类人机器人

类人机器人

摘要:类人机器人是一类能双足行走的智能机器人，集机、电、材料、计算机、传感器、控制技术等多门学科于一体，是一个国家高科技实力和发展水平的重要标志。因此，世界发达国家都不惜投入巨资进行开发研究。日、美等国都在研制仿人形机器人方面做了大量的工作，并已取得突破性的进展.我国也在研究出了自己的类人机器人，但是与欧美国家存在很大的差距。

关键词：类人型机器人；智能；材料技术；控制技术

Humanoid Robot

Abstract: Humanoid robotis a kind ofintelligent one whichcan be bipedalwalking, combining mechanical, electrical, materials, computers, sensors,control technologyand othersubjectsin one. It is a flag ofnationalhigh-techstrength andan important indicator ofthe level of development. Therefore, the developed countrieshave investedheavily inresearch and development of humanoid robots.Japan, the United States and other countries have done a lot of work in the development of humanoid robot, and have achieved a breakthrough. China has also produced its own humanoid robot, but there is a biggapwith the west countries.

Keywords: humanoid robot;intelligent; materials technology; control technology

1 引言

类人机器人是一类能双足行走的智能机器人，集机、电、材料、计算机、传感器、控制技术等多门学科于一体，是一个国家高科技实力和发展水平的重要标志。机器人技术正在走出制造车间步入人们的日常生活空间，崭新的机器人工业曙光初现。

类人机器人是外观和功能与人一样的智能机器人。它能模仿（甚至超过）人的构造和行为，有着各式各样的形状和尺寸，从具有人的尺寸的双腿机器人到类似人的感觉和表情的独立的机器人头颅。

自然界的事实，仿生学以及力学分析表明，类人机器人与轮式履带式机器人相比，有许多突出的优点和它们无法比拟的优越性它的特性主要体现以下方面：

（1）类人机器人能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面它的移动盲区很小。

（2）类人机器人的能耗很小。因为该机器人可具有独立的能源装置，因此在设计时就应充分考虑其能耗问题，机器人力学计算也表明，足式机器人的能耗通常低于轮式和履带式。

（3）类人机器人具有广阔的工作空间。由于行走系统的占地面积小，而活动范围很大，所以为其配置的机械手提供了更大的活动空间，同时也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。 （4）双足行走是生物界难度最高的步行动作。但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的，所以仿人机器人的研制势必要求并促进机器人结构的革命性的变化同时有力推进机器人学及其它相关学科的发展。

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2 国内外类人机器人研究概况

2.1国外概况

2.1.1 日本早稻田大学

日本早稻田大学加藤一郎教授在日本首先展开了双足机器人[3]的研制工作。1969年研制出WAP-1（WasedaAuicmaticPedipulator）平面自由度步行机。该机器人具有六个自由度，每条腿有髋、膝、踝三个关节，利用人造橡胶肌肉为关节通过注气、排气引起肌肉收缩牵引关节转动从而迈步。由于气体的可伸缩性，该机器人行走不稳定。1971年，加藤一郎又研制出了WAP-3型双足机器人，仍采用人造肌肉驱动，能在平地斜坡和阶梯上行走，具有11个自由度。1971年加藤实验室研制出WAP-5双足步行机器人，该机器人采用液压驱动，具有11个自由度。下肢作三维运动，上躯体左右摆动以实现双足机器人重心的左右移动。该机器人重130kg，高0.9m，可载荷30kg，实现步幅15cm，每步45s的静态步行。1973年加藤等人在WAP-5的基础上配置机械手及人工视觉、听觉装置组成自主式机器人WABOT-1。加藤等人于1980年又推出WL-9DR（Dynam’s Refine）双足机器人。该型机器人采用预先设计步行方式的程序控制方法，用步行运动分析及重复实验设计步态轨迹，用以控制机器人的步行运动。该机器人采用以单脚支撑期为静态，双脚切换期为动态的准动态步行方案。实现了步幅45cm，每步9s的准动态步行。1984年，在以前研究的基础上推出WABOT-2。1986年，加藤实验室又研制成功了WL-12（R）步行机器人。该机器人通过躯体运动来补偿下肢的任意运动，在躯体的平衡作用下，实现了步行周期1.3s，步幅30cm的平地动态步行。

图1 日本早稻田大学WABOT-1（1973）和WABOT-2（1984）

Fig.1 WABOT-1(1973) and WABOT-2(1984)(Courtesy of Humanoid Robotics Institute,Waseda University)

2.1.2本田ASIMO

日本本田公司研究宗旨是：机器人应该要与人类共存并合作，做人类做不到的事，开拓机动性的新领域，从而对人类社会产生附加价值。从1986年开始研究双腿的行走机理，推出可以双腿行走的机器人E0，成功的实现了双腿的交替运动。但是，每步行走的时间为5s，而且它只能沿着直线缓慢的行走。1987-1991年，研制出器人E1-E3，实现了双腿的快速行走。为了获得快速行走步伐的目的，有必要研究人类是如何行走的。于是，本田公司对人类的行走进行了彻底的研究和分析，同时对动物的行走以及其他的行走方式也进行了研究，还对行走时关节的活动和位置进行研究。基于以上研究数据，设计了快速行走的程序，并将其安装在机器人上，然后进行测试，E2机器人达到了在平坦地面上1.2km/h的水平。1991-1993年，本田公司研制机器人E4-E6，完成两条腿的基本功能，实现了两腿稳定的行走技术。E5实现了完善的行走节奏，甚至在坡地和台阶上均可稳定的行走。1993-1997年，相继研制出P1-P3

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类人机器人。P1是本田公司最初行走机器人，主要是对双足步行机器人进行基础性的研究工作。P2型机器人是1996年12月推出的，相对于P1而言更加拟人化，而且采纳了无线遥控技术，该机器人的躯干上装有计算机、电机驱动器、电池、无线接收器和其他必要的装置。使其在不要导线的情况下，能够完成诸如速度达到3km/h的动态行走、上下楼梯及推运物体等等动作。P2的问世将双足步行机器人的研究工作推向了高潮，使本田公司在此领域处于世界绝对的领先的地位。1997年12月，本田公司又推出了P3型双足步行机器人，基本上与P2型相似，只是在重量和高度上有所降低（由原来的210kg降为130kg，高度由1800mm降为1600mm），且使用了新型的镁材料，较小的尺寸更适宜在人类环境中使用。

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图2 本田公司P1-P3 Fig.2 P1-P3(Honda)

本田公司于2000年11月20日又推出了新型双脚步行机器人ASIMO（Advanced Step in Innovative Mobility），高120cm，体重43kg，实现了小型轻量化，使其更容易适应人类的生活空间，通过提高双脚步行技术，使其更接近人类的步行方式[4-6]。

图3 本田类人机器人ASIMO Fig.3 ASIMO（Honda）

2.1.3索尼QRIO

日本索尼于2000年11月21日推出了人型娱乐型机器人(Sony Dream Robot-3X)(SDR-3X)[7], 其身高50cm,重量为5kg。其特征是每分钟可以步行15m，并可按照音乐节拍翩翩起舞，可以进行较高速度的自律运动。另外还配备声音识别和图像识别功能。SDR-3X的动作有以下7种：

（1）最高速度为15m/min的前进后退左右横行；

（2）在前进过程中左右转身（异步转90°）； （3）由伏卧/仰卧状态起立；

（4）单腿站立（在斜面上也可做此动作）； （5）在凸凹不平的路面上行走；

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（6）踢球；

（7）舞蹈。

另外，还可以识别20种声音，并且可以讲由声音合成的20种语言，同时对颜色也可以识别。2003年9月，索尼公司将SDR-3X改称为QRIO[8]（Quest for Curiosity）。2006年1月26日，索尼公司公布：索尼的人形机器人（QRIO）开发也将终止，而相关的人工智能技术将转移到消费电子产品的生产。

QRIO是具有划时代意义的，因为在机器人的研究道路上，像跑、跳、投这样的看似简单的动作却是非常难以实现的。这些动作牵涉到多组控制器间的协调工作，并需要根据实时的受力反馈进行动作的细致调整。

图4 索尼类人机器人QRIO Fig.4 QRIO Humanoid of Sony

2.1.4日本产业技术综合研究所

日本产业技术综合研究所（AIST）的应用智能系统研究部门仿人形研究组“人类和谐---共存型机器人系统研究”开发项目中，开发HRP[9,10]系列机器人。最初使用的是以本田1997年开发的双足行走机器人P3为原型的HRP-1，先后推出HRP-2、HRP-3、HRP-4系列机器人。2009年，类人机器人HRP-4C出现在人们的视野中。HRP-4C的机器人身高接近1.58米，重约43公斤，身穿一套银白和黑色相间的太空服。它的身高和体重同日本普通女性基本不差上下。机器人“HRP-4C”全身共有30个马达来控制肢体移动。机器人“HRP-4C”也可以做出喜、怒、哀、乐和惊讶的表情。此外，它还能够缓慢行走，眨眼睛和用细小的女性嗓音说“大家好”。

图5 HRP-4C Fig.5 HRP-4C (AIST)

2.1.5 波士顿动力公司

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PETMAN是美国军方测试生化防护服的类人机器人。他能像人类一样保持平衡和自由行走，而且为提供真实的测试条件，它能够调节体温，湿度和出汗，尽可能模仿人的生理条

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件。PETMAN模拟如何在现实条件下的士兵穿的防护服，自然、敏捷的运动是必不可少的。该机器人有一个标准的人体形状和大小，使其成为第一个动作动态像一个真正的人的机器人。PETMAN模拟人类步态达到完美，几乎能够像人类一样行走，2011年交付给美国陆军。

图6 波士顿动力公司佩特曼 Fig.6 PETMAN (Boston Dynamics)

2.1.6欧洲创新大学协会iCub

机器人iCub

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是由欧盟资助的一项研究工程，耗资500万英镑，约合810万美元，目前已

有来自欧洲各地的约10家机构—欧洲创新大学协会（欧洲10所大学组成）参与。iCub的胳膊和手能够以16种不同方式移动和旋转，手掌和指尖共含有108个触觉传感器，能够感知触摸到的东西。

图7 欧洲创新大学协会iCub

Fig.7 iCub(Euro)

2.2国内概况

2.2.1国防科技大学“先行者”

国内仿人机器人的研究起步较晚,最早始于1988年国防科技大学的六关节平面运动型双

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足步行器。2000年11月29日，国防科技大学的“先行者”-国内第一台仿人机器人问世,高1400mm,重20kg,以每秒两步的频率动态步行,能够在小偏差的不确定环境中行走,并具有一定的语言功能。

图8 国防科技大学“先行者”

Fig.8Pioneer（National University of Defense and Technology）

2.2.2北京理工大学BHR

2000年开始，北京理工大学机电学院智能机器人研究所在长江学者特聘教授黄强所长的带领下开始了仿人机器人的研究。在国家科技部863计划，原国防科工委，国家自然科学基金以及我校的大力支持下，于2002年研制成功了首个仿人机器人BHR，突破了系统集成技术，实现了无外接电缆的行走。BHR-01高1580mm,重76kg,共32个自由度,步速1km/h,步幅0.33m,可在未知地面上稳定行走和打太极拳。

2005年，北京理工大学机电学院智能机器人研究所突破了仿人机器人的稳定行走可靠性技术、复杂动作设计与协调控制等关键技术，研制成功了第二代仿人机器人“汇童BHR-2”[15,16]。“汇童BHR-2”仿人形机器人能够完成人类相似的动作，实现了太极拳、刀术等复杂动作，达到了国内领先、国际先进、并在复杂动作协调控制方面达到了国际领先的水平。“汇童BHR-2”仿人形机器人先后参加了“国家科技创新重大成就展”、“国家十五重大科技成就展”等重要展览。

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图9 北京理工大学“汇童”打太极拳 Fig.9 BHR-2 (Beijing Institute of Technology)

2.2.3上海大学京剧机器人

2009年工博会上，由方明伦教授领衔的上海大学服务机器人研究小组经过两年多的时间研制完成的两个京剧表演机器人，具备了多机器人协同表演的能力，能够根据不同京剧唱段表演相应的京剧动作，其惟妙惟肖的京剧打斗表演博得了观众的阵阵好评。该机器人不仅体现了较高的机器人技术水平，如机器人自主定位导航、多机器人协调、语音识别等技术，更是将中国文化元素和机器人技术进行了有机的集成，实现了技术与艺术的统一，从而达到了课题组用先进技术展示中国文化的设计意图。

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图10 上海大学京剧机器人

Fig.10 OperaRobot(Shanghai University)

3 总结

类人机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表。类人机器人的最终研究目标是:研制出具备人类特征(如行走、感官、思维、判断等能力),在相当程度上替代人类并服务于人类,且能够与人类和谐共处的高级智能机器人。但是，目前技术的发展还不能完全实现目标，应该更致力于以下技术的研究[2,18-19]： 3.1控制技术

人形机器人是一个机电复合体，先进的机构离开了控制技术，只能是机器框架。人形机器人的研究中进展最大的是控制技术。为了让机器人做出自然而流畅的动作，有效的控制技术是不可缺少的。先进PID控制技术、模糊控制技术、神经网络控制技术、专家控制技术、预测控制技术等处于研究热点。 3.2传感器与处理器

人形机器人的外界信息的获取都得依靠各种不同的传感器，识别处理中难度最大的是视觉与听觉。随着人形机器人技术和功能的不断强大，将会有更多的传感器运用到机器人身上。同时人形机器人作为面向复杂应用环境的智能个体，所面临的是一个多模式信息呈现的世界，因此开发研究新型的外部传感器，使其具有更高的性能指标和更宽的应用范围，才能使机器

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人根据环境的变化做出对应的决策。另外，对类人机器人的控制达到实时的要求，就要求有运算速度更高的处理器，且更微型化，以便于嵌入到完全独立与人的类人机器人中。 3.3人工智能

人形机器人的最终用途是和人类协同工作或代替人类独立工作，这需要机器人能像人类那样具有一定的判断能力，因此机器人需要具备高度的人工智能。只有具备了人工智能，机器人才能具备对陌生环境的判断和处置能力，以提高人类协同工作的能力。人工智能实现的方法是先编制相应软件,再由计算机进行计算，机器人接受指令产生相应的操作。这些高度智能化的操作必须有高度发展的智能技术及计算机软件实现技术作为基础。 3.4驱动装置与结构

人形机器人的各种机构是构成机器人的基本框架，也是机器人各项功能实现的载体。人类拥有自然界中最复杂的机构，尺寸精巧，动力强大，各部分之间协调自如。为此，就要造出更小更强的驱动装置与结构，以适应不断发展的类人机器人的研究。 3.5材料与电源

类人机器人有更灵活的自主性，执行更加自主的室外行为，对机器人的材料比如有防水，防尘，防辐射要求。早期的机器人都是拖着长长的电缆，动力供应依靠外部。室外机器人亮相，产生了新一代电池需求，要求续航时间更长，动力更加强劲。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t563.html