【正文】 廠成為可能，這是機器人技術發(fā)展的一個里程碑。目前，機器人僅僅實現了簡單的網絡通訊和控制，網絡化機器人是目前機器人研究中的熱點之一。機器人靈巧化和智能化發(fā)展——機器人結構越來越靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。 國外機器人研究狀況最早在1968年，英國的Mosher．R試制了一臺名為“Rig”的操縱型雙足步行機器人[8]，揭開了雙足機器人研究的序幕。該機器人只有踝和靛兩個關節(jié)，操縱者靠力反饋感覺來保持機器人平衡。1968～1969年間，南斯拉夫的M．,Vukobratovic提出了一種重要的研究雙足機器人的理論方法，并研制出全世界第一臺真正的雙足機器人。雙足機器人的研制成功，促進了康復機器人的研制。隨后，牛津大學的Witt等人也制造了一個雙足步行機器人，當時他們的主要目的是為癱瘓者和下肢殘疾者設計使用的輔助行走裝置。這款機器人在平地上走得很好，步速達0．23米／秒。日本加藤一郎教授于1986年研制出wL一12型雙足機器人[9]，該機器人通過軀體運動來補償下肢的任意運動，在軀體的平衡作用下，實現了步行周期1．3秒，步幅30厘米的平地動態(tài)步行。日本本田公司[10]從1986年至今已經推出了P系列1，2，3型機器人。本田公司的計劃著重設計一般家用的機器人，而非針對特殊任務。這種設計的最大挑戰(zhàn)是要讓機器人在布滿家具的房間中來去自如，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，將擬人機器人的研制工作推上了一個新的臺階，使擬人機器人的研制和生產正式走向實用化、工程化和市場化。ASIMO高120厘米，體重鈣千克，使用個人電腦或便攜式控制器操作步行方向和關節(jié)及手的動作。雙腳步行方面，采用了新開發(fā)的技術IWALK[11](Intelligent Realtime FlexibleWandng)智能實時柔性行走技術，其預測移動控制功能使機器人能夠實時預測下一步運動，并按照預測來移動重心。應用該技術，ASIMO能夠改變它的行走坡度，并通過平滑地改變調節(jié)步幅來改變行走的快慢。Hirose介紹說，只有ASIMO擁有這種動態(tài)行走能力。通過改善數據處理速度和軟件，早期的ASIMO已經做到無需預編程就能夠上下樓梯。2003年1月本田又推出了新款的ASIMO，它增加了兩個功能：一是識別人的狀況動作、姿勢、面容、聲音；另一種是網絡接入功能。這使ASIMO的功能更加完善。例如，它能夠根據用戶手指所指的地方，推斷出應該去的地方并自己走到那兒。它還能夠通過內置無線LAN模塊訪問企業(yè)內部網或因特網，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導機器人和接待員。索尼公司的第二代機器人SDR_4X[12]展示了更為復雜的行走控制和更為豐富的通訊功能。SDR．4X的集成實時自適應運動控制系統(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可以實現如下7種動作：最高速度為15米／分鐘的前進／后退／左右橫行；由伏臥／仰臥狀態(tài)起立；在前進過程中左右轉身；單腿站立(在斜面上也可作這個動作)；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版的SDR4XIl[13]，它身高50厘米，重量為5千克。這款機器人可以白行充電，幾乎達到了投產水平。法國Poitiers大學力學實驗室和國立信息與自動化研究所INRIA機構共同開發(fā)了一種具有15個自由度的雙足步行機器人BIP2000[14]，其目的是建立一整套具有適應未知條件行走的雙足機器人系統(tǒng)。它們采用分層遞解控制結構，使雙足機器人實現站立、行走、爬坡和上下樓梯等。美國和日本多年來引領國際機器人的發(fā)展方向，代表著國際上機器人領域的最高科技水平。目前，日本除了比較關注特種機器人和服務機器人以外，還注重中間件的研制。然而，近年來日本基本上在做模仿性的工作，突破性技術比較少。而美國在機器人領域的技術開發(fā)方面，一直保持著世界領先地位。再有，美國主要做高附加值的產業(yè)，比如軍用機器人，目前世界銷售的9000臺軍用機器人之中，有60%來自美國。比如：美國最近研制成功的Big Dog軍用機器人，能負重100公斤，行進速度跟人相當，每小時達到五公里，還能適應各種地形，即使是在側面受到沖擊時也能保持很好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，英國、蘇聯、南斯拉夫、加拿大、意大利，德國、韓國等國家，許多學者在行走機器人方面也做出了許多工作。 國內雙足機器人研究狀況國內雙足機器人的研制工作起步較晚。1985年以來，相繼有幾所高校進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[15]自1985年開始研制雙足步行機器人，迄今為止已經完成了三個型號的研制工作。其中HIT一ⅡI為12個自由度，實現了靜態(tài)步行和動態(tài)步行，能夠完成前／后行、側行、轉彎、上下臺階及上斜坡等動作。目前，該校正致力于功能齊全的雙足機器人HIT一Ⅳ的研制工作，新機器人包括行走機構、上身及髖部執(zhí)行機構，初步設定32個自由度。國防科技大學[16]也進行了這方面的研究。在1989年研制成功了一臺雙足行走機器人，這臺機器人具有10個自由度，能完成靜態(tài)步行和動態(tài)步行。國防科技大學還將工業(yè)機器人的軌跡示教方法用到了兩足步行機器人的步態(tài)規(guī)劃中，形成了步行機器人的步態(tài)示教規(guī)劃技術。值得一提的是，北京理工大學研制成功我國首例擬人機器人BRH．01，該機器人身高1．58米，體重76公斤，具有32個自由度，每小時能夠行走l公里，步幅O．33米。除了能打太極拳，這個機器人還會騰空行走，并能根據自身的平衡狀態(tài)和地面高度變化，實現未知路面的穩(wěn)定行走。它在系統(tǒng)集成、步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)等方面實現了重大突破，標志著我國雙足機器人研究已經跨入世界先進行列。在我國，機器人的真正使用到現在已經20多年，已基本實現了試驗、引進到自主開發(fā)的轉變，促進了我國制造業(yè)的發(fā)展。隨著我國門戶的逐漸開放，國內的機器人產業(yè)將面對越來越大的競爭與沖擊，因此，掌握國內機器人市場的實際情況，把握我國機器人與智能裝備研究的相關進展，顯得十分重要。我國的機器人從上世紀80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“十五”、“十一五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上，我國現有機器人研究開發(fā)和應用工程單位200多家，其中從事機器人研究和應用的有75家，共開發(fā)生產各類機器人約3000多臺，90%以上用于生產，引進機器人做應用工程的約1000多臺。在國內，機器人產業(yè)剛剛起步，但增長的勢頭非常強勁，我國機器人經過20多年的發(fā)展已在產業(yè)化的道路上邁開了步伐。近幾年，我國應用于制造業(yè)的機器人及自動化生產線和工程項目、相關產品的年產銷額已近五億元。 概括起來，雙足步行機器人的發(fā)展趨勢包括如下十個方面：能動態(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性；具有極強的越障和避障能力；具有很高的載重／自重比；可靠性高、工作壽命長；具有豐富的內感知和外感知系統(tǒng)；控制系統(tǒng)和能源裝置機載化；具有完全的自律能力；具有靈活的操作能力(安裝一個或多個機械手)。目前，日本和美國對雙足步行機器人的研究已經達到了相當高的水平，研制出了能靜態(tài)或動態(tài)行走的多種樣機[17]。其他國家，尤其是歐洲的一些國家，步行機器人的研究水平也很高。國內由于起步較晚，與國際最高水平還有一段差距，需要迎頭趕上。最早系統(tǒng)地研究人類和動物運動原理的是Muybridge[18]，他發(fā)明了電影用的獨特攝像機，即一組電動式觸發(fā)照相機，并在1877年成功地拍攝了許多四足動物步行和奔跑的連續(xù)照片。后來這種采用攝像機的方法又被Demenyt[19]悃來研究人類的步行運動。1960年，蘇聯學者頓斯科依[20]表了著作“運動生物學”，從生物力學的角度，對人體運動學、動力學、能量特征和力學特征進行了一個詳細的描述。真正全面、系統(tǒng)地開展兩足步行機器人的研究始于上世紀60年代，現已形成了一整套較為完整的理論體系，一些國家如日本、美國等己研制成功可動態(tài)步行的雙足步行機器人。在60年代和70年代，對步行機器人控制理論的研究產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。這三種控制方法對各種類型的步行機器人都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic[21]在1961年提出來的，模型參考控制是由美國的Farnsworth[22][23]在1975年提出來的，而算法控制是由南斯拉夫米哈依羅．鮑賓研究所著名的機器入學專家Vukobratovic[24]博士在1969年至1972年間提出來的。這三種控制方法之間有一定的內在聯系。有限狀態(tài)控制實質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。在雙足步行機器人的發(fā)展史上，Vukobratovic博士是一個非常突出的人物。他在整個70年代就雙足步行機器人的理論研究和假肢的設計發(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)的通用數學模型；指出了由于步行系統(tǒng)的動態(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現步行的問題，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構的特點，建立了從運動副組合到關節(jié)力矩計算等各項運算的K1NPAIR算法，分析了擬人雙足步行系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性，并提出了相應的姿態(tài)控制算法；對擬人雙足步行系統(tǒng)進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ZMP的概念[25]。ZMP概念的提出對雙足步行機器人控制產生了非常重要的影響，為有效地控制雙足步行機器人的運動開辟了一條嶄新的途徑。在步態(tài)研究方面，蘇聯的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)不僅適應于雙足而且也適應于多足步行機器人。其中，自由步態(tài)是相對于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么步行機器人在行走時，下一步腳應放在什么地方，就不能根據固定的步序來考慮，而是應該像登山運動員那樣