仿人型機器人的發展

胡艷凱

陜西國防工業職業技術學院 機械工程學院 西安 710300

1 仿人型機器人概述

1954年,由美國科學家George Devol研制出第一臺機器臂。至今,機器臂的發展已有超過60 a的歷史[1]。隨著近年來科技水平的提升,機器人產業的發展蒸蒸日上。目前機器人涵蓋了機電、自動化、人工智能、仿生生物學等學科,是一門多學科、綜合性的新興產業。在眾多機器人類型中,仿人型機器人的發展最為迅速。與其它機器人相比,仿人型機器人具有更多的自由度,對環境具有更靈活的適應性,其動作設定更接近人類,受到學者們的青睞。

從20世紀80年代開始,我國開始致力于機器人的研究制造,由于當時科研水平和知識儲備的限制,發展比較緩慢。最近5～10 a,我國科研機構和高校加大了對機器人專業的建設,但是目前一些高精密、高科技的核心部件依然需要依賴進口[2]。

2015年,我國提出中國制造2025規劃,明確指出將全力發展人工智能機器人。隨著科研單位近年來對機器人的研究和制造,積累了許多關鍵技術和方法。在國家政策的大力支持下,人工智能機器人行業開始迅速發展。

需要注意的是,雖然有了發展機器人的基本理論和技術技能,但是大部分科研機構將機器人研發的重點放在機器人軟件和硬件,如控制系統的完善、視覺系統的處理等,輕視機器人本體核心機械結構的設計,導致機器人發展出現不平衡,呈現頭重腳輕的現象。尤其是在仿人型機器人的研發制造過程中,需要搭載復雜繁多的控制系統和視覺處理系統,與本體核心機械結構的設計不匹配,使機器人的穩定性不高,制約機器人行業的發展。因此,國內機器人研發機構需要充分認識到我國是制造大國,將研發成本投入到機器人的結構設計中,突破傳統的機械結構,發展創造出具有更高性能、更容易操作的核心機件,同時匹配多功能的軟硬件,這樣才能提高機器人產品的穩定性。

目前,發達國家對機器人的研究非常成熟,機器人功能越來越強大,能夠實現的姿態也越來越多。典型復雜自由度機器人如圖1所示。美國研究制造的ATALS機器人,整機搭載28個驅動電機,可以完成從環境起點到終點的指定動作。日本研究制造的HRP-4C機器人,全身具有30多個驅動電機,僅面部就由8個驅動電機驅動,與人類的動作高度類似,但是面部表情動作和平衡依然不穩定。復雜繁多的軟件和硬件與機器人本體核心機械結構的匹配非常困難,僅僅依靠傳統的機械結構很難實現。

圖1 典型復雜自由度機器人

另一方面,仿人型機器人相比普通機器人具有更高的非線性,其運動和動力的相關耦合更為復雜。在機器人快速發展的時代,只有對仿人型機器人的核心機械結構進行突破創新,才能更好地搭配高科技控制芯片,進而提高機器人系統的兼容性和穩定性。

2 國外仿人型機器人的發展

仿人型機器人經過近幾十年的發展,從只能站立到蹣跚前行,再到具備一定的自主學習路徑規劃的功能,能夠完成跑步、跳躍、翻越等動作,并且能夠模仿越來越多的人類日常行為。

最早的仿人型機器人是由日本科學家加藤一郎研制的雙足機器人,取名為WABOT-Ⅰ[3],僅能實現步態行走和與人簡單交流的功能。目前已經發展到第二代WABOT仿人型機器人,能夠自由用日語與人交流,并具有獨自彈琴演奏的能力。WABOT仿人型機器人的成功推出,激發了科學家對仿人型機器人的研究興趣,越來越多的國際知名研究機構和學者開始研究推出仿人型機器人產品。

在仿人型機器人領域中,發達國家,尤其是日本具有非常成熟的理論方法和研發技術。隨著國際科技水平的普遍提高,其它國家也相繼推出了具有代表性的仿人型機器人。

日本本田公司和大阪大學在1986年聯合研制出了P1機器人,具有基礎步態動作。在此基礎上,又推出了P2和P3機器人,具有穩定的雙足步態行走功能。而且P3機器人在P2機器人的基礎上進行了輕量化,使機器人的運動與人類更為相似[4]。2000年,本田公司推出了ASIMO智能機器人,具有30多個自由度,不僅能夠進行圖像識別和路徑規劃,而且可以做出不同的面部形態與人類進行交流。日本代表性仿人型機器人如圖2所示。

圖2 日本代表性仿人型機器人

除日本外,美國作為世界上科技水平領先的發達國家,在仿人型機器人的發展上也獨具特色。美國第一臺仿人型機器人是由通用汽車公司研制的Rig雙足機器人。在此基礎上,華人科學家鄭元芳推出SD-2機器人,能夠掌握動態平衡,并完成一些簡單的步態動作[5]。波士頓動力公司在2009年研制出了能夠四處活動的Petman機器人,主要用于軍事活動和軍事裝備[6]。該款仿人型機器人一經問世,就代表了仿人型機器人的領先水平。

美國加利福尼亞大學伯克力分校在2015年開發了Darwin機器人,具有高度自主學習的能力,通過自主學習和調整,最終實現穩定的動態步行[7]。美國代表性仿人型機器人如圖3所示。

圖3 美國代表性仿人型機器人

19世紀末期,德國慕尼黑工業大學研制出兩款外形類似并且功能強大的仿人型機器人,如圖4所示。這兩款仿人型機器人腳底裝有特殊的傳感器,能夠通過傳感器收集環境信息,進行自主路徑規劃,達到主動避障的效果,從而實現比較穩定的避障行走功能[8]。

其它國家在仿人型機器人領域也各有成果。由伊朗德黑蘭大學研制的Surena3機器人具有超強的環境適應能力,在惡劣的環境中,仍然能夠保持自身動作的平衡。法國奧德巴朗機器人公司打造并推出的Romeo服務型機器人,能夠照顧人們的日常起居。

圖4 德國慕尼黑工業大學仿人型機器人

3 我國仿人型機器人的發展

我國機器人產業起步較晚,但是隨著科技的迅猛發展,正在逐漸縮小與發達國家的差距[9]。近些年,我國在仿人型機器人領域中形成了以高校、科研院所為主要隊伍的科研團體,取得了豐碩的科研成果和產品。

哈爾濱工業大學推出的HIT系列機器人已經發展到第二代,相比第一代僅能夠完成簡單步行動作,第二代能夠完成自主學習、路徑規劃、避障等動作,如圖5所示。第三代和第四代也正在努力研發中,第四代在研發初期就設定了30多個自由度,能夠實現動態動作平衡、躲閃避障等功能[10]。國防科技大學在2000年推出的先行者機器人,一經問世就引起國內外學者的關注。先行者機器人如圖6所示,身高為140 cm,質量為20 kg,具有動態步行和與人溝通的能力,可以在陌生的環境中進行圖像識別、路徑規劃,并完成平衡性動作。

北京理工大學自主研發打造的匯童系列機器人在國內外也產生一定的影響力,目前已經研發到第五代,具有極高的仿人特性。其中,第四代外表以實驗室老師為原型打造,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個回合[11]。匯童系列機器人如圖7所示。

其它科研院所和單位在仿人型機器人的發展中也取得了一定的成果。2015年,優必選公司推出Alpha2機器人,是第一臺搭載安卓操作系統的仿人型機器人,能夠進行圖像處理、動態自主平衡,可以安裝各種應用軟件,實現不同的功能。北京航空航天大學和西北工業大學研發的仿人型機器人則主要應用在我國的航空航天事業中。

國內仿人型機器人的發展表明,我國在仿人型機器人領域的理論方法和技術能力已經達到世界先進水平,我國成為世界上第二個完全掌握仿人型機器人研發設計和軟硬件控制技術的國家[12]。

圖5 HIT系列機器人

圖6 先行者機器人

圖7 匯童系列機器人

4 結束語

伴隨著科技水平的不斷發展,機器人行業發展迅速。仿人型機器人作為機器人行業中最具代表性的一種類型,深入人們的日常生活。在國家政策大力支持下,仿人型機器人發展前景廣闊。隨著前期理論知識和技術技能的積淀,我國已經具備了與發達國家相當的實力,未來需要加大對機器人本體核心機械結構的創新研究,提高整體穩定性。