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仿人機器人的研究歷史、現(xiàn)狀及展望§

謝濤，徐建峰，張永學(xué)，強文義

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機械電子工程教研室，哈爾濱 150001）

摘編自《機器人》2002年4期：367~374頁，圖、表、參考文獻(xiàn)已省略。

1　引言

機器人是近年來發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、自動控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機電一體化的最高成就，是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。

自從70年代工業(yè)機器人應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)以來，機器人對工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、勞動生產(chǎn)率、勞動市場、環(huán)境工程都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。仿人機器人不同于一般的工業(yè)機器人。因為它不再固定在一個位置上。這種機器人具有靈活的行走系統(tǒng)，以便隨時走到需要的地方，包括一些對普通人來說不易到達(dá)的地方和角落，完成人或智能系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置指定的工作。自然界的事實、仿生學(xué)以及力學(xué)分析表明，仿人機器人與輪式、履帶式機器人相比有許多突出的優(yōu)點和它們無法比擬的優(yōu)越性。它的特性主要體現(xiàn)以下方面：

1）仿人機器人能適應(yīng)各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，能夠方便的上下臺階及通過不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動“盲區(qū)”很小。

2）仿人機器人的能耗很小。因為該機器人可具有獨立的能源裝置，因此在設(shè)計時就應(yīng)充分考慮其能耗問題。機器人力學(xué)計算也表明，足式機器人的能耗通常低于輪式和履帶式。

3）仿人機器人具有廣闊的工作空間。由于行走系統(tǒng)的占地面積小，而活動范圍很大，所以為其配置的機械手提供了更大的活動空間，同時也可使機械手臂設(shè)計得較為短小緊湊。

4）雙足行走是生物界難度最高的步行動作。但其步行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無法比擬的。所以，仿人機器人的研制勢必要求并促進(jìn)機器人結(jié)構(gòu)的革命性的變化同時有力推進(jìn)機器人學(xué)及其它相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

仿人機器人對機器人的機械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動裝置提出了許多特殊要求，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)機械的重大變革。仿人機器人是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)。這對機器人的運動學(xué)、動力學(xué)及控制理論的研究提供了一個非常理想的實驗平臺，在對其研究的過程中，很可能導(dǎo)致力學(xué)及控制領(lǐng)域中新理論、新方法的產(chǎn)生，另外，仿人機器人的研究還可以推動仿生學(xué)、人工智能、計算機圖形、通信等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。因此，仿人步行機器人的研制具有十分重大的價值和意義。

2　國內(nèi)外仿人機器人的研究概況

仿人機器人的研制開始于本世紀(jì)60年代末，只有三十多年的歷史。然而，仿人機器人的研究工作進(jìn)展迅速。國內(nèi)外許多學(xué)者正從事于這一領(lǐng)域的研究，如今已成為機器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。

1968年，美國的R.Smosher（通用電氣公司）試制了一臺叫“Rig”的操縱型雙足步行機器人機械，從而揭開了仿人機器人研制的序幕。

1968年，日本早稻田大學(xué)加藤一郎教授在日本首先展開了雙足機器人的研制工作。1969年研制出WAP-1（Waseda Auicmatic Pedipulator）平面自由度步行機。該機器人具有六個自由度，每條腿有髖、膝、踝三個關(guān)節(jié)。利用人造橡膠肌肉為關(guān)節(jié)，通過注氣、排氣引起肌肉收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動從而邁步。由于氣體的可伸縮性，該機器人行走不穩(wěn)定。1971年，加藤一郎又研制出了WAP-3型雙足機器人，仍采用人造肌肉驅(qū)動，能在平地、斜坡和階梯上行走，具有11個自由度。1971年，加藤實驗室研制出WL-5雙足步行機器人，見圖1。該機器人采用液壓驅(qū)動，具有11個自由度。下肢作三維運動，上軀體左右擺動以實現(xiàn)雙足機器人重心的左右移動。該機器人重130 kg，高0.9 m，可載荷30 kg，實現(xiàn)步幅15 cm，每步45 s的靜態(tài)步行。1973年，加藤等人在WL-5的基礎(chǔ)上配置機械手及人工視覺、聽覺裝置組成自主式機器人WAROT-1。加藤等人于1980 年又推出WL-9DR（Dynam's Refined）雙足機器人。該型機器人采用預(yù)先設(shè)計步行方式的程序控制方法，用步行運動分析及重復(fù)實驗設(shè)計步態(tài)軌跡，用以控制機器人的步行運動。該機器人采用以單腳支撐期為靜態(tài)，雙腳切換期為動態(tài)的準(zhǔn)動態(tài)步行方案。實現(xiàn)了步幅45 cm，每步9 s的準(zhǔn)動態(tài)步行。1984年，加藤實驗室又研制出采用踝關(guān)節(jié)力矩控制的WL-10RD雙足機器人，見圖2。實現(xiàn)了步幅40 cm，每步1.5 s的平穩(wěn)動態(tài)步行。1986年，加藤實驗室又研制成功了WL-12（R）步行機器人，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(xiàn)了步行周期1.3 s，步幅30 cm的平地動態(tài)步行。

日本機械學(xué)院的S.Kajita等針對一臺具有4臺前向驅(qū)動電機且完全安裝在機器人的上體的五連桿平面型雙足步行機器人Meltran I，研究其動態(tài)行走的控制方法。他根據(jù)機器人機構(gòu)質(zhì)量幾乎完全集中在上體的事實，為使雙足步行機器人實現(xiàn)穩(wěn)定的周期性的動態(tài)行走，對機器人上體采用了約束控制方法，提出了一種理想的線性倒立擺模型，同時又提出了機構(gòu)軌道能量守恒的概念，來求解各個關(guān)節(jié)的運動軌跡及輸入力矩，實現(xiàn)了在已知不平整地面下的穩(wěn)定動態(tài)步行。1996年他們又在此樣機的基礎(chǔ)上加載了超聲波視覺傳感器以實現(xiàn)實時地提供地面信息的功能。將視覺傳感器系統(tǒng)與針對線性倒立擺所提出的控制模式相結(jié)合構(gòu)成自適應(yīng)步態(tài)控制系統(tǒng)，可使Meltran II成功地實現(xiàn)在未知路面上的動態(tài)行走。

日本東京大學(xué)的Jouhou System Kougaka實驗室研制了H5、H6型仿人型雙足步行機器人。機器人總共具有30個自由度，其中在H5型的步態(tài)規(guī)劃設(shè)計中充分考慮了動態(tài)平衡條件。采用遺傳算法來實現(xiàn)上體的補償運動以保證ZMP軌跡的跟蹤，上體運動的軌跡用3次樣條插值來實現(xiàn)。在H5雙足機器人的頭部安裝有兩個CCD彩色攝像頭，可以實現(xiàn)定位前面的物體（例如小球）并能夠在CCD的協(xié)助下用7自由度的手來抓取的目的。

日本本田公司從1986年至今已經(jīng)推出了P系列1，2，3型機器人。其研究宗旨是：“機器人應(yīng)該要與人類共存并合作，做人類做不到的事，開拓機動性的新領(lǐng)域，從而對人類社會產(chǎn)生附加價值?！北咎锕镜挠媱澲卦O(shè)計一般家用的機器人，而非針對特殊任務(wù)。這種設(shè)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，見圖3、圖4。將仿人機器人的研制工作推上了一個新的臺階，使仿人機器人的研制和生產(chǎn)正式走向?qū)嵱没⒐こ袒褪袌龌?/p>

P1是本田公司最初行走機器人，主要是對雙足步行機器人進(jìn)行基礎(chǔ)性的研究工作；P2型機器人是1996年12月推出的，相對于P1而言，更加擬人化，使用Ni-Zi電池供電，而且采納了無線遙控技術(shù)，使其能夠完成諸如速度達(dá)到3 km/h的動態(tài)行走、上下樓梯及推運物體等等。P2型機器人通過重力感應(yīng)器和腳底的觸覺感應(yīng)器把地面的信息傳給機器人的大腦（電腦），機器人電腦再根據(jù)情況進(jìn)行判斷，進(jìn)而平衡身體，穩(wěn)步前進(jìn)。P2的問世將雙足步行機器人的研究工作推向了高潮，使本田公司在此領(lǐng)域處于世界絕對的領(lǐng)先的地位。甚至MIT的G.A. Partt教授曾一度認(rèn)為今后在雙足步行機器人領(lǐng)域已經(jīng)沒有什么工作可以再做了。1997 年12月本田公司又推出了P3型雙足步行機器人，基本上與P2型相似，只是在重量和高度上有所降低（由原來的210 kg 降為130 kg，高度由1800 mm降為1600 mm），且使用了新型的鎂材料。

本田公司于2000年11月20日又推出了新型雙腳步行機器人“ ASIMO（Advanced Step in Innovative Mobility）”，“ASIMO”與“P3”相比，實現(xiàn)了小型輕量化，使其更容易適應(yīng)人類的生活空間，通過提高雙腳步行技術(shù)使其更接近人類的步行方式?！癆SIMO”高120 cm，體重43 kg，使用個人電腦或便攜式控制器操作步行方向和關(guān)節(jié)及手的動作。雙腳步行方面，采用了新開發(fā)的技術(shù)“I-WALK（Intelligent Real time Flexible Walking）”，可以更加自由的步行。I-WALK是在過去的雙腳步行技術(shù)的基礎(chǔ)上組合了新的“預(yù)測運動控制”功能。它可以實時預(yù)測以后的動作，并且據(jù)此事先移動重心來改變步調(diào)。過去由于不能進(jìn)行預(yù)測運動控制，因此當(dāng)從直行改為轉(zhuǎn)彎時，必須先停止直行動作后才可以轉(zhuǎn)彎。而“ASIMO”通過事先預(yù)測“下面轉(zhuǎn)彎以后重心向外側(cè)傾斜多少”等重心變化，可以使得從直行改為轉(zhuǎn)彎時的步行動作變得連續(xù)流暢。

日本本田公司研制的仿人機器人仍未達(dá)到完全的使用階段。他們的研制目標(biāo)是達(dá)到與人無異的動態(tài)步行。相信人類的智慧會使這個“進(jìn)化”實現(xiàn)。

日本索尼于2000年11月21日推出了人型娛樂型機器人“Sony Dream Robot-3X ”（SDR-3X），見圖5。其身高50 cm，重量為5 kg。其特征是每分鐘可以步行15 m，并可按照音樂節(jié)拍翩翩起舞，可以進(jìn)行較高速度的自律運動。另外還配備聲音識別和圖像識別功能。在記者招待會上，SDR-3X在眾多記者的面前表演了“邊做體操邊快速行走”、“按照音樂節(jié)拍的舞蹈”、“按照命令把指定的球踢進(jìn)球門”等項目。SDR-3X 可以揮手、轉(zhuǎn)身，還可以同時進(jìn)行雙腳步行。SDR-3X分別在頭部安裝了2個、軀干部安裝了2個、每個手臂安裝了4個、每個下肢和足部安裝了6個、共計24個配置了驅(qū)動機構(gòu)的“關(guān)節(jié)”，這些關(guān)節(jié)通過2 個64bit RISC微處理器進(jìn)行實時控制。實時操作系統(tǒng)為索尼獨自開發(fā)的“Aperios”。SDR-3X的動作有以下7種，1）最高速度為15 m/分的前進(jìn)/后退/左右橫行；2）在前進(jìn)過程中左右轉(zhuǎn)身（異步轉(zhuǎn)90°）；3）由伏臥/仰臥狀態(tài)起立；4）單腿站立（在斜面上也可做此動作）；5）在凸凹不平的路面上行走；6）踢球；7）舞蹈。另外，SDR-3X 還可以識別20種聲音，并且可以講由聲音合成的20種語言，同時對顏色也可以識別。

日本還有許多其它科研機構(gòu)和高等院校從事仿人機器人的研制和理論研究工作，如、松下電工、富士通、川琦重工、法拉科、日立制作所等單位。他們都在仿人機器人的研制和理論研究方面作了大量的工作，并取得了一定的成就。

法國BIP2000計劃是由法國de Mecanique des Soloders de Poitiers實驗室和INRIA機構(gòu)共同開發(fā)的一種具有15個自由度的雙足步行機器人。其目的就是建立一整套具有適應(yīng)未知條件行走的雙足機器人系統(tǒng)。他們將此項目分為INRIA、LAG-CNRS、LM S-CNRS和LMP-CNRS 4個組，分別完成不同的任務(wù)，如INRIA主要完成系統(tǒng)實時控制的理論及實際的研究，研究極限環(huán)和穩(wěn)定性以及行走在斜坡上的研究；LAG-CNRS研究上雙足機器人系統(tǒng)的建模和優(yōu)化控制；LMS負(fù)責(zé)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計； LMP主要研究運動生理學(xué)方面以便為此計劃提供數(shù)據(jù)。為了使控制系統(tǒng)設(shè)計簡化，他們采用了復(fù)雜系統(tǒng)控制中廣泛被采用的分層遞解控制結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)中的最高級是全局規(guī)劃層，在一些傳感器信息的指導(dǎo)下，根據(jù)一些初始的條件來獲得一些步態(tài)規(guī)劃時的參數(shù)；中間級根據(jù)特定的任務(wù)進(jìn)行平滑的行走步態(tài)的規(guī)劃；控制級根據(jù)中間層所發(fā)出的步態(tài)規(guī)劃的信號來生成激勵的信號；最后一層是所謂的反饋層，用來處理突發(fā)事件；按照這些控制及規(guī)劃方法，可以使雙足機器人實現(xiàn)站立、行走、爬破和上下樓梯等。

美國Ohio大學(xué)的Zheng等人于1990年提出用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)雙足步行機器人動態(tài)步行，并在SD-1雙足步行機器人中得以實現(xiàn)。人腦控制步行時有三種功能：即隨意步行、非隨意步行和學(xué)習(xí)步行，為了將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略應(yīng)用在雙足步行機器人中，他們首先研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)步態(tài)綜合器，它由軌跡綜合器、自適應(yīng)單元、知識庫和聯(lián)想單元組成。軌跡綜合器根據(jù)從知識庫中提取的初始位置來產(chǎn)生各個關(guān)節(jié)的運動模式的信號，在雙足步行機器人隨意運動的情況下，自適應(yīng)單元不接入，否則自適應(yīng)單元接入，并開始修正步態(tài)模式，實現(xiàn)平衡步行。其次，他們還研究了兩種學(xué)習(xí)方法，靜態(tài)學(xué)習(xí)和動態(tài)學(xué)習(xí)。靜態(tài)學(xué)習(xí)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)發(fā)生在步行過程中特定時刻，而動態(tài)學(xué)習(xí)則是指在雙足步行機器人步行過程中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)的學(xué)習(xí)。同時，他們所采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是由多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元組成，包括了4個關(guān)節(jié)神經(jīng)元和16個方向神經(jīng)元，用強化學(xué)習(xí)方法來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，強化學(xué)習(xí)信號既可以是描述地域條件的傳感器信號，也可以是描述機器人性能的人工輸入信號。

MIT的Pratt和Pratt等人在Spring Turkey 和Spring Flamingo雙足機器人的控制中提出了虛模型控制策略。從本質(zhì)上說，虛模型控制實際上是一種運動控制語言，即假想將諸如彈簧振子、阻尼器等元件固連在機器人的系統(tǒng)中用來產(chǎn)生假想的驅(qū)動力矩。采用虛模型控制，可以有效地避免繁瑣的機器人逆運動學(xué)和動力學(xué)的計算。在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上，與上述的控制策略的指導(dǎo)思想結(jié)合，采用與常規(guī)關(guān)節(jié)驅(qū)動方式不同的一種新的關(guān)節(jié)驅(qū)動方式，從而使其具有良好的彈性和阻尼特性，在步態(tài)規(guī)劃的過程中參考人類行走的被動特性，將一個行走步態(tài)周期分為支撐、腳尖立地、擺動和伸直四個階段，更有效的利用了機械勢能使腳被動地完成擺動過程。Pratt等人認(rèn)為使行走變得容易的兩個因素是行走問題的內(nèi)在魯棒性和行走機械自身的自然動態(tài)特性。內(nèi)在魯棒性允許使用簡單、低阻抗控制器，自然動態(tài)特性簡化了控制器。基于簡單雙足步行機器人的物理模型，提出了三種使用平面型雙足步行機器人的控制方法，第一是采用簡單的策略來控制機器人的行走；其二是討論了膝蓋、柔順踝關(guān)節(jié)及被動擺動腿的自然動態(tài)特性；第三為了使擺動腿盡快的行走擺動腿應(yīng)盡快地擺動。所提出的控制策略用于Spring Flamingo 的控制中。在前向平面的動態(tài)和側(cè)向平面動態(tài)解耦基礎(chǔ)上，可以將平面型雙足機器人控制推廣到3D空間內(nèi)的控制研究中。所采用的方法是在平面型雙足步行機器人控制的基礎(chǔ)上加上前向平衡控制。Chew等人認(rèn)為：步行方向平面和與其垂直的側(cè)向平面之間不存在動態(tài)耦合。對于側(cè)向平面的運動，他們認(rèn)為可以分為上體的姿態(tài)控制、上體俯仰軸的控制及上體前進(jìn)方向的速度控制。而后者則通過一個加強學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。他們通過對腳部的放置控制來代替Pratt等人提出來雙腳支撐期的控制。由于腳部放置算法與擺動腿運動參數(shù)之間不存在解析形式，他們便采用加強學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。

此外，日本的有本卓、廣瀨茂男、小川清、美籍華人鄭元芳博士等人也在雙足步行機器人的理論研究和工程實踐方面作出了不少的貢獻(xiàn)。美國、英國、蘇聯(lián)、南斯拉夫、加拿大、意大利、德國、韓國等國家，許多學(xué)者在行走機器人的力學(xué)，模型和型號研制方面也作出了相應(yīng)的工作。如英國于1970年研制成功的“Witt”型雙足機器人，在蘇聯(lián)則研制出兩輪雙足行走機器人。南斯拉夫的Minor，Vokobratovic在《Legged Locomotion Robots》一書中利用數(shù)學(xué)模型對類人型雙足步行機器人的步行進(jìn)行了全面的分析，為雙足步行機器人的研究奠定了理論基礎(chǔ)。

為了進(jìn)一步推動仿人機器人的發(fā)展，世界諸多研究機構(gòu)紛紛推出了新的研究計劃，其中日本的投入最大。日本于1998年推出了人型機器人計劃。該計劃為期5年，共分兩個階段：第一階段為1998年—1999年；第二階段為2000年—2002年，總投資200億日元，這也是日本的第三個機器人計劃。

國內(nèi)，仿人機器人的研制工作起步較晚，1985年以來，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。其中以哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國防科技大學(xué)最為典型。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1985年開始研制雙足步行機器人，基于控制理論曾經(jīng)獲得自然科學(xué)基金和國家“863”計劃的支持，迄今為止已經(jīng)完成了三個型號的研制工作：

第一個型號HIT-Ⅰ為10個自由度，重100 kg，高1.2 m，關(guān)節(jié)由直流伺服電極驅(qū)動，屬于靜態(tài)步行。

第二個型號HIT-Ⅱ為12個自由度，該機器人髖關(guān)節(jié)和腿部結(jié)構(gòu)采用了平行四邊形結(jié)構(gòu)。

第三個型號HIT-Ⅲ為12個自由度，踝關(guān)節(jié)采用兩電機交叉結(jié)構(gòu)，同時實現(xiàn)兩個自由度，腿部結(jié)構(gòu)采用了圓筒形結(jié)構(gòu)。HIT-Ⅲ 實現(xiàn)了靜態(tài)步行和動態(tài)步行，能夠完成前/后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺階及上斜坡等動作。

目前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所與機械電子工程教研室合作，正在致力于功能齊全的仿人機器人HIT-Ⅳ 的研制工作，該機器人包括行走機構(gòu)、上身及臂部執(zhí)行機構(gòu)，初步設(shè)定32個自由度。

國防科技大學(xué)也進(jìn)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、動態(tài)步行。

清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高等院校和研究機構(gòu)也在近幾年投入了相當(dāng)?shù)娜肆?、物力，進(jìn)行智能仿人機器人的研制工作。

3　仿人機器人的研制展望

仿人機器人與輪式、履帶式機器人相比有許多突出的優(yōu)點和它們無法比擬的優(yōu)越性。但是由于受到機構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、微電子學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等相關(guān)學(xué)科發(fā)展的制約，至今基本上仍處于實驗室研制的階段。尤其是雙足行走的速度、穩(wěn)定性及自適應(yīng)能力仍不是十分理想。只有在走穩(wěn)走好之后再加上臂部執(zhí)行機構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)，才談得上真正的仿人。當(dāng)然，仿人不能僅僅局限于這些，還應(yīng)該模仿人類的視覺、觸覺、語言，甚至情感等功能。仿人機器人是許多技術(shù)的綜合、集成和提高。目前，主要的攻關(guān)項目還是行走功能的進(jìn)一步提高。日本本田公司生產(chǎn)的P3仿人機器人雖已走向市場化，但是，它的功能還很有限，離實際意義上的擬人化還有相當(dāng)?shù)囊欢尉嚯x。所以仿人機器人給科研工作者提供了廣闊的研究空間，提出了一個又一個新的挑戰(zhàn)。同時也促進(jìn)了許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，導(dǎo)致了一些新理論，新方法的出現(xiàn)。越來越多的科研工作者投入了這一新興的前沿學(xué)科。本人根據(jù)多年從事仿人機器人的研制工作的經(jīng)驗及收集的相關(guān)資料，對未來幾十年仿人機器人的研制方向談一些自己的看法。

3.1 仿人機器人本體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

仿人機器人是一個多關(guān)節(jié)且具有冗余自由度的復(fù)雜的系統(tǒng)。如何實現(xiàn)預(yù)期功能而又使結(jié)構(gòu)最優(yōu)化是一個很值得研究的問題。一個功能齊全的智能仿人機器人必須得有一個結(jié)構(gòu)緊湊、配置合理的機械本體。本田公司最新研制的“ASIMO”就是一個典型的例子，本田公司推出的P系列1，2，3型機器人本體框架采用的材料是鎂、鋁合金，“ASIMO”采用的是錳合金。在研制過程中，應(yīng)該考慮采用更先進(jìn)的材料，進(jìn)一步減小本體重量以及提高零件制造精度和裝配精度。關(guān)于驅(qū)動方案的選擇，目前普遍采用電機驅(qū)動，經(jīng)減速器減速后驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)。也有一些研究者在研制人造肌肉，通過空氣氣囊的充氣和排氣帶動關(guān)節(jié)動作。

3.2 運動學(xué)和動力學(xué)求解理論和方法的發(fā)展

一個理想的步態(tài)規(guī)劃對仿人機器人行走的穩(wěn)定性是非常有益的。由于仿人機器人系統(tǒng)的高階、強耦合及非線性，使得仿人機器人的運動學(xué)和動力學(xué)的精確求解非常困難，而且也沒有十分理想的理論或方法來求解逆運動學(xué)解析解。只有外加一些限制條件如能量消耗最小，峰值力矩最小來求解運動學(xué)和動力學(xué)的近似解。這往往導(dǎo)致了機器人的規(guī)劃運動與實際運動有較大的出入。所以，要得到理想的運動規(guī)劃，則必須在運動學(xué)和動力學(xué)的求解方法上有重要的突破?，F(xiàn)在有的學(xué)者提出了一些方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊邏輯、混沌學(xué)說等方法，這些方法和軟件允許在計算過程中出現(xiàn)不精確及部分精確的計算過程，而正是這些特點使得軟件計算能夠得到傳統(tǒng)計算方法所不能得到的魯棒性、易用性以及計算機的低耗費。隨著這些新的理論及方法的提出及應(yīng)用，以及計算機性能的不斷提高，為求解多自由度的高階、強耦合及非線性的機器人系統(tǒng)的運動學(xué)及動力學(xué)提供了一些新的、實用的方法。

3.3 驅(qū)動源的改進(jìn)

目前仿人機器人所用的驅(qū)動源主要有兩種：在線提供能源（如機器人在操作過程中配有有線電源），離線自帶電源（如在機器人體內(nèi)裝上電池作為驅(qū)動源）。當(dāng)然離線自帶電源比在線提供能源具有更大的能動空間。理想的能源應(yīng)該具有十分高的能量密度、耐高溫、耐腐蝕、可再生、及成本低等。但是現(xiàn)在的自配能源的容量有限，而機器人的關(guān)節(jié)眾多，所以如何改進(jìn)驅(qū)動源，使其體積小、重量小而又容量大，也是在仿人機器人的研制過程中必須解決的問題。

3.4 人體醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和仿生學(xué)的發(fā)展

仿人機器人，顧名思義就是要模仿人的某些技能，如雙腳直立行走，自主判斷，利用工具等。由于人體醫(yī)學(xué)和生物學(xué)發(fā)展速度的限制，目前醫(yī)學(xué)界和生物學(xué)界對人體和其他一些動物的工作機理了解得還不是十分透徹，如精確的人體運動學(xué)和動力學(xué)、人體大腦的工作機理。另外，仿人機器人不能僅僅限制在仿人上，還應(yīng)該模仿其他生物的一些的功能，如蝙蝠的聽覺、狗的嗅覺、蒼蠅的接近覺、蜻蜓的視覺等，但是由于仿生學(xué)科本身還沒有對這些動物的特異功能的產(chǎn)生機理精確“仿生”，所以將這些特異功能應(yīng)用于機器人還有相當(dāng)長的一段時間。相信在不遠(yuǎn)的將來，在人體醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和仿生學(xué)發(fā)展到一定的程度以后，仿人機器人就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是現(xiàn)在日本本田公司研制的“P3”與“ASIMO”水平，真正的“機器人”（而且許多功能為人類所不具有）將會出現(xiàn)。

3.5 傳感器技術(shù)的發(fā)展

仿人機器人中安裝了大量的傳感器，如力傳感器、力矩傳感器、陀螺儀、視覺傳感器、接近覺傳感器、聲學(xué)傳感器等多種傳感器。在機器人的自主辨識中，就是靠大量的傳感器收集來自機器人本身和外部環(huán)境的信息并加以簡單的處理，再送到機器人計算機分析系統(tǒng)，進(jìn)行計算、分析、比較并得出結(jié)果。機器人的控制從某種程度上來說，可以說是基于傳感器的控制。而目前市面上出售的傳感器尤其是國內(nèi)的，精度很不理想，而國外的精度高的價格又非常昂貴。而這些傳感器的精度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到人類或某些動物的“感覺”精度。

3.6 控制技術(shù)和集成技術(shù)的發(fā)展

仿人機器人的關(guān)節(jié)眾多，控制電路比較復(fù)雜，要實現(xiàn)其真正的擬人化，并擁有其他一些人類并不具有的功能，其控制電路就愈加復(fù)雜。如何尋找更為優(yōu)化的控制方案，優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)，也引起了越來越多的科研工作者的注意。另外一個解決方案就是利用大規(guī)模集成電路?，F(xiàn)在的集成電路生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)到了相當(dāng)高的水平。

3.7 智能技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展

仿人機器人真正意義上的仿人是在雙足行走和智能化。毫無疑問，人類是當(dāng)前世界上最智能化的生物。但要人類復(fù)制自己的智能到機器人身上可不是一個簡單的事情。要使機器人獲得足夠的智能必須依賴于智能技術(shù)的發(fā)展。而現(xiàn)在的智能實現(xiàn)方法就是通過編制軟件，再由計算機進(jìn)行計算。機器人接受人的指令產(chǎn)生相應(yīng)的操作；根據(jù)自己的學(xué)習(xí)完善自己的專家系統(tǒng)；自主辨別借助外界環(huán)境和工具，尋找解決方案。這些高度智能化的操作必需得有高度發(fā)展的智能技術(shù)及計算機軟件實現(xiàn)技術(shù)作為基礎(chǔ)。

3.8 良好的人機接口設(shè)計

人類研制仿人機器人的目的并不是完全取代人，而是為人類服務(wù)。就如日本本田公司的研究宗旨：“機器人應(yīng)該要與人類共存并合作，做人類做不到的事，開拓機動性的新領(lǐng)域，從而對人類社會產(chǎn)生附加價值?！痹谀壳埃瑥?fù)雜的仿人機器人緊緊依靠自主計算機來控制是有一定困難的，即使可以做到，也由于對外界環(huán)境的適應(yīng)能力的限制而不是很實用。也就是說，在目前相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，仿人機器人不應(yīng)該也不可能完全擺脫人的作用。因此由良好的人—機協(xié)調(diào)系統(tǒng)來控制仿人機器人在目前和以后的一段時間內(nèi)顯得比較實際。從低層次的一對一遙控技術(shù)到高層次的人機理解協(xié)調(diào)技術(shù)，包括了人工智能、傳感技術(shù)、計算機控制技術(shù)等技術(shù)的綜合。隨著這些技術(shù)的成熟，機器人將越來越多的取代人，將人類從低層次的干預(yù)中解放出來，進(jìn)行高層次的干預(yù)。人機接口也將變得越來越智能化。

3.9 網(wǎng)絡(luò)機器人技術(shù)和虛擬機器人技術(shù)

通過通信網(wǎng)絡(luò)將多個機器人連接到計算機網(wǎng)絡(luò)上，并通過網(wǎng)絡(luò)對機器人進(jìn)行有效的控制，這種技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)遙操作控制技術(shù)、信息組的壓縮和擴展技術(shù)以及傳輸技術(shù)等。在遙控作為一種主要手段控制機器人時，基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實、增強顯示（或臨場感）的虛擬遙控操作和人機交互，也是一項需要大力發(fā)展的技術(shù)。

3.10 良好的群體協(xié)作及與人類協(xié)作

人類除了擁有雙足直立行走、語言、情感等特異功能之外，還有一個與其他動物相比突出的特點就是能夠團(tuán)結(jié)合作，發(fā)揮群體智慧。將來高智慧的仿人機器人也應(yīng)該具有這種能力，它們互相之間應(yīng)該能夠團(tuán)結(jié)合作，像人一樣發(fā)揮群體智慧，并能夠主動與人類合作，協(xié)助人類在當(dāng)時環(huán)境下不能完成而自己卻能完成或合作能夠完成的工作。自然界中的人經(jīng)過一個漫長的“優(yōu)化”過程，成為萬物之主，經(jīng)過了數(shù)萬年進(jìn)化成步行生物，這是由于雙足行走最能適應(yīng)自然環(huán)境?？梢钥隙?，仿人機器人一定會有一個持續(xù)“優(yōu)化”和研制的前景。仿人機器人必然會有一個輝煌的明天。