摘 要:本文較為詳細地介紹了國外和國內(nèi)仿人機器人研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合仿人機器人的機械結(jié)構(gòu),智能算法、傳動機構(gòu)和外設(shè)電源等方面,提出未來仿人機器人的研究重點和發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞:類人機器人;步態(tài)規(guī)劃;數(shù)學分析;能量優(yōu)化;人工智能
隨著科技的進步,人工智能技術(shù)在人類生產(chǎn)生活中越來越普及。其中機器人的發(fā)展正在掀起一場科技風暴,全世界相關(guān)科技工作者均在竭力研發(fā)各種類型的機器人。在機器人研究領(lǐng)域,仿人機器人不同于工業(yè)機器人。它具有與人類相類似的肢體結(jié)構(gòu),靈活的移動系統(tǒng),以及極強的適應(yīng)能力。目前世界各國發(fā)展仿人機器人的主要目的是,協(xié)助或者代替人類完成復(fù)雜,危險以及環(huán)境惡劣的工作。并且,仿人機器人在世界各國的發(fā)展差異也比較大,主要包括機器人結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計功能等方面。本文將對國內(nèi)外仿人機器人的研究現(xiàn)狀進行闡述,并為未來機器人的發(fā)展提出展望。
一、 國外仿人機器人研究現(xiàn)狀
從20世紀60年代,仿人機器人的研究逐漸受到世界各國科技工作者的關(guān)注。在四十多年的研究中,仿人機器人的研究可以說是日新月異,其性能越來越強,功能越來越全面?,F(xiàn)如今仿人機器人的研究已經(jīng)成為各國機器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向。
仿人機器人的研究開始于1968年,美國通用電氣公司研制了一臺操作雙足機器人,從而掀起了仿人機器人研制的浪潮。1999年,美國麻省理工學院在前人的基礎(chǔ)上,研制出仿人機器人COG。該機器人的結(jié)構(gòu)主要由頭、胳膊、手掌和軀干組成,它是人工智能和機械自動化的產(chǎn)物。2005年,該學院研制出具有29個自由度的機器人Domo。該機器人采用經(jīng)典的“被動動力學”理論設(shè)計方案,能夠極大程度上模擬人類的行走姿態(tài)。
1969年,日本學者加藤一郎首次在日本開展仿人機器人的研究,并制作出WAP-1平面自由度機器人。該機器人具有多個自由度,腿部機械關(guān)節(jié)包括髖、膝和踝三個部分。為了更好地模擬人類行走方式,采用人造橡膠作為機器人的關(guān)節(jié)肌肉。但實際行走過程中,該機器人穩(wěn)定性較差。在此基礎(chǔ)上,加藤一郎在1971年研制了WAP-3型仿人機器人,該機器人比WAP-1多了3個自由度,并且具有人工聽覺和視覺等裝置。
從1986年至今,日本本田公司已經(jīng)研制了P系列1-3型雙足機器人。該機器人設(shè)計目的是家庭服務(wù)。因此該機器人具有一定的人視覺和良好的避障能力,并且還能完成上下樓梯等行走方式。2005年12月,本田公司研制出最新一代智能仿人機器人“ASIMO”。該機器人的服務(wù)范圍已經(jīng)不局限于家庭服務(wù),還可以在辦公室等復(fù)雜環(huán)境下工作,主要包括接待、遞送和向?qū)У确?wù),并且具有良好的運行能力。
除了美國和日本具有較為成熟的仿人機器人研究技術(shù)。國外其他國家也在這項領(lǐng)域投入大量的人力物力。如英國研制出的WL系列機器人,法國的BIP2000,韓國的KHR和加拿大的HR6等。這些機器人均為仿人雙足機器人,但因各國設(shè)計機器人的功能差異,其自由度以及肢體結(jié)構(gòu)存在較大的差異。
二、 國內(nèi)仿人機器人研究現(xiàn)狀
我國仿人機器人的發(fā)展起始于20世紀80年代,機器人的研制主要集中在高校和相關(guān)科研院所,其中研究成果最為突出的主要有哈爾濱工業(yè)大學和國防科技大學。
1985年,哈爾濱工業(yè)大學開展仿人雙足機器人的研究工作,其早期設(shè)計的機器人主要側(cè)重于機器人步態(tài)規(guī)劃,研究重點是如何讓機器人能夠像人類一樣穩(wěn)定的行走。在此基礎(chǔ)上,1995年成功研制出HIT-1、HIT-2以及HIT-3型號機器人,其最新型號機器人具有12個自由度,踝關(guān)節(jié)設(shè)計兩個正交電機,可同時實現(xiàn)兩個自由度。2004年6月,哈爾濱工業(yè)大學在以往競技機器人的基礎(chǔ)上,成功研制出用于足球競技的仿人雙足機器人。
2000年,國防科技大學成功研制出具有人類結(jié)構(gòu)特征的“國產(chǎn)”仿人機器人“先行者”,機器人可以像人類一樣完成各種行走動作,并且還具有一定的語言功能。2002年12月,我國真正意義上的仿人機器人BHR-1誕生,它具有1.58米身高,76公斤的體重,具有32個關(guān)節(jié),行動靈活,并且能夠完成各種復(fù)雜的動作。
隨著我國“863”計劃對仿人機器人研究的大力支持,清華大學、上海交通大學和中科院自動化所等單位也在逐漸重視并進行相關(guān)研究。
三、 仿人機器人研究展望
隨著AI技術(shù)的發(fā)展,仿人機器人的研究應(yīng)該在模型和智能算法上與時俱進,針對仿人機器人的功能,對其本體結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計,將單一功能的機器人轉(zhuǎn)換為多用途機器人。結(jié)合機械力學和動力學的發(fā)展,將多學科相融合,創(chuàng)新仿人機器人的傳動機構(gòu),使機器人的運動更加協(xié)調(diào)和穩(wěn)定。為保證機器人的工作時間和待機水平,需要探索適合機器人的外設(shè)電源,提升機器人的整體性能。
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作者簡介:
李子實,黑龍江省哈爾濱市,哈爾濱市第十三中學高二10班。