是0-9km/h。早期的機器人如果直線行走時突然轉(zhuǎn)向，必須先停下來，看起來比較笨拙。而ASIMO就靈活得多，它可以實時預(yù)測下一個動作并提前改變重心，因此可以行走自如，進行諸如“8”字形行走、

　　下臺階、彎腰等各項“復(fù)雜”動作。此外，ASIMO還可以握手、揮手，甚至可以隨著音樂翩翩起舞。

　　本田公司投入無數(shù)科技研究心血的結(jié)晶——全球唯一具備人類雙足行走能力的類人型機器人阿西莫(ASIMO，AdvancedStepInnovativeMobility，高級步行創(chuàng)新移動機器人)，以憨厚可愛的造型博得許多人的喜愛，眾多的類人功能也不斷地沖擊著人們的想象，似乎科幻電影中的情節(jié)正在一步步變成現(xiàn)實。

　　從2000年10月31日誕生，ASIMO的進步可以用神速來形容，2012最新版的ASIMO，除具備了行走功能與各種人類肢體動作之外，更具備了人工智能，可以預(yù)先設(shè)定動作，還能依據(jù)人類的聲音、手勢等指令，來從事相應(yīng)動作，此外，他還具備了基本的記憶與辨識能力。

2 技術(shù)參數(shù)

　　制造公司日本本田公司

　　誕生日期第一代2000年10月31日第二代2006年第三代2011年

　　身高第一代120cm第二代130cm

　　體重第一代52公斤第二代54公斤第三代48公斤

　　行走速度第一代0-1.6公里/小時第二代0-2.7km/h第三代0-9km/h

　　行走范圍范圍可調(diào)整，步幅可調(diào)整

　　抓握力0.5公斤/手(每只手5個手指)

　　作動器伺服電機+諧波減速器+驅(qū)動單元

　　控制裝置行走/操作控制單元，無線發(fā)送單元

　　傳感器腳部六軸向腳部方位傳感器軀體陀螺儀和加速傳感器

　　電源部分38.4V/10AH(鎳鋅)

　　操作部分操縱臺和便攜控制器

　　身體自由度

　　（類似人類的關(guān)節(jié)）第一代26個角度第二代34個角度第三代57個角度

　　第一代

　　頭部

　　頸關(guān)節(jié)(U/D，RT)*12DOF

　　臂

　　肩關(guān)節(jié)(F/B，U/D，RT)3DOF

　　肘關(guān)節(jié)(F/B)1DOF

　　腕關(guān)節(jié)(RT)1DOF

　　5DOF×2手臂=10DOF

　　手

　　五個手指(抓握)1DOF

　　1DOF×2手=2DOF

　　腿

　　髖關(guān)節(jié)(F/B，L/R，RT)3DOF

　　膝關(guān)節(jié)(F/B)1DOF

　　踝關(guān)節(jié)(F/B，L/R)2DOF

　　6DOF×2腿=12DOF

　　第二代

　　腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：奔跑或步行時，通過手腕部位的擺動，以及腰部積極地旋轉(zhuǎn)，消除腳部擺動所產(chǎn)生的反作用力，從而提高步行速度。

　　手腕彎曲關(guān)節(jié)：在手腕部位再增加2個軸，使手腕能夠柔軟、靈活地活動

　　拇指關(guān)節(jié)：原來使用1個馬達驅(qū)動5個手指，為了使拇指能夠獨立活動，再增加1個馬達，使得ASIMO能夠拿各種各樣的東西。

　　頭部關(guān)節(jié)：在頭部關(guān)節(jié)部位再增加1個軸，以增加頭部的表達能力。

　　控制技術(shù)

　　在實現(xiàn)機器人的奔跑方面，面臨著2大課題。一個是正確地吸收飛躍和著陸時的沖擊，另一個是防止高速帶來的旋轉(zhuǎn)和打滑。

　　1、正確地吸收飛躍和著陸時的沖擊

　　實現(xiàn)機器人的奔跑，要在極短的周期內(nèi)無間歇地反復(fù)進行足部的踢腿、邁步、著地動作，同時，還必須要吸收足部在著地瞬間產(chǎn)生的沖擊。Honda利用新開發(fā)的高速運算處理電路、高速應(yīng)答/高功率馬達驅(qū)動裝置、輕型/高剛性的腳部構(gòu)造等，設(shè)計、開發(fā)出性能高于以往4倍以上的高精度/高速應(yīng)答硬件。

　　2、防止旋轉(zhuǎn)、打滑

　　在足部離開地面之前的瞬間和離開地面之后，由于足底和地面間的壓力很小，所以很容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)和打滑?？朔D(zhuǎn)和打滑，成為在提高奔跑速度方面所面臨的控制上的最大課題。對此，Honda在獨創(chuàng)的雙足步行控制理論的基礎(chǔ)上，積極地運用上半身的彎曲和旋轉(zhuǎn)，開發(fā)出既能防止打滑又能平穩(wěn)奔跑的新型控制理論。

　　由此，ASIMO實現(xiàn)了時速達6km/h的像人類一樣的平穩(wěn)直線奔跑。而且，步行速度也由原來的1.6km/h提高到2.7km/h。另外，人類在奔跑時，邁步的時間周期為0.2-0.4秒，雙足懸空的時間（跳躍時間）為0.05-0.1秒。ASIMO的邁步時間周期為0.36秒，跳躍時間為0.05秒，與人類的慢跑速度相同。

3 功能

　　眼觀六路

　　ASIMO利用其身上安裝的傳感器，擁有360度全方位感應(yīng)，可以辨識出附近的人和物體。配合特別的視覺感應(yīng)器，他可以閱讀人類身上的識別卡片，甚至認(rèn)出從背后走過來的人，真正做到眼觀六路。當(dāng)他識別出合法人員后，還可以自動轉(zhuǎn)身，與之并肩牽手前進。在行進中，ASIMO還能自動調(diào)節(jié)步行速度配合同行者。和人握手時，他能通過手腕上的力量感應(yīng)器，測試人手的力量強度和方向，隨時按照人類的動作變化作出調(diào)整，避免用力太大捏傷人類。

　　ASIMO裝載的大量傳感器，既包括傳統(tǒng)人類的傳感器，也擁有一些超越人類的特殊感應(yīng)器，能夠迅速地了解周圍情況，在復(fù)雜的環(huán)境下也能快速順暢地移動。

　　●視覺感應(yīng)器：其眼部攝影機通過連續(xù)拍攝圖片，再與數(shù)據(jù)庫內(nèi)容作比較，以輪廓的特征識別人類及辨別來者身份；

　　●水平感應(yīng)器：由紅外線感應(yīng)器和CCD攝像機構(gòu)成的sensymg系統(tǒng)共同工作，可避開障礙物。

　　●超音波感應(yīng)器：以音波測量3m范圍內(nèi)的物體，即使在毫無燈光的黑暗中行使也完全無礙。

　　接待員

　　ASIMO已被投放應(yīng)用，如日本的IBM等七家企業(yè)就租用了ASIMO作為接待員。

　　ASIMO能以頭部的眼球運動記錄器和手腕的力覺感應(yīng)器探測人的活動范圍，端盤子、送咖啡等動作根本難不倒他。放下盤子的時候，他會先測試桌子的高度，然后再雙腳彎曲把盤子準(zhǔn)確地放在桌子上，當(dāng)然，受到身高和手臂彎曲角度限制，ASIMO無法把盤子放到過高的地方。

　　如果在搬運的過程中受到?jīng)_撞，ASIMO會啟動全身的震動防護系統(tǒng)，避免盤子跌落。萬一真的跌落，依據(jù)手部傳感器測試的懸掛重量，他也可以作出判斷，立即停止步行，防止踩到盤子。

　　在推手推車時，ASIMO可以在力量傳感器的幫助下，調(diào)整用力的方向，還能自由地減速、轉(zhuǎn)向、向正側(cè)面和斜向移動，他甚至可以沿著一定路線來推車。但是他的力氣很小，只能推動約10千克的小車，指望他作為殘疾人助動暫時還不現(xiàn)實。但由于ASIMO已經(jīng)具有相當(dāng)?shù)闹悄芎投喾N活動能力，作為展館的導(dǎo)游還是綽綽有余的。

　　做運動

　　由于平衡力得到大幅度的改善，ASIMO可以做既柔軟且快速的運動，比如體操和跳舞，甚至能夠和小朋友一起玩耍。

　　作為iWalk(intelligentRealtimeFlexibleWalking，智能實時自由步行)類型機器人，在兩足步行的狀態(tài)下，不可避免會發(fā)生打滑并摔倒在地的情況，ASIMO可是昂貴的產(chǎn)品，摔一下可讓人心痛了。同時，也是為了使他在旋轉(zhuǎn)時姿勢更穩(wěn)定，06版ASIMO加入了新的姿勢控制系統(tǒng)。因此，他能夠在兩腳盡量抬起的同時，積極地控制姿勢的傾斜，甚至創(chuàng)造性地做到了一段時間內(nèi)雙腳騰空。這種如同人類跑步的設(shè)計，使ASIMO行進的時速從3公里倍增至6公里，已經(jīng)達到普通人慢走的速度了，實在是激奮人心的變化。

　　ASIMO快速轉(zhuǎn)彎的時候，他會自動向內(nèi)不同角度地傾斜身體，控制重心以便轉(zhuǎn)身時利用離心力平衡身姿，通過巧妙的控制，輕易地繞開障礙。ASIMO身體傾斜轉(zhuǎn)身快跑時，他那滑稽的姿態(tài)不僅讓人忍俊不禁，還讓人們對科技的力量感到驚奇。也許未來會出現(xiàn)機器人跑步競賽呢！

　　ASIMO2013版在運動方面有了長足的進步，腿部的運動性能尤為明顯?？蒲腥藛T增強了其腿部的能力，ASIMO可以在運動過程中改變其腳部的落地位置，并且還可以將走路、向前跑、倒退跑這幾個動作連續(xù)得非常自然而沒有明顯的停頓，還可以單腿連續(xù)跳躍或進行雙腿的連續(xù)跳躍。正因為有了這樣敏捷的移動性，ASIMO可以應(yīng)對外界的實際情況表現(xiàn)出更為豐富的適應(yīng)性行為，例如在ASIMO行進在并不平坦的路面上時，依舊可以保持住穩(wěn)健的行走姿態(tài)。以上這些表現(xiàn)都是前幾代ASIMO不具備的能力。

　　摩托車的豎直角度和傾斜角度被裝置在車體內(nèi)部的陀螺儀和加速度檢測儀隨時捕捉著數(shù)據(jù)，通過準(zhǔn)確地計算，摩托車的發(fā)動機會根據(jù)車體姿態(tài)的變化隨時修改車輛的動力輸出，確保駕駛者可以在最安全的保護下發(fā)揮出車輛的潛質(zhì)。

　　這其中起到關(guān)鍵作用的陀螺儀和加速度檢測儀元件正是裝配在全新一代ASIMO機器人中的重要配件，可以說，正是因為在ASIMO中的突破性研發(fā)，造就了在2011年度MOTOGP大獎賽上本田RC212V的最終奪冠。

　　自律型說明功能

　　ASIMO不但可以通過捕捉周圍的人的位置和動作判斷情況，還可以同周圍的人進行溝通交流。ASIMO還可以對向其走來的人群的行動路線進行預(yù)估判斷，可以大約判斷出接下來幾秒鐘行人可能行進的路線、軌跡，通過自身的系統(tǒng)計算并規(guī)劃出一條自己的替代路線，可避免與人類發(fā)生碰撞。

　　ASIMO可以瞬間把握周圍觀眾的位置和動作，并可以在周圍的觀眾中挑選出第一個舉手的人來向它提問問題。

　　開發(fā)方向

　　作為智能導(dǎo)游向游客講解相關(guān)內(nèi)容。ASIMO將來將在飛機場、車站等地擔(dān)任道路引導(dǎo)員。

　　溝通范圍

　　ASIMO的溝通系統(tǒng)至2013年只能提問預(yù)設(shè)的問題，也就是說從已知的問題中提問，而回答的答案也是設(shè)定好的。

　　當(dāng)觀眾拿智能手機給它拍照時，ASIMO卻瞬間凌亂了，由于無法辨別觀眾是在拍照還是在舉手問問題，它一直不停的重復(fù)“誰要問ASIMO問題？誰要問ASIMO問題？誰要問ASIMO問題？”

　　改善的任務(wù)執(zhí)行能力

　　本田公司還研發(fā)了多功能性緊湊型機械手，在其手掌和手指多處集合了觸感傳感器和壓力傳感器，并且和人手一樣，它的每一根機械手指都可以獨立進行運動。通過基于視覺和觸覺的識別技術(shù)，這個多手指的機器手令A(yù)SIMO可以靈巧地展示其執(zhí)行任務(wù)時的靈活性，比如撿起地上的玻璃瓶并可以通過手指將其瓶蓋慢慢擰開，或者可以手持一個紙杯去接另一只手側(cè)傾所倒出的液體，并可確保紙杯不發(fā)生擠壓形變。除此之外，全新一代ASIMO機器人可通過手指的復(fù)雜動作來進行手語的正常表達。

4 動作原理

　　類似人類的步行方式

　　除非你很了解機器人學(xué)，否則你很難想象要讓ASIMO象人類這樣行走是多么的困難，而ASIMO又是如何令人難以置信的達到這個程度的。ASIMO的行走中最重要的部分就是它的調(diào)節(jié)能力。ASIMO除了能像人類一樣正常的步行之外，它還能對行走過程中遇到的情況進行自我調(diào)節(jié)。比如在有一定斜度的平面上行走，甚至有可能在行走過程中被人推了一下，ASIMO都能快速對這些情況進行及時地處理，并進行相應(yīng)的姿態(tài)調(diào)節(jié)，以確保能夠正常的行走。

　　為了實現(xiàn)這些，ASIMO的工程師們需要考慮ASIMO在行走中產(chǎn)生的慣性力。當(dāng)機器人行走時，它將受到由地球引力，以及加速或減速行進所引起的慣性力的影響。這些力的總和被稱之為總慣性力。當(dāng)機器人的腳接觸地面時，它將受到來自地面反作用力的影響，這個力稱之為地面反作用力。所有這些力都必須要被平衡掉，而ASIMO的控制目標(biāo)就是要找到一個姿勢能夠平衡掉所有的力。這稱做"zeromomentpoint"(ZMP)。當(dāng)機器人保持最佳平衡狀態(tài)的情況下行走時，軸向目標(biāo)總慣性力與實際地面反作用力相等。相應(yīng)地，目標(biāo)ZMP與地面反作用力的中心點也重合。當(dāng)機器人行走在不平坦的地面時，軸向目標(biāo)總慣性力與實際的地面反作用力將會錯位，因而會失去平衡，產(chǎn)生造成跌倒的力。跌倒力的大小與目標(biāo)ZMP和地面反作用力中心點的錯位程度相對應(yīng)。簡而言之，目標(biāo)ZMP和地面反作用力中心點的錯位是造成失去平衡的主要原因。假若Honda機器人失去平衡有可能跌倒時，下述三個控制系統(tǒng)將起作用，以防止跌倒，并保持繼續(xù)行走狀態(tài)。

　　地面反作用力控制：腳底要能夠適應(yīng)地面的不平整，同時還要能穩(wěn)定的站住。

　　目標(biāo)ZMP控制：當(dāng)由于種種原因造成ASIMO無法站立，并開始傾倒的時候，需要控制他的上肢反方向運動來控制即將產(chǎn)生的摔跤，同時還要加快步速來平衡身體。

　　落腳點控制：當(dāng)目標(biāo)ZMP控制被激活的時候，ASIMO需要調(diào)節(jié)每步的間距來滿足當(dāng)時身體的位置，速度和步長之間的關(guān)系。

　　穩(wěn)步的行走

　　ASIMO能夠感應(yīng)到即將摔倒的情況，并能夠很快對此做出反應(yīng)；但是ASIMO的工程師想要更多的功能。他們不但想讓ASIMO能夠行走的更順暢，還想讓ASIMO能夠在不停止的情況下轉(zhuǎn)身，絕大多數(shù)其它類人機器人無法做到這一點。

　　當(dāng)我們走到彎角處需要轉(zhuǎn)身的時候，我們將我們身體的重心移到轉(zhuǎn)身的位置。ASIMO使用了一種叫做“動作預(yù)測控制”，也叫做“iWalk”技術(shù)來實現(xiàn)。ASIMO需要預(yù)測轉(zhuǎn)身所需要的重心的移動的位置以及持續(xù)時間。由于這個技術(shù)是實時（RealTime）技術(shù)，因此ASIMO能夠不需要停止就能夠轉(zhuǎn)身，實現(xiàn)邊走邊轉(zhuǎn)身。

　　上下樓梯

　　上下樓梯的動作如果只是靠事先的程序輸入的話絕對不可能實現(xiàn)。即使是輸入了階梯的高度及前后的距離，如果多達29層的話，也會因誤差累積而無法正常走下來。為此，Honda在ASIMO的每只腳上，都裝了一個6軸力傳感器，用來監(jiān)測每一步的穩(wěn)定程度。再結(jié)合陀螺儀和加速度傳感器，ASIMO使用了獨特的數(shù)學(xué)算法來讓他上下樓梯，并能夠上下斜坡而如履平地。Honda的工程通過使其腳內(nèi)側(cè)不緊貼地面、腳趾比臺階邊緣向前探出少許這樣的站立方式來探測出臺階的邊緣。在這一狀態(tài)下，如果通過腳底的壓力傳感器進行壓力分布測量的話，可以預(yù)先測出邊緣的位置。下樓梯時的著地點也可以同樣進行預(yù)測。雖然操作人員向ASIMO輸入了樓梯大致的高度，但是最終則是通過ASIMO足底的傳感器來確認(rèn)樓梯位置的。不只是下樓梯，ASIMO還能夠在斜坡上轉(zhuǎn)彎。這是由于ASIMO的每一步都要變換姿勢，并改變與ZMP的關(guān)系，較下樓梯難度更大。下樓梯與在斜坡轉(zhuǎn)彎使用了相同的算法，因此不需要改變模式。

　　單腳站立

　　在任意狀態(tài)下機器人可以用單腿站立并保持身體平衡，這需要機器人擁有高水平的姿態(tài)平衡能力。