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仿人机器人研究概论

1.1仿人机器人研究的目的和意义

仿生技术研究是当今机器人研究领域内的前沿课题之一，模拟各种动物在各种特定

条件下的卓越功能，制造出可以代替人类从事恶劣环境下工作的仿生机器人是人类梦寐

以求的事情。仿人机器人是仿生技术中的重要研究方向，作为机器人研究领域最前沿的

问题之一，它是集机械、电子、计算机、仿生学、多传感器融合技术及人工智能等多门

学科于一体。双足行走方式具有最高的灵活性，特别适合于日常环境中与人类协作完成

各种任务，在危险环境作业领域内具有广阔的应用潜力。因此研究仿人机器人具有重要

的学术价值和重要的实际意义。

科学意义及应用前景：

第一，仿人机器人的研究模型为控制理论应用及动力学问题的研究提供了广阔的天

地。仿人机器人是一个多变量，强耦合，非线性和变结构的复杂动力学系统，其变姿态

结构的不稳定性及产生稳定步行运动所需要解决的动态平衡问题，对于控制理论及动力

学问题的研究来说，具有很大挑战性。但正是因为仿人机器人的这种特性，它给控制理

论提供了良好的实验平台。在对其研究的过程中，很可能导致力学或控制领域的新理论、

新方法的产生。

第二，仿人机器人的研究具有潜在的应用前景。人类步行运动与其他机构运动相比

具有优越的移动性能和环境适应能力。研制和开发仿人机器人，可以在一些有辐射、高

温、多粉尘、有毒以及其他条件恶劣的环境中代替人类作业，或者在一些人不能到达的

地方（如海底、太空）代替人类进行探索和开发，以延伸和扩大人类的活动领域。仿人

机器人在康复医学领域也有广阔的应用前景，例如对仿人机器人的研究可以为截瘫病人

以及小儿麻痹患者设计辅助行走装置提供完善的理论和实际支持，并可根据仿人机器人

的运动特性制造动力型假肢。由于步行运动方式对环境具有很强的适应能力，仿人机器

人的研究还可以为各种步行式太空探测机器人、越野侦察机器人的研究提供技术储备。

随着机器装置、计算机软件、传感器和遥控技术的不断发展，机器人的应用范围可以扩

展到家庭服务中。在家庭服务方面，机器人将替代人类从事繁琐的家庭劳作，诸如吸尘、

擦窗户等。机器人还可以作为地铁车站的保洁员、加油站的服务员或消防员使用。

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第三，仿人机器人涉及众多科研领域，是多项高技术成果的集合，它在一定程度上

可以代表一个地区乃至一个国家的科技实力。

第四，由于仿人机器人具有很好的演示性和娱乐性，在影视教育娱乐及服务等行业

中具有巨大的应用价值。例如，2008年三菱重工的“牛若丸”（wakamaru）在日本剧作

家平田织佐（OrizaHirata）编导的世界第一部机器人和人类同台演出的实验性戏剧中扮

演角色，“牛若丸”在剧中被称作“桃子（Momoko）”和“武夫（Takeo）”。

第五，仿人机器人的研究对于人才培养和技术进步具有良好的促进作用。仿人机器

人的研究人员既要具备良好的硬件基础，又要具备各种软件设计能力；既要具备系统的

理论知识，又要有良好的实际工作经验。因此，仿人机器人的研究为培养高素质科技人

才提供了一个很好的环境。

1.2国内外仿人机器人的研究概况

研制具有人类行为特征、可以模拟人类行走与操作功能的机器人是长久以来人类对

机器人研究的梦想之一。上世纪六十年代至今，这一梦想吸引了大批科技工作者，特别

是近十年，随着各种高技术的迅速发展，这一领域的研究取得了长足的进步。

1.2.1国外仿人机器人的研究概况

1968年，Mosher第一个研究了双足机器人。他的试验机器人称为Rig，属遥控型，

有两个自由度（在脚裸和髋关节两处），主要课题是平衡间题。当时，从不同工作单位

选来八十六人进行平衡试验，结果在学习儿分钟（最多是十五分钟）后，他们就能根据

力反馈信号下意识地来控制该机器。

日本早稻田大学加藤一郎实验室于1973年研制出了WABOT-I型（图1.1）步行机