1.1.2 人形机器人历史

第一个真正意义上的人形机器人出现于1973年，当时日本早稻田大学的加藤一郎实验室研发出了WABOT-1。WABOT-1是一个双臂机器人，通过视觉识别物体，通过听觉和使用人工嘴与人类交流，用具有触觉的手操纵物体，用两条腿行走（尽管很慢）。该机器人具有划时代的意义，因为它拥有人形机器人的所有构成要素。后来，早稻田大学还研发出了WABOT-2，一种弹钢琴的机器人，并在1985年的筑波科学博览会上向公众展示。图1.1显示了WABOT-1和WABOT-2的外观（源于文献[133]）。

图1.1 早稻田大学的人形机器人

（图片来源：早稻田大学仿人研究所）

引发人形机器人研究和开发热潮的是本田技术研究所（以下简称“本田技研”）于1996年研发的P2人形机器人。本田技研自1986年以来一直在进行人形机器人的研究和开发，于1996年研发出了P2人形机器人，该机器人高180cm，重210kg。P2是世界上第一个在体内装有计算机和电池的自主机器人，具有高度可靠的双足行走能力。1997年，本田技研推出了身高160cm、重130kg的P3人形机器人。2000年，本田技研又推出身高120cm、体重43kg的ASIMO人形机器人。P2、P3和ASIMO的外形如图1.2所示。

图1.2 本田技研的人形机器人

（图片来源：本田技研）

在P2出现之前，人们普遍认为，要研发一个能够稳定地用双足行走的自主人形机器人，在技术上是很困难的。因此P2的出现令人震撼。那么，与当时之前的机器人相比，P2有哪些改进？

首先是硬件方面的改变。早期在大学实验室开发的人形机器人大多是由学生手工制作或在小工厂制造的，连杆都是机械加工的，刚性很低，而且减速机构经常使用具有较大反向间隙的重型行星齿轮。相比之下，本田技研的双足机器人使用的是合金铸造的连杆。这种连杆具有较高的三维刚度，并且相对较轻。减速机构也使用低反冲的谐波驱动。在此之前，谐波驱动已经被用于体形相对较小的双足机器人，但它还没有被用于与人类同样大小的人形机器人。在设计方面，本田技研使用了最新的CAD，进行了详细的三维应力分析，从而使P2具有高刚性的结构。此后，上述采用谐波驱动的高刚性连接和减速机构已成为人形机器人的标准配置。

其次是传感器的升级。即使设定的行走模式是稳定的，机器人的运动也会受到各种干扰。为了减少干扰，基于传感器信息的反馈控制被用于稳定步态。早期的人形机器人没有配备足够的传感器。然而，本田技研采用了加速度计和陀螺仪的组合，以此检测机器人的姿态。P2的脚部配备了六轴力觉传感器，以检测地面反作用力和力矩。此前，传统的力传感器已被用于机器人的手腕和身体的其他部分。但是没有任何传感器能够承受双足机器人行走时的地面冲击。本田技研则开发了适用于双足机器人的定制六轴力传感器。此后，人形机器人的标准配置是采用加速度计和陀螺仪来检测机器人的姿态，以及一个多轴力传感器来检测地面反作用力和力矩。

最后是机器人脚部结构的改进。因为机器人整体的刚性机构与地面碰撞时产生的冲击力大到足以阻止其行走，所以，为了实现稳定的双足行走，有必要抑制机器人摆动的脚落地时的地面冲击力对其造成的干扰。然而，如上所述，双足机器人必须具有较高的整体刚性，所以不可能引入低刚性的结构。随着机器人行走速度的增加，地面冲击力也会增加。因此，为机器人脚部配备弹簧减震器等减震装置是一个可行的方法。本田技研在为机器人配备减震装置的同时，选择了合适的刚性，既能满足结构的需要，也能减小机器人行走时的地面冲击力。