仿人机器人（双足步行机器人）——国内仿人机器人研究情况
仿生腿足式机器人的发展——浙江大学控制学院机器人实验室熊蓉教授谈国内外腿足式机器人研究情况
仿生腿足式机器人的发展——浙江大学控制学院机器人实验室熊蓉教授谈国内外腿足式机器人研究情况熊蓉【期刊名称】《机器人技术与应用》【年(卷),期】2017(000)002【总页数】8页(P29-36)【作者】熊蓉【作者单位】浙江大学控制学院机器人实验室【正文语种】中文近日，来自浙江大学控制学院机器人实验室的熊蓉教授跟大家分享了仿生腿足机器人目前的研究情况以及她们团队所做的一些工作。
主要从五个方面对仿生腿足机器人展开介绍，包括研究背景与意义、研究历史与现状、关键技术与挑战、波士顿技术解析、浙大研究进展。
1.1 机器人的类型机器人有两种基本的类型，第一种是模仿人的手臂和手的功能，能够对各种物体进行操作、加工等作业的操作机器人；另外一种是模拟人、动物行走以及汽车行驶等移动能力的移动机器人。
移动机器人跟操作机器人相比，主要在于它的移动性，它扩大了机器人可作业的范围，可应用到各行业、各个领域中。
例如，它可以在工业上进行搬运、军事上进行作战、家庭里进行清洁，甚至能够到达人类难以到达的环境里面进行探测等。
目前这两种类型的机器人技术都逐步成熟，当前研究趋势是把二者结合起来，称之为移动作业机器人，它进一步强化了操作机器人作业范围和作业能力。
本文主要介绍移动机器人中腿足式机器人的情况。
目前，常见的陆地机器人通常是轮式和履带式，它们技术相对简单，而且发展成熟，已应用到诸多产品中。
另外还有一种是躯干式，它可以攀附在不平整的地面上，通过跟地面的摩擦来实现运动。
如图1所示。
1.2 为何研究仿生腿足机器人？既然轮式、履带式的技术简单且成熟，并且已有很多应用，为何还要花如此多的人力、物力研究腿足式机器人？当前，自然界里有很多地面环境并不平整，比如山地、丘陵、雪地等，在这些地面上，轮式或者履带式机器人难以行走，而足式跟轮式、履带式相比较，它在运动的灵活性和环境的适应性方面有着显著的优势，就像人在室内环境中可以轻松地上下楼梯，可以爬山，可以背负重物进行运输等。
盘点国内最具实力的双足仿人机器人研发团队有哪些？
盘点国内最具实⼒的双⾜仿⼈机器⼈研发团队有哪些？来源：⼯业机器⼈之家北京理⼯⼤学黄强教授团队北京理⼯⼤学借鉴⼈类长期进化所具备⾃然、快速、协调运动机理和灵巧结构特征，创新地研究了仿⼈机器⼈的仿⽣运动规划、控制与系统集成等关键技术，取得了新突破。
提出了仿⼈机器⼈运动规划新⽅法，⾸创了运动相似性评价准则，可全范围定量计算机器⼈运动与⼈体运动的相似度，解决了多⾃由度机器⼈拟⼈化复杂运动难题，提⾼了机器⼈运动的⾃然性和稳定性。
提出了快速传感反射平衡控制⽅法，⽆需机器⼈数理模型即可调节踝、膝、腰等关键部位，解决了复杂环境下突发扰动等平衡控制难题，显著提⾼了仿⼈机器⼈适应环境变化的能⼒和反应速度。
发明了功能仿⽣灵巧机构，攻克了系统集成技术，解决了部件与系统性能⼀致性难以匹配的问题，研制成功了集成度⾼、运动协调能⼒强的5代仿⼈机器⼈。
与4代技术创新⽅向不同，“汇童”5代仿⼈机器⼈1.62⽶的⾝⾼、63公⽄的体重略显瘦⼩，但全⾝30个⾃由度的活动能⼒，突破了基于⾼速视觉的灵巧动作控制、全⾝协调⾃主反应等关键技术，使得“汇童”5代成为具有“⾼超”运动能⼒的机器⼈健将。
“汇童”5代能进⾏乒乓球⼈机对打。
两台机器⼈对打的最⾼次数达到200多回合，堪称成为机器⼈“国球⼿”。
作为国际⾸创技术，“汇童”5代是世界仿⼈机器⼈领域的⼀项重⼤突破。
项⽬负责⼈黄强教授“因在仿⼈机器⼈设计和控制⽅⾯的贡献”当选美国电⼦电⽓⼯程师学会会⼠（IEEE Fellow）。
陕西九⽴机器⼈制造有限公司陕西九⽴机器⼈制造有限公司是⼀家制造特种机器⼈的⾼科技公司，公司主要是以特种机器⼈的研发、加⼯、⽣产制造和销售为⼀体。
其产品包括9号双⾜机器⼈（下图），国内第⼀个1：1仿⼈型“智童机器⼈”、⼈型双⾜“易”机器⼈以及全世界最⼤的载⼈“钢弹”机器⼈等。
深圳优必选有限公司在CES 2018上，我们预见了Ubtech将于2019年推出的“⼈形机器⼈管家”Walker 。
双足行走机器人知识点总结
双足行走机器人知识点总结一、概述双足行走机器人是一种仿生机器人，模拟人类的行走方式，具有独特的工作原理和技术特点。
双足行走机器人的出现，不仅是人工智能和机器人技术的进步，也是对人类步行机理的深入研究和模拟。
双足行走机器人在军事、医疗、救援、娱乐等领域有着广泛的应用前景，具有较高的研究和开发价值。
本文将对双足行走机器人的相关知识点进行总结，包括其工作原理、技术特点、应用领域、研究进展等方面的内容。
二、工作原理双足行走机器人的工作原理主要包括下面几个方面：1. 仿生学原理双足行走机器人的设计初衷是模拟人类的行走方式，因此其工作原理主要受到仿生学的影响。
通过对人类步行过程和髋关节、膝关节等关节运动原理的研究，获得了双足行走机器人的灵感和设计方向。
2. 动力学原理双足行走机器人的行走是由电动机、液压系统或气动系统提供动力，通过控制步进和踢腿的方式，实现机器人步态的模拟。
通过对机械结构的精确设计和动力学方程的优化计算，提高了双足行走机器人的步行效率和稳定性。
3. 控制原理双足行走机器人的控制系统是其核心技术之一，包括硬件控制和软件控制两方面。
在硬件控制方面，采用传感器检测地面状态和机器人姿态，实现对机器人动作的精确控制；在软件控制方面，采用运动规划和动力学优化算法，实现机器人稳定行走和适应不同地形的能力。
4. 感知与决策双足行走机器人的感知与决策系统是其智能化的重要组成部分，包括视觉、声音、激光雷达等传感器，以及路径规划、障碍避障等决策算法。
通过对环境信息的感知和对行为的决策，实现双足行走机器人在复杂环境中的稳定行走和智能导航。
三、技术特点双足行走机器人具有以下技术特点：1. 多关节结构双足行走机器人与传统的轮式机器人相比，具有更加复杂的多关节结构，可以实现更加灵活的步态和更加复杂的动作。
通过对关节结构和驱动方式的优化设计，提高了机器人的运动性能和动态稳定性。
2. 动力系统双足行走机器人的动力系统包括电动机、液压系统或气动系统，可以实现不同的步态演示和负重运输。
双足机器人平地行走步态规划的研究
1 引言
双足机器人以其优越的越障性和机动性被广泛地应用于各 个领域[1]。而双足机器人研究的难点之一就是如何在行走过程中 保持自身的稳定，以至于在动态行走过程中不会发生倾覆和跌倒 [2]。精确的步态规划直接决定着双足机器人稳定性和各方面的协 调性。文献[3]对机器人的摆动腿踝关节和髋关节进行三次插值获 得了轨迹，再以稳定裕度为目标得到最优步行参数；文献[4]将机器 人行走质心近似为倒立摆模型，利用质心和摆动腿踝关节的轨迹 求出各个关节角的轨迹；文献[5]在传统的三次样条插值方法基础 上利用鱼群算法对髋关节中心到支撑腿踝坐标中心的距离值优 化，以获得稳定裕度大的步态。
摘 要：为了研究双足机器人平地行走过程中的步态规划问题，在二维倒立摆模型的基础上提出了周期、起步和止步三 步规划法，并利用速度和位移约束实现了三个步行阶段的平稳过渡，利用倒立摆简化模型和五次样条多项式插值方法得 到各个阶段质心和摆动腿踝关节的轨迹，再根据腿部关节转角简化模型利用几何法求得双足机器人的 10 个关节角运动 轨迹；最后通过 ZMP 方程检验并在 Matlab 软件中仿真，验证步态规划的合理性并为机器人后续虚拟样机研制和仿真提 供理论依据。 关键词：双足机器人；平地行走；倒立摆；步态规划 中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：员园园员-3997（圆园19）04-0230-05
2 双足机器人的设计
双足机器人的模型尺寸设计是步态规划的基础，合理的双 足机器人机构设计直接关系到后续的步态规划的复杂程度和稳
来稿日期：2018-10-27 作者简介：徐历洪，（1991-），男，湖北武汉人，硕士研究生，主要研究方向：双足机器人步态规划；
邹光明，（1970-），男，湖北仙桃人，博士研究生，教授，主要研究方向：机器人、计算机辅助工程、概念设计
仿人机器人的发展现状及其发展趋势
仿人机器人的发展现状及其发展趋势摘要：当下机器人技术的研究越来越多样化及智能化与人性化，仿人机器人技术的研究已成为新的热点。
依托于5G技术仿人机器人的技术将更加成熟。
本文从仿人机器人的应用领域，目前所取得的成就和不足之处，未来的研究方向，以及发展中遇到的困难来介绍仿人机器人的发展现状和发展趋势。
关键词：仿人机器人，5G技术，人机交互，应用领域一、引言仿人机器人的研制开始于上个世纪60年代末，是机器人技术领域的主要研究方向之一。
1968年，美国的通用电器公司设制了一台叫Rig的操纵型双足步行机器人，从而揭开了仿人机器人研制的序幕。
仿人机器人在移动性，稳定性等方面都取得了较为突出的成就。
仿人机器人集机械、材料、电子、计算机、自动化等多门学科于一体，技术含量高，研究和开发难度大。
它是一个国家高技术实力和发展水平的重要标志。
因此，世界各发达国家都不惜投入巨资进行研究与开发。
目前，美国和日本等许多发达国家的科学家都在仿人机器人的研究与开发方面做了大量的工作，并取得了突破性的进展。
仿人机器人已经对人类社会产生了巨大的影响［1］。
二、仿人机器人的发展现状（1）仿人机器人是一种具有人的外形，并能够效仿人体的某些物理功能、感知系统及社交能力并能承袭人类部分经验的机器人。
它具有灵活的行走功能，可以随时走到需要的地方，包括一些对普通人来说不易到达的角落，完成人指定或预先设置的工作。
（2）从机体结构上来看，仿人机器人为做到与真人类似，其在腰部，腿部的远动结构上都存在着一定的技术支持。
仿人机器人能与人类在同样的空间内移动，无论是从机动性、能耗性和人们对其的认同感方面，较之轮式移动机器人都有无法比拟的优越性。
仿人机器人的逼真性越来越高，从第一代仿人机器人到如今的仿人机器人来说其身体外部构造以及身体的比例与人类是较为相似的。
同时，仿人机器人的运动模式与人类相似，通过多个关节以及人造肌肉的有效合作可以使仿人机器人的运动与人无异。
仿人机器人双足行走模型研究
导 出仿人机器 人在行走过程 中单双腿支撑期 的稳 定区域面积和稳定裕量 。建 立 ２种不 同形状 的仿人机器人双足模 型，在足底和地面间创建
一
关健词 ：仿 人机器 人 ；零力矩点 ；机械系统 动力 学 自动分析软件 ；行走稳定性
中 分走模 型研 究
肖 乐 ，张玉 生 ，殷晨被
（． １ 常熟理工学院计 算机科 学与工程学院 ，江苏 常熟 ２ ５ ０ ；２ 南京工业大学机械与动力工程学 院，南京 ２ ０ ０ ） １５ ０ ． １０ ９
摘
要 ：针对仿人机器 人双足行走的稳定性 问题 ，引入零力矩点理论 ，根据稳 定行 走必须 满足地面反作用力位于稳定 区域 内这个条件 ，推
［ ｙｗｏ ｄ ｌｈ ｍａ ｏｄｒｂ ｔ Ｚ ｒ ｍｅ ｔＰ ｉｔ ＭＰ；Ａ ｔｍａｉ Ｄｙ ａ ｃＡｎｌｓ ｆＭｅｈ ｉａ Ｓ ｓ ｍ（ Ｋｅ ｒ ｓ ｕ ｎ ｉ ｏ ｏ； ｅｏ Ｍｏ ｎ ｏｎ（ Ｚ ） ｕｏ ｔ ｎ ｍｉ ｃ ａ ｉ ｏ ｃａ ｃｌ ｙｔ ＡＤＡ ）ｓｆ ｒｅ ｗａｋｎ ｙｓ ｎ ｅ ＭＳ ｏｔ ； ｌ ｇ ｗａ ｉ
第３ ７卷 第 ｌ 期 ２
Ｖｌ ． ７ ｏ ３ １
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程
２１ ０ １年 ６月
Ｊｎ ｕ ｅ ２０１ １
Ｎ ｏ．２ １
Ｃｏ ｍｐｕ ｅ ｇｉ ｅ ｉ ｇ ｔｒＥｎ ｎｅ ｒｎ
人工智能及识别技术 ・
文 编 １ ｏ ３ ８ ０ ）— １ ＿ ３ 文 标 码 Ａ 章 号： ０ ＿ ４ （ １ ｌ ｏ ，＿ ０ ２ ２ １２ ７ ０ 献 识 ：
仿生机器人的研究现状及其发展方向
学号**********如fk乡悅论文题目仿生机器人的研究进展及发展趋势学生____________________院别_______________专业班级________ 12机自（3）班指导教师_________ 周妍仿生机器人的研究进展及其发展趋势摘要：随着机器人智能化技术的进步，机器人应用领域的拓展，仿生机器人的研究正在引起世界各国研究者的关注。
主要对仿生机器人的国外研究状况进行了综述并对其未来的发展趋势作了展望。
关键词：仿生机器人；研究现状；发展方向人们对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史，人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。
1959年，第一台工业机器人在美国诞生，近几十年，各种用途的机器人相继问世，使人类的许多梦想变成了现实。
随着机器人工作环境和工作任务的复杂化，要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性，机器人简单的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求。
在仿生技术、控制技术和制造技术不斷发展的今天，仿人及仿生物机器人相继被研制出来，仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员。
1仿生机器人的基本概念仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统, 能从事生物特点工作的机器人。
仿生机器人的类型很多，主要为仿人、仿生物和生物机器人3大类。
仿生机器人的主要特点：一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人，机构复杂；二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人，通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动。
2仿生机器人的国外研究现状2.1水下仿生机器人水下机器人由于其所处的特殊环境，在机构设计上比陆地机器人难度大。
在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑。
以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形，用涡轮机驱动，具有坚硬的外壳以抵抗水压。
由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展。
仿人机器人的现状研究
仿人机器人的现状研究作者：郑利霞来源：《卷宗》2019年第34期摘要：介绍了仿人机器人研究情况，对仿人机器人根据驱动形式的不同，分别就伺服电机加谐波齿轮驱动、绳索肌腱驱动、气动人工肌肉驱动和液压驱动等四个方面的仿人机器人进行介绍，最后对目前仿人机器人的现状进行了总结。
关键词：仿人机器人;研究现状仿人机器人已经成为衡量一个国家机器人发展水平的重要标志，仿人机器人在机构原理、控制理论与技术、试验研究、步行速度稳定和集成系统等方面快速发展，从基础研究到应用研究，从表情仿人头、仿人快步走步行机构和多指手等局部研究到整体仿人设计，仿人机器人的研究越来越深入，涉及的领域也越来越广。
1 2000年以前的仿人机器人研究情况2000年以前的仿人机器人研究主要是局部研究，主要包括双足稳定动步行控制、全自立仿人机器人集成、仿人表情、多指灵巧手和类人猿机器人等方面。
1.1 双足稳定动步行控制1971年日本加藤一郎成功研制世界第一台双足步行机，1972年世界著名机器人专家Vukobratovic等提出ZMP的概念，为稳定双足动步行理论和实践提供了基础。
1.2 仿人表情机器人美国Paul Ekman等人提出的FACS原理，把“表情智能”应用于人工神经网络，推出了表情视觉识别技术。
日本专家原文雄1993年首次提出应用在机器人上的6种面部表情“AHI”。
从1996年开始，日本早稻田大学在可变脸色和面部皮肤对光强影响方面实验，实现了面部颜色表情的感知功能，陆续研制出“WE-3R”、“WE-3RIV”和“WE-4RIV”等表情机器人。
我国1996年哈工大的蔡鹤皋教授和吴伟国教授研发“演讲机器人”，1999年MIT研制出“Kismet”。
这些机器人的表情不丰富，头部未集成化，还有待发展。
1.3 仿人多指灵巧手1974年日本研制出OKADA三指灵巧手;1980年MIT和犹太大学联合研制出四指灵巧手Utah-MIT Hand ;1984年Nakano等研制Hitachi四指灵巧手;1999年德国宇航中心Hirzinger等研制出DLR-Ⅰ四指靈巧手;1999年美国研制出NASA Robonaut五指灵巧手。
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仿人机器人（双足步行机器人）——国内仿人机器人研究情况主动仿人机器人
我国从上世纪80年代中期才开始仿人机器人的研究，哈尔滨工业大学从1985年开始仿人机器人的研制工作，先后研制出仿人机器人HIT-I、HIT-II和HIT-III[84][85]。
HIT-I具有12个自由度，可实现静态步行；HIT-II具有12个自由度，髋关节和腿部结构采用平行四边形结构；HIT-III具有12自由度，基于神经网络逼近系统逆动力学模型和RBF(Radial Basis )神经网络前馈控制的力矩补偿控制方法[86]，实现了动态的步行行走。
国防科技大学于1988年到1995年期间，先后成功研制平面型6自由度机器人KDW-I，空间运动型机器人KDW-II 和KDW-III。
其中KDW-III具有12个自由度，可实现步幅40cm，步速4s/步的平地行走和上下台阶等静态步行。
2000年底，国防科技大学研制成功的“先行者”高1.4m，重20kg，可实现前进、后退、转弯等动作，基于此，研究人员还建立了仿人机器人关节转角与零力矩点之间的函数关系，构造了具有学习功能的自适应步态规划参数修正框架[87-89]。
2003年，国防科技大学研制成功了最新仿人机器人Blackmann，具有36个自由度，采用正交关节设计，逆动力学基于几何模型与可变阻尼最小二乘算法相结合来求解[90]。
北京理工大学从2002年和2005年先后完成了BHR-01和BHR-02仿人机器人[91]，其中BHR-02高1.6m，重63kg，配置32个自由度，可表演太极圈和刀术等复杂动作，考虑复杂环境的应用，提出了基于机器人自身约束条件的行走调节步态控制算法[92]。
清华大学于2002年4月研制出仿人机器人THBIP-I[93-96]，THBIP-I高1.80m，总重量130千克，几何尺寸及质量分布均参考我国成年人相应参数进行设计，共配置32个自由度。
为了复现人体踝关节侧摆的非线性驱动力特性，THBIP-I 踝关节侧摆采用了“行星减速器+四连杆传动”的独特结构，实现了踝侧摆和踝前摆两关节传动轴垂直正交，同时减少了运动干涉性，提高
了传动性能。
同时，研究人员还建立了THBIP-I的有限性弹性力学模型，分析了支撑腿切换冲击和弹性变形对步行性能的影响[97-99]，针对机器人的行走误差，提出了自调整模糊控制算法[100][101]，在考虑驱动器动态特性、关节间隙和柔顺性的前提下，对关节轨迹跟踪进行了分散鲁棒控制研究[8]。
THBIP-II于2005年3月研制成功[102]，该机器人高0.7m，重18kg，配置了24个自由度，可实现步幅15cm，每步4s的动态行走，其该进型号于2009年5月完成[103]，旨在研究仿人机器人灵活多变动作的实现和在复杂人类生活环境中的应用[104]。
此外，我国的上海交通大学[105]、上海大学[106]、西北工业大学[107]、天津大学[108]等单位也开展了仿人机器人的理论和技术研究，并取得了一定成果。
被动仿人机器人
国内对于被动仿人机器人的研究刚刚起步，清华大学精仪系于2006年成功研制了平面无脚半被动仿人机器人THR-1，旨在研究大步幅动态步行和仿生控制策略，目前该机器人已经实现了步幅0.13m （腿长的0.56倍），每步0.64s的动态行走[122-125]。
在研的半被动仿人机器人THR-II，采用人工气动肌肉驱动，有望在仿生控制方面取得突破。
北京大学工学院智能控制实验室[126]也于2006年，成功研制了一款带有上身的被动仿人机器人，其每条机械腿的髋关节安装电机，用来控制腿的摆动，踝和膝关节的弹性机构用于稳定行走。
此外，清华大学计算机系的毛勇[127][128]、自动化系的苏学敏[129]、航空航天学院的柳宁[130]、吉林大学的刘振泽[131]等人都针对被动机器人的机理和环境适应性进行了理论和仿真实验研究。
被动仿人机器人成为当前研究的热点最重要的原因是能量有效性和自然步态的生成，但被动仿人机器人研究到目前为止还不到十年，其结构简单、步态单一和环境适应性差的特点，使得被动仿人机器人无法实现复杂动作，也无法满足非结构人类生活环境应用的基本要求，被动机器人要进入实用阶段还有很长的路要走。