仿人机器人发展综述

仿人机器人发展综述

发表时间：2020-03-13T19:18:13.693Z 来源：《教育学文摘》2019年第17期作者：谭庆吉[导读] 自机器人首次被报道用于工业生产以来，机器人对于社会的发展，劳动力的提升，以及资源保护问题等都产生了深远的影响，摘要：自机器人首次被报道用于工业生产以来，机器人对于社会的发展，劳动力的提升，以及资源保护问题等都产生了深远的影响，而本文要概述的仿人机器人则不同于一般的工业机器人。与一般的工业机器人相比较它不再是在一个固定位置进行工作，而是具有灵活的行走特质，这样能够提供更加便利的服务，其中包括了一些人难以完成的工作和难以到达的地方。相比于工业机器人，仿人机器人具有许

多超越性的特质，仿人机器人能适应多样化的地面状况，仿人机器人的能耗更小，其更要求类人化的步行动作，所以放人机器人对于机械结构与驱动装置的要求更高，也面临了更多的技术挑战，本文将从国内外研究发展史介绍仿人机器人的研究过程，再选择性的分析仿人机器人所面临的最大难题步行技术所涉及的技术知识，最后对其未来发展提出展望。关键词：仿人机器人步行模式动力学步态规划传感器 1.仿人机器人国内外研究概况

自本世纪 60年代末,仿人机器人慢慢的开始成为主流研究方向之一，虽然历史并不长，但是其研究发展迅速，相较于工业机器人提出了新兴的理念，让智能化除了服务于工业生产，更涉及到生活中的方方面面，在研发过程中遇到了许多的挑战，也达成了许多的成就，将智能机器人推向大众的视野，下文将简述仿人机器人研究的历史过程。

1.1国内研究

相较于国外的仿人机器人研究，我国起步较晚，从1985年来，其中以哈尔滨工业大学为代表，对仿人机器人研究起到了巨大的引领及推动作用。

哈尔滨工业大学开始投入双足步行机器人的研究,获得自然科学基金和国家“ 863”计划的支持 ,截止近来，已经完成了HIT-Ⅰ, HIT-Ⅱ，HIT-Ⅲ这三个型号的研制工作，第三型号相比于前两台机器不同的是，它属于不同于前两款，其在研究范围上属于静态步行和动态步行,能够完成向前进、向后退、转弯、上下台阶和上坡等一系列类人动作。

于2002年 ,哈尔滨工业大学机器人研究所开始HIT-Ⅳ的开发工作，与以往不同的是，除了专注于下肢的性能，该机器人包括上肢臂的构造，并比其他机器有着更高的自由度，预期值为32自由度。

1.2国外研究

于 1973年，日本早稻田大学成功研制了 WABOT-1，其是有记载以来最早的双足步行人形机构[ 1, 2] WHL-11作为WABOT-1的改进型展出在1985年日本筑波科技博览会上。它的步行速度十分缓慢，甚至走一步要花费几秒钟。但如我们所知，如果想达到一定的作用效果，需求远不止于此。此后，全球推出了了一系列的研究。其中举足轻重的是，本田公司从 1986 年到 1993年，陆续的开发了 E0到 E6等 7种步行机器人。但不足的是，这 7种机器人都只有腿部机构,其目的是用于研究行走功能。经过发展，在1993年，本田公司研制出 P1机器人，较于之前的产品加上了双臂，这样更加称得上人形机器人。于此同时，于1993年完成的 P3机器人之后我们所熟知的Asimo[ 3, 4]机器人的原型。它的出现代表着一个仿真机器人快速发展的时代开始了。

2. 仿人机器人动态步行技术

仿人机器人，顾名思义，是从程序的角度模仿人类的动态行为，如各种动态姿势，社会行为。但其中仍有诸多问题需要解决，其中最主要的就是行走的稳定性。事实上国内外机器人研发者们已经通过对仿人机器人的行走问题稳定性的分析，从运动学、自由度等角度进行分析，通过实践得出了判断是否稳定的标准，致力于提高性能及传感器精度，解决地面碰撞问题优化驱动策略，并改进规划策略。下面我们有选择的介绍三方面的技术挑战。

2.1 动力学模型及自由度

仿人机器人的行走性能大程度的依赖于机械结构的运动学特征[5]。自由度则自然成为了其一大重要课题，大部分机器人按照仿人类行为的思想来设计其机械机构，将基本的步行需求纳入考虑，并将机器人的结构视为为二维平面杆件模型或三维块状模型，根据D-H法则，以此然后进行运动状态分析。其中连杆坐标系的基本 D-H 法则有三条。

多数仿人机器人理论基于多刚体动力学，多数专注于下肢结构额研究，专攻与控制的难易程度，为了满足运行的稳定性，必须要求足够的步行平稳，一定的行进速度，不能过于死板，如面对一些突发情况有足够的机动性，同时造价与消耗要达到普及程度不宜过高。

2.2 步态规划

按照步行模式，其状态可分为静态、准动态和动态三种。在静态步态，要求机器人的质心在地面上的投影在任何时刻都不能超过支撑多边形的范围。相较于静态，动态运动时，可以超越其支撑区域。据研究数据可知，动态行走时，关节受到的驱动力矩比静态时小。步态规划既取决于地面状况，也决定机器人性能的优劣。

按照控制系统的实现来分类可分为：单CPU结构、二级CPU结构、多CPU结构、集中控制、主从控制、分布式控制、并行结构。其中P2是基于VME总线的集中控制方式。仿人机器人的控制系统逐渐从集中控制转换到分布式控制,如P3就属于分布式控制系统，除分布式控制系统外还逐渐演化成并行高效处理模式。

2.3 传感器技术

所熟知的传感器，例如温度传感器，受力传感器、红外线传感器、声学传感器等。这些传感器被放置在机器人内部来模拟各种人体功能，如触觉、听觉、视觉等功能的模拟，将接受到的信号是通过数学模型的计算转换为参数值。仿人机器人从控制角度来看，可以说成是基于传感器的控制，言下之意是传感器的精度对于机器人最终展现出来的精度具有非常重要的影响。而目前市面上销售的传感器多数是国内制造生产的，其精度并没有达到理想的要求，而国外高精度的传感器的价格十分昂贵，虽然相较于国内有所提升，但是仍然达不到我们所期待的仿生的要求。

3. 仿人机器人未来发展展望

仿人机器人的课题孕育着无限的可能，有极大的发展前景,但毫无疑问的是，也伴随着种种挑战。只有在步行稳定的基础上，再加上手臂部位的构造才真正能够称得上仿人机器人，并且广义上的仿人机器人并不仅仅是模拟人类的行为特征，更具有挑战的是模拟人类的感官，思维，学习能力，社会行为等。对于仿人机器人未来的发展，从以上对应的几点技术特征提出一些看法。

3.1 机械结构改造

任何一个完备的机械都需要一个结构紧凑、配置合理的物理构造。

上文提到由本田公司制造的 ASIMO,本田公司推出的 P系列 1-3型机器人本体材料采用的是镁、铝合金 ,而ASIMO使用锰合金材料[ 6,,7 ,8]。更先进的材料，能够减小机体的重量，并且可以提高零件制造精度和装配精度。

3.2 动力学方法理论的发展

仿人机器人的运动状态要想达到十分精准的解答实际上是十分困难的，至今也没有出现好的理论、方法论来求解逆运动学解析解，因为仿人机器人系统的高阶、强耦合和非线性运动的特性，只能人为的添加一些限制条件来得到期待的近似值，但这往往导致了问题的发生，使预计的运动轨迹与实际的行为有不可忽视的误差。为了解决这一问题，许多学者提出了很多解决思路，如遗传算法、模糊逻辑、神经网络等理论。

3.3 传感器技术发展

为了模拟人类行为，仿人机器人中存在大量的传感器，前文提到了一些传感器，并简述了传感器的作用。在机器人的程序判断中 ,传感器收集外部及内部变化的信息并进行程序化处理 ,将处理过的信息送至分析系统,进行程式化的计算、分析，最后通过对比得到输出结果。

参考文献：

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[ 3] H irae K, H irose M , The deve lopm ent ofH onda robot[ A ]. P roceedings of the 1998 IEEE InternationalConference on Robotics and Auto- m ation [ C] . USA :IEEE, 1998. 1321 -1326.

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[ 9 ] 第 27卷第 6期机器人ROBOT V o.l Nov.27,, No.20056 2005年 11月国外仿人机器人发展概况李允明 (东华大学信息学院 , 上海200051)

[10] :第20022410.年卷第139737月 2002. 04. 017 机器人

仿人机器人的研究历史、现状及展望谢涛徐建峰张永学强文义 (哈尔滨工业大学机械电子工程教研室哈尔滨 150001)