1.1.2 人形機器人歷史

第一個真正意義上的人形機器人出現于1973年，當時日本早稻田大學的加藤一郎實驗室研發出了WABOT-1。WABOT-1是一個雙臂機器人，通過視覺識別物體，通過聽覺和使用人工嘴與人類交流，用具有觸覺的手操縱物體，用兩條腿行走（盡管很慢）。該機器人具有劃時代的意義，因為它擁有人形機器人的所有構成要素。后來，早稻田大學還研發出了WABOT-2，一種彈鋼琴的機器人，并在1985年的筑波科學博覽會上向公眾展示。圖1.1顯示了WABOT-1和WABOT-2的外觀（源于文獻[133]）。

圖1.1 早稻田大學的人形機器人

（圖片來源：早稻田大學仿人研究所）

引發人形機器人研究和開發熱潮的是本田技術研究所（以下簡稱“本田技研”）于1996年研發的P2人形機器人。本田技研自1986年以來一直在進行人形機器人的研究和開發，于1996年研發出了P2人形機器人，該機器人高180cm，重210kg。P2是世界上第一個在體內裝有計算機和電池的自主機器人，具有高度可靠的雙足行走能力。1997年，本田技研推出了身高160cm、重130kg的P3人形機器人。2000年，本田技研又推出身高120cm、體重43kg的ASIMO人形機器人。P2、P3和ASIMO的外形如圖1.2所示。

圖1.2 本田技研的人形機器人

（圖片來源：本田技研）

在P2出現之前，人們普遍認為，要研發一個能夠穩定地用雙足行走的自主人形機器人，在技術上是很困難的。因此P2的出現令人震撼。那么，與當時之前的機器人相比，P2有哪些改進？

首先是硬件方面的改變。早期在大學實驗室開發的人形機器人大多是由學生手工制作或在小工廠制造的，連桿都是機械加工的，剛性很低，而且減速機構經常使用具有較大反向間隙的重型行星齒輪。相比之下，本田技研的雙足機器人使用的是合金鑄造的連桿。這種連桿具有較高的三維剛度，并且相對較輕。減速機構也使用低反沖的諧波驅動。在此之前，諧波驅動已經被用于體形相對較小的雙足機器人，但它還沒有被用于與人類同樣大小的人形機器人。在設計方面，本田技研使用了最新的CAD，進行了詳細的三維應力分析，從而使P2具有高剛性的結構。此后，上述采用諧波驅動的高剛性連接和減速機構已成為人形機器人的標準配置。

其次是傳感器的升級。即使設定的行走模式是穩定的，機器人的運動也會受到各種干擾。為了減少干擾，基于傳感器信息的反饋控制被用于穩定步態。早期的人形機器人沒有配備足夠的傳感器。然而，本田技研采用了加速度計和陀螺儀的組合，以此檢測機器人的姿態。P2的腳部配備了六軸力覺傳感器，以檢測地面反作用力和力矩。此前，傳統的力傳感器已被用于機器人的手腕和身體的其他部分。但是沒有任何傳感器能夠承受雙足機器人行走時的地面沖擊。本田技研則開發了適用于雙足機器人的定制六軸力傳感器。此后，人形機器人的標準配置是采用加速度計和陀螺儀來檢測機器人的姿態，以及一個多軸力傳感器來檢測地面反作用力和力矩。

最后是機器人腳部結構的改進。因為機器人整體的剛性機構與地面碰撞時產生的沖擊力大到足以阻止其行走，所以，為了實現穩定的雙足行走，有必要抑制機器人擺動的腳落地時的地面沖擊力對其造成的干擾。然而，如上所述，雙足機器人必須具有較高的整體剛性，所以不可能引入低剛性的結構。隨著機器人行走速度的增加，地面沖擊力也會增加。因此，為機器人腳部配備彈簧減震器等減震裝置是一個可行的方法。本田技研在為機器人配備減震裝置的同時，選擇了合適的剛性，既能滿足結構的需要，也能減小機器人行走時的地面沖擊力。