标题：仿人机器人
为什么要研究仿人机器人
2000年11月29日，中央电视台《新闻联播》报道：我国首台类人型机器人研制成功。11月30日，全国各大报都在显著位置发表了这一消息。许多人问：何为仿人型机器人？仿人型机器人的问世标志了什么？世界及中国仿人型机器人发展到什么水平？  仿人机器人大多数的机器人并不像人，有的甚至没有一点人的模样，这一点使很多机器人爱好者大失所望，很多人问为什么科学家不研制像人一样的机器人呢？其实，科学家和爱好者的心情是一样的，一直致力于研制出有人类外观特征、可模拟人类行走与其基本操作功能的机器人。
由于仿人型机器人集机、电、材料、计算机、传感器、控制技术等多门学科于一体，是一个国家高科技实力和发展水平的重要标志，因此，世界发达国家都不惜投入巨资进行开发研究。日、美、英等国都在研制仿人形机器人方面做了大量的工作，并已取得突破性的进展。日本本田公司于1997年10月推出了仿人形机器人P3，美国麻省理工学院研制出了仿人形机器人科戈（COG），德国和澳洲共同研制出了装有52个汽缸，身高2米、体重150公斤的大型机器人。本田公司最新开发的新型机器人“阿西莫”，身高120厘米，体重43公斤，它的走路方式更加接近人。我国也在这方面作了很多工作，国防科技大学、哈尔滨工业大学研制出了双足步行机器人，北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学研制出了多指灵巧手等。
仿人机器人的研究重点
仿人机器人要能够理解，适应环境，精确灵活地进行作业，高性能传感器的开发必不可少。传感器是机器人获得智能的重要手段，如何组合传感器摄取的信息，并有效地加以运用，是基于传感器控制的基础，也是实现机器人自治的先决条件。  仿人机器人仿人机器人研究在很多方面已经取得了突破，如关键机械单元，基本行走能力，整体运动，动态视觉等，但是离我们理想中的要求还相去甚远，还需要在仿人机器人的思维和学习能力，与环境的交互，躯体结构和四肢运动，体系结构等方面进行更进一步的研究。
·思维和学习能力
现有仿人机器人系统的主要缺陷是对环境的适应性和学习能力的不足。机器的智能来源于与外界环境的相互作用，同时也反映在对作业的独立完成度上。机器人学习控制技术是实现仿人机器人在结构和非结构环境下实现智能化控制的一项重要技术。但是由于受到传感器噪音，随机运动，在线学习方式以及训练时间的限制，学习控制的实时性还不能令人满意。仍需要研究和开发新的学习算法，学习方式，以不断完善学习控制理论和相应的评价理论。目前针对机器人学习控制的研究，大都停留在试验室仿真的水平上。
·与环境的交互
仿人机器人与环境相互影响的能力依赖于其富于表现力的交流能力，如肢体语言(包括面部表情)，思维和意识的交互。目前，机器人与人的交流仅限于固定的几个词句和简单的行为方式，其主要原因是:
1)大多仿人机器人的信息输入传感器是单模型的；
2)部分应用多模型传感器的系统没有采用对话的交流方式；
3)对输入信息的采集仅限于固定的位置，比如图像信息，照相机往往没有多维视角，信息的深度和广度都难以保证，准确性下降。
·躯体结构和四肢运动
毫无疑问，仿人机器人行动的多样性，通用性和必要的柔性是“智能”实现的首要因素。它是保证仿人机器人可塑性和与人交流的前提。仿人机器人的结构则决定了它能不能为人所接受，而且也是它像不像人的关键。仿人机器人必须拥有类似人类上肢的两条机械臂，并在臂的末端有两指或多指手部。这样不仅可以满足一般的机器人操作需求，而且可以实现双臂协调控制和手指控制以实现更为复杂的操作。仿人机器人要具有完成复杂任务所需要的的感知活动，还要在已经完成过的任务重复出现时要像条件反射一样自然流畅地作出反应。
·体系结构
仿人机器人的体系结构是定义机器人系统各组成部分之间相互关系和功能分配，确定单台机器人或多个机器人系统的信息流通关系和逻辑的计算结构。也就是仿人机器人信息处理和控制系统的总体结构。如果说机器人的自治能力是仿人机器人的设计目标，那么体系结构的设计就是实现这一目标的手段。现在仿人机器人的研究系统追求的是采用某种思想和技术，从而实现某种功能或达到某种水平。
所以其体系结构各有不同，往往就事论事。解决体系结构中的各种问题，并提出具有一定普遍指导意义的结构思想无疑具有重要的理论和实际价值，这是摆在研究人员面前的一项长期而艰巨的任务。
仿人机器人的用途
仿人机器人具有人类的外观，可以适应人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业，并可以在很多方面扩展人类的能力，在服务，医疗，教育，娱乐等多个领域得到广泛应用。服务21世纪人类将进入老龄化社会，发展仿人机器人能弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务，医疗等社会问题。仿人机器人可以与人友好相处，能够很好地担任陪伴，照顾，护理老人和病人的角色，以及从事日常生活中的服务工作，因此家庭服务行业的仿人机器人应用必将形成新的产业和新的市场。医疗在医疗领域，仿人机器人可以用于假肢和器官移植，用仿人机器人技术可以做成动力型假肢，协助瘫痪病人实现行走的梦想。然而，我们现在还几乎看不到以控制论开发出的生物体与人体完美的结合，因此，这方面还需要更进一步的研究和探索。教育一般来讲仿人机器人在教育领域有两种应用：
1)学生通过制作仿人机器人来实践机械结构和复杂控制软件模块的设计。
2)学生用仿人机器人进行实验来增强动手能力和解决新问题的能力。娱乐仿人形机器人可以用来在展览会上做广告，它很吸引人的注意，因为它在外形上更接近人类，所以更能引起人的兴趣。另外，它还可以用于家庭娱乐。
·结论
仿人机器人是能够与人相互影响的最理想的机器人，因为它的外形像人，它的思维方式和行为方式也将越来越接近人。仿人机器人能够通过与环境的交互不断获得新知识，而且还能用它的设计者根本想象不到的方式去完成各种任务，它会自己适应非结构化的，动态的环境。在人类的历史中，曾经因为我们制造机器的局限性，使得我们不得不去适应机器，而现在我们要让机器来适应我们，仿人机器人是完成这一梦想的最好机会。
仿人机器人的发展历史
仿人和高仿真是机器人发展的主要方向。从技术发展来看，人是世界上最高级的动物，以人为背景的研究就是最高的目标，并且能够带动相关学科的发展；而从感情层面来说，人喜欢与人相近的东西。目前各国科学家都正在积极进行仿人机器人的研发。
研制与人类外观特征类似，具有人类智能，灵活性，并能够与人交流，不断适应环境的仿人机器人一直是人类的梦想之一。世界上最早的仿人机器人研究组织诞生于日本，1973年，以早稻田大学加藤一郎教授为首，组成了大学和企业之间的联合研究组织，其目的就是研究仿人机器人。加藤一郎教授突破了仿人机器人研究中最关键的一步———两足步行。1996年11月，本田公司研制出了自己的第一台仿人步行机器人样机P2，2000年11月，又推出了最新一代的仿人机器人ASIMO。国防科技大学也在2001年12月独立研制出了我国第一台仿人机器人。
在2005年爱知世博会上，大阪大学展出了一台名叫ReplieeQ1expo的女性机器人。该机器人的外形复制自日本新闻女主播藤井雅子，动作细节与人极为相似。参观者很难在较短时间内发现这其实是一个机器人。
由日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO，是目前最先进的仿人行走机器人。ASIMO身高1.2米，体重52公斤。它的行走速度是0-1.6km/h。早期的机器人如果直线行走时突然转向，必须先停下来，看起来比较笨拙。而ASIMO就灵活得多，它可以实时预测下一个动作并提前改变重心，因此可以行走自如，进行诸如“8”字形行走、下台阶、弯腰等各项“复杂”动作。此外，ASIMO还可以握手、挥手，甚至可以随着音乐翩翩起舞。
在仿人机器人领域，日本和美国的研究最为深入。日本方面侧重于外形仿真，美国则侧重用计算机模拟人脑的研究。
我国政府也逐渐开始关注这个领域。由北京理工大学牵头、多个单位参加历经三年攻关打造的仿人机器人名叫“汇童”，它们主要来自于科技部“十五”863计划和科工委基础研究重点项目的资助。据主要研制者黄强教授介绍，通过短短几年技术攻关，我国已掌握了集机构、控制、传感器、电源于一体的高度集成技术，研制出具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能的仿人机器人，具有自主知识产权；而且“汇童”在国际上首次实现了模仿太极拳、刀术等人类复杂动作，是在仿人机器人复杂动作设计与控制技术上的突破。
仿人机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，也在人类生产、生活中有着广泛的用途。由于仿人机器人具有人类的外观特征，因而可以适应人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业。它不仅可以在有辐射、粉尘、有毒的环境中代替人们作业，而且可以在康复医学上形成动力型假肢，协助瘫痪病人实现行走的梦想。将来它可以在医疗、生物技术、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输、农林水产等多个领域得到广泛应用。目前，我国仿人机器人研究与世界先进水平相比还有差距。我国科技工作者正在为赶超世界先进水平而努力奋斗。日本的仿人形机器人本田公司是日本主要生产跑车和轿车的公司之一。本田公司投入巨资，经过10多年的开发，终于研制出了在世界上居领先地位的双足步行机器人──P3。P3通过它的身体的重力感应器和脚底的触觉传感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。它不仅能走平路，还可以走台阶和倾斜的路。它站立稳定，推不倒，脚底不平也能保持身体的直立姿态。 　1997年中国国务院总理李鹏前往日本本田公司总部参观时，机器人P3接待了李鹏总理。当李鹏总理一行抵达表演大厅时，一个身着宇宙服像宇航员一样的机器人从投影电视的屏幕后面走了出来，其走路的样子酷似顽童学步，步子虽然不快，但坚实有力。它走到大厅当中面对李鹏总理站好，伸出右手作欢迎状。并用汉语自我介绍：“我是机器人P3，热烈欢迎李鹏总理和夫人光临，请允许我与您握手”。机器人握住李鹏总理的手，连续摇动三次，然后摆好姿势供久候在那里的记者拍照。
接着P3请出本田公司社长川本正彦等人。他们通过投影电视屏幕，向中国客人介绍了本田研制机器人的发展历史和技术特点。川本社长的声音刚落，P3又说：“我有些紧张，请允许我暂时休息一下，接下来请我的二哥继续表演”。说罢转身，沿原路退回。 　据介绍，本田公司按研制时间先后，把双足步行机器人分别命名为P1、P2、P3等。P3的高度为160cm，体重130公斤。被称为二哥的机器人P2身高1.80米，体重120公斤，长的笨头笨脑，但行动起来与灵活的“小三”相比毫不逊色。P2表演了上台阶这一高难动作，它走的极为平稳，一步一个台阶，令人赞叹不已。随后P2又表演了用扳手拧螺丝。P2机器人退场后，P3机器人出场与贵宾挥手告别：“表演到此结束，再次感谢李鹏总理的光临！”
本田公司最近又推出一种新型智能机器人“阿西莫”（ASIMO）。与1977年诞生的P3相比，它具有体型小、质量轻、动作紧凑轻柔的特点。阿西莫身高120cm，体重43公斤，更适合于家庭操作和自然行走。本田公司总裁吉野浩行在产品发布会上说：“将来我们还会使机器人具有更好的视觉、听觉等识别能力，提高它们的自主性。”他还说：“如果通过卫星网络来控制，它就是另外一个‘你’，可以使用者的身份做许多事情。”“科戈”机器人出生于澳大利亚的罗德尼·布鲁克斯，40多岁，美国麻省理工学院人工智能实验室的教授。他喜欢离经判道，从不相信传统的成规。从80年代起，他就反对机器人必须先会思考，才能做事的信条。为了证实自己的观点，他研制出了一系列异型机器人。这些机器人没有思考能力，但却无所不能，比如能偷桌上的苏打罐，能穿越四周发烫的地面等。他的成功使他成为机器人界最有争议的人物。 
布鲁克斯从小就喜欢制作各种标新立异的小装置。进入福莱德大学后，他为该校唯一的一台IBM大型计算机重新编制了整个操作系统的程序。别的用户怎么也想不到，计算机怎么会突然变的具有令人不可思议的奇效。在获得该校硕士学位后，布鲁克斯又凭自己的实力考入了美国斯坦福大学。八十年代初期，布鲁克斯在麻省理工学院任初级研究员。那时人工智能研究的传统做法是先设计出各种“脑图”，以帮助机器人了解周围环境，使机器人先学会识别障碍物，再绕过障碍物。但这样做机器人往往要花很长时间去判断自己看到的东西，而且它们大多数均无法穿过陌生的空间。而布鲁克斯认为，真正的智能不能这样运作。
布鲁克斯认为，智能并不像假想的那样来自抽象思维，而是通过与外界接触学习之后作出的反应。只要机器人与其周围的环境进行复杂的相互作用，智能最终一定会出现。
最初他的计划是先从昆虫机器人做起，逐步向模仿高级动物发展，最后才是人形机器人。布鲁克斯想，只有人形机器人才能说明他的理论也适合于高级智能，于是他决定要制造出自己的人工智能型高级机器人，即现在的科戈机器人。
目前“科戈”的研制工作正在进行。“科戈”本身是非常复杂的，要它能通过与外界的联系获取知识，就必须尽可能地模仿人类，例如它的臂必须像人类那样具有柔顺性。
怎样才能把“科戈”变成一个真正的人形机器人，目前实现的目标尚不太明确。布鲁克斯和他的同事们正在借鉴幼儿的发育过程，使“科戈”由简到难，逐步学会各种本领，直到听说能力。
“科戈”机器人的大脑是由16个摩托罗拉68332芯片构成的，“科戈”的大脑放在与之相邻的室内，通过电缆与之相连。“科戈”最多可用250个摩托罗拉芯片。布鲁克斯准备用数字信号处理器取代部分这种芯片，用以完成特殊任务。“科戈”的大脑与人类的大脑一样，能同时处理多项任务。尽管计算机的能力给人们留下了深刻的印象，但是如果“科戈”能达到两岁儿童的智力，就算是成功了。现在“科戈”正在像婴儿一样利用自己的大脑学习“看”。“科戈”的每只眼睛由一台广角照相机和一台窄视野照相机组成。每一台照相机均可以俯仰和旋转。“科戈”首先通过广角照相机观察周围事物，然后再利用窄视野照相机近距离仔细观察事物。“科戈”的头可以像人的头一样前后左右转动。
布鲁克斯说：“我们试图找到一种方法，让‘科戈’自己了解这个世界。”
“科戈”先学会看以后，开始学习听。这些功能要一个一个地教。为此，在“科戈”的头上装上了麦克风和处理器。声音可以帮助“科戈”确定去看什么地方，机器人还可以对声音进行辨别。“科戈”已经有了头和身子，但还没有皮肤、臂和手指。现在正在为“科戈”制造第一条手臂，这只臂以全新的方式工作，每个关节都有一个弹簧，从而使“科戈”获得了柔顺性。我国的仿人形机器人研究我国在仿人形机器人方面做了大量研究，并取得了很多成果。比如长沙国防科技大学研制成了双足步行机器人，北京航空航天大学研制成了多指灵巧手，哈尔滨工业大学、北京科技大学也在这方面做了大量深入的工作。 
双足步行机器人研究是一个很诱人的研究课题，而且难度很大。在日本开展双足步行机器人研究已有30多年的历史，研制出了许多可以静态、动态稳定行走的双足步行机器人，上面提到的P2、P3是其中的佼佼者。
在国家863计划、国家自然科学基金和湖南省的支持下，长沙国防科技大学于1988年2月研制成功了六关节平面运动型双足步行机器人，随后于1990年又先后研制成功了十关节、十二关节的空间运动型机器人系统，并实现了平地前进、后退，左右侧行，左右转弯，上下台阶，上下斜坡和跨越障碍等人类所具备的基本行走功能。近期在十二关节的空间运动机构上，实现了每秒钟两步的前进及左右动态行走功能。 
经过十年攻关，国防科技大学研制成功我国第一台仿人型机器人——“先行者”，实现了机器人技术的重大突破。“先行者”有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂和双足，有一定的语言功能，可以动态步行。
人类与动物相比，除了拥有理性的思维能力、准确的语言表达能力外，拥有一双灵巧的手也是人类的骄傲。正因如此，让机器人也拥有一双灵巧的手成了许多科研人员的目标。
在张启先院士的主持下，北京航空航天大学机器人研究所于80年代末开始灵巧手的研究与开发，最初研究出来的BH－1型灵巧手功能相对简单，但填补了当时国内空白。在随后的几年中又不断改进，现在的灵巧手已能灵巧地抓持和操作不同材质、不同形状的物体。它配在机器人手臂上充当灵巧末端执行器可扩大机器人的作业范围，完成复杂的装配、搬运等操作。比如它可以用来抓取鸡蛋，既不会使鸡蛋掉下，也不会捏碎鸡蛋。灵巧手在航空航天、医疗护理等方面有应用前景。 
灵巧手有三个手指，每个手指有3个关节，3个手指共9个自由度，微电机放在灵巧手的内部，各关节装有关节角度传感器，指端配有三维力传感器，采用两级分布式计算机实时控制系统。
仿人型机器人是多门基础学科、多项高技术的集成，代表了机器人的尖端技术。因此，仿人形机器人是当代科技的研究热点之一。仿人型机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，也在人类生产、生活中有着广泛的用途。目前，我国仿人形机器人研究与世界先进水平相比还有差距。我国科技工作者正在努力向前，我们热切地期盼着我们自己水平更高的、功能更强的仿人型机器人与大家见面。

内容简介
本书是国际上第一部系统介绍仿人机器人的专著。内容包括仿人机器人学的运动学、ZMP和动力学、双足步态规划、全身运动模式的生成和动力学仿真等，是对10多年来仿人机器人的研究成果的总结。本书图文并茂，深入浅出，内容丰富，对广大读者了解和掌握当今世界在仿人机器人上的最新发展和水平具有重要参考价值。
目录
第1章　仿人机器人概论
第2章　运动学
2.1　坐标变换
2.1.1　世界坐标系
2.1.2　局部坐标系和齐次变换
2.1.3　局部坐标系之间的相对性
2.1.4　齐次变换的链乘法则
2.2　转动特性
2.2.1　滚动、俯仰和偏摆
2.2.2　旋转矩阵的含义
2.2.3　旋转矩阵的逆阵
2.2.4　角速度矢量
2.2.5　旋转矩阵的微分与角速度矢量
2.2.6　角速度矢量的积分与矩阵指数之间的关系
2.2.7　矩阵的对数
2.3　三维空间中的速度
2.3.1　单个物体的速度和角速度
2.3.2　两个物体的速度和角速度
2.4　机器人的数据结构和编程
2.4.1　数据结构
2.4.2　用递归方法编程
2.5　仿人机器人的运动学
2.5.1　模型的建立　
2.5.2　由关节角求连杆的位姿：正运动学
2.5.3　由连杆的位姿求关节角：逆运动学
2.5.4　逆运动学的数值解法
2.5.5　雅可比
2.5.6　关节速度、连杆的速度和角速度的计算
2.5.7　奇异姿态
2.5.8　附录：辅助函数
第3章　ZMP和动力学
3.1 ZMP和地面反作用力
3.1.1 ZMP概述
3.1.2 二维分析
3.1.3 三维分析
3.2　ZMP的测量　
3.2.1　一般情况
3.2.2　单脚ZMP
3.2.3　考虑双足时的ZMP
3.3　仿人机器人的动力学　
3.3.1　仿人机器人的运动和地面作用力
3.3.2 动量
3.3.3　角动量
3.3.4　刚体的角动量和惯性张量
3.3.5　机器人质心的计算
3.3.6　机器人动量的计算
3.3.7　机器人角动量的计算
3.4　基于机器人运动的ZMP计算
3.4.1　ZMP的推导
3.4.2　ZMP的近似计算
3.5　对ZMP的几点说明
3.5.1　两种解释
3.5.2　因质心加速度的影响ZMP可在支撑多边形之外吗
3.5.3　ZMP的局限性
3.6　附录：凸集和凸包
第4章　双足步行
第5章　全身运动模式的生成
第6章　动力学仿真
参考文献
索引