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仿人機(jī)器人的研究歷史、現(xiàn)狀及展望§

謝濤，徐建峰，張永學(xué)，強(qiáng)文義

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程教研室，哈爾濱 150001）

摘編自《機(jī)器人》2002年4期：367~374頁(yè)，圖、表、參考文獻(xiàn)已省略。

1　引言

機(jī)器人是近年來發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就，是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。

自從70年代工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)以來，機(jī)器人對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、勞動(dòng)生產(chǎn)率、勞動(dòng)市場(chǎng)、環(huán)境工程都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。仿人機(jī)器人不同于一般的工業(yè)機(jī)器人。因?yàn)樗辉俟潭ㄔ谝粋€(gè)位置上。這種機(jī)器人具有靈活的行走系統(tǒng)，以便隨時(shí)走到需要的地方，包括一些對(duì)普通人來說不易到達(dá)的地方和角落，完成人或智能系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置指定的工作。自然界的事實(shí)、仿生學(xué)以及力學(xué)分析表明，仿人機(jī)器人與輪式、履帶式機(jī)器人相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)和它們無法比擬的優(yōu)越性。它的特性主要體現(xiàn)以下方面：

1）仿人機(jī)器人能適應(yīng)各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，能夠方便的上下臺(tái)階及通過不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動(dòng)“盲區(qū)”很小。

2）仿人機(jī)器人的能耗很小。因?yàn)樵摍C(jī)器人可具有獨(dú)立的能源裝置，因此在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)充分考慮其能耗問題。機(jī)器人力學(xué)計(jì)算也表明，足式機(jī)器人的能耗通常低于輪式和履帶式。

3）仿人機(jī)器人具有廣闊的工作空間。由于行走系統(tǒng)的占地面積小，而活動(dòng)范圍很大，所以為其配置的機(jī)械手提供了更大的活動(dòng)空間，同時(shí)也可使機(jī)械手臂設(shè)計(jì)得較為短小緊湊。

4）雙足行走是生物界難度最高的步行動(dòng)作。但其步行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無法比擬的。所以，仿人機(jī)器人的研制勢(shì)必要求并促進(jìn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的革命性的變化同時(shí)有力推進(jìn)機(jī)器人學(xué)及其它相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

仿人機(jī)器人對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)裝置提出了許多特殊要求，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)機(jī)械的重大變革。仿人機(jī)器人是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)。這對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及控制理論的研究提供了一個(gè)非常理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在對(duì)其研究的過程中，很可能導(dǎo)致力學(xué)及控制領(lǐng)域中新理論、新方法的產(chǎn)生，另外，仿人機(jī)器人的研究還可以推動(dòng)仿生學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)圖形、通信等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。因此，仿人步行機(jī)器人的研制具有十分重大的價(jià)值和意義。

2　國(guó)內(nèi)外仿人機(jī)器人的研究概況

仿人機(jī)器人的研制開始于本世紀(jì)60年代末，只有三十多年的歷史。然而，仿人機(jī)器人的研究工作進(jìn)展迅速。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者正從事于這一領(lǐng)域的研究，如今已成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。

1968年，美國(guó)的R.Smosher（通用電氣公司）試制了一臺(tái)叫“Rig”的操縱型雙足步行機(jī)器人機(jī)械，從而揭開了仿人機(jī)器人研制的序幕。

1968年，日本早稻田大學(xué)加藤一郎教授在日本首先展開了雙足機(jī)器人的研制工作。1969年研制出WAP-1（Waseda Auicmatic Pedipulator）平面自由度步行機(jī)。該機(jī)器人具有六個(gè)自由度，每條腿有髖、膝、踝三個(gè)關(guān)節(jié)。利用人造橡膠肌肉為關(guān)節(jié)，通過注氣、排氣引起肌肉收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)從而邁步。由于氣體的可伸縮性，該機(jī)器人行走不穩(wěn)定。1971年，加藤一郎又研制出了WAP-3型雙足機(jī)器人，仍采用人造肌肉驅(qū)動(dòng)，能在平地、斜坡和階梯上行走，具有11個(gè)自由度。1971年，加藤實(shí)驗(yàn)室研制出WL-5雙足步行機(jī)器人，見圖1。該機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有11個(gè)自由度。下肢作三維運(yùn)動(dòng)，上軀體左右擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人重心的左右移動(dòng)。該機(jī)器人重130 kg，高0.9 m，可載荷30 kg，實(shí)現(xiàn)步幅15 cm，每步45 s的靜態(tài)步行。1973年，加藤等人在WL-5的基礎(chǔ)上配置機(jī)械手及人工視覺、聽覺裝置組成自主式機(jī)器人WAROT-1。加藤等人于1980 年又推出WL-9DR（Dynam's Refined）雙足機(jī)器人。該型機(jī)器人采用預(yù)先設(shè)計(jì)步行方式的程序控制方法，用步行運(yùn)動(dòng)分析及重復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步態(tài)軌跡，用以控制機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人采用以單腳支撐期為靜態(tài)，雙腳切換期為動(dòng)態(tài)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行方案。實(shí)現(xiàn)了步幅45 cm，每步9 s的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行。1984年，加藤實(shí)驗(yàn)室又研制出采用踝關(guān)節(jié)力矩控制的WL-10RD雙足機(jī)器人，見圖2。實(shí)現(xiàn)了步幅40 cm，每步1.5 s的平穩(wěn)動(dòng)態(tài)步行。1986年，加藤實(shí)驗(yàn)室又研制成功了WL-12（R）步行機(jī)器人，該機(jī)器人通過軀體運(yùn)動(dòng)來補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)動(dòng)，在軀體的平衡作用下，實(shí)現(xiàn)了步行周期1.3 s，步幅30 cm的平地動(dòng)態(tài)步行。

日本機(jī)械學(xué)院的S.Kajita等針對(duì)一臺(tái)具有4臺(tái)前向驅(qū)動(dòng)電機(jī)且完全安裝在機(jī)器人的上體的五連桿平面型雙足步行機(jī)器人Meltran I，研究其動(dòng)態(tài)行走的控制方法。他根據(jù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)質(zhì)量幾乎完全集中在上體的事實(shí)，為使雙足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的周期性的動(dòng)態(tài)行走，對(duì)機(jī)器人上體采用了約束控制方法，提出了一種理想的線性倒立擺模型，同時(shí)又提出了機(jī)構(gòu)軌道能量守恒的概念，來求解各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡及輸入力矩，實(shí)現(xiàn)了在已知不平整地面下的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)步行。1996年他們又在此樣機(jī)的基礎(chǔ)上加載了超聲波視覺傳感器以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地提供地面信息的功能。將視覺傳感器系統(tǒng)與針對(duì)線性倒立擺所提出的控制模式相結(jié)合構(gòu)成自適應(yīng)步態(tài)控制系統(tǒng)，可使Meltran II成功地實(shí)現(xiàn)在未知路面上的動(dòng)態(tài)行走。

日本東京大學(xué)的Jouhou System Kougaka實(shí)驗(yàn)室研制了H5、H6型仿人型雙足步行機(jī)器人。機(jī)器人總共具有30個(gè)自由度，其中在H5型的步態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)中充分考慮了動(dòng)態(tài)平衡條件。采用遺傳算法來實(shí)現(xiàn)上體的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)以保證ZMP軌跡的跟蹤，上體運(yùn)動(dòng)的軌跡用3次樣條插值來實(shí)現(xiàn)。在H5雙足機(jī)器人的頭部安裝有兩個(gè)CCD彩色攝像頭，可以實(shí)現(xiàn)定位前面的物體（例如小球）并能夠在CCD的協(xié)助下用7自由度的手來抓取的目的。

日本本田公司從1986年至今已經(jīng)推出了P系列1，2，3型機(jī)器人。其研究宗旨是：“機(jī)器人應(yīng)該要與人類共存并合作，做人類做不到的事，開拓機(jī)動(dòng)性的新領(lǐng)域，從而對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生附加價(jià)值?！北咎锕镜挠?jì)劃著重設(shè)計(jì)一般家用的機(jī)器人，而非針對(duì)特殊任務(wù)。這種設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)是要讓機(jī)器人在布滿家具的房間中來去自如，而且還要能上下樓梯。本田的研究工作，尤其是“P3”和“ASIMO”的推出，見圖3、圖4。將仿人機(jī)器人的研制工作推上了一個(gè)新的臺(tái)階，使仿人機(jī)器人的研制和生產(chǎn)正式走向?qū)嵱没?、工程化和市?chǎng)化。

P1是本田公司最初行走機(jī)器人，主要是對(duì)雙足步行機(jī)器人進(jìn)行基礎(chǔ)性的研究工作；P2型機(jī)器人是1996年12月推出的，相對(duì)于P1而言，更加擬人化，使用Ni-Zi電池供電，而且采納了無線遙控技術(shù)，使其能夠完成諸如速度達(dá)到3 km/h的動(dòng)態(tài)行走、上下樓梯及推運(yùn)物體等等。P2型機(jī)器人通過重力感應(yīng)器和腳底的觸覺感應(yīng)器把地面的信息傳給機(jī)器人的大腦（電腦），機(jī)器人電腦再根據(jù)情況進(jìn)行判斷，進(jìn)而平衡身體，穩(wěn)步前進(jìn)。P2的問世將雙足步行機(jī)器人的研究工作推向了高潮，使本田公司在此領(lǐng)域處于世界絕對(duì)的領(lǐng)先的地位。甚至MIT的G.A. Partt教授曾一度認(rèn)為今后在雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)沒有什么工作可以再做了。1997 年12月本田公司又推出了P3型雙足步行機(jī)器人，基本上與P2型相似，只是在重量和高度上有所降低（由原來的210 kg 降為130 kg，高度由1800 mm降為1600 mm），且使用了新型的鎂材料。

本田公司于2000年11月20日又推出了新型雙腳步行機(jī)器人“ ASIMO（Advanced Step in Innovative Mobility）”，“ASIMO”與“P3”相比，實(shí)現(xiàn)了小型輕量化，使其更容易適應(yīng)人類的生活空間，通過提高雙腳步行技術(shù)使其更接近人類的步行方式?！癆SIMO”高120 cm，體重43 kg，使用個(gè)人電腦或便攜式控制器操作步行方向和關(guān)節(jié)及手的動(dòng)作。雙腳步行方面，采用了新開發(fā)的技術(shù)“I-WALK（Intelligent Real time Flexible Walking）”，可以更加自由的步行。I-WALK是在過去的雙腳步行技術(shù)的基礎(chǔ)上組合了新的“預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制”功能。它可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)以后的動(dòng)作，并且據(jù)此事先移動(dòng)重心來改變步調(diào)。過去由于不能進(jìn)行預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制，因此當(dāng)從直行改為轉(zhuǎn)彎時(shí)，必須先停止直行動(dòng)作后才可以轉(zhuǎn)彎。而“ASIMO”通過事先預(yù)測(cè)“下面轉(zhuǎn)彎以后重心向外側(cè)傾斜多少”等重心變化，可以使得從直行改為轉(zhuǎn)彎時(shí)的步行動(dòng)作變得連續(xù)流暢。

日本本田公司研制的仿人機(jī)器人仍未達(dá)到完全的使用階段。他們的研制目標(biāo)是達(dá)到與人無異的動(dòng)態(tài)步行。相信人類的智慧會(huì)使這個(gè)“進(jìn)化”實(shí)現(xiàn)。

日本索尼于2000年11月21日推出了人型娛樂型機(jī)器人“Sony Dream Robot-3X ”（SDR-3X），見圖5。其身高50 cm，重量為5 kg。其特征是每分鐘可以步行15 m，并可按照音樂節(jié)拍翩翩起舞，可以進(jìn)行較高速度的自律運(yùn)動(dòng)。另外還配備聲音識(shí)別和圖像識(shí)別功能。在記者招待會(huì)上，SDR-3X在眾多記者的面前表演了“邊做體操邊快速行走”、“按照音樂節(jié)拍的舞蹈”、“按照命令把指定的球踢進(jìn)球門”等項(xiàng)目。SDR-3X 可以揮手、轉(zhuǎn)身，還可以同時(shí)進(jìn)行雙腳步行。SDR-3X分別在頭部安裝了2個(gè)、軀干部安裝了2個(gè)、每個(gè)手臂安裝了4個(gè)、每個(gè)下肢和足部安裝了6個(gè)、共計(jì)24個(gè)配置了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的“關(guān)節(jié)”，這些關(guān)節(jié)通過2 個(gè)64bit RISC微處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為索尼獨(dú)自開發(fā)的“Aperios”。SDR-3X的動(dòng)作有以下7種，1）最高速度為15 m/分的前進(jìn)/后退/左右橫行；2）在前進(jìn)過程中左右轉(zhuǎn)身（異步轉(zhuǎn)90°）；3）由伏臥/仰臥狀態(tài)起立；4）單腿站立（在斜面上也可做此動(dòng)作）；5）在凸凹不平的路面上行走；6）踢球；7）舞蹈。另外，SDR-3X 還可以識(shí)別20種聲音，并且可以講由聲音合成的20種語(yǔ)言，同時(shí)對(duì)顏色也可以識(shí)別。

日本還有許多其它科研機(jī)構(gòu)和高等院校從事仿人機(jī)器人的研制和理論研究工作，如、松下電工、富士通、川琦重工、法拉科、日立制作所等單位。他們都在仿人機(jī)器人的研制和理論研究方面作了大量的工作，并取得了一定的成就。

法國(guó)BIP2000計(jì)劃是由法國(guó)de Mecanique des Soloders de Poitiers實(shí)驗(yàn)室和INRIA機(jī)構(gòu)共同開發(fā)的一種具有15個(gè)自由度的雙足步行機(jī)器人。其目的就是建立一整套具有適應(yīng)未知條件行走的雙足機(jī)器人系統(tǒng)。他們將此項(xiàng)目分為INRIA、LAG-CNRS、LM S-CNRS和LMP-CNRS 4個(gè)組，分別完成不同的任務(wù)，如INRIA主要完成系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的理論及實(shí)際的研究，研究極限環(huán)和穩(wěn)定性以及行走在斜坡上的研究；LAG-CNRS研究上雙足機(jī)器人系統(tǒng)的建模和優(yōu)化控制；LMS負(fù)責(zé)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)； LMP主要研究運(yùn)動(dòng)生理學(xué)方面以便為此計(jì)劃提供數(shù)據(jù)。為了使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，他們采用了復(fù)雜系統(tǒng)控制中廣泛被采用的分層遞解控制結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)中的最高級(jí)是全局規(guī)劃層，在一些傳感器信息的指導(dǎo)下，根據(jù)一些初始的條件來獲得一些步態(tài)規(guī)劃時(shí)的參數(shù)；中間級(jí)根據(jù)特定的任務(wù)進(jìn)行平滑的行走步態(tài)的規(guī)劃；控制級(jí)根據(jù)中間層所發(fā)出的步態(tài)規(guī)劃的信號(hào)來生成激勵(lì)的信號(hào)；最后一層是所謂的反饋層，用來處理突發(fā)事件；按照這些控制及規(guī)劃方法，可以使雙足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)站立、行走、爬破和上下樓梯等。

美國(guó)Ohio大學(xué)的Zheng等人于1990年提出用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)雙足步行機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行，并在SD-1雙足步行機(jī)器人中得以實(shí)現(xiàn)。人腦控制步行時(shí)有三種功能：即隨意步行、非隨意步行和學(xué)習(xí)步行，為了將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略應(yīng)用在雙足步行機(jī)器人中，他們首先研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)步態(tài)綜合器，它由軌跡綜合器、自適應(yīng)單元、知識(shí)庫(kù)和聯(lián)想單元組成。軌跡綜合器根據(jù)從知識(shí)庫(kù)中提取的初始位置來產(chǎn)生各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)模式的信號(hào)，在雙足步行機(jī)器人隨意運(yùn)動(dòng)的情況下，自適應(yīng)單元不接入，否則自適應(yīng)單元接入，并開始修正步態(tài)模式，實(shí)現(xiàn)平衡步行。其次，他們還研究了兩種學(xué)習(xí)方法，靜態(tài)學(xué)習(xí)和動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)。靜態(tài)學(xué)習(xí)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)發(fā)生在步行過程中特定時(shí)刻，而動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)則是指在雙足步行機(jī)器人步行過程中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)的學(xué)習(xí)。同時(shí)，他們所采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是由多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元組成，包括了4個(gè)關(guān)節(jié)神經(jīng)元和16個(gè)方向神經(jīng)元，用強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)信號(hào)既可以是描述地域條件的傳感器信號(hào)，也可以是描述機(jī)器人性能的人工輸入信號(hào)。

MIT的Pratt和Pratt等人在Spring Turkey 和Spring Flamingo雙足機(jī)器人的控制中提出了虛模型控制策略。從本質(zhì)上說，虛模型控制實(shí)際上是一種運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言，即假想將諸如彈簧振子、阻尼器等元件固連在機(jī)器人的系統(tǒng)中用來產(chǎn)生假想的驅(qū)動(dòng)力矩。采用虛模型控制，可以有效地避免繁瑣的機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的計(jì)算。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，與上述的控制策略的指導(dǎo)思想結(jié)合，采用與常規(guī)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式不同的一種新的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式，從而使其具有良好的彈性和阻尼特性，在步態(tài)規(guī)劃的過程中參考人類行走的被動(dòng)特性，將一個(gè)行走步態(tài)周期分為支撐、腳尖立地、擺動(dòng)和伸直四個(gè)階段，更有效的利用了機(jī)械勢(shì)能使腳被動(dòng)地完成擺動(dòng)過程。Pratt等人認(rèn)為使行走變得容易的兩個(gè)因素是行走問題的內(nèi)在魯棒性和行走機(jī)械自身的自然動(dòng)態(tài)特性。內(nèi)在魯棒性允許使用簡(jiǎn)單、低阻抗控制器，自然動(dòng)態(tài)特性簡(jiǎn)化了控制器?；诤?jiǎn)單雙足步行機(jī)器人的物理模型，提出了三種使用平面型雙足步行機(jī)器人的控制方法，第一是采用簡(jiǎn)單的策略來控制機(jī)器人的行走；其二是討論了膝蓋、柔順踝關(guān)節(jié)及被動(dòng)擺動(dòng)腿的自然動(dòng)態(tài)特性；第三為了使擺動(dòng)腿盡快的行走擺動(dòng)腿應(yīng)盡快地?cái)[動(dòng)。所提出的控制策略用于Spring Flamingo 的控制中。在前向平面的動(dòng)態(tài)和側(cè)向平面動(dòng)態(tài)解耦基礎(chǔ)上，可以將平面型雙足機(jī)器人控制推廣到3D空間內(nèi)的控制研究中。所采用的方法是在平面型雙足步行機(jī)器人控制的基礎(chǔ)上加上前向平衡控制。Chew等人認(rèn)為：步行方向平面和與其垂直的側(cè)向平面之間不存在動(dòng)態(tài)耦合。對(duì)于側(cè)向平面的運(yùn)動(dòng)，他們認(rèn)為可以分為上體的姿態(tài)控制、上體俯仰軸的控制及上體前進(jìn)方向的速度控制。而后者則通過一個(gè)加強(qiáng)學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。他們通過對(duì)腳部的放置控制來代替Pratt等人提出來雙腳支撐期的控制。由于腳部放置算法與擺動(dòng)腿運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間不存在解析形式，他們便采用加強(qiáng)學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。

此外，日本的有本卓、廣瀨茂男、小川清、美籍華人鄭元芳博士等人也在雙足步行機(jī)器人的理論研究和工程實(shí)踐方面作出了不少的貢獻(xiàn)。美國(guó)、英國(guó)、蘇聯(lián)、南斯拉夫、加拿大、意大利、德國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家，許多學(xué)者在行走機(jī)器人的力學(xué)，模型和型號(hào)研制方面也作出了相應(yīng)的工作。如英國(guó)于1970年研制成功的“Witt”型雙足機(jī)器人，在蘇聯(lián)則研制出兩輪雙足行走機(jī)器人。南斯拉夫的Minor，Vokobratovic在《Legged Locomotion Robots》一書中利用數(shù)學(xué)模型對(duì)類人型雙足步行機(jī)器人的步行進(jìn)行了全面的分析，為雙足步行機(jī)器人的研究奠定了理論基礎(chǔ)。

為了進(jìn)一步推動(dòng)仿人機(jī)器人的發(fā)展，世界諸多研究機(jī)構(gòu)紛紛推出了新的研究計(jì)劃，其中日本的投入最大。日本于1998年推出了人型機(jī)器人計(jì)劃。該計(jì)劃為期5年，共分兩個(gè)階段：第一階段為1998年—1999年；第二階段為2000年—2002年，總投資200億日元，這也是日本的第三個(gè)機(jī)器人計(jì)劃。

國(guó)內(nèi)，仿人機(jī)器人的研制工作起步較晚，1985年以來，相繼有幾所高校進(jìn)行了這方面的研究并取得了一定的成果。其中以哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)最為典型。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1985年開始研制雙足步行機(jī)器人，基于控制理論曾經(jīng)獲得自然科學(xué)基金和國(guó)家“863”計(jì)劃的支持，迄今為止已經(jīng)完成了三個(gè)型號(hào)的研制工作：

第一個(gè)型號(hào)HIT-Ⅰ為10個(gè)自由度，重100 kg，高1.2 m，關(guān)節(jié)由直流伺服電極驅(qū)動(dòng)，屬于靜態(tài)步行。

第二個(gè)型號(hào)HIT-Ⅱ?yàn)?2個(gè)自由度，該機(jī)器人髖關(guān)節(jié)和腿部結(jié)構(gòu)采用了平行四邊形結(jié)構(gòu)。

第三個(gè)型號(hào)HIT-Ⅲ為12個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)采用兩電機(jī)交叉結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度，腿部結(jié)構(gòu)采用了圓筒形結(jié)構(gòu)。HIT-Ⅲ 實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行，能夠完成前/后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階及上斜坡等動(dòng)作。

目前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所與機(jī)械電子工程教研室合作，正在致力于功能齊全的仿人機(jī)器人HIT-Ⅳ 的研制工作，該機(jī)器人包括行走機(jī)構(gòu)、上身及臂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)，初步設(shè)定32個(gè)自由度。

國(guó)防科技大學(xué)也進(jìn)行了這方面的研究。在1989年研制成功了一臺(tái)雙足行走機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人具有10 個(gè)自由度，能完成靜態(tài)步行、動(dòng)態(tài)步行。

清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高等院校和研究機(jī)構(gòu)也在近幾年投入了相當(dāng)?shù)娜肆?、物力，進(jìn)行智能仿人機(jī)器人的研制工作。

3　仿人機(jī)器人的研制展望

仿人機(jī)器人與輪式、履帶式機(jī)器人相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)和它們無法比擬的優(yōu)越性。但是由于受到機(jī)構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、微電子學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等相關(guān)學(xué)科發(fā)展的制約，至今基本上仍處于實(shí)驗(yàn)室研制的階段。尤其是雙足行走的速度、穩(wěn)定性及自適應(yīng)能力仍不是十分理想。只有在走穩(wěn)走好之后再加上臂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)，才談得上真正的仿人。當(dāng)然，仿人不能僅僅局限于這些，還應(yīng)該模仿人類的視覺、觸覺、語(yǔ)言，甚至情感等功能。仿人機(jī)器人是許多技術(shù)的綜合、集成和提高。目前，主要的攻關(guān)項(xiàng)目還是行走功能的進(jìn)一步提高。日本本田公司生產(chǎn)的P3仿人機(jī)器人雖已走向市場(chǎng)化，但是，它的功能還很有限，離實(shí)際意義上的擬人化還有相當(dāng)?shù)囊欢尉嚯x。所以仿人機(jī)器人給科研工作者提供了廣闊的研究空間，提出了一個(gè)又一個(gè)新的挑戰(zhàn)。同時(shí)也促進(jìn)了許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，導(dǎo)致了一些新理論，新方法的出現(xiàn)。越來越多的科研工作者投入了這一新興的前沿學(xué)科。本人根據(jù)多年從事仿人機(jī)器人的研制工作的經(jīng)驗(yàn)及收集的相關(guān)資料，對(duì)未來幾十年仿人機(jī)器人的研制方向談一些自己的看法。

3.1 仿人機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

仿人機(jī)器人是一個(gè)多關(guān)節(jié)且具有冗余自由度的復(fù)雜的系統(tǒng)。如何實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能而又使結(jié)構(gòu)最優(yōu)化是一個(gè)很值得研究的問題。一個(gè)功能齊全的智能仿人機(jī)器人必須得有一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、配置合理的機(jī)械本體。本田公司最新研制的“ASIMO”就是一個(gè)典型的例子，本田公司推出的P系列1，2，3型機(jī)器人本體框架采用的材料是鎂、鋁合金，“ASIMO”采用的是錳合金。在研制過程中，應(yīng)該考慮采用更先進(jìn)的材料，進(jìn)一步減小本體重量以及提高零件制造精度和裝配精度。關(guān)于驅(qū)動(dòng)方案的選擇，目前普遍采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)減速器減速后驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)。也有一些研究者在研制人造肌肉，通過空氣氣囊的充氣和排氣帶動(dòng)關(guān)節(jié)動(dòng)作。

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)求解理論和方法的發(fā)展

一個(gè)理想的步態(tài)規(guī)劃對(duì)仿人機(jī)器人行走的穩(wěn)定性是非常有益的。由于仿人機(jī)器人系統(tǒng)的高階、強(qiáng)耦合及非線性，使得仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的精確求解非常困難，而且也沒有十分理想的理論或方法來求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解析解。只有外加一些限制條件如能量消耗最小，峰值力矩最小來求解運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的近似解。這往往導(dǎo)致了機(jī)器人的規(guī)劃運(yùn)動(dòng)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)有較大的出入。所以，要得到理想的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，則必須在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的求解方法上有重要的突破。現(xiàn)在有的學(xué)者提出了一些方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊邏輯、混沌學(xué)說等方法，這些方法和軟件允許在計(jì)算過程中出現(xiàn)不精確及部分精確的計(jì)算過程，而正是這些特點(diǎn)使得軟件計(jì)算能夠得到傳統(tǒng)計(jì)算方法所不能得到的魯棒性、易用性以及計(jì)算機(jī)的低耗費(fèi)。隨著這些新的理論及方法的提出及應(yīng)用，以及計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，為求解多自由度的高階、強(qiáng)耦合及非線性的機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)提供了一些新的、實(shí)用的方法。

3.3 驅(qū)動(dòng)源的改進(jìn)

目前仿人機(jī)器人所用的驅(qū)動(dòng)源主要有兩種：在線提供能源（如機(jī)器人在操作過程中配有有線電源），離線自帶電源（如在機(jī)器人體內(nèi)裝上電池作為驅(qū)動(dòng)源）。當(dāng)然離線自帶電源比在線提供能源具有更大的能動(dòng)空間。理想的能源應(yīng)該具有十分高的能量密度、耐高溫、耐腐蝕、可再生、及成本低等。但是現(xiàn)在的自配能源的容量有限，而機(jī)器人的關(guān)節(jié)眾多，所以如何改進(jìn)驅(qū)動(dòng)源，使其體積小、重量小而又容量大，也是在仿人機(jī)器人的研制過程中必須解決的問題。

3.4 人體醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和仿生學(xué)的發(fā)展

仿人機(jī)器人，顧名思義就是要模仿人的某些技能，如雙腳直立行走，自主判斷，利用工具等。由于人體醫(yī)學(xué)和生物學(xué)發(fā)展速度的限制，目前醫(yī)學(xué)界和生物學(xué)界對(duì)人體和其他一些動(dòng)物的工作機(jī)理了解得還不是十分透徹，如精確的人體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、人體大腦的工作機(jī)理。另外，仿人機(jī)器人不能僅僅限制在仿人上，還應(yīng)該模仿其他生物的一些的功能，如蝙蝠的聽覺、狗的嗅覺、蒼蠅的接近覺、蜻蜓的視覺等，但是由于仿生學(xué)科本身還沒有對(duì)這些動(dòng)物的特異功能的產(chǎn)生機(jī)理精確“仿生”，所以將這些特異功能應(yīng)用于機(jī)器人還有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。相信在不遠(yuǎn)的將來，在人體醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和仿生學(xué)發(fā)展到一定的程度以后，仿人機(jī)器人就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是現(xiàn)在日本本田公司研制的“P3”與“ASIMO”水平，真正的“機(jī)器人”（而且許多功能為人類所不具有）將會(huì)出現(xiàn)。

3.5 傳感器技術(shù)的發(fā)展

仿人機(jī)器人中安裝了大量的傳感器，如力傳感器、力矩傳感器、陀螺儀、視覺傳感器、接近覺傳感器、聲學(xué)傳感器等多種傳感器。在機(jī)器人的自主辨識(shí)中，就是靠大量的傳感器收集來自機(jī)器人本身和外部環(huán)境的信息并加以簡(jiǎn)單的處理，再送到機(jī)器人計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)，進(jìn)行計(jì)算、分析、比較并得出結(jié)果。機(jī)器人的控制從某種程度上來說，可以說是基于傳感器的控制。而目前市面上出售的傳感器尤其是國(guó)內(nèi)的，精度很不理想，而國(guó)外的精度高的價(jià)格又非常昂貴。而這些傳感器的精度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到人類或某些動(dòng)物的“感覺”精度。

3.6 控制技術(shù)和集成技術(shù)的發(fā)展

仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)眾多，控制電路比較復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)其真正的擬人化，并擁有其他一些人類并不具有的功能，其控制電路就愈加復(fù)雜。如何尋找更為優(yōu)化的控制方案，優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)，也引起了越來越多的科研工作者的注意。另外一個(gè)解決方案就是利用大規(guī)模集成電路。現(xiàn)在的集成電路生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)到了相當(dāng)高的水平。

3.7 智能技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展

仿人機(jī)器人真正意義上的仿人是在雙足行走和智能化。毫無疑問，人類是當(dāng)前世界上最智能化的生物。但要人類復(fù)制自己的智能到機(jī)器人身上可不是一個(gè)簡(jiǎn)單的事情。要使機(jī)器人獲得足夠的智能必須依賴于智能技術(shù)的發(fā)展。而現(xiàn)在的智能實(shí)現(xiàn)方法就是通過編制軟件，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。機(jī)器人接受人的指令產(chǎn)生相應(yīng)的操作；根據(jù)自己的學(xué)習(xí)完善自己的專家系統(tǒng)；自主辨別借助外界環(huán)境和工具，尋找解決方案。這些高度智能化的操作必需得有高度發(fā)展的智能技術(shù)及計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)作為基礎(chǔ)。

3.8 良好的人機(jī)接口設(shè)計(jì)

人類研制仿人機(jī)器人的目的并不是完全取代人，而是為人類服務(wù)。就如日本本田公司的研究宗旨：“機(jī)器人應(yīng)該要與人類共存并合作，做人類做不到的事，開拓機(jī)動(dòng)性的新領(lǐng)域，從而對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生附加價(jià)值?！痹谀壳埃瑥?fù)雜的仿人機(jī)器人緊緊依靠自主計(jì)算機(jī)來控制是有一定困難的，即使可以做到，也由于對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)能力的限制而不是很實(shí)用。也就是說，在目前相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，仿人機(jī)器人不應(yīng)該也不可能完全擺脫人的作用。因此由良好的人—機(jī)協(xié)調(diào)系統(tǒng)來控制仿人機(jī)器人在目前和以后的一段時(shí)間內(nèi)顯得比較實(shí)際。從低層次的一對(duì)一遙控技術(shù)到高層次的人機(jī)理解協(xié)調(diào)技術(shù)，包括了人工智能、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等技術(shù)的綜合。隨著這些技術(shù)的成熟，機(jī)器人將越來越多的取代人，將人類從低層次的干預(yù)中解放出來，進(jìn)行高層次的干預(yù)。人機(jī)接口也將變得越來越智能化。

3.9 網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)和虛擬機(jī)器人技術(shù)

通過通信網(wǎng)絡(luò)將多個(gè)機(jī)器人連接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，并通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行有效的控制，這種技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)遙操作控制技術(shù)、信息組的壓縮和擴(kuò)展技術(shù)以及傳輸技術(shù)等。在遙控作為一種主要手段控制機(jī)器人時(shí)，基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)顯示（或臨場(chǎng)感）的虛擬遙控操作和人機(jī)交互，也是一項(xiàng)需要大力發(fā)展的技術(shù)。

3.10 良好的群體協(xié)作及與人類協(xié)作

人類除了擁有雙足直立行走、語(yǔ)言、情感等特異功能之外，還有一個(gè)與其他動(dòng)物相比突出的特點(diǎn)就是能夠團(tuán)結(jié)合作，發(fā)揮群體智慧。將來高智慧的仿人機(jī)器人也應(yīng)該具有這種能力，它們互相之間應(yīng)該能夠團(tuán)結(jié)合作，像人一樣發(fā)揮群體智慧，并能夠主動(dòng)與人類合作，協(xié)助人類在當(dāng)時(shí)環(huán)境下不能完成而自己卻能完成或合作能夠完成的工作。自然界中的人經(jīng)過一個(gè)漫長(zhǎng)的“優(yōu)化”過程，成為萬(wàn)物之主，經(jīng)過了數(shù)萬(wàn)年進(jìn)化成步行生物，這是由于雙足行走最能適應(yīng)自然環(huán)境。可以肯定，仿人機(jī)器人一定會(huì)有一個(gè)持續(xù)“優(yōu)化”和研制的前景。仿人機(jī)器人必然會(huì)有一個(gè)輝煌的明天。