面向作业与人工智能的仿人机器人研究进展

面向作业与人工智能的仿人机器人研究进展

卢浩飞

（绵阳职业技术学院机电系机电一体化专业四川绵阳621000）

摘要：在机器人的研发过程中主要以以人类的步行、肢体灵活度、面部表情、思维意识等为基础，对其进行深入研究和加工制作，进而研究出更加智能，与人类更加相似的智能机器人。通过回顾机器人的发展历程，了解机器人研究中的每一个进展，在多次探索研究中促进现代智能机器人的发展。在未来的社会生活中，机器人将取代大量的人类劳动，是人类日常生活中的重要组成部分。

关键词：仿人机器人；智能；双足步行；多手指

引言：随着第一台机器人的问世与发展，在国际上掀起了机器人研究的热情。在机器人研究的过程中，将机械、计算机、电子信息、神经学等多个学科的内容进行融合，进而研究出更加智能、灵活、面部表情丰富的机器人。机器人的研究成果不断应用到实践领域，推动机器人制造和相关制造行业的发展，产生连锁的带动效应。

1早期机器人的主要应用技术

1.1双足稳定动步行控制技术

在1971年，加藤一郎教授成功地研制出了第一台双足步行机器，并且在程序的操控下可以静步行走，初具机器人模型。在研制成功之后的30多年中，世界各国学者、研究机构、企业等人员对稳定双足动步行理论和控制技术进行深入研究，奠定了机器人发展的理论基础，其理论的应用具体表现在如下三个方面：一是对地面力的反射情况进行控制；二是对机器人的着脚位置进行控制；三是控制机器人的姿势，保持其步调与身体的协调性。

1.2全自立仿人机器人集成

在加藤一郎教授研究第一台双足步行的机器人之后，一直到1996年以前，专家学者利用气动、电动、液压等多种原理，将其应用到研究体系中，进而制作出多种双足步行机器人。但此阶段所研究制作的机器人结构较为复杂，身体庞大，很难对其进行数据设定，进而让机器人保持快速、平稳的运行状态[1]。随着技术、生产工艺和原材料的进步，在高性能交/直流伺服电动机和驱动技术的发展基础之上，并且在制作机器人的过程中广泛应用铝、镁合金轻质材料，促使机器人的整体重量降低，刚度不断提升，同时通过新工艺和新技术的应用，集成化设计与制造的仿人机器取得了加好的研究成果，从理论逐渐向现实迈进。

1.3仿人表情机器人

机器人不仅仅是一个机器，更要像人一样具有表情，通过表情传递不同的信息。为了让机器人具有更加丰富的表情，在人类面部表情编码系统的基础之上原文雄研制了具有6种面部表情的机器人，推动机器人向智能化的方向迈进。在第一台具有面部表情的机器人问世之后，早稻田大学在1996年推出WE-3R、WE-3RⅡ等多个带有不同面部表情的机器人，新推出的机器人还具有嗅觉、听觉等感知功能。同时早稻田大学所推出的多种面部表情机器中也在人工肺、光强感受、触觉感知等多个方面进行深入研究，提高了机器人的智能型。随后仿真人演讲的机器人，具有视觉、听觉机能的能够与人类进行交流的机器人问世，至此机器人具有人工情感。

1.4仿人多指灵巧手

多指灵巧手最初设计是源于对人类失去手指，无法正常工作的思考，进而满足其对假手的强烈需求基础之上的研究设计。但随着工业的生产与发展，利用机器人手来从事相关的工作内容，不仅代替了人过年来操作多项工作，而且提高了生产效率，减少人为操作失误所造成的损失。在1974年，三指灵巧手OKADA首次面向公众，随后在1984年，四指灵巧手Utah-MIT问世，随后世界多个国家和研究中心推出三指手、四指手和五指手。

1.5多移动方式了类人猿机器人

吴伟国博士从类人猿动物中的动作画的启发，专攻双足和四足步行的多移动方式类人猿型机器人，在1999年推出GorillarobotⅠ型机器人，对其步行方式进行控制，并且通过系统控制转其步行方式[2]。此种机器人的研究和设计方式为仿生仿人机器人的发展提高了发展思路和设计理念，并为其研发的深入做好技术铺垫。

2仿人机器人的研究

2.1伺服电动机和谐波传动机器人的研究

2.1.1本田技研“ASIMO”

ASIMO是由本店公司研发，此机器人重量为48kg、高度为1.3m，初具人体模型，并且该机器人共有54个自由度，其不仅能够平稳的站立和行走，并且每小时的不行速度高达9km/h。Chestnull对ASIMO进行深度研究和开发，进而提高其收集环境周围信息，躲避障碍物的能力，促使机器人安全地通过动态环境。

2.1.2“HRP”系列

HRP系列机器人的研发工作耗时五年，从第一台虚拟仿人机器人HRP-1问世之后，不断加大其软件和硬件研发力度，推动HRP-2版本机器人的研发成功。HRP系列研究工作的开展，对机器人的研发和续期实验起到了巨大的推动作用，有研究学者针对HRP系列所取得的成功进行设想，指出未来社会仿人机器人将走进生产生活的多个领域，在工厂中从事生产、维修和设备看护工作，在家庭中与人写作，为家庭提供安全服务，同时也将应用到建筑生产等多个领域中。

2.1.3WABIAN-2、KOBIAN、KOBIAN-Ｒ

加藤教授在研制仿人双足机器人之后，成立研究室，与团队经过多年的研发，成公敌研制出WABIAN-2、KOBIAN等多款机器人，其内部机构更加精细，对外界的感知和面部表情更加丰富，其行走过程中稳定性较好[3]。同时研究人员所研发的KOBIAN、KOBIAN-Ｒ机器人为成年女性头像，并且具有微笑、惊讶、惊奇、生气四种面部表情。

2.2绳索肌腱驱动的肌肉骨骼型新型仿人机器人

受到人体的线性和肌肉驱动的启发，提高机器人的关节的柔顺度，降低震动对机器人的影响，并且最大限度缓冲机器人所产生的损伤，让机器人平稳运行，早稻田大学所研制的WL-14采用钢丝绳驱动的方式，运用非线性弹簧的方式来调整机器人的步行方式，不仅保证其平稳性，同时也降低机器人的能耗。再此研究基础之上，多自由度、柔性可变、多感知机能的机器人逐渐面向社会大众，并且随着研发的深入，在电流、温度、扬声器等方面取得了多项研究成果，推动机器人与人体结构更加相似。

2.3气动人工肌肉驱动仿人机器人

通过运用纵横比例产生轴线位移的方式来牵拉机器人的关节，并且通过动力学参数来协调机器人的肌肉能力，进而建立人工肌肉驱动的方式来建立仿真机器人。现阶段受到技术水平的限制，气动驱动装置下所制作的机器人，反应能力较慢，误差较大，很难实现书案组步行[4]。同时单个气功人工肌肉的动力水平较低，无法驱动机器人周身的关节，机器人不仅构造复杂，而且加剧了机器人的运行成本。

结论：通过对机器人的发展历程进行研究，了解机器人早期的研究方式和方法，其研究的创意来源。学者、企业借助现代工艺和先进的理论，多次对机器人系统进行改进，从最初的双足行走机器人到具有面部表情，再到对外界进行感知、越过障碍，再到与人类进行简单的交流，现阶段机器人更加逼真，表情更加丰富，并其将其应用到生产和生活等多个领域。机器人的应用不仅代替人工来从事劳动内容，同时利用其机械性能来从事人类无法完成的工作内容，推动了人类的发展与进步。

参考文献：

[1]王国彪，陈殿生，陈科位，张自强.仿生机器人研究现状与发展趋势[J].机械工程学报，2015，13：27-44.

[2]吴伟国.面向作业与人工智能的仿人机器人研究进展[J].哈尔滨工业大学学报，2015，07：1-19.

[3]任福继，孙晓.智能机器人的现状及发展[J].科技导报，2015，21：32-38.

[4]谭民，王硕.机器人技术研究进展[J].自动化学报，2013，07：963-972.