类人机器人的现状及发展前景探究

作者：王俊龙

来源：《成功》2017年第32期

【摘要】随着我国的科技在不断的发展、社会在不断的进步、类人机器人因在医疗、娱乐和服务等领域的广泛需求以及作为评价人工智能等多个学科技术的理想平台，而备受研究者青睐，是机器人研究领域的热门课题之一。类人机器人技术需要机械、材料、计算机科学和人工智能等多个相关学科的理论和技术支持，其发展也必然带动相关学科的发展和进步，因此对其研究有着十分重要的理论价值。同时，相比于轮式、履带式和蠕动式等其它种类的机器人，其可以更好地适应人类生活环境，工作空间也更广泛，动作形态更加丰富，且其能源利用效率更高，因此对其研究有着十分重要的应用价值。文中对国内外类人机器人的研究现状，步态规划方法以及稳定性判据的研究现状，及各自的特点进行了详细分析介绍。 【关键词】类人机器人；现状；发展前景

机器人已成为21世纪具有代表性的高技术研究课题，综合涉及机械科学、电子学、力学，仿生学、控制论、计算机技术、人工智能、系统工程等多学科领域。1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》，人类社会从此开始有了“机器人”这一概念。在该剧中，机器人“Robota”是剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳动力。随着科学技术发展，机器人的含义在不断地拓宽，现代的机器人已跨出了结构化环境的生产车间，向着人类生活的诸多方面渗透。人类一直希望创造出和人类构造相似、能与人类合作的类人型机器人，类人机器人是一种具有人的外形，并能够效仿人体的某些物理功能、感知系统及社交能力，并能承袭人类部分经验的机器人。类人机器人的典型特点是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节，并以执行装置代替肌肉实现对身体的支撑及连续地协调运动，实现双足行走。因双腿直立行走是人类特有的步行方式，故仿人行走是机器人行走方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。 一、类人机器人研究现状 （一）国外类人机器人研究现状

1968年，第一台名为“Rig”双足机器人诞生于美国通用电气公司，由RSMOSHER试制而成，这在机器人发展史上是个具有里程碑意义的事件，也从此揭开了双足机器人研究的序幕。同年，有“類人机器人之父”之称的日本早稻田大学加藤一郎教授就开始了类人机器人的研究工作。到1969年，加藤一郎研制出了具有6个自由度的WAP-1平面自由度步行机如图1（a）该机器人关节由人造橡胶肌肉制成，由气压作传动，通过一个制动器控制肌肉的收缩实现对机器人运动的控制，其运动极不稳定。1970年，加藤实验室研制出WL-5双足步行机器人如图1（b），该机器人有11个自由度，由一台小型计算机控制，液压驱动，可实现静态行走并可以

改变行走方向，但其步幅只有15cm，每步需45s，其运动速度很慢。1973年，加藤等人在WL-5的基础上加设视觉和听觉装置等组装了WABOT-1机器人。1984年，早稻田大学研制出了WL-10RD类人机器人如图1（c），该机器人踝关节有2个自由度、膝关节有1个自由度、髋关节有3个自由度，共12个自由度，可实现平稳的动态步行，步行步长为40cm，周期为1.5s。日本本田公司在类人机器人研究领域取得了非常辉煌的成就。从1986年开始，其先后推出了E系列和P系列类人机器人。其中，E系列类人机器人主要是早期开发的版本，为P系列的研究做技术铺垫。从1986年至1993年，先后研制了E0—E6型号的类人机器人如图1。其中E0实现了交替双脚移动，但是其移动速度很慢。E1—E3实现了在平坦地面上的1.2km/h行走速度。E4—E6实现了完善的行走节奏，可以在台阶和坡面上实现稳定运动，应用了3种稳定控制技术：零力矩点控制、地面反弹控制和脚落地点控制。为下一代类人机器人的研究奠定了坚实的技术基础。 （二）国内研究现状

与国外相比，我国从20世纪80年代中期才开始研究类人机器人，但国内类人机器人的研究在863计划和自然科学基金的支持下也持续开展了多年。哈尔滨工业大学自1985年开始研制类人机器人，早期的机器人没有头部和双臂，到1995年研制成功了HIT-1、HIT-2和HIT-3三个型号。1995年研制成功的HIT-3类人机器人，上身和脚掌安装了三维微型加速度传感器，足底有二维力矩传感器，每条腿有6个自由度（髋关节3个、膝关节1个、踝关节2个）。2004年6月，哈尔滨工业大学研制成功能用脚踢球的双足类人足球机器人。机器人高0.5m，有17个自由度，最大步行速度为0.05km/h，每条腿具有6个自由度（髋关节3个、膝关节1个、踝关节2个），不带电缆，可以像人一样行走、爬楼梯和避让障碍。国防科技大学在1988年至1995年间，先后研制成功平面型6自由度类人机器人KDW-I、空间运动型机器人KDW-II和KDW-III。KDW-III下肢有12个自由度，最大步距为0.4m，步速为每步4s，可实现前进、后退和上、下台阶的静、动态步行和转弯运动。2000年，在国防科技大学诞生了我国研制的第一台具有人类外观特征，可以模拟人类行走与基本操作功能的平面类人机器人“先行者”，如图2所示。“先行者”高1.4m、重20kg，具有类人的下肢和简化的上肢，总共15个自由度；可以实现原地扭动、平地前进、后退、左右侧行、左右转弯等动作。随后，国防科技大学又研制出新型类人机器人，有36个自由度，每条腿6个，每条胳膊6个，手部5个，头2个，其下肢各个关节有位置传感器，足部有力/力矩传感器。 二、类人机器人稳定性判据研究现状 （一）静态稳定性判据

静态稳定性判据是指干扰作用于运动速度较低，所受惯性力趋近于零的系统上时，判别系统运动稳定性的理论。其发展较早，对其进行的探索也比较多。1968年由提出的重心投影法，指当机器人质心的水平投影在在机器人脚构成的多边形内时，机器人便是处于稳定状态。用重心到多边形的最短距离表示稳定裕量。由其定义可知，该方法适于对在平坦地面移动的多

足机器人的稳定性进行判定，对环境的要求比较苛刻。1979年，在重心投影法基础上又提出了稳定边界法，该方法把稳定区域重新定义，为实际支撑区域的水平投影，使其可以适用于倾斜地面的环境中。1985年，加入考虑重力的影响，提出了能量稳定边界法。随后又在该方法的基础上衍生了其它的方法。静态稳定性判据相关的理论研究已比较成熟，但是其使用终究受其理论前提的，所以其应用也较少。 （二）动态稳定性判据

动态稳定性判据是指干扰作用于运动速度较高，所受惯性力不可忽略的系统上时，判别系统运动稳定性的理论。相较于静态稳定性判据，其适用于更加复杂的高速运动的机器人上，理论研究更加复杂，发展更晚。但是到目前为止，已经取得了非常显著的成就。最成功的案例当属日本本田公司研发的Asimo类人机器人，最新一代的Asimo机器人的运动速度已经可以达到9km/h，而且还可以完成很多复杂的动作。具体地说研究动态稳定性的方法主要有ZMP法、CoP法、FRI法、庞加莱-李雅普诺夫理论、力-角判别法和动量矩法等。零力矩点（ZMP，ZeroMomentPoint）是指机器人所受重力和惯性力的合力交点，在该点处的合力矩在水平面内的分量为零。零力矩点稳定性判据是指机器人在运动过程中，零力矩点始终位于单脚的支撑区域或双脚支撑构成的支撑区域内时，机器人才可以稳定地运动。当ZMP位于支撑区域的边缘附近时，机器人比较容易倾倒，所以在规划步态时，一般设置安全区域的概念。压力中心CoP（CenterofPressure）法是机器人脚底与地面接触的合力点。从理论上讲，CoP和ZMP是同一点。不同点在于ZMP更适合在计算机器人所受的合外力时应用，而CoP更适合在实际应用中进行测量得到。足旋转指示FRI（FootrotationIndi-是指当将ZMP点移至某一点时，可以使合力矩在该点的垂直分量也为零的点，也是对ZMP理论的拓展。当FRI位于支撑安全区域内时，和ZMP重合，此时机器人处于稳定状态。当FRI位于安全区域外时，机器人有发生倾倒的倾向，到安全区域的距离决定了不穩定程度。对于运动有周期性的机器人系统，庞加莱提出了映射图像特征法，该方法将周期运动的稳定性转化为平衡点的稳定性。该方法最大的特点是只适用于周期运动的系统，而且计算模型十分复杂，所以应用较少，在用该方法计算时一般需要对模型进行降维简化处理。在庞加莱的理论基础上，李雅普诺夫提出了需要求解微分方程用于定量计算的“第一法”和定性计算的“第二法”。 三、目前类人机器人研究的技术难点及未来的发展方向

类人机器人的研究虽然取得了很多的研究成果，但目前类人机器人的双足行走速度、稳定性及适应能力仍不是十分理想。真正意义上的类人机器人不仅要做到形状与人类似，具有移动操作功能、感知功能，更要有记忆和自治能力，能够实现人—机交互，甚至表达感情和某些生态上的能力。笔者认为，未来的类人机器人发展应在以下几个方面努力：1.结构上的多自由度设计：类人机器人是一个多自由度机构，尤其是腿部的自由度数直接决定了双足步态的灵活性。但为了结构上拟人以及控制的简便，应将多个自由度的旋转轴线设计为十字交叉型；考虑到不同用途机器人对不同机器人结构方案的开放性要求，运用模块化设计思想，对机器人结构

进行模块化设计。2.设计体积小和重量轻机器人关节：必须使设计的机器人关节像人一样体积小、重量轻，这样才能真正实现机器人类人的外形。3.研制新型关节驱动器：类人机器人的自由度多达十几、几十个，驱动器已不局限于传统的几种方式，研制驱动速度快、负载能力强的驱动器已是一种趋势，如形状记忆合金驱动、压电陶瓷驱动，等等。4.稳定性与控制：稳定性与控制策略是类人机器人技术的关键，主要有双足运动的动态稳定与控制机理、双足步行运动的固有鲁棒性机理、实时行走控制、手部操作的最优姿态控制、自身碰撞监测、三维动态仿真、运动规划和轨迹跟踪等。5.人机接口设计：目前研制的类人机器人还不能摆脱人的控制而工作，因此，良好的人机协调系统在机器人的工作中将起到非常重要的作用。6.研制新材料电源：理想的能源应该具有十分高的能量密度、耐高温、耐腐蚀、可再生及成本低等。目前类人机器人一般采用有源动力理论设计，因此，采用体积小、重量小、而又容量大的新材料高效电源降低电源重量，延长持续行走时间是类人机器人发展应该努力的一个方向。 四、结语

类人机器人作为机器人技术研究的热门课题，以及评价人工智能等学科技术的理想平台，对其进行学习研究有着十分重要的理论价值和现实意义。尽管现在的类人机器人可以实现的功能还十分有限，但随着类人机器人理论与技术以及相关学科与技术的发展，类人机器人必将越来越类人、越来越具备人类的功能、越来越完善，其也必将代替人类部分的工作，融入人类的生活，给人类社会的生产、生活带来更多的便利与价值。 参考文献：

[1]刘曦恺.智能机器人的研究现状及其发展趋势研究[J].科技风，2015（18）. [2]黄心汉.智能机器人：21世纪科技皇冠上的璀璨明珠[J].科技导报，2015（21）.