仿人机器人前沿介绍 - 图文

1990年，美国俄亥俄州大学提出用神经网络来实现双足步行机器人的动态步行，并在SD-1型二足机器人中得以实现。麻省理工学院在Spring Turkey和Spring Flamingo仿人机器人的控制中提出了虚模型控制策略从本质上说，虚模型控制实际上是一种运动控制语言，即假想将诸如弹簧振子、阻尼器等元件固连在仿人机器人的系统中，用来产生假想的驱动力矩。采用虚模型控制，可以有效的避免繁琐的机器人逆运动学和动力学的计算。美国麻省理工学院开发的Cog机器人只有上身，没有下肢，主要作为研究机器人的头脑智能、认知与感知、手臂的灵活性及柔顺等得平台。美国弗罗里达大学的机器智能实验室开发了仿人机器人Pneuman，作为人工认知、自然语言处理、轨迹规划、自动导航、人与机器人的交互平台。Sabourin等在无参考轨迹的条件下，使用数学方程的分析方法来描述和预测仿人机器人Rabbit的运动，仅仅通过控制施加在二足步行机器人摆动腿髋部的力矩脉冲，实现了主动行走和被动行走交替进行的连续过程。2005年4月20日，二足步行机器人Rabbit向世人展示了它的奔跑能力。

2.2中国仿人机器人的发展概况

中国仿人机器人的研制工作起步较晚。1985年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究，并取得了一定的成果。其中以哈尔滨工业大学和国防科技大学最为典型。

哈尔滨工业大学自1985年开始研制双足步行机器人，迄今为止已经完成了3个型号号的研制工作：第一个型号HIT-I具有10个自由度，重100kg，高1.2m，关节由直流伺服电动机驱动，属于静态步行；第二个型号HIT-II具有12个自由度，踝关节采用两电动机交叉结构，同时实现两个自由度，腿部结构采用了圆筒形结构。HIT-III实现了静态步行和动态步行，能够完成前后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作，其外形如图7所示。目前，哈尔滨工业大学机器人研究所与机械电子工程教研室合作，正在致力于功能齐全的仿人机器人HIT-IV的研制工作。该机器人包括行走机构、上身及臂部执行机构，初步设定32个自由度。

国防科技大学于1988年2月研制成功了6关节平面运动型双足步行机器人，随后于1990年又先后研制成功了10关节、12关节的空间运动型机器人系统，并实现了平地前进、后退，左右侧行，左右转弯，上下台阶，上下斜坡和跨越障碍等人类所具备的基本行走功能。经过10年攻关，国防科技大学于2001年12月研制成功我国第一台仿人机器人——“现行者”，实现了机器人技术的重大突破。“先行者”有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂和双足，有一定的语言功能，可以步态步行。

清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等高等院校和研究机构也在近几年投入了相当的人力、物力，进行智能仿人机器人的研制工作。清华大学开发出了仿人机器人THBIP-I。[2]

三、仿人机器人的发展现状

日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO，是目前最先进的仿人行走机器人。ASIMO身高1.3米，体重54公斤。它的行走速度是0-6km/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。

走路 跑步 上下楼梯 图7 ASIMO的基本动作

本田公司投入无数科技研究心血的结晶——目前全球唯一具备人类双足行走能力的类人型机器人阿西莫(ASIMO，Advanced Step Innovative Mobility，高级步行创新移动机器人)，以憨厚可爱的造型博得许多人的喜爱，众多的类人功能也不断地冲击着人们的想象，似乎科幻电影中的情节正在一步步变成现实。

从2000年10月31日诞生至今，ASIMO的进步可以用神速来形容，2006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。[3]

单腿站立 跳舞 踢足球 图8 ASIMO的高级功能

四、仿人机器人的应用

仿人机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，也在人类生产、生活中有着广泛的用途。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。它不仅可以在有辐射、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。将来它还将在家庭服务、医疗、教育、社会

娱乐、生物技术、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输、农林水产等领域得到广泛的应用。

1）服务

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，以及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。 2）医疗

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。

3）教育

一般来讲仿人机器人在教育领域有两种应用：

a学生通过制作仿人机器人来实践机械结构和复杂控制软件模块的设计。 b学生用仿人机器人进行实验来增强动手能力和解决新问题的能力。 4）娱乐

仿人形机器人可以用来在展览会上做广告，它很吸引人的注意，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。 [4]

五、仿人机器人的发展方向

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、仿生学等相关科学的发展的制约，仿人机器人至今仍处于实验室研制阶段，尤其是二足行走机构的速度、稳定性和自适应能力仍不十分理想。只有在走稳之后再加上手臂等执行机构，才能称为真正的仿人机器人。当然，仿人机器人不能仅仅局限于这些，还应能仿人的视觉、触觉、语言、行为、情感等功能。目前，本田公司的P3仿人机器人虽然已经走向市场化，但是它的功能还很有限，离实际意义上的仿人机器人还有相当一段距离。所以，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，导致了一些新理论和新方法的出现。目前，越来越多的学者投入到这一新兴的科研学科里来。

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如下预测。

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和配置合理的机械本体，ASIMO就是一个典型的例子。本田公司推出了P系列1、2、3型仿人机器人本体框架采用了镁铝合金材料，ASIMO采用了锰合金。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。关于驱动方案的选择，目前普遍采用电动机驱动，经减速器减速后驱动机器人关节。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。

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）驱动电源的改进

仿人机器人目前所用的驱动源主要有在线提供能源（仿人机器人配有有线电源）和离线自带电源（仿人机器人体内装有电池）两种。当然，离线自带电源比在线提供电源具有更大的活动空间。理想的能源应该具有高的能源密度、耐高温、耐腐蚀、可再生、低成本等。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。

4）人体医学、生物学和仿生学的发展

仿人机器人就是要模仿人的某些技能，如双脚直立行走、自主判断、利用工具等。目前，由于人体医学和生物学发展速度的限制，医学界和生物学界对人体的工作机理了解还不是十分透彻，如精确的人体运动学和动力学、人体大脑的工作机理等。另外，仿人机器人不能仅仅限制在仿人上，还应模仿其他生物的一些功能，如蝙蝠的听觉、狗的嗅觉、苍蝇的接近觉、蜻蜓的视觉等。由于仿生科学本身还没有对这些动物的特异功能产生机理精确的“仿生”，所以将这些特异功能应用于仿人机器人上还有相当一段时间。相信在不远的将来，人体医学、生物学和仿生学发展到一定程度以后，仿人机器人就远远不是现在研制的P3和ASIMO的水平，许多人类所不具有的功能将会出现在仿人机器人上。

5）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。

6）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，要真正的实现仿人，并且拥有人类并不拥有的其他一些功能，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。另外一个解决方案就是利用大规模集成电路。

7）智能技术和软件技术的发展

目前的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，而这些高度智能化的技术必须有高度发展的智能技术和计算机软件实现技术作为基础。

8）良好的人机接口

在目前以至相当长得一段时间内，机器人都不会摆脱人的控制，因此，良好的人机协调系统来控制机器人很重要，从低层次的一对一遥控技术到高层次的人机理解协调技术，可以将人类从低层次的干预中解放出来，进行高层次的干预。所以，人机接口的智能化也是未来仿人机器人发展的一个趋势。

9）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）良好的群体协作和人类协作

人类除了拥有二足直立行走、语言、情感等功能之外，还有一个突出的特点就是团队合作，发挥群体智慧。将来，高智慧的仿人机器人也应该具有这种能力，他们之间应该能够团结合