发展方向：仿人机器人的未来

仿人机器人是许多技术的综合与集成。但是，由于受到计算机技术、控制技术、电子技术、通信技术、传感器技术、人工智能、数学建模、机构学、材料学、仿生学等相关科学发展的制约，仿人机器人至今仍处于实验室研制阶段，尤其是二足行走机构的速度、稳定性和自适应能力仍不十分理想。只有在走稳走好之后再加上手臂等执行机构，才能称为真正的仿人机器人。当然，仿人机器人不能仅仅局限于这些，还应能仿人的视觉、触觉、语言、行为、情感等功能。目前，本田公司的P3仿人机器人虽然已经走向市场化，但是他的功能还很有限，离实际意义上的仿人机器人还有相当的一段距离。所以，仿人机器人给科研工作者提供了广阔的研究空间，提出了一个又一个新的挑战，同时也促进了许多相关学科的发展，导致了一些新理论和新方法的出现。目前，越来越多的学者投入到这一新兴的前沿学科里来。

根据仿人机器人目前的发展现状，可以对未来仿人机器人的研究方向和发展趋势作以下预测。

（1）本体结构的改进 仿人机器人是一个多关节和具有冗余自由度的复杂系统。如何实现预期功能而且又使结构最优化是一个很值得研究的问题。一个功能齐全的仿人机器人必须要有一个结构紧凑和配置合理的机械本体，ASIMO就是一个典型的例子。本田公司推出的P系列1、2、3型仿人机器人本体框架采用了镁铝合金材料，ASIMO采用了锰合金。在研制过程中，应该考虑采用更先进的材料，进一步减小本体重量，提高零件的制造精度和装配精度。关于驱动方案的选择，目前普遍采用电动机驱动，经减速器减速后驱动机器人关节。也有一些研究者在研制人造肌肉，通过空气气囊的充气和排气带动关节动作。

（2）运动学和动力学求解理论和方法的发展 一个理想的步态规划对于仿人机器人行走的稳定性是非常有益的。由于仿人机器人的高阶、强耦合和非线性，使得仿人机器人的运动学和动力学的精确求解非常困难，而且也没有十分理想的理论或方法来求解逆运动学的解析解，只有外加一些限制条件，如能量消耗最小、峰值力矩最小等来求出运动学和动力学的近似解。这样往往导致仿人机器人的规划运动与实际运动有较大的出入。所以要得到理想的运动规划，必须在运动学和动力学的求解方法上有重大的突破。现在，有的学者提出了一些方法，如神经网络、遗传算法、模糊逻辑、混沌学等，这些方法和程序允许在计算过程中出现不精确和部分精确的计算过程。正是这些特点，使得软件计算能够得到传统计算方法所不能得到的鲁棒性、易用性和计算资源的低耗费。随着这些新理论和新方法的提出与应用，以及计算机功能的不断提高，为求解高自由度的高阶、强耦合和非线性仿人机器人的运动学和动力学提供了一些新的实用方法。

（3）驱动源的改进 仿人机器人目前所用的驱动源主要有在线提供能源（仿人机器人配有有线电源）和离线自带电源（仿人机器人体内装有电池）两种。当然，离线自带电源比在线提供能源具有更大的活动空间。理想的能源应该具有高的能源密度、耐高温、耐腐蚀、可再生、低成本等。但是，现在自带能源的容量有限，而且仿人机器人的关节众多，所以如何改进驱动源，使其体积小、重量轻而且有容量大，也是在仿人机器人的研制过程中必须解决的问题。

（4）人体医学、生物学和仿生学的发展 仿人机器人就是要模仿人的某些技能，如双脚直立行走、自主判断、利用工具等。目前，由于人体医学和生物学发展速度的限制，医学界和生物学界对人体的工作机理了解还不是十分透彻，如精确的人体运动学和动力学、人体大脑的工作机理等。另外，仿人机器人不能仅仅限制在仿人上，还应模仿其他生物的一些功能，如蝙蝠的听觉、狗的嗅觉、苍蝇的接近觉、蜻蜓的视觉等。由于仿生学科本身还没有对这些动物的特异功能产生机理精确的“仿生”，所以将这些特异功能应用于仿人机器人还有相当一段时间。相信在不远的将来，人体医学、生物学和仿生学发展到一定的程度以后，仿人机器人就远远不是现在研制的P3和ASIMO的水平，许多人类所不具有的功能将会出现在仿人机器人上。

（5）传感器技术的发展 仿人机器人安装了大量的传感器，如力/力矩传感器、陀螺仪、视觉传感器、接近觉传感器、声学传感器等多种传感器。在仿人机器人的自主辨识中，就是靠大量的传感器收集来自仿人机器人本身和外部环境的信息并且加以简单地处理，再送到仿人机器人计算分析系统进行计算、分析、比较并得出结果。仿人机器人的控制从某种程度来说，是基于传感器的控制。目前，市场上出售的传感器（尤其是国内生产的传感器）的精度很不理想，而国外的高精度传感器价格又非常昂贵。这些传感器的精度还远远达不到人类的“感觉”精度。(www.xing528.com)

（6）控制技术和集成技术的发展 仿人机器人的关节众多，控制电路复杂，要真正地实现仿人，并且拥有人类并不具有的其他一些功能，其控制电路将愈加复杂。如何寻找更加优化的控制方案和控制机构，受到了越来越多学者的重视。另外一个解决方案就是利用大规模集成电路。

（7）智能技术和软件技术的发展 仿人机器人真正意义上的仿人是二足行走和智能化。毫无疑问，人类是当前世界上最智能化的生物。但是，人类复制自己的智能到仿人机器人身上却不是一件简单的事情。要使仿人机器人获得足够的智能，必须依赖于智能技术的发展。现在的智能实现方法就是通过编辑软件，再安装到仿人机器人的计算机上，仿人机器人接受人的指令产生相应的操作，根据自己的学习完善自己的专家系统，自主辨别和借助外界环境和工具寻找解决方案。这些高度智能化的操作必须有高度发展的智能技术和计算机软件实现技术作基础。

（8）良好的人机接口设计 人类研制仿人机器人的目的并不是完全取代人，而是为人类服务。例如本田公司的研究宗旨是“机器人应该与人类共存和合作，做人类做不到的事，开拓机动性的新领域，从而对人类社会产生附加价值”。目前，仿人机器人紧紧依靠自主计算机来控制是有一定困难的，即使可以做到，也由于对外界环境适应能力的限制而很难实用。也就是说，在相当长的一段时间内，仿人机器人不应该也不可能完全摆脱人的作用。因此，由良好的人-机协调系统来控制仿人机器人显得比较实际。从低层次的一对一遥控技术到高层次的人机理解协调技术，包括人工智能、传感技术、计算机技术、控制技术的综合，随着这些技术的成熟，仿人机器人将越来越多地取代人的劳动，将人类从低层次的干预中解放出来，进行高层次的干预。人机接口也将越来越智能化。

（9）网络机器人技术和虚拟机器人技术 通过通信网络将许多个仿人机器人连接到计算机网络上，并且通过网络对仿人机器人进行有效的控制，这种技术包括网络遥控操作控制技术、信息组压缩和扩展技术以及传输技术等。在将遥控作为一种主要手段控制仿人机器人的同时，基于多传感器、多媒体和虚拟现实、增强实现（或临场感）的虚拟遥控操作和人机交互技术，也是需要大力发展的技术。

（10）良好的群体协作和人类协作 人类除了拥有二足直立行走、语言、情感等功能之外，还有一个突出的特点就是团队合作，发挥群体智慧。将来，高智慧的仿人机器人也应该具有这种能力，它们相互之间应该能够团结合作，并且能够主动与人类合作，协助人类完成自身不能完成的工作。自然界中的人经过一个漫长的“优化”过程，成为万物之主。可以肯定的是，仿人机器人必然会有一个持续“优化”的前景，必然会有一个辉煌的明天。