二、人形机器人课件

第三章节：人形机器人—陈黄祥（研究方向：机器人研究、创新能力研究）作业回顾与点评

自主作业：

美赞臣售货机器人设计方案

讨论内容：1、造型2、功能怎么样的机器人是人形机器人？

一国内发展情况过去国内有关机器人的研究大都集中于自动导航车、履带式服务机器人、智慧型轮椅、先进家用服务机器人、机械手臂、居家看护机器人、个人型助理机器人系统、小中型足球机器人等系统之主要核心与系统整合技术之研发与软硬体装备建置，较少有双足平台之类人型机器人相关研究，国内所开发之类人型机器人都以RC伺服机（马达）为其驱动单元，但是此类型之机器人一般仅于娱乐之用，无法承受太大之负载，成为人们服务之助力，所以发展大型类人型机器人有其必要。

发展历程

类人型机器人的研究，最早可追溯至西元1893年，GeorgesMoore创作了第一个利用蒸气驱动类人型步行机器[Rosheim,1994]，然详细构造与运动原理我们并无法得知。其后在第一次大战期间，Thring发明了具有腿之农耕机[Thring,1983]。至1970年之间，许多研究人员进行辅助人类行走的步行机器之研究，如Bernstein于1948年于莫斯科义肢设计研究中心，发展具电子装置的腿外骨骼（Exosceleton）[Karsten,2003]。图1.1早稻田大学的人型机器人研究室[1]

图解此外，Vukobratovic于1975年，在南斯拉夫的贝尔格勒，发展辅助行走步行机器[SongandWaldron,1989]（图1-4）。日本可说是世界上最热衷于类人型机器、且一直持续不断研究的国家。从1966年至今，早稻田大学的人型机器人研究室[Koganezawa,Takanishi,andSugano,1991]，从早期有着最基本之双足移动功能的WL-1（图1-1a）开始；到了WL-3（图1-1b），已经可以站立和坐下；WAP-3（图1-5c），可上下楼梯和斜坡，更可以转弯，而且是世界上第一个三维二足步行机器；WABOTI（图1-1d），可量测距离和方向，是世界上第一个照人类尺寸设计的机器人；WL-9DR（图1-1e），将脚底接触地板的点，由三个增加到四个，所以可利用数值解得到较特殊的步行方式；而近年来WL-12（图1-1h），不但增加了上半身，且具两个自由度的腰部，可以走得更像人类。

图1.2日本本田公司ASIMO之演进[2]图1.3日本产业技术综合研究所（AIST）HRP系列[3]

在西元2000年，SONY公司也发表了高50公分，重5公斤的小型机器人，SDR-3X[Kuroki,Ishida,andYamaguchi,2001]（图1-3），每一只脚具有六个自由度，不但会跳舞，还可单腿站立；而在2002年，SONY更发表了最新一代的SDR-4X[Fujita,Kuroki,Ishida,andDoi,2003]（图1-4），它的高度58公分、重6.5公斤，每一只脚同样具有六个自由度，除了具有前一代SDR-3X的功能外，还可以在10mm的凹凸地面行走，上10度的斜坡，甚至被推倒了还能自己站起来，可说是向家用机器人的目标，又迈进了一大步。类人型机器人之控制发展

类人型机器人在分析上和运动控制上拥有相当大的瓶颈需要突破，因为其动力方程式具有非线性、高阶和强耦合的特点，以现有的数学模型和解析运算法并不足以得到完整且精确的步态解，另外类人型机器人与轮型平台之机器人不同的地方，在于类人型机器人除了可控制的可驱动自由度之外，还多了不可驱动的自由度，所谓不可驱动的自由度指的就是双足机构脚底板与地面之间所存在的自由度，因为此部份之自由度并无法由马达控制之，故称之为不可驱动的自由度。而这些自由度的控制将对整部机器人的姿态稳定具有重要的意义。类人型智慧型机器人之双足设计与研制必须建构出双足机构并推导出其最适合之运动及动力方程式，发展出最佳化控制方法达到双足机构能够实际行走之最终目的。类人型机器人是一个必须同时整合运动机构、自我定位、控制系统、电脑视觉、感测器融合、无线网路等不同领域之跨领域技术。

类人型机器人的基本研究思路主要可分为基于仿生学原理和基于动态控制原理两种，这两种不同思路的研究方法在类人型机器人的步态设计和规划中都有广泛的应用，基于仿生学原理算法的可行性，完全依赖于步态数据，而机器人的具体步态和实际物理参数会互相影响，要得到大量适用于已知机器人的步行数据并不是一件容易的事情，并且不同机器人之间的数据也会拥有不同的物理参数，故并无共享性，因此基于仿生学原理的研究方法不具有适用性，采用力/力矩感测器建构ZMP的量测系统，才可以有效使得实际与预先规划之ZMP轨迹吻合。类人型机器人的研制必须基于动态控制原理的思路来着手

基于动态控制原理思路下的研究，主要又可分成基于模型和非模型两种，基于模型的双足控制是借鉴已知的物理模型之特性来对类人型机器人模型进行大胆的简化，最有名的模型为Hemami等人[5]于20世纪70年代后期提出的倒单摆模型，此一模型是利用一阶倒单摆，将倒单摆的杆子和机器人的双足进行对应，将类人型机器人踝关节的力矩驱动看作倒单摆的基底关节驱动，从而把类人型机器人的步行过程和倒单摆的直立摆动过程作对应。1991年文献[6]实际设计出具有倒单摆特性的类人型机器人。使用状态回馈控制双足机“MeltranII”的质量中心沿着约束线动作，使得其水平动力学方程近似为线性倒单摆模型。虽然在随后的研究中倒单摆模型已逐步发展为三维空间之多级倒单摆，并加入对踝关节和脚底板的考虑，模型也越来越接近实际机器人的双足模型。但是有鉴于倒单摆的特性，此类模型仅适用于双足质量和惯量都非常小的情况下，多数类人型机器人之双足并无法达到此要求。若采用此单一模型仅能生成双足之参考步态轨迹，难以实际应用于双足步态的实现。

关于双足步态的理论方面，在1972年学者Vukobratovic[7]提出的ZMP（ZeroMomentPoint）稳定判断（如图2.1）。阐明人类动态的行走平衡不是因为具有比较大的脚底支撑面，而是因为身体各部份复杂的协调作用，因为在考虑动态平衡时，当某一特定点之地面的反作用力等效于一对力N和力矩M对脚底的作用时，这个支撑点就是零力矩点（ZMP点），而机器人的动态平衡则取决于ZMP点的位置，我们可以预先规划出理想的ZMP轨迹，通过调整各关节扭矩力或动量补偿，使得实际ZMP轨迹和预先规划之ZMP轨迹吻合，便可达到稳定行走。但是由于结构和机械重量的问题，感测器必须安装在小腿上，并通过数学的转换来消除踝关节的影响，才能获得实际的ZMP。类人型机器人未来发展与应用

随着社会和产业结构的变化，人类对于科技之产品依赖性日益殷切，且因医学科技进步快速，老年化社会快速地形成。因此，服务型机器人未来发展潜力不容小觑。在科技尖端的时代，机器人成为人民的守护者，尤其在老弱妇孺的服务，以现今的科技并不无可能。所以服务型机器人未来将成为社会不可或缺的生活伙伴，而类人型机器人相较之下又更胜于一般轮型或多足机器人，原因无它类人型机器人拥有与人类相仿之外表让人更易亲近（图3.1），同时类人型之移动对于地形起伏或狭窄空间之通过都有较优越之克服能力。除了成为服务型机器人之外，类人型机器人也同样拥有娱乐以及教育之发展空间，从组成舞团或乐团进行巡回演出到代替老师本尊前往教室上课，这些功能在未来都有可能藉由类人型机器人进行完整之实现。

日本大阪大学最新研制的“ReplieeR-1”机器人

日本科学家成功研制出一种逼真机器人，其外形酷似一个5岁的日本小女孩。这款新型机器人命名为“ReplieeR-1”，它具有柔韧性硅皮肤，内置的数十个传感器和发动机，使其能够像人类一样移动、与相应环境进行交互反应。韩国研制人型机器人会做家务韩国科学家研制出“人型机器人”，会跳舞、做家务、还会表达情绪。研究人员将这款人型机器人取名为“马鲁”，马鲁身高1.5米，可以模仿人类张开闭合嘴唇、挤眉弄眼、上肢和下肢自如活动、会自动停止行走。此外，马鲁还会表达自己的情绪，高兴或生气时会散发出两种不同的香味。这是由韩国科学技术院(KIST)研究人员设计研发的，也是韩国首例。研发组负责人YouBum-Jae说：“这种机器人为人型机器人在家政服务领域的商业应用开辟了道路，它可以边走边跳舞，还以代替人来做家务。”这一切都是通过先进的动作捕捉系统来实现的，可以效仿多种人类动作，在行走时如果遇到障碍物，灵活的双手可以搬走障碍物雨果认为，“人工大脑”迟早会超过人类。人脑的转换能力是10的16次方/秒，而人工智能机器的运算速度高达10的40次方/秒，是人脑水平的10的24次方倍。“那时候他们对待人类可能就像拍死一个蚊子这么简单。”雨果预测，人工大脑并不会立即控制人类，此前还会有一段与人类“和平相处”的时期。这一时期它不断接近但尚未超越人的智力水平，因此“聊天机器人”、“家务机器人”、“伴侣机器人”将使人类的生活充满乐趣。但这样的美景并不会长久，人工大脑的继续发展将使人类面临灾难。关于超级人工智能的讨论(20分钟）辩论结论科技前进的脚步是挡不住的，也许我们只能期望，人工大脑最终能放弃地球去更广阔的宇宙，让人类在这里继续自由生存。”会照相，会指路，还会表演才艺博君一笑……世博会期间，最具人气的世博明星——吉祥物海宝将走进游客们中间，亲自提供各种特色服务。这身为“服务明星”的海宝，是一款1.55米高的智能服务型机器人。3月7日，它在“动漫海宝新春汇”活动现场亮相，向与会者及市民们“初试身手”。由浙江大学领衔设计的“海宝智能服务型机器人”表演了精彩的川剧变脸，更与四名小朋友一同起舞，博得堂彩。据浙江大学副校长褚健介绍，此款海宝智能机器人为世博游客所需量身定造，主要拥有五大功能：一是信息咨询。通过海宝机器人胸前的触摸屏，人们可以提供世博信息、公共信息、引路导航等多项信息咨询服务。二是迎宾服务。海宝机器人可以准确辨识来宾的方位、人数和行进方向，自动进入迎宾服务状态，采用中日韩英法德六种语言，进行热情问候和自我介绍，并能主动伸手向游客表达握手意愿，完成生动的握手动作。三是交谈互动。在海宝机器人的引导下，游客可以与海宝机器人进行关于世博知识等主题的趣味语言交互及问答。四是为游客提供摄影照片服务。五是才艺展示。海宝机器人可以表演多种舞蹈、主持节目、说故事讲笑话，演唱多语种歌曲。此外，海宝机器人还能进行多机器人协作，组成海宝军团集体作战，包括协作引领参观、机器人换岗仪式和团体舞蹈表演等。

NEC发布儿童监护机器人PaPeRo2005

该系统可与儿童交流。具体设计思路是，在机器人身上加装触摸型传感器，以便识别儿童的触摸信号。系统还增加了无线声音传感器和识别儿童面部特征的软硬件引擎。今后，通过手机遥控，用户可用机器人作为保护和监护儿童的远程遥控工具，通过手机画面和控制面板来监控和操作机器人，使机器人真正成为儿童保育员。ASIMO表演轰动佛山引发禅城小学生机器人热

ASIMO与小朋友跳舞ASIMO为小朋友端饮料ASIMO表演射门日本东京的高岛屋商场近日为解决顾客排长队购物难的问题，引入了一款语音识别机器人当店员，让顾客享受到了非同寻常的服务。语音识别机器人机器人萨娅在东京一小学从事教学工作。#爱知世博会防恐“最酷”是机器人

一个机器人在为参观者做向导

机器人乐手正在合奏乐曲

“利古里奥”的造价为6000万日元（约合57．3万美元），身高1．5米，躯干呈桶状，两只眼睛犹如探照灯。它装备有语音警告系统和两条可弯曲臂膀，它们可以很轻松地抓拿爆炸物或化学物质并送至安全区域。在20日的演示展览中，“利古里奥”捡起一枚炸弹，并发出警告说：“发现一件可疑物体，我会把它挪开。”

变形金刚来了改装机器巨人惊现乌克兰由于乌克兰的Kominternovsky地区安全局势不太稳定，不得不采取非常规手段来增强保卫措施，因此才出现了图片中的巨型机器人——TIS-1CB。

机器人21——2009年1月14日周三，日本东京的早稻田大学机械工程系实验室开发的机器人21，它的指间正在灵巧地抓取一根吸管，展示出它对细小物体的操纵能力。菅野茂树(ShigekiSugano)博士领导早稻田大学的一个科研组研发了这种非常先进的机器人，他们希望这些机器人能帮助老年人。残疾人机器人助手——2008年11月10日，在东京举行的卫生机器人展览活动中，被称作“MySpoon”的机器人助手正在给日本政府高官喂饭吃。日本Secom公司研发的这款“MySpoon”机器人是为了帮助残疾人利用嘴巴、手或脚控制一个操作杆吃饭。奏乐机器人——2008年5月4日，丰田汽车公司的机器人在陈列室中正在演奏乐器。行走机器人——2009年1月8日，北京郊区农民吴玉禄（音译）在自家附近操作由他自制的行走机器人拉着的人力车溜达。这款机器人是热衷于发明创造的吴玉禄制造的最新、最大的机器人。他用从垃圾堆捡来的金属丝、金属片、螺丝钉和钉子等为材料，从