替人干重体力活的人形机器人

机器人 2018年10月08日
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日本产业技术综合研究所(以下简称“产综研”)开发了一款人形机器人试制品HRP-5P,目标是代替人自主完成重体力工作和危险环境下的作业。

HRP-5P是一款身高182cm、体重101kg的人形机器人,不但继承了HRP系列的技术,还采用了最新的硬件技术,拥有HRP系列最强的身体能力。通过为其配备环境测量和物体识别技术、全身动作规划和控制技术、任务描述和执行管理技术以及高可靠性系统化技术等智能机器人技术,HRP-5P能自主完成建筑现场的代表性重体力作业——石膏板施工。通过将HRP-5P作为产学合作的开发平台使用,有望加速在建筑现场以及飞机和船舶等大型物体的组装作业中运用人形机器人的研究开发。

替人干重体力活的人形机器人

(左):HRP-5P的外观,(右):正在搬运重约13kg的石膏板

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开发背景

伴随着日本社会少子老龄化的加剧,预计建筑业等众多行业今后将陷入严重的人手不足状态,通过机器人技术解决这个问题成为当务之急。另外,在建筑现场以及飞机和船舶等超大型物体的组装现场,作业人员从事的是非常危险的重体力劳动,利用机器人代替人类完成这些作业备受期待。不过,这类大型物体的组装现场很难创造适合机器人的作业环境,因此迟迟未能导入机器人。而人形机器人拥有与人相似的身体结构,无需改变作业环境即可代替人类工作,有望将人类从重体力劳动中解放出来。

研究经过

产综研与河田机器人等多家民营企业合作开发了HRP系列人形机器人,并一直在面向实用化开发基础技术。HRP-2实现了双足行走、躺下和起身动作,以及窄路行走等功能;HRP-3能在易滑路面行走,而且可远程控制其拧桥梁的螺栓。在产综研2011年启动的救灾人形机器人的研究中,提高HRP-2的身体能力(手臂和腿的长度、可动范围、关节输出等)推出的HRP-2改良版实现了半自动作业,比如根据环境的三维测量数据在坑洼地面行走以及拧阀门等。不过其身体能力尚无法完成石膏板墙面施工等重体力作业,另外,HRP-2的关节数量和关节可动范围也不足以支撑其模拟复杂环境下的人类动作。因此,产综研决定开发身体能力足够代替人类完成重体力作业的人形机器人HRP-5P。

HRP-5P在继承HRP系列的技术的同时,还通过行使本田技研工业的专利权导入了本田开发的技术。

研究内容

为代替人类完成重体力作业,产综研开发了具备结实的身体和高级智能技术、仅机器人自身就能自主完成作业的人形机器人试制品HRP-5P。

HRP-5P高182cm,重101kg,共有37个自由度,分别为颈部2个、腰部3个、双臂各8个、双腿各6个、双手各2个。手部以外其他部位的自由度数量均为HRP系列最多。与HRP-2改良版相比,腰部和手臂根部各增加1个自由度,因此能实现更接近人类的动作。这样就能用双臂搬运石膏板(1820×910×10mm,约11kg)及胶合板(1800×900×12mm,约13kg)等大型物体。

为了让关节数量比人少的机器人来模拟人类动作,集中了多个关节的髋关节部和腰关节部也确保了最大限度的可动范围。例如负责弯曲和伸展腿部的髋关节的可动范围,人类为140度,而HRP-5P为202度(图1);转动上半身的腰关节的可动范围方面,人类为80度,而HRP-5P为300度。这样就能以各种姿势进行作业,比如深蹲并扭曲上半身的姿势等。

替人干重体力活的人形机器人

图1:前屈(上),劈叉并前趴(下)

HRP-5P通过采用高功率马达、为驱动机构导入冷却系统、部分关节用多个马达驱动等方法,使关节扭矩和速度平均提高至HRP-2改良版的2倍左右。由此实现了将平放堆叠起来的石膏板搬起的重负荷作业(在手臂水平伸直的状态下,HRP-2改良版的单手可搬重量为1.3kg,HRP-4为0.9kg,而HRP-5P达到2.9kg)。

HRP-5P利用头部的复合传感器随时(0.3Hz)对周边环境进行三维测量。通过积累测量结果和更新记忆,即使视野被作业对象阻挡,也能规划搬运时的行走路线,对脚下打滑等情况进行修正(图2)。

替人干重体力活的人形机器人

图2:周边地图(上)和行走路线规划(下)

HRP-5P利用新构筑的作业对象的图像数据库进行了卷积神经网络学习,即使在背景和照明条件比较恶劣的情况下,也能以90%以上的高精度检测10种对象物体在二维图像中的范围(图3)。

研究人员在机器人模拟器Choreonoid上构筑了智能机器人的虚拟测试环境,通过24小时监测软件的回归测试,保证了代码行数约为25万行的大规模软件的品质,成功构筑了高可靠性机器人系统。

替人干重体力活的人形机器人

图3:对象物体检测示例

通过整合以上技术,在模拟的住宅建筑现场,利用HRP-5P自身就自主完成了大型重物的处理以及需要搬运的石膏板墙面施工。

具体包括以下一系列动作:

1 生成周边环境的三维地图并检测物体,靠近工作台。

2 靠近工作台将平放堆叠在一起的石膏板最上面一张错开并搬起。

3 一识别周边环境,一边将石膏板搬到墙壁处。

4 放下石膏板,使其立靠在墙壁上。

5 利用高精度AR标记识别工具并拿起。

6 握住横撑,在确保稳定性的同时,用螺丝把石膏板固定到墙壁上。

替人干重体力活的人形机器人

图4:HRP-5P自主进行石膏板墙面施工

文 客观日本编辑部

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