ASIMO机器人工作原理

想要用机器人做饭、做家务、打扫房间或购买食品杂货吗？机器人已承担了许多我们人类不想做、不能做或做得不如机器人好的工作。在全球各地的工厂中，无躯体的机械臂可以装配汽车、灵巧地将糖果装入盒内，以及从事各种其他单调乏味的工作。市场上甚至还出售一些机器人，它们唯一的工作就是使用真空吸尘器清洁地板或者修剪草坪。本田的ASIMO机器人或许能帮你实现。

本田的ASIMO机器人 Honda Motor Co., Ltd. 供图

我们中的许多人在成长过程中，都曾在电视电影里看到过机器人：有Jetsons的机器人管家Rosie，Star Trek TNG中的机器人飞船船员Data，当然，还有《星球大战》中的C3PO 。 目前研制的机器人远未达到Data或C3PO那样的境界，但它们的技术已呈现不小的进步。本田工程师研制ASIMO机器人已经17年多。在这篇文章中，我们将揭示ASIMO成为迄今为止最先进类人机器人的原因。

ASIMO是什么？

据报导，由于 ASIMO 的行走酷似人类，本田的工程师们甚至觉得有必要请示梵蒂冈，允许他们制造一部如此酷似人类的机器。

本田汽车公司开发的ASIMO（Advanced Step in Innovative Mobility，高级步行创新移动机器人）是世界上最先进的类人机器人。ASIMO网站宣称，ASIMO是世界上唯一可独立行走和爬楼梯的类人机器人。虽然世界上也有一些其他可行走的类人机器人，但它们均不具有ASIMO那样平稳流畅和逼真的步态。

ASIMO除了可像人类那样行走外，它还懂得一些口头指令（目前只有日语），并能识别面孔。ASIMO有双臂和双手，可以做一些诸如开灯、开门、携物和推车之类的事情。

本田对ASIMO的构想

本田公司并非要设计一种类似玩具的机器人，而是要研制出一种可成为人类助手的机器人，用来照看房子、帮助老人、帮助坐轮椅者或卧床不起的人。ASIMO高1.2米，与坐在椅子上的人的高度基本持平。这使得ASIMO能够正常完成份内工作，而不会显得太大和吓人。ASIMO外表友善、个头适中，常被人称为像“穿着太空服的孩子”，非常适合本田的研究目的。

ASIMO只有1.2米高 Honda Motor Co., Ltd. 供图

ASIMO也可从事对人类来说过于危险的工作，例如进入危险区、排除炸弹或灭火。

ASIMO得到第一份工作！

尽管ASIMO的黄金时期尚未到来（仍然需要改进，以发挥本田所希望的全部功能），有些ASIMO机器人已投放到日本的企业中，包括IBM日本分公司和位于东京的日本科学未来馆 (National Museum of Emerging Science and Innovation)。ASIMO在这些企业中担任接待员，迎接客人并带领他们参观。

要执行这些任务，必须对ASIMO进行专门的编程，让它了解建筑物的布局，知道如何迎接客人和回答问题。尽管ASIMO的租金高达15万美元，比企业支付给人类接待员的薪资高出许多，但它带给人们一种酷的感觉，因此似乎物有所值。

ASIMO的动作：像人一样的构造

本田的研究人员从研究昆虫、哺乳动物的腿以及装有假腿的登山者的动作开始，以便更好地理解行走生理学及其相关的问题，尤其是关节的运动。例如，我们利用身体（尤其是双臂）改变自身的重心，以获得平衡，这一事实对于正确掌握ASIMO的行走机制很重要。此外，研究人员还考虑到了我们通过足趾帮助自身获得平衡这一事实：ASIMO实际上在足部有一些软的凸起，起到类似于我们在行走时足趾所起的作用。这种软材料还可以吸收关节处的冲击，就如我们在行走时软组织所起的作用一样。

对ASIMO的生理机能进行仿人开发。 Honda Motor Co., Ltd. 供图

ASIMO有臀部、膝和足关节。机器人具有研究人员称为“自由度”的关节。单一的自由度允许关节左右或上下移动。ASIMO全身拥有26个自由度，使它能自由移动。ASIMO的颈部有两个自由度，每只胳膊上有六个自由度，每条腿上有六个自由度。ASIMO的腿所需的自由度数量是通过对人类在平地和楼梯上行走时关节动作的测量确定的。

ASIMO的身上还安装有速度传感器和陀螺仪传感器， 用于执行以下任务：

感测ASIMO的体位及移动速度
向ASIMO的中央计算机传递平衡调节信息
这些传感器的工作方式与我们的内耳保持平衡和定位的方式相似。为了完成人类肌肉和皮肤在感测肌肉力量、压力和关节角度方面所做的工作，ASIMO还具有关节角度传感器和六轴压力传感器。

ASIMO的动作：像人一样行走

ASIMO像人一样行走 Honda Motor Co., Ltd. 供图
如果您不是非常了解机器人技术，您可能难以完全领悟ASIMO像人类一样行走的里程碑意义。ASIMO行走功能的最重要部分是转身能力。ASIMO能够像人类一样倾斜和平稳流畅地转身，而不是必须一停一顿地拖行或慢吞吞地转向。ASIMO在被绊倒、推动或遇到改变其正常行走的东西时，还可自行调整步伐。

要完成这项任务，ASIMO的工程师们必须设法处理行走时产生的惯性力。例如，地心引力产生力，行走时的速度也会产生力，这两种力被称为“总惯性力”。当脚与地面接触时，也会产生力，称为“地面反作用力”。这些力必须平衡，且必须通过适当的姿势取得平衡。这被称为“零力矩点”(ZMP)。

为控制ASIMO的姿势，工程师们研究了三个控制领域：

地面反作用控制是指脚掌在削减地面凹凸不平的同时，仍能保持稳定的姿态。
目标ZMP控制是指当ASIMO不能站稳且身体开始向前倒下时，它可通过向即将倒下的相反方向移动上半身来保持姿势。同时，它会加快行走速度，以快速平衡向下倒的力。

当启动ZMP控制时，脚部稳定位置控制开始起作用， 以调整步幅，恢复体位、身体速度与步幅间的协调。

ASIMO的动作：平稳的移动

ASIMO可感测倒下的动作并快速做出反应；但ASIMO的工程师们想要得到更多。他们希望ASIMO机器人具有平稳的步态以及做到其他机器人不能做到的事情——无需停住就能转身。

ASIMO的动作 Honda Motor Co., Ltd. 供图

当我们绕过角落时，我们会将身体的重心移向转弯处。ASIMO使用一种被称为“预测移动控制”的技术，也称为本田智能行走技术，完成同样的事情。ASIMO预测它应将其重心多大程度移向转弯内侧以及应将这种移动保持多久。因为该技术是以实时的方式起作用的，所以ASIMO无需停止步伐就能做到这一点，而其他机器人必须停止步伐才能做到。

本质上，ASIMO每走一步都必须确定其惯性，并随后预测下一步需如何移动其重量，才能平稳地行走和转身。它会调整以下因素，以保持正确的姿势：

步幅
体位
速度
行走方向

现在让我们来谈谈ASIMO的另一项才能：识别图像。

ASIMO的视觉

在ASIMO机器人技术中，视觉是根据程序化模板来解释的被捕捉的图像。在制造环境中，机械臂制造汽车，机器人检查半导体芯片上的显微连接，这是一种受控的环境。照明始终是相同的，角度始终是相同的，要查看和了解的事物数量也是有限的。然而，在真实（和无序）的世界中，要查看和了解的事物会大量增加。
在工作时必须行经住宅、建筑物或户外的类人机器人必须能够懂得它“看到”的许多物体，必须能够理解阴影、偏僻的角落和动作。例如，机器人独自步入未知区域时，必须实时察觉和识别物体，选择诸如颜色、形状和边缘之类的特征，并与它知道的物体或环境的数据库做比较。在机器人的“记忆”中可能有数千种物体。

ASIMO的视觉 Honda Motor Co., Ltd. 供图

ASIMO的视觉系统包括用作眼睛的基本摄像机，位于头部。ASIMO使用专有的视觉算法，即使物体的方位和光线与其记忆数据库中的不同，它也可以看到、识别和避免碰撞物体。这些摄像机可察觉物体、识别程序化面孔，甚至理解手势。例如，当您向ASIMO举起手摆出“停”的姿势时，ASIMO即停住。它的面孔识别功能允许ASIMO向“熟悉”的人致意。

摄像机还可以通过USB将ASIMO看到的内容传递到ASIMO的控制器。因此，如果您正在通过PC控制ASIMO，您就可以看到ASIMO所看到的内容。

控制ASIMO

ASIMO不是自主式机器人，它不能进入房间和自行决定如何前进。因此必须对ASIMO进行编程，使它在具有它理解的标记的特定区域中从事特定的工作；或者必须由人手动控制。

ASIMO的“背包”携带有计算机（又称大脑），用于控制ASIMO的动作。ASIMO可由三种方法控制：

PC
无线控制器（有点类似操纵杆）
声音指令

通过采用802.11无线技术以及膝上型或台式电脑，可以控制ASIMO，还可以看到它通过摄像眼看到的东西。ASIMO还可使用PC连线访问互联网，为您检索诸如气象报告和新闻之类的信息。

无线操纵杆控制器通过与人类控制遥控汽车相同的方式控制ASIMO的移动，可使ASIMO向前、向后、向旁边、沿对角行走，就地转身，或绕过一个角落。通过遥控使ASIMO移动或许不是很先进，但ASIMO确实能够自行调节步伐。如果让它向前行走，它在遇到斜坡或某种障碍时可以自动调节步伐，以适应地形。

您也可使用控制器上的按钮选择预先设定的手势，包括挥手、抓握之类的动作以及其他反应。

让ASIMO理解声音指令是最新添加的控制项目。它的数据库包括约30个不同的口头指令，用于激活ASIMO指令系统中的特定动作。

除了控制ASIMO动作的声音指令外，还有ASIMO可以口头回应的口头指令。这项功能使ASIMO有可能担任接待员的工作，迎接客人并回答问题。

ASIMO的动力
如同机器人技术领域中的大多数其他技术一样，ASIMO是由伺服马达提供动力的。它们是小而动力强大的马达，带有可移动四肢或表面转向特定角度的转轴，由控制器对角度进行控制。马达转到适当角度后，就会关闭，直到被指令再次运转时为止。例如，伺服系统可控制机器人臂关节的角度，将其保持在正确的角度，直到它需要移动为止，然后控制该移动。伺服系统使用位置传感装置（也称为数字解码器）来确保马达轴处于正确的位置。它们使用的动力通常与它们承载的机械负荷成比例。例如，承载轻微负载的伺服系统不会耗用很多能量。

ASIMO体内有26台伺服马达，用于移动它的臂、手、腿、脚、脚踝以及其他移动部分。ASIMO通过控制一系列伺服马达来控制每一种动作。

要求使用电池

ASIMO由可充电的40伏镍氢电池提供动力，充一次电可使用30分钟。电池置于ASIMO的中部，其重量也有助于建立ASIMO的平衡中心。ASIMO的电池充满电需四个小时，因此，如果需要让ASIMO长时间工作，有必要配一到两块备用电池。

ASIMO的同类产品

日本富士通公司的HOAP-1机器人 日本富士通公司供图

除ASIMO外，另外还有一些相当复杂的类人机器人似乎在做许多相同的事情（平稳转身除外）。 不同的是，它们中的大部分的建造规模小很多，更多是为了娱乐，而不是替人劳动。 就当前而言，ASIMO在技术方面最有力的竞争对手似乎是：

日本索尼公司的QRIO机器人
日本富士通公司的HOAP-1机器人
机器人医生

还有两种不同的机器人用于世界各地的医院中，它们行走在走廊上，乘电梯在医院各处递送患者记录、X光片、药品以及其他物品。它们用轮子行走，并编有程序，以识别和跟随墙壁上的标记和条形码。

ASIMO的生活故事

本田从1986年起开始开发类人助手型机器人。本田工程师们认识到机器人必须能够轻易在房子或建筑物周围行走，这意味着行走技术必须精湛。因此，他们的最初尝试基本上是有腿的盒子。当行走机制的大部分都开发出来以后，机器人的臂、手和头都先后添加进来。

ASIMO年表

1986年——静态行走

本田建造的第一部机器人被称为EO。EO走得很慢，走一步有时需要20秒。这是因为EO采用所谓的“静态行走”方式。在静态行走中，机器人在开始向前移动一步后，必须等到其重量在那只脚上取得平衡后，才开始向前移动另一只脚。人类不是那样行走的，因此科学家继续研究机器人行走技术。

1987年——动态行走

迄今工程师们已开发出更像人类的“动态行走”方法。通过这种行走技术，机器人（现在称为原型E1，随着研究的进展，很快又出现E2和E3）进入到下一阶段，即可移动自身重量，并向前移动另一只脚，以稳住自身，而不会向前倒下。

1991年——像人类一样行走

在原型E4、E5和E6中，本田工程师们完善了行走机制，使得机器人可轻易在斜面上行走、爬楼梯以及在不平整的地面上行走。因为像人类一样真实地行走实际上需要用到身体、双臂和头，工程师们必须进入到下一步，为机器人添加身体中的其他部分。

1993年——外貌更像人类的机器人

下一代原型（P1、P2和P3）具有身体、双臂，双手和头，看起来更像是“类人”。 然而P1身材庞大，高188厘米，重175公斤。P2的高度略有下降，但重量更重，有210公斤，人们决不愿意在厨房中被这样的东西踩到脚趾。但它可在不平整表面、斜面上行走得很好，甚至可抓住物体和推动手推车。P2甚至可在被推时保持平衡。最后，P3建造得更为令人舒服（不那么令人恐惧），高157厘米。重130公斤，行走速度更快，比以前的机器人走得更平稳。

1997年——我们知道的ASIMO问世

人们对行走系统进行了更多的改进，由此允许ASIMO优雅地行走并轻易进入几乎所有的环境中。复杂的髋关节允许ASIMO平稳地转身，而其他机器人必须停住和拖行才能做到这一点。

考虑到ASIMO的用途，工程师们决定进一步缩小ASIMO的尺寸，变成122厘米，以便使它不仅不会对坐着（就这一方面而言，或站着）的人构成威胁，还会具有与人对眼的平视高度。 这一高度也使ASIMO可以以桌子或计算机的高度工作、够到灯的开关和转动门的把手。ASIMO具有很坚固而又质地较轻的镁合金身体，覆有塑料“皮肤”，重量只有52公斤。

被称为“预测移动控制”的技术允许ASIMO自动预测下一动作，并移动重量进行转身。也可实时调节ASIMO的步幅，让它走得更快或更慢。P2和P3必须使用程序化行走模式。 整理自-博闻网

作者 Lee Ann Obringer and Jonathan Strickland