神马文学网机器人研究与发展国际评估报告(2006.01)之类机器人篇
来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/04/27 20:30:51
第4篇
类人机器人
Robert Ambrose, Yuan Zheng, Brian Wilcox
背景
科幻引领着机器人领域的发展。像许多其他学科那样，技术的愿景远远超出了当代最新技术水平。"机器人"这个词是由捷克作家恰佩克在他1924年的" Rossum的通用机器人"这部作品中杜撰出来的。在那部戏剧里，机器人是由人扮演，并且是被处理成被奴役和征服的对象，隐喻对当时人类工人景况的关注。至少在戏剧里，那些是第一批机器人，也是第一批类人机器人。
Figure 4.1. Capek Paris Production, 1924; Asimov, Will Smith, I Robot, 2004.
机器人在科幻小说里另一个落脚点，是在Asimov的1941年作品里。在那部作品里，"机器人"首次被确定为一门学科。并再次，机器人在小说里都被研究和构建成具备人的形态和功能。上面的图片显示，机器人从最早的科幻小说作品，到现代媒体的演变。在这两种情况下，机器人所执行的任务是被人设计好的，他们执行这些任务所在环境是有人在场的。其功能技能被描述成为如此完善，使他们能够安全地和人们在一起，不需要用工具，地形，甚至技术来调节就能执行任务。
本章介绍了目前在日本，韩国，美国和欧洲等类人机器人实验室里正进行研究活动。类人机器人，在30年前开始，走出科幻，并且在过去十年有增强的势头。在这一章中，我们首先讨论的类人机器人系统的定义和组成，然后介绍在该领域里的最新进展情况。最后，在本章结尾我们对应用领域，以及在美国、日本、韩国和欧洲发现的相关要素做一个简短的讨论。
类人机器人定义
外形和功能
类人机器人曾经在电影是是有人类演员来扮演的，但都很快被计算机图形学所取代。但不变的是他们在一个城市的环境里，用设计好的工具，在人类周围安全地（或故意没有）为人类工作，或执行被人类设置好的任务。
Figure 4.2. Star Wars Episode II WA-7 Waitress robot, Star Wars Episode III General Grievous.
因为计算机技术的发展原来由使用人扮演机器人，现在由媒体取代。这同时解除了对虚构机器人形态的约束，机器人被刻画成多肢和引入轮子。这种趋势对工程师设计实际的机器人可能具有启发性的，在这一章中我们将会看到，实际上已被采用。因此定义类人机器人，不能流于类人的外观形式，而应该着重在功能方面。我们根据职责不同区分女服务员和将军。虽然使这些虚构的机器人具备与超人的技能，例如用轮滑行、用多肢体战斗，但就机器人所做的工作与人所做的无异。然而，一台高速、重复地以一个完全非拟人的方式工作的机器并不被看作是类人机器人，如印刷机。
因此是在定义类人机器人是很难的，所以我们尝试平衡的形态和功能这方面。以下提出了一个综合的上述两方面内容的定义：
类人机器人是具有人类的形态或功能的机器。[/b][/b]
举一个同时具备人的形态和功能的类人机器人的简单实例，在今时今日是也是很非常难的。但根据对科幻的思索，显示这种情况将会改变。
类人机器人的组成？
现代类人机器人由两个主要的很好地被界定为自己的上，下机构子系统所构成。下身机构是腿，轮子，或路轨。这一机构为推进上半身通过一个工作区提供运动。上身机构是手臂，手和头部。这一部分能与环境进行交互并且执行相关操作。将头、手臂、手等各部分连接起来的是一个躯干，通常带有储存能量的装置和控制用的电脑。
Figure 4.3. Gross anatomy of the humanoid—heads, torsos, arms, hands, legs.
在研究小组访问活跃在类人机器人研究领域的各个实验室期间，发现了每个子系统都有很多的例子。许多类人机器人并不是具有所有的子系统的，通常其中的某一部分是被忽略的。大多数实验室都集中在某一个的单一的子系统上做的相当出色。眼手协调和两足运动是最常见的组合子系统，其他非关键子系统被省略了，这样以便研究人员专著于这些核心内容上。有几个建成了完整的上、下两个机构子系统的原型，但这些原型都很优秀，昂贵的，同时也是最有名的。
类人机器领域面临的挑战
设计、包装和动力
类人机器人的研究领域是需要高投入的。其中绝大多数已建成的研究平台都是独立设计的，很少或根本没有商业产品。因为这些系统并未成熟，所以令得哪些想照搬这些平台来使用的研究者必须冒很大的风险，因为基于这些平台的二次开发研发团体来说，他们并没有具备足够的知识来维持或发展这些平台。通过成熟的组件技术，带来改变，包装和动力的挑战和困难将被克服。这种技术领先的综合设计公司有：本田，丰田和索尼。政府或企业团体有：日本先进工业科学和技术国家研究所（ AIST ） ，韩国先进科学技术学院（KAIST） ，美国国家航空和航天局（NASA） ，德国航天局（DLR）。以大学领导的在机电一体化方面具有悠久研究传统的团队有：早稻田大学，马萨诸塞州技术研究学院（即美国麻省理工学院,MIT） ，以及慕尼黑技术大学（TUM）。
构件技术的进步，并非局限于机器人领域，但这些对类人机器人设计产生了巨大影响。更小、更省电的计算机的出现，使得现代机器人的产生成为可能。 类人机器人都需要大量计算。手臂和腿部的具体实现所需要的扭矩和功率密度被轻量级直流（DC）马达和齿轮减速器激活。特别是直流无刷电机和谐波传动在机电系统提供了最高的扭矩密度。现代电池的改良和演变，使得这些高功率的四肢得到进一步的发展成为可能。可以使这些系统自成一体，去执行短暂的任务。尤其是锂离子电池，使机器人能携带自己的电源供应器，进行移动和上部机构的工作。在液压系统（SARCOS）及低压力流体动力(KARLSRUHE)方面的新研究仍然在继续进行中。
Figure 4.4. Honda, MIT, Sarcos, Toyota, NASA.
这些先进的计算机，驱动车，及电池的不是由机器人研究人员开发的，但他们迫切地采用了这些最先进的部件。现代的笔记本电脑，手机，汽车领域驱动着这个已经拥有大量消费者的组件市场的发展。事实上，目前生产类人机器人的公司包括本田，丰田和索尼，这并不是一种巧合。
双足行走
大部分的双足步行系统并采用零力矩点（ZMP）的算法来模拟人的形式。在这个算法中，系统的临界点的被操作向前或向后走。
Figure 4.5. ZMP Mechanics.
许多最有名的类人机器人已率先实施zmp点算法。在AIST Tsukuba和AIST Waterfront的机器人为制定和完善zmp点步行系统采用轮式支架来作为一个安全的试验平台。本田系统已经取得许多几代机器人的成功。
Figure 4.6. ZMP Walkers at AIST Tsukuba, AIST Waterfront, KAIST, Honda.
一个更好的动态形式的步行假设被提出来，早稻田和TUM的高度集成的类人机器人系统中现在正试图采用这一新算法。这些系统使用的上半身，或额外的自由度，以管理的机器人重心的垂直分量。从远景来看这种形式的步行非常引人瞩目，因为机器人不再需要用" 蜷缩的步态"来行走 ，因此，机器人的步行是成为被称为"直腿走路"。早稻田设计采用侧髋关节来连接以"摇动"的臀部，使躯干的重心平滑地保持水平移动。该TUM设计采用了大质量的上肢来平衡下体的运动，就像加了额外的腿关节那样取得良好的效果。
Figure 4.7. Dynamic Walkers at Waseda, MIT, TUM.
轮式机构
几个实验室正在建造的使用轮子来运动的新形式下身机构。这些系统通常有小轮子，让它们的上层机构以悬于下体之上，并允许与环境互动。例子包括静态稳定轮式基座，和像一个踏板车一样的动平衡系统。下图举了三个例子。
Figure 4.8. Dynamic balancing wheeled humanoids at NASA, Toyota and MIT.
灵巧手[/b][/b]
研究移动机器人的运动和导航已经超出灵巧操控的研究范畴。二十年前，智能机器人社区刚刚组建，对我们今天称之为请移动机器人导航的方法和体系机构几乎没有共识。今天，这一领域已大大成熟起来了，有许多商用的体系结构可以采用，以提升轮式车辆的性能，使得它像一个有先进思想的机器。这类互动可以使得机器根据有限的环境是来感知并有意回避物理碰撞。这一技术目前正应用于以前描述过的腿和轮式系统。
和这些运动功能一样复杂的是，交互与环境界限的混合，通过比较然后选用工具改变世界。[/i]充分了解这个世界，以便知道一个改变是必要的和/或可能的，然后形成一个计划使用一个已知的工具，以落实这项改变，这是一个无限的和开放的挑战。在工具使用和装备方面的新兴理论促进了人类认知的进化和发展，这模糊地预兆所有的机器人团队打算尽快地将类人机器人自动化为一个称职的工具使用者。
要取得这方面的成功，现有的同时定位与地图创建（SLAM）的技术将是必不可少的，但必须整合符号，关联，联想，普遍定性表示法等知识，以便合成的画面。机器人看到一个顶部表面粗糙质地方框。一个人同样看到这个场景，并看到的工作台，那么就会回忆其手工工具的使用，这是一辈子都忘不了的回忆。
使机器人像人类那样使用工具，和人类同样的认知水平，第一步目标是具有到有灵巧的手，哪怕是这双手的操控能力不太完善。这是第二个最有可能实现的步骤，就是使得类人机器人成为人类的徒弟相当的角色。
Figure 4.9. Dexterous hands at DLR, Shadow, NASA and Tsukuba.
在早期这项研究进程，拥有双手将是至关重要的，因为学习与联结物体的知识能力将做机器人的自身，当抓住了储存在感觉运动空间的对象时，是以这种方式的去感觉一个工具。在灵巧手方面的关键进展包括：带触觉的皮肤，指端负荷传感，肌腱驱动车，微型齿轮，嵌入式电子设备，和非常新的在低压力流体动力系统方面的内容。在今后十年至十五年内，基于生物激励的传动装置的基础研究将有可能改变这一领域的本性。
Figure 4.10. Dexterous arms at DLR, NASA and UMASS.
为了获取最好的效果，手必须有大小合适并整合的机械臂。面临的挑战之一是，只有少量机械臂提供给研究者选择，以及这些相应的机械臂系统成本高，这都使得进入这一研究领域困难重重。只有很少的人类手臂尺度大小的机械臂能够使用在移动应用里，其中大多数手臂都是低强度的。大部分类人机器人的机械臂性能并不是很高，带后座的小于六自由度（DOF）的定位系统，小功率，以致它几乎只作为整型附属肢体出现。该AIST HRP2系统，是当今世界为数不多的具有强大机械臂的两足类人机器人，它的机器臂可以用来帮助机器人从俯卧姿势站起来。
Figure 4.11. Strong dexterous arms at AIST Tsukuba, NASA and DLR.
在该领域里最好的机器臂综合扭矩传感和终端力力矩传感器，这可以使的机器臂具有平稳和优良的力控制。该机器臂大于7个自由度，并能在正常的工作状态下处理5公斤或更高有效载荷。他们使用密集封装和模块化应用的嵌入式机载电子设备。
移动控制
当能很轻松地安置自身的下身机构和一个灵巧地能执行增值的工作上半身机构相结合时，移动操纵是取得成功了。而这种组合并不一定是类人机器人，人是移动操作器的理想的例子。主动平衡底座或腿部连接小脚，这可以让他们的上肢能够接近环境，同时方便在拥挤的城市环境进行机动。双灵巧的上肢提供灵长类动物一样的工作空间和抓握能力，这些能力使得机器人和人一样在同样的城市环境里的工作在相同的接口和物体上。这类型的机器，可以通过从下层机构到上层机构的差异驱动车和传感器提供的互补能力，重新分配力量和位置控制。在这个领域已经做了开拓性的工作斯坦福大学。马萨诸塞大学（UMASS） ，卡内基-梅隆大学（CMU） ，和德国航天中心继续在这方面进行研究工作。
Figure 4.12. Mobile Manipulation at CMU, Stanford, RWTH Aachen and DLR.
人－机器人交互
类人机器人是移动操纵的一个子集，同时他们也是正在进行的人类－机器人交互（HRI）研究中的一个重要组成部分。有许多方面的HRI并不关注与机器人互动过程中人体功能或形态的作用。但是，类人机器人系统在人类的互动这方面是非常有优势的。广大市民对类人机器的反应已经被列入了一个很大的由本田、索尼和国家实验室组成的教育推广计划。在这一现象里，科幻小说可能起了一个重要作用。
Figure 4.13. Human-Robot Interaction at Honda, Osaka Univ., MIT and KAIST.
在交互科学里，社会和心理因素在起到了一个强有力的推动作用。在大阪大学研究者和其他研究机构都在正在探索"诡异谷"假说 。这一现象首先由森喜朗在1970年提发现。在该现象中，一定程度的类人形式和人脸中的运动是由局部最小反应所构成的。在最近几年内，有越来越多，但还年轻的研究团队进入这个研究领域，带动了许多活跃的HRI工厂， 机器人科学和不可思议谷的观点。
Figure 4.14. The Uncanny Valley, and robots at Osaka University.
关键技术
类人机器人主要的关键技术包括以下几个方面：
a ）用规模更小、更强、更快、并提供更好的分辨率和精度的新组件技术来改进系统的设计和封装
b ）为了获得更长的持久力、更大的举力和更快的速度使用密集和强大的能量存储装置
c ）改进驱动器以便有更高的功率密度，其中包括如电源供应器、信号调节、驱动车、布线等辅助子系统
d ）减少速度衰减，改良将力传递到类人机器人末端的动力传递机构
e ）改进力控制，提高整个机构的动力学性能
f ）更好的带触觉的皮肤以便感觉接触、触摸和在环境中邻近的物体
g ）先进的导航，能在机构高速中观察和挑选准确到厘米级的脚步
h ）能协调上层机构和动态机构上头盔传感器的前庭系统
i ）能动态奔跑和跳跃的灵巧脚
j ）具有使用工具及处理一般物体的灵巧手
这份清单显示类人机器人技术作为一个工程学科已经成熟。其中设计问题，封装，激励器技术及电力/能源方面的考虑是至其重要的。反过来说，其实上，为数不多几个原型存在，使得连接触他们都有问题，使哪些没有设计的研究者和工程技能分离。[/i]一个不断成熟的领域里，只有少数的商业产品可供选择，是不寻常的。
基础研究方面的挑战
如果一个机器人系统能够解决下面的问题，那么这个系统就是一个功能完备、并体现了人的特征的强大的研究试验平台。这些问题包括：
-如何最优地将腿、脊柱及上肢从机构到传感器都排列好，使的整个机器人更节省能源、更有效率地行走？
-机器人应该怎样表现出在某一环境里感知、规避、处理物体的知识？
-用怎样的算法来管理上半身动力，驱动下体双腿和轮式平衡器？
-当处在一个复杂的小尺寸及很容易相撞的工作空间里，如何才能有使得移动操纵机器人更方便检查和操纵？
-应该怎样才能基于视觉/激光感知物体，并能结合触觉/触觉感知把握物体？
-什么形式的动作和外观才能令人们接受机器人，并乐于与机器人一起工作？
-人们怎样和类人机器人互动以便形成更有效和安全的团队？
访问的实验室
评估小组参观的地方
该研究小组访问了日本，韩国，西班牙，法国，德国，意大利，英国，瑞士，瑞典，另外也对美国的实验室做了一些回顾和讨论。以下是这次评论范围内的类人系统研究实验室的分布图。
Figure 4.15. Humanoid systems reviewed.
观察、应用、结论
数量方面的观察
从数量上说，日本拥有最多的类人机器人系统。该研究小组已前往AIST Tsukuba, AIST Waterfront,，筑波大学，东京大学，大阪大学，富士通，在早稻田的多种实验室，索尼和先进通信研究所（ATR） 。1970年，在早稻田大学，由于铃木一朗加藤和Wabot的项目，类人机器人这一领域在日本诞生了。同时日本早稻田继续这一传统，通过时至今天的强大项目，使得比任何其他学校更多的人来攻读研究生学位。
Figure 4.16. Humanoid systems Waseda, past and present.
研究小组并没有受邀到本田或丰田参观。这可能出于他们对专利产权方面的担心。然而，深入了解了本田公司的历史，那么就能充分理解这个集团。相对E系列的类人机器人经历过不为人知的发展， 1997年P系列在当时的发布，是类人机器人的历史一个重要转折点。该系列带有明显组织性和战略性引导按照循序渐进的方法进化。最近的研究表明，丰田也显示出类似的兴趣和欲望，并且建立多种形式的类人机器人。
Figure 4.17. Honda and Toyota humanoids.
在AIST Waterfront和AIST Tsukuba的原型是这一领域里的典型代表。这些系统已经历了神奇的进化之路，HRP-1和HRP-2系统的已经经历了几代的进化从只有双腿，然后有机器臂，然后最后重新整合HRP单元。研究小组参观了在AIST Tsukuba的HRP-2 单元的 #01，在AIST Waterfront的 #12。通过头部中新的立体视觉，和在一个灵巧的手腕上装配了一个新的防水的灵巧手，令的＃12机器人性能大幅提升。这两个系统都做了充分操作演示，并表现出优越的性能。该机器人是作为日本政府（经济部，贸易和工业省（ METI ） ）和工业（川田工业） ，以及大学团体通过合作建立起来的。现在这一机器人作为测试平台供大学团体进行研究使用。
Figure 4.18. AIST humanoids.
索尼公司和富士通公司非常大方地接待我们的研究团队，并向我们介绍了它们的业务计划和产品。两个公司都有首先商业上出现的微型类人机器人。他们的工作是众所周知的，并遵循了与早稻田、 AIST和本田等研发大型类人机器人同样的演化路径。该系统具有高强度重量比，并具有一定程度的防摔防跌功能。索尼的系统具有下面这些优良特点：良好的视觉感知，与人交互，以及搭配一种快速眼手协调能力，省电和良好包装的躯干和四肢。富士通的系统有一个大的肢体运动范围，让它能够从地板上起立，并单腿站立。
Figure 4.19. Sony and Fujitsu humanoids.
韩国人的类人机器人系统给研究小组留下深刻的印象，在我们的访问期间，许多系统仍然在不断地的发展和完善中。这里只公布哪些供公开评论的产品。在2005年向公众展出的韩国和韩国高等科学技术学院（ KIST ）的设计，已经我们在2004年10月实地访问时完全不同了。这些机器人证明韩国在类人机器人研究领域里是一个不可轻视的强有力的研究实力，并显示出不断加速的能力和技巧。其中两个重要的、值得提起的系统都专注于腿和手。这两个机器人具有多指，多自由度末端效应能以适当的力度来掌握和持有的物体。在浦项科技大学（POSTECH）类人机器人系统尚未公开的，但已经显示一种对腿机构来说非常重要的崭新的方法，这些有很多的系统相对于本田的系统分析来说都只有轻微的变化。研究小组参观了下肢机构，小组并对他们正在研制具有动态性和可控性方面的设计工作具有深刻的认识。
Figure 4.20. KIST (NBH-1) and KAIST (KHR-3) humanoids.
质方面的观察
在世界上,日本拥有强大的项目，但在近5年里，韩国是一个最佳的分支，并取得了重大的进展。这两个国家都有一个合理的架构，政府实验室，公司和大学团队组合在一起。在双足行走及类人机器人商业方面亚洲处于世界前列。
美国四肢控制算法研究方面处于领先单位，但缺少实验平台来证实这些理论算法，反而在亚洲，这些算法被重新发现、检验和完善。在上半身机构应用，灵巧操控，把握和手眼协调能力美国一直领先。美国在下身机构方面处于一个低级阶段，并且只有少数活跃的项目，并会在不久将在这些领域被超越，并被夺取最终的主导权。
和美国一样，欧洲的工作一直缺乏较大规模的组织，计划或策略。也和美国一样，欧洲也有一些的优秀作品，如在卡尔斯鲁厄的新颖的流体动力手，在TUM的平滑步行机构，以及在德国航空和航天中心精美的灵巧手设计。
应用
在每一个实验室参观，都会讨论这一问题，就是对于类人机器人来说 "什么是杀手级应用" ？用在所有国家都使用这个俚语短语。在日本，这项工作的动机是支持的"银发社会" ，这个词出现在几个实验室的描述中，技术必须满足人口逐渐老化所带来的需求。类人机器人的形式和功能就是为了满足这个市场的需要提出此观念。另外日本的文化和大众的倾向接纳机器人和技术也对这一产业起到了推动作用。因为我们的参观考察，早稻田已展示了不需要在家庭护理人员的帮助下，机器人如何把人从一张床抬起来。
在韩国，我们经常受到热情的介绍，机器人技术已被选定为推进国家的国民生产总值（GNP）的国家技术计划里的关键技术之一。这自顶向下的策略与国家目标，是世界上独一无二的。韩国科研人员对无所不在的系统都深感兴趣，并期待在类人机器人作为一个城市服务任务的技术设计组成部分。
下面简单罗列出了类人机器人研究者所追求的应用，包括：
-军事及安全性搜寻和援救，地雷/简易爆炸装置（简易爆炸装置）处理工作，后勤工作，并直接作为武器使用
-医务搜索和救援，病人运送，护理，照顾老人，友谊（人类伙伴）
-家居清洁服务，食品烹调，购物，库存，家居安全
-与太空行走的宇航员一起从事空间安全工作，船员的管理员
-危险的工作，操作建筑设备，装卸货物，消防安全
-制造业的小配件组装，库存控制，交付，客户服务支持
结论
在亚洲，美国和欧洲，正在发展中的类人机器人，尚未出现明确的商业计划。早期系统既昂贵又脆弱，被用来发展行走、操纵和人机互动能力的测试平台。当这些技术成熟，再加上更好的机器被建造出来了，类人机器人潜力是无限的。唯一问题是：这些未来的类人机器人什么时候才成为可行，谁又会成为第一个类似于" Model T "这样的系统呢？
虽然缺乏清晰的商业计划，但并没有限制对类人机器人的兴趣和投资，原因有两个。首先，是有情感和文化的需求和推动建立外形和功能都像人类机器。美国只关注类人机器人在我们的科幻小说里那样描绘的危险性，而日本渴望全面拥有机器人技术。做为第三种分支，韩国侧重于把类人机器人作为一个具有高度有线和无所不在的城市景观一个部分，从与建筑融为一体逐步向可移动转变，类人机器人将比房子升级的快。目前的许多原型被视为作为象征的未来开发者寻求领先的"吉祥物"。无论类人机器人去到那里，他们会产生强烈的情绪和意见，从爱到恨。但在建立他们的推动力是强大的，而不是出于短期的经济行为。
还有发展类人机器人的第二个必然原因：它们覆盖了一个很广阔的机器人技术领域。某种主要形态的，例如像人一样能够根据地形移动的类人机器人原型虽然尚未实现 。采用灵感来自人类肢体的灵巧地处理对象和使用工具机器手，那么他们将能够完成增值工作。那么他们将流行起来，将与我们的社会无缝连接。但随着时间的推移，技术的成熟，他们将填满哪些并不很适合于人类工作的岗位。他们将进入我们的家，融入我们的社会，操纵我们的现代生活。 类人机器人代表了大量复杂系统的集成，结合了认知与导航，感知和操控的研究。这种形式完整性产生了的功能是不可忽视的。如果存在一个可以负担得起的平台，那么多数研究人员将会在他们的研究中使用这个平台。
类人机器人开始于20世纪科幻作家的想象力。现在，它似乎成为了工程师们的研究方向。 21世纪将看到类人机器人离开小说、一步一步地，滚动着轮子或奔跑地进入到我们的世界。
类人机器人
Robert Ambrose, Yuan Zheng, Brian Wilcox
背景
科幻引领着机器人领域的发展。像许多其他学科那样，技术的愿景远远超出了当代最新技术水平。"机器人"这个词是由捷克作家恰佩克在他1924年的" Rossum的通用机器人"这部作品中杜撰出来的。在那部戏剧里，机器人是由人扮演，并且是被处理成被奴役和征服的对象，隐喻对当时人类工人景况的关注。至少在戏剧里，那些是第一批机器人，也是第一批类人机器人。
Figure 4.1. Capek Paris Production, 1924; Asimov, Will Smith, I Robot, 2004.
机器人在科幻小说里另一个落脚点，是在Asimov的1941年作品里。在那部作品里，"机器人"首次被确定为一门学科。并再次，机器人在小说里都被研究和构建成具备人的形态和功能。上面的图片显示，机器人从最早的科幻小说作品，到现代媒体的演变。在这两种情况下，机器人所执行的任务是被人设计好的，他们执行这些任务所在环境是有人在场的。其功能技能被描述成为如此完善，使他们能够安全地和人们在一起，不需要用工具，地形，甚至技术来调节就能执行任务。
本章介绍了目前在日本，韩国，美国和欧洲等类人机器人实验室里正进行研究活动。类人机器人，在30年前开始，走出科幻，并且在过去十年有增强的势头。在这一章中，我们首先讨论的类人机器人系统的定义和组成，然后介绍在该领域里的最新进展情况。最后，在本章结尾我们对应用领域，以及在美国、日本、韩国和欧洲发现的相关要素做一个简短的讨论。
类人机器人定义
外形和功能
类人机器人曾经在电影是是有人类演员来扮演的，但都很快被计算机图形学所取代。但不变的是他们在一个城市的环境里，用设计好的工具，在人类周围安全地（或故意没有）为人类工作，或执行被人类设置好的任务。
Figure 4.2. Star Wars Episode II WA-7 Waitress robot, Star Wars Episode III General Grievous.
因为计算机技术的发展原来由使用人扮演机器人，现在由媒体取代。这同时解除了对虚构机器人形态的约束，机器人被刻画成多肢和引入轮子。这种趋势对工程师设计实际的机器人可能具有启发性的，在这一章中我们将会看到，实际上已被采用。因此定义类人机器人，不能流于类人的外观形式，而应该着重在功能方面。我们根据职责不同区分女服务员和将军。虽然使这些虚构的机器人具备与超人的技能，例如用轮滑行、用多肢体战斗，但就机器人所做的工作与人所做的无异。然而，一台高速、重复地以一个完全非拟人的方式工作的机器并不被看作是类人机器人，如印刷机。
因此是在定义类人机器人是很难的，所以我们尝试平衡的形态和功能这方面。以下提出了一个综合的上述两方面内容的定义：
类人机器人是具有人类的形态或功能的机器。[/b][/b]
举一个同时具备人的形态和功能的类人机器人的简单实例，在今时今日是也是很非常难的。但根据对科幻的思索，显示这种情况将会改变。
类人机器人的组成？
现代类人机器人由两个主要的很好地被界定为自己的上，下机构子系统所构成。下身机构是腿，轮子，或路轨。这一机构为推进上半身通过一个工作区提供运动。上身机构是手臂，手和头部。这一部分能与环境进行交互并且执行相关操作。将头、手臂、手等各部分连接起来的是一个躯干，通常带有储存能量的装置和控制用的电脑。
Figure 4.3. Gross anatomy of the humanoid—heads, torsos, arms, hands, legs.
在研究小组访问活跃在类人机器人研究领域的各个实验室期间，发现了每个子系统都有很多的例子。许多类人机器人并不是具有所有的子系统的，通常其中的某一部分是被忽略的。大多数实验室都集中在某一个的单一的子系统上做的相当出色。眼手协调和两足运动是最常见的组合子系统，其他非关键子系统被省略了，这样以便研究人员专著于这些核心内容上。有几个建成了完整的上、下两个机构子系统的原型，但这些原型都很优秀，昂贵的，同时也是最有名的。
类人机器领域面临的挑战
设计、包装和动力
类人机器人的研究领域是需要高投入的。其中绝大多数已建成的研究平台都是独立设计的，很少或根本没有商业产品。因为这些系统并未成熟，所以令得哪些想照搬这些平台来使用的研究者必须冒很大的风险，因为基于这些平台的二次开发研发团体来说，他们并没有具备足够的知识来维持或发展这些平台。通过成熟的组件技术，带来改变，包装和动力的挑战和困难将被克服。这种技术领先的综合设计公司有：本田，丰田和索尼。政府或企业团体有：日本先进工业科学和技术国家研究所（ AIST ） ，韩国先进科学技术学院（KAIST） ，美国国家航空和航天局（NASA） ，德国航天局（DLR）。以大学领导的在机电一体化方面具有悠久研究传统的团队有：早稻田大学，马萨诸塞州技术研究学院（即美国麻省理工学院,MIT） ，以及慕尼黑技术大学（TUM）。
构件技术的进步，并非局限于机器人领域，但这些对类人机器人设计产生了巨大影响。更小、更省电的计算机的出现，使得现代机器人的产生成为可能。 类人机器人都需要大量计算。手臂和腿部的具体实现所需要的扭矩和功率密度被轻量级直流（DC）马达和齿轮减速器激活。特别是直流无刷电机和谐波传动在机电系统提供了最高的扭矩密度。现代电池的改良和演变，使得这些高功率的四肢得到进一步的发展成为可能。可以使这些系统自成一体，去执行短暂的任务。尤其是锂离子电池，使机器人能携带自己的电源供应器，进行移动和上部机构的工作。在液压系统（SARCOS）及低压力流体动力(KARLSRUHE)方面的新研究仍然在继续进行中。
Figure 4.4. Honda, MIT, Sarcos, Toyota, NASA.
这些先进的计算机，驱动车，及电池的不是由机器人研究人员开发的，但他们迫切地采用了这些最先进的部件。现代的笔记本电脑，手机，汽车领域驱动着这个已经拥有大量消费者的组件市场的发展。事实上，目前生产类人机器人的公司包括本田，丰田和索尼，这并不是一种巧合。
双足行走
大部分的双足步行系统并采用零力矩点（ZMP）的算法来模拟人的形式。在这个算法中，系统的临界点的被操作向前或向后走。
Figure 4.5. ZMP Mechanics.
许多最有名的类人机器人已率先实施zmp点算法。在AIST Tsukuba和AIST Waterfront的机器人为制定和完善zmp点步行系统采用轮式支架来作为一个安全的试验平台。本田系统已经取得许多几代机器人的成功。
Figure 4.6. ZMP Walkers at AIST Tsukuba, AIST Waterfront, KAIST, Honda.
一个更好的动态形式的步行假设被提出来，早稻田和TUM的高度集成的类人机器人系统中现在正试图采用这一新算法。这些系统使用的上半身，或额外的自由度，以管理的机器人重心的垂直分量。从远景来看这种形式的步行非常引人瞩目，因为机器人不再需要用" 蜷缩的步态"来行走 ，因此，机器人的步行是成为被称为"直腿走路"。早稻田设计采用侧髋关节来连接以"摇动"的臀部，使躯干的重心平滑地保持水平移动。该TUM设计采用了大质量的上肢来平衡下体的运动，就像加了额外的腿关节那样取得良好的效果。
Figure 4.7. Dynamic Walkers at Waseda, MIT, TUM.
轮式机构
几个实验室正在建造的使用轮子来运动的新形式下身机构。这些系统通常有小轮子，让它们的上层机构以悬于下体之上，并允许与环境互动。例子包括静态稳定轮式基座，和像一个踏板车一样的动平衡系统。下图举了三个例子。
Figure 4.8. Dynamic balancing wheeled humanoids at NASA, Toyota and MIT.
灵巧手[/b][/b]
研究移动机器人的运动和导航已经超出灵巧操控的研究范畴。二十年前，智能机器人社区刚刚组建，对我们今天称之为请移动机器人导航的方法和体系机构几乎没有共识。今天，这一领域已大大成熟起来了，有许多商用的体系结构可以采用，以提升轮式车辆的性能，使得它像一个有先进思想的机器。这类互动可以使得机器根据有限的环境是来感知并有意回避物理碰撞。这一技术目前正应用于以前描述过的腿和轮式系统。
和这些运动功能一样复杂的是，交互与环境界限的混合，通过比较然后选用工具改变世界。[/i]充分了解这个世界，以便知道一个改变是必要的和/或可能的，然后形成一个计划使用一个已知的工具，以落实这项改变，这是一个无限的和开放的挑战。在工具使用和装备方面的新兴理论促进了人类认知的进化和发展，这模糊地预兆所有的机器人团队打算尽快地将类人机器人自动化为一个称职的工具使用者。
要取得这方面的成功，现有的同时定位与地图创建（SLAM）的技术将是必不可少的，但必须整合符号，关联，联想，普遍定性表示法等知识，以便合成的画面。机器人看到一个顶部表面粗糙质地方框。一个人同样看到这个场景，并看到的工作台，那么就会回忆其手工工具的使用，这是一辈子都忘不了的回忆。
使机器人像人类那样使用工具，和人类同样的认知水平，第一步目标是具有到有灵巧的手，哪怕是这双手的操控能力不太完善。这是第二个最有可能实现的步骤，就是使得类人机器人成为人类的徒弟相当的角色。
Figure 4.9. Dexterous hands at DLR, Shadow, NASA and Tsukuba.
在早期这项研究进程，拥有双手将是至关重要的，因为学习与联结物体的知识能力将做机器人的自身，当抓住了储存在感觉运动空间的对象时，是以这种方式的去感觉一个工具。在灵巧手方面的关键进展包括：带触觉的皮肤，指端负荷传感，肌腱驱动车，微型齿轮，嵌入式电子设备，和非常新的在低压力流体动力系统方面的内容。在今后十年至十五年内，基于生物激励的传动装置的基础研究将有可能改变这一领域的本性。
Figure 4.10. Dexterous arms at DLR, NASA and UMASS.
为了获取最好的效果，手必须有大小合适并整合的机械臂。面临的挑战之一是，只有少量机械臂提供给研究者选择，以及这些相应的机械臂系统成本高，这都使得进入这一研究领域困难重重。只有很少的人类手臂尺度大小的机械臂能够使用在移动应用里，其中大多数手臂都是低强度的。大部分类人机器人的机械臂性能并不是很高，带后座的小于六自由度（DOF）的定位系统，小功率，以致它几乎只作为整型附属肢体出现。该AIST HRP2系统，是当今世界为数不多的具有强大机械臂的两足类人机器人，它的机器臂可以用来帮助机器人从俯卧姿势站起来。
Figure 4.11. Strong dexterous arms at AIST Tsukuba, NASA and DLR.
在该领域里最好的机器臂综合扭矩传感和终端力力矩传感器，这可以使的机器臂具有平稳和优良的力控制。该机器臂大于7个自由度，并能在正常的工作状态下处理5公斤或更高有效载荷。他们使用密集封装和模块化应用的嵌入式机载电子设备。
移动控制
当能很轻松地安置自身的下身机构和一个灵巧地能执行增值的工作上半身机构相结合时，移动操纵是取得成功了。而这种组合并不一定是类人机器人，人是移动操作器的理想的例子。主动平衡底座或腿部连接小脚，这可以让他们的上肢能够接近环境，同时方便在拥挤的城市环境进行机动。双灵巧的上肢提供灵长类动物一样的工作空间和抓握能力，这些能力使得机器人和人一样在同样的城市环境里的工作在相同的接口和物体上。这类型的机器，可以通过从下层机构到上层机构的差异驱动车和传感器提供的互补能力，重新分配力量和位置控制。在这个领域已经做了开拓性的工作斯坦福大学。马萨诸塞大学（UMASS） ，卡内基-梅隆大学（CMU） ，和德国航天中心继续在这方面进行研究工作。
Figure 4.12. Mobile Manipulation at CMU, Stanford, RWTH Aachen and DLR.
人－机器人交互
类人机器人是移动操纵的一个子集，同时他们也是正在进行的人类－机器人交互（HRI）研究中的一个重要组成部分。有许多方面的HRI并不关注与机器人互动过程中人体功能或形态的作用。但是，类人机器人系统在人类的互动这方面是非常有优势的。广大市民对类人机器的反应已经被列入了一个很大的由本田、索尼和国家实验室组成的教育推广计划。在这一现象里，科幻小说可能起了一个重要作用。
Figure 4.13. Human-Robot Interaction at Honda, Osaka Univ., MIT and KAIST.
在交互科学里，社会和心理因素在起到了一个强有力的推动作用。在大阪大学研究者和其他研究机构都在正在探索"诡异谷"假说 。这一现象首先由森喜朗在1970年提发现。在该现象中，一定程度的类人形式和人脸中的运动是由局部最小反应所构成的。在最近几年内，有越来越多，但还年轻的研究团队进入这个研究领域，带动了许多活跃的HRI工厂， 机器人科学和不可思议谷的观点。
Figure 4.14. The Uncanny Valley, and robots at Osaka University.
关键技术
类人机器人主要的关键技术包括以下几个方面：
a ）用规模更小、更强、更快、并提供更好的分辨率和精度的新组件技术来改进系统的设计和封装
b ）为了获得更长的持久力、更大的举力和更快的速度使用密集和强大的能量存储装置
c ）改进驱动器以便有更高的功率密度，其中包括如电源供应器、信号调节、驱动车、布线等辅助子系统
d ）减少速度衰减，改良将力传递到类人机器人末端的动力传递机构
e ）改进力控制，提高整个机构的动力学性能
f ）更好的带触觉的皮肤以便感觉接触、触摸和在环境中邻近的物体
g ）先进的导航，能在机构高速中观察和挑选准确到厘米级的脚步
h ）能协调上层机构和动态机构上头盔传感器的前庭系统
i ）能动态奔跑和跳跃的灵巧脚
j ）具有使用工具及处理一般物体的灵巧手
这份清单显示类人机器人技术作为一个工程学科已经成熟。其中设计问题，封装，激励器技术及电力/能源方面的考虑是至其重要的。反过来说，其实上，为数不多几个原型存在，使得连接触他们都有问题，使哪些没有设计的研究者和工程技能分离。[/i]一个不断成熟的领域里，只有少数的商业产品可供选择，是不寻常的。
基础研究方面的挑战
如果一个机器人系统能够解决下面的问题，那么这个系统就是一个功能完备、并体现了人的特征的强大的研究试验平台。这些问题包括：
-如何最优地将腿、脊柱及上肢从机构到传感器都排列好，使的整个机器人更节省能源、更有效率地行走？
-机器人应该怎样表现出在某一环境里感知、规避、处理物体的知识？
-用怎样的算法来管理上半身动力，驱动下体双腿和轮式平衡器？
-当处在一个复杂的小尺寸及很容易相撞的工作空间里，如何才能有使得移动操纵机器人更方便检查和操纵？
-应该怎样才能基于视觉/激光感知物体，并能结合触觉/触觉感知把握物体？
-什么形式的动作和外观才能令人们接受机器人，并乐于与机器人一起工作？
-人们怎样和类人机器人互动以便形成更有效和安全的团队？
访问的实验室
评估小组参观的地方
该研究小组访问了日本，韩国，西班牙，法国，德国，意大利，英国，瑞士，瑞典，另外也对美国的实验室做了一些回顾和讨论。以下是这次评论范围内的类人系统研究实验室的分布图。
Figure 4.15. Humanoid systems reviewed.
观察、应用、结论
数量方面的观察
从数量上说，日本拥有最多的类人机器人系统。该研究小组已前往AIST Tsukuba, AIST Waterfront,，筑波大学，东京大学，大阪大学，富士通，在早稻田的多种实验室，索尼和先进通信研究所（ATR） 。1970年，在早稻田大学，由于铃木一朗加藤和Wabot的项目，类人机器人这一领域在日本诞生了。同时日本早稻田继续这一传统，通过时至今天的强大项目，使得比任何其他学校更多的人来攻读研究生学位。
Figure 4.16. Humanoid systems Waseda, past and present.
研究小组并没有受邀到本田或丰田参观。这可能出于他们对专利产权方面的担心。然而，深入了解了本田公司的历史，那么就能充分理解这个集团。相对E系列的类人机器人经历过不为人知的发展， 1997年P系列在当时的发布，是类人机器人的历史一个重要转折点。该系列带有明显组织性和战略性引导按照循序渐进的方法进化。最近的研究表明，丰田也显示出类似的兴趣和欲望，并且建立多种形式的类人机器人。
Figure 4.17. Honda and Toyota humanoids.
在AIST Waterfront和AIST Tsukuba的原型是这一领域里的典型代表。这些系统已经历了神奇的进化之路，HRP-1和HRP-2系统的已经经历了几代的进化从只有双腿，然后有机器臂，然后最后重新整合HRP单元。研究小组参观了在AIST Tsukuba的HRP-2 单元的 #01，在AIST Waterfront的 #12。通过头部中新的立体视觉，和在一个灵巧的手腕上装配了一个新的防水的灵巧手，令的＃12机器人性能大幅提升。这两个系统都做了充分操作演示，并表现出优越的性能。该机器人是作为日本政府（经济部，贸易和工业省（ METI ） ）和工业（川田工业） ，以及大学团体通过合作建立起来的。现在这一机器人作为测试平台供大学团体进行研究使用。
Figure 4.18. AIST humanoids.
索尼公司和富士通公司非常大方地接待我们的研究团队，并向我们介绍了它们的业务计划和产品。两个公司都有首先商业上出现的微型类人机器人。他们的工作是众所周知的，并遵循了与早稻田、 AIST和本田等研发大型类人机器人同样的演化路径。该系统具有高强度重量比，并具有一定程度的防摔防跌功能。索尼的系统具有下面这些优良特点：良好的视觉感知，与人交互，以及搭配一种快速眼手协调能力，省电和良好包装的躯干和四肢。富士通的系统有一个大的肢体运动范围，让它能够从地板上起立，并单腿站立。
Figure 4.19. Sony and Fujitsu humanoids.
韩国人的类人机器人系统给研究小组留下深刻的印象，在我们的访问期间，许多系统仍然在不断地的发展和完善中。这里只公布哪些供公开评论的产品。在2005年向公众展出的韩国和韩国高等科学技术学院（ KIST ）的设计，已经我们在2004年10月实地访问时完全不同了。这些机器人证明韩国在类人机器人研究领域里是一个不可轻视的强有力的研究实力，并显示出不断加速的能力和技巧。其中两个重要的、值得提起的系统都专注于腿和手。这两个机器人具有多指，多自由度末端效应能以适当的力度来掌握和持有的物体。在浦项科技大学（POSTECH）类人机器人系统尚未公开的，但已经显示一种对腿机构来说非常重要的崭新的方法，这些有很多的系统相对于本田的系统分析来说都只有轻微的变化。研究小组参观了下肢机构，小组并对他们正在研制具有动态性和可控性方面的设计工作具有深刻的认识。
Figure 4.20. KIST (NBH-1) and KAIST (KHR-3) humanoids.
质方面的观察
在世界上,日本拥有强大的项目，但在近5年里，韩国是一个最佳的分支，并取得了重大的进展。这两个国家都有一个合理的架构，政府实验室，公司和大学团队组合在一起。在双足行走及类人机器人商业方面亚洲处于世界前列。
美国四肢控制算法研究方面处于领先单位，但缺少实验平台来证实这些理论算法，反而在亚洲，这些算法被重新发现、检验和完善。在上半身机构应用，灵巧操控，把握和手眼协调能力美国一直领先。美国在下身机构方面处于一个低级阶段，并且只有少数活跃的项目，并会在不久将在这些领域被超越，并被夺取最终的主导权。
和美国一样，欧洲的工作一直缺乏较大规模的组织，计划或策略。也和美国一样，欧洲也有一些的优秀作品，如在卡尔斯鲁厄的新颖的流体动力手，在TUM的平滑步行机构，以及在德国航空和航天中心精美的灵巧手设计。
应用
在每一个实验室参观，都会讨论这一问题，就是对于类人机器人来说 "什么是杀手级应用" ？用在所有国家都使用这个俚语短语。在日本，这项工作的动机是支持的"银发社会" ，这个词出现在几个实验室的描述中，技术必须满足人口逐渐老化所带来的需求。类人机器人的形式和功能就是为了满足这个市场的需要提出此观念。另外日本的文化和大众的倾向接纳机器人和技术也对这一产业起到了推动作用。因为我们的参观考察，早稻田已展示了不需要在家庭护理人员的帮助下，机器人如何把人从一张床抬起来。
在韩国，我们经常受到热情的介绍，机器人技术已被选定为推进国家的国民生产总值（GNP）的国家技术计划里的关键技术之一。这自顶向下的策略与国家目标，是世界上独一无二的。韩国科研人员对无所不在的系统都深感兴趣，并期待在类人机器人作为一个城市服务任务的技术设计组成部分。
下面简单罗列出了类人机器人研究者所追求的应用，包括：
-军事及安全性搜寻和援救，地雷/简易爆炸装置（简易爆炸装置）处理工作，后勤工作，并直接作为武器使用
-医务搜索和救援，病人运送，护理，照顾老人，友谊（人类伙伴）
-家居清洁服务，食品烹调，购物，库存，家居安全
-与太空行走的宇航员一起从事空间安全工作，船员的管理员
-危险的工作，操作建筑设备，装卸货物，消防安全
-制造业的小配件组装，库存控制，交付，客户服务支持
结论
在亚洲，美国和欧洲，正在发展中的类人机器人，尚未出现明确的商业计划。早期系统既昂贵又脆弱，被用来发展行走、操纵和人机互动能力的测试平台。当这些技术成熟，再加上更好的机器被建造出来了，类人机器人潜力是无限的。唯一问题是：这些未来的类人机器人什么时候才成为可行，谁又会成为第一个类似于" Model T "这样的系统呢？
虽然缺乏清晰的商业计划，但并没有限制对类人机器人的兴趣和投资，原因有两个。首先，是有情感和文化的需求和推动建立外形和功能都像人类机器。美国只关注类人机器人在我们的科幻小说里那样描绘的危险性，而日本渴望全面拥有机器人技术。做为第三种分支，韩国侧重于把类人机器人作为一个具有高度有线和无所不在的城市景观一个部分，从与建筑融为一体逐步向可移动转变，类人机器人将比房子升级的快。目前的许多原型被视为作为象征的未来开发者寻求领先的"吉祥物"。无论类人机器人去到那里，他们会产生强烈的情绪和意见，从爱到恨。但在建立他们的推动力是强大的，而不是出于短期的经济行为。
还有发展类人机器人的第二个必然原因：它们覆盖了一个很广阔的机器人技术领域。某种主要形态的，例如像人一样能够根据地形移动的类人机器人原型虽然尚未实现 。采用灵感来自人类肢体的灵巧地处理对象和使用工具机器手，那么他们将能够完成增值工作。那么他们将流行起来，将与我们的社会无缝连接。但随着时间的推移，技术的成熟，他们将填满哪些并不很适合于人类工作的岗位。他们将进入我们的家，融入我们的社会，操纵我们的现代生活。 类人机器人代表了大量复杂系统的集成，结合了认知与导航，感知和操控的研究。这种形式完整性产生了的功能是不可忽视的。如果存在一个可以负担得起的平台，那么多数研究人员将会在他们的研究中使用这个平台。
类人机器人开始于20世纪科幻作家的想象力。现在，它似乎成为了工程师们的研究方向。 21世纪将看到类人机器人离开小说、一步一步地，滚动着轮子或奔跑地进入到我们的世界。