文献综述（或调研报告）：
1 仿生机器人研究现状
仿生学是研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学，是一门生命科学、物质科学、数学与力学、信息科学、工程技术以及系统科学等学科的交叉学科。
图3.1 仿生人的发展历程
我国仿生研究起步较晚，近30年来在 NSFC 的大力资助下，经历了跟踪国外研究、模仿国外成果到局部领域齐头并进三个阶段。如北京航空航天大学孙茂教授利用Navier-Stokes方程数值解和涡动力学理论研究了模型昆虫翼作非定常运动时的气动力特性，解释了昆虫产生高升力的机理，为微型仿生扑翼飞行器的设计提供了理论基础，在国际昆虫扑翼飞行机理研究方面占有一席之地。哈尔滨工业大学刘宏教授研制的类人五指灵巧手，能灵活运动并进行物品的抓取，技术指标与国外同类产品相当。
仿人机器人是指一定程度具有人的特征，并具有一定程度移动、感知、操作、学习、联想记忆、情感交流等功能的智能机器人，可以适应人类的生活和工作环境。这是一个融合机械电子、计算机科学、人工智能、传感及驱动技术等多门学科的高难度研究方向，是各类新型控制理论和工程技术的研究平台，也是目前仿生机器人技术研究中具有挑战性的难题之一。仿人机器人的研究可以推动仿生学、人工智能学、计算机科学、材料科学等相关学科的发展，因此具有重要的研究价值和意义。
仿人机器人的研制开始于 20 世纪 60 年代末的 双足步行机器人。日本早稻田大学首先展开了该方面的研究工作，其研制的WAP、WL以及WABOT系列机器人能实现基本行走功能。在此期间，日本、 美国、欧盟、韩国等国家的多家机构均进行了仿人形机器人的研究探索工作，并取得了许多突破性的成果，如美籍华人郑元芳博士 1986 年研制出了美国第一台双足步行机器人 SD-1 以及其改进版 SD-2[16]。该阶段主要还是侧重实现机器人的行走功能，并能实现一定程度的控制。进入 21 世纪，随着传感以及智能控制技术的发展，仿人机器人具有一定的感知系统，能获取外界环境的简单信息，可做出简单的判断并相应调整自己的动作，使得运动更加连续流畅。如本田公司于 2000 年研发的仿人形机器人“ASMIO2000”不仅具有人的外观，还可以先预测下一个动作并提前改变重心，因此转弯时的步行动作连续流畅，行走自如，是第一个具有世界影响力的仿人形机器人。索尼公司2003 年推出的“QRIO”机器人首次实现了仿人机器人的跑动。其后，法国的“BIP2000”机器人、索尼公司的“SDR”系列机器人、日本 JVC 公司研制的“J4”机器人、韩国的“HUBO”机器人，实现了诸如站立、上下楼梯、跑步、做操等复杂动作。随着控制理论的发展与控制技术的进步，仿人 机器人智能性更强，能实现动作更复杂，运行更稳定，且能根据环境的改变和它自身的判断结果自动确定与之相适应的动作。如本田 2011 年发布的 “ASIMO2011”机器人，综合了视觉和触觉的 物体识别技术，可进行细致作业，如拿起瓶子拧开瓶盖，将瓶中液体注入柔软纸杯等，还能依据人类 的声音、手势等指令，来从事相应动作，此外，还具备了基本的记忆与辨识能力。2013 年美国波士顿动力公司研制的“ATLAS”机器人是当前仿人形机器人的一个代表，除了具有人形外观，还具备了人类简单的识别、判断以及决策功能，是一款具有较高智能化的类人机器人。该机器人能在传送带上大步前进，躲开传送带上突然出现的木板，能从高处跳下稳稳落地，能两腿分开从陷阱两边走 过，能单腿站立，被从侧面而来的球重撞而不倒。该公司开发的另一款用于美军检验防护服性能的军用机器人“Petman”除了具有较高灵活度外，还能调控自身的体温、湿度和排汗量来模拟人类生 理学中的自我保护功能，已经一定程度上具有了人类的生理特性。仿人机器人另一个研究方向就是仿人手臂和灵巧手指的研究。从初的外观仿形并实现简单运动阶段发展到现在集运动感知于一体，并能实现类似人手诸如抓取等细微操作的机电系统。美国加利福尼亚大学 TOMOVIC 等于 1962 年针对伤寒病患者设计的“Belgrade”被认为是世界上早灵巧手，只能实现简单动作。SALISBURY 等于 1982 年设计的“Stanford/JPL”仿人手首次完整引入了位置、触觉、力等传感功能，开创了多指手实际抓取操作的先河，是当时乃至现在都很具有代表性的机械手。此后，机械手朝着更加灵活，更加智能的方向发展。2010 年德国宇航中心 DLR 研制的手臂联合系统“Hasy”机械手臂，总共具有 21个自由度，是第一个采用仿生学关节进行手指设计的多指灵巧手，手指关节的运动模仿人手进行面接触滑动而不是单纯的转动，使其运动特性与人类手指更加接近。
国内仿人形机器人研究起步较晚，2000 年国防科学技术大学研制的“先行者是我国第一台仿人形机器人。其后，北京理工大学于 2002 年研制的仿人机器人“BHR”，突破了系统集成技术，实现了无外接电缆的行走，可在未知地面上稳定行走且能实现太极拳表演等复杂动作。哈尔滨工业大学研制开发的“HIT”系列双足步行机器人实现了静步态和动步态步行，能够完成前/后行、 侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。清华大学研制开发的仿人机器人“THBIP”采用独特 传动结构，成功实现无缆连续稳定地平地行走、连续上下台阶行走以及端水、太极拳和点头等动作。北京理工大学 2011 年研制成功的“汇童 5” 仿人机器人，代表了我国现阶段仿人机器人的高水平，具有视觉、语音对话、力觉、平衡等功能，突破了基于高速视觉的灵巧动作控制、全身协调自主反应等关键技术，成为具有“高超”动能力的机器人健将，此外，浙江大学也进行了仿人机器人的研制，通过轨迹预判的方法提高了机器人对复杂情况的处理能力，实现了机器人打乒乓 球的运动。在仿人手臂与灵巧手指方面的研究，北京航空航天大学的研究开展较早，1993 研制成功了我国第一只三指手“BUAA-I”，其随后改进版本“BUAA-II”型和“BUAA-III”型三指手相继问世。上海交通大学从 2005 年开始进行基于脑电的机械手臂操作研究，着重研究如何提高假肢手的操作功能和操作灵巧性，开发功能更先进的生物/机械系统接口，在此基础上研制了具有“仿人手”功能的新一代假肢手。哈尔滨工业大学与德国 DLR 联合研制的类人五指灵巧手“HIT/DLR Hand”，具有多感知能力，运动灵活，抓取过程仿人化，能够完成正向捏取、三指捏取、柱状抓取等人手大部分抓取功能。目前仿人机器人研究已在诸如关键机械单元、整体运动、动态视觉等多方面取得了突破，但是与人运动的灵巧性和控制的自主性相比还相差很远。仿人机器人的终发展目标不仅是外形及运动方式模仿人，而且思维方式和行为方式也接近人，能够通过与环境的交互不断获取新的知识，能自主完成各种任务，还能自己适应结构化或非结构化的动态环境。
2 仿生机器人研究前景
仿人机器人是指一定程度具有人的特征，并具有一定程度移动、感知、操作、学习、联想记忆、情感交流等功能的智能机器人，可以适应人类的生活和工作环境。这是一个融合机械电子、计算机科学、人工智能、传感及驱动技术等多门学科的高难度研究方向，是各类新型控制理论和工程技术的研究平台，也是目前仿生机器人技术研究中具有挑战性的难题之一。仿人机器人的研究可以推动仿生学、人工智能学、计算机科学、材料科学等相关学科的发展，因此具有重要的研究价值和意义。
