人形交互式服務(wù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王雲(yún)昊

[摘 要]人形交互式服務(wù)機(jī)器人可以在不改變?nèi)祟惾粘９ぷ鳝h(huán)境及工具的情況下，代替人完成各種任務(wù)，應(yīng)用前景廣泛。本文概述了當(dāng)前人形交互式服務(wù)機(jī)器人的研究進(jìn)展，以及對人類的影響。分析了當(dāng)前人形交互式服務(wù)機(jī)器人所面臨的問題和挑戰(zhàn)。提出了人機(jī)交互式服務(wù)機(jī)器人發(fā)展方向需以機(jī)器人的認(rèn)知性交互為前提，物理性交互為目的的研究思路。

[關(guān)鍵詞]服務(wù)機(jī)器人； 人機(jī)交互；仿生材料；認(rèn)知性交互；物理性交互；安全性

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）19-0247-01

1 引言

人形交互式服務(wù)機(jī)器人是具備人類外形特征和行動能力，并且能完成有益于人類服務(wù)工作的機(jī)器人。隨著當(dāng)今運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、行動規(guī)劃、應(yīng)用工程和人工智能等學(xué)科的發(fā)展，機(jī)器人學(xué)和機(jī)器人技術(shù)也不斷發(fā)展創(chuàng)新。人類可以賦予機(jī)器人人類外形和人類的一些特征，使之可以更好的適應(yīng)人類工作環(huán)境和更好的服務(wù)于人類，甚至成為人類親密的好朋友[1]。人形交互式服務(wù)機(jī)器人因此誕生 。近些年來對人形交互式服務(wù)機(jī)器人的研究取得了很大進(jìn)展，但仍存在技術(shù)上的難點(diǎn)，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。本文針對近些年國內(nèi)國外機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展做了總結(jié)和概括，通過分析當(dāng)前關(guān)鍵技術(shù)研究，探討了人形交互式服務(wù)機(jī)器人研究思路和發(fā)展趨勢。

2 人形交互式服務(wù)機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代后期，人形機(jī)器人進(jìn)入研究視野，最初目標(biāo)是使機(jī)器人可以模仿人類進(jìn)行雙足行走。1999年日本本田率先研究雙足仿人機(jī)器人的預(yù)測運(yùn)動控制，并在 2000 年發(fā)布了首款 ASIMO 機(jī)器人[2]麻省理工研制的機(jī)器人Kismet，能通過眼、鼻、耳等處的傳感器識別外界感情信號，可以識別喜、怒、哀、樂等感情表達(dá)，并作出相應(yīng)的表情動作[3]。國際上MIT 計算機(jī)科學(xué)和智能實(shí)驗(yàn)室、日本本田公司機(jī)器人研究中心、德國宇航中心機(jī)器人研究室等研究機(jī)構(gòu)都致力于人形交互式服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)人形交互式服務(wù)機(jī)器人研究起步較晚，但機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速。2000年國內(nèi)第一臺人形雙足機(jī)器人“先行者”研制成功，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退，轉(zhuǎn)彎前行和手臂擺動等基本動作。西安超人雕塑研究院仿人機(jī)器人“索芙亞”具有聲音識別和眼部控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)眨眼、微笑、點(diǎn)頭等迎賓服務(wù)動作[4]。北京理工大學(xué)研制的“匯童”BHR機(jī)器人[5]和浙江大學(xué)研制的Wu&Kong實(shí)現(xiàn)與人乒乓球?qū)Υ?，對打回合次?shù)高達(dá)200多回合。

3 人形交互式服務(wù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

3.1 仿生學(xué)材料與結(jié)構(gòu)

人形交互式服務(wù)機(jī)器人從仿生學(xué)角度出發(fā)，具有仿造人體生物結(jié)構(gòu)、性狀、原理及其行為的特點(diǎn)。其中仿生學(xué)材料和結(jié)構(gòu)是機(jī)器人重要的關(guān)鍵技術(shù)和組成部分，通過對生物體材料構(gòu)造與形成過程進(jìn)行研究和仿生，使組成機(jī)器人所用的材料具有與構(gòu)成人體的生物材料強(qiáng)度、韌性及一些類似的生物特性，這將大大提高機(jī)器人對人工作環(huán)境的適應(yīng)能力。當(dāng)前仿生皮膚和人造肌肉成為機(jī)器人仿生材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。人體有諸多骨骼支撐，骨骼由關(guān)節(jié)和肌肉韌帶連接，這可以確保人體的靈活運(yùn)動，對該結(jié)構(gòu)的仿生是人形交互式服務(wù)機(jī)器人研究的最高目標(biāo)。張永軍等根據(jù)人體上肢結(jié)構(gòu)原理 ， 提出一種上肢仿生機(jī)構(gòu) ， 并針對所提出的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計和運(yùn)動學(xué)分析，為制造出靈巧方便的上肢仿生機(jī)構(gòu)提供了理論依據(jù)[6]。

3.2 智能交互性

人與服務(wù)機(jī)器人之間的交互主要分為認(rèn)知性交互和物理性交互。兩者相互作用才能完成人與機(jī)器人之間的互相配合。

3.2.1 認(rèn)知性交互

認(rèn)知性交互是指人與機(jī)器人通過力覺、觸覺、聽覺、視覺等感官性的接觸、肢體語言和語言交流，使機(jī)器人與人進(jìn)行理解性的溝通。符合人類審美的外觀、對人類生存環(huán)境的高度適應(yīng)性以及能與人類進(jìn)行有效準(zhǔn)確的信息交流、人性化的情感交互是人形交互式服務(wù)機(jī)器人最為關(guān)鍵的功能。

認(rèn)知性交互的實(shí)現(xiàn)需要仿生結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)計、電子傳感等技術(shù)相結(jié)合例如表情機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，建立和表情機(jī)器人結(jié)構(gòu)相匹配的面部柔性體模型，利用有限元分析方法對面部皮膚柔性體模型進(jìn)行分析和仿真，模擬仿人機(jī)器人的幸福、悲傷、驚奇、憤怒等基本面部表情，進(jìn)而通過位移載荷，控制區(qū)域，實(shí)現(xiàn)人的表情動作[3]。

3.2.2 物理性交互

人與機(jī)器人的工作距離越來越近，兩者直接的相互接觸越來越多。當(dāng)機(jī)器人本體工作時，會與人類相互接觸，這種情形稱之為物理性交互。為了使人形交互式服務(wù)機(jī)器人得到更廣泛的應(yīng)用，機(jī)器人本體不僅需要具有友好的認(rèn)知性交互能力，還需要具有良好的人機(jī)肢體接觸交互能力。物理性交互主要分為主動接觸交互和被動接觸交互。

在人機(jī)被動接觸交互的過程中，剛度控制的不合理、不準(zhǔn)確可能會對機(jī)器人自身或者交互對象造成嚴(yán)重的損傷。鑒于此，機(jī)器人的柔順性控制值得重視。其關(guān)鍵在于被動柔順系統(tǒng)及柔順關(guān)節(jié)設(shè)計。如熊根良等利用關(guān)節(jié)力矩傳感器，阻抗控制策略和力反饋的軌跡規(guī)劃構(gòu)成了人機(jī)交互的柔順系統(tǒng)，有效地降低了碰撞瞬間的沖擊力。因此，被動柔順系統(tǒng)及柔順關(guān)節(jié)設(shè)計值得進(jìn)一步研究[7]。

3.3 安全性

人形交互式服務(wù)機(jī)器人要想長時間的存在于人們的日常生活中，就必須保證機(jī)器人使用的安全性。機(jī)器人與人發(fā)生碰撞是機(jī)器人應(yīng)用過程中造成傷害的源頭。若交互時機(jī)器人不能滿足平衡性約束條件，就很容易導(dǎo)致機(jī)器人平衡穩(wěn)定性差甚至摔倒；若人機(jī)交互時手臂采用完全的剛性控制容易導(dǎo)致手臂的彎曲甚至折斷。因此，為了保證人和機(jī)器人的安全，有必要對人機(jī)肢體接觸交互時的安全性問題和機(jī)器人平衡性問題進(jìn)行深入研究[8]。

關(guān)于碰撞檢測與碰撞避免的研究說明百分之百的避免碰撞很難做到，因此必須有其他安全保證策略。通過設(shè)計輕型機(jī)械臂、被動柔順系統(tǒng)、設(shè)計柔順關(guān)節(jié)、設(shè)計被動機(jī)器人系統(tǒng)等方式，可以增加機(jī)器人的安全性。提高機(jī)器人認(rèn)知性以及設(shè)計合理的交互控制參數(shù)也是提高機(jī)器人安全性的重要途徑。

4 人形交互式服務(wù)機(jī)器人發(fā)展趨勢

人形交互式服務(wù)機(jī)器人發(fā)展迅速，應(yīng)用前景廣闊，并已取得一定的研究成果，但仍然存在著一些技術(shù)上的難題，比如，如何提高機(jī)器認(rèn)本體交互功能準(zhǔn)確性、智能性、靈活性，如何控制智能交互性和物理交互性的相互協(xié)調(diào)，以及如何保證機(jī)器人使用的安全性的問題等等。因此，人形交互式服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展應(yīng)以認(rèn)知性交互為前提，物理性交互為目的，并使兩者相互配合、相互協(xié)調(diào)。例如在觸覺傳感器感知外界環(huán)境特性（軟和硬），語音識別判斷交互需求的基礎(chǔ)上，機(jī)器人可進(jìn)行物理性交互時的柔順性控制。人形交互式服務(wù)機(jī)器人發(fā)展趨勢有以下幾點(diǎn)：

（1）將傳統(tǒng)材料、結(jié)構(gòu)與仿生學(xué)材料、結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，提升機(jī)器人對環(huán)境的適應(yīng)能力。

（2）深入研究開發(fā)傳感器技術(shù)，提升傳感器精度，為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)提供基本技術(shù)基礎(chǔ)。

（3）深入研究柔順性技術(shù)，并由剛性結(jié)構(gòu)向剛性結(jié)構(gòu)與柔性結(jié)構(gòu)相結(jié)合的一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展。

（4）通過開發(fā)新型材料和控制技術(shù)來減小碰撞對安全性問題的不利影響。

相信隨著理論水平的不斷提高和關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新開發(fā)，上述問題會得到一一解決，人形交互式服務(wù)機(jī)器人的整體性能將更加全面，工作效率將進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)

[1]虞漢中， 馮雪梅. 人形機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J]. 機(jī)械工程師， 2010（7）：3-6.

[2]王田苗， 陶永， 陳陽. 服務(wù)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 中國科學(xué)：信息科學(xué)， 2012（9）：1049-1066.

[3]王曉嬌. 面部表情仿人機(jī)器人的設(shè)計與研究[D]. 沈陽工業(yè)大學(xué)， 2013.

[4]楊杰. 擬人機(jī)器人頭部設(shè)計與嗅覺系統(tǒng)研究[D]. 河北工業(yè)大學(xué)， 2006.

[5]艷濤. 匯童機(jī)器人第4、5代集體亮相[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 2012（4）：44-44.

[6]鄭浩峻. 可重構(gòu)多機(jī)器人移動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動學(xué)研究[D]. 清華大學(xué)， 1999.

[7]熊根良， 陳海初， 梁發(fā)云，等. 物理性人-機(jī)器人交互研究與發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 光學(xué)精密工程， 2013， 21（2）：356-370.

[8]馬淦. 仿人機(jī)器人表情與身體動作的人機(jī)友好交互研究[D]. 北京理工大學(xué)， 2015.