【正文】 廠成為可能，這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。目前，機(jī)器人僅僅實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)通訊和控制，網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人是目前機(jī)器人研究中的熱點(diǎn)之一。機(jī)器人靈巧化和智能化發(fā)展——機(jī)器人結(jié)構(gòu)越來(lái)越靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，其智能也越來(lái)越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。 國(guó)外機(jī)器人研究狀況最早在1968年，英國(guó)的Mosher．R試制了一臺(tái)名為“Rig”的操縱型雙足步行機(jī)器人[8]，揭開(kāi)了雙足機(jī)器人研究的序幕。該機(jī)器人只有踝和靛兩個(gè)關(guān)節(jié)，操縱者靠力反饋感覺(jué)來(lái)保持機(jī)器人平衡。1968～1969年間，南斯拉夫的M．,Vukobratovic提出了一種重要的研究雙足機(jī)器人的理論方法，并研制出全世界第一臺(tái)真正的雙足機(jī)器人。雙足機(jī)器人的研制成功，促進(jìn)了康復(fù)機(jī)器人的研制。隨后，牛津大學(xué)的Witt等人也制造了一個(gè)雙足步行機(jī)器人，當(dāng)時(shí)他們的主要目的是為癱瘓者和下肢殘疾者設(shè)計(jì)使用的輔助行走裝置。這款機(jī)器人在平地上走得很好，步速達(dá)0．23米／秒。日本加藤一郎教授于1986年研制出wL一12型雙足機(jī)器人[9]，該機(jī)器人通過(guò)軀體運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)動(dòng)，在軀體的平衡作用下，實(shí)現(xiàn)了步行周期1．3秒，步幅30厘米的平地動(dòng)態(tài)步行。日本本田公司[10]從1986年至今已經(jīng)推出了P系列1，2，3型機(jī)器人。本田公司的計(jì)劃著重設(shè)計(jì)一般家用的機(jī)器人，而非針對(duì)特殊任務(wù)。這種設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)是要讓機(jī)器人在布滿家具的房間中來(lái)去自如，而且還要能上下樓梯。本田的研究工作，尤其是“P3”和“ASIMO”的推出，將擬人機(jī)器人的研制工作推上了一個(gè)新的臺(tái)階，使擬人機(jī)器人的研制和生產(chǎn)正式走向?qū)嵱没⒐こ袒褪袌?chǎng)化。ASIMO高120厘米，體重鈣千克，使用個(gè)人電腦或便攜式控制器操作步行方向和關(guān)節(jié)及手的動(dòng)作。雙腳步行方面，采用了新開(kāi)發(fā)的技術(shù)IWALK[11](Intelligent Realtime FlexibleWandng)智能實(shí)時(shí)柔性行走技術(shù)，其預(yù)測(cè)移動(dòng)控制功能使機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)預(yù)測(cè)下一步運(yùn)動(dòng)，并按照預(yù)測(cè)來(lái)移動(dòng)重心。應(yīng)用該技術(shù)，ASIMO能夠改變它的行走坡度，并通過(guò)平滑地改變調(diào)節(jié)步幅來(lái)改變行走的快慢。Hirose介紹說(shuō)，只有ASIMO擁有這種動(dòng)態(tài)行走能力。通過(guò)改善數(shù)據(jù)處理速度和軟件，早期的ASIMO已經(jīng)做到無(wú)需預(yù)編程就能夠上下樓梯。2003年1月本田又推出了新款的ASIMO，它增加了兩個(gè)功能：一是識(shí)別人的狀況動(dòng)作、姿勢(shì)、面容、聲音；另一種是網(wǎng)絡(luò)接入功能。這使ASIMO的功能更加完善。例如，它能夠根據(jù)用戶手指所指的地方，推斷出應(yīng)該去的地方并自己走到那兒。它還能夠通過(guò)內(nèi)置無(wú)線LAN模塊訪問(wèn)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)或因特網(wǎng)，為用戶找出所需要的信息。目前大約有20部ASIMO可以出租，其中大約8部正在博物館和其它公司用作向?qū)C(jī)器人和接待員。索尼公司的第二代機(jī)器人SDR_4X[12]展示了更為復(fù)雜的行走控制和更為豐富的通訊功能。SDR．4X的集成實(shí)時(shí)自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使它能夠在不規(guī)則的地形和斜坡上行走，即使受到外部壓力也能夠保持行走姿態(tài)。SDR4X可以實(shí)現(xiàn)如下7種動(dòng)作：最高速度為15米／分鐘的前進(jìn)／后退／左右橫行；由伏臥／仰臥狀態(tài)起立；在前進(jìn)過(guò)程中左右轉(zhuǎn)身；單腿站立(在斜面上也可作這個(gè)動(dòng)作)；在凹凸不平的路面上行走；踢球；舞蹈。最近，索尼公司又推出了改進(jìn)版的SDR4XIl[13]，它身高50厘米，重量為5千克。這款機(jī)器人可以白行充電，幾乎達(dá)到了投產(chǎn)水平。法國(guó)Poitiers大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)立信息與自動(dòng)化研究所INRIA機(jī)構(gòu)共同開(kāi)發(fā)了一種具有15個(gè)自由度的雙足步行機(jī)器人BIP2000[14]，其目的是建立一整套具有適應(yīng)未知條件行走的雙足機(jī)器人系統(tǒng)。它們采用分層遞解控制結(jié)構(gòu)，使雙足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)站立、行走、爬坡和上下樓梯等。美國(guó)和日本多年來(lái)引領(lǐng)國(guó)際機(jī)器人的發(fā)展方向，代表著國(guó)際上機(jī)器人領(lǐng)域的最高科技水平。目前，日本除了比較關(guān)注特種機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人以外，還注重中間件的研制。然而，近年來(lái)日本基本上在做模仿性的工作，突破性技術(shù)比較少。而美國(guó)在機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)發(fā)方面，一直保持著世界領(lǐng)先地位。再有，美國(guó)主要做高附加值的產(chǎn)業(yè)，比如軍用機(jī)器人，目前世界銷售的9000臺(tái)軍用機(jī)器人之中，有60%來(lái)自美國(guó)。比如：美國(guó)最近研制成功的Big Dog軍用機(jī)器人，能負(fù)重100公斤，行進(jìn)速度跟人相當(dāng)，每小時(shí)達(dá)到五公里，還能適應(yīng)各種地形，即使是在側(cè)面受到?jīng)_擊時(shí)也能保持很好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，英國(guó)、蘇聯(lián)、南斯拉夫、加拿大、意大利，德國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家，許多學(xué)者在行走機(jī)器人方面也做出了許多工作。 國(guó)內(nèi)雙足機(jī)器人研究狀況國(guó)內(nèi)雙足機(jī)器人的研制工作起步較晚。1985年以來(lái)，相繼有幾所高校進(jìn)行了這方面的研究并取得了一定的成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[15]自1985年開(kāi)始研制雙足步行機(jī)器人，迄今為止已經(jīng)完成了三個(gè)型號(hào)的研制工作。其中HIT一ⅡI為12個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行，能夠完成前／后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階及上斜坡等動(dòng)作。目前，該校正致力于功能齊全的雙足機(jī)器人HIT一Ⅳ的研制工作，新機(jī)器人包括行走機(jī)構(gòu)、上身及髖部執(zhí)行機(jī)構(gòu)，初步設(shè)定32個(gè)自由度。國(guó)防科技大學(xué)[16]也進(jìn)行了這方面的研究。在1989年研制成功了一臺(tái)雙足行走機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人具有10個(gè)自由度，能完成靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行。國(guó)防科技大學(xué)還將工業(yè)機(jī)器人的軌跡示教方法用到了兩足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃中，形成了步行機(jī)器人的步態(tài)示教規(guī)劃技術(shù)。值得一提的是，北京理工大學(xué)研制成功我國(guó)首例擬人機(jī)器人BRH．01，該機(jī)器人身高1．58米，體重76公斤，具有32個(gè)自由度，每小時(shí)能夠行走l公里，步幅O．33米。除了能打太極拳，這個(gè)機(jī)器人還會(huì)騰空行走，并能根據(jù)自身的平衡狀態(tài)和地面高度變化，實(shí)現(xiàn)未知路面的穩(wěn)定行走。它在系統(tǒng)集成、步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)等方面實(shí)現(xiàn)了重大突破，標(biāo)志著我國(guó)雙足機(jī)器人研究已經(jīng)跨入世界先進(jìn)行列。在我國(guó)，機(jī)器人的真正使用到現(xiàn)在已經(jīng)20多年，已基本實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)、引進(jìn)到自主開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展。隨著我國(guó)門戶的逐漸開(kāi)放，國(guó)內(nèi)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面對(duì)越來(lái)越大的競(jìng)爭(zhēng)與沖擊，因此，掌握國(guó)內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng)的實(shí)際情況，把握我國(guó)機(jī)器人與智能裝備研究的相關(guān)進(jìn)展，顯得十分重要。我國(guó)的機(jī)器人從上世紀(jì)80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“十五”、“十一五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上，我國(guó)現(xiàn)有機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工程單位200多家，其中從事機(jī)器人研究和應(yīng)用的有75家，共開(kāi)發(fā)生產(chǎn)各類機(jī)器人約3000多臺(tái)，90%以上用于生產(chǎn)，引進(jìn)機(jī)器人做應(yīng)用工程的約1000多臺(tái)。在國(guó)內(nèi)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)剛剛起步，但增長(zhǎng)的勢(shì)頭非常強(qiáng)勁，我國(guó)機(jī)器人經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展已在產(chǎn)業(yè)化的道路上邁開(kāi)了步伐。近幾年，我國(guó)應(yīng)用于制造業(yè)的機(jī)器人及自動(dòng)化生產(chǎn)線和工程項(xiàng)目、相關(guān)產(chǎn)品的年產(chǎn)銷額已近五億元。 概括起來(lái)，雙足步行機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)包括如下十個(gè)方面：能動(dòng)態(tài)穩(wěn)定地高速步行能以自由步態(tài)全方位靈活行走；具有良好的地形適應(yīng)性；具有極強(qiáng)的越障和避障能力；具有很高的載重／自重比；可靠性高、工作壽命長(zhǎng)；具有豐富的內(nèi)感知和外感知系統(tǒng)；控制系統(tǒng)和能源裝置機(jī)載化；具有完全的自律能力；具有靈活的操作能力(安裝一個(gè)或多個(gè)機(jī)械手)。目前，日本和美國(guó)對(duì)雙足步行機(jī)器人的研究已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，研制出了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)行走的多種樣機(jī)[17]。其他國(guó)家，尤其是歐洲的一些國(guó)家，步行機(jī)器人的研究水平也很高。國(guó)內(nèi)由于起步較晚，與國(guó)際最高水平還有一段差距，需要迎頭趕上。最早系統(tǒng)地研究人類和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)原理的是Muybridge[18]，他發(fā)明了電影用的獨(dú)特?cái)z像機(jī)，即一組電動(dòng)式觸發(fā)照相機(jī)，并在1877年成功地拍攝了許多四足動(dòng)物步行和奔跑的連續(xù)照片。后來(lái)這種采用攝像機(jī)的方法又被Demenyt[19]悃來(lái)研究人類的步行運(yùn)動(dòng)。1960年，蘇聯(lián)學(xué)者頓斯科依[20]表了著作“運(yùn)動(dòng)生物學(xué)”，從生物力學(xué)的角度，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能量特征和力學(xué)特征進(jìn)行了一個(gè)詳細(xì)的描述。真正全面、系統(tǒng)地開(kāi)展兩足步行機(jī)器人的研究始于上世紀(jì)60年代，現(xiàn)已形成了一整套較為完整的理論體系，一些國(guó)家如日本、美國(guó)等己研制成功可動(dòng)態(tài)步行的雙足步行機(jī)器人。在60年代和70年代，對(duì)步行機(jī)器人控制理論的研究產(chǎn)生了三種非常重要的控制方法，即有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這三種控制方法對(duì)各種類型的步行機(jī)器人都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic[21]在1961年提出來(lái)的，模型參考控制是由美國(guó)的Farnsworth[22][23]在1975年提出來(lái)的，而算法控制是由南斯拉夫米哈依羅．鮑賓研究所著名的機(jī)器入學(xué)專家Vukobratovic[24]博士在1969年至1972年間提出來(lái)的。這三種控制方法之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況。在雙足步行機(jī)器人的發(fā)展史上，Vukobratovic博士是一個(gè)非常突出的人物。他在整個(gè)70年代就雙足步行機(jī)器人的理論研究和假肢的設(shè)計(jì)發(fā)表了很多有影響的論文。他提出了用歐拉角描述雙足步行系統(tǒng)的通用數(shù)學(xué)模型；指出了由于步行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和控制性能的特殊性，用一般控制理論不能滿意地解決人工實(shí)現(xiàn)步行的問(wèn)題，并由此提出了算法控制的概念；研究了擬人雙足步行系統(tǒng)在單腳和雙腳支撐期間機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，建立了從運(yùn)動(dòng)副組合到關(guān)節(jié)力矩計(jì)算等各項(xiàng)運(yùn)算的K1NPAIR算法，分析了擬人雙足步行系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性，并提出了相應(yīng)的姿態(tài)控制算法；對(duì)擬人雙足步行系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析和頻率分析。特別重要的是，他和Stcpaako博士一起在1972年提出了“零力矩點(diǎn)ZMP的概念[25]。ZMP概念的提出對(duì)雙足步行機(jī)器人控制產(chǎn)生了非常重要的影響，為有效地控制雙足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)開(kāi)辟了一條嶄新的途徑。在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的Bessonov和Umnov定義了“最優(yōu)步態(tài)[26]Kugushev和Jaroshc、skij定義了“自由步態(tài)[27]”。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于雙足而且也適應(yīng)于多足步行機(jī)器人。其中，自由步態(tài)是相對(duì)于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么步行機(jī)器人在行走時(shí)，下一步腳應(yīng)放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來(lái)考慮，而是應(yīng)該像登山運(yùn)動(dòng)員那樣