吳偉國(guó)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，150001哈爾濱)

自1996年日本本田技研(HONDA R＆D)發(fā)布研制成功P2型仿人機(jī)器人以后，仿人機(jī)器人、表情機(jī)器人、多指手、雙足步行機(jī)器人等在機(jī)構(gòu)原理、控制理論與技術(shù)、系統(tǒng)集成以及實(shí)驗(yàn)研究方面取得了快速發(fā)展.如果說(shuō)20世紀(jì)60年代末早稻田大學(xué)加藤一郎教授研制首臺(tái)雙足步行機(jī)引領(lǐng)了仿人步行機(jī)器人研究第一輪世界潮流，那么，受日本本田技研1996—2000年相繼成功研制仿人機(jī)器人P2、P3、ASIMO的影響和鼓舞，20世紀(jì)末、21世紀(jì)初掀起了新一輪仿人機(jī)器人研發(fā)國(guó)際熱潮.美國(guó)、中國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、意大利等國(guó)相繼研制出了仿人機(jī)器人，并在穩(wěn)定步行速度、集成化程度上有大幅提高.仿人機(jī)器人研究發(fā)展到今天，已經(jīng)從20世紀(jì)的基礎(chǔ)研究向21世紀(jì)的應(yīng)用基礎(chǔ)、應(yīng)用研究邁進(jìn)，已從諸如有感知能力/表情/人工情感的仿人頭、多指手、穩(wěn)定快速動(dòng)步行乃至跑步的仿人雙足步行機(jī)等部分研究進(jìn)入集成化整體仿人設(shè)計(jì)研發(fā)仿人機(jī)器人及應(yīng)用基礎(chǔ)研究平臺(tái)的發(fā)展階段，其間涵蓋了各種驅(qū)動(dòng)原理、不同集成化程度及性能指標(biāo)的相關(guān)研究，涉及的領(lǐng)域越來(lái)越寬，從機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)與人工智能到生物學(xué)、心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、行為科學(xué)乃至社會(huì)科學(xué)，呈現(xiàn)出史無(wú)前例的多學(xué)科交叉態(tài)勢(shì).本文對(duì)仿人機(jī)器人研究的總體現(xiàn)狀進(jìn)行回顧、綜述與分析，客觀總結(jié)評(píng)價(jià)目前發(fā)展?fàn)顩r并提出看法和觀點(diǎn).

1 20世紀(jì)仿人機(jī)器人研究簡(jiǎn)要回顧

1.1 基于ZMP的雙足穩(wěn)定動(dòng)步行控制技術(shù)

1972年，著名機(jī)器人學(xué)者 Vukobratovic等［1］提出了ZMP(zero moment piont)的概念，并研究了基于ZMP的雙足步行控制方法，為雙足穩(wěn)定動(dòng)步行提供了重要理論基礎(chǔ).自1971年早稻田大學(xué)加藤一郎教授成功研制出第一臺(tái)雙足步行機(jī)并實(shí)現(xiàn)靜步行以后的近30年間，經(jīng)過(guò)世界范圍內(nèi)專家學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)多年的不懈努力，穩(wěn)定雙足動(dòng)步行理論與控制技術(shù)基礎(chǔ)得以奠定，并集中體現(xiàn)在:1)地面力反射控制;2)著地腳位置控制;3)姿勢(shì)保持控制這三項(xiàng)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)［2－3］;本田技研P2型控制系統(tǒng)構(gòu)成［2］以及控制技術(shù)堪稱將基于模型控制、步行仿真與實(shí)際機(jī)器人控制技術(shù)有效結(jié)合的典范.

1.2 全自立仿人機(jī)器人集成(1996-2000年)

1996年以前，專家學(xué)者分別利用電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等驅(qū)動(dòng)原理以及連桿機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠、齒輪傳動(dòng)等原理，研制出多種雙足步行機(jī)，但是機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，相對(duì)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)能力較重，難以實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定動(dòng)步行.隨著高精度諧波傳動(dòng)、高性能交/直流伺服電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，以及高檔單片機(jī)、DC伺服驅(qū)動(dòng)控制器與產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)、鋁/鎂合金輕質(zhì)材料鑄造等技術(shù)的發(fā)展，使質(zhì)量輕、整體剛度好的仿人機(jī)器人集成化設(shè)計(jì)與制造成為可能.20世紀(jì)末，本田技研的P1、P2、P3型開(kāi)創(chuàng)了仿人機(jī)器人集成化先河，著名的仿人機(jī)器人有ASMO［4］、WABIAN-RIV［5］、H7［6］、SDR-3X［7］等等(見(jiàn)圖 1).

圖1 日本1996-2000年間研發(fā)的代表性仿人機(jī)器人

1.3 仿人表情機(jī)器人(1994-2000年)

1993年，東京理科大學(xué)原文雄教授在國(guó)際上首次研制出具有6種面部表情的表情機(jī)器人“AHI”［8］(2002 年研制出“SAYA”［9］)，表情實(shí)現(xiàn)是基于美國(guó)心理學(xué)家Paul Ekman等人提出的人類面部表情編碼系統(tǒng)FACS(facial action coding system)原理，并提出“表情智能”概念，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究了表情視覺(jué)識(shí)別技術(shù)［10］;自1996年以來(lái)，早稻田大學(xué)研制出“WE-3R”、“WE-3RII”、“WE-3RIV”、“WE-4RIV”等多個(gè)版本表情機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)、嗅覺(jué)和面部顏色表情等感知功能［11-12］，在人工肺、可變臉色及觸覺(jué)感知的面部皮膚以及對(duì)光強(qiáng)感受的表情實(shí)驗(yàn)方面也進(jìn)行了研究［11］;1996年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)蔡鶴皋教授、吳偉國(guó)博士研發(fā)出“仿人像演講機(jī)器人”［13］;1999年MIT研制出了有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)機(jī)能，能夠傳遞感情信息并與人交流的“Kismet”.早在本田技研面向家庭開(kāi)發(fā)出P系列之后，人們就對(duì)無(wú)情感的機(jī)器人與人共存會(huì)對(duì)人產(chǎn)生什么樣心理影響提出了疑問(wèn).

仿人表情機(jī)器人研究意義在于為未來(lái)機(jī)器人與人類社會(huì)共存奠定“人工情感”研究與應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ);其現(xiàn)實(shí)意義在于解決無(wú)生命的“機(jī)器”人與人長(zhǎng)期共存對(duì)有生命、有情感的人的心理影響.因此，這一時(shí)期的研究也為后續(xù)仿人全身機(jī)器人裝備頭部奠定了基礎(chǔ)，但頭部尚未集成化而且能實(shí)現(xiàn)的表情也不夠豐富.

1.4 仿人多指靈巧手(1974-2000年)

多指靈巧手的研究最初源于人失去手后對(duì)人工假手的強(qiáng)烈需求.隨著工業(yè)機(jī)器人操作臂、仿人手臂被廣泛研究及對(duì)靈巧操作的技術(shù)需求，作為臂末端靈巧操作器種類之一的多指靈巧手自日本1974年研制出OKADA三指靈巧手之后取得了長(zhǎng)足發(fā)展.如1980年MIT人工智能實(shí)驗(yàn)室與猶他大學(xué)聯(lián)合研制了由氣缸與繩索驅(qū)動(dòng)的四指靈巧手Utah-MIT Hand;1984年Nakano等研制了Hitachi四指手;1999年德國(guó)宇航中心Hirzinger教授等研制了DLR-I四指靈巧手;1999年美國(guó)研制的NASA Robonaut五指手.1993年北京航空航天大學(xué)研制出第1個(gè)三指手BUAA-I，此后又研制出BUAA-II、III型.

1.5 多移動(dòng)方式類人猿機(jī)器人(1999-2000年)

自1991年起，名古屋大學(xué)福田敏男教授從猴子蕩樹(shù)枝移動(dòng)中得到啟發(fā)研究了Brachiator II［14］以及此后的 Brachiator III［15］，研究了基于行為的Brachiation機(jī)器人智能學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)控制.

1999年，吳偉國(guó)博士從人及類人猿動(dòng)物運(yùn)動(dòng)獲得啟發(fā)，在名古屋大學(xué)福田研究室做博士后研究時(shí)提出了兼有雙足步行、四足步行以及步行方式轉(zhuǎn)換、蕩樹(shù)枝移動(dòng)機(jī)能的“多移動(dòng)方式類人猿型機(jī)器人”新概念(圖2)，研制出首臺(tái)類人猿機(jī)器人Gorilla robot I型，并研究了步行與步行方式轉(zhuǎn)換控制［16-18］(圖 3(a));此后，福田研究室研發(fā)了Gorilla robot II、III［19］(圖 3(b)、(c));Kobayashi等［20］又基于Q-學(xué)習(xí)方法和跌倒系數(shù)優(yōu)化方法研究了使用手杖的控制方法，并用Gorilla Robot III進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該控制方法的有效性，但這些機(jī)器人都是非集成化的.

圖2 多移動(dòng)方式類人猿機(jī)器人概念圖［16］

圖3 Gorilla robot

多移動(dòng)方式類人猿機(jī)器人概念的提出和研究為研發(fā)一臺(tái)高移動(dòng)能力與環(huán)境適應(yīng)性的仿生仿人機(jī)器人及其實(shí)用化提供了新設(shè)計(jì)、新思想和技術(shù)基礎(chǔ).這種機(jī)器人兼顧了環(huán)境適應(yīng)性以及移動(dòng)作業(yè)能力，具有研究變力學(xué)結(jié)構(gòu)下控制問(wèn)題的理論與實(shí)際意義.

小結(jié):1970年以后的30年間，隨著仿人手臂、雙足步行機(jī)、多指靈巧手、面部表情機(jī)器人等理論與技術(shù)長(zhǎng)期積累，以及具有多移動(dòng)方式類人及類人猿機(jī)器人新概念的提出，從P2、P3到全自立小型化ASIMO等等，都說(shuō)明已經(jīng)為進(jìn)一步研究有表情智能、多感知、多移動(dòng)方式等集成化、形象更加接近人類的仿人全身機(jī)器人做好了準(zhǔn)備，同時(shí)也預(yù)示著21世紀(jì)智能仿人機(jī)器人研發(fā)大發(fā)展時(shí)代必將到來(lái)的世界潮流與大趨勢(shì).

2 2000－2015年國(guó)際仿人機(jī)器人研究

有專家學(xué)者預(yù)言，21世紀(jì)將會(huì)進(jìn)入機(jī)器人與人類社會(huì)共存的時(shí)代.目前，國(guó)際上仿人機(jī)器人研究已從20世紀(jì)仿人雙足步行、多指手、面部等部分研究過(guò)渡到集成化仿人全身機(jī)器人平臺(tái)研發(fā)，利用這樣的平臺(tái)開(kāi)展仿人運(yùn)動(dòng)、操作等應(yīng)用基礎(chǔ)研究乃至應(yīng)用研究階段.本節(jié)根據(jù)關(guān)節(jié)不同驅(qū)動(dòng)原理分別對(duì)國(guó)內(nèi)外仿人機(jī)器人研究進(jìn)行綜述分析.包括:1)伺服電動(dòng)機(jī)加諧波齒輪傳動(dòng);2)液壓驅(qū)動(dòng);3)氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng);4)繩驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式的仿人機(jī)器人的應(yīng)用基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀.并討論了在人工智能方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀.

2.1 以伺服電動(dòng)機(jī)和諧波傳動(dòng)為主要驅(qū)動(dòng)方式的仿人機(jī)器人、仿人全身機(jī)器人

國(guó)際上已研發(fā)的這類仿人機(jī)器人較多，本文主要介紹有代表性的樣機(jī).目前已研發(fā)出的先進(jìn)仿人機(jī)器人主要有:ASIMO、HRP、WABIAN、HUBO等系列，如圖4所示.

圖4 國(guó)際上著名的仿人機(jī)器人

1)本田技研“ASIMO”

ASIMO(圖 4(a))高 1.3 m，質(zhì)量 48 kg，共 54個(gè)自由度，其采用本田公司開(kāi)發(fā)的I-WALK步行技術(shù)，步速可達(dá)9 km/h［21］;美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)Chestnutt等［22］賦予了ASIMO自治通過(guò)多障礙物的能力，通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)預(yù)測(cè)障礙物在場(chǎng)景中的速度，并能在線矯正，確立機(jī)器人步行，自治并安全地通過(guò)動(dòng)態(tài)環(huán)境;Kim等［23］利用 ASIMO機(jī)器人研究了讓繩子旋轉(zhuǎn)模擬跳繩運(yùn)動(dòng)的控制問(wèn)題.

2)日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)研究院產(chǎn)學(xué)研合作研發(fā)的“HRP”系列

日本自1998年起實(shí)施了“與人協(xié)調(diào)、共存的仿人機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目”(HRP)5年計(jì)劃，完成了HRP-1仿人機(jī)器人、面向遙操作/虛擬仿人機(jī)器人平臺(tái)V-HRP、HRP仿人機(jī)器人等課題.其中軟件研究經(jīng)歷了由 HRP-1到 V-HRP，以及用 CORBA、Linux、ART-Linux等技術(shù)開(kāi)發(fā)出開(kāi)放式虛擬軟件平臺(tái)Open-HRP的過(guò)程，并促成了HRP-2版仿人機(jī)器人研制成功.Open-HRP對(duì)于仿人機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)、研發(fā)、虛擬實(shí)驗(yàn)都有著特別重要的作用和意義，其后期計(jì)劃之一為面向室外共同作業(yè)應(yīng)用研究［24－25］.日本國(guó)立尖端科學(xué)技術(shù)研究院智能系統(tǒng)所主任Tanie認(rèn)為:未來(lái)期望仿人機(jī)器人在工廠維護(hù)、維修、看護(hù)照料病人、與人協(xié)作、家庭安全服務(wù)、建筑機(jī)械遙操作中得到應(yīng)用［26］.

(1)HRP-2系列

HRP-2(圖 4(b))［27］身高 1.539 m，質(zhì)量58 kg，是作為平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用基礎(chǔ)研究最多的版本.2005 年，Kajita 等［28］研究了高 1.27 m、12-DOF、質(zhì)量31 kg的HRP-2LR跑步控制，其控制器由:姿勢(shì)穩(wěn)定器、倒立擺穩(wěn)定器、接觸力矩控制、沖擊吸收控制、腳部垂直力控制、力矩分配控制組成，實(shí)現(xiàn)了HRP-2LR平均速度0.16 m/s、重復(fù)飛躍相0.06 s、支撐相 0.3 s的連續(xù)跑步控制，腳底垂直方向最大接觸力接近500 N，為機(jī)器人自重的1.61 倍;Stasse 等［29］研究了實(shí)時(shí)、自治地生成黑白視覺(jué)系統(tǒng)的3D SLAM，利用HRP-2研究了當(dāng)變換場(chǎng)景特征時(shí)頭部搭載攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)的單目視覺(jué)SLAM方法;Takubo等［30］利用HRP-2研究了基于3-D ZMP修整準(zhǔn)則變換的突然停止控制方法;Harada等［31］利用HRP-2研究了臂操作的阻抗控制、基于位置控制的方法、基于力控制的方法以及實(shí)時(shí)步態(tài)規(guī)劃，得到了根據(jù)對(duì)象物重力改變時(shí)機(jī)器人穩(wěn)定推拉物體的操作實(shí)驗(yàn)結(jié)果;德國(guó)研究者M(jìn)ittendorfer與日本CNRS-AIST聯(lián)合機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的Yoshida等［32］為HRP-2的臂部、胸部分區(qū)裝備了基于傳感器單元的分布式陣列網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多模式人工皮膚，實(shí)驗(yàn)研究了基于自組織、多模式人工皮膚的全身接觸力反射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了HRP-2懷抱箱子、與人擁抱等作業(yè);Kajita等［33］研究了HRP-2LR基于ZMP的跑步控制問(wèn)題，足底最大沖擊力接近1 000 N，為機(jī)器人自重的3.226倍;Kajita等［34］基于ZMP研究了帶扭簧機(jī)構(gòu)前腳掌的 HRP-2LT(14-DOF、1.27 m、質(zhì)量 32.3 kg)跑步樣本生成問(wèn)題，仿真實(shí)現(xiàn)了3 km/h跑步，并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了垂直跳躍動(dòng)作;Yamazaki等［35］用 HRP-2進(jìn)行了在具有故障檢測(cè)、恢復(fù)和視覺(jué)識(shí)別功能條件下，為病患者穿褲子的實(shí)驗(yàn)研究;東京大學(xué)的Okamoto等［36］在分析人跳舞時(shí)隨著音樂(lè)節(jié)拍變化特征基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)合成下肢、軀干、上肢運(yùn)動(dòng)個(gè)體臨時(shí)比例算法生成實(shí)際機(jī)器人全身運(yùn)動(dòng)的算法，同時(shí)發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵姿勢(shì)是跳舞的基本要素，可以用來(lái)作為錨點(diǎn)生成全身運(yùn)動(dòng)，并用HRP-2做了跳舞實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證算法;Petit等［37］提出借助于BCI(brain-computer interface)設(shè)計(jì)采用環(huán)境與人相互作用的輔助通信方法控制HRP-2的新方法.

(2)HRP-3P

日本川田工業(yè)與JAIST共同研發(fā)了HRP-3P型仿人機(jī)器人(圖4(c))，其主要特點(diǎn)有:1)機(jī)械結(jié)構(gòu)防塵防水保護(hù)設(shè)計(jì);2)開(kāi)發(fā)了實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)控制器;3)基于Ethernet的主控制器與節(jié)點(diǎn)控制器間的實(shí)時(shí)通信;4)較HRP-2的操作能力強(qiáng)，并進(jìn)行了防水測(cè)試以及雨中上下臺(tái)階實(shí)驗(yàn).HRP-3P 高、寬、厚分別為 1.6、0.664、0.363 m，有 36-DOF(腕部 3-DOF，手 3-DOF)，質(zhì)量 65 kg，步 速 2 km/h［38］;Hasunuma 等［39］為HRP-3P研制了一套遙控“駕駛座艙”設(shè)備，研發(fā)了面向仿人機(jī)器人的自治－遙控混合控制系統(tǒng)及算法，并且進(jìn)行了實(shí)時(shí)遙控遙操作，諸如上臺(tái)階、雙手持管前行、左手支撐右手操作等多種作業(yè)實(shí)驗(yàn);Kanehiro等［40］為HRP-3P研發(fā)了一套基于實(shí)時(shí)Ethnet通信和體內(nèi)搭載的分布式控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)Ethnet通信是通過(guò)使用直接數(shù)據(jù)連接層通信和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)ART Linux來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣可以減少嵌入式系統(tǒng)成本，提高研發(fā)效率;為提高與已有軟件的兼容性，還開(kāi)發(fā)了工作在通信層的CORBA工具;在其頂層開(kāi)發(fā)出一個(gè)面向HRP-3P在體網(wǎng)絡(luò)的小型分布式控制器和分布式I/O系統(tǒng);Yoshida等［41］研究了基于仿人機(jī)器人操作作業(yè)的全身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題，并且進(jìn)行了HRP-3P搬轉(zhuǎn)箱子的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn).

(3)HRP-4、HRP-4C

Kaneko等［42］在著重雙足步行的同時(shí)也著眼于形象逼真、形態(tài)模仿人的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)研制了“HRP-4C”(圖 4(d)):高 1.58 m，質(zhì)量 43 kg，42-DOF，運(yùn)動(dòng)控制器 CPU 為 Pentium M1.6 GHz，語(yǔ)音識(shí)別 CPU 為 VIA C7 1.0 GHz，關(guān)節(jié)、腳底、軀干、頭部分別配置增量編碼器、6軸力傳感器、姿勢(shì)傳感器、藍(lán)牙麥克風(fēng)接收器，電源用48 V DC NiMH電池.在設(shè)計(jì)上參考、對(duì)比了當(dāng)時(shí)多款仿人機(jī)器人參數(shù).圖5為其頭部特寫及表情.

Miura等［43－44］利用美國(guó) VICON 公司 3D 光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，基于捕捉人體步行、轉(zhuǎn)身運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)生成樣本讓HRP-4C動(dòng)作，進(jìn)行了再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;Kaneko等［45］通過(guò)模擬由運(yùn)動(dòng)捕捉器獲得真人的步行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了 HRP-4C與人相似的步行;Kaneko 等［46］開(kāi) 發(fā) 了 HRP-4(34-DOF，身 高1.51 m、質(zhì)量 39 kg)、由 OpenRTM-aist軟件平臺(tái)和帶有RT-Preempt的Linux內(nèi)核構(gòu)成的軟件系統(tǒng)，具有48 V/5.4 Ah Ni-MH電池和分布式控制系統(tǒng)，與HRP-2相比，雖然多了4個(gè)自由度，但體重減輕了19 kg，外貌形象為苗條、年輕長(zhǎng)發(fā)女性;Miura等［47］利用仿人機(jī)器人擬人化形態(tài)研究了將其作為輔助設(shè)備評(píng)估者使用來(lái)進(jìn)行基本研究的可行性問(wèn)題，期望用它進(jìn)行定量測(cè)量以輔助評(píng)估，從而減少人類受試者接受測(cè)試所導(dǎo)致的昂貴測(cè)試成本以及倫理方面的負(fù)擔(dān)，并給HRP-4C穿著“智能服Lite”進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn).

圖5 HRP-4C的頭部特寫及表情

3)早稻田大學(xué)WABIAN-2、KOBIAN、KOBIAN-R

早稻田大學(xué)加藤研究室是仿人雙足機(jī)器人研究的先驅(qū)，現(xiàn)為高西研究室，研制的WABIAN-2(圖 4(e))高 1.5 m，質(zhì)量 67.5 kg，雙腿 14-DOF［48］;Gautam 等［49－50］研制的 WABIAN-2R 高 1.5 m、41-DOF、質(zhì)量 67.5 kg(含電池)，帶有由 3-DOF加速度計(jì)、3-DOF陀螺儀及3-DOF磁力計(jì)組成的慣性測(cè)量單元和力－力矩傳感器以及前腳掌;Kishi等［51］研制了 KOBIAN 和 KOBIAN-R 兩臺(tái)仿人機(jī)器人，擁有成人女性形象;頭部24-DOF.

4)韓國(guó)KAIST的HUBO、Albert HUBO、DRC-HUBO

韓國(guó)KAIST(韓國(guó)先端科學(xué)技術(shù)研究院)分別于 2003、2004、2005、2006、2013 年研發(fā)出 KHR-1、2、3(HUBO，圖 4(g))以及 MAHRU、Albert HUBO、DRC-HUBO 等 多 款 仿 人 機(jī) 器 人［52－61］.Android版 Albert HUBO(圖 4(h))高 1.37 m，質(zhì)量57 kg，66-DOF，有刷DC電動(dòng)機(jī)+RC servo motor(伺服機(jī)，也即舵機(jī))驅(qū)動(dòng)，為名人臉形像(圖6).它能聽(tīng)、看、說(shuō)并能表達(dá)多種表情，擁有動(dòng)步行特征和宇航服外觀，每次充電供電時(shí)間長(zhǎng)，具有獨(dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，頭與身體為兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)器人系統(tǒng).主計(jì)算機(jī)1、2 分別為 Pentium III 1.1 GHz和933 MHz;操作系統(tǒng)(OS)分別為Windows XP和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX(Real-time OS);內(nèi)、外部通信方式分別為CAN、IEEE802.11g;視覺(jué)系統(tǒng)為 CCD 相機(jī);有聲音識(shí)別和聲音合成功能的語(yǔ)音系統(tǒng);21個(gè)RC伺服機(jī)和3個(gè)RC伺服機(jī)分別驅(qū)動(dòng)面部皮膚運(yùn)動(dòng)和脖子機(jī)構(gòu)以形成所有諸如笑、悲傷、生氣、吃驚等表情以及眼瞼、眼球、下頜和脖子動(dòng)作.頭部這24個(gè)伺服機(jī)由可驅(qū)動(dòng)31個(gè)RC伺服機(jī)的SSC II(Scott Edwards Electronics公司生產(chǎn))控制器控制.

圖6 Android版仿人機(jī)器人“Albert HUBO”的頭部［61］

DRC-HUBO 是 KAIST的 Heo等［62］2013年研制的面向美國(guó)DRC(DARPA robotics challenge)機(jī)器人挑戰(zhàn)賽中邁過(guò)臺(tái)階或河中石板路等多種作業(yè)的仿人機(jī)器人(圖4(i))，質(zhì)量50 kg，臂和腿分別比前一版HUBO長(zhǎng)6、26 cm，身高1.7 m，各關(guān)節(jié)局部伺服控制器使用的是1 kHz控制頻率高增益比例－微分位置控制器.臂和腿上的主要關(guān)節(jié)由200或100 W以上無(wú)刷DC或有刷DC伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并經(jīng)速比為100∶1或200∶1的諧波傳動(dòng)減速.DRC-HUBO“骨盆”部位帶有慣性測(cè)量單元(IMU)傳感器，用以測(cè)量角度、角速度，踝關(guān)節(jié)有力/力矩傳感器;電源為48 V/7.8 Ah/380 Wh電池，總共30-DOF(其中，臂7-DOF，手爪 1-DOF).

2.2 繩索肌腱驅(qū)動(dòng)的肌肉骨骼型新型仿人機(jī)器人(2001-2015年)

人體關(guān)節(jié)由兩塊或更多肌肉驅(qū)動(dòng)，以非線性彈簧特性使關(guān)節(jié)柔順，相比諧波齒輪減速器等驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，撓性驅(qū)動(dòng)可吸收振動(dòng)，減緩沖擊，保護(hù)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)雙足穩(wěn)定步行.一些學(xué)者受到人類肌腱－關(guān)節(jié)的生物學(xué)啟發(fā)，開(kāi)始研制仿人肌腱－關(guān)節(jié)的撓性驅(qū)動(dòng).繩驅(qū)動(dòng)用于仿人機(jī)器人可追溯到1998年早稻田大學(xué)雙足機(jī)器人 WL-14［63］，其髖關(guān)節(jié)俯仰采用鋼絲繩驅(qū)動(dòng)，并可用非線性彈簧調(diào)整剛度，該驅(qū)動(dòng)方式能減小75%的能耗.目前較有代表性的繩索撓性驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)器人有:單腿機(jī)器人、Kenzoh、Kojiro、Kenshiro、Kotaro 等(圖 7).

東京大學(xué)JSK(情報(bào)理工學(xué)系)于2010年研制出圖 7(a)所示的仿人機(jī)器人 Kenzoh［64－65］，其采用一種繩驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)(圖8(a))，通過(guò)非線性彈簧模塊來(lái)調(diào)整鋼絲繩剛度，并通過(guò)機(jī)構(gòu)中的電位計(jì)間接得到彈簧變形，從而計(jì)算出關(guān)節(jié)剛度.Kenzoh可提起2 kg重物，雖然其關(guān)節(jié)剛度可調(diào)，但每個(gè)關(guān)節(jié)需要兩個(gè)電動(dòng)機(jī)、兩個(gè)非線性彈簧模塊，且出力不足以驅(qū)動(dòng)腿部關(guān)節(jié).2011年進(jìn)行了如圖 8(b))所示的改進(jìn)［66－67］，引入張力傳感器以準(zhǔn)確獲得鋼絲繩剛度，仍采用雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，且出力未有改善［68－71］.普通“線性肌肉”由電動(dòng)機(jī)、繩輪和鋼絲繩組成，Osada等［72］為 Kenzoh開(kāi)發(fā)了“平面肌肉”，原理是平面布置的多個(gè)繩輪上多次彎繞鋼絲繩以產(chǎn)生大速比，并采用4個(gè)“平面肌肉”驅(qū)動(dòng)脊柱［72－75］(圖 9).

圖7 幾種典型繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人

圖8 Kenzoh機(jī)器人剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)［66-67］

圖9 繩驅(qū)動(dòng)脊柱及其驅(qū)動(dòng)原理［72-73］

美國(guó)佐治亞理工學(xué)院Deweerth課題組于2010年研制了有髖、膝關(guān)節(jié)俯仰兩個(gè)自由度繩驅(qū)動(dòng)單腿機(jī)器人［76］，腿部質(zhì)量 10.1 kg，腿長(zhǎng) 87.4 cm.

東京大學(xué)JSK的Nakanishi等［77］研制了可實(shí)現(xiàn)雙足步行的繩驅(qū)動(dòng)骨架機(jī)器人Kojiro(圖 7(b))，身高 1.35 m，質(zhì)量 40 kg，能實(shí)現(xiàn)站立姿態(tài)下?lián)u擺平衡控制;東京大學(xué) Kozuki等［78］于2011年研制出按人體解剖學(xué)設(shè)計(jì)，由160塊人造“肌肉”、肌腱驅(qū)動(dòng)控制的仿人機(jī)器人 Kenshiro(圖7(c))，身高1.58 m，約100臺(tái)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所有關(guān)節(jié)，其特征為:1)有肋骨的胸廓結(jié)構(gòu)用ABS工程塑料經(jīng)3D打印而成［79］;2)用“平面肌肉”驅(qū)動(dòng)大臂［80］;3)肩胛骨添加肌肉緩沖墊，以減小沖擊［81－82］.Kenshiro 無(wú)模塊化驅(qū)動(dòng)單元，大腿長(zhǎng)0.348 m，質(zhì)量 4 kg，輸出范圍－30°～ 40°，出力3×9.81 N［83－84］.其研究目的都在于模擬人體.

東京大學(xué)Nakanishi研究室研制的Kotaro［88］(圖 7(d))高 1.33 m，質(zhì)量 20 kg，91 個(gè)自由度，120個(gè)驅(qū)動(dòng)器(可增加)，為其設(shè)計(jì)的繩驅(qū)動(dòng)肌肉單元內(nèi)有100×9.81 N的張力傳感器，用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)纏繞鋼絲繩的繩輪(圖10(a)，(b))，鋼絲繩僅能承受20×9.81 N.腿部俯仰關(guān)節(jié)分別由兩個(gè)肌肉單元驅(qū)動(dòng)，其中，膝關(guān)節(jié)兩個(gè)肌肉單元配置在前面，髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)肌肉單元均配置在后面，只能承受張力，不能承受壓力，要使機(jī)器人處于站立狀態(tài)，需處于屈膝姿態(tài).預(yù)期于2020年實(shí)用化，原型樣機(jī)具有超多自由度、柔性可變、多節(jié)脊椎、多感知機(jī)能、可隨意添加筋肉、體內(nèi)分布式處理系統(tǒng)、學(xué)習(xí)和自組織化等特點(diǎn)，體內(nèi)搭載筋肉長(zhǎng)度與張力、電流、溫度、關(guān)節(jié)角度、分布觸覺(jué)、肉質(zhì)觸覺(jué)、雙眼立體聽(tīng)覺(jué)、揚(yáng)聲器等傳感器.

圖10 Kotaro機(jī)器人的繩驅(qū)動(dòng)原理［88］

2.3 氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)器人(2006-2015年)

典型氣動(dòng)人工肌肉機(jī)器人是比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)于2006年研制的Lucy和法國(guó)LMS研究室于2000年開(kāi)發(fā)的BIP2000(圖11(a)，(b)).Lucy采用的人工肌肉比普通氣動(dòng)人工肌肉有更快速的響應(yīng)特性和更大輸出功率，在固定側(cè)偏運(yùn)動(dòng)情況下可實(shí)現(xiàn)前向步行［89］;BIP2000有15個(gè)自由度，能實(shí)現(xiàn)靜步行，有較強(qiáng)穩(wěn)定能力，受到9.81 N擾動(dòng)也不會(huì)傾覆［90］.

常見(jiàn)氣動(dòng)人工肌肉為McKibben肌肉［91］，靠縱橫比變化產(chǎn)生軸線位移下的牽拉運(yùn)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)需要兩個(gè)人工肌肉驅(qū)動(dòng);Tsuji等［92］分別研究了仿人臂關(guān)節(jié)6根、10根人工肌肉驅(qū)動(dòng)模型的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題;加拿大Ottawa大學(xué)的Dong與瑞士學(xué)習(xí)算法與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的Figueroa等［93］于2014年分別研究了6、10個(gè)肌肉驅(qū)動(dòng)手臂關(guān)節(jié)下基于負(fù)載分配的肌肉力控制方法(圖12):通過(guò)肌肉力的計(jì)算模塊和動(dòng)力學(xué)參數(shù)自適應(yīng)模塊協(xié)調(diào)肌肉力，計(jì)算按負(fù)載分配給實(shí)際的肌肉與骨骼被控對(duì)象的肌肉力，并且同時(shí)用實(shí)際被控對(duì)象與所建立模型之間的預(yù)測(cè)誤差實(shí)時(shí)地更新參數(shù);日本大阪大學(xué)的Rosendo等［94］研究了由人工肌肉驅(qū)動(dòng)的仿人跳躍機(jī)器人，質(zhì)量7.8 kg，氣動(dòng)人工肌肉長(zhǎng)200 mm，收縮率30%，如圖11(c)、圖13所示.該機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)上有雙關(guān)節(jié)肌肉和單關(guān)節(jié)肌肉，控制著三自由度;比目魚肌感知器與其并聯(lián)，獨(dú)自伺服檢測(cè)著地期間壓力差.

圖11 氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的仿人雙足機(jī)器人

圖12 包括肌肉力的計(jì)算模塊和動(dòng)力學(xué)參數(shù)自適應(yīng)模塊的肌肉協(xié)調(diào)方法原理［93］

圖13 日本大阪大學(xué)氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)腿部原理圖［94］

東京大學(xué)的 Nishikawa等［95］基于 McKibben型PAM設(shè)計(jì)研制了帶有壓力、姿勢(shì)等傳感器，有前腳掌、全部關(guān)節(jié)由肌肉骨骼系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的仿人雙足機(jī)器人(圖11(d))，并實(shí)現(xiàn)了騰空跳躍，圖14給出了其原型樣機(jī)跳躍實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景照片.

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置用于機(jī)器人時(shí)，負(fù)載響應(yīng)延遲問(wèn)題較嚴(yán)重，其輸出的非線性問(wèn)題較為明顯，且誤差很大，對(duì)于雙足步行來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)難度較大，且單個(gè)氣動(dòng)人工肌肉無(wú)法驅(qū)動(dòng)一個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)，增加了機(jī)器人成本和機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度.

圖14 基于McKibben型PAM肌肉骨骼型仿人雙足機(jī)器人［95］

2.4 液壓驅(qū)動(dòng)的新型仿人機(jī)器人(2007-2015年)

典型的液壓驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)器人分別是美國(guó)波士頓動(dòng)力公司于2011年研發(fā)的Petman［96］和日本科技研究中心于2007年研制的 CB［97］(圖15(a)、(b)).Petman采用了波士頓動(dòng)力公司BigDog機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其動(dòng)力來(lái)自帶有液壓系統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力強(qiáng)勁［98］;CB有50個(gè)自由度，采用主被動(dòng)控制，其中主動(dòng)自由度有 34 個(gè)［99-100］，這兩款仿人機(jī)器人盡管能夠?qū)崿F(xiàn)步行運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量都接近100 kg，造價(jià)昂貴.

圖15 液壓驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人

美國(guó)國(guó)防部尖端研究計(jì)劃局DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)項(xiàng)目(DARPA Robotics Challenge，DRC)(Pratt＆Manzo，2013)發(fā)布于 2012年，起初是2013年6月的VRC(虛擬機(jī)器人挑戰(zhàn))，頂級(jí)指標(biāo)為波士頓動(dòng)力公司制造的Atlas仿人機(jī)器人，并且開(kāi)始尋求挑戰(zhàn)計(jì)劃;第2個(gè)挑戰(zhàn)項(xiàng)目是2013年12月在佛羅里達(dá)的邁阿密高速公路確定的“DRC Trials”(DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)大賽)，來(lái)自世界各地16個(gè)代表隊(duì)參加了這場(chǎng)機(jī)器人角逐賽，其中排名前8個(gè)隊(duì)均使用了Atlas機(jī)器人的VRC.“DRC Trials”有運(yùn)載、碎石堆、閥門、坡道、開(kāi)門、軟管、爬2.4 m高梯子、切墻等8項(xiàng)競(jìng)賽作業(yè)，每項(xiàng)需在30 min內(nèi)完成.IHMC(The Florida Institute for Human＆Machine Cognition)總結(jié)了在DRC Trials期間使用波士頓動(dòng)力公司制造的Atlas機(jī)器人完成8項(xiàng)任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)，也總結(jié)了由仿真到硬件傳送以及競(jìng)賽過(guò)程中“課程”學(xué)習(xí)等內(nèi)容［101］.

Atlas機(jī)器人［102］(圖 15(c))質(zhì)量 150 kg，由28個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)所有關(guān)節(jié)自由度:臂、腿各6，軀干3、脖子 1.各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍:肩俯仰－90～45°、側(cè)偏－90～90°;肘俯仰 0～180°、側(cè)偏 0～135°;腕部俯仰 0～180°、側(cè)偏－67.5～67.5°;總高 1.88 m;手及腳上裝有力傳感器;在骨盆部位裝有光纖慣性測(cè)量單元(IMU)用來(lái)測(cè)算機(jī)器人姿態(tài);臂上的每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都裝有線性電位計(jì)、兩個(gè)壓力傳感器(基于差分壓力測(cè)量值)分別用來(lái)測(cè)量位置、關(guān)節(jié)力;機(jī)器人傳感器套裝還包括3個(gè)以 IP(Ethernet)分布在機(jī)器人周圍用來(lái)支持360°視野的相機(jī)和一個(gè)提供視覺(jué)輸入給操作器(CRL，2014)的Carnegie Robotics MultiSense SL傳感器頭.MultiSense SL包括一套立體視覺(jué)相機(jī)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的LIDAR激光雷達(dá)定位器，并且可以用來(lái)處理再現(xiàn)機(jī)器人視野的點(diǎn)－云.該部分包括給機(jī)器人供電的480 V電源、1個(gè)10 Gbit/s網(wǎng)絡(luò)通信的光纖連接器和水冷風(fēng)扇.傳感器直接與控制站覆蓋的光纖網(wǎng)絡(luò)通信［102］;控制站可以無(wú)線遙控機(jī)器人，由5臺(tái)計(jì)算機(jī):領(lǐng)域計(jì)算機(jī)、主操控單元(primary operator control unit，OCU)、3 個(gè)輔助操控單元(auxiliary OCUs)組成.領(lǐng)域計(jì)算機(jī)管理所有與機(jī)器人有關(guān)的通信，限制、壓縮來(lái)自機(jī)器人的高分辨率數(shù)據(jù)并發(fā)送給各OCU操控單元;主操控單元完成解壓縮并將響應(yīng)信息發(fā)送到通信管道;各輔助操控單元作為終端負(fù)責(zé)信息協(xié)調(diào)、面向用戶和處理來(lái)自用戶的信息.領(lǐng)域計(jì)算機(jī)直接以光纖連接到Atlas網(wǎng)絡(luò)，并且它以DARPA指定的有限帶寬連接到 OCU 1［102］;Atlas的末端可換接iRobot、Sandia、Robotiq 3種多指手，它們分別為 3指5自由度、4指12自由度、3指4自由度的多指手;質(zhì)量分別為 1.53、2.95、2.3 kg;傳動(dòng)形式分別為蝸桿、齒輪、蝸桿傳動(dòng)［102］;MIT 為 Atlas設(shè)計(jì)、研制了基于可視化、感知和全身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的控制仿真軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)有高效運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的人機(jī)交互機(jī)能［103］;Feng 等［104］基于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆動(dòng)力學(xué)的成本函數(shù)及它們的權(quán)重系數(shù)、約束條件等建模，研究了Atlas全身運(yùn)動(dòng)控制優(yōu)化問(wèn)題，并將設(shè)計(jì)的控制器應(yīng)用于Atlas，進(jìn)行了DRC競(jìng)技項(xiàng)目中不平整地面行走仿真與跨越障礙、關(guān)閉閥門、爬樓梯等實(shí)驗(yàn);美國(guó)Delaware大學(xué)的Rasmussen和Drexel大學(xué)的Sohn等［105］在DARPA獎(jiǎng)資助下，研究了2013年DARPA DRC trials中駕駛Polaris vehicle(北極星車)的DRC-Hubo有效駕駛車輛的精確控制策略;他們還在DAROA資助下開(kāi)展了DRCHubo、Hubo2+機(jī)器人在頭部?jī)蓚€(gè) Asus Xtion Pro Live空間深度相機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)導(dǎo)引下搜索測(cè)試區(qū)域入口、找到車門上車的視覺(jué)系統(tǒng)研究［106］;Cheng等［107］研究的仿人機(jī)器人 CB-i(圖 15(d))高1.55 m，質(zhì)量 85 kg，有 51-DOF(腿、臂、眼、頸/頭、手、嘴、軀干分別有 7、7、2、3、6、1、3-DOF)，研究了智能學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題(詳見(jiàn)2.5節(jié)).

液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)外型較為復(fù)雜且質(zhì)量大，并存在油液泄露問(wèn)題，但驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)勁，操作出力能力強(qiáng)，目前為多數(shù)仿人機(jī)器人研究者及研發(fā)機(jī)構(gòu)追捧.

2.5 仿人機(jī)器人與人腦的腦-機(jī)接口技術(shù)的融合

RoboCup最終目標(biāo)是按著 FIFA規(guī)則，到2050年用自律型仿人機(jī)器人11臺(tái)組成機(jī)器人足球隊(duì)奪取世界杯.以北野宏明、淺田捻等為代表的日本學(xué)者在1993年提出以多臺(tái)自律機(jī)器人實(shí)現(xiàn)足球比賽為目的的機(jī)器人學(xué)和人工智能研究領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，如何讓仿人機(jī)器人達(dá)到與人類足球運(yùn)動(dòng)員技術(shù)匹敵的程度以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作處理好臨場(chǎng)賽并最終獲勝一直是機(jī)器人學(xué)者考慮的大問(wèn)題.需要在仿人機(jī)器人與人類之間找到一種有效的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練方式，腦－機(jī)接口技術(shù)可能為解決這一復(fù)雜難題提供了新途徑.

2014年 Petit等［37］提出借助于 BCI(braincomputer interface)設(shè)計(jì)，采用環(huán)境與人相互作用的輔助通信方法去控制一臺(tái)仿人機(jī)器人HRP-2.這種接口是基于穩(wěn)態(tài)可視化誘發(fā)電勢(shì)SSVP(steady-state visually evoked potentials)原理的，并且刺激物被集成到可再現(xiàn)來(lái)自裝在機(jī)器人上相機(jī)圖像的頭盔顯示器HMD(head-mounted display)上.為測(cè)試所設(shè)計(jì)的基于 SLAM(simultaneous localization and mapping)反饋的新通信方法的性能，用HRP-2進(jìn)行了控制實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試用戶所要求的、在一確定區(qū)域內(nèi)為執(zhí)行一項(xiàng)作業(yè)的通信能力，并獲得經(jīng)驗(yàn);日本ATR計(jì)算神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室腦－機(jī)器人接口室的Morimoto與ATR腦信息通信研究實(shí)驗(yàn)室的Kawato等［108］針對(duì)近年來(lái)腦－機(jī)接口研究以及在人腦與仿人機(jī)器人間所形成的閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)相互“連接”的研究進(jìn)行了綜述.介紹了集成腦科學(xué)和來(lái)自腦信息解碼的機(jī)器人學(xué)、基于信息解碼的機(jī)器人控制、從機(jī)器人到腦并且以實(shí)時(shí)和閉環(huán)多模式形式反饋給腦的“腦－機(jī)接口”研究新方向，同時(shí)介紹了基于CPG的步行樣本學(xué)習(xí)方法(圖16)、CB-i步行學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)及外骨骼助力雙足訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果.

德國(guó)慕尼黑大學(xué)的Ramirez-amaro和不萊梅大學(xué)的Beetz等［109］提出并驗(yàn)證了一種合適的語(yǔ)義表達(dá)方法和比較初級(jí)的感知系統(tǒng)，以充分證明來(lái)自人的觀察活動(dòng).首先，他們從傳感器數(shù)據(jù)提取底層信息;然后，通過(guò)推斷人的行為意圖推斷高層行為;該系統(tǒng)另一個(gè)很重要的方面就是具有面向新活動(dòng)可即時(shí)按需學(xué)習(xí)的比例自適應(yīng)性，并且在仿人機(jī)器人iCub上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:在線執(zhí)行機(jī)器人控制環(huán)系統(tǒng)的魯棒性，機(jī)器人可以在0.12 s內(nèi)識(shí)別、推斷人的行為并且做出決定(識(shí)別率精確到85%);2011年，德國(guó)宇航中心(German Aerospace Center，DLR e.V.)的 Ott等［110］基于接觸力優(yōu)化方法研究了雙足步行機(jī)器人姿勢(shì)和平衡控制;Ott等［111］于2014年研究了仿人機(jī)器人Justin基于力矩控制的多作業(yè)和平衡控制.

圖16 CB-i及其基于CPG的雙足步行學(xué)習(xí)方法原理圖［108］

2.6 關(guān)于仿人機(jī)器人在Telexistence中的應(yīng)用研究

Telexistence是構(gòu)筑具有3D畫面和聲音行為空間，集視、聽(tīng)、觸覺(jué)感覺(jué)的人工現(xiàn)實(shí)感技術(shù).該概念是由東京大學(xué)名譽(yù)教授Tachi于1980年原創(chuàng)提出的，人工現(xiàn)實(shí)感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)雖非親臨現(xiàn)場(chǎng)但在異地以高感度產(chǎn)生逼真地臨場(chǎng)感.而且通過(guò)構(gòu)造遙感代理仿人機(jī)器人TELESAR和在日本國(guó)家大規(guī)模項(xiàng)目“Robots in Hazardous Environments”與CREST觸覺(jué)遙感項(xiàng)目中的TELESAR V等，證明該技術(shù)是可行的，不但在“仿人機(jī)器人項(xiàng)目(HRP)”中研發(fā)了“HRP超級(jí)座艙雙足機(jī)器人系統(tǒng)”，而且已經(jīng)研發(fā)出使用代理機(jī)器人和反射機(jī)器人投射技術(shù)(RPT)等組合實(shí)現(xiàn)分別處于異地產(chǎn)生臨場(chǎng)感這樣的共同遙感系統(tǒng)TELESAR II、IV、V，并且已證明協(xié)同臨場(chǎng)感系統(tǒng)的可行性.HRP仿人機(jī)器人、Telexistence Avatar(遙感阿凡達(dá)機(jī)器人系統(tǒng))以及主從機(jī)器人等已被用于其中(圖17)［112］.

圖17 仿人機(jī)器人在Telexistence中的應(yīng)用［112］

3 國(guó)內(nèi)仿人機(jī)器人研究現(xiàn)狀(2001－2015年)

自2000年底國(guó)防科技大學(xué)成功研制了我國(guó)第一臺(tái)仿人機(jī)器人“先行者”以來(lái)，國(guó)內(nèi)各大學(xué)相繼研制出了一些仿人機(jī)器人，主要有:哈爾濱工業(yè)大學(xué)的GoRoBoT-II型類人猿機(jī)器人［113-115］、仿人全身機(jī)器人GoRoBoT-III［116］;清華大學(xué)的THBIP、Stepper機(jī)器人;浙江大學(xué)的“悟”、“空”機(jī)器人;北京理工大學(xué)的BHR-II機(jī)器人等［120-121］.清華大學(xué)于2002年研制了THBIP，高1.7m，質(zhì)量130kg，可實(shí)現(xiàn)上下樓梯運(yùn)動(dòng)［117］;浙江大學(xué)的“悟”、“空”機(jī)器人，高1.6m，質(zhì)量55kg，有30個(gè)自由度，具有視覺(jué)捕捉技術(shù)，可打乒乓球，反應(yīng)時(shí)間50～100ms［118］，動(dòng)步行速度1.07km/h，面向打乒乓球的7-DOF臂輕量化設(shè)計(jì)到4.4kg(無(wú)外殼，裝外殼后質(zhì)量5kg)，球拍最快移動(dòng)速度達(dá)2.5m/s［119］;北京理工大學(xué)于2005年研制的BHR-2高1.6m、質(zhì)量63kg、有32-DOF(其中手為3-DOF)，用運(yùn)動(dòng)捕捉研究了步行［120-121］.其后還研究了有仿人頭的機(jī)器人［122］;清華大學(xué)研制的Stepper機(jī)器人是小型、剛性驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人(高0.44m)，步速可達(dá)3.6km/h［123］;國(guó)防科技大學(xué)還研制了Blackmann［124］.這些機(jī)器人如圖18所示.

圖18 國(guó)內(nèi)仿人機(jī)器人

目前，國(guó)內(nèi)外典型的仿人機(jī)器人大多可實(shí)現(xiàn)雙足步行等運(yùn)動(dòng)，甚至具有多感知機(jī)能.這些機(jī)器人多采用電動(dòng)機(jī)加減速器等傳動(dòng)裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng).而人類步行時(shí)來(lái)自地面反力最大可達(dá)自身體重7倍，對(duì)于機(jī)器人機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，如此大的沖擊可能導(dǎo)致機(jī)構(gòu)損壞.為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人快速步行同時(shí)有效緩沖外部沖擊，越來(lái)越多的專家學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始致力于撓性驅(qū)動(dòng)機(jī)器人研究，以期利用撓性吸收振動(dòng)，減緩沖擊，保護(hù)機(jī)構(gòu)，同時(shí)減小系統(tǒng)慣量影響，進(jìn)行能量存儲(chǔ).

4 作者在仿人機(jī)器人方面研究(2001－2015年)

4.1 具有多移動(dòng)方式的類人及類人猿機(jī)器人GOROBOT-II

2003年，本文作者在1999年提出的具有多移動(dòng)方式類人猿機(jī)器人概念基礎(chǔ)上，在國(guó)家自然科學(xué)基金資助下研制出模塊化組合式類人猿機(jī)器人GOROBOT-II［113-116，125，126］，于2005年IEEE ROBIO國(guó)際會(huì)議上提出了如圖19所示的具有腿式、輪式及特殊移動(dòng)方式類人及類人猿型自主移動(dòng)機(jī)器人的概念［125］，并且為GOROBOT-II設(shè)計(jì)裝備了如圖20所示的腳用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，在2004年實(shí)現(xiàn)雙足步行、四足步行及步行方式轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了輪式移動(dòng)及腿式與輪式轉(zhuǎn)換等功能，圖21為gorobot－Ⅱ外觀及其雙足步行、四足步行、輪式移動(dòng)等實(shí)驗(yàn)視頻截圖.

圖19 具有腿式、輪式及特殊移動(dòng)方式類人及類人猿型自主移動(dòng)機(jī)器人新概念［125］

圖20 腳用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)［115］

圖21 GOROBOT-II的外觀及其雙足步行、四足步行、輪式移動(dòng)實(shí)驗(yàn)視頻截圖［114，116］

4.2 有面部表情、表情識(shí)別與再現(xiàn)及語(yǔ)音口型的

仿人頭像機(jī)器人F＆Hrobot系列版

2004年，本文作者在國(guó)內(nèi)最早研制出了真正具有面部表情的仿人頭像機(jī)器人F＆Hrobot-I型，并實(shí)現(xiàn)了如圖22(a))所示的喜怒哀樂(lè)嚴(yán)肅等8種面部表情［127］;2005年研究實(shí)現(xiàn)了人類表情的視覺(jué)識(shí)別與表情再現(xiàn)(圖22(b))［128］，將表情機(jī)器人F＆Hrobot-I升級(jí)為II型;2006年在國(guó)際上首次提出研究表情機(jī)器人“語(yǔ)音－口型協(xié)調(diào)”問(wèn)題，并將II型升級(jí)為集視覺(jué)、語(yǔ)音－口型協(xié)調(diào)、表情于一體的 F＆Hrobot-III 型［129-130］，提出并研究了基于有限狀態(tài)機(jī)的人工情感模型，并用F＆Hrobot-III進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［130］.

圖 22 F＆Hrobot-I、II的表情

4.3 集成化仿人全身機(jī)器人GOROBOT-III(2007.01-2012.09)

在前述的有表情仿人頭像機(jī)器人、多移動(dòng)方式類人猿機(jī)器人研究工作基礎(chǔ)上，作者從2005年開(kāi)始設(shè)計(jì)、研制一種集多種移動(dòng)方式自主移動(dòng)機(jī)能(圖19)、表情智能、兼作腳用的多指手等一體化的高度集成化仿人全身機(jī)器人系統(tǒng).在國(guó)家“863計(jì)劃”資助下，作者于2012年研制出了高約1.58m，70-DOF，集1∶1比例有多感知機(jī)能與表情的集成化仿人頭部(F＆Hrobot-IV)、帶有腕力傳感器1∶1比例仿人四指靈巧手雙臂手、帶有前腳掌的仿人雙足及軀干部分全自立型仿人全身機(jī)器人的高度集成化系統(tǒng)GOROBOT-III［116］(見(jiàn)圖23).早在2004年IEEEROBIO國(guó)際會(huì)議上，為面向四足步行及雙足行走雙臂操作而提出了兼作足式步行腳用的多指手［113］，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)，這一概念和設(shè)計(jì)在2007年設(shè)計(jì)、2012年研制出的GOROBOT-III型仿人全身機(jī)器人上得以實(shí)現(xiàn)并裝備其上.

為客觀地評(píng)價(jià)GOROBOT-III集成化設(shè)計(jì)結(jié)果，將國(guó)內(nèi)外代表性的已公開(kāi)仿人機(jī)器人參數(shù)據(jù)入表1，定義兩項(xiàng)相對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo):指標(biāo)1是機(jī)器人總重(kg)與總自由度數(shù)比值，即單位自由度均重;指標(biāo)2是單位身高重(kg/m)與總自由度數(shù)比.由表1可以看出，GOROBOT-III系統(tǒng)具有較輕的單位自由度均重以及較小的單位身高重/總自由度數(shù)比值，接近于國(guó)外先進(jìn)機(jī)器人這兩項(xiàng)指標(biāo)，且系統(tǒng)整體剛度很高，在步行速度上有較大的提高潛力.

圖23 仿人全身機(jī)器人GOROBOT-III的集成化示意圖與外觀

表1 GOROBOT-Ⅲ與國(guó)內(nèi)外代表性集成化仿人機(jī)器人性能對(duì)比

4.4 撓性驅(qū)動(dòng)單元及其在雙足步行機(jī)器人的應(yīng)用

針對(duì)剛性傳動(dòng)(減速器)驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人存在的抗沖擊能力差等問(wèn)題，作者自2006年開(kāi)始研究撓性驅(qū)動(dòng)單元，基于鋼絲繩傳動(dòng)與動(dòng)滑輪組増力原理，分別在2013、2014年研制出FDU(flexible drive unit)-I、II型撓性驅(qū)動(dòng)單元［131］.其中，F(xiàn)DU-II帶有關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角位置編碼器和繩索張力傳感器;基于黏彈性動(dòng)力學(xué)研究了FDU-II全位置閉環(huán)和張力反饋控制撓性驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)［132］.并研究了單元快速響應(yīng)特性及負(fù)載特性(最大40kg)，使頻響達(dá)6Hz，關(guān)節(jié)軌跡最大跟蹤誤差＜1°;FDU-II已應(yīng)用于仿人雙足步行機(jī)器人FDUBR-I的髖部俯仰運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了雙足穩(wěn)定步行，步速0.1km/h［133］.

上述研究成果已獲授權(quán)發(fā)明專利十余項(xiàng)［116］.

5 仿人機(jī)器人研究現(xiàn)狀分析與總結(jié)

仿人機(jī)器人研究目標(biāo)是以人類自身為參照的，因此，對(duì)照人類自身數(shù)據(jù)對(duì)上述仿人機(jī)器人研究現(xiàn)狀作如下分析與總結(jié).

1)從關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)能力看關(guān)節(jié)抗沖擊能力

國(guó)內(nèi)外以代替人工作為目標(biāo)研發(fā)的仿人機(jī)器人身高、體重大約分別在1.0～1.7m、30～100kg(不含負(fù)載).按人類步行、跳躍等動(dòng)作時(shí)腳底與地面沖擊力3～7倍于自重計(jì)算，仿人機(jī)器人需承受來(lái)自地面的210～700kg的沖擊力.按國(guó)際上最高性能的HarmonicDrive?諧波減速器CSG系列產(chǎn)品數(shù)據(jù)計(jì)算，考慮如下實(shí)際約束條件:(1)瞬時(shí)許用最大轉(zhuǎn)矩/輸入轉(zhuǎn)速2000r/min時(shí)額定轉(zhuǎn)矩的比值≈4～5;(2)平均負(fù)載最大許用轉(zhuǎn)矩/輸入轉(zhuǎn)速2000r/min時(shí)額定轉(zhuǎn)矩的比值≈1.4;(3)HarmonicDrive?諧波齒輪傳動(dòng)壽命10000h;(4)仿人機(jī)器人中各關(guān)節(jié)機(jī)械傳動(dòng)中，滾動(dòng)軸承多采用的是輕或超輕系列軸承——獲得緊湊的結(jié)構(gòu);(5)工作在瞬時(shí)許用最大轉(zhuǎn)矩時(shí)意味著諧波齒輪即將失效，等等.由Kajita等［33］研究的HRP-2LR跑步足底最大沖擊力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接近1 000 N可以算出，沖擊力為機(jī)器人自重的3.23倍，已接近前述(1)中瞬時(shí)最大驅(qū)動(dòng)能力的上限4，而且這些跑步實(shí)驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間很短.雖然可在腳底部加上減緩沖擊的橡膠類材料，但其剛度難以適應(yīng)不同材質(zhì)的地面;另外，腳底彈性過(guò)大(相當(dāng)于彈簧)還會(huì)引起位置控制偏差大、定位不準(zhǔn)以及失穩(wěn)等問(wèn)題.目前，以諧波齒輪傳動(dòng)方式減速驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的仿人機(jī)器人的實(shí)用化面臨著難以解決跳躍、快跑帶來(lái)的足底大沖擊等問(wèn)題.液壓驅(qū)動(dòng)下，即使最大壓力按公稱壓力2～3倍計(jì)算，也難以抵抗仿人機(jī)器人相當(dāng)于人跳躍、跑步時(shí)3～7倍于自重的沖擊力，同時(shí)可能伴隨著液壓油易泄露，壓力增高將降低可靠性以及噪聲與振動(dòng)等問(wèn)題.足底壓力傳感器、腳部六維力－力矩傳感器也面臨著因大沖擊力而超量程的安全問(wèn)題.因此，研究具有頻繁抗3～7倍于自重的大沖擊能力，且質(zhì)輕的精密傳動(dòng)或自動(dòng)控制下能實(shí)現(xiàn)精確定位的傳動(dòng)裝置以及大量程力－力矩傳感器具有特別重要的意義.

2)現(xiàn)有仿人機(jī)器人負(fù)載及多指手操作的能力

前述國(guó)內(nèi)外仿人機(jī)器人上的1∶1比例仿人手多指靈巧手自由度數(shù)不多，抓持重物能力遠(yuǎn)不及人手，最大約在1～3 kg.現(xiàn)有仿人機(jī)器人除了DARPA的Atlas外，其余仿人機(jī)器人負(fù)載和多指手操作能力都較小，而人手一般可持20～30 kg重物(人手的動(dòng)力不全在手上，而是由小臂上的肌腱群來(lái)驅(qū)動(dòng)的).因此，本文作者研制的GOROBOT-III型仿人全身機(jī)器人并沒(méi)有采用所有動(dòng)力源元件放在多指靈巧手內(nèi)的方案，而是仿生人手與小臂的解剖學(xué)，提出一種將小臂與多指靈巧手合在一起設(shè)計(jì)單元臂的形式，采用將所有伺服電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置均設(shè)置在小臂上的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了1∶1比例仿人四指靈巧手.

3)仿人機(jī)器人平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究情況總結(jié)

發(fā)達(dá)國(guó)家均研發(fā)出相應(yīng)仿人機(jī)器人平臺(tái)并進(jìn)行應(yīng)用基礎(chǔ)研究，其中日本以HRP系列、ASIMO系列、CB-i各為平臺(tái)，韓國(guó)以HUBO為平臺(tái)，美國(guó)以Petman、Atlas為平臺(tái)，進(jìn)行了面向應(yīng)用以及與人工智能技術(shù)相結(jié)合的持續(xù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，已開(kāi)展的應(yīng)用基礎(chǔ)或應(yīng)用研究涉及:(1)快速穩(wěn)定步行;(2)跑步控制與實(shí)驗(yàn);(3)利用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)獲取人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，生成機(jī)器人相應(yīng)運(yùn)動(dòng)樣本，具體包括學(xué)習(xí)人類步行、跳舞及與音樂(lè)節(jié)拍協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng);(4)DARPA挑戰(zhàn)賽的8項(xiàng)作業(yè);(5)全身多模式人工皮膚觸覺(jué)下的自組織、接觸力反射控制技術(shù)與操作實(shí)驗(yàn)，與人擁抱等;(6)HRP開(kāi)挖掘機(jī)作業(yè);(7)仿人機(jī)器人急停、摔倒、過(guò)矮門等運(yùn)動(dòng);(8)為病患穿衣服;(9)機(jī)器人學(xué)習(xí)人做菜;(10)視覺(jué)導(dǎo)引自治通過(guò)障礙物環(huán)境;(11)ASIMO為跳繩搖繩的控制;(12)利用“駕駛座艙”設(shè)備實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程遙控操作;(13)機(jī)器人全身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃搬箱子;(14)HRP-4C的商業(yè)演出;(15)仿人跳躍運(yùn)動(dòng)控制;(16)腦－仿人機(jī)器人“腦－機(jī)接口”實(shí)驗(yàn)研究:包括步行學(xué)習(xí)及外骨骼助力雙足訓(xùn)練實(shí)驗(yàn);(17)仿人機(jī)器人在人工現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的應(yīng)用;(18)打乒乓球;(19)尋找目標(biāo)，上下車、開(kāi)車;(20)仿人機(jī)器人“教師”;(21)與人協(xié)作抬物件;(22)服務(wù)導(dǎo)購(gòu);(23)HRP-4C穿著“智能服”接受測(cè)試實(shí)驗(yàn);(24)表情機(jī)器人與人的交流;(25)步行期間手持重物的平衡控制;(26)一手支撐一手作業(yè)等等作業(yè)與行為;(27)爬樓梯;(28)踢球等等.這些作業(yè)研究大多數(shù)都是在伺服電動(dòng)機(jī)與諧波傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)的HRP系列平臺(tái)下進(jìn)行的，部分是在液壓驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)器人平臺(tái)下完成的，而氣動(dòng)人工肌肉原理、繩索驅(qū)動(dòng)原理的仿人機(jī)器人仍處于原型樣機(jī)設(shè)計(jì)與研發(fā)階段，需解決多撓性耦合下精確控制與頻響特性問(wèn)題.

4)仿人機(jī)器人研發(fā)策略

從 HRP、P1、P2、P3 及 ASIMO、KHR 和 HUBO等各系列仿人機(jī)器人研發(fā)成果看仿人機(jī)器人研發(fā)戰(zhàn)略:(1)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān);(2)持續(xù)的、系列化的研究，技術(shù)水平不斷完善、提高;(3)無(wú)論是本田技研、日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)研究院、早稻田大學(xué)高西研究室還是韓國(guó)先端科學(xué)技術(shù)研究院都經(jīng)歷至少5臺(tái)、多則10數(shù)臺(tái)的仿人機(jī)器人樣機(jī)研發(fā)才取得標(biāo)志性成果——仿人機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)，可見(jiàn)研發(fā)工作宜求穩(wěn)而不可操之過(guò)急.以上3點(diǎn)值得我國(guó)借鑒.

5)有關(guān)仿人機(jī)器人腳的研究

人腳有著適應(yīng)快速步行，腳掌抓牢地面，減緩著地沖擊力，巧妙利用重力場(chǎng)與倒立擺作用，主被動(dòng)控制結(jié)合減少能量消耗等特點(diǎn)，對(duì)于仿人機(jī)器人而言有著極高的研究?jī)r(jià)值，近年來(lái)，諸如有非線性彈簧變剛度前腳掌腳等各種原理的仿人腳部機(jī)構(gòu)研究開(kāi)始被重視并開(kāi)展研究.限于篇幅，另文闡述.

6)仿人全身機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)的必要性

目前，盡管世界上已研發(fā)許多仿人機(jī)器人，有的機(jī)械結(jié)構(gòu)與整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)公開(kāi)發(fā)表，但是難見(jiàn)有關(guān)仿人全身機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)與負(fù)載性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究，類似 Open-HRP［24－25］這樣的軟件平臺(tái)，對(duì)于仿人機(jī)器人設(shè)計(jì)非常重要，但在原型樣機(jī)設(shè)計(jì)之前是否考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)不得而知.從現(xiàn)有大多數(shù)仿人機(jī)器人文獻(xiàn)可知:仿人機(jī)器人全身運(yùn)動(dòng)還局限于人體可達(dá)所有運(yùn)動(dòng)范圍空間內(nèi)的一小部分.因此，著眼于仿人全身運(yùn)動(dòng)行為和負(fù)載能力的仿人機(jī)器人集成化虛擬設(shè)計(jì)與仿真軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，對(duì)于設(shè)計(jì)高運(yùn)動(dòng)能力和負(fù)載能力的仿人機(jī)器人具有重要的理論與實(shí)際意義.

7)關(guān)于步行與全身行為的穩(wěn)定性獲得與控制問(wèn)題

現(xiàn)有仿人機(jī)器人大都是在結(jié)構(gòu)化地勢(shì)或室內(nèi)環(huán)境下完成作業(yè)實(shí)驗(yàn)的，其步行與全身行為的控制方法主要分為:(1)基于模型的控制;(2)基于行為的控制;(3)基于CPG的運(yùn)動(dòng)控制(即生物控制方法);(4)基于腦－機(jī)接口技術(shù)的方法;(5)基于運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)方法，等等.其中，現(xiàn)有研究多為基于ZMP穩(wěn)定性準(zhǔn)則、運(yùn)動(dòng)樣本規(guī)劃以及反饋控制技術(shù)等基于模型的控制方法，屬于局部穩(wěn)定而非全局穩(wěn)定，難以很好地適應(yīng)環(huán)境與自身行為的變化.為此，從人成長(zhǎng)過(guò)程中小腦平衡能力獲得啟發(fā)，作者在文獻(xiàn)［134］中提出了基于串并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺(tái)、隨機(jī)運(yùn)動(dòng)生成和傳感系統(tǒng)的機(jī)器人步行(以及全身行為)穩(wěn)定性訓(xùn)練方法，目前，正在進(jìn)行理論與試驗(yàn)基礎(chǔ)研究，期望獲得全局穩(wěn)定器.

8)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)博弈

目前，以Atlas、BigDog等為代表的液壓驅(qū)動(dòng)仿生仿人機(jī)器人在步行及作業(yè)能力上較電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿生仿人機(jī)器人顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，其根源在于泵站小型化液壓驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的發(fā)展使得其綜合性能已超越了目前電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)性能，其差別恰似上世紀(jì)研制的液壓驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)過(guò)于笨重，不如電驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)一樣.因此，目前電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下的仿人機(jī)器人步行與作業(yè)能力的進(jìn)一步提高將依賴于更高功率性能體積(或質(zhì)量)比的新型電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置新技術(shù)的問(wèn)世，狹義上講，仿生仿人機(jī)器人若要達(dá)到近乎于人類或動(dòng)物行為的控制目標(biāo)，首先取決于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)于自身或負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力及其在傳感系統(tǒng)/控制系統(tǒng)的感知與控制下的快速響應(yīng)特性.

6 結(jié)論

1)在仿人雙足步行技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的仿人全身機(jī)器人已成為衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)器人技術(shù)水平的重要標(biāo)志，也已成為仿人機(jī)器人應(yīng)用基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究的平臺(tái)，基于傳感系統(tǒng)、訓(xùn)練與智能學(xué)習(xí)算法，面向各種移動(dòng)作業(yè)應(yīng)用和人工智能的大規(guī)模應(yīng)用基礎(chǔ)研究將成為仿人機(jī)器人平臺(tái)研究重心.

2)以Atlas、CB-i等液壓驅(qū)動(dòng)原理的仿人機(jī)器人驅(qū)動(dòng)強(qiáng)勁，出力大，適合于強(qiáng)力操作類移動(dòng)作業(yè)場(chǎng)合;而有表情的HRP-4C以及Albert HUBO等仿人全身機(jī)器人親和力好，更適合未來(lái)面向與人類長(zhǎng)期共同生活、工作等用途.

3)具有多種移動(dòng)方式的類人猿型機(jī)器人、仿人全身機(jī)器人以其高度的運(yùn)動(dòng)靈活性，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)和多移動(dòng)方式，將會(huì)成為一種通用型的機(jī)器人.

綜上所述，現(xiàn)已研發(fā)出的仿生仿人機(jī)器人在很多方面與人和生物還相差甚遠(yuǎn)，很大程度上還是動(dòng)作行為與情感生硬的“機(jī)械”、“機(jī)器”，期待經(jīng)過(guò)專家學(xué)者們的不懈創(chuàng)新和技術(shù)積累，未來(lái)能夠研發(fā)出環(huán)境適應(yīng)性、柔順性、精確性、自學(xué)習(xí)進(jìn)化能力、心性和情感、機(jī)體組成等方面與人和生物更加接近、“生物化柔性”與“機(jī)器智能”兼顧的仿生仿人機(jī)器人.

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