仿人形机器人的设计
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- - 总结资料 赛伯乐人形机器人：第一部分 - 设计
伊斯梅特·灿德德，穆罕默德·萨利姆·纳赛尔，蒋树声叶 Tosunoglu萨布里佛罗里达国际大学
机械工程学院
西弗拉格勒街10555
迈阿密，佛罗里达州33174
305-348-6841
cdede00阿摘要
创造类人型机器人的目的是设计一个可以完成人类复杂动作,具有自主决策功能,能够帮助人类，甚至完成人类无法完成的任务的机器人。建立类人型机器人一直吸引了世界各地的科学家，虽然目的看似简单,但这是一个艰巨的任务。在这篇文章中,我们将呈现一种命名为赛伯乐的仿人机器人的概念,像双足动物一样行走,然后切换到四足的运动模式。第一部分的主要内容是,理想的系统标准,设计方案和最终设计选定以及通过运动学的分析得到仿人机器人的模拟方案。
关键字：仿人形机器人，赛伯乐机器人，双足，四足 1.引言
构建人形机器人的目的是简单地设计一个可以完成人类复杂运动和能够真诚地帮助人类的机器人。尽管其目的简单,但是要完成这个任务相当困难。例如前本田工程师实现了他们梦想建立一个进的仿人机器人，花了超过18年的时间，在这段时间里他们不断的学习，探究和实验，也走了不少的弯路。[1]
行走过程分为两个主要部分即静态和动态步行。静态步行人形机器人包括完整的移动身体的齿轮的基地脚区域，与此同时其他脚抬起并前进。这种机器人是从运动学角度（轨迹，或位移控制）来设计和控制的，结果是有相当大的脚以一个缓慢的速度行走。一个静态步行- -
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- - 总结资料 双足足动物,如本田P3的人形机器人,“不移动很像人并且能量效率低下。它移动与nonpendular外观相似，本田2000机器人在行走时需要大约2kw功率，他需要的功率是同样大小人类的肌肉工作功率的20倍[1]。动态稳定性需要快速行走和多样的地形。在行走时重心不在支撑腿区域内时，机器人在下一个动态平衡区域时就会失衡。
被动动态步行可增加到三分之一组不同类型的步行过程。无动力玩具士兵或企鹅早在一个世纪前就已经发明，它们可以沿着缓坡行走而没有任何电机的控制。通过对它们的腿和胳膊的长度和大众的仔细选择，这些玩具在行走时保持平衡而消耗很少的能量（来自重力）。
这种模型以一种固定的方式行走,但他们的结构很简单。使用这个作为起点,可以添加更多的自由度,可以添加驱动和控制实现更加流畅的运动。
研究的目的是趋向于设计简单且能够实现更多功能。为此，我们选择了一个静态步行具有能力从两足改变到四足模式运动，以下部分提供一段到目前为止人形机器人研究历程。最后，介绍了最终设计理念的选择过程，最终设计的详细解释和提出离了初步的步态定义。
2、仿人机器人的发展历程
机器人的研究与应用在过去的三十年有了明显提高，机器人开始用于工业主要在装配生产线上。当他们发展得更智能的时候，在人们的日常生活中与人们的相互作用不断提高。
仿人机器人研究加速使得机器人智力水平的增加成为人类日常生活的一部分。以下阐述了机器人从简单的机械发展到动作形态都像人的类人型机器人的历程[2]。
古希腊的工程师ctesibus 让器官和水中与移动数字结合起来。
1774年瑞士发明家彼埃尔和Henri-louis
jacquet-droz创造一些最复杂的机器人，他们的自动抄写员研制成功。这个栩栩如生的男孩可以画写任何长达40个字符的消息。一个女性的机器人演奏钢琴又是他们的另一重大发明之一。
1801约瑟提花发明了一种用打孔卡操作的纺织机器，这台机器被称为一个可编程纺织- -
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- - 总结资料 机并且进入了批量生产。
1830，美国克里斯托弗设计一个凸轮车床。
1892，西沃德创造了一个电动起重机夹钳来移动铸锭炉。
1921，第一次提到“机器人”是在伦敦上演的称为“卢布”的戏剧，或由作家卡雷尔Ç阿派克捷写的《罗森的万能机器人》一书。（Ç阿派克先生也被称为“发明家”的科幻流派）。书中介绍了机器人这个词出自斯洛伐克语“robota”，这意思是一个农奴或卑躬屈膝的劳动或强制劳动。
1941年，科幻小说家艾萨克阿西莫夫第一次用“机器人”这个词来描述机器人技术并预测一个强大的机器人产业的崛起。1946，乔治·德沃尔的通用重放装置控制设备通过专利申请这个设备使用磁性程序记录器。在同一年，计算机首次出现。美国科学家J . presper埃克特和约翰莫奇利在宾夕法尼亚大学建立第一个大型电子计算机。另一台计算机，被称为旋风的第一台通用数字计算机，在麻省理工学院解决了第一个问题。 1948年麻省理工学院的教授诺伯特维纳发表了关于人工智能研究的影响 “控制论”，描述了在电子、机械和生物系统之间通信与控制的概念。
1951年，原子能委员会的雷蒙德戈尔茨设计了一个配备了铰接臂的遥控机器人。
1954，乔治·德沃尔设计了第一个可编程的机器人，叫做Universal Automation.，后来他把机器人的名字缩写为Unimation,， 1956年这个词成为第一个机器人公司的名字。
1956，乔治·德沃尔瑟恩格尔贝格创建了世界上第一个机器人公司。
1959，在麻省理工学院的实验室里计算机辅助制造表现在伺服系统上。同时星球公司出售了第一个商用机器人。
1961年在新泽西的一个通用汽车厂第一次在生产线上运用了工业机器人，它被称为通用机械手。
1963年，设计了由计算机控制了第一个人工机械臂。兰乔的机械臂是作为残疾人的一种工具，六自由度使得和人类的手臂具有相同的灵活性。 - -
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- - 总结资料 1964年在麻省理工学院，斯坦福研究学院（斯里兰卡），斯坦福大学，和爱丁堡大学开设了人工智能研究实验室。
1965，“专家系统”是第一次专家系统或程序的执行而设计的知识积累的学科专家。
1968年，马尔文·明斯基发明了像章鱼触须一样的机械臂。也是在这一年，斯里兰卡建立和测试一个具有视觉能力的移动机器人，被称为沙基。沙基是第一在生活环境中具有独立思考能力和交流的移动机器人
1969年，在斯坦福大学一种先进的机器人手臂，成为了研究项目的一个标准。机械臂是第一个利用电动电脑控制的机器人手臂，并因斯坦福手臂而闻名。
1970年，沙基作为第一个人工智能控制的移动机器人被人们所知，它是由国际公司制造的。
20世纪70年代，丁堡大学的弗莱迪机器人是车辆为信息部的早期人工智能工作可称为手/眼协调装配机器人。最值得一提的成就是通用的汇编程序，能够使机器人把堆在桌子上混乱的零部件组装成玩具船货玩具汽车。实验表明，在笛卡尔空间坐标为机器人编制最终系列位置程序时，为一个具有传感器的机器人设计成功的汇编程序是非常困难的，这仍然是目前在商业装配机器人使用的方法。
1973年，第一款商用小型机控制工业机器人是由辛那提米拉克龙公司的理查德·霍恩辛开发的。该机器人被称为T3的，即明未来的工具。
1974年，执行小件的机器人手臂（XX臂）装配使用触摸和压力传感器的反馈设计。沙因曼教授，斯坦福大学手臂的开发者，组建了向市场推出了工业应用的新型机械手臂，是由微型计算机控制的。
1976年，机器人手臂上运用于海盗1号和2的空间探测器上，维克手臂公司把微型计算机运用到机械臂的设计上。
1977年，ASEA公司，一家欧洲的机器人公司，提供了两种规格电力驱动的工业机器人。
两中机器人都使用了微电脑控制器进行编程和操作。同一年Unimation公司收购了维克机械臂公司.。 - -
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- - 总结资料 1978年，Unimation公司在通用汽车公司的支持下运用了Vicarm的技术开发了Puma（可编程的通用机装配）。
1979年，斯坦福购物车越过堆满椅子的房间而没有人力协助。购物车有一台安装在轨道上的电视摄像机，它从多个角度拍摄照片，并传送到计算机。计算机分析车与障碍物之间的距离。
1994年CMU机器人研究所的六足机器人Dante II，在阿拉斯加山斯珀尔火山探测并采样了火山气体。
1995年，弗雷德·莫尔，罗布Younge和约翰·弗洛伊德创建了的直觉外科，并进行外科手术机器人系统的设计和销售。在斯里兰卡，IBM和麻省理工学院工作的基础上开发新的技术。
1997年，美国宇航局的火星探路者任务是捕捉地球的图像和想象力作为火星探路者和旅居漫游者机器人土地发回其旅途遥远星球上的图像。登陆火星探路者和探测车车机器人将在火星上捕获的图像数据传送到地面。在同一年在同一年，本田展出了研发始于1986年的8字形行走原型人形设计项目的类人机器人3号，
2000年，本田展示了Asimo（高级步行创新移动机器人）机器人，其系列为人形机器人的下一代。索尼公司在Robodex推出的人形机器人，被称为索尼梦幻机器人（SDR），也是第二代爱宝机器狗。
2001年，由加拿大的MD机器人公司研制的内置空间站远程机械臂系统（SSRMS）成功发射进入轨道，并开始操作完成组装国际空间站。
2004年，马克·蒂尔登开发了交互式,能言善辩,动画清晰及以上的全部可编程的人形机器人，即史宾机器人。
下面是一些大学和研究人员研发的双足项目。
新加坡国立大学有一个双足步行机器人项目正在进行中。这个项目是由D. Lefeber的Mutlibody机械力的研究小组工程部承担的。他们的机器人被称为“露西”。
人形机器人的控制系统设计与实现
人形机器人的控制系统设计与实现
近年来，随着科技的不断进步和人工智能技术的发展，人形机器人逐渐被广泛应用于工业、服务和医疗等领域。而对于人形机器人的控制系统设计和实现，也成为了相关领域的重要课题之一。
一、人形机器人的控制系统设计要求
首先，人形机器人的控制系统要具备高度的稳定性和精度，能够有效地实现各个自由度的控制。此外，还需要考虑到机器人的运动速度、运动范围和运动模式等方面，以实现更加灵活和高效的工作效果。
其次，人形机器人的控制系统还需要具备较强的自主智能和学习能力，能够对外部环境和任务变化做出及时的反应和调整。此外，对于一些需要更高精度和实时性的任务，还需要人形机器人具备较高的控制信号处理和响应速度。
最后，人形机器人的控制系统在设计时还应考虑到复杂的机械结构、传动机构和传感器的接入方式等问题，以实现较高的运动精度和控制精度，并确保安全性和可靠性。
二、人形机器人的控制系统实现方法
在实际应用中，人形机器人的控制系统通常采用多层次控制结构实现，包括感知层、运动控制层和高层决策层等。其中，感知层主要用于获取机器人所处环境和自身状态等信息，包括传感器和摄像头等；运动控制层主要用于实现机器人各自由度的运动控制，包括执行机构和电机驱动等；高层决策层主要用于实现机器人的自主决策和任务规划，包括人工智能和机器学习等。
在实际控制过程中，人形机器人的控制系统通常采用开放式控制系统（OCS）或封闭式控制系统（CCS）实现。其中，开放式控制系统主要用于实现人形机器人的自主行为和学习，具有较高的灵活性和智能性；封闭式控制系统主要用于实现特定任务的高精度控制和安全性保障，具有较高的稳定性和可靠性。
在具体实施过程中，人形机器人的控制系统还需要结合具体的应用领域和任务需求，选择合适的控制算法和模式，包括PID控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法控制等。
三、人形机器人控制系统发展趋势
随着人工智能技术和机器学习技术的不断发展和应用，人形机器人控制系统正在向更加智能化和自主化方向发展。未来，人形机器人的控制系统将更加注重感知能力和语境理解能力的提升，以实现自主决策和语音交互等功能。同时，高精度控制和实时性要求也将得到进一步提升，以适应更加复杂和广泛的应用场景。
一种仿人形机械手的设计与仿真
一种仿人形机械手的设计与仿真
作者：李子扬 袁梦琦 张嘉洋 王钟慧 朱炫
来源：《机电信息》2021年第11期
摘要：对一种手指为单自由度结构的仿人形机械手进行了研究。在此基础上，设计了机械手的机械结构，进行了手指运动学分析与仿真;以单片机STM32F103作为主控器设计了控制系统。研究表明，设计的机械手各关节运动平稳，动作灵活，控制流畅，达到了预期的要求。
关键词：机械手;结构设计;控制系统
0 引言
如今工业机械手已经被大规模用于从事重复性高、任务繁重的工作，此类机械手的特点是工作环境较为固定，执行动作单一。但是，很多其他领域仍然需要人手才能完成任务，例如在农业生产、医疗、建筑工程、宇宙及海洋的开发等方面，需要依靠人手的灵活与人的决策，而工业机械手难以胜任。因此，人们迫切需要类似人手的多指灵巧机械手来完成上述作业[1]。
国外对仿人形机械手的研究比较早，目前已经取得了较多成果，比如Pisa/IIT Soft Hand机械手[2]、日本立命馆大学研究的机械手[3]、德国企业Ottobock设计的bebionic hand[4]等。而国内从20世纪70年代后期才开始对仿人形机械手展开研究，主要集中在一些高校和科研机构，例如清华大学的手势多变欠驱动（GCUA）机械手[5]和哈尔滨工业大学的HIT/DLR Ⅰ、Ⅱ多指灵巧机械手[6]等。尽管国内外学者已对仿人形机械手做了大量研究，但仿人形机械手还存在着一系列问题，例如价格昂贵，实时性不理想，设备笨重，多数处于研究阶段，市场化程度较低等，这些都制约了其在实际中的应用，使其未能大规模普及[1，7]。
本文提出的仿人形机械手采用单自由度结构，用5个电机分别对5个手指进行控制，并通过连杆式机构进行驱动;通过单片机控制舵机控制板实现统一发送指令控制舵机运动，并设计了上位机软件来控制仿人形机械手。同时，本文提出了一个更便捷的人机交互方式，使仿人形机械手更加符合人类的操作习惯，简单高效;在机械与控制两方面优化了机械手的运动功能，大大提高了机械手的控制精度与灵活度。
仿生机器人结构设计及其动力学分析
仿生机器人结构设计及其动力学分析
人工智能和机器人技术的迅速发展对现代社会产生了深远的影响。在众多机器人类型中，仿生机器人因其模仿生物体的形态和行为而备受关注。仿生机器人可以模拟动物的外形、运动和行为，具有更好的适应能力和灵活性，广泛应用于各个领域，如医疗卫生、救援和探索等。本文将重点探讨仿生机器人的结构设计和动力学分析。
首先，仿生机器人的结构设计至关重要。仿生机器人的结构设计需要具备良好的机械性能和适应性。首先，结构设计应考虑机器人的外形和尺寸。仿生机器人通常模仿动物的外形，如人形机器人、鱼形机器人、虫形机器人等。对于仿生机器人的结构设计，需要根据仿生对象的特点，合理安排机器人的关节、骨骼和肌肉等部件，确保机器人能够实现自如的运动和动作。
其次，仿生机器人的结构设计还应考虑机械性能。机器人需要具备足够的刚度和强度，以承受外界力的作用和保证稳定的运动。在结构设计中，可以运用材料科学和工程力学的知识，选择合适的材料和优化结构布局，以提高仿生机器人的机械性能。
此外，仿生机器人的结构设计还需要考虑机器人的适应性。仿生机器人通常被用于复杂和多变的环境中，如水下、爬行和飞行等。因此，机器人的结构设计需要具备良好的适应性，使机器人能够适应不同条件和复杂环境下的任务需求。例如，鱼形机器人的外形设计需要考虑水动力学性能，以实现高效的游动；人形机器人的结构设计需要考虑人体工程学和运动学的原理，以实现人类般的运动能力。
接下来，动力学分析是仿生机器人设计过程中不可缺少的一部分。动力学分析旨在研究机器人在运动过程中所受的力和力矩，并分析其对机器人运动和稳定性的影响。在动力学分析中，通常涉及到运动学、力学和控制等方面的内容。
首先，运动学分析是动力学分析的基础。运动学分析研究机器人的运动过程和位置变化，通过对关节角度和位置的计算和描述，获得机器人的运动学特性。运动学分析的结果可用于后续的力学和控制分析。
其次，力学分析是仿生机器人动力学分析中的关键环节。力学分析旨在研究机器人运动过程中所受的力和力矩，并分析其对机器人的运动和稳定性的影响。力学分析通常涉及到静力学和动力学两个方面。静力学分析研究机器人在静止状态下力的平衡和分布，通过力的平衡方程来推导机器人的运动学特性。动力学分析研究机器人在运动状态下所受的惯性力和相关效应，如离心力、科里奥利力等，以分析机器人的动态特性。
人形机器人实践课程设计
人形机器人实践课程设计
一、课程目标
知识目标：
1. 学生能理解人形机器人的基本结构和功能，掌握其运作原理；
2. 学生能了解人形机器人编程的基本知识，包括指令、循环和条件语句；
3. 学生能掌握人形机器人传感器的工作原理及其在实践中的应用。
技能目标：
1. 学生能运用所学知识，独立完成人形机器人的组装和编程；
2. 学生能通过团队协作，解决人形机器人在实际应用中遇到的问题；
3. 学生能运用人形机器人进行简单的表演和任务执行。
情感态度价值观目标：
1. 培养学生对人工智能和人形机器人的兴趣，激发其探索精神；
2. 培养学生团队协作意识，提高沟通与表达能力；
3. 培养学生关注科技发展，树立正确的科技价值观。
课程性质：本课程为实践性课程，注重理论与实践相结合，以学生动手操作为主，培养学生的实际操作能力和创新能力。
学生特点：本课程针对的学生群体为初中生，具有一定的信息技术基础，好奇心强，喜欢动手实践，团队协作能力较强。
教学要求：教师需充分准备实践课程所需材料，注重引导学生主动探究，关注学生个体差异，鼓励学生发挥创意，提高人形机器人实践操作能力。在教学过程中，将课程目标分解为具体的学习成果，以便进行教学设计和评估。 二、教学内容
1. 人形机器人基础知识：
- 结构与功能：机器人身体结构、关节类型、传感器种类及其作用；
- 工作原理：电机驱动、传感器反馈、编程控制。
2. 编程知识：
- 编程语言：介绍人形机器人编程所需的基础语言，如Scratch或Python；
- 编程指令：移动、转向、停止、传感器读取等基本指令；
- 控制结构：循环、条件判断、函数定义。
3. 实践操作：
- 组装指导：按照说明书进行机器人组装，了解各部件功能；
- 编程实践：编写程序，实现机器人基本动作和简单任务；
- 项目挑战：设计挑战性任务，培养学生解决问题和团队协作能力。
4. 教学安排与进度：
- 基础知识学习：1课时；
机器人设计方案范文
机器人设计方案范文
一、背景介绍
随着科技的不断发展，机器人在我们生活中的应用越来越广泛。机器人不仅能够完成一些重复性的、简单的劳动任务，还能够执行一些危险的操作，帮助人类提高工作效率和生活质量。本设计方案将介绍一种人形机器人的设计方案，主要用于家庭助理和娱乐伴侣的功能。
二、设计目标
1.家庭助理：机器人能够执行一些家庭助理的任务，如清洁、煮饭、购物等。用户可以通过语音指令来控制机器人的动作，也可以通过手机应用程序远程控制。
2.娱乐伴侣：机器人能够与用户进行简单的对话，能够唱歌、跳舞、讲笑话等，为用户提供娱乐功能。
3.互动交流：机器人能够识别人脸和声音，能够与用户进行互动交流，并逐渐学习用户的喜好和习惯，为用户提供更个性化的服务。
三、设计方案
1.外形设计：机器人采用人形设计，具有两只手臂和两只腿，能够在家庭环境中自主行走。机器人的外表造型友好，采用可爱的设计风格，让用户更有亲和力。
2.语音识别技术：机器人搭载高性能的语音识别系统，能够准确地识别用户的指令，并且能够根据指令执行相应的动作。
3.功能模块： -清洁模块：机器人具有清洁功能，能够帮助用户打扫房间、清理地面等。
-煮饭模块：机器人内置了烹饪系统，能够根据用户的设定来煮饭或做其他简单的烹饪任务。
-购物模块：机器人内置了购物系统，能够帮助用户下订单、购买物品等。
-娱乐模块：机器人能够进行简单的对话和互动，能够通过播放音乐、跳舞、讲笑话等方式提供娱乐功能。
-互动模块：机器人能够识别人脸和声音，能够与用户进行互动交流，并根据用户的习惯和喜好为用户提供个性化的服务。
4.控制方式：用户可以通过语音指令来控制机器人的动作，也可以通过手机应用程序远程控制。用户可以通过手机应用程序对机器人进行设置和管理。
5.安全保护：机器人搭载了多种传感器，能够感知周围环境，避免碰撞和摔倒。机器人在遇到危险情况时会停止动作并发出警报，以保护用户的安全。
简易人形机器人设计
第２４卷第１期 天津职业技术师范大学学报 ２０１４年３月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＩＡＮＪＩＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ０Ｆ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ ＡＮＤ ＥＤＵＣＡＴ【０Ｎ Ｖｏ１．２４ Ｎｏ．１ Ｍａｒ． ２０１４
简易人形机器人设计
赵学玲 ，边授权 ，郝立果 ，赵鹏
（１．天津职业技术师范大学信息传感与智能控制重点实验室，天津３００２２２； ２．天津职业技术师范大学工程实训中心，天津３００２２２）
摘要：根据人体的形态特征和仿生学原理，设计接近于人体尺寸比例的机器人结构，并应用自由度最少的原则设 计了符合机器人功能要求的自由度配置方案，设计了一个舵机的驱动器，可以与上位机进行通信，实现对人形机器 人的控制．该驱动器可以把上位机发送的指令转换成控制舵机的信号。实验证明：人形机器人能够完成相应的动作， 实现机器人的舞蹈演示。 关键词：人形机器人：舵机；ＡＶＲ 中图分类号：ＴＰ２４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５—０９２６（２０１４）０１—００２１—０４
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ
ＺＨＡＯ Ｘｕｅ—ｌｉｎｇ ，ＢＩＡＮ Ｓｈｏｕ—ｑｕａｎ ，ＨＡＯ Ｌｉ－ｇｕｏ ，ＺＨＡＯ Ｐｅｎｇ （１．ＪｏｉｎＬａｂ ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｎｇ＆ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２２２，Ｃｈｉｎａ；２．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｒａｉｎｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａ ｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｉ－ｔｙｐｅ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｂｉｏｎｉｃｓ，ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｓｉｚｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ＤＯＦ（Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ）ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｌｅａｓｔ ＤＯＦ．Ａ ｄｒｉｖｅｒ ｏｆ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｃｏｏｐｅｒａｔｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ，ａｎｄ ｉｔ ｃａｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｔｈｅ ｃｏｍｍａｎｄｓ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎｔｏ ｓｉｇｎａｌｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ Ｓ ｄａｎｃｉｎｇ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ；ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ；ＡＶＲ
仿生机器人的原理与应用
仿生机器人的原理与应用
近年来，随着科技的日新月异，人们对未来机器人的探索也越来越深入。而仿生机器人作为目前发展最快的机器人类型之一，成为了不少科技爱好者和研究人员的研究热点。那么，仿生机器人到底是什么？它的原理、分类和应用又有哪些呢？本文将为您详细解答。
一、什么是仿生机器人？
仿生机器人是指学习生物形态、生理和智能特征，并将其应用到机器人中，从而实现机器人的模仿生物，以达到更高的智能化和适应性。它的最终目的是实现机器人与人类之间更加无缝衔接的交互与服务，提高人类生活品质。
二、仿生机器人的分类
1.基于动物种类的分类：仿生机器人根据模仿的生物种类不同可以分为哺乳动物仿生机器人、爬行动物仿生机器人、鸟类仿生机器人等。
2.基于仿真程度的分类：仿生机器人根据实现的仿真程度不同可以分为纯生物仿真机器人、机械仿真机器人、仿真整合机器人等。
3.基于宏观结构的分类：仿生机器人根据宏观结构进行分类，可以分为如人形机器人、四足机器人、二足机器人、多足机器人、鱼形机器人等多种类型。
三、仿生机器人的原理
仿生机器人的原理主要基于演化学、生理学和计算机仿真等基础理论。
1.演化学原理：仿生机器人从动物和植物的进化过程中汲取启示，从而实现生物优化和自适应。
2.生理学原理：仿生机器人的控制与运动系统模仿生物的神经系统和肌肉系统进行开发，从而实现机器人的更精准的动作和控制。
3.计算机仿真原理：仿生机器人采用了人工智能、计算机科学等多种技术，并将计算机模拟的结果与生物数据进行比对，以实现仿真机器人的研发。
四、仿生机器人的应用领域
1.探测器材领域：仿生机器人可以在复杂地形下实现长时间的探测活动，如极地和深海探测等。
2.日常服务领域：仿生机器人可以通过与人的交互，实现更加精准的服务和更具人性化的操作。
3.医疗保健领域：仿生机器人可以模仿人体的组织和运动方式，实现对人体手术等复杂操作的无创或微创操作。
4.灾害救援领域：仿生机器人可以在灾害场合下，通过精准的感知和智能化的决策，帮助救援人员进行人员搜救、物资运输等任务。
人形机器人结构与动作的设计
多媒体技术
人形机器人结构与动作的设计
许晓飞邹建勇
北京信息科技大学自动化学院
摘要： 文章主要是介绍两种人形机器人的结构设计平台，包括博创公司的架构组件和自己定制的架构组件。按照人形机器人的 架构特点组建两种人形机器人结构，并根据特定任务的驱使实现相应典型动作的设计。分别采用ａｒｃｌｕｉｎｏ控制器和博创ＭｕｌｔｉＦｌｅｘ２ 高级版控制器设计的人形机器人，完成了连贯动作任务最优运动规划，成功参加机器人特定动作挑战赛。 关键字：人形机器人结构 运动规划
随着社会的发展，人类的需要，类似人类双足或腿的机器 人比其他形式的机器人更适合人类制造的路况，如人行道楼梯
和电梯等；而一些直接服务于人类的机器人，拥有人形外观会 使用户体验比较好。因此本文提出分别采用ａｒｄｕｉｎｏ和博创
ＭｕｌｔｉＦｌｅｘ２高级版为控制器的两种不同类型的机器人。
ｌ系统构成设计
１．１人形机器人结构设计 本文的人形机器人按人体三段式对称结构布局，即头部、
躯干和腿部。头部可以装载各种仪器、设备，如摄像头，可以 识别物体特征；躯干是采用控制或固定控制器的结构，保证机 器人的重心平衡。腿部才用轮式或双足式架构，双足可以拥有
更多的自由度，用来更好地模拟人类行走。
１．２人形机器人的动作设计 人形机器人动作的设计一般要经过任务需求、初步设计、 制作调试、优化设计四个阶段，如鸣锣机器人的第一项动作是
上台自我介绍，然后根据任务设计动作，接着进行下载调试， 最后根据调试结果进行优化。如图ｌ所示的是完成上台自我介
绍任务动作的设计程序图。人形机器人的动作设计与实现的过 程是相当复杂的，它具有很大的主观性、不确定性，而且随着
自由度的增多，各个关节之间的相互影响程度也会越来越大， 动作设计和实现的工作量就会大量增加，如１６自由度和８自由
度机器人相比，设计动作时就要同时考虑１６个关节，这１６个 关节之间往往有很多相互关联的动作，在确定其角度、位置等 参数时较８自由度人形机器人的设计，问题复杂度几何倍数递增，
一种仿人形机械手的设计与仿真 2
Sheji yu Gongyi!设计与工艺
一种仿人形机械手的设计与仿真
李子扬
$袁梦琦
#张嘉洋
#王钟慧
！朱炫
！
（1.西北工业大学机电学院，陕西西安710072； 2.西北工业大学软件学院，陕西西安710129）
摘要：对一种手指为单自由度结构的仿人形机械手进行了研究。在此基础上，设计了机械手的机械结构，进行了手指运动
学分析与仿真；以单片机STM32F103作为主控器设计了控制系统。研究表明，设计的机械手各关节运动平稳，动作灵活,控制流
畅，达到了预期的要求。
关键词：机械手；结构设计;控制系统
0引言
如今工业机械手已经被大规模用于从事重复性高、任
务繁的工作，此类机械手的特点是工作 为 ，
行动作单一。 ， 人手 完
任务， 在业 、 、 工、 洋的
， 人手的灵活与人的决策，而工业机
手 以胜任。 此，人 类似人手的多指灵
机手 上述作业
[
1]o
对仿人形机械手的研究比较早，目前已经取得了
较多成果，比如Pisa/
IIT Soft Hand机械手⑵、日本立命馆大
学研究的机械手
[
3]、德国企业0ttobock设计的bebionic hand
⑷
。 20 70 对仿人形机械手展
研究，主 在一 高 研机构， 大学
的 动（GCUA）机
[
5] 工业大学的
HIT/
DLRI、II指灵巧机 固等。尽管 外学者已
对仿人形机 做了大量研究，但仿人形机 还存在着
一系列问题， 价格昂贵，实时性不理想，备笨，
数处 研究阶段，市场化 度较低等，这些都制约了其在
实际中的应，使未大 普及
!
1
，7"。
文提出的仿人形机 采用单自由度结构，用5个
电机分别对5个指进行控制，并通过连杆式机构进行
动；通过单片机控制舵机控制板实现统一送指令控制舵
机运动，并计了上位机软件控制仿人机 。同时，
文提出了一个更便捷的人机交互式,使仿人机械手
更加符合人类的操作习惯，简单高效；在机与控制两
优化了机 的运动功，大大提高了机 的控制精
度与灵活度。
!机械结构设计
一种人形机器人的头部设计与运动实现
第５期（总第２０４期）
２０１７年１Ｏ月 机械工程与自动化
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴ０ＭＡＴ１０Ｎ Ｎｏ．５
０ｃｔ．
文章编号：１６７２—６４１３（２０１７）０５－００４０－０２
一种人形机器人的头部设计与运动实现来
李永胜，刘冠峰，张国英，龙亮亮
（广东工业大学机电工程学院，广东 广州 ５１０００６）
摘要：人形机器人头部由于空间狭窄与传动件较多，导致头部机构的设计往往较为复杂且可靠性较差。针对
该问题，通过分析人体头部骨骼的组成，提出了一款人形机器人的头部机械结构设计方案。采用该方案设计
出的头部由５个运动模块组成，通过控制相应模块的舵机，可分别实现眼睑开合、眼珠转动、下颚开合、头
部俯仰和头部转动５种运动模式。试验证明：该机构结构紧凑、可靠性高，为下一步的人形机器人的整体设
计做了铺垫。
关键词：人形机器人；头部设计；运动模块
中图分类号：ＴＰ２４２．６ 文献标识码：Ａ
Ｏ 引言
随着科技的进步和人们生活水平的提高，人类社
会步入一个快节奏和老年化的时代，服务机器人已经
成为人们生活中不可缺少的一部分。服务机器人集合
了机械、电子、计算机、材料、传感、控制等多门学科于
一体，代表着一个国家的科技水平口］。人形机器人作
为服务机器人的一种，其外表与人类相仿，可以进行简
单的人类行为，比如伸手抓取物品、双腿行走或爬楼梯
等。在有些情况下，人形机器人还有语言和情绪的表
达能力Ｌ２］，其表达方式主要通过头部的各种运动来体
现，比如眨眼、微笑、愤怒等，与正常的人类交流方式相
似。因此，人形机器人的设计，其头部设计是关键。
国内外学者在人形机器人的设计和开发方面均进
行了较为深入的研究。例如，日本大阪大学的Ｓｈｏｇｏ
Ｎｉｓｈｉｇｕｃｈｉ等人＿３］研究了卡通类的小型人形机器人，
美国的阿拉巴马农工大学的Ｙｕｊｉａｎ Ｆｕ和Ｈｉｌｂｅｒｔｏ
Ａｙａｌａ＿４］研究了百变玩偶类型人形机器人，Ｍａｒｔｉｎ