仿人型机器人的发展

胡艳凯

陕西国防工业职业技术学院 机械工程学院 西安 710300

1 仿人型机器人概述

1954年,由美国科学家George Devol研制出第一台机器臂。至今,机器臂的发展已有超过60 a的历史[1]。随着近年来科技水平的提升,机器人产业的发展蒸蒸日上。目前机器人涵盖了机电、自动化、人工智能、仿生生物学等学科,是一门多学科、综合性的新兴产业。在众多机器人类型中,仿人型机器人的发展最为迅速。与其它机器人相比,仿人型机器人具有更多的自由度,对环境具有更灵活的适应性,其动作设定更接近人类,受到学者们的青睐。

从20世纪80年代开始,我国开始致力于机器人的研究制造,由于当时科研水平和知识储备的限制,发展比较缓慢。最近5～10 a,我国科研机构和高校加大了对机器人专业的建设,但是目前一些高精密、高科技的核心部件依然需要依赖进口[2]。

2015年,我国提出中国制造2025规划,明确指出将全力发展人工智能机器人。随着科研单位近年来对机器人的研究和制造,积累了许多关键技术和方法。在国家政策的大力支持下,人工智能机器人行业开始迅速发展。

需要注意的是,虽然有了发展机器人的基本理论和技术技能,但是大部分科研机构将机器人研发的重点放在机器人软件和硬件,如控制系统的完善、视觉系统的处理等,轻视机器人本体核心机械结构的设计,导致机器人发展出现不平衡,呈现头重脚轻的现象。尤其是在仿人型机器人的研发制造过程中,需要搭载复杂繁多的控制系统和视觉处理系统,与本体核心机械结构的设计不匹配,使机器人的稳定性不高,制约机器人行业的发展。因此,国内机器人研发机构需要充分认识到我国是制造大国,将研发成本投入到机器人的结构设计中,突破传统的机械结构,发展创造出具有更高性能、更容易操作的核心机件,同时匹配多功能的软硬件,这样才能提高机器人产品的稳定性。

目前,发达国家对机器人的研究非常成熟,机器人功能越来越强大,能够实现的姿态也越来越多。典型复杂自由度机器人如图1所示。美国研究制造的ATALS机器人,整机搭载28个驱动电机,可以完成从环境起点到终点的指定动作。日本研究制造的HRP-4C机器人,全身具有30多个驱动电机,仅面部就由8个驱动电机驱动,与人类的动作高度类似,但是面部表情动作和平衡依然不稳定。复杂繁多的软件和硬件与机器人本体核心机械结构的匹配非常困难,仅仅依靠传统的机械结构很难实现。

图1 典型复杂自由度机器人

另一方面,仿人型机器人相比普通机器人具有更高的非线性,其运动和动力的相关耦合更为复杂。在机器人快速发展的时代,只有对仿人型机器人的核心机械结构进行突破创新,才能更好地搭配高科技控制芯片,进而提高机器人系统的兼容性和稳定性。

2 国外仿人型机器人的发展

仿人型机器人经过近几十年的发展,从只能站立到蹒跚前行,再到具备一定的自主学习路径规划的功能,能够完成跑步、跳跃、翻越等动作,并且能够模仿越来越多的人类日常行为。

最早的仿人型机器人是由日本科学家加藤一郎研制的双足机器人,取名为WABOT-Ⅰ[3],仅能实现步态行走和与人简单交流的功能。目前已经发展到第二代WABOT仿人型机器人,能够自由用日语与人交流,并具有独自弹琴演奏的能力。WABOT仿人型机器人的成功推出,激发了科学家对仿人型机器人的研究兴趣,越来越多的国际知名研究机构和学者开始研究推出仿人型机器人产品。

在仿人型机器人领域中,发达国家,尤其是日本具有非常成熟的理论方法和研发技术。随着国际科技水平的普遍提高,其它国家也相继推出了具有代表性的仿人型机器人。

日本本田公司和大阪大学在1986年联合研制出了P1机器人,具有基础步态动作。在此基础上,又推出了P2和P3机器人,具有稳定的双足步态行走功能。而且P3机器人在P2机器人的基础上进行了轻量化,使机器人的运动与人类更为相似[4]。2000年,本田公司推出了ASIMO智能机器人,具有30多个自由度,不仅能够进行图像识别和路径规划,而且可以做出不同的面部形态与人类进行交流。日本代表性仿人型机器人如图2所示。

图2 日本代表性仿人型机器人

除日本外,美国作为世界上科技水平领先的发达国家,在仿人型机器人的发展上也独具特色。美国第一台仿人型机器人是由通用汽车公司研制的Rig双足机器人。在此基础上,华人科学家郑元芳推出SD-2机器人,能够掌握动态平衡,并完成一些简单的步态动作[5]。波士顿动力公司在2009年研制出了能够四处活动的Petman机器人,主要用于军事活动和军事装备[6]。该款仿人型机器人一经问世,就代表了仿人型机器人的领先水平。

美国加利福尼亚大学伯克力分校在2015年开发了Darwin机器人,具有高度自主学习的能力,通过自主学习和调整,最终实现稳定的动态步行[7]。美国代表性仿人型机器人如图3所示。

图3 美国代表性仿人型机器人

19世纪末期,德国慕尼黑工业大学研制出两款外形类似并且功能强大的仿人型机器人,如图4所示。这两款仿人型机器人脚底装有特殊的传感器,能够通过传感器收集环境信息,进行自主路径规划,达到主动避障的效果,从而实现比较稳定的避障行走功能[8]。

其它国家在仿人型机器人领域也各有成果。由伊朗德黑兰大学研制的Surena3机器人具有超强的环境适应能力,在恶劣的环境中,仍然能够保持自身动作的平衡。法国奥德巴朗机器人公司打造并推出的Romeo服务型机器人,能够照顾人们的日常起居。

图4 德国慕尼黑工业大学仿人型机器人

3 我国仿人型机器人的发展

我国机器人产业起步较晚,但是随着科技的迅猛发展,正在逐渐缩小与发达国家的差距[9]。近些年,我国在仿人型机器人领域中形成了以高校、科研院所为主要队伍的科研团体,取得了丰硕的科研成果和产品。

哈尔滨工业大学推出的HIT系列机器人已经发展到第二代,相比第一代仅能够完成简单步行动作,第二代能够完成自主学习、路径规划、避障等动作,如图5所示。第三代和第四代也正在努力研发中,第四代在研发初期就设定了30多个自由度,能够实现动态动作平衡、躲闪避障等功能[10]。国防科技大学在2000年推出的先行者机器人,一经问世就引起国内外学者的关注。先行者机器人如图6所示,身高为140 cm,质量为20 kg,具有动态步行和与人沟通的能力,可以在陌生的环境中进行图像识别、路径规划,并完成平衡性动作。

北京理工大学自主研发打造的汇童系列机器人在国内外也产生一定的影响力,目前已经研发到第五代,具有极高的仿人特性。其中,第四代外表以实验室老师为原型打造,与人类外观极度相似。第五代还能够与人类打乒乓球,完成200个回合[11]。汇童系列机器人如图7所示。

其它科研院所和单位在仿人型机器人的发展中也取得了一定的成果。2015年,优必选公司推出Alpha2机器人,是第一台搭载安卓操作系统的仿人型机器人,能够进行图像处理、动态自主平衡,可以安装各种应用软件,实现不同的功能。北京航空航天大学和西北工业大学研发的仿人型机器人则主要应用在我国的航空航天事业中。

国内仿人型机器人的发展表明,我国在仿人型机器人领域的理论方法和技术能力已经达到世界先进水平,我国成为世界上第二个完全掌握仿人型机器人研发设计和软硬件控制技术的国家[12]。

图5 HIT系列机器人

图6 先行者机器人

图7 汇童系列机器人

4 结束语

伴随着科技水平的不断发展,机器人行业发展迅速。仿人型机器人作为机器人行业中最具代表性的一种类型,深入人们的日常生活。在国家政策大力支持下,仿人型机器人发展前景广阔。随着前期理论知识和技术技能的积淀,我国已经具备了与发达国家相当的实力,未来需要加大对机器人本体核心机械结构的创新研究,提高整体稳定性。