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      解讀日本最先進機器人ASIMO(上)

      解讀日本最先進機器人ASIMO(上)

       

      人形機器人有什么用處?本田的“ASIMO”自問世以來,就一直面對著這樣的問題。但福島核電站事故發(fā)生后,外界的看法發(fā)生了改變,人形機器人作為能夠替代人類在災害現(xiàn)場工作的工具,贏得了全世界的關注。圍繞最先進的人形機器人ASIMO的“三種優(yōu)秀能力”,統(tǒng)管開發(fā)的本田技術研究所基礎技術研究中心第5研究室室長重見聰史接受了記者采訪。

      躲避行人的能力

      ——人形機器人ASIMO怎么數(shù)?1臺、2臺?

      重見:我們是用“1具、2具”的數(shù)法(笑)。

      ——新型ASIMO現(xiàn)在有多少具?

      重見:現(xiàn)在還是研究階段的樣機,總數(shù)不到10具。

      ——現(xiàn)在的ASIMO誕生于2011年11月,具備“智力進化”、“身體能力進化”、“作業(yè)功能提升”三個特點。

      首先想請教的是“智力進化”。作為“智力進化”,ASIMO似乎是世界上最先實現(xiàn)“預測與其交錯行進的行人的行走方向,在前進時避開行人”的雙足步行機器人。請問其中的原理是什么?

      重見:首先,ASIMO的內(nèi)部預置了地圖信息,這是實現(xiàn)該功能的基礎。只要在地圖上指定目的地,ASIMO自己就會生成路線,并沿該路線運動。

      在生成的路線上前進時,如果前方有人通過,ASIMO將根據(jù)人的面部朝向和身體的傾斜等,預測人的步行速度和方向。如果有可能撞上,ASIMO就會改變方向避開,如果不會相撞,ASIMO就會繼續(xù)前進。采用的是在躲避行人的同時,細微修正路線,向目的地前進的機制。

      預測約3秒后的運動,改變動作

      重見:尤其重要的是預測大約3秒后的情況。如果不進行預測,ASIMO就無法及時做出反應,就會不斷停下腳步,成為只會等待行人通過的機器人(笑)。如果能預測到后續(xù)情況,即使運行速度有限,也可以事先做出閃避。

      吸納了預測、也就是時間軸的觀點可以說是新型ASIMO的一大特點。

      ——為了察覺有人靠近,預測其前進方向,ASIMO必須具備配備感知能力。請問感知能力是怎樣實現(xiàn)的?

      重見:ASIMO也使用其所在空間內(nèi)設置的攝像頭等空間傳感器。另外,ASIMO自身內(nèi)置的雙目攝像頭還能識別人的臉部和身體等部位。ASIMO就是利用這些傳感器來感知周圍情況的。除此之外,還有其他的一些攝像頭和傳感器。

      ASIMO在步行中避開行人。ASIMO的身高為130厘米,體重為48公斤。

      ——空間傳感器具體怎樣發(fā)揮工作?

      重見:比方說,空間內(nèi)存在機器人看不到的角落等場所。對于這些地方,要使用空間傳感器進行感知,防止機器人撞上。起到的是彌補機器人的視覺盲區(qū),通知機器人的作用。

      ——ASIMO與行人交錯行進時,能躲開的最快速度是多少?是否設想到了行人快步疾行時的情況?

      重見:行人的步行速度只要在4km/h以下,就能夠躲開。ASIMO本身的步行速度是2.7km/h。

      使視覺傳感器與聽覺傳感器聯(lián)動,可同時聽取多人的聲音。

      跑步時速可達9公里,單腳雙腳都能跳

      ——接下來就聊聊“身體能力進化”。ASIMO的步行速度是2.7km/h,但跑步的速度已經(jīng)達到了9km/h,而且還能在凸凹不平的路面上奔跑。

      有意思的是,ASIMO還是世界上第一個實現(xiàn)了連續(xù)“單腳跳”和“雙腳跳”的人形機器人。這樣的能力是如何實現(xiàn)的?

      重見:如果跳起后在空中停留的時間不夠長,就做不到單腳跳和雙腳跳,因此必須保證較長的滯空時間,這就必須在跳躍中保持姿態(tài)平衡。在空中保持姿態(tài)平衡是最難的地方。ASIMO單腳跳的滯空時間為0.1秒。

      ——落地時應該會受到巨大的沖擊,負荷最大的是腳踝嗎?

      重見:是的。因此,ASIMO的腳踝安裝了橡膠襯套(圓柱形的橡膠部件)。腳掌與腳踝之間設置了四個橡膠襯套,用來吸收沖擊。

      以9km/h的速度奔跑時的腳部動作??梢钥吹诫p腳在奔跑中騰空。此時的步幅為650mm,跳躍高度為155mm。

      控制跳躍時的姿態(tài),穩(wěn)定重心

      ——單腳跳與雙腳跳是否采用了不同的姿態(tài)控制方法?

      重見:當然,因為單腳跳與雙腳跳時的傾斜不同,所以要加以修正。而且,雙腳跳時必須做到同步,保證兩腳同時落地。姿態(tài)修正使用的是ASIMO內(nèi)置的加速度傳感器、陀螺儀傳感器(角速度傳感器)和6軸力覺傳感器。

      其實,包括腳尖在內(nèi),不打滑的跳躍本身在技術上就有很大難度。準備跳躍抬起腳跟時,腳與地面的摩擦力將越來越小。最終達到只有腳尖接觸地面的狀態(tài),要想在這樣小的摩擦之下不打滑,就必須蹬牢地面。這就需要控制姿勢,不斷進行修正以穩(wěn)定重心。

      在開發(fā)過程中,最初ASIMO的腳總是打滑,無法連續(xù)跳躍。對人來說,連續(xù)跳躍是輕而易舉的事,因此,人們往往誤以為機器人也可以輕松做到,但實際上,跳躍動作非常復雜。

      其實,完全相同的跳躍是根本不存在的。計算機需要按照當時的情況進行計算,在不同的情況下完成完全不同的跳躍。連續(xù)跳躍必須要不斷重復這樣的計算。

      每只手的手指關節(jié)自由度為13,通過油壓驅動實現(xiàn)細微的動作,從而能比劃手語。其他部位的關節(jié)自由度為頭部3個、腰部2個、每只手臂各7個、每條腿各6個。共計57個(比舊款增加了23個)。

      相當于使用了5個最新CPU

      ——落地時的防滑似乎也很難解決。

      重見:要腳跟先落地,吸收沖擊。同時,腿及腳的關節(jié)還必須根據(jù)腳承受的力,做出靈活的反應。如果不做相應的修正,在落地的沖擊和滑動的作用下,機器人就會摔倒。

      而且,如果在腳落地之后才開始做出反饋,時間上會來不及。因此,ASIMO采用的機制是,在推測地面位置和落地面之后,一邊預測一邊進行動作,順滑地完成落地。

      ——瞬間完成如此多的計算似乎需要相當高的處理能力。ASIMO的處理能力有多高?

      重見:可以認為是安裝了5個最新的個人電腦CPU。不只是運動能力,ASIMO還要具備計算能力、圖像處理能力、語音識別能力,這些能力要求的性能也完全具備。

      踢球也是小菜一碟。

      6軸力覺感器檢測抓握紙杯的力道

      ——接下來想問一下“作業(yè)功能提升”。ASIMO實現(xiàn)了“握住水瓶,擰開蓋子,將水倒入手中的紙杯”這樣的動作,請問ASIMO是否也能判斷該向紙杯中倒入多少水?

      重見:ASIMO的指尖安裝了6軸力覺傳感器,能夠檢測紙杯中水的重量。因此,只要向其指示要倒多重的水,ASIMO就能在恰當?shù)臅r候停止倒水。

      ——如果抓握的力道太大,會把紙杯捏扁,這里的分寸應該也是由6軸力覺傳感器來掌握,但倒入水后,指尖的受力會發(fā)生改變,分寸似乎很難拿捏。

      重見:的確如此,紙杯開始的重量很輕,只需輕輕抓握。但隨著杯中水的重量增大,如果不加大力道,紙杯就會滑落?;緛碚f,支撐紙杯的是拇指、食指和中指這3根手指,人也是如此,其余2根手指只是輔助而已。這里就要6軸力覺傳感器發(fā)揮作用,使3根手指取得平衡,對抓握方式進行修正。

      ——為了讓ASIMO的動作更加自然,貴公司是否研究了人體的機制?

      重見:我們調(diào)查了人類骨骼的構造和肌肉的構造。除此之外,還了解了關節(jié)運動與角度的關系,以及怎樣的作業(yè)需要關節(jié)做出怎樣的運動,并將這些研究結果用在了ASIMO的開發(fā)中。

      能擰開水瓶的蓋子,向手中的紙杯里倒水(液體)。由拇指、食指和中指握住紙杯,其余兩根手指只起輔助作用。

      目標是貼近人類生活發(fā)揮作用

      ——前面請教了新型ASIMO的三個特點,請問這些特點的實現(xiàn)有何意義?

      重見:我們的目標是讓ASIMO成為貼近人類生活與人共存、能發(fā)揮自身作用的存在。在瞬息萬變的現(xiàn)實環(huán)境中,機器人必須做到隨機應變?,F(xiàn)實環(huán)境中不存在完全相同的場景。我覺得,對于機器人而言,重要的不是要配合人類,而是要按照所處的環(huán)境做出反應。

      因此,機器人必須做到及時避開。把單腳跳等動作作為研究主題,也是為了讓機器人具備姿態(tài)控制等身體能力。

      另外,增加手部自由度也具有重大意義。舊型號以移動為主,而新型ASIMO不僅能夠移動,還能利用手部進行一些作業(yè),距離有用的機器人越來越近。畢竟如果不能發(fā)揮作用,就不能稱之為機器人。

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