类人机器人的研究现状及展望

陈兵骆敏舟,冯宝林陈赛旋

（1.中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽合肥，230027；2.中科院合肥物质研究院先进制造技术研究所，江苏常州，213164；3.常州大学机械工程学院，江苏常州，213016）

类人机器人的研究现状及展望

陈兵1骆敏舟1,2冯宝林2陈赛旋3

（1.中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽合肥，230027；2.中科院合肥物质研究院先进制造技术研究所，江苏常州，213164；3.常州大学机械工程学院，江苏常州，213016）

机器人是近年来发展起来的一个多学科和技术相交叉结合的应用领域，类人机器人是研究热点之一。类人机器人技术汇集了当今世界在机电、材料、计算机、传感器、控制技术、人工智能、仿生科学、思维科学、心理学以及理论语言学等多个学科领域的尖端技术。本文主要介绍目前国内外类人机器人的研究现状，分析各典型类人机器人的自由度分布，同时对类人机器人的理论研究现状做简单介绍，对目前研究存在的问题做分析，提出类人机器人未来的发展方向。

类人机器人，双足步行，自由度，稳定性

1 引言

机器人已成为21世纪具有代表性的高技术研究课题，综合涉及机械科学、电子学、力学，仿生学、控制论、计算机技术、人工智能、系统工程等多学科领域。1920年捷克作家卡雷尔●卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》，人类社会从此开始有了“机器人”这一概念。在该剧中，机器人“Robota”是剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳动力。随着科学技术发展，机器人的含义在不断地拓宽着，现代的机器人已跨出了结构化环境的生产车间，向着人类生活的诸多方面渗透。

人类一直希望创造出和人类构造相似、能与人类合作的类人型机器人，类人机器人是一种具有人的外形，并能够效仿人体的某些物理功能、感知系统及社交能力，并能承袭人类部分经验的机器人。类人机器人的典型特点是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节，并以执行装置代替肌肉实现对身体的支撑及连续地协调运动，实现双足行走。因双腿直立行走是人类特有的步行方式，故仿人行走是机器人行走方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。

步行机器人包括双足、四足、六足和八足机器人等，与轮式机器人、履带机器人及其他足式机器人相比，类人机器人具有更高的灵活性和独特的优势，主要特点如：类人机器人具有人类相似的外形和拟人化的移动特性，更容易被使用者接受；类人机器人对步行环境要求很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力[1-2]；通过研制步行机制，可以为医疗康复机构提供一套能够服务于伤残病人（下肢瘫痪和截肢者）的类人行走机构[3]；类人机器人的双足系统是一个不稳定系统，其动力学特性极其复杂，具有多变量、非线性、强耦合和变结构等特点，所以它是研究人工智能问题和先进控制算法的良好平台；类人机器人具有广阔的工作空间，由于行走系统占地面积小，活动范围很大，其上配置的机械手具有更大的活动空间。

类人机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统，对机器人的机械结构及驱动装置提出了许多特殊要求。类人机器人的研究是多学科的交叉、综合与提高。机械工程师、电子学家、计算机专家、机器人学家、人工智能专家、生物学家、心理学家、语言学家、物理学家、认知学家、神经生物学家甚至哲学家和艺术家等都有参与其研究。

2 类人机器人研究现状

类人机器人的研究始于1960年，早在1968年，美国通用公司的RSmo-sher试制了一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人，揭开了类人机器人研究的序幕。1969年，南斯拉夫的著名科学家M. Vukobratovic提出了一种重要的研究类人机器人的理论，即ZMP稳定判据，这是类人机器人研究的基础。世界第一台像人的现代机器人是在1973年由Waseda大学科学工程系生物工程研究组开发的，它被命名为WABOT-1。

2.1 国外研究现状

2.1.1 美国研究现状

美国是机器人发展较早的国家之一，1968年，美国通用公司的RSmo-sher试制了名为“Rig”的操纵型双足步行机器人。1999年美国麻省理工学院研制出了类人机器人COG，由头、躯干、胳膊及双手组成，它是人和人工智能等领域的一个平台。2005年，麻省理工学院研制出具有29个自由度的机器人Domo。密歇根大学和其他研究机构合作研制的具有双腿的机器人Rabbit，如图1所示，不但可以像人一样走路，还具备奔跑的潜能，拥有较简单的机械结构[4-6]。

2010年，代表美国参加RoboCup比赛的机器人CHARLI-L是美国第一台真正意义上的类人机器人，如图2所示，由吉尼亚理工大学制作，它没有远程电源或遥控计算机，身高约1.52m，有胳膊有腿，走起路来像人一样左右迈步。

图1 Rabbit机器人

图2 CHARLI-L机器人

美国波士顿动力公司研制出类人机器人Petman[7]，如图3所示。Petman是美军类人机器人中的佼佼者，它的职能是为美军实验防护服装。波士顿动力公司承诺说Petman能维持平衡，灵活行动，当它在跑步机上奔跑时受推挤力也不会被推翻，可以完成行走、匍匐以及应对有毒物质的一系列动作，还能调控自身的体温、湿度和排汗量来模拟人类生理学中的自我保护功能，从而达到最佳的测试效果。整个Petman 使用了液压技术，使得它能够做出近似人类的动作，它高1.75米，重80kg，奔跑速度能够达到7km/h。

2.1.2 日本研究现状

日本的Waseda大学研究类人机器人已有将近40年的历史，其机器人研发分为两个阶段：WABOT和WABIAN。WABOT项目于1973年研制出类人机器人WABOT-1，它是世界上第一个类人形机器人；1984年研发了WABOT-2，这款机器人可以弹琴。1992年Waseda大学制定了类人机器人研发计划，1995年Waseda大学的类人工程制造出第一个原型——Hadaly-1，1997年又研发出双足行走机器人WABIAN，WABIAN系列的WABIANRII机器人高1.84m，重127kg，有43个自由度，分布情况为：每条腿6个，每只胳膊10个，颈部4个，眼睛4个，躯干3个；该系列的WABIAN-RIV机器人，自由度分布为：每条腿7个，每条胳膊7个，腰部2个，躯干2个；其研制的最新机器人WABIAN-2R，如图4所示，高1.48m，重63.8kg，有41自由度，可以实现像人一样行走时用脚跟触地和用脚趾离地，脚趾采用被动关节连接，通过双脚的滑动实现机器人快速转弯，并通过实验证明滑动转弯比抬腿转弯消耗的能量更少，尤其是机器人脚部设计了类人脚的足弓，机器人行走时通过足弓的变化实现在脚着地阶段可以缓冲地面对脚的冲击、在脚离地阶段可以对脚产生推力 [8-10]。

图3 Petman机器人

图4 WABIAN-2R机器人

本田类人机器人研究开始于1986年，并于1996年11月展示了一个有双腿双臂的类人型机器人P2。P2关节数量是行走需要的最少数量，高1.82m，宽0.6m，重210kg，双腿共12个自由度：髋关节3个，膝关节1个，踝关节2个。同年又推出可自行上楼梯的人形机器人P3；2000年推出可自由转向的人形机器人；2004年12月发布的新型ASIMO Type-R已经能够达到6km/h的奔跑速度以及迂回行走。2006年发布的ASIMO机器人，如图5所示，除具备行走功能与各种人类肢体动作之外，更具备了人工智能，可以预先设定动作，还能依据人类的声音、手势等指令，执行相应动作，此外，它还具备基本的记忆与辨识能力。ASIMO高1.2m，重52kg，行走速度为0～1.6km/h，单手抓力达0.5kg，自由度总数达34个，分布情况为：头颈部3个，肩关节3个，肘关节1个，腕关节3个，五根手指2个，腰部1个，髋关节3个，膝关节1个，踝关节2个。最新的ASIMO机器人已具有自主导航能力，视觉系统可以让其在一个存在运动障碍物的动态环境中实现自主避障，并且可以帮助儿童学习[11-12]。

日本产业技术综合研究所（METI）从1998年开始实施类人机器人项目，于2002年研制出了HRP系列机器人，HRP-2高1.539m，宽0.621m，重58kg；共有30个自由度：头颈部2个，每条胳膊6个，每只手1个，腰部2个，每条腿6个；行走速度达到2.5km/h。METI研制的HRP-3机器人具备防尘防水结构，在100mm/h的大雨中也可工作，而且在摩擦因数为0.1、相当于易滑冰面的路面上，也能以1.5km/h的速度行走。METI最新研制的HRP-4机器人，如图6所示，高1.51m，重39kg，有34个自由度，每条胳膊有7个自由度，HRP-4的设计理念就是价格低，能耗小，重量轻，体型苗条，有更好的操作能力[13-14]。

图5 ASIMO机器人

图6 HRP-4机器人

日本索尼公司于2000年推出了娱乐型类人机器人SDR-3X，它高0.5m，宽0.22m，重5kg，有24个自由度，其中头部2个，躯干2个，每条胳膊4个，每条腿6个。2003年，索尼公司推出第一个会跑的双足娱乐机器人SDR-4XII，索尼公司定义的跑是指机器人行走时双足处于离开地面的非接触状态，并不是那种一定要某只脚接触地面的快步行走（类似于竞走运动）。SDR-4XII高0.58m，宽0.27m，重7kg，有38个自由度，在行走时可以有约20ms的时间不接触地面[15]。

2.1.3 韩国研究现状

2002年1月，韩国科学技术院（KAIST）的吴俊浩教授开始类人机器人的研发，当年8月研制出韩国第一个类人机器人KHR-1的机身，2003年1月研制出能步行的KHR-1。KHR-1高1.2m，重48kg，具有21个自由度：腿部12个，胳膊上8个，躯干1个，没有手和头部。2004年研制出KHR-2机器人，KHR-2高1.2m，重54kg，有41个自由度，分布状况为：头部6个，手臂8个，手掌14个，腰部1个，下肢12个，能像人一样在房间中行走。

2004年12月，韩国科学技术院又宣布成功开发出新型智能机器人KHR-3，即HUBO，这是该机构研制的最新类人机器人，如图7所示。HUBO机器人高1.25m，重55kg，行走速度为0～1.25km/h，单手抓力为0.5kg。HUBO具有41个自由度，分布情况为：颈部2个，每只眼睛2个，躯干1个，肩关节3个，肘关节1个，腕关节2个，五根手指各1个，髋关节3个，膝关节1个，踝关节2个。目前，HUBO机器人手指的三自由度关节由一个硅胶驱动器和一个电磁锁机制联合驱动，在同样合适的抓取力度情况下，提高了抓取精度[16-17]。

除美国、日本、韩国外，其他国家也在进行类人机器人的研究。德国慕尼黑技术大学应用力学实验室的Johnnie类人机器人有17个自由度，高1.8m，重40kg，每条腿有6个自由度(踝关节2个，膝关节1个，髋关节3个)，手臂有2个自由度。比利时研制了采用气动肌肉驱动的类人机器人Lucy，机器人重30kg，高1.50m，每条腿有6个自由度，采用12个气动肌肉控制。法国的类人机器人BIP2000是由法国的INRIA和Laboratoirede Mecaniquedes Solides实验室共同开发的，BIP2000没有头和手臂，全身共有15个主动关节和2个被动关节，2个被动关节位于脚上。此外，还有英国加藤实验室推出的WL系列机器人，加拿大的类人机器人HR6，等等。

2.2 国内研究现状

与国外相比，我国从20世纪80年代中期才开始研究类人机器人，但国内类人机器人的研究在863计划和自然科学基金的支持下也持续开展了多年。

哈尔滨工业大学自1985年开始研制类人机器人，早期的机器人没有头部和双臂，到1995年研制成功了HIT-1、HIT-2和HIT-3三个型号。1995年研制成功的HIT-3类人机器人，上身和脚掌安装了三维微型加速度传感器，足底有二维力矩传感器，每条腿有6个自由度（髋关节3个、膝关节1个、踝关节2个）。2004年6月，哈尔滨工业大学研制成功能用脚踢球的双足类人足球机器人。机器人高0.5m，有17个自由度，最大步行速度为0.05km/h，每条腿具有6个自由度（髋关节3个、膝关节1个、踝关节2个），不带电缆，可以像人一样行走、爬楼梯和避让障碍。

国防科技大学在1988年至1995年间，先后研制成功平面型6自由度类人机器人KDW-I、空间运动型机器人KDW-II和KDW-III。KDW-III下肢有12个自由度，最大步距为0.4m，步速为每步4s，可实现前进、后退和上、下台阶的静、动态步行和转弯运动。2000年，在国防科技大学诞生了我国独立研制的第一台具有人类外观特征，可以模拟人类行走与基本操作功能的平面类人机器人“先行者”，如图8所示。“先行者”高1.4m、重20kg，具有类人的下肢和简化的上肢，总共15个自由度；可以实现原地扭动、平地前进、后退、左右侧行、左右转弯等动作。随后，国防科技大学又研制出新型类人机器人，有36个自由度，每条腿6个，每条胳膊6个，手部5个，头2个，其下肢各个关节有位置传感器，足部有多维力/力矩传感器。

图7 HUBO机器人

图8 机器人“先行者”

北京理工大学于2002年12月研制成功我国第一个真正意义上的类人机器人BHR-1。BHR-1高1.58m，重76kg，有33个自由度：每条腿有6个，每条胳膊有7个，头部3个，手指有2个；其步幅为0.33m，速度为1km/h，机器人手、脚可以实现360°的旋转。在BHR-1基础上改进的BHR-2高1.6m，重63kg，共有32个自由度，分配情况为：每条腿有6个（髋关节3个、膝关节1个、踝关节2个）；每条手臂有6个（肩关节3个、肘关节1个、腕关节2个）；每只手有3个；头部有2个。目前BHR已经研制到第3代“汇童”，如图9所示，“汇童”高1.6m，重63kg，它是具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能的类人机器人，突破了类人机器人的复杂动作设计。“汇童”的研制成功标志着我国已经掌握了集机构、控制、传感器、电源于一体的高度集成技术。

我国其他一些高等院校和研究机构也在近几年投入了相当多的人力物力进行类人机器人的研制工作，如清华大学于2002年研制的类人机器人THBIP-1，如图10所示，上海交通大学于1999年研制的类人机器人SFHR，等等。

图9 机器人“汇童”

图10 机器人THBIP

3 类人机器人理论研究

上世纪60、70年代，全球开始了类人机器人全面、系统的研究，并产生了三种非常重要的控制方法：有限状态控制、算法控制和模型参考控制。这三种控制方法对各种类型的步行机器人都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出来的，算法控制是由南斯拉夫米哈依罗●鲍宾研究所著名的机器人学专家Vukobratovic博士在1969年至1972年间提出来的，模型参考控制是由美国的Farnsworth在1975年提出来的。

在类人机器人的发展史上，Vukobratovic博士贡献很大。他提出了用欧拉角描述双足步行系统的通用数学模型；指出了由于步行系统的动态性能和控制性能的特殊性，用一般控制理论不能满意地解决人工实现步行的问题，并由此提出了算法控制的概念；研究了双足步行系统在单脚和双脚支撑期间机构的特点，建立了从运动副组合到关节力矩计算等各项运算的K1NPAIR算法，分析了双足步行系统的姿态稳定性，并提出了相应的姿态控制算法；对双足步行系统进行了能量分析和频率分析。对于双足步行的能量分析，他仅限于导出各关节及整个步行系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题。他得出了一个有用的结论：步行姿态越平滑，双足步行系统所消耗的功率就越少。1972年，他和Stepanenko博士一起提出了“零力矩点ZMP(Zero moment Point)”的概念，为有效地控制类人机器人的运动开辟了一条崭新的途径[18]。

在类人机器人的稳定性研究方面，美国的Hemami等人曾提出将双足步行系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子，从而可以将双足步行的前进运动解释为使振子直立移动的问题。为了减小控制的复杂性考虑，Hemami等人还曾就双足步行机器人的“降阶模型”问题进行了研究。

美国的Jacobson和Chow是最早采用最优理论来研究类人机器人的双足步行系统。1990年，美国Ohio大学的Y.F.Zheng等人提出了用神经网络实现类人机器人动态步行的观点，实现了类人机器人的动态学习[19-20]。

在步态研究方面，苏联的Bessonov和Umnov定义了“最优步态”，Kugushev和Jaroshevskij定义了“自由步态”。这两种步态不仅适应于双足而且也适应于多足步行机器人。

近年来，随着智能控制、人工智能、机器学习等技术的发展，—些基于软计算的步态模式生成也得到了广泛的应用，主要包括模糊逻辑、神经网络、强化学习和遗传算法等。

在步行模式方面的研究中，日本加藤一郎教授等人于1980年提出了准动态步行的概念[21]，这是一种介于静态步行和动态步行之间的步行方式。它既具有静态步行的特点又具有动态步行的特点，其步速要比静态步行快，而实现起来又不像动态步行那样困难。

4 目前类人机器人研究的技术难点及未来的发展方向

类人机器人的研究虽然取得了很多的研究成果，但目前类人机器人的双足行走速度、稳定性及自适应能力仍不是十分理想。真正意义上的类人机器人不仅要做到形状与人类似，具有移动操作功能、感知功能，更要有记忆和自治能力，能够实现人—机交互，甚至表达感情和某些生态上的能力。

笔者认为，未来的类人机器人发展应在以下几个方面努力：

1）结构上的多自由度设计：类人机器人是一个多自由度机构，尤其是腿部的自由度数直接决定了双足步态的灵活性。但为了结构上拟人以及控制的简便，应将多个自由度的旋转轴线设计为十字交叉型；考虑到不同用途机器人对不同机器人结构方案的开放性要求，运用模块化设计思想，对机器人结构进行模块化设计。

2）设计体积小和重量轻机器人关节：必须使设计的机器人关节像人一样体积小、重量轻，这样才能真正实现机器人类人的外形。

3）研制新型关节驱动器：类人机器人的自由度多达十几、几十个，驱动器已不局限于传统的几种方式，研制驱动速度快、负载能力强的驱动器已是一种趋势，如形状记忆合金驱动、压电陶瓷驱动，等等。

4）稳定性与控制：稳定性与控制策略是类人机器人技术的关键，主要有双足运动的动态稳定与控制机理、双足步行运动的固有鲁棒性机理、实时行走控制、手部操作的最优姿态控制、自身碰撞监测、三维动态仿真、运动规划和轨迹跟踪等。

5）人机接口设计：目前研制的类人机器人还不能摆脱人的控制而独立工作，因此，良好的人机协调系统在机器人的工作中将起到非常重要的作用。

6）研制新材料电源：理想的能源应该具有十分高的能量密度、耐高温、耐腐蚀、可再生及成本低等。目前类人机器人一般采用有源动力理论设计，因此，采用体积小、重量小、而又容量大的新材料高效电源降低电源重量，延长持续行走时间是类人机器人发展应该努力的一个方向。

7）被动式类人机器人的研究：Mogeer在1989年提出了“被动动力步行”概念，完全不用驱动也不用控制的机器人也能够实现稳定的步行运动。被动动力步行机器人的最大优点在于，能量消耗低，能够实现像人一样自然的步态。康奈尔大学研制的被动类人机器人[22]，用电机驱动，通过弹簧带动脚踝运动，其内部有5个自由度，踝关节2个，膝关节2个，髋关节1个，每条胳膊通过机械连接到相对的腿上，并且通过躯干动态的限制使它的中线平分髋关节角度。当前对被动动力类人机器人的研究还不成熟，如稳定性、倒行等还需要进一步的深入研究。

5 结论

类人机器人是研究人类智能的高级平台，是综合多种学科的复杂智能机械，是能够与人相互影响的最理想的机器人。尽管目前类人机器人的操作能力和智能水平在执行复杂任务时与人的能力相差甚远，但随着各相关科学和技术的发展，类人机器人必将越来越多地具有人类的技能，未来的类人机器人必将融入人类的生活，和人类一起协同工作，从事一些人类无法从事的工作，为人类社会带来更多的价值。

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国家重点基础研究发展计划项目（2011CB302100）；国家自然科学基金青年科学基金项目（51005223）。