《仿人服务机器人发展与研究现状》学术综述报告

作者信息与出版概况

本文由颜云辉、徐靖、陆志国、宋克臣和柳博航共同撰写，作者均来自东北大学机械工程与自动化学院（School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University）。该文章发表于《中国机器人（机器人）》期刊，第39卷第4期，出版日期为2017年7月，论文编号为10.13973/j.cnki.robot.2017.0551。

文章主要回顾了国内外仿人服务机器人的研究进展，重点分析了本体结构与系统、驱动与控制技术、信息感知与交互等关键领域的研究现状，提出了尚需解决的问题并展望了未来发展趋势。其核心目的是为该领域的研究者提供一个全面的现状综述和未来方向的参考。

学术背景与研究目的

仿人服务机器人是一种集机械、智能控制、生物医学、多传感技术等多学科交叉的智能化装备，主要用于非结构化环境下为人类提供必要服务。因其技术复杂度高、附加值大，在家庭服务、娱乐、医疗、灾难救援等多个领域具有广阔前景，并已成为衡量国家机器人技术发展水平的重要标志。

仿人服务机器人的研究起步于20世纪60年代末，其开发源于学术界对仿人行为模式和仿人机构设计的浓厚兴趣。过去几十年间，美国、日本、欧洲及韩国等国家通过联合研究计划和国家级战略支持，大大推动了仿人机器人技术的发展。例如，美国的“National Robotics Initiative”（国家机器人计划）及日本的“服务机器人安全技术开发计划”等。中国方面，《中国制造2025》明确将服务机器人列为十大重点发展领域之一，强调突破核心零部件及关键技术的技术瓶颈。

本文综述了仿人服务机器人领域的技术进展，从技术框架、典型机器人案例与应用现状等方面分析行业趋势与研究前沿，并提出了当前存在的技术瓶颈与未来研究方向。

本文主要观点与关键领域解析

文章从三个核心技术领域进行综述与深入讨论：

1. 仿人服务机器人的本体结构与系统

1.1 仿人多指灵巧手

• 灵巧手是仿人服务机器人实现复杂机械操作和精准抓取的主要部件。
• 配备灵巧手的机器人相比传统末端操作器，具有更强的通用性、更高的抓取精度和感知能力。文章列举了典型的传动机构设计（如线绳传动和齿轮传动等）并分析其优劣。
• 针对灵巧手反向驱动性的重要性，文章引述了一个创新设计案例“CEA仿人灵巧手”，并解释其电机-丝杠-反向驱动传动机制如何通过电流测算力矩，显著提升紧凑性与控制精度。

1.2 柔性机械臂

• 提升机器人在人机交互中的安全性和灵活性的关键是柔性机械臂。
• 文中提到，通过将弹性元件集成至机械臂关节，例如轻量级SEA（串联弹性驱动）关节设计来实现较优异的容错能力与灵活性，同时降低能耗。
• 举例分析DLR研制的“Hasy机械手臂”的柔性设计及变刚度机制，该方案通过小臂内电机的紧密集成和水冷散热技术达到了高智能拟人化效果。

1.3 柔性可控双足下肢

• 论文特别强调了刚柔混合机构设计的双足下肢在提高机器人步态稳定性和自适应性的表现，例如COMAN机器人通过SEA关节吸收地拒力以实现稳定移动。

1.4 系统集成

• 作者详细介绍了HRP系列机器人的迭代与多功能应用场景，例如双足步态优化、雨天防护及复杂任务履行能力。
• 另一亮点研究是东京大学开发的Kengoro机器人，采用了创新性的“类人类排汗降温”散热方式，通过多孔铝合金框架有效提升了机器人承载与运动能力。

2. 驱动与控制技术

仿人服务机器人的高精尖特点离不开其精密的动力学与控制技术。文章主要分析以下几种关键驱动方案的研究进展：

2.1 电驱动控制技术

• 以北京理工大学的汇童系列和哈尔滨工业大学的Gorobot系列为例，作者着重展示了伺服电机-谐波减速联合驱动技术如何支持多自由度机器人在实际作业场景中的表现。

2.2 液压驱动控制技术

• Boston Dynamics公司的Atlas机器人作为代表，其液压驱动下的强大越野适应能力与动态平衡控制成为液压驱动的经典案例。

2.3 特种驱动控制技术

• 仿生驱动（如电机-绳索-弹性元件）与生物肌腱设计提升了柔性与节能效能。例如，日本开发的Kenshiro机器人采用“平面肌肉”技术，结合聚氨酯缓冲材料改善动作的柔顺性。

3. 信息感知与人机交互

3.1 视觉感知

• 视觉感知作为服务机器人的主要外界信息来源，其重要性体现在非结构化环境的建模与动态物体抓取。
• 比如，美国Willow Garage和斯坦福大学联合开发的PR2机器人通过视觉-触觉结合执行复杂任务（如进冰箱取物）成为经典研究案例。

3.2 多传感器融合

• 作者分析了力觉、触觉与视觉伺服的融合关键技术，并强调多模态信息结合在非结构环境下实现精准控制的必要性。

3.3 人机共存与互动

• 仿人服务机器人必须具备安全稳定的人机交互技术，例如通过表情、语音或手机APP进行控制。
• 文中列举了Pepper机器人识别人类情绪的能力及HRP救援机器人的远程操作界面，以支撑其场景应用的多样性。

文章价值与意义

本文提出的如下学术贡献值得关注： 1. 综合性视角：文章覆盖了从理论基础到实际应用的技术链条。 2. 案例支持充足：文中翔实分析国内外数十种技术经典案例及机器人平台，内容丰富。 3. 前瞻性展望：提出仿生材料、智能感知、人机共存安全及云计算技术将是未来发展的重要方向。

未来方向展望

作者认为，人工智能的快速发展及其在机器人领域中的深度应用将进一步推动仿人服务机器人迈向智能化、模块化与网络化。特别是在仿生材料、多模态感知和柔顺控制领域的技术突破，将助力服务机器人更加高效与安全地融入人类社会。

总结

《仿人服务机器人发展与研究现状》一文对仿人服务机器人的核心技术与应用发展趋势进行了详尽而深入的综述。它不仅展示了国际前沿的技术进展，同时指出了制约发展的瓶颈问题，为机器人研究学者及工程师进一步探索提供了具有启发性的理论与实践指南。这篇综述具有极高的参考价值，是理解仿人服务机器人领域全貌的重要资料。