阿西莫机器人

1 简介

　　ASIMO身高1.3米，体重48公斤。它的行走速度是0-9km/h。早期的机器人如果直线行走时突然转向，必须先停下来，看起来比较笨拙。而ASIMO就灵活得多，它可以实时预测下一个动作并提前改变重心，因此可以行走自如，进行诸如“8”字形行走、

　　下台阶、弯腰等各项“复杂”动作。此外，ASIMO还可以握手、挥手，甚至可以随着音乐翩翩起舞。

　　本田公司投入无数科技研究心血的结晶——全球唯一具备人类双足行走能力的类人型机器人阿西莫(ASIMO，AdvancedStepInnovativeMobility，高级步行创新移动机器人)，以憨厚可爱的造型博得许多人的喜爱，众多的类人功能也不断地冲击着人们的想象，似乎科幻电影中的情节正在一步步变成现实。

　　从2000年10月31日诞生，ASIMO的进步可以用神速来形容，2012最新版的ASIMO，除具备了行走功能与各种人类肢体动作之外，更具备了人工智能，可以预先设定动作，还能依据人类的声音、手势等指令，来从事相应动作，此外，他还具备了基本的记忆与辨识能力。

2 技术参数

　　制造公司日本本田公司

　　诞生日期第一代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

　　体重第一代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/小时第二代0-2.7km/h第三代0-9km/h

　　行走范围范围可调整，步幅可调整

　　抓握力0.5公斤/手(每只手5个手指)

　　作动器伺服电机+谐波减速器+驱动单元

　　控制装置行走/操作控制单元，无线发送单元

　　传感器脚部六轴向脚部方位传感器躯体陀螺仪和加速传感器

　　电源部分38.4V/10AH(镍锌)

　　操作部分操纵台和便携控制器

　　身体自由度

　　（类似人类的关节）第一代26个角度第二代34个角度第三代57个角度

　　第一代

　　头部

　　颈关节(U/D，RT)*12DOF

　　臂

　　肩关节(F/B，U/D，RT)3DOF

　　肘关节(F/B)1DOF

　　腕关节(RT)1DOF

　　5DOF×2手臂=10DOF

　　手

　　五个手指(抓握)1DOF

　　1DOF×2手=2DOF

　　腿

　　髋关节(F/B，L/R，RT)3DOF

　　膝关节(F/B)1DOF

　　踝关节(F/B，L/R)2DOF

　　6DOF×2腿=12DOF

　　第二代

　　腰部旋转关节：奔跑或步行时，通过手腕部位的摆动，以及腰部积极地旋转，消除脚部摆动所产生的反作用力，从而提高步行速度。

　　手腕弯曲关节：在手腕部位再增加2个轴，使手腕能够柔软、灵活地活动

　　拇指关节：原来使用1个马达驱动5个手指，为了使拇指能够独立活动，再增加1个马达，使得ASIMO能够拿各种各样的东西。

　　头部关节：在头部关节部位再增加1个轴，以增加头部的表达能力。

　　控制技术

　　在实现机器人的奔跑方面，面临着2大课题。一个是正确地吸收飞跃和着陆时的冲击，另一个是防止高速带来的旋转和打滑。

　　1、正确地吸收飞跃和着陆时的冲击

　　实现机器人的奔跑，要在极短的周期内无间歇地反复进行足部的踢腿、迈步、着地动作，同时，还必须要吸收足部在着地瞬间产生的冲击。Honda利用新开发的高速运算处理电路、高速应答/高功率马达驱动装置、轻型/高刚性的脚部构造等，设计、开发出性能高于以往4倍以上的高精度/高速应答硬件。

　　2、防止旋转、打滑

　　在足部离开地面之前的瞬间和离开地面之后，由于足底和地面间的压力很小，所以很容易发生旋转和打滑。克服旋转和打滑，成为在提高奔跑速度方面所面临的控制上的最大课题。对此，Honda在独创的双足步行控制理论的基础上，积极地运用上半身的弯曲和旋转，开发出既能防止打滑又能平稳奔跑的新型控制理论。

　　由此，ASIMO实现了时速达6km/h的像人类一样的平稳直线奔跑。而且，步行速度也由原来的1.6km/h提高到2.7km/h。另外，人类在奔跑时，迈步的时间周期为0.2-0.4秒，双足悬空的时间（跳跃时间）为0.05-0.1秒。ASIMO的迈步时间周期为0.36秒，跳跃时间为0.05秒，与人类的慢跑速度相同。

3 功能

　　眼观六路

　　ASIMO利用其身上安装的传感器，拥有360度全方位感应，可以辨识出附近的人和物体。配合特别的视觉感应器，他可以阅读人类身上的识别卡片，甚至认出从背后走过来的人，真正做到眼观六路。当他识别出合法人员后，还可以自动转身，与之并肩牵手前进。在行进中，ASIMO还能自动调节步行速度配合同行者。和人握手时，他能通过手腕上的力量感应器，测试人手的力量强度和方向，随时按照人类的动作变化作出调整，避免用力太大捏伤人类。

　　ASIMO装载的大量传感器，既包括传统人类的传感器，也拥有一些超越人类的特殊感应器，能够迅速地了解周围情况，在复杂的环境下也能快速顺畅地移动。

　　●视觉感应器：其眼部摄影机通过连续拍摄图片，再与数据库内容作比较，以轮廓的特征识别人类及辨别来者身份；

　　●水平感应器：由红外线感应器和CCD摄像机构成的sensymg系统共同工作，可避开障碍物。

　　●超音波感应器：以音波测量3m范围内的物体，即使在毫无灯光的黑暗中行使也完全无碍。

　　接待员

　　ASIMO已被投放应用，如日本的IBM等七家企业就租用了ASIMO作为接待员。

　　ASIMO能以头部的眼球运动记录器和手腕的力觉感应器探测人的活动范围，端盘子、送咖啡等动作根本难不倒他。放下盘子的时候，他会先测试桌子的高度，然后再双脚弯曲把盘子准确地放在桌子上，当然，受到身高和手臂弯曲角度限制，ASIMO无法把盘子放到过高的地方。

　　如果在搬运的过程中受到冲撞，ASIMO会启动全身的震动防护系统，避免盘子跌落。万一真的跌落，依据手部传感器测试的悬挂重量，他也可以作出判断，立即停止步行，防止踩到盘子。

　　在推手推车时，ASIMO可以在力量传感器的帮助下，调整用力的方向，还能自由地减速、转向、向正侧面和斜向移动，他甚至可以沿着一定路线来推车。但是他的力气很小，只能推动约10千克的小车，指望他作为残疾人助动暂时还不现实。但由于ASIMO已经具有相当的智能和多种活动能力，作为展馆的导游还是绰绰有余的。

　　做运动

　　由于平衡力得到大幅度的改善，ASIMO可以做既柔软且快速的运动，比如体操和跳舞，甚至能够和小朋友一起玩耍。

　　作为iWalk(intelligentRealtimeFlexibleWalking，智能实时自由步行)类型机器人，在两足步行的状态下，不可避免会发生打滑并摔倒在地的情况，ASIMO可是昂贵的产品，摔一下可让人心痛了。同时，也是为了使他在旋转时姿势更稳定，06版ASIMO加入了新的姿势控制系统。因此，他能够在两脚尽量抬起的同时，积极地控制姿势的倾斜，甚至创造性地做到了一段时间内双脚腾空。这种如同人类跑步的设计，使ASIMO行进的时速从3公里倍增至6公里，已经达到普通人慢走的速度了，实在是激奋人心的变化。

　　ASIMO快速转弯的时候，他会自动向内不同角度地倾斜身体，控制重心以便转身时利用离心力平衡身姿，通过巧妙的控制，轻易地绕开障碍。ASIMO身体倾斜转身快跑时，他那滑稽的姿态不仅让人忍俊不禁，还让人们对科技的力量感到惊奇。也许未来会出现机器人跑步竞赛呢！

　　ASIMO2013版在运动方面有了长足的进步，腿部的运动性能尤为明显。科研人员增强了其腿部的能力，ASIMO可以在运动过程中改变其脚部的落地位置，并且还可以将走路、向前跑、倒退跑这几个动作连续得非常自然而没有明显的停顿，还可以单腿连续跳跃或进行双腿的连续跳跃。正因为有了这样敏捷的移动性，ASIMO可以应对外界的实际情况表现出更为丰富的适应性行为，例如在ASIMO行进在并不平坦的路面上时，依旧可以保持住稳健的行走姿态。以上这些表现都是前几代ASIMO不具备的能力。

　　摩托车的竖直角度和倾斜角度被装置在车体内部的陀螺仪和加速度检测仪随时捕捉着数据，通过准确地计算，摩托车的发动机会根据车体姿态的变化随时修改车辆的动力输出，确保驾驶者可以在最安全的保护下发挥出车辆的潜质。

　　这其中起到关键作用的陀螺仪和加速度检测仪元件正是装配在全新一代ASIMO机器人中的重要配件，可以说，正是因为在ASIMO中的突破性研发，造就了在2011年度MOTOGP大奖赛上本田RC212V的最终夺冠。

　　自律型说明功能

　　ASIMO不但可以通过捕捉周围的人的位置和动作判断情况，还可以同周围的人进行沟通交流。ASIMO还可以对向其走来的人群的行动路线进行预估判断，可以大约判断出接下来几秒钟行人可能行进的路线、轨迹，通过自身的系统计算并规划出一条自己的替代路线，可避免与人类发生碰撞。

　　ASIMO可以瞬间把握周围观众的位置和动作，并可以在周围的观众中挑选出第一个举手的人来向它提问问题。

　　开发方向

　　作为智能导游向游客讲解相关内容。ASIMO将来将在飞机场、车站等地担任道路引导员。

　　沟通范围

　　ASIMO的沟通系统至2013年只能提问预设的问题，也就是说从已知的问题中提问，而回答的答案也是设定好的。

　　当观众拿智能手机给它拍照时，ASIMO却瞬间凌乱了，由于无法辨别观众是在拍照还是在举手问问题，它一直不停的重复“谁要问ASIMO问题？谁要问ASIMO问题？谁要问ASIMO问题？”

　　改善的任务执行能力

　　本田公司还研发了多功能性紧凑型机械手，在其手掌和手指多处集合了触感传感器和压力传感器，并且和人手一样，它的每一根机械手指都可以独立进行运动。通过基于视觉和触觉的识别技术，这个多手指的机器手令ASIMO可以灵巧地展示其执行任务时的灵活性，比如捡起地上的玻璃瓶并可以通过手指将其瓶盖慢慢拧开，或者可以手持一个纸杯去接另一只手侧倾所倒出的液体，并可确保纸杯不发生挤压形变。除此之外，全新一代ASIMO机器人可通过手指的复杂动作来进行手语的正常表达。

4 动作原理

　　类似人类的步行方式

　　除非你很了解机器人学，否则你很难想象要让ASIMO象人类这样行走是多么的困难，而ASIMO又是如何令人难以置信的达到这个程度的。ASIMO的行走中最重要的部分就是它的调节能力。ASIMO除了能像人类一样正常的步行之外，它还能对行走过程中遇到的情况进行自我调节。比如在有一定斜度的平面上行走，甚至有可能在行走过程中被人推了一下，ASIMO都能快速对这些情况进行及时地处理，并进行相应的姿态调节，以确保能够正常的行走。

　　为了实现这些，ASIMO的工程师们需要考虑ASIMO在行走中产生的惯性力。当机器人行走时，它将受到由地球引力，以及加速或减速行进所引起的惯性力的影响。这些力的总和被称之为总惯性力。当机器人的脚接触地面时，它将受到来自地面反作用力的影响，这个力称之为地面反作用力。所有这些力都必须要被平衡掉，而ASIMO的控制目标就是要找到一个姿势能够平衡掉所有的力。这称做"zeromomentpoint"(ZMP)。当机器人保持最佳平衡状态的情况下行走时，轴向目标总惯性力与实际地面反作用力相等。相应地，目标ZMP与地面反作用力的中心点也重合。当机器人行走在不平坦的地面时，轴向目标总惯性力与实际的地面反作用力将会错位，因而会失去平衡，产生造成跌倒的力。跌倒力的大小与目标ZMP和地面反作用力中心点的错位程度相对应。简而言之，目标ZMP和地面反作用力中心点的错位是造成失去平衡的主要原因。假若Honda机器人失去平衡有可能跌倒时，下述三个控制系统将起作用，以防止跌倒，并保持继续行走状态。

　　地面反作用力控制：脚底要能够适应地面的不平整，同时还要能稳定的站住。

　　目标ZMP控制：当由于种种原因造成ASIMO无法站立，并开始倾倒的时候，需要控制他的上肢反方向运动来控制即将产生的摔跤，同时还要加快步速来平衡身体。

　　落脚点控制：当目标ZMP控制被激活的时候，ASIMO需要调节每步的间距来满足当时身体的位置，速度和步长之间的关系。

　　稳步的行走

　　ASIMO能够感应到即将摔倒的情况，并能够很快对此做出反应；但是ASIMO的工程师想要更多的功能。他们不但想让ASIMO能够行走的更顺畅，还想让ASIMO能够在不停止的情况下转身，绝大多数其它类人机器人无法做到这一点。

　　当我们走到弯角处需要转身的时候，我们将我们身体的重心移到转身的位置。ASIMO使用了一种叫做“动作预测控制”，也叫做“iWalk”技术来实现。ASIMO需要预测转身所需要的重心的移动的位置以及持续时间。由于这个技术是实时（RealTime）技术，因此ASIMO能够不需要停止就能够转身，实现边走边转身。

　　上下楼梯

　　上下楼梯的动作如果只是靠事先的程序输入的话绝对不可能实现。即使是输入了阶梯的高度及前后的距离，如果多达29层的话，也会因误差累积而无法正常走下来。为此，Honda在ASIMO的每只脚上，都装了一个6轴力传感器，用来监测每一步的稳定程度。再结合陀螺仪和加速度传感器，ASIMO使用了独特的数学算法来让他上下楼梯，并能够上下斜坡而如履平地。Honda的工程通过使其脚内侧不紧贴地面、脚趾比台阶边缘向前探出少许这样的站立方式来探测出台阶的边缘。在这一状态下，如果通过脚底的压力传感器进行压力分布测量的话，可以预先测出边缘的位置。下楼梯时的着地点也可以同样进行预测。虽然操作人员向ASIMO输入了楼梯大致的高度，但是最终则是通过ASIMO足底的传感器来确认楼梯位置的。不只是下楼梯，ASIMO还能够在斜坡上转弯。这是由于ASIMO的每一步都要变换姿势，并改变与ZMP的关系，较下楼梯难度更大。下楼梯与在斜坡转弯使用了相同的算法，因此不需要改变模式。

　　单脚站立

　　在任意状态下机器人可以用单腿站立并保持身体平衡，这需要机器人拥有高水平的姿态平衡能力。