仿人機(jī)器人研究現(xiàn)狀及展望

摘 要：本文較為詳細(xì)地介紹了國外和國內(nèi)仿人機(jī)器人研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合仿人機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，智能算法、傳動機(jī)構(gòu)和外設(shè)電源等方面，提出未來仿人機(jī)器人的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：類人機(jī)器人；步態(tài)規(guī)劃；數(shù)學(xué)分析；能量優(yōu)化；人工智能

隨著科技的進(jìn)步，人工智能技術(shù)在人類生產(chǎn)生活中越來越普及。其中機(jī)器人的發(fā)展正在掀起一場科技風(fēng)暴，全世界相關(guān)科技工作者均在竭力研發(fā)各種類型的機(jī)器人。在機(jī)器人研究領(lǐng)域，仿人機(jī)器人不同于工業(yè)機(jī)器人。它具有與人類相類似的肢體結(jié)構(gòu)，靈活的移動系統(tǒng)，以及極強(qiáng)的適應(yīng)能力。目前世界各國發(fā)展仿人機(jī)器人的主要目的是，協(xié)助或者代替人類完成復(fù)雜，危險以及環(huán)境惡劣的工作。并且，仿人機(jī)器人在世界各國的發(fā)展差異也比較大，主要包括機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計功能等方面。本文將對國內(nèi)外仿人機(jī)器人的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，并為未來機(jī)器人的發(fā)展提出展望。

一、 國外仿人機(jī)器人研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)60年代，仿人機(jī)器人的研究逐漸受到世界各國科技工作者的關(guān)注。在四十多年的研究中，仿人機(jī)器人的研究可以說是日新月異，其性能越來越強(qiáng)，功能越來越全面?，F(xiàn)如今仿人機(jī)器人的研究已經(jīng)成為各國機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向。

仿人機(jī)器人的研究開始于1968年，美國通用電氣公司研制了一臺操作雙足機(jī)器人，從而掀起了仿人機(jī)器人研制的浪潮。1999年，美國麻省理工學(xué)院在前人的基礎(chǔ)上，研制出仿人機(jī)器人COG。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要由頭、胳膊、手掌和軀干組成，它是人工智能和機(jī)械自動化的產(chǎn)物。2005年，該學(xué)院研制出具有29個自由度的機(jī)器人Domo。該機(jī)器人采用經(jīng)典的“被動動力學(xué)”理論設(shè)計方案，能夠極大程度上模擬人類的行走姿態(tài)。

1969年，日本學(xué)者加藤一郎首次在日本開展仿人機(jī)器人的研究，并制作出WAP-1平面自由度機(jī)器人。該機(jī)器人具有多個自由度，腿部機(jī)械關(guān)節(jié)包括髖、膝和踝三個部分。為了更好地模擬人類行走方式，采用人造橡膠作為機(jī)器人的關(guān)節(jié)肌肉。但實際行走過程中，該機(jī)器人穩(wěn)定性較差。在此基礎(chǔ)上，加藤一郎在1971年研制了WAP-3型仿人機(jī)器人，該機(jī)器人比WAP-1多了3個自由度，并且具有人工聽覺和視覺等裝置。

從1986年至今，日本本田公司已經(jīng)研制了P系列1-3型雙足機(jī)器人。該機(jī)器人設(shè)計目的是家庭服務(wù)。因此該機(jī)器人具有一定的人視覺和良好的避障能力，并且還能完成上下樓梯等行走方式。2005年12月，本田公司研制出最新一代智能仿人機(jī)器人“ASIMO”。該機(jī)器人的服務(wù)范圍已經(jīng)不局限于家庭服務(wù)，還可以在辦公室等復(fù)雜環(huán)境下工作，主要包括接待、遞送和向?qū)У确?wù)，并且具有良好的運(yùn)行能力。

除了美國和日本具有較為成熟的仿人機(jī)器人研究技術(shù)。國外其他國家也在這項領(lǐng)域投入大量的人力物力。如英國研制出的WL系列機(jī)器人，法國的BIP2000，韓國的KHR和加拿大的HR6等。這些機(jī)器人均為仿人雙足機(jī)器人，但因各國設(shè)計機(jī)器人的功能差異，其自由度以及肢體結(jié)構(gòu)存在較大的差異。

二、 國內(nèi)仿人機(jī)器人研究現(xiàn)狀

我國仿人機(jī)器人的發(fā)展起始于20世紀(jì)80年代，機(jī)器人的研制主要集中在高校和相關(guān)科研院所，其中研究成果最為突出的主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國防科技大學(xué)。

1985年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展仿人雙足機(jī)器人的研究工作，其早期設(shè)計的機(jī)器人主要側(cè)重于機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃，研究重點(diǎn)是如何讓機(jī)器人能夠像人類一樣穩(wěn)定的行走。在此基礎(chǔ)上，1995年成功研制出HIT-1、HIT-2以及HIT-3型號機(jī)器人，其最新型號機(jī)器人具有12個自由度，踝關(guān)節(jié)設(shè)計兩個正交電機(jī)，可同時實現(xiàn)兩個自由度。2004年6月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在以往競技機(jī)器人的基礎(chǔ)上，成功研制出用于足球競技的仿人雙足機(jī)器人。

2000年，國防科技大學(xué)成功研制出具有人類結(jié)構(gòu)特征的“國產(chǎn)”仿人機(jī)器人“先行者”，機(jī)器人可以像人類一樣完成各種行走動作，并且還具有一定的語言功能。2002年12月，我國真正意義上的仿人機(jī)器人BHR-1誕生，它具有1.58米身高，76公斤的體重，具有32個關(guān)節(jié)，行動靈活，并且能夠完成各種復(fù)雜的動作。

隨著我國“863”計劃對仿人機(jī)器人研究的大力支持，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)和中科院自動化所等單位也在逐漸重視并進(jìn)行相關(guān)研究。

三、 仿人機(jī)器人研究展望

隨著AI技術(shù)的發(fā)展，仿人機(jī)器人的研究應(yīng)該在模型和智能算法上與時俱進(jìn)，針對仿人機(jī)器人的功能，對其本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，將單一功能的機(jī)器人轉(zhuǎn)換為多用途機(jī)器人。結(jié)合機(jī)械力學(xué)和動力學(xué)的發(fā)展，將多學(xué)科相融合，創(chuàng)新仿人機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人的運(yùn)動更加協(xié)調(diào)和穩(wěn)定。為保證機(jī)器人的工作時間和待機(jī)水平，需要探索適合機(jī)器人的外設(shè)電源，提升機(jī)器人的整體性能。

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作者簡介：

李子實，黑龍江省哈爾濱市，哈爾濱市第十三中學(xué)高二10班。