【2018国家奖提名公示】仿人机器人关键技术及应用
该项目取得的成果得到国际同行高度肯定。发表SCI、EI论文120余篇，其中发表在国际机器人顶级期刊IEEET-RA上的仿人机器人运动规划论文SCI单篇他引255次，是该刊近15年来仿人机器人方向他引次数最高的论文。获IEEE-IROS等国际机器人会议8篇优秀论文奖和提名奖。项目第一完成人“因对仿人机器人设计和控制方面的贡献”当选IEEEFellow。
该项目申请国家发明专利61余项，其中已授权42项。从关键技术发明、核心部件研发到应用创新，形成了一整套技术成果，已在载人航天国家重大工程、国家公共安全等领域得到应用，在多家军民口企业实现了成果转化与应用，近3年创造经济效益超亿元，取得重大社会、经济效益。
客观评价
1.成果鉴定
2014年8月11日教育部主持的“仿人机器人的仿生控制技术及系统”成果鉴定会，鉴定委员会鉴定意见：“从仿生角度系统地研究了仿人机器人的仿生运动规划、控制及系统集成，攻克了核心技术”、“研制的仿人机器人在国内率先实现了独立行走，在国际上首次完成了刀术、太极拳等一系列高难度运动，被选为国家863计划重大科技成果，并作为标志性成果在国家高新区建设二十周年成就展展出，产生了良好的社会反响，部分技术在国家重大工程中得到应用”、“整体技术达到了国际先进水平，在复杂动态动作的仿生规划与传感反射控制技术方面处于国际领先水平”
2.项目验收意见
2012年8月6日863计划重点项目课题“仿人机器人移动作业协调关键技术和系统集成”的验收专家组意见评价：“实现了仿人机器人具有高度感知与运动能力的演示验证”、“实现部分核心器件替代进口；仿人机器人平台目前已经实现示范应用。小型高功率密度驱动器，实现了初步产业化”、“相关技术与系统对机器人技术的发展起到了引领和示范作用”。
3.同行评价
日本著名学者K.Kaneko等2005年发表在机器人顶级会议IEEE-IROS中的论文评价该项目的平衡控制方法：“所提出的动态步态实时调节平衡控制方法使仿人机器人能适应未知环境，保持稳定行走”。日本AIST的学者Y.Guan等2006年发表在机器人顶级期刊IEEET-RO上的论文评价该项目提出的规划方法：“解决了仿人机器人难以在不平整地面及存在障碍等复杂环境中行走的问题，使仿人机器人能适应不平整地面及障碍等复杂环境”。项目在机器人顶级期刊IEEET-RA上的“仿人机器人运动规划”论文，单篇SCI他引255次，是该刊近15年来发表的仿人机器人方向单篇SCI他用次数最多的论文。
4.国际学术影响力
项目第一完成人“因在仿人机器人设计和控制方面的贡献”当选2016年IEEEFellow，第18届IEEE-Humanoids国际学术会议大会总主席。项目获2005年IEEE-IROS、2007年IEEE-ROBIO、2004年ICIMA等国际学术会议优秀论文奖，获2010年IEEE-ICAL、2011年IEEE-ICMA、2014年IEEE-ICIA、2016IEEE-ARM年、2017IEEE-ARM优秀论文提名奖。黄强任IEEETrans.onRobotics（2004-2007）、AdvancedRobotics(2007-至今)、Intl.J.ofSocialRobotics（2013-至今）等国际著名期刊AssociateEditor。
推广应用情况
该项目在已成功应用于载人航天工程空间站大型机械臂、某型号舱内操作的人机系统。在山东帅克机械制造公司、华创机器人制造有限公司等企业实现成果转化与应用，创造经济效益超亿元。
主要知识产权证明目录
主要完成人情况
1.黄强，排名1，教授，工作单位：北京理工大学，完成单位：北京理工大学，是该项目主要负责人，对发明点1、2、3均有重要贡献，如发明了仿人机器人动作相似性评价方法、着地控制方法、姿态实时检测系统等。
2.余张国，排名2，副教授，工作单位：北京理工大学，完成单位：北京理工大学，对发明点1、2、3有重要贡献，如发明了仿人机器人身体姿态补偿方法、多模态运动转换方法等。
3.张伟民，排名3，副教授，工作单位：北京理工大学，完成单位：北京理工大学，对发明点1、2、3有重要贡献，如发明了仿人机器人防止机器人前后倾斜的运动规划方法、足部冲击吸收机构等。
4.高峻峣，排名4，副研究员，工作单位：北京理工大学，完成单位：北京理工大学，对发明点2、3有重要贡献，如发明了仿人机器人脚着地控制方法、变刚度关节等。
5.陈学超，排名5，讲师，工作单位：北京理工大学，完成单位：北京理工大学，对发明点2、3有重要贡献，如发明了仿人机器人ZMP自主标定方法、消除上身姿态晃动控制方法、不平整地面行走控制方法等。
6.汤承龙，排名6，高级技师，工作单位：山东帅克机械制造股份有限公司，完成单位：山东帅克机械制造股份有限公司，对发明点3有重要贡献，发明了机器人变刚度关节等。
完成人合作关系说明
本项目第一完成人黄强与其它主要完成人长期合作，共同承担国家自然基金、863计划等项目，获多项授权国家发明专利，并一起实现项目成果转化。
本项目第二完成人余张国、第三完成人张伟民、第五完成人陈学超曾分别在第一完成人黄强的指导下攻读学位。本项目前五完成人目前在同一单位工作，长期合作从事仿人机器人的研发工作，共同申请并获授权多项国家发明专利。
本项目前五完成人与第六完成人汤承龙从2010年起先后在机器人关节一体化设计与控制方面合作至今，共同获授权国家发明专利多项。返回搜狐，查看更多
智能仿生机器人技术研究
在我们的日常生活中，仿生学已经得到了非常广泛的应用。比如鸟巢的建造方式，是模仿鸟类的巢穴结构，以达到高强度的结构。还有众所周知的蝙蝠通过超声波产生雷达，飞蛾也可以产生干扰蝙蝠的超声波探测的声波，也是一个电子对抗的生物界的体现。仿生学的概念比较大，涉及到结构、拟态、力学、化学、整体仿生材料等。仿生机器人是仿生学与机器人领域应用需求的结合产物。从机器人的角度来看，仿生机器人则是机器人发展的高级阶段。
仿生机器人研究现状
接下来讲讲仿生机器人的研究现状。仿生机器人，通过应用环境的判别可分为地面仿生机器人，水下仿生机器人，还有空中仿生机器人。
地面仿人机器人
地面仿生机器人的种类有很多，根据运动形式的不同可以分为仿人机器人、多足机器人、蛇形机器人和跳跃机器人。
仿人机器人
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。它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。第一个仿生机器人诞生于日本的早稻田大学，2000年本田发布了ASIMO机器人。下面我们来重点介绍几款仿人机器人。
2015年，DRC组织的仿人机器人挑战赛上，获得冠军的是韩国的KAIST机器人，它在北京举办的国际机器人大会上也参展了。这款机器人身高1.6m，体重80kg，20kg负载，7自由机械臂。它还有个特点，比赛过程中大部分平坦地面，它是采用轮式结构，只有在崎岖地面上是采用双足步行。
还有日本本田研制的ASIMO机器人，ASIMO的定位是为家庭和办公场所提供服务，这款机器人在2000年发布，2011年有了较大改进，比如从速度上，将原来最高时速在2公里的步行速度提升到能够进行小跑，达到9公里每小时的速度。另外在环境辨识以及识别技术方面也有了很大进展，它还能够进行一些精细操作。
日本的川田HRP-IV仿人机器人，历经四代迭代研发，它的步行速度是每小时0到2公里。这款机器人有个特点，在推倒的过程中，它可以自动执行一个自我保护机制，以保护自己，避免在倒下的过程中使机械受到损伤。
下面是今年年初使BostonDynamics成为网红的一个视频，他们研制的ATLAS机器人。其实在2013年，ATLAS就已经发布了，DARPA挑战赛上有一部分选择的平台是ATLAS，这款平台在2013款基础上进行了优化，结构设定都进行了仿生，有3D打印技术。在野外环境下，它的适应性相当好，双足机器人稳定面特别小，在这种情况下，它的动态和步态调整需要响应速度特别高。ATLAS机器人和前面的仿生机器人不同，前面是电动伺服实现关节运动，ATLAS采用液压伺服，确实做得比较不错，视频中可以看到他们的研究人员在测试它，推倒不是关键，关键是可以自己撑起来又可以站起来，看起来容易做起来很难，对结构控制要求都很高。
还有我国北京理工大学研制的汇童机器人，汇童机器人也是黄强教授的杰作，代表国内仿生机器人的最高水平，多次上中央电视台打太极表演。
仿生多足机器人
仿生多足移动机器人的灵感来源于自然界的爬行生物。研究人员从狗、壁虎、螃蟹、蟑螂等爬行生物上获得灵感，进行结构模仿设计。和双足机器人相比，多足机器人在负载、稳定性、灵活性方面略胜一筹，可能足比较多，控制起来更为复杂。比较有代表性的就是BostonDynamics的大狗系列和大狗的衍生款。
大狗机器人在2008年发布视频的时候，也引起了一时轰动。在受到冲击的情况下，可以自动调整步态，恢复到相应的原始平衡。在此基础上Boston进行了研发，研发出LS3，是面向军方后勤保障的的四足机器人。这个机器人的特点是，它可以在山区的环境下，一次行驶32公里。但是在测试结束后，军方给出的结论是噪声太大，因为一公里之外就容易被敌方监测到，所以希望降低噪声，这也是Bostondynamics正在解决的问题。
Bostondynamics公司做的另一款，世界上腿式机器人奔跑速度最快的机器人，号称猎豹，它的衍生款叫野猫。这款机器人在地面奔跑的时候可以快速启动，急速转弯，并且能够急速制动，运动性能非常好，最快奔跑速度可以达到64公里。
下图是一款RHEX仿蟋蟀六足机器人，它的优势是在崎岖地形或在河滩淤泥众多的情况下，也具有相应的行进能力。一般崎岖地面，双足机器人容易深陷进去，丧失行动能力，而这种机器人在河滩也具有两栖登陆能力。它的重量在12.4公斤左右，持续工作时间可以达到6小时，也不用感知，而是直接奔过去就行了。这款机器人，其结构、控制系统、硬件系统和软件系统可靠性非常高，做了大量测试。
2007年，瑞士科学家发布了一款salamander机器人，这款机器人是一个两栖的机器人平台。在水中通过身体的摇摆来进行仿生的推进，在地面上可以实现伺服的爬行方式。它们依托于机器人平台进行CPG的研究，中枢模式发生器的研究，这是仿生的神经原的控制策略，具有良好的效率和控制方式。这款机器人也是由九个关节组成，每个关节有两个自由度，全长约0.9米左右。
跳跃机器人
跳跃机器人模仿如青蛙、袋鼠、跳蚤、蝗虫等具有跳跃能力生物的形体结构和运动机理，设计与生物相似的跳跃机器人。近代仿生跳跃机器人的研究开始于1984年美国进行的仿生弹跳机构及仿生跳跃机器人的探索。
德国FESTO公司研制了一款BionicKangaroo机器人。它的仿生平台是基于气动驱动原理实现的。这款袋鼠机器人通过尾部来调整起跳和落地，还有跳跃过程中的自带调整。一次跳跃高度可以达到40厘米，距离达到0.8米，总重才7公斤左右，高度是一米。
蛇形机器人
蛇形机器人应用非常广泛。仿蛇形机器人由于其细长的形体结构以及独特的运动方式，能够跨越窄沟和进入空洞，具有很强的环境适应性和地面运动稳定性，能在人类难以到达的未知环境中工作，因此可被广泛应用到科学探险，救灾抢险、生命搜寻等多个领域。首款蛇形机器人是日本东京大学研发的ACM机器人，现在已经具备两栖能力。另外典型的还有卡内基梅隆大学研制的一个机器蛇，总长在2米左右，总共有16个关节。这款机器人比机器蛇有优势的地方在于，它同时具备内翻爬和外翻爬的能力，机动性非常好。
水下仿生机器人
水下仿生机器人又叫“机器鱼”，作为一个水下高技术仪器设备的集成体，它是模仿鱼类的推进方式来实现水中的推进，这种仿生推进方式具有高效、机动、低噪的特点，在军事、民用、科研等领域体现出广阔的应用前景和巨大潜在价值。
1）高效性
鱼类游动的推进效率高达90%以上，这使得鱼类能够在力量有限、能量消耗相对较少的情况下达到相当的速度并具有持久的耐力，而当前螺旋桨船舶的推进总效率不超过60%。
2）机动性
主要表现在两点：加速特性和转向特性。鱼类运动不像当前的螺旋桨推进方式，推进与转弯分离，鱼类通过胸鳍和尾鳍有机配合，实现推进与转弯的有机统一，但在当前的螺旋桨推进方式下的舰艇在高速行驶时需要很大的转向半径。
3）低噪性
螺旋桨在高速旋转时会产生过多不需要的紊流、非定常的涡流和热量，还会伴随产生大量的空泡噪音、扰动噪音。而鱼类的游动方式摆动频率低、柔性好，能最大限度地降低其它不必要的能量损失，充分利用并控制涡流，不产生漩涡尾迹，有利于隐身和突防，具有重要的军事价值。
2005年，英国艾克塞斯大学发布了一款仿生机器鱼，这款机器鱼采用BCF推进方式，对鱼类的外形运动形式方面进行了非常逼真的模仿，当时发布的时候是用于观赏，后来也用它在泰晤士河进行水质检测实验。
空中仿生机器人
空中仿生机器人具有体积小、运动灵活等特点，从最初的简单模仿昆虫鸟类的运动阶段发展到当前无论是结构材料还是运动方式都与飞行生物更接近的材料结构一体化阶段。
美国一家公司曾发布了纳米蜂鸟的机器人，整个结构才16厘米，飞行速度可达到每秒10米，不过飞行持续时间比较短，最多能飞8分钟，可抵抗每秒2.5米的风力。飞行机器人的优点在于机动性比较好，效率也比较高，但是飞行持续时间比较短，是制约它应用的一个很大问题。
美国哈佛大学2012年做了一款机器苍蝇，重量才80毫克，高度仅2.4毫米，翼展3厘米。整个机器蜂在飞行中的功耗才达到19毫瓦，与现实中苍蝇功率消耗是基本相当的。
另外还有FESTO做的一款仿海鸥的机器鸟，在2010年发布，飞行速度可以达到鸟类的飞行速度，自重450克，翼展1.96米，采用的是气动驱动方式。
仿生机器人关键技术
接下来我想总结一下仿生机器人所运用的一些关键技术。
首先是生物机理准确建模和分析。生物体是一个非常复杂的系统，其每一个运动功能都由骨骼、肌肉、神经系统等多因素作用，模型过于简单导致样机与实际生物性能差距较大。通过对生物机理研究，可以揭示生物自身的功能特性，为仿生机器人的研究提供依据，而研究的关键是如何准确地对生物运动机理进行建模。
第二点，是仿生机构和驱动方式。仿生机器人的整体结构应能够近似再现被模仿对象的结构特点，从而更好的模拟生物的运动功能。但在现有的研究中，无论是运动机构设计还是驱动方式都与生物的形态存在较大差异。
第三点是高性能仿生材料应用技术。仿生材料具有最合理的宏观、微观结构，并且具有自适应性和自愈合能力。在比强度、比刚度与韧性等综合性能上都是最佳的。常见的生物结构一般都是刚柔混合的，肌肉是柔性的，内部支撑架是刚性的。但在现实中，仿生机器人材料大多采用钢、铝、塑料等常规材料，无论刚度、柔性、韧性以及减阻性与生物自身差距很大，使得仿生机器人性能降低。所以，高性能仿生材料是需要我们重点研究的。
第四点是仿生感知与控制。生物控制系统是仿生机器人研究的重要目标之一，生物对自身协调运动控制的能力是一般的机电控制系统无法比拟的。目前的仿生机器人多采用传统的控制方法，这使得仿生机器人对复杂环境的适应能力不足，无法真正模拟生物实现精确的定位和灵活的运动控制。如何设计核心控制模块与网络以完成自适应、群控制、类进化等一系列问题，已经成为仿生机器人研发过程中的首要问题。
仿人机器人研究进展
这一部分为大家介绍一下我们公司，以及近两年我们在仿人机器人方面的研究进展。
航天科工智能机器人有限公司隶属于中国航天科工集团，位于北京丰台云岗，整个公司现在由一个研发中心，两个事业部，还有综合管理部和生产部组成，在深圳和厦门拥有两个子公司。公司的主营业务方向是智能制造、特种服务机器人、无人作战平台和核心零部件。我们的系统产品主要有面向电子行业的灵巧型工业机器人，还有并联机械手、双臂工业机器人。另外还做了一些移动机器人平台，主要针对排爆等危险场合以及进行管道探测任务。在核心部件方面，利用航天在伺服方面的优势，做了一些产品研发，包括直流伺服驱动器等等。
仿人机器人在军事应用方面的优势主要体现在三点，即复杂环境的适应性，工具、载具通用性和作战协同性。环境的适应性指可以在复杂的城市作战和山地作战具有良好的适应能力，普通的轮式机器人很难达到这种机动性，而仿人机器人在这方面就具备良好优势。工具和载具通用性方面，仿人机器人与人类的操作方式是比较接近的，操作能力差距不大。在作战协同性方面，主要是遥操作和有人-无人协同。
鉴于这些优势，我们想研发一款基于液压伺服仿人机器人原理的产品，设计目标：高度在1米65到1米85之间，自重小于150公斤，步行速度在平坦地面可以达到大于每小时2公里，负重大于10公斤，33个自由度，采用液压驱动方式，现阶段还是集中能源供给，应用背景是用于消防、救灾和军事。
我们进行了一些主要工作，首先是高强度、轻巧型、抗冲击仿人机器人机构设计技术。根据仿生学原理，同时参照男性人类的结构尺寸进行配置，并且在保证最大的运动灵活性的前提下进行简化，机器人主要由头部、颈部、躯干、四肢、手部以及脚部组成，共有自由度33个，通过电液伺服驱动单元实现其关节的运动。
另外进行大负载一体化数字电液伺服驱动关节技术的研究。高性能仿人军用机器人拟采用电液伺服关节来模仿人的肌肉功能，实现关节的运动。而在人体空间范围内布置多达30多个电液伺服关节，需要提高电液伺服关节的功率密度，减小其重量和体积，如何实现在保证驱动单元输出功率的基础上，保证其小型化、轻量化是关键技术之一。除此之外，还进行了高速实时控制系统和准静态步态规划的研究。
仿生机器人前景广阔，但仍需开拓思路，做好长期投入、持续研究的准备
最后来总结一下。目前来看，整个仿生机器人的发展前景广阔，自然界的生物在35亿年的物竞天择中，表现出了完美的生物合理性和对自然环境的高度适应性，这为机器人的研究发展提供了新思路、新方法，使得机器人这一学科突破了原有技术的束缚，借大自然之手开辟出仿生机器人这一新的发展道路。我们要做好长期投入、持续研究的准备。仿生机器人尤其是仿人机器人的研究需要多个专业、大量经费、长时间投入，短期内难以实现低成本民用市场规模，GOOGLE卖掉了BostonDynamics也是基于此原因。另外，还需要开拓思路，在未来的发展中，应逐步摒弃传统的机器人研究方法，利用多学科优势并从生物性能出发，使得仿生机器人向着结构与生物材料一体化的类生命系统发展。
李楠，男，1983年11月生，现任航天科工智能机器人有限责任公司研发中心副主任。主要从事移动机器人、仿生机器人以及工业机械臂方向。先后参加包括国家自然科学基金面上项目、国家863项目等国家级项目4项；主要负责北京市科技计划课题、航天科工集团重大自主创新等部级项目2项；在机械工程学报、ICRA、IROS等核心期刊与国际顶级会议发表论文6篇，均为EI检索。申请发明专利4项。
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