人形交互式服務機器人研究現狀及發展趨勢

王雲昊

[摘 要]人形交互式服務機器人可以在不改變人類日常工作環境及工具的情況下，代替人完成各種任務，應用前景廣泛。本文概述了當前人形交互式服務機器人的研究進展，以及對人類的影響。分析了當前人形交互式服務機器人所面臨的問題和挑戰。提出了人機交互式服務機器人發展方向需以機器人的認知性交互為前提，物理性交互為目的的研究思路。

[關鍵詞]服務機器人； 人機交互；仿生材料；認知性交互；物理性交互；安全性

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

1 引言

人形交互式服務機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工作的機器人。隨著當今運動學和動力學、系統結構、傳感技術、控制技術、行動規劃、應用工程和人工智能等學科的發展，機器人學和機器人技術也不斷發展創新。人類可以賦予機器人人類外形和人類的一些特征，使之可以更好的適應人類工作環境和更好的服務于人類，甚至成為人類親密的好朋友[1]。人形交互式服務機器人因此誕生 。近些年來對人形交互式服務機器人的研究取得了很大進展，但仍存在技術上的難點，面臨著巨大的挑戰。本文針對近些年國內國外機器人的研究現狀和發展做了總結和概括，通過分析當前關鍵技術研究，探討了人形交互式服務機器人研究思路和發展趨勢。

2 人形交互式服務機器人國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

20世紀60年代后期，人形機器人進入研究視野，最初目標是使機器人可以模仿人類進行雙足行走。1999年日本本田率先研究雙足仿人機器人的預測運動控制，并在 2000 年發布了首款 ASIMO 機器人[2]麻省理工研制的機器人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，并作出相應的表情動作[3]。國際上MIT 計算機科學和智能實驗室、日本本田公司機器人研究中心、德國宇航中心機器人研究室等研究機構都致力于人形交互式服務機器人的發展。

2.2 國內研究現狀

國內人形交互式服務機器人研究起步較晚，但機器人技術發展迅速。2000年國內第一臺人形雙足機器人“先行者”研制成功，可以實現前進后退，轉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器人“索芙亞”具有聲音識別和眼部控制機構，實現眨眼、微笑、點頭等迎賓服務動作[4]。北京理工大學研制的“匯童”BHR機器人[5]和浙江大學研制的Wu&Kong實現與人乒乓球對打，對打回合次數高達200多回合。

3 人形交互式服務機器人關鍵技術

3.1 仿生學材料與結構

人形交互式服務機器人從仿生學角度出發，具有仿造人體生物結構、性狀、原理及其行為的特點。其中仿生學材料和結構是機器人重要的關鍵技術和組成部分，通過對生物體材料構造與形成過程進行研究和仿生，使組成機器人所用的材料具有與構成人體的生物材料強度、韌性及一些類似的生物特性，這將大大提高機器人對人工作環境的適應能力。當前仿生皮膚和人造肌肉成為機器人仿生材料領域的研究熱點。人體有諸多骨骼支撐，骨骼由關節和肌肉韌帶連接，這可以確保人體的靈活運動，對該結構的仿生是人形交互式服務機器人研究的最高目標。張永軍等根據人體上肢結構原理 ， 提出一種上肢仿生機構 ， 并針對所提出的機構進行了優化設計和運動學分析，為制造出靈巧方便的上肢仿生機構提供了理論依據[6]。

3.2 智能交互性

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

3.2.1 認知性交互

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

認知性交互的實現需要仿生結構、機械設計、電子傳感等技術相結合例如表情機器人，在結構設計的基礎上，建立和表情機器人結構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行分析和仿真，模擬仿人機器人的幸福、悲傷、驚奇、憤怒等基本面部表情，進而通過位移載荷，控制區域，實現人的表情動作[3]。

3.2.2 物理性交互

人與機器人的工作距離越來越近，兩者直接的相互接觸越來越多。當機器人本體工作時，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機器人得到更廣泛的應用，機器人本體不僅需要具有友好的認知性交互能力，還需要具有良好的人機肢體接觸交互能力。物理性交互主要分為主動接觸交互和被動接觸交互。

在人機被動接觸交互的過程中，剛度控制的不合理、不準確可能會對機器人自身或者交互對象造成嚴重的損傷。鑒于此，機器人的柔順性控制值得重視。其關鍵在于被動柔順系統及柔順關節設計。如熊根良等利用關節力矩傳感器，阻抗控制策略和力反饋的軌跡規劃構成了人機交互的柔順系統，有效地降低了碰撞瞬間的沖擊力。因此，被動柔順系統及柔順關節設計值得進一步研究[7]。

3.3 安全性

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

關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。通過設計輕型機械臂、被動柔順系統、設計柔順關節、設計被動機器人系統等方式，可以增加機器人的安全性。提高機器人認知性以及設計合理的交互控制參數也是提高機器人安全性的重要途徑。

4 人形交互式服務機器人發展趨勢

人形交互式服務機器人發展迅速，應用前景廣闊，并已取得一定的研究成果，但仍然存在著一些技術上的難題，比如，如何提高機器認本體交互功能準確性、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調，以及如何保證機器人使用的安全性的問題等等。因此，人形交互式服務機器人的發展應以認知性交互為前提，物理性交互為目的，并使兩者相互配合、相互協調。例如在觸覺傳感器感知外界環境特性（軟和硬），語音識別判斷交互需求的基礎上，機器人可進行物理性交互時的柔順性控制。人形交互式服務機器人發展趨勢有以下幾點：

（1）將傳統材料、結構與仿生學材料、結構有機結合，提升機器人對環境的適應能力。

（2）深入研究開發傳感器技術，提升傳感器精度，為機器人的結構提供基本技術基礎。

（3）深入研究柔順性技術，并由剛性結構向剛性結構與柔性結構相結合的一體化結構發展。

（4）通過開發新型材料和控制技術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鍵技術的創新開發，上述問題會得到一一解決，人形交互式服務機器人的整體性能將更加全面，工作效率將進一步提高。

參考文獻

[1]虞漢中， 馮雪梅. 人形機器人技術的發展與現狀[J]. 機械工程師， 2010（7）：3-6.

[2]王田苗， 陶永， 陳陽. 服務機器人技術研究現狀與發展趨勢[J]. 中國科學：信息科學， 2012（9）：1049-1066.

[3]王曉嬌. 面部表情仿人機器人的設計與研究[D]. 沈陽工業大學， 2013.

[4]楊杰. 擬人機器人頭部設計與嗅覺系統研究[D]. 河北工業大學， 2006.

[5]艷濤. 匯童機器人第4、5代集體亮相[J]. 機器人技術與應用， 2012（4）：44-44.

[6]鄭浩峻. 可重構多機器人移動系統結構及運動學研究[D]. 清華大學， 1999.

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