仿人型機(jī)器人的發(fā)展

胡艷凱

陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 西安 710300

1 仿人型機(jī)器人概述

1954年,由美國(guó)科學(xué)家George Devol研制出第一臺(tái)機(jī)器臂。至今,機(jī)器臂的發(fā)展已有超過(guò)60 a的歷史[1]。隨著近年來(lái)科技水平的提升,機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展蒸蒸日上。目前機(jī)器人涵蓋了機(jī)電、自動(dòng)化、人工智能、仿生生物學(xué)等學(xué)科,是一門多學(xué)科、綜合性的新興產(chǎn)業(yè)。在眾多機(jī)器人類型中,仿人型機(jī)器人的發(fā)展最為迅速。與其它機(jī)器人相比,仿人型機(jī)器人具有更多的自由度,對(duì)環(huán)境具有更靈活的適應(yīng)性,其動(dòng)作設(shè)定更接近人類,受到學(xué)者們的青睞。

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始,我國(guó)開(kāi)始致力于機(jī)器人的研究制造,由于當(dāng)時(shí)科研水平和知識(shí)儲(chǔ)備的限制,發(fā)展比較緩慢。最近5～10 a,我國(guó)科研機(jī)構(gòu)和高校加大了對(duì)機(jī)器人專業(yè)的建設(shè),但是目前一些高精密、高科技的核心部件依然需要依賴進(jìn)口[2]。

2015年,我國(guó)提出中國(guó)制造2025規(guī)劃,明確指出將全力發(fā)展人工智能機(jī)器人。隨著科研單位近年來(lái)對(duì)機(jī)器人的研究和制造,積累了許多關(guān)鍵技術(shù)和方法。在國(guó)家政策的大力支持下,人工智能機(jī)器人行業(yè)開(kāi)始迅速發(fā)展。

需要注意的是,雖然有了發(fā)展機(jī)器人的基本理論和技術(shù)技能,但是大部分科研機(jī)構(gòu)將機(jī)器人研發(fā)的重點(diǎn)放在機(jī)器人軟件和硬件,如控制系統(tǒng)的完善、視覺(jué)系統(tǒng)的處理等,輕視機(jī)器人本體核心機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),導(dǎo)致機(jī)器人發(fā)展出現(xiàn)不平衡,呈現(xiàn)頭重腳輕的現(xiàn)象。尤其是在仿人型機(jī)器人的研發(fā)制造過(guò)程中,需要搭載復(fù)雜繁多的控制系統(tǒng)和視覺(jué)處理系統(tǒng),與本體核心機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不匹配,使機(jī)器人的穩(wěn)定性不高,制約機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。因此,國(guó)內(nèi)機(jī)器人研發(fā)機(jī)構(gòu)需要充分認(rèn)識(shí)到我國(guó)是制造大國(guó),將研發(fā)成本投入到機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,突破傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu),發(fā)展創(chuàng)造出具有更高性能、更容易操作的核心機(jī)件,同時(shí)匹配多功能的軟硬件,這樣才能提高機(jī)器人產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

目前,發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)機(jī)器人的研究非常成熟,機(jī)器人功能越來(lái)越強(qiáng)大,能夠?qū)崿F(xiàn)的姿態(tài)也越來(lái)越多。典型復(fù)雜自由度機(jī)器人如圖1所示。美國(guó)研究制造的ATALS機(jī)器人,整機(jī)搭載28個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī),可以完成從環(huán)境起點(diǎn)到終點(diǎn)的指定動(dòng)作。日本研究制造的HRP-4C機(jī)器人,全身具有30多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī),僅面部就由8個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng),與人類的動(dòng)作高度類似,但是面部表情動(dòng)作和平衡依然不穩(wěn)定。復(fù)雜繁多的軟件和硬件與機(jī)器人本體核心機(jī)械結(jié)構(gòu)的匹配非常困難,僅僅依靠傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)。

圖1 典型復(fù)雜自由度機(jī)器人

另一方面,仿人型機(jī)器人相比普通機(jī)器人具有更高的非線性,其運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的相關(guān)耦合更為復(fù)雜。在機(jī)器人快速發(fā)展的時(shí)代,只有對(duì)仿人型機(jī)器人的核心機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行突破創(chuàng)新,才能更好地搭配高科技控制芯片,進(jìn)而提高機(jī)器人系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性。

2 國(guó)外仿人型機(jī)器人的發(fā)展

仿人型機(jī)器人經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展,從只能站立到蹣跚前行,再到具備一定的自主學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃的功能,能夠完成跑步、跳躍、翻越等動(dòng)作,并且能夠模仿越來(lái)越多的人類日常行為。

最早的仿人型機(jī)器人是由日本科學(xué)家加藤一郎研制的雙足機(jī)器人,取名為WABOT-Ⅰ[3],僅能實(shí)現(xiàn)步態(tài)行走和與人簡(jiǎn)單交流的功能。目前已經(jīng)發(fā)展到第二代WABOT仿人型機(jī)器人,能夠自由用日語(yǔ)與人交流,并具有獨(dú)自彈琴演奏的能力。WABOT仿人型機(jī)器人的成功推出,激發(fā)了科學(xué)家對(duì)仿人型機(jī)器人的研究興趣,越來(lái)越多的國(guó)際知名研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者開(kāi)始研究推出仿人型機(jī)器人產(chǎn)品。

在仿人型機(jī)器人領(lǐng)域中,發(fā)達(dá)國(guó)家,尤其是日本具有非常成熟的理論方法和研發(fā)技術(shù)。隨著國(guó)際科技水平的普遍提高,其它國(guó)家也相繼推出了具有代表性的仿人型機(jī)器人。

日本本田公司和大阪大學(xué)在1986年聯(lián)合研制出了P1機(jī)器人,具有基礎(chǔ)步態(tài)動(dòng)作。在此基礎(chǔ)上,又推出了P2和P3機(jī)器人,具有穩(wěn)定的雙足步態(tài)行走功能。而且P3機(jī)器人在P2機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行了輕量化,使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與人類更為相似[4]。2000年,本田公司推出了ASIMO智能機(jī)器人,具有30多個(gè)自由度,不僅能夠進(jìn)行圖像識(shí)別和路徑規(guī)劃,而且可以做出不同的面部形態(tài)與人類進(jìn)行交流。日本代表性仿人型機(jī)器人如圖2所示。

圖2 日本代表性仿人型機(jī)器人

除日本外,美國(guó)作為世界上科技水平領(lǐng)先的發(fā)達(dá)國(guó)家,在仿人型機(jī)器人的發(fā)展上也獨(dú)具特色。美國(guó)第一臺(tái)仿人型機(jī)器人是由通用汽車公司研制的Rig雙足機(jī)器人。在此基礎(chǔ)上,華人科學(xué)家鄭元芳推出SD-2機(jī)器人,能夠掌握動(dòng)態(tài)平衡,并完成一些簡(jiǎn)單的步態(tài)動(dòng)作[5]。波士頓動(dòng)力公司在2009年研制出了能夠四處活動(dòng)的Petman機(jī)器人,主要用于軍事活動(dòng)和軍事裝備[6]。該款仿人型機(jī)器人一經(jīng)問(wèn)世,就代表了仿人型機(jī)器人的領(lǐng)先水平。

美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克力分校在2015年開(kāi)發(fā)了Darwin機(jī)器人,具有高度自主學(xué)習(xí)的能力,通過(guò)自主學(xué)習(xí)和調(diào)整,最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)步行[7]。美國(guó)代表性仿人型機(jī)器人如圖3所示。

圖3 美國(guó)代表性仿人型機(jī)器人

19世紀(jì)末期,德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)研制出兩款外形類似并且功能強(qiáng)大的仿人型機(jī)器人,如圖4所示。這兩款仿人型機(jī)器人腳底裝有特殊的傳感器,能夠通過(guò)傳感器收集環(huán)境信息,進(jìn)行自主路徑規(guī)劃,達(dá)到主動(dòng)避障的效果,從而實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的避障行走功能[8]。

其它國(guó)家在仿人型機(jī)器人領(lǐng)域也各有成果。由伊朗德黑蘭大學(xué)研制的Surena3機(jī)器人具有超強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力,在惡劣的環(huán)境中,仍然能夠保持自身動(dòng)作的平衡。法國(guó)奧德巴朗機(jī)器人公司打造并推出的Romeo服務(wù)型機(jī)器人,能夠照顧人們的日常起居。

圖4 德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)仿人型機(jī)器人

3 我國(guó)仿人型機(jī)器人的發(fā)展

我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)起步較晚,但是隨著科技的迅猛發(fā)展,正在逐漸縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距[9]。近些年,我國(guó)在仿人型機(jī)器人領(lǐng)域中形成了以高校、科研院所為主要隊(duì)伍的科研團(tuán)體,取得了豐碩的科研成果和產(chǎn)品。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)推出的HIT系列機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展到第二代,相比第一代僅能夠完成簡(jiǎn)單步行動(dòng)作,第二代能夠完成自主學(xué)習(xí)、路徑規(guī)劃、避障等動(dòng)作,如圖5所示。第三代和第四代也正在努力研發(fā)中,第四代在研發(fā)初期就設(shè)定了30多個(gè)自由度,能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)動(dòng)作平衡、躲閃避障等功能[10]。國(guó)防科技大學(xué)在2000年推出的先行者機(jī)器人,一經(jīng)問(wèn)世就引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。先行者機(jī)器人如圖6所示,身高為140 cm,質(zhì)量為20 kg,具有動(dòng)態(tài)步行和與人溝通的能力,可以在陌生的環(huán)境中進(jìn)行圖像識(shí)別、路徑規(guī)劃,并完成平衡性動(dòng)作。

北京理工大學(xué)自主研發(fā)打造的匯童系列機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外也產(chǎn)生一定的影響力,目前已經(jīng)研發(fā)到第五代,具有極高的仿人特性。其中,第四代外表以實(shí)驗(yàn)室老師為原型打造,與人類外觀極度相似。第五代還能夠與人類打乒乓球,完成200個(gè)回合[11]。匯童系列機(jī)器人如圖7所示。

其它科研院所和單位在仿人型機(jī)器人的發(fā)展中也取得了一定的成果。2015年,優(yōu)必選公司推出Alpha2機(jī)器人,是第一臺(tái)搭載安卓操作系統(tǒng)的仿人型機(jī)器人,能夠進(jìn)行圖像處理、動(dòng)態(tài)自主平衡,可以安裝各種應(yīng)用軟件,實(shí)現(xiàn)不同的功能。北京航空航天大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)的仿人型機(jī)器人則主要應(yīng)用在我國(guó)的航空航天事業(yè)中。

國(guó)內(nèi)仿人型機(jī)器人的發(fā)展表明,我國(guó)在仿人型機(jī)器人領(lǐng)域的理論方法和技術(shù)能力已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平,我國(guó)成為世界上第二個(gè)完全掌握仿人型機(jī)器人研發(fā)設(shè)計(jì)和軟硬件控制技術(shù)的國(guó)家[12]。

圖5 HIT系列機(jī)器人

圖6 先行者機(jī)器人

圖7 匯童系列機(jī)器人

4 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著科技水平的不斷發(fā)展,機(jī)器人行業(yè)發(fā)展迅速。仿人型機(jī)器人作為機(jī)器人行業(yè)中最具代表性的一種類型,深入人們的日常生活。在國(guó)家政策大力支持下,仿人型機(jī)器人發(fā)展前景廣闊。隨著前期理論知識(shí)和技術(shù)技能的積淀,我國(guó)已經(jīng)具備了與發(fā)達(dá)國(guó)家相當(dāng)?shù)膶?shí)力,未來(lái)需要加大對(duì)機(jī)器人本體核心機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新研究,提高整體穩(wěn)定性。