地面可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

李瑞峰，李漢舟

（中國(guó)航天科技集團(tuán)第十六研究所，西安710100)

地面可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

李瑞峰，李漢舟

（中國(guó)航天科技集團(tuán)第十六研究所，西安710100)

行走機(jī)構(gòu)決定了地面可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的特性和應(yīng)用領(lǐng)域，按照行走機(jī)構(gòu)的不同，將地面可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人分為輪式、履帶式和多足式，介紹了各種地面可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用特點(diǎn)，特別探討了雙足機(jī)器人在人類生活中的應(yīng)用前景。提出了地面可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人7大關(guān)鍵技術(shù)：導(dǎo)航定位、路徑規(guī)劃、多傳感器融合、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力、智能控制、能源供給和管理、人機(jī)接口。分析了發(fā)展地面服務(wù)機(jī)器人的迫切性，給出了我國(guó)軍用和民用可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的關(guān)系和發(fā)展思路思路。

地面可移動(dòng)機(jī)器人；服務(wù)機(jī)器人；輪式；履帶式；多足式；兩足類人機(jī)器人

0 引言

近十年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅猛，逐漸成為影響人類生產(chǎn)和生活的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，正在引領(lǐng)第三次工業(yè)革命。機(jī)器人技術(shù)被麥肯錫公司認(rèn)定為12項(xiàng)引領(lǐng)全球經(jīng)濟(jì)變革的顛覆性技術(shù)之一，以及2015年世界十大技術(shù)之一［1］。因此，機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越受到世界各國(guó)的高度關(guān)注，主要經(jīng)濟(jì)體紛紛將發(fā)展工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人產(chǎn)業(yè)上升為國(guó)家戰(zhàn)略。例如，美國(guó)的制造業(yè)復(fù)興計(jì)劃，日本的機(jī)器人新戰(zhàn)略，德國(guó)工業(yè)4.0，韓國(guó)的智能機(jī)器人基本計(jì)劃等等。我國(guó)政府也高度重視發(fā)展機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，“中國(guó)制造2025”規(guī)劃將機(jī)器人作為建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的重點(diǎn)領(lǐng)域。同時(shí)，我國(guó)正加緊制定機(jī)器人產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃，助推本土機(jī)器人在研發(fā)、推廣應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)等方面的發(fā)展。

目前，機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越向智能方向發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域早已不再局限于傳統(tǒng)的工業(yè)制造，而是更多地轉(zhuǎn)向助老助殘、家用服務(wù)、特種服務(wù)等領(lǐng)域，這類機(jī)器人被統(tǒng)稱為服務(wù)機(jī)器人。國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（International Federation of Robotics，IFR)將其定義為：服務(wù)機(jī)器人是一種半自主或全自主工作的機(jī)械電子裝備，它能完成有益于人類的服務(wù)工作，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備［2］。在我國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006?2020年)》中對(duì)智能服務(wù)機(jī)器人給予了明確定義［3］：“智能服務(wù)機(jī)器人是在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下為人類提供必要服務(wù)的多種高技術(shù)集成的智能化裝備?！?/p>

按照使用領(lǐng)域，服務(wù)機(jī)器人可分為空中服務(wù)機(jī)器人、水下服務(wù)機(jī)器人及地面服務(wù)機(jī)器人。其中，地面服務(wù)機(jī)器人往往面臨著非結(jié)構(gòu)化的運(yùn)行環(huán)境，需要在家庭、山地、叢林等各種未知的復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)行，研究難度最高，應(yīng)用和發(fā)展速度也最慢。但相比空中服務(wù)機(jī)器人，地面服務(wù)機(jī)器人無(wú)論是在軍事領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域都有著更加廣闊的應(yīng)用范圍和市場(chǎng)空間。特別是近年來(lái)個(gè)人機(jī)器人（Personal Rorbot，PR)概念已經(jīng)被提出來(lái)，未來(lái)人類社會(huì)個(gè)人機(jī)器人會(huì)像個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC)一樣普遍。因此，研究能夠在地面自主運(yùn)動(dòng)的服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)我國(guó)機(jī)器人發(fā)展具有重要意義。

由于行走機(jī)構(gòu)決定了地面移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的特性和應(yīng)用領(lǐng)域，本文按照行走機(jī)構(gòu)的不同，將地面移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人分為輪式、履帶式和多足式，介紹各種可移動(dòng)地面服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)。此外，還特別針對(duì)與人類有著天然親和力的雙足機(jī)器人進(jìn)行了詳細(xì)介紹。在此基礎(chǔ)上，提出了地面可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的導(dǎo)航定位、路徑規(guī)劃、多傳感器融合、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力、智能控制、人機(jī)接口等7大關(guān)鍵技術(shù)。最后，給出了我國(guó)軍用可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人和民用可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的關(guān)系和發(fā)展思路。

1 輪式可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人

輪式可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人具有自重輕、承載大、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)和控制相對(duì)方便、行走速度快、機(jī)動(dòng)靈活、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于空間探測(cè)、醫(yī)療服務(wù)等領(lǐng)域。

世界上第一臺(tái)自主輪式移動(dòng)機(jī)器人由斯坦福機(jī)器人研究中心于20世紀(jì)60年代末研制，并將其命名為Shakey［4］，如圖1所示。Shakey是首臺(tái)采用了人工智能學(xué)的機(jī)器人，配備有電視攝像機(jī)、碰撞傳感器、三角法測(cè)距儀、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、板上邏輯器和相機(jī)控制單元［5?6］。

20世紀(jì)80年代初期，輪式機(jī)器人的研究隨著計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的提高進(jìn)入新的階段，比較典型的有蘇聯(lián)研制的Lunokhod 1輪式無(wú)人探索機(jī)器人［7］，如圖2所示；法國(guó)圖盧茲LASS實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的配有激光測(cè)距儀和超聲波的Hilare輪式移動(dòng)機(jī)器人；美國(guó)斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的以機(jī)器視覺(jué)傳感器為主的Stanford Cart移動(dòng)機(jī)器人［8］。1984年，美國(guó)“機(jī)器人之父”英格伯格推出了采用輪式結(jié)構(gòu)的Helpmate機(jī)器人，能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件等，如圖3所示。

20世紀(jì)90年代，比較典型的輪式移動(dòng)機(jī)器人有美國(guó)火星探測(cè)機(jī)器人索杰那、德國(guó)的輪椅機(jī)器人Navchair等。Navchair是早期代表性的智能輪椅，考慮了殘疾人群的特點(diǎn)，采用超聲波和紅外等傳感器，設(shè)計(jì)了巡墻、躲避行人和根據(jù)目標(biāo)調(diào)整速度等安全技術(shù)，如圖4所示。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著人工智能的快速發(fā)展，輪式機(jī)器人技術(shù)正朝著更高的自主性，更好的適應(yīng)性和交互性方向快步前進(jìn)，當(dāng)前世界輪式機(jī)器人主要應(yīng)用方向有3個(gè)：

1)空間探索機(jī)器人。具有代表性的成果有美國(guó)的火星探索機(jī)器人機(jī)遇號(hào)和好奇號(hào)（如圖5和圖6所示)，它們都成功登陸并開(kāi)展科研探測(cè)。我國(guó)的嫦娥三號(hào)月球探測(cè)器的玉兔號(hào)月球車(chē)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)月球的成功探測(cè)，如圖7所示。

2)服務(wù)機(jī)器人。許多家庭服務(wù)機(jī)器人采用輪式結(jié)構(gòu)，如目前應(yīng)用很廣泛的掃地機(jī)器人。

3)無(wú)人駕駛汽車(chē)。無(wú)人駕駛汽車(chē)并非嚴(yán)格意義上的機(jī)器人，但是其應(yīng)用像一個(gè)自動(dòng)運(yùn)載的機(jī)器人。2015年5月，谷歌公開(kāi)展示了其無(wú)人駕駛汽車(chē)的原型，如圖8所示。它實(shí)現(xiàn)了完全自主運(yùn)行和精確定位，是目前無(wú)人駕駛汽車(chē)技術(shù)較高成就的代表。除谷歌外，奔馳、奧迪、現(xiàn)代等傳統(tǒng)汽車(chē)企業(yè)也在加緊無(wú)人駕駛汽車(chē)技術(shù)的研發(fā)。雖然針對(duì)其是否能夠取代傳統(tǒng)汽車(chē)成為今后主流交通運(yùn)輸工具這一問(wèn)題還存在爭(zhēng)議，但是無(wú)人駕駛汽車(chē)技術(shù)無(wú)疑會(huì)成為下一代輪式機(jī)器人發(fā)展的潮流。

綜上所述，輪式機(jī)器人在平坦地面和一般的越野地形有著優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用。但是，一旦遇到較復(fù)雜的地形，其通過(guò)率便大打折扣。履帶式可移動(dòng)機(jī)器人可以適應(yīng)更復(fù)雜的越野路面及更大的負(fù)載能力。

圖1 Shakey機(jī)器人Fig．1 Robot of Shakey

圖2 Lunokhod 1機(jī)器人Fig．2 Robot of Lunokhod 1

圖3 Helpmate機(jī)器人Fig．3 Robot of Helpmate

圖4 Navchair機(jī)器人Fig．4 Robot of Navchair

圖5 機(jī)遇號(hào)Fig．5 Opportunity

圖6 好奇號(hào)Fig．6 Curiosity

圖7 玉兔號(hào)Fig．7 Jaderabbit

2 履帶式可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人

與輪式機(jī)器人相比，履帶機(jī)器人擁有以下的主要優(yōu)勢(shì)：

1)支撐面大，可以在松軟、泥濘的場(chǎng)地作業(yè)，越野機(jī)動(dòng)性好；

2)轉(zhuǎn)向半徑極小，可原地轉(zhuǎn)向；

3)履帶上有履齒，增大摩擦，可以發(fā)揮更大的牽引力；

4)有良好的越障和自復(fù)位能力，帶有履帶臂的機(jī)器人可以像足式機(jī)器人一樣行走。

2005年3月，美國(guó)陸軍首次在伊拉克戰(zhàn)場(chǎng)上部署了18個(gè)遙控“魔爪”系列SWORDS機(jī)器人士兵［9］。如圖9所示，它采用履帶式地盤(pán)，可以輕易通過(guò)樓梯、巖石堆和鐵絲網(wǎng)，在雪地及河水中也能行走自如［10］。

Packbot機(jī)器人由iRobot公司制造，如圖10所示。目前有3種型號(hào)：偵察型、探險(xiǎn)型和處理爆炸裝置型，全部采用相同的履帶式底盤(pán)［11］，可以攀爬54°的斜坡，可在3m深的水下作業(yè)，也可以14km／h的速度在開(kāi)闊地行駛。它的前部安裝著2條短的前肢，能夠爬樓梯。這2條短肢具有防水功能，能夠跨越淺的河流與崎嶇山路［12?13］。

圖11是我國(guó)首款定型的作戰(zhàn)機(jī)器人，采用了雙節(jié)雙履帶式的移動(dòng)方式。并在履帶的前段增加了一節(jié)機(jī)械旋轉(zhuǎn)臂，進(jìn)一步提高了通過(guò)能力，能夠適應(yīng)更多的道路情況。

靈晰?B型排爆機(jī)器人如圖12所示，由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制。它高2m，重100kg，結(jié)構(gòu)為關(guān)節(jié)履帶車(chē)；行駛速度為0m／min～30m／min，無(wú)級(jí)變速；機(jī)動(dòng)性高，可在斜坡和小于4°的樓梯上行走，跨越300mm高的障礙。可全方位行走，有較強(qiáng)的地面適應(yīng)能力。

履帶式機(jī)器人由于行駛、承載裝置的成本與行駛損耗較高，速度比較慢，噪音大，多用在軍用機(jī)器人，在民用機(jī)器人方面應(yīng)用比較少。

圖9 SWORDS機(jī)器人Fig．9 Robot of SWORDS

圖10 Packbot機(jī)器人Fig．10 Robot of Packbot

圖11 我國(guó)首款定型的作戰(zhàn)機(jī)器人Fig．11 The first fighting robots of China

圖12 靈晰?BFig．12 Ling Xi?B

3 多足式可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人

上述機(jī)器人都要依靠輪帶式系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)動(dòng)，所以與其說(shuō)它們是“機(jī)器人”，不如說(shuō)它們是“機(jī)器車(chē)”。而且，普通輪式機(jī)器人無(wú)法適應(yīng)崎嶇、不規(guī)則的路面，履帶式機(jī)器人亦無(wú)法跨越溝壑、障礙、臺(tái)階等常見(jiàn)地形。相對(duì)于輪式、履帶式機(jī)器人，足式機(jī)器人有以下優(yōu)點(diǎn)：1)輪式機(jī)器人足端的軌跡是一條連續(xù)的線，而足式機(jī)器人足端的運(yùn)動(dòng)軌跡在平面上是離散的點(diǎn)，因此足式機(jī)器人可以適應(yīng)各種地形；2)足式機(jī)器人的腿部是其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，而且每條腿有多個(gè)自由度，因此足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性更高；3)足式機(jī)器人的機(jī)體可以與地面相互分離，這使得足式機(jī)器人可以在不規(guī)則地面上任意調(diào)節(jié)機(jī)體的位姿，不必考慮各個(gè)支撐點(diǎn)相對(duì)于機(jī)體的位置。

最早有人駕駛的足式機(jī)器人為美國(guó)20世紀(jì)60年代通用電氣公司研制的四足電控步行車(chē)Walking Truck［14?15］，如圖13所示。它重1350kg，步行速度為6.4km／h，作為第一個(gè)有計(jì)算機(jī)參與控制的機(jī)器人，盡管沒(méi)有實(shí)際投入使用，也應(yīng)該被認(rèn)為是現(xiàn)代步行機(jī)器人發(fā)展史上的一個(gè)里程碑［17］。

20世紀(jì)80年代，該領(lǐng)域的研究逐漸進(jìn)入到擁有自主行為的智能時(shí)代。最具代表性的四足機(jī)器人就是TITAN系列［17］，如圖14所示。這款四足機(jī)器人采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)和繩傳動(dòng)，行走速度根據(jù)負(fù)載情況的不同可在0.3 m／s～0.9m／s的范圍之間調(diào)整［18］。

2005年，美國(guó)波士頓動(dòng)力公司研制出四足機(jī)器人Big Dog［19?20］，如圖15所示，俗稱“大狗”，重約109kg，全身安裝有50個(gè)傳感器，能通過(guò)控制4條腿實(shí)現(xiàn)站立、下蹲、爬行、小跑以及快速跳躍前進(jìn)，在平坦地形條件下能攜帶154kg物資，實(shí)驗(yàn)測(cè)試中跳躍前進(jìn)的最大速度可達(dá)11km／h［21?22］。

如圖16所示，國(guó)產(chǎn)足式機(jī)器人在技術(shù)方面也取得了突破性進(jìn)展。國(guó)產(chǎn)“大狗”擁有5種行走步態(tài)，可承擔(dān)運(yùn)輸、偵察或打擊任務(wù)，另外在道路設(shè)施被破壞較嚴(yán)重的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)也可發(fā)揮作用。

圖13 Walking Truck機(jī)器人Fig．13 Robot of Walking Truck

圖14 TITAN?VII機(jī)器人Fig．14 Robot of TITAN?VII

圖15 “大狗”機(jī)器人Fig．15 Robot of Big Dog

圖16 國(guó)產(chǎn)“大狗”機(jī)器人Fig．16 Robot of domestic Big Dog

在多足機(jī)器人中，兩足機(jī)器人是最特殊的一類。兩足對(duì)行走過(guò)程的穩(wěn)定性控制要求非常高，因此是多足機(jī)器人中最難的一類。同時(shí)，兩足機(jī)器人具有類似于人類的基本外貌特征和步行運(yùn)動(dòng)功能，在一定環(huán)境中自主運(yùn)動(dòng)，并與人進(jìn)行一定程度的交流，更容易融入人類的家庭和社會(huì)。同時(shí)還具有占用空間小，活動(dòng)范圍大，可以輕松上下臺(tái)階，不受障礙物阻擋等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在家庭里普遍具有的有限非結(jié)構(gòu)環(huán)境中活動(dòng)［23］。兩足類人服務(wù)機(jī)器人作為最具前景的地面移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人，本文做進(jìn)一步介紹。

4 兩足類人服務(wù)機(jī)器人

日本是世界上投身于兩足類人機(jī)器人領(lǐng)域研究最活躍的國(guó)家，各類企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)和院校在類人機(jī)器人研究領(lǐng)域做了大量的工作，為日本在類人機(jī)器人研究領(lǐng)域保持世界領(lǐng)先地位奠定了基礎(chǔ)。

1973年，日本早稻田大學(xué)加藤一郎研究室開(kāi)發(fā)的WAB0T?1［24］是現(xiàn)實(shí)世界中最早出現(xiàn)的類人機(jī)器人。隨后日本以服務(wù)機(jī)器人為目標(biāo)，不斷在兩足類人機(jī)器人領(lǐng)域取得各種突破性的進(jìn)展。

近年來(lái)，以日本本田技研工業(yè)株式會(huì)社（后文簡(jiǎn)稱“本田”)的ASIMO系列和日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究院的HRP系列在輿論上和學(xué)術(shù)界取得的影響最大。

圖17羅列了本田公司歷代研制的有代表性的兩足類人機(jī)器人。本田于1986年開(kāi)始研究類人機(jī)器人，先制造了樣機(jī)E0來(lái)進(jìn)行擬人步態(tài)研究［25］。在E0的基礎(chǔ)上，研制了一系列兩足步行機(jī)器人樣機(jī)（E1?E6)，因此其在類人機(jī)器人的肢體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、平衡控制算法與步態(tài)規(guī)劃方法等方面積累了大量關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)［26?28］。

圖17 從E0到ASIMO的進(jìn)化歷程Fig．17 Evolution history from E0 to ASIM

2000年11月本田發(fā)布兩足類人機(jī)器人ASIMO，它高120cm，質(zhì)量為52kg，步行速度最高可達(dá)1.6km／h，是當(dāng)時(shí)運(yùn)動(dòng)能力最為靈活的兩足類人機(jī)器人。ASIMO融入了更多的智能技術(shù)，比如基于視覺(jué)的手勢(shì)識(shí)別、物體識(shí)別和面部識(shí)別等，同時(shí)演示了與人類自然語(yǔ)言交互的能力。2015年2月9日，本田在阿聯(lián)酋迪拜舉行的第三屆政府峰會(huì)現(xiàn)場(chǎng)展示新一代機(jī)器人阿西莫（ASIMO)。這款最新版本的阿西莫可以更加精確地模仿人類的動(dòng)作，不僅能夠行走、跳舞、上下樓梯，還能完成擰開(kāi)瓶蓋、端茶倒水、踢足球等更為靈活的動(dòng)作，如圖18和圖19所示。阿西莫的最終發(fā)展目標(biāo)就是走進(jìn)家庭服務(wù)人類［29?30］。

圖18 ASIMO擰開(kāi)茶杯倒水Fig．18 Unscrewed the teacup

圖19 ASIMO跑步踢球Fig．19 Run and play football

Humanoid Robotics Project（HRP)是日本川田工業(yè)株式會(huì)社與日本國(guó)家產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院（National Institute of Advanced Industrial Scienceand Technology，AIST)主持，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省與日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究機(jī)構(gòu)（NewEnergyandIndustrial Technology Development Organization，NEDO)資助的通用家庭服務(wù)仿人機(jī)器人研究計(jì)劃［31］，旨在開(kāi)發(fā)能夠在人類作業(yè)、生活環(huán)境中的與人協(xié)調(diào)、共存，能夠完成復(fù)雜作業(yè)任務(wù)的仿人機(jī)器人系統(tǒng)。

HRP系列機(jī)器人的發(fā)展歷程如圖20所示，HRP在起步階段直接購(gòu)買(mǎi)了本田的P3仿人機(jī)器人作為研究平臺(tái)，并根據(jù)計(jì)劃的研究需求對(duì)P3進(jìn)行了改裝，將之命名為HRP?1，于1997年公開(kāi)。HRP?2是HRP?1的后續(xù)產(chǎn)品，質(zhì)量為58kg，高154cm，最高步行速度2km／h，搭載了ART?Linux作為操作系統(tǒng)。與ASIMO相比，HRP?2機(jī)器人能從平躺姿態(tài)自主恢復(fù)站立，也能夠在即將摔倒的時(shí)候通過(guò)全身協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)來(lái)降低碰撞對(duì)它的沖擊［32］。2007年，HRP?3PrometMk?II公布，其身高160cm，體重68kg，全身42自由度，具備7自由度靈巧的手臂和6自由度靈巧的手。2009年，AIST發(fā)布了女性仿人機(jī)器人HRP?4C，如圖21所示，HRP?4C身高158cm，體重43kg，并依照人類女性設(shè)計(jì)了頭部外形，其頭部的計(jì)算機(jī)可根據(jù)語(yǔ)音識(shí)別結(jié)果做出響應(yīng)動(dòng)作。體內(nèi)裝有30個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠幫助她行走和揮舞手臂，面部的8個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)則賦予她憤怒、驚訝等表情。充電一次可行走20min［33］。

圖20 HRP系列機(jī)器人的發(fā)展歷程Fig．20 The development history of HRP series robot

圖21 HRP?4C做出驚訝的表情Fig．21 Surprised expression of HRP?4C

韓國(guó)的仿人機(jī)器人研究起步相對(duì)較晚，但是發(fā)展較快。HUB0［34］是韓國(guó)KAIST（韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)研究院)研發(fā)的最新款仿人機(jī)器人，如圖22所示。它具有語(yǔ)音識(shí)別和合成的功能，還有高度復(fù)雜的視覺(jué)功能，兩只眼睛能單獨(dú)或協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。HUBO高125cm，質(zhì)量為56kg，步行速度比ASIMO慢，只有1.25km／h，上下樓梯的能力以及腿部的運(yùn)動(dòng)能力仍需進(jìn)一步改進(jìn)。在手指的靈活性方面，它的性能卻優(yōu)于ASIMO，其手指可以相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，甚至能做類似于石頭剪子布的游戲［35?37］。

2015年，在DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)賽中，韓國(guó)的KAIST團(tuán)隊(duì)攜最新版的DRC?HUBO機(jī)器人奪得冠軍。如圖23所示，DRC?HUBO的優(yōu)勢(shì)來(lái)源于腿部獨(dú)立設(shè)計(jì)。除了步行模式，它還能切換為滑行模式。當(dāng)它跪下時(shí)，小腿會(huì)變成一塊平臺(tái)，膝蓋和腳踝處的輪子可以驅(qū)動(dòng)平臺(tái)高速前進(jìn)。由于采用類人的混合設(shè)計(jì)和輕質(zhì)鋁結(jié)構(gòu)機(jī)身，它在上一代版本基礎(chǔ)上有所提升，變得更強(qiáng)大，擁有更強(qiáng)壯的手，并且設(shè)定了新的行進(jìn)算法。另外，所有的馬達(dá)都裝有散熱風(fēng)扇。

圖22 韓國(guó)的HUBO機(jī)器人Fig．22 Robot of HUBO

圖23 DRC?HUBO機(jī)器人Fig．23 Robot of DRC?HUBO

國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展仿人機(jī)器人研究的單位有哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)，他們從1985年就開(kāi)始了相關(guān)的研究和探索。哈爾濱工業(yè)大學(xué)先后開(kāi)發(fā)出HIT?IS、HIT?II、HIT?III和HIT?IV型仿人機(jī)器人［38?39］，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)前后行走、上下臺(tái)階和爬樓梯等動(dòng)作。國(guó)防科技大學(xué)研制了仿人機(jī)器人Blackmann，還開(kāi)展了欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行方面的研究［40］。目前國(guó)內(nèi)仿人機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)元件，如減速器、電機(jī)等設(shè)備，還主要依賴進(jìn)口，這成為國(guó)內(nèi)研制仿人機(jī)器人的主要瓶頸。

5 地面可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

從上述各國(guó)對(duì)地面可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的研制及應(yīng)用情況來(lái)看，地面可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人是一個(gè)組成結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它應(yīng)該不僅具有加速、減速、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向以及越障等常規(guī)的功能，而且還具有任務(wù)分析、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、信息感知、自主決策等類似人類智能行為的人工智能。

綜上所述，總結(jié)出地面機(jī)器人的幾大關(guān)鍵技術(shù)：

（1)導(dǎo)航定位技術(shù)

導(dǎo)航的基本任務(wù)包括全局定位、目標(biāo)識(shí)別、障礙物檢測(cè)等。根據(jù)指示的信號(hào)類型、環(huán)境信息的完整度等因素的不同，導(dǎo)航可以分為基于地圖的導(dǎo)航、基于創(chuàng)建地圖的導(dǎo)航以及無(wú)地圖的導(dǎo)航。根據(jù)采用的硬件不同，又可分為視覺(jué)導(dǎo)航和非視覺(jué)傳感器的組合導(dǎo)航。其中視覺(jué)和其他傳感器融合的導(dǎo)航系統(tǒng)將是未來(lái)地面移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人智能導(dǎo)航的主要發(fā)展方向。

（2)路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃就是按照某種優(yōu)化指標(biāo)，根據(jù)機(jī)器人感知到的環(huán)境信息，在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條無(wú)碰撞的路徑。按照機(jī)器人獲取環(huán)境信息的不同方式，路徑規(guī)劃可以大致分為3種：基于模型的路徑規(guī)劃，主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，方法有柵格法、拓?fù)浞?、可視圖法等；基于傳感器信息的路徑規(guī)劃，主要應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，方法有人工勢(shì)場(chǎng)法、模糊邏輯算法和確定柵格法等；基于行為的路徑規(guī)劃，是把規(guī)劃問(wèn)題分解成許多相對(duì)獨(dú)立的單元，如跟蹤、避障等。

（3)多傳感器信息融合技術(shù)

多傳感器信息融合技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，是移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)之一。信息融合技術(shù)指對(duì)多個(gè)傳感器采集的環(huán)境信息進(jìn)行集成處理，以形成對(duì)外部環(huán)境的統(tǒng)一表示。目前移動(dòng)機(jī)器人的多傳感器融合技術(shù)的研究方法主要有：加權(quán)平均法、Bayes估計(jì)、Kalman濾波、D?S證據(jù)理論推理、模糊邏輯、產(chǎn)生規(guī)則、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

（4)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力問(wèn)題

未來(lái)的地面可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人是一個(gè)多關(guān)節(jié)和具有冗余自由度的復(fù)雜系統(tǒng)。一個(gè)功能齊全的地面移動(dòng)機(jī)器人，機(jī)械本體必須結(jié)構(gòu)緊湊、配置合理。應(yīng)該更多地考慮采用先進(jìn)的材料，提高零件的制造精度和裝配精度。也有一部分研究者在研制人造肌肉，通過(guò)對(duì)空氣氣囊進(jìn)行充氣和排氣來(lái)帶動(dòng)關(guān)節(jié)動(dòng)作。

（5)智能控制

智能控制主要包括模糊控制、進(jìn)化計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，并且逐漸成為成熟的控制思想。其中模糊控制是以模糊集合論、模糊邏輯推理及模糊語(yǔ)言變量為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用工程技術(shù)手段來(lái)模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能，是一種大規(guī)模并行的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。

（6)能源供給和管理

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(shì)。但是，現(xiàn)在自帶能源容量有限，而且地面機(jī)器人的關(guān)節(jié)眾多，所以如何改進(jìn)驅(qū)動(dòng)源，使其體積小、質(zhì)量小而且容量大，也是機(jī)器人研制過(guò)程中必須解決的問(wèn)題。

（7)人機(jī)接口

由于未來(lái)服務(wù)機(jī)器人直接和人打交道，因此實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人之間互助、信息傳遞非常重要。必須設(shè)計(jì)得合理、方便、易于使用，也需從技術(shù)、心理學(xué)及經(jīng)濟(jì)角度來(lái)選擇用戶與機(jī)器間最佳的合作方式。

可見(jiàn)，地面機(jī)器人可以看作是由機(jī)械裝置、行為控制器、知識(shí)庫(kù)及傳感器系統(tǒng)組成的相互聯(lián)系、相互作用的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，在未來(lái)代表了一個(gè)國(guó)家的技術(shù)實(shí)力。

6 總結(jié)與啟示

服務(wù)機(jī)器人是多學(xué)科、高科技交叉融合的產(chǎn)物，涉及計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、新材料、新能源、人工智能等一系列前沿技術(shù)。地面可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人是技術(shù)難度最高同時(shí)應(yīng)用范圍又最廣的機(jī)器人，未來(lái)必將走進(jìn)戰(zhàn)場(chǎng)，成為戰(zhàn)場(chǎng)上的主力軍；也必將走進(jìn)家庭，服務(wù)人類。研究地面可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人需要持續(xù)高昂的投資，不適合作為單一企業(yè)行為推進(jìn)，需要從國(guó)家戰(zhàn)略層面加大投入。我國(guó)地面可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人雖然有一定成果，但與世界先進(jìn)水平還有一定距離。

因此，在發(fā)展戰(zhàn)略上，我國(guó)應(yīng)加大該領(lǐng)域各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)材料的研發(fā)力度，大力發(fā)展地面軍用可移動(dòng)機(jī)器人，將軍用可移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)，逐步轉(zhuǎn)化到民用領(lǐng)域，在提高我國(guó)國(guó)防力量的同時(shí)，為我國(guó)民用可移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。

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Present Situation and Development of Ground Mobile Service Robot

LI Rui?feng，LI Han?zhou
（The 16thInstitute，China Aerospace Science and Technology Corporation，Xi'an 710100)

The characteristics and application fields of ground mobile service robot are decided by the travelling mechanism，so the ground mobile service robot is divided into three categories by its travelling mechanism，as wheeled ro?bot，tracked robot and multi?legged robot.All of their development status，merits and faults are explained particular.Ap?plication prospects of humanoid robot are introduced in detail.On this basis，this paper summarizes the key technologies of ground mobile service robot such as navigation and position technology，path planning，multi?sensor information fusion technology，mechanism design and dynamic，intelligent control，energy supply and management and man?machine interface and so on.The urgency of development for ground mobile service robot is analyzed.The development strategy of military and civilian ground mobile service robot in China are proposed.

ground mobile service robot;service robot;wheeled robot;tracked robot;multi?legged robot; humanoid robot

TP24

A

1674?5558（2017)07?01275

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.01.019

李瑞峰，男，碩士，研究方向?yàn)榉?wù)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)。

2016?05?05