仿人機(jī)器人綜述

徐 莉，劉振方，王建丞，羅志強(qiáng)

(黑龍江工程學(xué)院，哈爾濱150050)

1 仿人機(jī)器人的概述及發(fā)展?fàn)顩r

仿人機(jī)器人是一種外觀與人相似，具有移動功能、感知功能、操作功能、學(xué)習(xí)能力、自制能力、聯(lián)想記憶、情感交流的智能機(jī)器人。它具有靈活的行走功能，可以隨時走到需要的地方，包括一些對普通人來說不易到達(dá)的角落，完成人指定或預(yù)先設(shè)置的工作。仿人機(jī)器人具有人類的外觀，可以適應(yīng)人類的生活和工作環(huán)境。仿人機(jī)器人集機(jī)械、材料、電子、計算機(jī)、自動化等多門學(xué)科于一體，技術(shù)含量高，研究和開發(fā)難度大。它是一個國家高技術(shù)實力和發(fā)展水平的重要標(biāo)志。因此，世界各發(fā)達(dá)國家都不惜投入巨資進(jìn)行研究與開發(fā)。目前，美國和日本等許多發(fā)達(dá)國家的科學(xué)家都在仿人機(jī)器人的研究與開發(fā)方面做了大量的工作，并取得了突破性的進(jìn)展。仿人機(jī)器人已經(jīng)對人類社會產(chǎn)生了巨大的影響［1］。

日本本田公司研制的仿人機(jī)器人ASIMO，是目前較先進(jìn)的仿人行走機(jī)器人。ASIMO身高1.3 m，體重54 kg。它的行走速度是0～6 km/h。早期的機(jī)器人如果直線行走時突然轉(zhuǎn)向，必須先停下來，看起來比較笨拙，而ASIMO就靈活得多，它可以實時預(yù)測下一個動作并提前改變重心，因此可以行走自如，進(jìn)行諸如“8”字形行走、下臺階、彎腰等各項“復(fù)雜”動作。此外，ASIMO還可以握手、揮手，甚至可以隨著音樂翩翩起舞，如圖1所示:

從誕生至今，ASIMO的進(jìn)步可以用神速來形容，最新版的ASIMO，除具備了行走功能與各種人類肢體動作之外，更具備了人工智能，可以預(yù)先設(shè)定動作，還能依據(jù)人類的聲音、手勢等指令來從事相應(yīng)動作，此外他還具備了基本的記憶與辨識能力［2］。

2 仿人機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 環(huán)境感知傳感器和信號處理方法

多傳感器信息融合技術(shù)的基本原理就像人腦綜合處理信息的過程一樣，它充分地利用多個傳感資源，通過對各種傳感器及其觀測信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時間上的互補(bǔ)與冗余信息依據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則組合起來，產(chǎn)生對觀測環(huán)境的一致性解釋和描述［3］。

2.2 智能控制

智能控制主要包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化計算等，且逐漸成為成熟的控制思想［4］。模糊控制源于模糊數(shù)學(xué)，或稱弗晰數(shù)學(xué)，是研究如何表現(xiàn)和處理模糊性現(xiàn)象的一個數(shù)學(xué)分支［5～6］，模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機(jī)數(shù)字控制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，從生物學(xué)的觀點來看，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能為信息處理和推理、聯(lián)想和思維等高級的思想活動［7］，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是利用工程技術(shù)手段模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能的一種技術(shù)系統(tǒng)，它是一種大規(guī)模并行的非線性動力學(xué)系統(tǒng)。

圖1 ASIMO的基本動作和高級功能Fig.1 The basic action and advanced features of ASIMO

2.3 導(dǎo)航與定位

在服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)中，自主導(dǎo)航是一項核心技術(shù)，是機(jī)器人研究領(lǐng)域的重點和難點問題［8］。把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和多傳感器融合技術(shù)相結(jié)合用于仿人機(jī)器人的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，如圖2所示:

3 仿人機(jī)器人的應(yīng)用及發(fā)展方向

由于仿人機(jī)器人具有人類的外觀特征，更容易適應(yīng)人類的生活和工作環(huán)境，代替人類完成各種作業(yè)。它不僅可以在輻射、粉塵、有毒環(huán)境中代替人類作業(yè)，而且可以在很多方面擴(kuò)展人類的能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。21世紀(jì)人類將進(jìn)入老齡化社會，發(fā)展仿人機(jī)器人能彌補(bǔ)年輕勞動力的嚴(yán)重不足，解決老齡化社會的家庭服務(wù)、醫(yī)療等社會問題。仿人機(jī)器人可以與人友好相處，能夠很好地?fù)?dān)任陪伴、照顧、護(hù)理老人和病人的角色，從事日常生活中的服務(wù)工作，因此家庭服務(wù)行業(yè)的仿人機(jī)器人應(yīng)用必將形成新的產(chǎn)業(yè)和新的市場。在醫(yī)療領(lǐng)域，仿人機(jī)器人可以用于假肢和器官移植，用仿人機(jī)器人技術(shù)可以做成動力型假肢，協(xié)助癱瘓病人實現(xiàn)行走的夢想。然而，我們現(xiàn)在還幾乎看不到以控制論開發(fā)出的生物體與人體完美的結(jié)合，因此這方面還需要更進(jìn)一步的研究和探索。仿人形機(jī)器人可以用來在展覽會上做廣告，因為它在外形上更接近人類，所以更能引起人的興趣。另外，它還可以用于家庭娛樂［9］。

圖2 服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)Fig.2 Navigation and positioning systems for service robot

仿人機(jī)器人是許多技術(shù)的綜合與集成。但是，由于受到計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)建模、機(jī)構(gòu)學(xué)、材料學(xué)、仿生學(xué)等相關(guān)學(xué)科發(fā)展的制約，仿人機(jī)器人的功能還十分有限。未來仿人機(jī)器人絕不僅僅局限于此，還會模仿人的視覺、觸覺、語言、行為、情感等功能，仿人機(jī)器人給科研工作者提供了廣闊的研究空間，提出了一個又一個新的挑戰(zhàn)，同時也促進(jìn)了許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，催生了一些新理論和新方法的出現(xiàn)。根據(jù)仿人機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，可以對未來仿人機(jī)器人的研究方向和發(fā)展趨勢做以下預(yù)測。

3.1 本體機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

仿人機(jī)器人是一個多關(guān)節(jié)和具有冗余自由度的復(fù)雜系統(tǒng)。如何實現(xiàn)預(yù)期功能而且又使結(jié)構(gòu)最優(yōu)化是一個很值得研究的問題。一個功能齊全的仿人機(jī)器人必須要有一個結(jié)構(gòu)緊湊、配置合理的機(jī)械本體。在研制過程中，應(yīng)該考慮采用更先進(jìn)的材料，提高零件的制造精度和裝配精度。也有一些研究者在研制人造肌肉，通過空氣氣囊的充氣和排氣帶動關(guān)節(jié)動作。

3.2 運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)求解理論和方法的發(fā)展

一個理想的步態(tài)規(guī)劃對于仿人機(jī)器人行走的穩(wěn)定性是非常有益的。由于仿人機(jī)器人的高階、強(qiáng)耦合和非線性，使得仿人機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的精確求解非常困難，而且也沒有十分理想的理論或方法來求解逆運(yùn)動學(xué)的解析解，只有外加一些限制條件，如能量消耗最小、峰值力矩最小等來求出運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的近似解。這樣往往導(dǎo)致仿人機(jī)器人的規(guī)劃運(yùn)動與實際運(yùn)動有較大的出入。所以要想得到理想的運(yùn)動規(guī)劃，必須在運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的求解方法上有重大的突破。

3.3 驅(qū)動電源的改進(jìn)

理想的能源應(yīng)該具有高能源密度、耐高溫、耐腐蝕、可再生、低成本等優(yōu)勢。但是，現(xiàn)在自帶能源容量有限，而且仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)眾多，所以如何改進(jìn)驅(qū)動源，使其體積小、重量輕而且容量大，也是在仿人機(jī)器人的研制過程中必須解決的問題。

3.4 傳感器技術(shù)的發(fā)展

仿人機(jī)器人安裝了大量的傳感器，在仿人機(jī)器人的自主辨識中，就是靠這些傳感器收集機(jī)器人本身及外部的信息并加以處理，然后反饋給計算機(jī)進(jìn)行計算、分析、比較并得出結(jié)果，從而控制機(jī)器人的動作。因此在未來如何研制出高精度且價格低廉的傳感器將對仿人機(jī)器人的發(fā)展有重大的影響。

3.5 控制技術(shù)和集成技術(shù)的發(fā)展

仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)眾多，控制電路復(fù)雜，要真正地實現(xiàn)仿人，并且擁有人類并不擁有的其他功能，其控制電路將愈加復(fù)雜。如何尋找更加優(yōu)化的控制方案和控制機(jī)構(gòu)，受到越來越多學(xué)者的重視。

3.6 智能技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展

目前機(jī)器人的智能程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到人類的要求，如何將人類的智能復(fù)制到仿人機(jī)器人上，將是未來仿人機(jī)器人研究的重點。

3.7 網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)和虛擬機(jī)技術(shù)

通過通信網(wǎng)絡(luò)將許多個仿人機(jī)器人連接到計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，并且通過網(wǎng)絡(luò)對仿人機(jī)器人進(jìn)行有效的控制，這種技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)遙控操作控制技術(shù)、信息組壓縮和擴(kuò)展技術(shù)以及傳輸技術(shù)等。在將遙控作為一種主要手段控制仿人機(jī)器人的同時，基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)的虛擬遙控操作和人機(jī)交互技術(shù)，也是需要大力發(fā)展的技術(shù)［10］。

［1］蔡自興.機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］度齡.機(jī)器人明星-Asimo［J］.中國青年科技，2003，(11).

［3］趙蕊，賀建軍.多傳感器信息融合技術(shù)［J］.計算機(jī)測量與控制，2007，15(9):100—112.

［4］張毅，羅元，鄭太雄，等.移動機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007:34—52.

［5］Li R，Wallance A，Spef R，et al.Two-axis model development of cage-rotor brushless doubly-fed machines［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，1991，6(3):453—460.

［6］Hu H，Brady M.A Bayesian approach to real-time obstacle avoidance for an intelligent mobile robot［J］.International Journal of Autonomous Robots，1994，1(1):64—102.

［7］王灝，毛宗源.機(jī)器人的智能控制方法［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002:21—32.

［8］孟慶春，齊勇，張淑軍，等.智能機(jī)器人及其發(fā)展［J］.中國海洋大學(xué)學(xué)報，2004，34(5):831—838.

［9］李云江.機(jī)器人概論［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:37—61.

［10］管貽生.仿人機(jī)器人［M］北京:清華大學(xué)出版社，2007:64—102.