仿人機器人

2000年11月29日，中央電視台《新聞聯播》報道：我國首台類人型機器人研製成功。11月30日，全國各大報都在顯著位置發表了這一消息。許多人問：何為仿人型機器人？仿人型機器人的問世標誌了什麼？世界及中國仿人型機器人發展到什麼水平？大多數的機器人並不像人，有的甚至沒有一點人的模樣，這一點使很多機器人愛好者大失所望，很多人問為什麼科學家不研製像人一樣的機器人呢？其實，科學家和愛好者的心情是一樣的，一直致力於研製出有人類外觀特徵、可模擬人類行走與其基本操作功能的機器人。

由於仿人型機器人集機、電、材料、計算機、傳感器、控制技術等多門學科於一體，是一個國家高科技實力和發展水平的重要標誌，因此，世界發達國家都不惜投入巨資進行開發研究。日、美、英等國都在研製仿人形機器人方面做了大量的工作，並已取得突破性的進展。日本本田公司於1997年10月推出了仿人形機器人P3，美國麻省理工學院研製出了仿人形機器人科戈（COG），德國和澳洲共同研製出了裝有52個汽缸，身高2米、體重150公斤的大型機器人。本田公司最新開發的新型機器人“阿西莫”，身高120釐米，體重43公斤，它的走路方式更加接近人。我國也在這方面作了很多工作，國防科技大學、哈爾濱工業大學研製出了雙足步行機器人，北京航空航天大學、哈爾濱工業大學、北京科技大學研製出了多指靈巧手等。

仿人機器人要能夠理解，適應環境，精確靈活地進行作業，高性能傳感器的開發必不可少。傳感器是機器人獲得智能的重要手段，如何組合傳感器攝取的信息，並有效地加以運用，是基於傳感器控制的基礎，也是實現機器人自治的先決條件。仿人機器人研究在很多方面已經取得了突破，如關鍵機械單元，基本行走能力，整體運動，動態視覺等，但是離我們理想中的要求還相去甚遠，還需要在仿人機器人的思維和學習能力，與環境的交互，軀體結構和四肢運動，體系結構等方面進行更進一步的研究。

現有仿人機器人系統的主要缺陷是對環境的適應性和學習能力的不足。機器的智能來源於與外界環境的相互作用，同時也反映在對作業的獨立完成度上。機器人學習控制技術是實現仿人機器人在結構和非結構環境下實現智能化控制的一項重要技術。但是由於受到傳感器噪音，隨機運動，在線學習方式以及訓練時間的限制，學習控制的實時性還不能令人滿意。仍需要研究和開發新的學習算法，學習方式，以不斷完善學習控制理論和相應的評價理論。針對機器人學習控制的研究，大都停留在試驗室仿真的水平上。

仿人機器人與環境相互影響的能力依賴於其富於表現力的交流能力，如肢體語言(包括面部表情)，思維和意識的交互。機器人與人的交流僅限於固定的幾個詞句和簡單的行為方式，其主要原因是:

1.大多仿人機器人的信息輸入傳感器是單模型的；

2.部分應用多模型傳感器的系統沒有采用對話的交流方式；

3.對輸入信息的採集僅限於固定的位置，比如圖像信息，照相機往往沒有多維視角，信息的深度和廣度都難以保證，準確性下降。

毫無疑問，仿人機器人行動的多樣性，通用性和必要的柔性是“智能”實現的首要因素。它是保證仿人機器人可塑性和與人交流的前提。仿人機器人的結構則決定了它能不能為人所接受，而且也是它像不像人的關鍵。仿人機器人必須擁有類似人類上肢的兩條機械臂，並在臂的末端有兩指或多指手部。這樣不僅可以滿足一般的機器人操作需求，而且可以實現雙臂協調控制和手指控制以實現更為複雜的操作。仿人機器人要具有完成複雜任務所需要的的感知活動，還要在已經完成過的任務重複出現時要像條件反射一樣自然流暢地作出反應。

仿人機器人的體系結構是定義機器人系統各組成部分之間相互關係和功能分配，確定單台機器人或多個機器人系統的信息流通關係和邏輯的計算結構。也就是仿人機器人信息處理和控制系統的總體結構。如果説機器人的自治能力是仿人機器人的設計目標，那麼體系結構的設計就是實現這一目標的手段。仿人機器人的研究系統追求的是採用某種思想和技術，從而實現某種功能或達到某種水平。

所以其體系結構各有不同，往往就事論事。解決體系結構中的各種問題，並提出具有一定普遍指導意義的結構思想無疑具有重要的理論和實際價值，這是擺在研究人員面前的一項長期而艱鉅的任務。

仿人機器人具有人類的外觀，可以適應人類的生活和工作環境，代替人類完成各種作業，並可以在很多方面擴展人類的能力，在服務，醫療，教育，娛樂等多個領域得到廣泛應用。

21世紀人類將進入老齡化社會，發展仿人機器人能彌補年輕勞動力的嚴重不足，解決老齡化社會的家庭服務，醫療等社會問題。仿人機器人可以與人友好相處，能夠很好地擔任陪伴，照顧，護理老人和病人的角色，以及從事日常生活中的服務工作，因此家庭服務行業的仿人機器人應用必將形成新的產業和新的市場。

在醫療領域，仿人機器人可以用於假肢和器官移植，用仿人機器人技術可以做成動力型假肢，協助癱瘓病人實現行走的夢想。然而，我們還幾乎看不到以控制論開發出的生物體與人體完美的結合，因此，這方面還需要更進一步的研究和探索。

一般來講仿人機器人在教育領域有兩種應用：

1.學生通過製作仿人機器人來實踐機械結構和複雜控制軟件模塊的設計。

2.學生用仿人機器人進行實驗來增強動手能力和解決新問題的能力。

仿人形機器人可以用來在展覽會上做廣告，它很吸引人的注意，因為它在外形上更接近人類，所以更能引起人的興趣。另外，它還可以用於家庭娛樂。

仿人機器人是能夠與人相互影響的最理想的機器人，因為它的外形像人，它的思維方式和行為方式也將越來越接近人。仿人機器人能夠通過與環境的交互不斷獲得新知識，而且還能用它的設計者根本想象不到的方式去完成各種任務，它會自己適應非結構化的，動態的環境。在人類的歷史中，曾經因為我們製造機器的侷限性，使得我們不得不去適應機器，而我們要讓機器來適應我們，仿人機器人是完成這一夢想的最好機會。

仿人和高仿真是機器人發展的主要方向。從技術發展來看，人是世界上最高級的動物，以人為背景的研究就是最高的目標，並且能夠帶動相關學科的發展；而從感情層面來説，人喜歡與人相近的東西。目各國科學家都正在積極進行仿人機器人的研發。

研製與人類外觀特徵類似，具有人類智能，靈活性，並能夠與人交流，不斷適應環境的仿人機器人一直是人類的夢想之一。世界上最早的仿人機器人研究組織誕生於日本，1973年，以早稻田大學加藤一郎教授為首，組成了大學和企業之間的聯合研究組織，其目的就是研究仿人機器人。加藤一郎教授突破了仿人機器人研究中最關鍵的一步———兩足步行。1996年11月，本田公司研製出了自己的第一台仿人步行機器人樣機P2，2000年11月，又推出了最新一代的仿人機器人ASIMO。國防科技大學也在2001年12月獨立研製出了我國第一台仿人機器人。

在2005年愛知世博會上，大阪大學展出了一台名叫ReplieeQ1expo的女性機器人。該機器人的外形複製自日本新聞女主播藤井雅子，動作細節與人極為相似。參觀者很難在較短時間內發現這其實是一個機器人。

由日本本田公司研製的仿人機器人ASIMO，是最先進的仿人行走機器人。ASIMO身高1.2米，體重52公斤。它的行走速度是0-1.6km/h。早期的機器人如果直線行走時突然轉向，必須先停下來，看起來比較笨拙。而ASIMO就靈活得多，它可以實時預測下一個動作並提前改變重心，因此可以行走自如，進行諸如“8”字形行走、下台階、彎腰等各項“複雜”動作。此外，ASIMO還可以握手、揮手，甚至可以隨着音樂翩翩起舞。

在仿人機器人領域，日本和美國的研究最為深入。日本方面側重於外形仿真，美國則側重用計算機模擬人腦的研究。

我國政府也逐漸開始關注這個領域。由北京理工大學牽頭、多個單位參加歷經三年攻關打造的仿人機器人名叫“匯童”，它們主要來自於科技部“十五”863計劃和科工委基礎研究重點項目的資助。據主要研製者黃強教授介紹，通過短短几年技術攻關，我國已掌握了集機構、控制、傳感器、電源於一體的高度集成技術，研製出具有視覺、語音對話、力覺、平衡覺等功能的仿人機器人，具有自主知識產權；而且“匯童”在國際上首次實現了模仿太極拳、刀術等人類複雜動作，是在仿人機器人複雜動作設計與控制技術上的突破。

仿人機器人不僅是一個國家高科技綜合水平的重要標誌，也在人類生產、生活中有着廣泛的用途。由於仿人機器人具有人類的外觀特徵，因而可以適應人類的生活和工作環境，代替人類完成各種作業。它不僅可以在有輻射、粉塵、有毒的環境中代替人們作業，而且可以在康復醫學上形成動力型假肢，協助癱瘓病人實現行走的夢想。將來它可以在醫療、生物技術、教育、救災、海洋開發、機器維修、交通運輸、農林水產等多個領域得到廣泛應用。我國仿人機器人研究與世界先進水平相比還有差距。我國科技工作者正在為趕超世界先進水平而努力奮鬥。

日本的仿人形機器人

本田公司是日本主要生產跑車和轎車的公司之一。本田公司投入巨資，經過10多年的開發，終於研製出了在世界上居領先地位的雙足步行機器人──P3。P3通過它的身體的重力感應器和腳底的觸覺傳感器把地面的狀況送回電腦，電腦則根據路面情況作出判斷，進而平衡身體，穩定地前後左右行走。它不僅能走平路，還可以走台階和傾斜的路。它站立穩定，推不倒，腳底不平也能保持身體的直立姿態。 　1997年中國國務院總理李鵬前往日本本田公司總部參觀時，機器人P3接待了李鵬總理。當李鵬總理一行抵達表演大廳時，一個身着宇宙服像宇航員一樣的機器人從投影電視的屏幕後面走了出來，其走路的樣子酷似頑童學步，步子雖然不快，但堅實有力。它走到大廳當中面對李鵬總理站好，伸出右手作歡迎狀。並用漢語自我介紹：“我是機器人P3，熱烈歡迎李鵬總理和夫人光臨，請允許我與您握手”。機器人握住李鵬總理的手，連續搖動三次，然後擺好姿勢供久候在那裏的記者拍照。

接着P3請出本田公司社長川本正彥等人。他們通過投影電視屏幕，向中國客人介紹了本田研製機器人的發展歷史和技術特點。川本社長的聲音剛落，P3又説：“我有些緊張，請允許我暫時休息一下，接下來請我的二哥繼續表演”。説罷轉身，沿原路退回。 　據介紹，本田公司按研製時間先後，把雙足步行機器人分別命名為P1、P2、P3等。P3的高度為160cm，體重130公斤。被稱為二哥的機器人P2身高1.80米，體重120公斤，長的笨頭笨腦，但行動起來與靈活的“小三”相比毫不遜色。P2表演了上台階這一高難動作，它走的極為平穩，一步一個台階，令人讚歎不已。隨後P2又表演了用扳手擰螺絲。P2機器人退場後，P3機器人出場與貴賓揮手告別：“表演到此結束，再次感謝李鵬總理的光臨！”

本田公司又推出一種新型智能機器人“阿西莫”（ASIMO）。與1977年誕生的P3相比，它具有體型小、質量輕、動作緊湊輕柔的特點。阿西莫身高120cm，體重43公斤，更適合於家庭操作和自然行走。本田公司總裁吉野浩行在產品發佈會上説：“將來我們還會使機器人具有更好的視覺、聽覺等識別能力，提高它們的自主性。”他還説：“如果通過衞星網絡來控制，它就是另外一個‘你’，可以使用者的身份做許多事情。”

“科戈”機器人

出生於澳大利亞的羅德尼·布魯克斯，40多歲，美國麻省理工學院人工智能實驗室的教授。他喜歡離經判道，從不相信傳統的成規。從80年代起，他就反對機器人必須先會思考，才能做事的信條。為了證實自己的觀點，他研製出了一系列異型機器人。這些機器人沒有思考能力，但卻無所不能，比如能偷桌上的蘇打罐，能穿越四周發燙的地面等。他的成功使他成為機器人界最有爭議的人物。

布魯克斯從小就喜歡製作各種標新立異的小裝置。進入福萊德大學後，他為該校唯一的一台IBM大型計算機重新編制了整個操作系統的程序。別的用户怎麼也想不到，計算機怎麼會突然變的具有令人不可思議的奇效。在獲得該校碩士學位後，布魯克斯又憑自己的實力考入了美國斯坦福大學。八十年代初期，布魯克斯在麻省理工學院任初級研究員。那時人工智能研究的傳統做法是先設計出各種“腦圖”，以幫助機器人瞭解周圍環境，使機器人先學會識別障礙物，再繞過障礙物。但這樣做機器人往往要花很長時間去判斷自己看到的東西，而且它們大多數均無法穿過陌生的空間。而布魯克斯認為，真正的智能不能這樣運作。

布魯克斯認為，智能並不像假想的那樣來自抽象思維，而是通過與外界接觸學習之後作出的反應。只要機器人與其周圍的環境進行復雜的相互作用，智能最終一定會出現。

最初他的計劃是先從昆蟲機器人做起，逐步向模仿高級動物發展，最後才是人形機器人。布魯克斯想，只有人形機器人才能説明他的理論也適合於高級智能，於是他決定要製造出自己的人工智能型高級機器人，即科戈機器人。

“科戈”的研製工作正在進行。“科戈”本身是非常複雜的，要它能通過與外界的聯繫獲取知識，就必須儘可能地模仿人類，例如它的臂必須像人類那樣具有柔順性。

怎樣才能把“科戈”變成一個真正的人形機器人，實現的目標尚不太明確。布魯克斯和他的同事們正在借鑑幼兒的發育過程，使“科戈”由簡到難，逐步學會各種本領，直到聽説能力。

“科戈”機器人的大腦是由16個摩托羅拉68332芯片構成的，“科戈”的大腦放在與之相鄰的室內，通過電纜與之相連。“科戈”最多可用250個摩托羅拉芯片。布魯克斯準備用數字信號處理器取代部分這種芯片，用以完成特殊任務。“科戈”的大腦與人類的大腦一樣，能同時處理多項任務。儘管計算機的能力給人們留下了深刻的印象，但是如果“科戈”能達到兩歲兒童的智力，就算是成功了。現“科戈”正在像嬰兒一樣利用自己的大腦學習“看”。“科戈”的每隻眼睛由一台廣角照相機和一台窄視野照相機組成。每一台照相機均可以俯仰和旋轉。“科戈”首先通過廣角照相機觀察周圍事物，然後再利用窄視野照相機近距離仔細觀察事物。“科戈”的頭可以像人的頭一樣前後左右轉動。

布魯克斯説：“我們試圖找到一種方法，讓‘科戈’自己瞭解這個世界。”

“科戈”先學會看以後，開始學習聽。這些功能要一個一個地教。為此，在“科戈”的頭上裝上了麥克風和處理器。聲音可以幫助“科戈”確定去看什麼地方，機器人還可以對聲音進行辨別。“科戈”已經有了頭和身子，但還沒有皮膚、臂和手指。正在為“科戈”製造第一條手臂，這隻臂以全新的方式工作，每個關節都有一個彈簧，從而使“科戈”獲得了柔順性。

我國的仿人形機器人研究

我國在仿人形機器人方面做了大量研究，並取得了很多成果。比如長沙國防科技大學研製成了雙足步行機器人，北京航空航天大學研製成了多指靈巧手，哈爾濱工業大學、北京科技大學也在這方面做了大量深入的工作。

雙足步行機器人研究是一個很誘人的研究課題，而且難度很大。在日本開展雙足步行機器人研究已有30多年的歷史，研製出了許多可以靜態、動態穩定行走的雙足步行機器人，上面提到的P2、P3是其中的佼佼者。

在國家863計劃、國家自然科學基金和湖南省的支持下，長沙國防科技大學於1988年2月研製成功了六關節平面運動型雙足步行機器人，隨後於1990年又先後研製成功了十關節、十二關節的空間運動型機器人系統，並實現了平地前進、後退，左右側行，左右轉彎，上下台階，上下斜坡和跨越障礙等人類所具備的基本行走功能。在十二關節的空間運動機構上，實現了每秒鐘兩步的前進及左右動態行走功能。

經過十年攻關，國防科技大學研製成功我國第一台仿人型機器人——“先行者”，實現了機器人技術的重大突破。“先行者”有人一樣的身軀、頭顱、眼睛、雙臂和雙足，有一定的語言功能，可以動態步行。

人類與動物相比，除了擁有理性的思維能力、準確的語言表達能力外，擁有一雙靈巧的手也是人類的驕傲。正因如此，讓機器人也擁有一雙靈巧的手成了許多科研人員的目標。

在張啓先院士的主持下，北京航空航天大學機器人研究所於80年代末開始靈巧手的研究與開發，最初研究出來的BH－1型靈巧手功能相對簡單，但填補了當時國內空白。在隨後的幾年中又不斷改進，靈巧手已能靈巧地抓持和操作不同材質、不同形狀的物體。它配在機器人手臂上充當靈巧末端執行器可擴大機器人的作業範圍，完成複雜的裝配、搬運等操作。比如它可以用來抓取雞蛋，既不會使雞蛋掉下，也不會捏碎雞蛋。靈巧手在航空航天、醫療護理等方面有應用前景。

靈巧手有三個手指，每個手指有3個關節，3個手指共9個自由度，微電機放在靈巧手的內部，各關節裝有關節角度傳感器，指端配有三維力傳感器，採用兩級分佈式計算機實時控制系統。

仿人型機器人是多門基礎學科、多項高技術的集成，代表了機器人的尖端技術。因此，仿人形機器人是當代科技的研究熱點之一。仿人型機器人不僅是一個國家高科技綜合水平的重要標誌，也在人類生產、生活中有着廣泛的用途。我國仿人形機器人研究與世界先進水平相比還有差距。我國科技工作者正在努力向前，我們熱切地期盼着我們自己水平更高的、功能更強的仿人型機器人與大家見面。