仿人机器人的关键技术

仿人机器人的关键技术（精选7篇）

仿人机器人的关键技术 第1篇

增强制造业核心竞争力重点领域关键技术产业化实施方案2018年项目申报-工业机器人关键技术产业化项目资金申请

报告

项目编制单位：北京智博睿投资咨询有限公司

资金申请报告编制大纲（项目不同会有所调整）第一章 工业机器人关键技术产业化项目概况 1.1工业机器人关键技术产业化项目概况

1.1.1工业机器人关键技术产业化项目名称 1.1.2建设性质

1.1.3工业机器人关键技术产业化项目承办单位 1.1.4工业机器人关键技术产业化项目负责人

1.1.5工业机器人关键技术产业化项目建设地点

1.1.6工业机器人关键技术产业化项目目标及主要建设内容

1.1.7投资估算和资金筹措

1.2.8工业机器人关键技术产业化项目财务和经济评论

1.2工业机器人关键技术产业化项目建设背景

1.3工业机器人关键技术产业化项目编制依据以及研究范围

1.3.1国家政策、行业发展规划、地区发展规划

1.3.2项目单位提供的基础资料

1.3.3研究工作范围

1.4申请专项资金支持的理由和政策依据

第二章 承办企业的基本情况 2.1 概况 2.2 财务状况 2.3单位组织架构

第三章 工业机器人关键技术产业化产品市场需求及建设规模 3.1市场发展方向

3.2工业机器人关键技术产业化项目产品市场需求分析

3.3市场前景预测

3.4工业机器人关键技术产业化项目产品应用领域及推广

3.4.1产品生产纲领

3.4.2产品技术性能指标。

3.4.3产品的优良特点及先进性

3.4.4工业机器人关键技术产业化产品应用领域

3.4.5工业机器人关键技术产业化应用推广情况

第四章 工业机器人关键技术产业化项目建设方案 4.1工业机器人关键技术产业化项目建设内容

4.2工业机器人关键技术产业化项目建设条件

4.2.1建设地点

4.2.2原辅材料供应

4.2.3水电动力供应

4.2.4交通运输

4.2.5自然环境

4.3工程技术方案 4.3.1指导思想和设计原则

4.3.2产品技术成果与技术规范

4.3.3生产工艺技术方案

4.3.4生产线工艺技术方案

4.3.5生产工艺

4.3.5安装工艺

4.4设备方案

4.5工程方案

4.5.1土建

4.5.2厂区防护设施及绿化

4.5.3道路停车场

4.6公用辅助工程

4.6.1给排水工程

4.6.2电气工程

4.6.3采暖、通风

4.6.4维修

4.6.5通讯设施

4.6.6蒸汽系统

4.6.7消防系统

第五章 工业机器人关键技术产业化项目建设进度 第六章 工业机器人关键技术产业化项目建设条件落实情况

6.1环保

6.2节能

6.2.1能耗情况

6.2.2节能效果分析

6.3招投标

6.3.1总则

6.3.2项目采用的招标程序

6.3.3招标内容

第七章 资金筹措及投资估算 7.1投资估算

7.1.1编制依据

7.1.2编制方法

7.1.3固定资产投资总额

7.1.4建设期利息估算

7.1.5流动资金估算

7.2资金筹措

7.3投资使用计划

第八章 财务经济效益测算

8.1财务评价依据及范围 8.2基础数据及参数选取

8.3财务效益与费用估算

8.3.1年销售收入估算

8.3.2产品总成本及费用估算

8.3.3利润及利润分配

8.4财务分析

8.4.1财务盈利能力分析

8.4.2财务清偿能力分析

8.4.3财务生存能力分析

8.5不确定性分析

8.5.1盈亏平衡分析

8.5.2敏感性分析

8.6财务评价结论

第九章 工业机器人关键技术产业化项目风险分析及控制 9.1风险因素的识别

9.2风险评估

9.3风险对策研究

第十章 附件

10.1企业投资项目的核准或备案的批准文件； 10.2有贷款需求的项目须出具银行贷款承诺函； 10.3项目自有资金和自筹资金的证明材料； 10.4环保部门出具的环境影响评价文件的批复意见；

10.5城市规划部门出具的城市规划选址意见（适用于城市规划区域内的投资项目）；

10.6有新增土地的建设项目，国土资源部门出具的项目用地预审意见；

10.7节能审查部门出具的节能审查意见； 10.8项目开工建设的证明材料；

10.9根据有关法律法规的规定应提交的其他文件；

仿人机器人的关键技术 第2篇

为推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合，提高智能机器人产业技术水平和核心竞争力，根据《增强制造业核心竞争力三年行动计划（2018-2020年）》，制定本方案。

一、发展背景

经过多年努力，我国机器人产业发展取得长足进步，整体素质显著增强。工业机器人关键零部件研制和集成应用能力明显提升，整机产品示范应用稳步推进。服务机器人方兴未艾，在公共服务、医疗康复等领域研制出一系列代表性产品并实现应用。标准化检测认证体系初步建立，在规范行业健康有序发展方面开展了卓有成效的探索实践。

我国机器人产业发展虽取得阶段性突破，但综合竞争能力相比世界机器人强国仍有一定差距。行业集成创新能力不足，机器人操作系统、云服务平台等关键共性技术平台建设滞后。工业机器人产品一致性和可靠性难以全面满足下游应用需求，需要依靠技术积累提升产品性能。服务机器人产品智能化水平有待提升、规模化推广存在障碍，需要融合新技术加快示范应用。质量基础设施建设仍待加强，检测评定工作和认证采信制度有待完善。面对新时代机器人产业发展的新形势新任务新要求，必须集中力量突破一批关键技术实现产业化，加快典型产品推广应用，优化产业发展环境，切实增强产业核心竞争力，推动产业迈向全球价值链中高端。

二、主要任务及预期目标

（一）提升关键共性技术集成创新能力

整合行业协会、产业链骨干企业、相关科研院所的资源和优势，重点开发具有基础性、关联性、系统性、开放性的关键共性技术，组建上下游紧密协作、利益共享的机器人集成创新平台，破除制约行业高端化发展的重大技术瓶颈。

智能机器人操作系统。研究支持多核异构硬件架构的操作系统与网络化分布处理的实时任务分割与通信技术、实时数据分发与交互技术；对多种主流硬件体系结构和智能硬件加速芯片的支持技术；设备即插即用式动态配置技术、机器人功能组件标准化技术、机器人应用框架描述技术。

智能机器人云服务平台。构建基于互联网的开源共享云端数据库，突破机器人工作环境、服务目标、解决方案等海量数据获取与云端存储技术，以及自主推理与规划、自主学习等数据挖掘技术。构建安全可靠的机器人云服务平台，实现机器人在线环境建模、场景理解、态势认知以及行为产生和优化技术，并开展应用验证。

（二）推动典型制造领域生产过程智能化改造 提高搬运机器人、焊接机器人、装配机器人、喷涂机器人、洁净机器人等整机系列化产品开发能力，继续深化在新能源、汽车、电子、轻工、纺织、医药、冶金、建材、民爆、危险化学品等行业示范应用，优先支持对工作环境差、劳动强度大、安全事故多的生产制造环节实施数字化改造，改善提升生产效率和产品质量。

（三）加快智能服务机器人推广应用

聚焦市场潜力大、产业基础好、外溢效应明显的智能服务机器人领域持续发力，以模块化、网络化、智能化为重点发展方向，提升特种服务机器人、医疗康复机器人、公共服务机器人、个人服务机器人产品质量和综合竞争力，加快产品推广应用。

特种服务机器人。重点发展用于救灾救援、反恐防爆等公共安全领域的特种服务机器人，以及特殊地质及气候环境下铁路、电力、桥梁、石化等行业智能化、无人化维护作业机器人，推动5-8种特种服务机器人工程化应用，实现千台级规模销售。

医疗康复机器人。重点发展微创手术、自然腔道手术、穿刺活检与诊疗、骨科手术与诊疗、康复训练等医疗康复机器人，提升产品在复杂手术深度学习和自主编程等方面的能力，优先支持已取得医疗器械许可证或已进入临床测试阶段的产品成熟度较高的手术机器人产业化，积极推动典型产品规模化临床应用。

公共服务机器人。重点发展面向金融机构导服、场馆导览、医院导服、商场导购等领域自动接待，以及用于机场、社区等公共设 施安保清洁的公共服务机器人，提升产品复杂场景服务能力，拓宽产品应用领域，改善公共服务质量。

个人服务机器人。重点发展学习教育、无人机、平衡车等服务机器人产品，推动人工智能技术与服务机器人产品深度融合，提高产品智能人机交互能力，提升产品在多变的自然环境或社会环境中的适应和规划能力，培育一批国际知名品牌。

（四）研究布局新一代智能机器人

密切跟踪全球智能机器人行业最新发展动态，顺应个性化定制和柔性化生产的发展趋势，提高机器人安全性、易用性和环境适应性，研究布局全自主编程工业机器人、人机协作机器人、双臂机器人等新一代智能机器人，抢占产业发展制高点。

全自主编程工业机器人。将深度学习、大数据、云计算等技术逐步应用于机器人控制中，开发具有智能工艺专家系统，可自动获取信息生成作业程序，满足焊接、喷涂、抛光、打磨等复杂作业要求的工业机器人。

人机协作机器人。突破机构设计、多维感知、三维视觉、力反馈等关键技术，开发适用于非结构环境，柔性、灵活度和精准度较高，可脱离护栏限制并与员工共享空间、协同作业，满足电子、医药、精密仪器等行业生产操作需要的人机协作机器人。

双臂机器人。突破运动轨迹规划、双臂协调控制算法、操作力或力矩控制等方面的关键技术，开发单臂6自由度以上，具有高灵 活性、安全性、自主避障、快速配置等特点，能够适应复杂任务的双臂机器人，满足典型行业柔性生产及智能制造需求。

（五）加强检验检测认证能力建设

进一步提升国家机器人检测与评定中心（以下简称“国评中心”）检测业务的专业化水平，着力开展机器人基础标准、相关产品标准、检测评定方法标准的研究和制修订工作，重点针对机器人人工智能、人机交互等方面的检测开展基础性研究工作和实践操作，填补相关领域空白。进一步提升中国机器人认证的认知度和公信力，以国评中心和机器人检测认证联盟为依托，有针对性地研发认证项目、制定认证方案，并积极开展相关国际交流，不断提升自主化、专业化的认证技术水平，建立我国机器人质量评定依据，健全机器人质量认证体系。通过引导征信机构采信有关检测认证信息，实现社会共治和部门协同监管，建立公平的市场竞争环境，推动行业健康有序发展。

三、保障措施

（一）加强产业发展指导

各级发展改革部门要统筹考虑产业基础、人才资源、市场需求等要素条件，科学谋划、理性布局，有序推进产业发展，防止低水平重复建设。行业协会、产业联盟、国评中心等要加强产业运行监测分析，强化行业数据资源积累、管理、分析和应用，建立行业第三方服务供给与企业业务需求的高效对接通道，为行业发展提供指 引，为企业发展提供咨询，合理引导社会资本投向。

（二）优化资金支持方式

统筹利用国家相关专项资金，支持智能机器人重大核心技术攻关、关键共性技术平台建设和重点领域示范应用。地方政府可结合本地实际制定配套支持政策，支持本地智能机器人关键技术产业化重大项目。积极推动先进制造产业投资基金等政府出资产业投资基金加大对智能机器人产业的支持力度，引导带动社会资本投入，加快推动智能机器人关键技术产业化实现突破。鼓励各类金融机构创新业务模式，加大对智能机器人产业的扶持力度。

（三）统筹检测认证工作

依托国评中心的组织架构，加强有关部门、行业协会与国评中心的工作对接，统筹推进我国机器人行业标准检测认证体系建设。充分发挥质量基础设施的平台性作用，通过建立和执行统一的技术标准和认证实施规则，不断提升自主品牌机器人产品质量特别是安全性、可靠性水平，全面支撑我国智能机器人产业有序健康发展。

（四）完善产业发展环境

制订完善机器人认证采信制度，积极推动认证结果在国家有关专项、金融信贷、税收减免等领域的采信使用。积极推动将机器人质量认证信息纳入全国信用信息共享平台，通过质量和信用信息的互通共享引导市场行为，实现行业自律和社会共治。严格执行招投标管理有关规定，禁止设立限制自主品牌机器人参与投标或其他的 歧视性条款。

（五）强化组织协调管理

国家发展改革委会同有关部门加强对方案实施的组织协调，委托有关单位建立方案实施的跟踪评估机制，及时协调解决实施过程中的问题。各级发展改革部门要对本地区项目建设情况进行动态监管，健全日常管理和随机抽查制度。

（六）加强国际交流合作

小型仿人机器人系统的设计 第3篇

1 设计实现目标

本设计暂时只对机器人的双足行走功能和各关节的协调运动进行研究,对其它的视觉、触觉等人类器官的高级功能暂时不予仿生研究。本次设计主要完成的设计目标是:(1)模拟人的行走过程,包括直线行走或转弯行走,实现髋关节的3自由度运动和肘关节的2自由度运动;(2)行走过程平稳,动作连续;(3)小型化,实际的高度在450mm左右,重量在2kg左右;(4)采用半闭环控制及通用的零件,是机器人的制作成本最低化[3]。

2 机器人的自由度分配

人类的身体有许多的肌肉和骨骼组成,要实现对人类器官运动的精确仿生却是很难实现的[4]。通过研究我们知道,通过下肢双腿12个自由度的模拟就能很好地实现人的双腿的行走功能,而上肢在行走的过程当中也扮演了重要的角色,它可以在行走的过程当中通过一定的运动平衡机器人的惯性力矩。下肢中,踝关节设计2个自由度,膝关节设计1个自由度,跨关节设计3个自由度。上肢设计9个自由度,头部1个自由度,肩部2个自由度,肘部2个自由度,手在行走过程中的自由度可以忽略,不影响行走运动的状态,故没有对手部的关节进行仿生。自由度的设计方案如图1。根据自由度的设计完成的机械部分如图2。

3 驱动器件及控制单元

3.1 驱动器件的选择

驱动单元在机器人设计和制作的工程中是个重要的部分,它直接影响着机器人行走的准确、稳定和驱动能力的大小。

由于控制、扭矩、体积等方面因素,并参考目前已开发的小型机器人,选用微型伺服电机作为机器人关节驱动元件。微型伺服电机本质上是一种可以定位的直流电机,当其接收到一个位置指令,就会运动到指定的位置。微型伺服马达具有高力矩、高性能、控制简单、装配灵活、低价格等优点。

微型伺服电机内部包括了一个小型直流电机、一组变速齿轮组、一个反馈可调电位器及一块电子控制板。结构如图3。

根据相关参考资料,利用微型伺服马达驱动关节机器人,通常扭矩为3.1kg/cm的伺服马达可以驱动0.45kg的机器人。Tower Pro-MG995型伺服马达最大扭矩为15kg/cm,故必须使机器人质量控制在2.15kg之内。经过比较选择,最后决定选用Tower Pro-MG995型伺服马达作为关节驱动元件。详细参数见表1。

3.2 控制单元的设计

控制单元分为两部分:主控电路;伺服电机驱动电路。主控芯片用串行通讯的方式发送控制字符到伺服电机驱动电路使电机转动。

主控芯片采用8位AVR的ATmega16微控制器。它是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

伺服电机驱动器采用SSC-32舵机控制器(见图4)。这是一款功能较强、体积较小的舵机控制器。它有着很高的位置精度以及运动精度。

SSC-32的特性:

角度控制范围:180°;伺服精度:1μs,0.9°;伺服速度精度:1μs/s;伺服控制方式:即时控制、时间控制、速度控制和同步控制;最大控制舵机数量:32个。

它可以通过串口接口与电脑串口直接连接,通过电脑控制多舵机的协调运行,也可以通过选用其他的微控制器控制。本设计过程中结合两种工作方式的优点。在机器人的动作设计调试阶段采用的是与电脑直接连接的工作方式,这样给调试机器人的动作带来了很大的便利,可以随时在线对机器人的动作进行修正。完成动作设计后,在演示过程中,采用ATmega16微控制器控制它,这样就机器人就脱离了串口接线的限制,使机器人做动作过程不受外部条件限制。SSC-32的通讯方式如图5。

4 控制程序

4.1 控制程序的初始化

首先进行上位机的初始化,也就是对ATmega16微处理器的数据发送器(USART)的初始化。初始化的过程包括波特率的设定合帧机构的设置,以及根据需要使能接收器和发送器。TXC标志位可以用来检验一个数据帧的发送是否完成,RXC标志位可以用来检测接收缓冲器中是否还有数据未读出。在每次的数据发送前,必须将TXC标志位清零。下面是用C语言进行USATR的初始化程序[5]。

4.2 控制字符的发送

置位UCSRB寄存器的发送使能位TXEN,将使能USART的数据发送。使能后TXD引脚的通用I/O功能被USART功能所取代,成为发送器的串行输出引脚。发送数据之前要设置好波特率、工作模式与帧结构。发送5到8位数据位的帧将需要发送的数据加载到发送缓存器将启动数据发送。加载过程即为CPU对UDR寄存器的写操作。当移位寄存器可以发送新一帧数据时,缓冲的数据将转移到移位寄存器。当移位寄存器处于空闲状态(没有正在进行的数据传输),或前一帧数据的最后一个停止位传送结束,它将加载新的数据。一旦移位寄存器加载了新的数据,就会按照设定的波特率完成数据的发送。

4.3 控制字符的执行

SSC-32内部规定了自己的控制指令字符,通过ATmega16或电脑串口通过控制线向其发送控制指令字符的ASCⅡ码,当SSC-32接收到发送过来的控制字符,并不会立即执行,直到接收到结束字符ASCⅡ13(回车)后,控制字符对应的动作才会被执行。一组控制字符中,同类型控制多个舵机的控制字符会被同时执行;不同类型的控制字符不能在一个控制字符组中同时出现。这就实现了同时对多个舵机的有效控制,是每个机器人的关节运动相互协调。

如:机器人的左臂的四个舵机定义为5号舵机,6号舵机,2号舵机3号舵机。完成一个动作需要5号、6号和2号舵机同时运行时,控制字符串:

″#5 P1600#17 P750 S500#2 P2250 T2000″

它代表的意思是:5号舵机转角是1600μm的高电平对应的位置;6号舵机是750μm的高电平对应的位置;2号舵机是2250μm的高电平对应的位置。整个过程所用的时间为2s。在这运动过程中,3个舵机同时启动,同时停止运行。这种方式在控制机器人的行走过程中能轻松地实现腿部的协调运动。

以往一个微控制器同时控制舵机的数量是由它的计时器决定的,计时器产生的控制脉冲发送到舵机使舵机旋转固定的角度[6],现在的这种控制舵机的方式具有很大的优越性,不但机器人的协调问题得到了很好的解决,并且指令的复杂程度得到了很大的简化,可以通过简单的指令就得到更复杂的机器人动作。

5 结论

本文介绍的小型机器人系统,增加了髋部的自由度,轻易实现17自由度机器人在行走过程中的转弯问题,肘部增加的2个自由度使机器人的上肢运动得到加强。尤其是随着SSC-32舵机控制器的使用,机器人的编程难度大为降低,程序占用的存储空间减小许多,使得在程序存储空间不变的情况,存储更多的动作指令,机器人的动作更加丰富,并且机器人运动的协调稳定性得到了强化。

参考文献

[1]蔡自兴.机器人学导论[M].北京:机械工业出版社,2001.

[2]郑嫦娥,钱桦.仿人机器人国内外研究动态[J].机床与液压,2006(3):1-4.

[3]张博.小型双足人形机器人机构设计与步态规划[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006.

[4]黄晶.拟人足球机器人的运动分析[D].天津:天津大学,2003.

[5]耿德根.AVR高速嵌入式单片机原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

仿人机器人的关键技术 第4篇

项目编制单位：北京智博睿投资咨询有限公司

资金申请报告编制大纲（项目不同会有所调整）第一章 国家机器人检测与评定中心项目概况 1.1国家机器人检测与评定中心项目概况

1.1.1国家机器人检测与评定中心项目名称 1.1.2建设性质

1.1.3国家机器人检测与评定中心项目承办单位 1.1.4国家机器人检测与评定中心项目负责人

1.1.5国家机器人检测与评定中心项目建设地点

1.1.6国家机器人检测与评定中心项目目标及主要建设内容

1.1.7投资估算和资金筹措

1.2.8国家机器人检测与评定中心项目财务和经济评论

1.2国家机器人检测与评定中心项目建设背景

1.3国家机器人检测与评定中心项目编制依据以及研究范围

1.3.1国家政策、行业发展规划、地区发展规划

1.3.2项目单位提供的基础资料

1.3.3研究工作范围

1.4申请专项资金支持的理由和政策依据

第二章 承办企业的基本情况 2.1 概况 2.2 财务状况

2.3单位组织架构

第三章 国家机器人检测与评定中心产品市场需求及建设规模 3.1市场发展方向

3.2国家机器人检测与评定中心项目产品市场需求分析

3.3市场前景预测

3.4国家机器人检测与评定中心项目产品应用领域及推广

3.4.1产品生产纲领

3.4.2产品技术性能指标。

3.4.3产品的优良特点及先进性

3.4.4国家机器人检测与评定中心产品应用领域

3.4.5国家机器人检测与评定中心应用推广情况

第四章 国家机器人检测与评定中心项目建设方案 4.1国家机器人检测与评定中心项目建设内容

4.2国家机器人检测与评定中心项目建设条件

4.2.1建设地点

4.2.2原辅材料供应

4.2.3水电动力供应

4.2.4交通运输

4.2.5自然环境

4.3工程技术方案

4.3.1指导思想和设计原则 4.3.2产品技术成果与技术规范

4.3.3生产工艺技术方案

4.3.4生产线工艺技术方案

4.3.5生产工艺

4.3.5安装工艺

4.4设备方案

4.5工程方案

4.5.1土建

4.5.2厂区防护设施及绿化

4.5.3道路停车场

4.6公用辅助工程

4.6.1给排水工程

4.6.2电气工程

4.6.3采暖、通风

4.6.4维修

4.6.5通讯设施

4.6.6蒸汽系统

4.6.7消防系统

第五章 国家机器人检测与评定中心项目建设进度

第六章 国家机器人检测与评定中心项目建设条件落实情况 6.1环保

6.2节能

6.2.1能耗情况

6.2.2节能效果分析

6.3招投标

6.3.1总则

6.3.2项目采用的招标程序

6.3.3招标内容

第七章 资金筹措及投资估算 7.1投资估算

7.1.1编制依据

7.1.2编制方法

7.1.3固定资产投资总额

7.1.4建设期利息估算

7.1.5流动资金估算

7.2资金筹措

7.3投资使用计划

第八章 财务经济效益测算

8.1财务评价依据及范围

8.2基础数据及参数选取 8.3财务效益与费用估算

8.3.1年销售收入估算

8.3.2产品总成本及费用估算

8.3.3利润及利润分配

8.4财务分析

8.4.1财务盈利能力分析

8.4.2财务清偿能力分析

8.4.3财务生存能力分析

8.5不确定性分析

8.5.1盈亏平衡分析

8.5.2敏感性分析

8.6财务评价结论

第九章 国家机器人检测与评定中心项目风险分析及控制 9.1风险因素的识别

9.2风险评估

9.3风险对策研究

第十章 附件

10.1企业投资项目的核准或备案的批准文件； 10.2有贷款需求的项目须出具银行贷款承诺函； 10.3项目自有资金和自筹资金的证明材料； 10.4环保部门出具的环境影响评价文件的批复意见；

10.5城市规划部门出具的城市规划选址意见（适用于城市规划区域内的投资项目）；

10.6有新增土地的建设项目，国土资源部门出具的项目用地预审意见；

10.7节能审查部门出具的节能审查意见； 10.8项目开工建设的证明材料；

仿人机器人的关键技术 第5篇

项目编制单位：北京智博睿投资咨询有限公司

资金申请报告编制大纲（项目不同会有所调整）第一章 手术机器人项目概况 1.1手术机器人项目概况

1.1.1手术机器人项目名称 1.1.2建设性质

1.1.3手术机器人项目承办单位 1.1.4手术机器人项目负责人

1.1.5手术机器人项目建设地点

1.1.6手术机器人项目目标及主要建设内容

1.1.7投资估算和资金筹措

1.2.8手术机器人项目财务和经济评论

1.2手术机器人项目建设背景

1.3手术机器人项目编制依据以及研究范围

1.3.1国家政策、行业发展规划、地区发展规划

1.3.2项目单位提供的基础资料

1.3.3研究工作范围

1.4申请专项资金支持的理由和政策依据

第二章 承办企业的基本情况 2.1 概况 2.2 财务状况

2.3单位组织架构

第三章 手术机器人产品市场需求及建设规模 3.1市场发展方向

3.2手术机器人项目产品市场需求分析

3.3市场前景预测

3.4手术机器人项目产品应用领域及推广

3.4.1产品生产纲领

3.4.2产品技术性能指标。

3.4.3产品的优良特点及先进性

3.4.4手术机器人产品应用领域

3.4.5手术机器人应用推广情况

第四章 手术机器人项目建设方案

4.1手术机器人项目建设内容

4.2手术机器人项目建设条件

4.2.1建设地点

4.2.2原辅材料供应

4.2.3水电动力供应

4.2.4交通运输

4.2.5自然环境

4.3工程技术方案

4.3.1指导思想和设计原则 4.3.2产品技术成果与技术规范

4.3.3生产工艺技术方案

4.3.4生产线工艺技术方案

4.3.5生产工艺

4.3.5安装工艺

4.4设备方案

4.5工程方案

4.5.1土建

4.5.2厂区防护设施及绿化

4.5.3道路停车场

4.6公用辅助工程

4.6.1给排水工程

4.6.2电气工程

4.6.3采暖、通风

4.6.4维修

4.6.5通讯设施

4.6.6蒸汽系统

4.6.7消防系统

第五章 手术机器人项目建设进度

第六章 手术机器人项目建设条件落实情况 6.1环保

6.2节能

6.2.1能耗情况

6.2.2节能效果分析

6.3招投标

6.3.1总则

6.3.2项目采用的招标程序

6.3.3招标内容

第七章 资金筹措及投资估算 7.1投资估算

7.1.1编制依据

7.1.2编制方法

7.1.3固定资产投资总额

7.1.4建设期利息估算

7.1.5流动资金估算

7.2资金筹措

7.3投资使用计划

第八章 财务经济效益测算

8.1财务评价依据及范围

8.2基础数据及参数选取 8.3财务效益与费用估算

8.3.1年销售收入估算

8.3.2产品总成本及费用估算

8.3.3利润及利润分配

8.4财务分析

8.4.1财务盈利能力分析

8.4.2财务清偿能力分析

8.4.3财务生存能力分析

8.5不确定性分析

8.5.1盈亏平衡分析

8.5.2敏感性分析

8.6财务评价结论

第九章 手术机器人项目风险分析及控制

9.1风险因素的识别

9.2风险评估

9.3风险对策研究

第十章 附件

10.1企业投资项目的核准或备案的批准文件； 10.2有贷款需求的项目须出具银行贷款承诺函； 10.3项目自有资金和自筹资金的证明材料； 10.4环保部门出具的环境影响评价文件的批复意见；

10.5城市规划部门出具的城市规划选址意见（适用于城市规划区域内的投资项目）；

10.6有新增土地的建设项目，国土资源部门出具的项目用地预审意见；

10.7节能审查部门出具的节能审查意见； 10.8项目开工建设的证明材料；

仿人机器人综述 第6篇

仿人机器人是一种外观与人相似,具有移动功能、感知功能、操作功能、学习能力、自制能力、联想记忆、情感交流的智能机器人。它具有灵活的行走功能,可以随时走到需要的地方,包括一些对普通人来说不易到达的角落,完成人指定或预先设置的工作。仿人机器人具有人类的外观,可以适应人类的生活和工作环境。仿人机器人集机械、材料、电子、计算机、自动化等多门学科于一体,技术含量高,研究和开发难度大。它是一个国家高技术实力和发展水平的重要标志。因此,世界各发达国家都不惜投入巨资进行研究与开发。目前,美国和日本等许多发达国家的科学家都在仿人机器人的研究与开发方面做了大量的工作,并取得了突破性的进展。仿人机器人已经对人类社会产生了巨大的影响[1]。

日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO,是目前较先进的仿人行走机器人。ASIMO身高1.3 m,体重54 kg。它的行走速度是0~6 km/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,如图1所示:

从诞生至今,ASIMO的进步可以用神速来形容,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]。

2 仿人机器人的关键技术

2.1 环境感知传感器和信号处理方法

多传感器信息融合技术的基本原理就像人脑综合处理信息的过程一样,它充分地利用多个传感资源,通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用,将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则组合起来,产生对观测环境的一致性解释和描述[3]。

2.2 智能控制

智能控制主要包括模糊控制、神经网络、进化计算等,且逐渐成为成熟的控制思想[4]。模糊控制源于模糊数学,或称弗晰数学,是研究如何表现和处理模糊性现象的一个数学分支[5~6],模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。人工神经网络控制,从生物学的观点来看,神经网络的功能为信息处理和推理、联想和思维等高级的思想活动[7],而人工神经网络控制是利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术系统,它是一种大规模并行的非线性动力学系统。

2.3 导航与定位

在服务机器人系统中,自主导航是一项核心技术,是机器人研究领域的重点和难点问题[8]。把人工神经网络控制和多传感器融合技术相结合用于仿人机器人的导航定位系统,如图2所示:

3 仿人机器人的应用及发展方向

由于仿人机器人具有人类的外观特征,更容易适应人类的生活和工作环境,代替人类完成各种作业。它不仅可以在辐射、粉尘、有毒环境中代替人类作业,而且可以在很多方面扩展人类的能力,具有广阔的应用前景。21世纪人类将进入老龄化社会,发展仿人机器人能弥补年轻劳动力的严重不足,解决老龄化社会的家庭服务、医疗等社会问题。仿人机器人可以与人友好相处,能够很好地担任陪伴、照顾、护理老人和病人的角色,从事日常生活中的服务工作,因此家庭服务行业的仿人机器人应用必将形成新的产业和新的市场。在医疗领域,仿人机器人可以用于假肢和器官移植,用仿人机器人技术可以做成动力型假肢,协助瘫痪病人实现行走的梦想。然而,我们现在还几乎看不到以控制论开发出的生物体与人体完美的结合,因此这方面还需要更进一步的研究和探索。仿人形机器人可以用来在展览会上做广告,因为它在外形上更接近人类,所以更能引起人的兴趣。另外,它还可以用于家庭娱乐[9]。

仿人机器人是许多技术的综合与集成。但是,由于受到计算机技术、控制技术、电子技术、通信技术、传感器技术、人工智能、数学建模、机构学、材料学、仿生学等相关学科发展的制约,仿人机器人的功能还十分有限。未来仿人机器人绝不仅仅局限于此,还会模仿人的视觉、触觉、语言、行为、情感等功能,仿人机器人给科研工作者提供了广阔的研究空间,提出了一个又一个新的挑战,同时也促进了许多相关学科的发展,催生了一些新理论和新方法的出现。根据仿人机器人的发展现状,可以对未来仿人机器人的研究方向和发展趋势做以下预测。

3.1 本体机构的改进

仿人机器人是一个多关节和具有冗余自由度的复杂系统。如何实现预期功能而且又使结构最优化是一个很值得研究的问题。一个功能齐全的仿人机器人必须要有一个结构紧凑、配置合理的机械本体。在研制过程中,应该考虑采用更先进的材料,提高零件的制造精度和装配精度。也有一些研究者在研制人造肌肉,通过空气气囊的充气和排气带动关节动作。

3.2 运动学和动力学求解理论和方法的发展

一个理想的步态规划对于仿人机器人行走的稳定性是非常有益的。由于仿人机器人的高阶、强耦合和非线性,使得仿人机器人运动学和动力学的精确求解非常困难,而且也没有十分理想的理论或方法来求解逆运动学的解析解,只有外加一些限制条件,如能量消耗最小、峰值力矩最小等来求出运动学和动力学的近似解。这样往往导致仿人机器人的规划运动与实际运动有较大的出入。所以要想得到理想的运动规划,必须在运动学和动力学的求解方法上有重大的突破。

3.3 驱动电源的改进

理想的能源应该具有高能源密度、耐高温、耐腐蚀、可再生、低成本等优势。但是,现在自带能源容量有限,而且仿人机器人的关节众多,所以如何改进驱动源,使其体积小、重量轻而且容量大,也是在仿人机器人的研制过程中必须解决的问题。

3.4 传感器技术的发展

仿人机器人安装了大量的传感器,在仿人机器人的自主辨识中,就是靠这些传感器收集机器人本身及外部的信息并加以处理,然后反馈给计算机进行计算、分析、比较并得出结果,从而控制机器人的动作。因此在未来如何研制出高精度且价格低廉的传感器将对仿人机器人的发展有重大的影响。

3.5 控制技术和集成技术的发展

仿人机器人的关节众多,控制电路复杂,要真正地实现仿人,并且拥有人类并不拥有的其他功能,其控制电路将愈加复杂。如何寻找更加优化的控制方案和控制机构,受到越来越多学者的重视。

3.6 智能技术和软件技术的发展

目前机器人的智能程度还远远没有达到人类的要求,如何将人类的智能复制到仿人机器人上,将是未来仿人机器人研究的重点。

3.7 网络机器人技术和虚拟机技术

通过通信网络将许多个仿人机器人连接到计算机网络上,并且通过网络对仿人机器人进行有效的控制,这种技术包括网络遥控操作控制技术、信息组压缩和扩展技术以及传输技术等。在将遥控作为一种主要手段控制仿人机器人的同时,基于多传感器、多媒体和虚拟现实、增强的虚拟遥控操作和人机交互技术,也是需要大力发展的技术[10]。

参考文献

[1]蔡自兴.机器人学基础[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2]度龄.机器人明星-Asimo[J].中国青年科技,2003,(11).

[3]赵蕊,贺建军.多传感器信息融合技术[J].计算机测量与控制,2007,15(9):100—112.

[4]张毅,罗元,郑太雄,等.移动机器人技术及其应用[M].北京:电子工业出版社,2007:34—52.

[5]Li R,Wallance A,Spef R,et al.Two-axis model development of cage-rotor brushless doubly-fed machines[J].IEEE Trans on En-ergy Conversion,1991,6(3):453—460.

[6]Hu H,Brady M.A Bayesian approach to real-time obstacle a-voidance for an intelligent mobile robot[J].International Journal of Autonomous Robots,1994,1(1):64—102.

[7]王灏,毛宗源.机器人的智能控制方法[M].北京:国防工业出版社,2002:21—32.

[8]孟庆春,齐勇,张淑军,等.智能机器人及其发展[J].中国海洋大学学报,2004,34(5):831—838.

[9]李云江.机器人概论[M].北京:机械工业出版社,2011:37—61.

仿人机器人的关键技术 第7篇

关键词：仿人机器人,生物力学,肌肉硬度,血流特性,舒适度

0 引言

仿人机器人由于可以模拟人体在工作和生活中的动作,进而代替部分人类的工作,得到了众多研究机构的关注。仿人机器人的研制起始于上世纪60年代末[1],日本与韩国在该研究邻域内处于世界领先地位。

早在1968年,美国的Mosher.R试制了一台名为“Rig”的操纵型两足步行机器人,它只有踝和髋两个关节,操纵者靠力反馈感觉来保持机器平衡,这种主从式的机械装置算是两足步行机构的雏形[1,2],从此拉开了世界范围内的仿人机器人的研究序幕。

早稻田大学的“日本机器人之父”加藤一郎教授是开创两足步行机器人研究的先驱,在近40年的研究中,开发出了WL系列下肢机器人,该系列机器人从行走能力为出发点,逐步实现了静态、准动态和动态行走[1~3],直至90年代的WABIAN系列开始带有上肢,才具有拟人形。与此同时,日本的本田公司在仿人形机器人的研究上也取得了重大成果。从1986年E系列的E0样机经历P样机,到2001年最新的ASIMO,最终实现了真三维空间行走,步姿可以同人类媲美[1,3]。受日本的影响,韩国先进科技研究所于2004年开发了HUBO机器人,该机器人具有41个自由度,10个手指都能独立活动,双眼可以转动[4]。

国内仿人机器人的研究起步较晚,国防科技大学于1988至2000年期间,研制了KDW系列双足机器人及六关节平面运动型双足步行器“先行者”[2],实现了动态步行。哈尔滨工业大学成功研制了HIT系列静态步行双足机器人,尤其是全身具有52个自由度的HIT-Ⅳ机器人在运动速度和平衡性方面都已接近于动态行走的机器人[1]。北京理工大学于2002年研制成功BHR-1仿人机器人[5],实现了在未知地面的动态步行走和太极拳表演,在此基础上“汇童”机器人的成功研制标志着我国已成为继日本之后第二个掌握集机构、控制、传感器、电源于一体的国家[6]。同期清华大学和上海交通大学也分别完成了TH系列和SFHR仿人机器人的研究[7]。

综上所述,目前仿人机器人的研究主要集中于对人类行走、感官、思维等特征的模拟,并没有从人体生物力学机理的角度对人体潜意识动作姿态进行研究,仿人机器人的动作与真实人体的动作之间的差距很大,制约了仿人机器人的应用。因此,本文基于课题组前期研究,深入分析了人体疲劳的生物力学机理,建立了生物力学指标(肌肉硬度、肌电信号、血流特性)与人体各关节运动转角的关系,提出了人体潜意识动作姿态舒适度指标和人机接触界面舒适度指标,并依据上述舒适度指标对机器人的人体潜意识动作姿态的生成,路径规划以及本体构建的关键技术展开讨论。

1 系统关键技术

为了提高机器人的拟人程度,该系统需解决的关键技术主要涉及以下三个方面:拟人位姿生成、路径规划和本体设计。

1.1 拟人位姿生成

基于人体动作姿态舒适度的客观生物力学指标(肌肉硬度,肌电信号,血流特性)的研究,结合主观试验和仿真数据,以不同肌肉和血管的横截面积为加权系数,对实现人体四肢运动姿态的各关节分支运动所涉及的不同肌肉或血管的生物力学数据进行加权和归一化处理,进而通过数据拟合得到各关节分支运动转角与无量纲试验值的函数关系,同时利用仿真数据进行对比和修正,如图1所示。图中(a)(b)(c)是以肌肉生理横截面积为加权系数,并依据肌肉硬度、肌电信号和主观评价数据拟合的部分关节运动姿态舒适曲线,图中(d)(e)(f)是以血管生理横截面积为加权系数,依据血流量数据拟合的部分关节运动姿态舒适曲线。从图中可看出肌肉的舒适指数正比于人体在该角度下的舒适程度;相对血流量大小指数反比于人体在该角度下的舒适程度。以实现人体四肢运动姿态的各关节分支运动作所涉及的相关肌肉的生理横截面积与所有分支运动所涉及的相关肌肉的生理横截面积之和的比值为加权系数,对该运动姿态的舒适度进行加权处理,建立人体舒适度优化函数,同时结合人体各关节分支运动可达域范围和机器人拾取部位与目标点相贴合的特征分别构造机器人控制的几何约束条件和边界约束条件,进而建立仿人机器人四肢运动拟人姿态优化模型,实现对人体舒适的、本能的、潜意识的动作姿态进行模拟。上述优化模型为:

约束条件:

其中,θi(i=1~n)表示实现一个姿态的各关节分支运动的旋转角度;wi(i=1~n)表示各关节分支运动的舒适性加权系数;fi(θi)表示各关节分支运动的舒适性曲线函数;AIM(x)、AIM(y)、AIM(Z)和P(x)、P(y)、P(z)表示目标点和机器人拾取部位在基础坐标系x、y、z轴上的坐标分量。

1.2 路径规划

在不确定的动态环境中,为了实现仿人机器人最优舒适度下双臂的协调运动,其双臂的运动规划控制结构主要由目标趋近模块和避障模块组成。结合上述两个模块,仿人机器人就能实现动态环境中障碍物的躲避及目标点的拾取。

在避障模块中,采用势场法实现仿人机器人双臂的在线动态避障,但传统的势场法是建立在相对位置基础上,适用于静态环境避障。为了适应不确定动态环境,基于传统人工势场法,以机器人与动态障碍物的相对位置和相对速度为变量,构建由位置势场和速度势场组合而成的混合势场模型,通过对位置变量求负梯度,得出一种新的自适应势场法。该方法在传统势场法的基础上,增加了一个新的舵力,可较好地解决机器人双臂的最优动态规划问题。同时,为了使仿人机器人在运动规划中获得较好的舒适度,对自适应势场法做进一步改进,具体方法是:结合机器人结构约束条件,对势场法中斥力势场的斥力增益系数进行变异扰动,获得不同斥力增益系数下的连杆位置坐标,通过逆运动求解机械臂各关节变量,结合所建立的仿人机器人四肢运动拟人姿态优化模型进行优化求解,得到中最优舒适度下的避障路径与轨迹。

1.3 本体设计

该仿人机器人本体部分的设计需要解决运动机构设计、驱动与控制系统设计以及运动学与动力学分析等问题,具体设计如图2所示。

1.3.1 仿人机器人运动机构设计

根据人体解剖学分析,肘关节、腕关节和髋关节都是并联结构形式,采用3自由度并联球关节。踝关节有两个自由度,采用并联虎克铰结构。肩关节与膝关节都具有1个自由度,采用滑动四杆机构,可提高承载能力与刚度。关节采用带有谐波减速器的直流伺服电机进行驱动,每个电机配有光学编码器对关节转动角度、速度和加速度进行反馈。关节之间通过轻质金属连杆连接,关节与连杆通过细牙螺纹及防松螺母连接,以便于机器人的臂长、腿长的微量调整。仿人机器人躯干下部与腰部通过铰链连接,可以实现躯干与下肢之间姿态的微量调整。

为了模拟人体在就坐等与环境接触时的肌肉软组织受压情况,根据人体肌肉的密度、硬度和弹性模量特征,采用硅橡胶制作背部浅层肌群、深层肌群以及臀肌,并在肌肉的深层与浅层分别嵌入与硅橡胶材质性能相近的压力传感器,建立人体肌肉的物理模型,以人体解剖学中的理想体压分布曲线[8](如图3所示)为理论指导,根据人机接触界面体压分布实验数据与受试人员的主观感受,获取人机接触界面的舒适度指标,与此同时,通过配重与减重方式实现对仿人机器人整体结构的优化。

1.3.2 驱动与控制系统

采用实时内核uC/OS-Ⅱ作为关节控制器的操作系统,将机器人驱动电机运动程序和传感器信息获取程序等作为uC/OS-Ⅱ的任务,实现仿人机器人的实时控制。仿人机器人按不同的运动功能可被划分为5个不同的控制子系统:左/右手臂子系统、左/右腿子系统及手部子系统,每一个子系统都具有单独的处理器、关节驱动器和传感器。5个控制子系统及其与上位计算机的通信主要由主控系统协调。因此,仿人机器人的分布式控制系统由主控层、通信层和执行层三部分组成。主控层产生关节运动序列、处理各种传感器数据、在线调整关节运动轨迹、协调各子系统的分工合作与避免碰撞等;通信层采用CAN总线负责系统信息传递;执行层由关节控制器、关节驱动器、传感器和关节电机组成,执行层的每一子系统由一个关节控制器、若干个关节驱动器、关节电机及其相应的传感器构成,完成关节的伺服功能。控制系统结构如图4所示。

2 结论

本文在综述国内外仿人形机器人研究的基础上,依据人体舒适与疲劳的生物力学机理,分析了生物力学指标(肌肉硬度、肌电信号、血流特性)与人体各关节运动转角和人机接触界面体压分布的关系,提出了人体潜意识动作姿态舒适度指标和人机接触界面舒适度指标,并依据这些指标对机器人的人体潜意识动作姿态的生成方法,路径规划方法以及本体构建中的运动机构设计与控制系统设计进行了讨论,对于国内基于生物力学特性的仿人机器人的研究具有推动作用。

参考文献

[1]谢涛,徐建峰,张永学,等.仿人机器人的研究历史、现状及展望[J].机器人,2002,24(3):368-369.

[2]包志军,马培荪,姜山.从两足机器人到仿人型机器人的研究历史及其问题[J].机器人,1999,21(4):312-313.

[3]宗光华,唐伯雁.日本拟人型两足步行机器人研发状况及我见[J].机器人,2002,24(6):564-570.

[4]李允明.国外仿人机器人发展概况[J].机器人,2005,27(6):561-568.

[5]http://www.androidworld.com/.

[6]张利格,黄强,杨洁,等.仿人机器人复杂动态动作设计及相似性研究[J].自动化学报,2007,33(5):522-528.

[7]刘莉,汪劲松,陈恳,等.THB IP-I拟人机器人研究进展[J].机器人,2002,24(3):262-267.