人形机器人技术现状及场景应用思考.pdf
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1、Robot industry Forum智能论坛引言人形机器人又称仿人机器人或类人机器人,指具有人的形态和功能的机器人,具有拟人的肢体、运动与作业技能,以及感知、学习和认知能力。人形机器人建立在多学科基础之上,综合运用机械、电气、材料、传感、控制和计算机来实现拟人化的功能,环境适应更通用、任务操作更多元、人机交互更亲和,是国际公认的机器人技术集大成者,是一个国家科技综合水平的重要体现。人形机器人技术现状及场景应用思考本文首先介绍了国内外人形机器人的发展现状及各国人形机器人的技术现状,其次从人形机器人的本体能力、运动能力和智能能力三方面讨论了人形机器人在关键技术上面临的挑战,最后畅想了人形机器人
2、未来的应用场景,并展望了人形机器人对推动人类社会与技术进步的作用。文/朱秋国*、熊蓉14 机器人产业|ROBOT INDUSTRY资助项目:国家重点研发计划(2022YFB4701502);之江实验室重点研发项目(2021NB0AL03);杭州市农业与社会发展重点研发项目(20230701A05)*朱秋国,本文通讯作者。email: 2023 年第 4 期 15人形机器人技术现状及场景应用思考国际上的人形机器人1969 年,日本早稻田大学研制了世界上第一台人形机器人。由于人形机器人是机器人技术的集大成者和战略制高点,美、日、韩、德、意、法、俄等国家纷纷开展了人形机器人研究。目前,技术最为领先且
3、最具代表性的,当属日本本田研制的 ASIMO 机器人和美国波士顿动力研制的Atlas 机器人。ASIMO 和 Atlas 在技术路线上是电机驱动和液压驱动,位置控制和动态力控的典型代表。2013 年,波士顿动力发布了初代 Atlas机器人。Atlas 由外置电驱动液压动力系统提供动力,高 183cm,全身 28 个液压驱动关节,能够实现碎石路面下的稳定行走。2016 年,波士顿动力公布了新一代 Atlas 机器人,配备了机载液压动力系统,能够实现雪地、山地行走,以及倒地后的快速起身,表现出了优异的运动灵活性,同时展现了双臂协同搬运重物的操作能力;2017 年,完成了立定跳跃、跳高、跳转身和后空
4、翻等动作;2019 年,完成了一套高难度体操动作(慢起手倒立、前滚翻、前空翻、原地 180空中转体、分腿跳、360空中转体);此后,又陆续发布了酷跑、三连跳、全身协调操作任务等新功能。目前,波士顿动力 Atlas 被公认为运动性能最强的人形机器人。2022 年 10 月 1 日,特斯拉发布人形机器人 Optimus 原型机。Optimus 身高约173cm,重约 56kg,在汽车工厂可以进行搬运、浇水植物、移动金属棒。该机器人运用特斯拉最先进的人工智能技术和算力极强的 DOJO D1 超级计算芯片,共用特斯拉“完全自动驾驶”系统,延续纯视觉感知解决方案,具有低成本、强智能、多场景运用、产业化发
5、展等优势,未来将在家庭和工业等场景开展应用。日 本 本 田 在 电 机 驱 动、精 密 传 动、实时控制、步态规划、平衡控制等方面取得了系列突破,于 2000 年基于仿人机器人 P2 推 出 ASIMO 机 器 人。ASIMO 身 高130cm,体重 48kg(2014 年版本),具备智能交互和灵活行走等功能,手部可完成端茶、拧瓶、倒水等基本动作;腿部具备行走、跑步、单/双脚跳,以及上下楼梯等能力,最高运动速度 9km/h,但对未知不平整地面和未知扰动适应性差。2018 年,本田宣布停止继续开发 ASIMO,但仍在组织开发新一代人形机器人。朱秋国熊 蓉浙江大学副教授、博士生导师浙江大学教授、博
6、士生导师Robot industry Forum智能论坛16 机器人产业|ROBOT INDUSTRY除上述机器人外,2013 年美国国家宇航局开发了人形机器人 Valkyrie,身高190cm,重量 125kg,全身 44 个自由度。美国 Agility 机器人公司先后推出了仿鸵鸟双 足 机 器 人 Cassie、仿 人 机 器 人 Digit 和Digit V2。其中,Digit V2 改进了前臂,可以抱起 18kg 的箱子;升级了感知系统,增加了摄像头和激光雷达,可以实现障碍物检测和物体拾取、放置。2018 年,意大利技术研究院发布了仿人消防机器人 WALK-MAN,重量 102kg,头
7、部配有 3D 雷达、麦克风、相机等传感器,可以走进大楼、找到起火点并取出灭火器,并将现场状况回传给操作员。德国慕尼黑工业大学开发了仿人机器人 LOLA,身高 180cm,重量 55kg,全身 25 个自由度,最快步行速度 5km/h,通过头部传感器可实现避障等功能。法国 PAL Robotics 公司先后推出了REEM-C 和 TALOS 两款商用仿人机器人。其中,REEM-C 身高 160cm,重量 80kg,全 身 44 个 自 由 度,行 走 速 度 2.5km/h,具备操作、导航与人机交互功能;TALOS为面向工业应用设计的仿人机器人,身高175cm,重量 90kg,行走速度 3km/
8、h,可适应不平整路面和台阶,能完成钻孔和拧螺丝等任务。2001 年起,韩国先进技术研究院 KAIST 开发了一系列仿人机器人,包括KHR-0/1/2/3、HUBO、HUBO2 Plus 和DRC-HUBO 等。其中,DRC-HUBO 机器人身高 170ccm,重量 80kg,全身 32 个自由度,采用轮腿混合行走机构,能够根据不同环境选择不同的移动方式,可以适应碎石块和斜坡等路面。综上所述,国际上人形机器人队伍中,第一梯队是以美国为首的波士顿动力和特斯拉,在运动能力和智能作业上均具有较强的技术储备和展示能力;第二梯队是日韩和欧洲机器人,虽然不适用于野外复杂路面,但手眼协调操作性强,可直接使用人
9、造工具,具有较强的智能作业和精细作业能力;第三梯队是以室内平整路面为主的机器人,无法适应户外不平整路面,离真实应用仍有差距。国内的人形机器人20 世纪 90 年代,我国开始了人形机器人研究。在国家“863”计划、国家自然科学基金,以及其他部门及地方的资助下,国防科技大学、哈尔滨工业大学、清华大学、北京理工大学、浙江大学、中国科学院自动化所等多家单位取得了丰硕的研究成果,培养了大量科研团队与技术人员。国防科技大学早在 1987 年就开始了步行机器人系统与技术领域的研究工作,是国内首个开展双足步行机器人研究的高校。1990 年,其公布的双足步行机器人样机能实现 0.36km/h 的静态行走。199
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