仿人机器人——什么是仿人机器人?

      首先回答第一个问题，什么是机器人，什么仿人机器人？

    “机器人（robot）”这一词汇在日常生活中常常用到，尤其是在大量影视作品中，《恐龙特级克塞号》和《铁臂阿童木》是我儿时对机器人的最早记忆了，《机器人总动员》（2008年上映）中的瓦力和伊娃的感人故事，更是赋予了机器人以生命。其他作品，例如《终结者》、《星球大战》、《机械公敌》等等，举不胜举，实际上，机器人被赋予生命是机器人研究的终极目标。

      在给出仿人机器人概念之前，我们不妨先讨论一下机器人的概念。实际上，迄今为止，针对“机器人”仍没有一个确切的定义。“机器人”是20世界出现的一个新名词。1920年，捷克剧作家Karel Capek在他的Ruossum's Universal Robots最早提出了机器人的概念，在拉斯夫语言中，robota表示强制劳动的意思，因此robot最早被赋予“奴隶机器”的涵义。1967年日本的“人工手研究会”举办了第一届机器人学术会议，并将机器人定义“一种具有移动性、个体性、半机械半人性、自动性和奴隶性”的操作工具。斯坦福大学的B.Roth认为，机器人是一种与人、动物或其他机械协同工作的机械，包括自动型和半自动型。从机械设计观点出发，K.J.Waldron提出“机器人是一种具有较多自由度，由机构之间具有接口的主动系统进行决策和控制的机械”。国际标准ISO与1994年出版的《工业操作机器人用于》一书中，定义机器人为“A Manipulating industrial robot is an automatically controlled, reprogrammable, multi-purpose, manipulative machine with several degrees of freedom, which may be either fixed in place or mobile for use in indutrial automation applications”，美国机器人学会对机器人定义与此相近，“A reprogrammable, multial manipulator designed to move material, parts, tools, or specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks”，日本工业标准对机器人则定义为“一种能够通过自动控制来进行操作或移动，且由程序对各种作业进行控制的工业机械”。可见，即使是工业标准对“机器人”的定义也存在大量争议。在此，我们不妨给出机器人的定义为“一种具有感知和决策能力的自动化设备”，那么，“遥控汽车”算不算机器人？不算，因为遥控汽车不具备感知和决策能力。但是，如果遥控汽车配置了一定的传感器并且具备了一定的环境适应能力的话，那么此时的遥控汽车就成了机器人，例如电子设计大赛经常用到的“寻迹小车”。同样道理，“遥控飞机”不是机器人，但“无人机”就是机器人。

    提到机器人，我们不得不提机器人三大定律，机器人三大定律是由作家Asimov于1942年提出来的，机器人三大定律其实从机器人伦理学角度提出的，但却可能成为影响机器人发展的一个重要概念。定律如下：

    第一、机器人必须不危害人类，也不允许在人类受到危害时，袖手旁观

    第二、机器人必须绝对服从人类的命令，除非违背第一定律

    第三、在不违背第一定律和第二定律的前提下，机器人必须保护自身不受到伤害。

    三大定律明确界定了机器人的职责，但是问题来了，“人类如果发生战争，并且人类要求机器人对另外一部分人进行杀戮的时候，机器人该怎么处理”，首先不能服从定律一和定律二，因为机器人杀人必然违背了这两个定律，这样的话只有第三定律可以遵守，可以如果战争一旦爆发，机器人必然会受到伤害，要遵守第三定律，一个好的解决办法就是“机器人对人类实施控制，阻止人类战争的发生”，这看起来似乎有点恐怖，电影《机械公敌》正是利用这三大定律对机器人的约束而展开的。最近热播的电影《机器侠》中的K88对自身的思考，也从某种程度上反映了机器人的社会性。实际上机器人要真正进入人类生活，与人类协同工作，还有很长的路要走，机器人研究任重而道远。

    在给出了机器人定义以后，我们来讨论仿人机器人的定义，仿人机器人最早的概念是由仿人机器人研究的领军人物加藤一郎提出来的，他定义仿人机器人为具备下述三个条件的机器人，1)具备脑、手、脚三要素的个体 2)具有非接触和接触的传感器 3)具有平衡觉传感器和固有觉传感器。实际上，加藤的定义是从仿人机器人的特点来给出的。仿人机器人著名研究学者Kajita对仿人机器人的定义更是简单“外形像人的机器人”。其实，仿人机器人（Humanoid Robot）的概念是从机器人形态和功能的角度来定义的，通常区别于传统的工业机器人等概念。有些机器人仅仅具有人体的部分外形，如上肢、头部等，也被称为仿人机器人。当然，在本博文中，我们所指的仿人机器人特指双足步行（Biped walking）的仿人机器人也叫双足机器人，它概念是从机器人的移动方式来定义的，通常区别于多足步行及轮式移动等步行方式。

  对仿人机器人的研究的目的其实是为了能够进入人类生活，并且与人类和睦相处。仿人机器人进入人类生活环境并与人类和谐共处，使得仿人机器人从功能角度必须具备下述三大特征：

第一、能在人类所处的现实环境中工作

现代社会的环境是为人类自身设计的，例如走廊的宽度，阶梯的高度，扶手的位置和门把的位置等等，由于仿人机器人具备人类的外形，能够像人一样的活动，并且不需要专门为仿人机器人的应用进行大规模的环境改造。因此，从与人类协同工作角度来看，开发仿人机器人比修改整个环境更显得经济合理。

第二、能使用人类所用的工具

人类在社会文明活动中设计了适合于自己使用的各种各样的工具，例如椅子的形状和高矮，桌子的高度，门把的位置等等。使用人类已有工具，是仿人机器人研究的一个重要意义所在。

第三、具有人的外形

研究表明，具备人的外形的机器人更容易被人类所接受，并且接近程度越高，被接受和认可的程度就越高。具有人的外形是机器人成为人类伙伴并为人们带来乐趣的非常重要的因数，这个特征应该是科幻小说和电影中很多机器人都像人的主要原因。

上述三大特点使得仿人机器人具备了在人类生活环境中活动的能力，但仿人机器人要进入人类生活，面临的问题很多。当然研究仿人机器人不单单是为了能够成为人类的娱乐工具，它的实际价值很多，下一部分内容将讨论为什么要研究仿人机器人。

以下列出本节内容的主要参考文献，有兴趣的朋友不妨一读：

[1] 日本机器人学会编，宗光华等译. 新版机器人技术手册[M]. 北京：科学出版社，2007

[2] 梶田秀司．仿人机器人 [M]．北京：清华大学出版社，2007.