人形機(jī)器調(diào)研

人形機(jī)器人調(diào)研報(bào)告王宇馳（上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072）摘要：人形機(jī)器人是具備人類的外形特征，能雙足行走的智能機(jī)器人。人形機(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)，是當(dāng)前機(jī)器人研究領(lǐng)域最活躍的研究方向之一。本文介紹了人形機(jī)器人的定義，分析了國(guó)內(nèi)外人形機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，并闡述了當(dāng)前人形機(jī)器人研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)未來的研究方向和工作重點(diǎn)作出了展望。關(guān)鍵詞：人形機(jī)器人；人工智能；雙足步行；智能控制TheResearchReportofHumanoidRobotWANGYu-chi(SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation，ShanghaiUniversity，Shanghai200072,China)Abstract:HumanoidrobotisakindofintelligencerobotwiththeappearancecharacteristicsofhumanandBipedalwalkingComparingwithwheelrobotandcrawlerrobot,Humanoidrobothasmanyoutstandingqualitiescompared,isoneofthemostactiverobotresearchdirectionsofrobot.ThisarticledescribesthedefinitionanddevelopmentprospectsofHumanoidrobot,analysesthecurrentsituationofHumanoidrobotresearchathomeandabroad,andintroducesthekeytechnologiesinthefieldsofthecurrentHumanoidrobotresearch.Finally,thedirectionofdevelopmentandresearchtrendsofHumanoidrobotinthefutureisshowed.Keywords:Humanoidrobotsartificialintelligence;Bipedalwalking;intelligentcontrol引言機(jī)器人是集中了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科的交叉學(xué)科，是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。行走機(jī)構(gòu)是人形機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，步行是人與大多數(shù)動(dòng)物所具有的移動(dòng)方式,其形式主要有兩足步行,四足步行和六足步行。其中兩足型行走是步行方式中自動(dòng)化程度最高,最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng).。與傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人和履帶機(jī)器人相比，人形機(jī)器人具有更好的環(huán)境適應(yīng)能力。人形機(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。人形機(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)。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。因此人形機(jī)器人研究的具有十分重大的價(jià)值和意義［6］。本文對(duì)人形機(jī)器人技術(shù)的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用及其未來發(fā)展進(jìn)行了綜述。1國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀作者簡(jiǎn)介：王宇馳（1989-），專業(yè)：機(jī)械電子工程。方向：機(jī)器視覺，數(shù)字圖像處理人形機(jī)器人研究開始于20世紀(jì)60年代末。1968年美國(guó)通用電氣公司的研究人員R.Smosher試制了一臺(tái)名叫“Rig”的操縱型兩足步行機(jī)器人，它只有踝和髖兩個(gè)關(guān)節(jié)，操縱者靠力反饋感覺來保持機(jī)器平衡，這種主從式的機(jī)械裝置可算是兩足步行機(jī)構(gòu)的雛形，從而揭開了人形機(jī)器人研究序幕。1972年南斯拉夫Vukobratovic和Stepanenko作者簡(jiǎn)介：王宇馳（1989-），專業(yè)：機(jī)械電子工程。方向：機(jī)器視覺，數(shù)字圖像處理1.1日本日本在雙足機(jī)器人研究領(lǐng)域具有突出地位，其研究成果也是最為杰出。1968年，早稻田大學(xué)的加藤一郎教授在日本首先開始了人形機(jī)器人研制工作，他在1969年研制出了具有6個(gè)自由度、利用人造橡膠肌肉作為關(guān)節(jié)WAP-1型步行機(jī)器人，其兩腿有髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。1971年加藤一郎研制出具有11個(gè)自由度的WAP-3機(jī)器人，仍采用人造肌肉驅(qū)動(dòng)，可在平地、斜坡和臺(tái)階上行走。同年，加藤實(shí)驗(yàn)室研制出了具有11個(gè)自由度的WL-5型雙足步行機(jī)器人，該機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)，下肢作三維運(yùn)動(dòng)，上軀體左右擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)重心左右移動(dòng)，該機(jī)器人重達(dá)130kg,高0.9m,可載荷30kg，實(shí)現(xiàn)了步幅15cm，每步45s的靜態(tài)步行。1973年加藤實(shí)驗(yàn)室在WL-5型機(jī)器人基礎(chǔ)上配置了機(jī)械手、機(jī)器視覺和聽覺裝置等組成了WABOT-1自主機(jī)器人［7］，該機(jī)器人具備了人形機(jī)器人所有功能和組成要素，是現(xiàn)實(shí)世界中最早的人形機(jī)器人，如圖1所示。加藤實(shí)驗(yàn)室于1980年又推出WL-9DR雙足機(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4.5cm,每步9s的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行。1984年，該實(shí)驗(yàn)室研制出采用踝關(guān)節(jié)力矩控制的WL-l0RD雙足機(jī)器人⑻。實(shí)現(xiàn)了步幅40cm，每步1.5s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-12R步行機(jī)器人。該機(jī)器人有8個(gè)自由度，每條腿有三個(gè)前向關(guān)節(jié)，軀體有前向和側(cè)向兩個(gè)關(guān)節(jié)。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1.3s，步幅30cm的平地動(dòng)態(tài)步行。之后加藤一郎所領(lǐng)導(dǎo)的課題組又相繼研制了WL系列、WABIAN系列雙足機(jī)器人。較新的研究成果為WL-16和WABIAN-2機(jī)器人，WL-16如圖2所示腿部采用一對(duì)6自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度高，許多金屬部件用聚乙樹脂代替，齒輪、電機(jī)等重量都得以減輕，可以在不平的地面上穩(wěn)定行走。WABIAN-2如圖3所示，不僅可以像真人一般活動(dòng)頭部、軀干、四肢和手掌，而且還能夠通過面部表情傳達(dá)多種人類特有的感受，例如快樂、憤怒、悲傷、驚訝和厭惡等。最為重要的是它還可以彎曲膝蓋并且以多種方式活動(dòng)它的腳掌，通過機(jī)器人的模擬運(yùn)動(dòng)，人們便可以得到許多觀測(cè)真人時(shí)所不可能得到的定量數(shù)據(jù)。所以，借助WABIAN-2對(duì)人類行走方式進(jìn)行最大限度地模仿，研究人員將可以獲得對(duì)人類病理學(xué)更深層次的了解，從而可以得到對(duì)開發(fā)新型醫(yī)療和康復(fù)設(shè)備極有助益的信息。人形機(jī)器人新紀(jì)元是日本本田公司在1996年推出令人驚嘆的P2掀起的，本田公司從1986年至今已經(jīng)推出了P系列1、2、3型雙足機(jī)器人，如圖4所示，P1是本田公司最初研制的步行機(jī)器人，高192cm，重175kg，電腦和蓄電池置于體外。1996年推出高182cm、重210kg的P2,其電腦和蓄電池內(nèi)置，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線化，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)器人控制單元，控制單元再根據(jù)具體情況進(jìn)行判斷，進(jìn)而平衡身體和穩(wěn)步前進(jìn)，能夠完成速度達(dá)3km/h的動(dòng)態(tài)步行，上下樓梯以及搬運(yùn)物體等。1997年，本田公司完成對(duì)P3的研制，高160cm、重130kg的P3與P2類似，只是在高度和重量上有所降低。之后，本田

公司于2000年11月20日推出了雙腳步行機(jī)器人“ASIMO”[9]。ASIM0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，更接近人類的步行方式，如圖5所示，ASIMO高120cm，體重43kg，行走速度范圍為0-1.6km/h,并且行走時(shí)步幅步頻動(dòng)態(tài)可調(diào)，ASIMO采用了先進(jìn)預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制，其原理是由下一步態(tài)推算下一步重心移動(dòng)取向和腿部運(yùn)動(dòng)的最佳模式，再將目標(biāo)行走模式按預(yù)測(cè)行走模式加以修正。ASIMO首次實(shí)現(xiàn)了行進(jìn)中轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)，并且可以完成8字形行走、上下臺(tái)階等復(fù)雜動(dòng)作。此外，ASIMO體內(nèi)還安裝有語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，能發(fā)出電子語(yǔ)音，并能做出如握手、揮手等簡(jiǎn)單的人性化動(dòng)作。本田公司還于2005年12月發(fā)布了新一代“ASIMO”，它可以在辦公室等現(xiàn)實(shí)環(huán)境中工作，具有很高的運(yùn)動(dòng)能力。和以往相比，新ASIMO可以和人手拉手走路，強(qiáng)化了與人配合的行動(dòng)能力，而且增加了利用手推車、搬運(yùn)物品的功能。一臺(tái)真正意義上的人形機(jī)器人，將人形機(jī)器人的研究推向高潮，機(jī)器人圖3圖4P1機(jī)器人圖3圖4P1、P2、P3機(jī)器人、P2、P3robot索尼公司于2000年推出了小型人形機(jī)器人SDR-3X，如圖6所示，其身高50cm，重5kg，每分鐘可以步行15m，可以隨音樂節(jié)拍翩翩起舞，并且進(jìn)行較高速度的自律運(yùn)動(dòng)。SDR-3X還配有聲音識(shí)別和圖像識(shí)別功能。之后，索尼公司開發(fā)出了世界首臺(tái)會(huì)跑的雙足機(jī)器人“QRIO”，如圖7所示。索尼公司定義的“跑”是指機(jī)器人行走時(shí)雙足處于離開地面的非接觸狀態(tài)，并不是那種一定要某只腳掌接觸地面的快步行走（類似于競(jìng)走運(yùn)動(dòng)）°QRIO在行走時(shí)可以有約20ms的不接觸地面的時(shí)間，不僅可以行走，而且可以跳躍。在跳躍狀態(tài)下不接觸地面的時(shí)間可達(dá)40ms,行走速度為14m/min。如果假設(shè)其大小與人相同，換算過來相當(dāng)于時(shí)速2.5km,給人以緩緩慢跑的印象。能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人QRIO可以跑的關(guān)鍵在于，首先是將電機(jī)和控制電路一體化的調(diào)節(jié)器ISA轉(zhuǎn)矩提高了30%。此前的ISA也可以通過外力使輸出軸旋轉(zhuǎn)，也就是提高了所謂的反向運(yùn)轉(zhuǎn)性能，有助于減緩著地時(shí)的沖擊力；此外，設(shè)計(jì)QRIO的過程中，在此前用于步行的算法（ZMP穩(wěn)定步行控制）中增加了可即時(shí)控制機(jī)器人的跳躍方向和在空中時(shí)可保持平衡狀態(tài)的姿勢(shì)控制等的算法。圖5ASIM°.機(jī)器人Fig.5ASIMOrobot■E1!obot日本東京大學(xué)也一直進(jìn)行人形機(jī)器人研究，并取得了較大成就。該大學(xué)的Kougaka教授的實(shí)驗(yàn)室研制出了30個(gè)自由度的H5型雙足人形機(jī)器人。他們?cè)贖5型雙足人形機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)中考慮了動(dòng)平衡條件，采用了遺傳算法來實(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)軌跡用三次樣條插值實(shí)現(xiàn)。該人形機(jī)器人的頭部安裝有2個(gè)CCD彩色攝像機(jī)，可以定位該機(jī)器人前面的物體，并能用7自由度的手抓取目標(biāo)。之后又相繼研制成功了H6型和H7型雙足人形機(jī)器人。其中H6機(jī)器人高137cm，體重55kg，具有35個(gè)自由度，如圖8所示?！鯡1!obot1.2美國(guó)美國(guó)Ohio大學(xué)的美籍華人鄭元芳博士研制出的雙足步行機(jī)人:SD-1和SD-2,其中SD-2是美國(guó)第一臺(tái)真正類人的雙足步行機(jī)器人,鄭元芳提出用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)雙足步行機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行,并在SD-1上得以實(shí)現(xiàn)。MIT的G.A.Pratt和J.E.Pratt等在SpringTurkey和SpringFlamingo人形機(jī)器人的控制中提出了虛模型控制策略。采用這種控制策略可以有效地避免繁瑣的人形機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和動(dòng)力學(xué)計(jì)算。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,與上述控制策略的指導(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。1.3法國(guó)法國(guó)的機(jī)器人項(xiàng)目是BIP2000計(jì)劃，由法國(guó)的deMecaniqu.dessoloders實(shí)驗(yàn)室和INDIA機(jī)構(gòu)共同開發(fā)的一個(gè)具有15自由度的雙足步行機(jī)器人，其目的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)。1.4中國(guó)我國(guó)人形機(jī)器人的研究工作起步較晚。在國(guó)家“863”高技術(shù)計(jì)劃和自然科學(xué)基金的資助下，國(guó)內(nèi)也開展了人形機(jī)器人研究工作。目前，國(guó)內(nèi)主要有國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和北京理工大學(xué)等單位從事人形機(jī)器人的研究。國(guó)防科技大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制機(jī)器人已有10余年的歷史，1988年國(guó)防科技大學(xué)的六關(guān)節(jié)平面運(yùn)動(dòng)型雙足步行器，揭開了我國(guó)人形機(jī)器人研究序幕。該實(shí)驗(yàn)室在這期間分四階段推出了四代機(jī)器人，其中，2000年底推出的人形機(jī)器人“先行者”是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)人形機(jī)器人，如圖9所示，咼140cm,重20kg，可以以每秒兩步的頻率動(dòng)態(tài)步行，能夠在小偏差的不確定環(huán)境中行走，并具有一定的語(yǔ)言功能。2003年6月，又成功研制了一臺(tái)具有新型機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性的人形機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人身咼155cm,體重63.5kg,共有36個(gè)自由度，腳踩有力傳感器，關(guān)節(jié)采用正交軸設(shè)計(jì)，具有人的大部分外形特征，使用電池供電，實(shí)現(xiàn)了無(wú)纜行走，它可以完成人的腿部、手部和頭部的基本動(dòng)作。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)為HIT-1,有10個(gè)自由度，重100kg，高1.2m,關(guān)節(jié)由直流伺服電極驅(qū)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)步行；第二個(gè)型號(hào)為HIT-2,有12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)為HIT-3,有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)了兩個(gè)自由度，腿部結(jié)構(gòu)采用了圓筒形結(jié)構(gòu)oHIT-2實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行，能夠完成前行、后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階及斜坡等動(dòng)作，如圖10所示。目前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)正致力于功能齊全的人形機(jī)器人HIT-4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。2002年由北京理工大學(xué)等單位承擔(dān)的國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“人形機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)”通過驗(yàn)收。該機(jī)器人在系統(tǒng)集成、步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)等方面實(shí)現(xiàn)了重大突破，

如圖11所示，機(jī)器人高158cm,重76kg,32個(gè)自由度，步幅33cm，行走速度1km/h,能夠根據(jù)自身的力覺、平衡覺等感知自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化，實(shí)現(xiàn)在未知地面的穩(wěn)定行走和表演太極拳動(dòng)作。該機(jī)器人最新成果為BHR-2型。清華大學(xué)研制了THBIP-1人形機(jī)器人，身高170厘米，重140公斤，共有32個(gè)自由度，利用安裝在身體內(nèi)部的各種傳感器，該人形機(jī)器人可以在路面上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走、上下樓梯和抓取簡(jiǎn)單物體，如圖12所示。Set圖11BHR機(jī)器人Set圖11BHR機(jī)器人Fig11BHRrobot一xoTHBIP-1robot圖J2THB靜人形機(jī)器人2人形機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)人形機(jī)器人作為一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，它的發(fā)展和機(jī)構(gòu)學(xué)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)人工智能、這些技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。這四種技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步直接影響著人形機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。機(jī)構(gòu)學(xué)人形機(jī)器人的各種機(jī)構(gòu)是構(gòu)成機(jī)器人的基本框架，也是機(jī)器人各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的載體從最早的WAP-1到最先進(jìn)的2007版的ASIM0，研究人員一直致力于機(jī)器人機(jī)構(gòu)的研究與優(yōu)化即使如此，人形機(jī)器人的機(jī)構(gòu)仍有很多缺陷比如，現(xiàn)有的機(jī)器人在行走時(shí)帶有一些機(jī)器味，沒有人類的流暢和優(yōu)雅，即使增加了臀部的自由度，效果也不是很明顯而且隨著機(jī)器人自由度的增加，伺服電機(jī)的數(shù)量也增加，這樣機(jī)器人的結(jié)構(gòu)就不能像人類一樣勻稱合理當(dāng)然研究人員也在嘗試各種新方法來解決該問題，也取得了不少成就麻省理工學(xué)院的一項(xiàng)研究被動(dòng)動(dòng)力學(xué)理論設(shè)計(jì)就能有效地減少機(jī)構(gòu)的尺寸，因?yàn)檫\(yùn)用該理論，機(jī)器人的腿部部分關(guān)節(jié)沒有電動(dòng)機(jī)和控制器卻能實(shí)現(xiàn)類人運(yùn)動(dòng)?？刂萍夹g(shù)表1人形機(jī)器人行走控制技術(shù)的發(fā)展Tab.1WalkingcontroltechnologydevelopmentofHumanoidrobot時(shí)周表1人形機(jī)器人行走控制技術(shù)的發(fā)展Tab.1WalkingcontroltechnologydevelopmentofHumanoidrobot時(shí)周研究機(jī)構(gòu)機(jī)器人控制技術(shù)特點(diǎn)1980日本早耦田大學(xué)WL-9DR預(yù)先設(shè)計(jì)步行方式的程序準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步存方案1984日本早稻田大學(xué)WL-10RD踝爻節(jié)力犯控制平穩(wěn)動(dòng)態(tài)步行1990美國(guó)Ohio大學(xué)SD-1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制動(dòng)態(tài)步行19%日本機(jī)械學(xué)院Melimn【自適應(yīng)步態(tài)控制未知賂而上的動(dòng)態(tài)行走2000本田公司ASIMOAJX實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)以后動(dòng)作，據(jù)此事先移動(dòng)重右改變步調(diào)2000法國(guó)BIP2000計(jì)劃[NR]A分層遞解控削最高級(jí)是全局規(guī)劃層片間級(jí)務(wù)進(jìn)行平滑的行走步態(tài)的規(guī)劃，最后是反鍛層，用來處理突發(fā)事件2.3傳感器技術(shù)如同人的眼睛耳朵一樣，傳感器對(duì)于機(jī)器人也是同等的重要，人形機(jī)器人的外界信息的獲取都得依靠各種不同的傳感器。這些傳感器包括視覺傳感器、聽覺傳感器、觸覺傳感器、力傳感器陀螺儀等。除了上述的幾種常用傳感器外，部分人形機(jī)器人還具備嗅覺傳感器和味覺傳感器，這些不同功能的傳感器構(gòu)成了人形機(jī)器人的感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。隨著人形機(jī)器人技術(shù)和功能的不斷強(qiáng)大，將會(huì)有更多的傳感器運(yùn)用到機(jī)器人身上,同時(shí)人形機(jī)器人作為面向復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境的智能個(gè)體，所面臨的是一個(gè)多模式信息呈現(xiàn)的世界，因此開發(fā)研究新型的外部傳感器，使其具有更高的性能指標(biāo)和更寬的應(yīng)用范圍，才能使機(jī)器人根據(jù)環(huán)境的變化做出對(duì)應(yīng)的決策。2.4人工智能人形機(jī)器人的最終用途是和人類協(xié)工作或代替人類獨(dú)立工作，這需要機(jī)器人能像人類那樣具有一定的判斷能力，因此機(jī)器人需要具備高度的人工智能。只有具備了人工智能，機(jī)器人才能具備對(duì)陌生環(huán)境的判斷和處置能力，以提高人類協(xié)同工作的能力。人工智能實(shí)現(xiàn)的方法是先編制相應(yīng)軟件，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，機(jī)器人接受指令產(chǎn)生相應(yīng)的操作。這些高度智能化的操作必須有高度發(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人形機(jī)器人的未來展望[1,2,3.6]人形機(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(wú)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。3.1人形機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)人形機(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)功能齊全的智能人形機(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“ASIMO”的就是一個(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)理論和方法的發(fā)展一個(gè)理想的步態(tài)規(guī)劃對(duì)人形機(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?，F(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)目前人形機(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，也是在人形機(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)展人形機(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，人形機(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，人形機(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[10]人形機(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。智能技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展人形機(jī)器人真正意義上的仿人是在雙足行走和智能化。毫無(wú)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)。良好的人機(jī)接口設(shè)計(jì)人形機(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、視覺傳感人類研制人形機(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。”在目前，復(fù)雜的人形機(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)，人形機(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)來控制人形機(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。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)。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。將來高智慧的人形機(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。可以肯定，人形機(jī)器人一定會(huì)有一個(gè)持續(xù)“優(yōu)化”和研制的前景。人形機(jī)器人必然會(huì)有一個(gè)輝煌的明天。4結(jié)論目前，人形機(jī)器人向著兩個(gè)方向發(fā)展，一是外形上向著與人類的細(xì)部特征相同的方向發(fā)展；另一個(gè)是功能上接近真實(shí)人類，具備和人類一樣的運(yùn)動(dòng)能力和靈活性，對(duì)環(huán)境的判斷能力。目前這兩個(gè)方面都取得了顯著的成果，但兩方面的結(jié)合似乎還存在著一些難題，比如，如何提高機(jī)器人的關(guān)節(jié)靈活性與減少和簡(jiǎn)化機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的矛盾，以及如何提高行走效率的問題等等。但隨著技術(shù)的進(jìn)步以及各種新型工程材料的運(yùn)用，這些矛盾會(huì)在不遠(yuǎn)的將來得到解決。但是，一個(gè)功能和外觀上與人類完全一樣的機(jī)