二、人形机器人

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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, and Yamaguchi, 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, and Doi, 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。
人型机器人零接触
机器人是一个典型的机电一体化系统，它融合了 造型、机械、电子、传感器、计算机软件硬件和人 工智能等众多先进技术，是目前世界各国高校和研 究所进行教学研究和工程训练理想的实验平台。人 们理想中的机器人无疑都是有着人一样的外形，类 人双足机器人将是人类最亲近的朋友。人形机器人 也是所有机器人行业中的集大成者。在高校中如拥 有人形机器人实验室就标志着该高等院校在机器人 研究领域内已经进入最高阶段。在国际学术界，类 人形双足机器人的研究已经被列为机器人的第一课 题，这意味着机器人时代已经来临。以机器人王国 日本为例，每个研究机器人的科研院所都有一个共 同的类人双足机器人研究项目。人形机器人实验室 以新型机器人研制开发为载体，同时兼顾表演和比 赛，设置有详细的课程安排，为培养学生创新实践 能力提供了一个良好的实验平台。
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再者，由1986年开始，日本的Honda公司[Honda, 2003]，也作了一 系列有关类人型机器的研究，从第一代的E0、E1、E2、E3、E4、 E5、E6、P1 、P2、P3，到2003 年来台湾展览的ASIMO（图1-2）， 不但将机器人的高度缩小至120公分，重量也减轻至52公斤；与高 160公分、重130公斤的P3相比，不但增加了安全性，也较有亲和力。 ASIMO为本田公司投入巨资经过10多年的开发，研制出了在世界上 居领先地位的类人型机器人成果。 ASIMO的全名为Advanced Step in Innovative MObility，采用具有及时预测动作控制系统的i-Walk技术， 让ASIMO在行走时能更加顺畅，同时在电脑工作站中启动行进步伐的 预先设定，并使用携带式的控制器来进行弹性的步伐及手部的动作操 作。此外，ASIMO透过它的身体的重力感应器和脚底的触觉感测器把 地面的状况送回电脑，电脑则根据路面情况作出判断，进而平衡身体， 稳定地前后左右行走。它不仅能于平坦路面行走，还可以上/下楼梯和 行走于倾斜的路面，由于脚底安装有压力感测器，脚底不平也能保持 身体的直立姿态，与1997年同公司所研发的P3相比，它具有体型小、 质量轻、动作紧凑轻柔的特点。 ASIMO身高120cm，体重43公斤， 适合于家庭操作和自然行走。
图1.4 SONY机器人[4]
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。
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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（Zero Moment Point）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。
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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。
第三章节：人形机器人
来自百度文库
— 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？
类人型机器人之发展现况
• 类人型机器人是一门由仿生 学、机构设计、控制理论和 人工智慧等多项科技形成的 跨领域科技，与轮型和多足 机器人相比，类人型机器人 拥有较大的优势去适应更复 杂的地形，并且有更加灵活 的运动能力和速度变化能力。
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。
日本大阪大学最新研制的 “Repliee R-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“Repliee R-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
• 图1.2 日本本田公司ASIMO之演进[2]
• 类人型机器人HRP（Humanoid Robotics Program）系列 是AIST与川田工业（Kawada）、川崎重工业（Kawasaki） 共同合作的研究成果，经费是由新能源暨产业技术总合开 发机构（NEDO）基础技术研究事业之「在实际环境中作 业的人型机器人基础技术研究开发」计画所支助。 HRP-2类人型机器人平台（图1.3）于2002年3月公开，其 直立高度约有5英呎2英寸，重量接近128磅，有30个自由 度。 HRP-2是一台人机互动之人形机器人，它可以和一 个人合抬一块大木板，透过感应另一端由人施加的力和方 向来掌握平衡；假如跌倒亦能毫发无伤地再站起来，具有 完成日常任务之基本能力。 2009年日本产业技术综合研究所（AIST）展示一款会说 话，可行走而又具有丰富表情的新型“女性”机器人HRP-4C，其全身共有30个马达来控制肢体移动也可以做 出喜、怒、哀、乐和惊讶的表情。
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You Bum-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
发展历程
• 类人型机器人的研究，最早可追溯至 西元1893年，Georges Moore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]
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• 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[Song and Waldron, 1989]（图14）。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, and Sugano, 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；WABOT I （图11d），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。