仿人机器人的现状研究

摘 要：介绍了仿人机器人研究情况，对仿人机器人根据驱动形式的不同，分别就伺服电机加谐波齿轮驱动、绳索肌腱驱动、气动人工肌肉驱动和液压驱动等四个方面的仿人机器人进行介绍，最后对目前仿人机器人的现状进行了总结。

关键词：仿人机器人;研究现状

仿人机器人已经成为衡量一个国家机器人发展水平的重要标志，仿人机器人在机构原理、控制理论与技术、试验研究、步行速度稳定和集成系统等方面快速发展，从基础研究到应用研究，从表情仿人头、仿人快步走步行机构和多指手等局部研究到整体仿人设计，仿人机器人的研究越来越深入，涉及的领域也越来越广。

1 2000年以前的仿人机器人研究情况

2000年以前的仿人机器人研究主要是局部研究，主要包括双足稳定动步行控制、全自立仿人机器人集成、仿人表情、多指灵巧手和类人猿机器人等方面。

1.1 双足稳定动步行控制

1971年日本加藤一郎成功研制世界第一台双足步行机，1972年世界著名机器人专家Vukobratovic等提出ZMP的概念，为稳定双足动步行理论和实践提供了基础。

1.2 仿人表情机器人

美国Paul Ekman等人提出的FACS原理，把“表情智能”应用于人工神经网络，推出了表情视觉识别技术。日本专家原文雄1993年首次提出应用在机器人上的6种面部表情“AHI”。从1996年开始，日本早稻田大学在可变脸色和面部皮肤对光强影响方面实验，实现了面部颜色表情的感知功能，陆续研制出“WE-3R”、“WE-3RIV”和“WE-4RIV”等表情机器人。我国1996年哈工大的蔡鹤皋教授和吴伟国教授研发“演讲机器人”，1999年MIT研制出“Kismet”。这些机器人的表情不丰富，头部未集成化，还有待发展。

1.3 仿人多指灵巧手

1974年日本研制出OKADA三指灵巧手;1980年MIT和犹太大学联合研制出四指灵巧手Utah-MIT Hand ;1984年Nakano等研制Hitachi四指灵巧手;1999年德国宇航中心Hirzinger等研制出DLR-Ⅰ四指靈巧手;1999年美国研制出NASA Robonaut五指灵巧手。我国的北京航空航天大学也在1993年研制出BUAA-Ⅰ三指灵巧手。

1.4 全自立仿人机器人集成技术

1996年前的双足步行机构主要利用电动和气动液压技术配合滚珠丝杠、连杆机构和齿轮等机械部件，非常笨重，限制了移动速度。日本本田技研的P2、P3型机器人都是仿人机器人集成技术的代表。

1.5 多移动方式类人猿机器人

1991年起，日本福田敏男研发了Brachiator Ⅱ和Brachiator Ⅲ。1999年我国吴伟国博士研制出第一台类人猿机器人Gorilla robotⅠ。这些机器人具备高移动作业能力和环境适应性，但都是非集成化的。

2 2000年后的仿人机器人

2000年后的仿人机器人的驱动形式有伺服电机加谐波齿轮传动、液压驱动、气动人工肌肉驱动和绳驱动等。下面分别对不同驱动形式的机器人进行论述。

2.1 伺服电机加谐波齿轮传动的仿人机器人

以伺服电机加谐波齿轮传动为主的仿人机器人是目前仿人机器人研发的重要形式之一，目前有ASIMO、HRP、WABIAN、HUBO等系列。

1）ASIMO  ASIMO是本田技研研制的一款仿人机器人，54个自由度，采用I-WALK技术，步行速度最大9km/h。

2）HRP系列  HRP是日本实施的“与人协调、共存的仿人机器人系统研发项目”5年计划。1998年开始逐步完成了HRP-1机器人，面向遥操作/虚拟机器人平台V-HRP和HRP仿人机器人，以及Open-HRP软件平台的研制成功对机器人硬件设计和研发有重要意义，使得未来机器人可以在工厂维护、维修、看护照料病人、家庭安全服务、建筑机械遥操作中得以应用。

3）韩国KAIST的HUBO、Albert HUBO、DRC-HUBO机器人。韩国先端科技研究院KAIST从2003年到2013年先后研制出KHR-1、2、3以及MAHRU、AIbert HUBO、DRC-HUBO等多种仿人机器人。

2.2 气动人工肌肉驱动的仿人机器人

法国LMS研究室2000年研制BIP2000和比利时布鲁塞尔自由大学2006年成功研制的Lucy是气动人工肌肉机器人的代表。BIP2000能实现静步走，有15个自由度，有较强的稳定性。

2.3 液压驱动的新型仿人机器人

典型的液压仿人机器人由日本科技研究中心与2007年研制的CB和美国波士顿公司于2011年研发的Petman。CB采用主被动控制，共有50个自由度，其中主动自由度有34个。

2.4 绳索肌腱驱动的肌肉骨骼型新型仿人机器人

目前代表性的绳索机器人有：单腿机器人、Kenzoh、Kojiro、Kenshiro、Kotaro等。东京大学JSK在2010年研制的Kenzoh采用绳驱动的关节刚度调整机构，虽然关节刚度可调，但每个关节需要两个电动机和两个非线性弹簧模块，而且出力不能驱动腿部关节。

3 我国仿人机器人研究的现状

2000年，国防科技大学成功研制了我国第一台仿人机器人“先行者”。国内各大学相继研究出一些仿人机器人：清华大学的THBIP、Stepper机器人;哈尔滨工业大学的GoRoBoT-Ⅱ型类人猿机器人和仿人机器人GoRoBoT-Ⅲ;浙江大学的“悟”、“空”机器人;北京理工大学的BHR-Ⅱ机器人等。

4 结论

目前国内外研制的仿人机器人与人还相差很远，很大程度上还是动作行为与情感生硬的“机器”，在环境适应性、柔顺性、精确性、心性和情感、机体组成和自学习能力等方面还有待完善。仿人机器人的研究平台建设、传感系统研究、智能学习算法和人工智能等方面将是仿人机器人研究重心。我国的仿人机器人与美、日、韩等国还有一定差距，仍需要进一步研究。

参考文献

[1]柯显信，柏垠，唐文彬.仿人面部表情机器人研究现状与展望[J].机械设计，2009，26（11）.

[2]郑嫦娥，钱桦.仿人机器人国内外研究动态[J].机床与液压，2006，（3）.

[3]吴伟国.面向作业与人工智能的仿人机器人研究进展[J].哈尔滨工业大学学报，2015，47（7）.

作者简介

郑利霞，车辆工程专业硕士，讲师。