周末科普 | 机器人主要分支（四）：仿人机器人

2018 年 8 月 5 日 德先生

人类在建设身边的世界时，往往以人类体征、大小和能力为依据，期望制造出和我们的复制品，从而能够更好地适应人类生活中的事物、环境和习惯。科学家发现，我们可以本能对类人的形式做出反应，人类大脑的某个区域专门用以识别人类的表情、姿势等，从而轻易做出认知反应。这表明人体所传达的信息具有普遍性，因此，模仿人类外形的仿人机器人具有潜力和人类的交流更有效率。按照定义，仿人机器人可以明显被识别为机器人，但是具有人类的一些外形特征，比如头、手臂、双足等。制造仿人机器人不仅涉及机械学、机器人学和材料学，还涉及心理学、神经科学、社会学的相关研究。

仿人机器人面临的挑战不仅在于知道外表和行为都类似人类的机器人，还需要使其具备像人类一样从事户内外活动的能力，例如上下楼梯、使用家具等。对仿人机器人的研究也不仅在于制造，仿人机器人有助于我们重新认识人类自己。因此，仿人机器人在心理学治疗，如自闭症等，以及教育和艺术领域均有很大的应用潜力。

仿人机器人开始于20世纪60年代。1968年，美国通用电气公司只做了一款操纵型双足步行机构Rig，成为世界上第一款仿人步行机构。1968年，日本仿人机器人之父加藤一郎研制出真正意义上世界上第一台仿人机器人WAP-1，该机器人没条腿具有3个自由度，包括髋、膝和踝三个关节，利用人造橡胶作为肌肉，通过启动引起肌肉搜索实现步行。1971年，加藤一郎的实验室研制出WL-5机器人，采用液压驱动，具有11个自由度，可以实现步幅15cm每步45 秒的静态步行。1973年，加藤实验室将WL-5升级为WAROT-1，假装机械手和视觉、听觉装置，该机器人实现与人交流、行走、接收命令并抓取等功能。1980年，加藤实验室推出WL-9DR机器人，实现步幅45厘米，每步9秒的准动态步行。1984年，加藤实验室又推出WL-10DR，加入了踝关节理据反馈控制，实现每步1.5秒的步行速度。1986年，该机器人升级为WL-12型，可以通过躯体运动补偿腿足运动，将步行时间缩短0.2 秒，并实现动态步行。最终，1996年，该实验室发布MeltranII型仿人机器人，装配有超声波视觉传感器以检测地面信心，并采用倒立摆控制模式实现在未知路面动态步行。

1986年，日本本田公式开始推出P系列仿人机器人，针对一般居家任务，目标在于使机器人在布满家具的房间中自由穿梭和执行任务。该型机器人共研发了3代。2000年，本田公司推出新型双足步行机器人ASIMO，相比于P系列更加轻量化，并且更贴近人类行走方式。本田公式还提出I-WALK技术使步行更加自由。具体而言，I-WALK技术增加了预测控制功能，根据运动历史可以预先计算出需要移动重心改变步态，从而使机器人在直行与转弯间切换变得更加流畅。

1990年，美国俄亥俄州立大学在SD-1型二足步行机器人中实现通过神经网络进行步态规划。该机器人的研究过程中提出了神经网络步态综合器，由轨迹综合起、自适应单元、直属库和联想单元组成。从而实现随意步行、非随意步行和学习步行3种功能。该网络结构采用多层感知机架构，有4个关节神经元和16个方向神经元作为输出，使用强化学习方法训练。可以实现离线学习和在线学习两种学习模式。2000年，索尼机器人推出仿人机器人SDR-3X，该机器人可以按照音乐节拍进行舞蹈，并配有音频识别和图像识别功能。此外，该机器人还可以进行高速度的自律运动。3年后，索尼推出QRIO机器人，该机器人是世界上第一台会跑的仿人机器人，并可实现单脚站立。索尼公司还为该型机器人加装了语音识别和视觉系统。值得一提的是，该机器在跑动中仍背负着供电电源。

国内仿人机器人的研究工作起步较晚，1988年，我国国防科技大学研制成功KDW-1平面六自由度双足机器人。并在随后将其升级为口农机运动型机器人KDW-II和KDW-III。1985年，哈工大开始研究双足步行机器人，并先后推出HIT3个型号机器人，最终可实现静态步行和动态步行，可以完成转弯、上下楼梯等复杂动作。2000年，国防科技大学研制成功我国第一台真正意义上的仿人机器人“先行者”，该机器人具有头部、躯干、眼睛和四肢，可以实现双足步行并具备语音交互能力。2002年起，北京理工大学发布第一代“汇童”仿人机器人。截至2011年，“汇童”机器人已更新到第五代，具备高速运动物体识别、全身协调反应等技术突破，可以实现对打机器人达到200回合。2011年，浙江大学研制成功“悟”“空”两款会打乒乓球的仿人机器人。通过自身携带的视觉传感器可以准确预测乒乓球的轨迹与落点，可以实现与人类对打。

近年来，仿人机器人被赋予了更高的要求，即其不仅作为机器人研究项目，还要为人类提供一定服务。当前仿人机器人按照功能可划分为高仿人形机器人、多功能人形机器人、生化机器人和场地机器人。高仿机器人顾名思义为容貌高度接近人类的机器人，并可以模仿人类表情、样貌、神态，达到以假乱真的效果。高仿机器人在心理治疗方面有潜在的应用前景。

2010年，日本大阪大学黑石浩研制了一款高仿真仿人机器人Geminoid F美女机器人，该机器人皮肤由硅胶组成，肤色逼真日本女性，可以做出包括眨眼和微笑等65种表情，远看与真人无异。被美国媒体评委最性感仿人机器人。黑石浩还以自己的样貌为原型制造了Geminoid HI-1机器人，该机器人坐在椅子上，可以环顾四周、晃动腿脚，并模仿呼吸动作。美国汉森公司研制了一款“爱因斯坦”仿人机器人。该机器人具有和爱因斯坦相仿的外貌，远看像爱因斯坦穿着宇航服的样子。它可以识别人类面部表情，如恐惧、惊喜等，也可以做出表情进行回应。汉森公司另一款Zeno机器人具有小男孩相貌，面部材料为一种与人类皮肤相近的材料Frubber制成，可以行走、做面部表情，在交谈时用眼神与人交流。韩国工业技术研究所开发的EveR-2 Muse机器人具有硅树脂皮肤，在面部、脖子和身体上下共有60个关节，可以模仿逼真的面部表情，也可以完成跳舞动作。

多功能仿人机器人通常为一个人形机器人平台，通过添加功能模块可以完成多种不同工作，如使用人类工具等。2004年，韩国科技先进研究院发布HuBo机器人，高125厘米，重55公斤，不行速度达1.2公里/小时。经过十多年的更新，如今HuBo机器人可以完成驾驶车辆、开门、使用电钻、打开阀门等工作。使用HuBo机器人的研究小组Team Kaist曾在DARPA2015机器人挑战赛中获得冠军。该挑战赛需要机器人在模拟灾难场景中完成8个主要任务。2006年，法国Aldebaran公司推出Nao机器人，并迅速风靡科研和家居娱乐领域。Nao支持多种编程模式，并于2008年成为RobCup机器人足球赛的标准平台。如今，许多基于Nao的研究展示了在Nao平台实现人机互动、舞蹈、玩电子游戏等复杂任务。

生化机器人是集生物技术、化学技术和机器人技术为一体的产物，使用生物组织取代传统的机器人驱动结构，可以更逼真的模仿人类行为。生化机器人可以作为人类为了研究假肢、机械外骨骼甚至人机一体的基础。2012年，塞尔维亚贝尔格莱德大学ETF研究小左研制出ECCE生化机器人。该机器人装配有弹性肌腱和活动关节，以模拟人类的肌肉和骨骼结构，能实现类似人类的动作。肌肉和肌腱的弹性使得机器人不再呆板僵硬，从而做出更逼真的动作。2013年，美国工程师利用人造器官、肢体和身体其他组织成功组装出可以行走的生化机器人Biotic Man。该机器人身高近2米，被植入人工心脏、肾脏等器官，以及耳膜、视网膜等感官系统，以及血液循环系统。Biotic Man拥有近65%的人类功能。

场地仿人机器人是指针对特定研究场景研发的机器人，一般用于满足太空、核电站、灾难等环境中模仿人类作业的需求。2013年，美国宇航局研制出Valkyrie机器人，高1.9米，重125公斤，具有44个自由度。该机器人由蕴含学航天中心设计和制造，参加了2013 DARPA机器人挑战赛（DRC）。该机器人被用于模拟空间机器人挑战，因而覆盖有基于泡沫的服装可以使其免受冲击。继参加了2013年比赛以后，Valkyrie团队改进了该型机器人，主要修改了双手以提高可靠性和耐用性，并重新设计了脚踝以提高稳定性。

2013年，美国DARPA资助波士顿动力公司研发了双足人形机器人Atlas。其设计初衷在于各种灾难环境中的搜救和拯救任务。机器人的一只手由Sandis国家实验室开发，另一只手由iRobot公司开发。高1.8米，重150公斤，配备有两个视觉系统、一个激光雷达和一个立体相机。手部具有精细动作能力，四肢共有28个自由度。Altas于2014年开始参加DARPA机器人挑战赛。2016年，波士顿动力公司发不了新版Atlas机器人的演示视频，视频中展示Atlas机器人具有相当好的稳定性，可以在崎岖路面和雪地中行走。2017年的视频中展示，Atlas具备搬运重物，并且能够在外力推搡和打落重物时迅速恢复平衡，另一个视频则显示Atlas机器人可以实现原地起跳后空翻并平稳落地。2018年的视频中，Atlas已经可以实现在野外奔跑的功能。

仿人机器人的研究热点主要集中在步态生成、动态稳定控制和机器人设计等方面。步态生成方法分为离线生成和在线生成，前者生成预先规划的轨迹数据用于在线控制，缺乏对环境的适应性；后者事实调整步态规划，求取各关节角的运动目标。