模仿人类行走机器人的创新进展
1．模仿人类行走机器人的新成果
⑴研制出能以人类步伐直立行走的机器人。
2005年2月，美国康奈尔大学、麻省理工学院和荷兰德尔福特大学各自组成研究小组，分别研制出能以人类步伐直立行走的新型机器人。他们同时在第171届美国科学促进会的年会上展示。
这3所大学研制的机器人，都基于同样的原理：无源动力学设计。他们对一种“无源动力学步行者”研究了多年，这种“步行者”就像18世纪制成的“简单步行玩具”一样，能在缓坡上步行。康奈尔大学理论和应用力学教授卢伊纳，对这种机器人进行更深入研究后，开发出具有双脚和关节的机器人。麻省理工学院开发的机器人，是向踝节部提供动力使其行走，当前脚到达地面时，微芯片控制器会告诉后脚开始“迈步”，在每条腿向前摆动期间，一台小马达拉伸弹簧提供推力。此外，麻省理工学院研发的机器人还具备学习功能，使机器人能“教”自己行走。德尔福特大学机器人则采用了气动推力。
卢伊纳教授表示，他们开发的机器人，在单位重量和行走距离上耗用的能量，与人步行相当，效能比其他机器人高10倍。据估计，日本本田公司的阿西莫机器人耗用的能量，至少比人大10倍，而麻省理工学院和德尔福特大学研发的机器人，比阿西莫机器人耗能少得多。更重要的是，他们开发的机器人走路的步态更像真人，因此，能更有效地支配能量，能量消耗也明显减少。该项研究，有助更好地理解人类步行和运动的机制，将能为截肢患者设计出更好的义肢。
⑵研制出可以模仿人类上下自如行走的机器人。
2005年5月美国媒体报道，美国密西根大学杰西·格里兹尔教授主持，他的同事及法国研究人员一起参加的研究小组，经过6年的不懈努力，终于研制出可以模仿人类行走的高科技机器人，该机器人名为“兔子”。这是世界机器人史上第一个可以模仿人类行走的机器人。2004年末，“兔子”成功完成了爬上六级台阶的试验。在过去的18个月里，“兔子”一直行走自如。
格里兹尔为“兔子”制造了管理控制器。他说，输入到此机器人中有关控制平衡的程序在医学领域也十分有用，通过它可以帮助病人更快地恢复行走能力。
格里兹尔说，目前，世界上所有两条腿走路的机器人，或多或少都存在投机取巧的成份，他们通常都有扁平的大足和奇异的行走姿态。直到“兔子”的问世，科学家们才真正制造出一个通过广泛试验，经历无数挫折而获得成功的双足机器人。以往的机器人都采用宽大的足来避免摔倒，他们内部管理控制系统的程序，很少真正包含控制行走姿态和保持行走平衡的功能。如果让他们进行复杂的运动，比如踩高跷或者踮起脚走路，唯一的可能就是狠狠的摔倒。
“兔子”根本没有宽大的脚。它的脚部只有一个小小的支撑点，这就是说当它行走的时候，触地面积总共也只有两小点。这时，设计机器人的研究人员，就必须充分考虑到各种可能发生的情况。一个没有大脚的机器人，是不可能投机取巧的。
格里兹尔表示，简单地说，机器人的行走可以归纳为两个数学模型。首先研究人员必须充分了解有关人类行走的动力和平衡学，然后把他们总结为机器人可以接受的数学模型，最后通过不断的试验以改进控制算法，找到机器人适用的行走姿态。
格里兹尔说，他们通过系统分析，找到一种有效减少试验次数的方法。医生可以把这种方法推广到病人身上。医生可以根据病人的身高、体重、腿长等等帮助病人，更快的恢复行走能力。现在通常的办法，则是由病人自己找到适合的恢复办法。这目前还只是一种设想，但它已经有了理论依据作为指导。此项研究，同时可以推动包括处理危险情况的专用机器人在内许多领域的发展。
该研究也是法国“机器人技术与人工实体计划”计划的一部分，该计划包括7个实验室和许多研究力学、机器人学和控制理论学的研究人员。
这项研究始于1998年。当时格里兹尔在斯特拉斯堡遇到法国计划主要研究人员后决定开展此研究。格里兹尔擅长控制理论的研究，他把许多新的技术传授给了法国计划的研究人员。
⑶推出使用燃料电池的双足行走机器人。
2005年7月，日本东京的斯毕四斯公司宣布，开发成功用燃料电池驱动的，双足行走机器人“斯毕四斯-FC”。在以燃料电池为驱动能源的双足行走机器人中，创下了关节数量最多的纪录。它的关节有19个、身高50厘米、重4.2公斤。
所用燃料电池为高分子固体电解质型燃料电池（PEFC）。由日本爱知县安城市的燃料电池公司开发，额定功率为25W（9.6V）、额定电流为3A、峰值电流为5A。贮氢罐采用容量16L的氢吸附合金压力罐，可连续工作约30分钟。耗氢量方面，额定输出功率下2分钟约1L，但如果连续使用，就会因压力罐温度降低而难以产生氢气，所以在氢气耗尽之前，不能连续使用。
燃料电池用于机器人时，最让斯毕四斯公司头疼的就是如何应对负荷的变化。也就是说，当负荷加大时，燃料电池的电压变化就会很大。而且，不擅长提供瞬间大电流。另一方面，尽管“斯毕四斯-FC”的平均消耗电流只有4～5A，不过在单脚站立或屈伸膝盖时却需要10A的大电流。因此，就需要很好地调整这两方面的矛盾。
于是，为解决这一问题，斯毕四斯公司与燃料电池公司合作，采取了如下对策：用改变串连电池单元个数的两种燃料电池组（主电池组和副电池组），以及镍氢充电电池。据悉，副电池组的电池单元个数要多于主电池组，通过并联4个主电池组、1个副电池组及1个镍氢充电电池，来应对负荷变化。这样一来，当负荷比平时略有增大时，副电池组就会提供电流不足的部分，如果负荷进一步增大，镍氢充电电池就会弥补再次出现的电流供应缺口。
研究人员介绍说，压力罐位于机器人的头颈部，主电池组在两肩分别各有两个，而副电池组和镍氢充电电池则配备在背部。重量方面，镍氢充电电池为33克，主、副燃料电池组均为105克左右，压力罐在充满氢气时大约为330克。如果配合使用调压阀和调压器，整个燃料电池系统的重量就会达到约900克，因此，该机器人省去手腕旋转机构等装置，从而达到减轻重量的目的。
⑷开始研制可正常奔跑的机器人。
德国《南德意志报》2005年9月4日报道，海德堡大学科学家莫里茨·蒂尔领导的研究小组近日表示，他们正在研制可以正常奔跑的机器人。
在这项研究工作中，他们将首先研制带有视觉功能的计算机大脑。蒂尔研究小组希望，首先能够制造出保持自我平衡的机器人。为此，他们将研究人类大脑怎样将肌肉及神经原发送的信息，进行加工并在瞬间做出正确的判断。
报道说，目前研制出的机器人，都会在开始奔跑数步之后跌倒，最先进的技术也只能令机器人连续奔跑6步，因为他们身体上任何的细微运动错误，都会造成身体晃动。蒂尔指出，如果能成功研制出可以保持自我平衡的机器人，那么就可以实现机器人的野外行走，同时机器人也会有更多的用途，比如参与山区救援，抢救被埋的遇难人员，以及扑灭化工厂的火灾等等。
⑸研制出全球速度最快的双腿机器人。
2006年4月10日，《新科学家》杂志报道，一个由苏格兰格拉斯哥大学和斯特灵大学科学家组成的联合研究小组，以简单的反射作用原理，研制成功全球跑步最快的双腿机器人，每秒能跑3.5个腿长单位(速度除以腿长)，相当于奥运短跑健儿的速度。据悉，此前行进速度最快的机器人，是由美国麻省理工学院研制的“弹性火烈鸟”。不过，“弹性火烈鸟”的每秒钟前进的速度，只有其腿长的1.4倍。
研究人员介绍说，这个会走又会跑的机器人名叫“RunBot”，有30厘米高。它由一套并不十分复杂的程序控制，其身上安装的计算机，就好像人体和动物体内，负责肌体反射活动的那部分神经系统。与其他大部分双腿机器人大量使用电子元器件不同的是，它最大限度地降低了传感器的用量。目前，配备的传感器，只在它腿部接触地面和双腿前移时，两种情况下发挥作用。此外，它还装有两个摄像头，能够帮助其分辨所处的位置。
对于研究脊椎受损病人的研究人员来说，理解人类行走原理非常重要。专家指出，该机器人挑战这么一种传统观点，即以为行走需要中央韵律产生器来告诉双腿何时抬起，何时跨步，就好像心脏起搏器一样。而它利用反射作用，当一只脚接触地面时，另一只脚就会自动抬起，依此类推。而且在上下坡时，它还会调整速度，行走状态非常自然，好像人类一样。
研究小组花3年时间研制成功RunBot， 这个例子说明，简单的反射作用不仅能够进行复杂的运动，还能够带动机器人的学习性，改善其行走行为。
⑹研制出像真人一样双腿直立行走的机器人。
2009年10月，美国媒体报道，曾研制出大狗机器人的波士顿动力公司，又有新发明，他们研制出一种像真人一样四处活动的机器人。该公司正在制造名叫“Petman”的仿人机器人原型，用来检验防护服的性能。
Petman的职能是为美军实验防护服装。与先前机器人不同的是，它无需外部支持就能站立、行走，因为它有“双腿”。波士顿动力公司承诺说：“Petman能维持平衡，灵活行动。行走、匍匐、以及应对有毒物质的一系列动，作对它来说都不成问题。它还能调控自身的体温、湿度和排汗量，来模拟人类生理学中的自我保护功能，从而达到最佳的测试效果。”
此前波士顿动力公司，曾经为美军研制出大狗机器人，这种样子怪怪的四足机器人仿佛一只“骡子”。据悉，大狗机器人，能在战场上发挥非常重要的作用：在交通不便的地区为士兵运送弹药、食物和其他物品。它不但能够行走和奔跑，而且还可跨越一定高度的障碍物。该机器人的动力，来自一部带有液压系统的汽油发动机。
与大狗机器人一样，Petman即使受到冲撞也能保持直立。它的行进速度，能达到每小时5.1公里，几乎和有血有肉的真人无异。它是许多机器人制造公司，努力打造的双足仿真机器人之一，不过迄今还没有研制出非常接近真人的机器人。
2．开发模仿人类行走的机器人腿设备
⑴制成会弹跳的机器人腿设备。
2005年06月27日，《日本经济新闻》报道，日本冲电气公司研究人员，模仿生物肌肉的功能，制成会弹跳的机器人腿设备。
这种新型机器人腿长54厘米，宽8厘米，厚度与宽度差不多，弯曲膝盖后可以跳起来，离地高度为3.1厘米。这种机器人腿模仿人类的生物关节和肌肉功能，由弹簧和微型发动机制成，安装在机器人身上，无需复杂的控制系统。
据介绍，此前会跳的机器人，需要安装计算机计算庞大的数据，才能控制好弹跳的姿势。冲电器公司开发的仿生机器人腿则更为简单实用。
⑵研制能够模拟人类走路步态的机器人腿设备。
2012年7月，最近，美国亚利桑那大学特丽莎·克莱因等人组成的研究小组，在《神经工程杂志》上发表论文称，他们造出一种机器人腿设备，把人体组织系统所拥有的神经结构、肌肉骨骼构架和传感反馈路径进行一定简化后，用在机器人腿上，在模拟人类走路步态时，几乎能以假乱真。研究人员认为，这是第一个达到了生物行为精确度的完整行走模型。
这种“两足机器”建立在人类肌肉神经结构的原理上，通过韧带肌肉模拟收缩/舒张肌行为。人类走路系统的关键部分，是中枢模式发生器，是一个位于腰部脊髓区的神经网络。人体不同部分接受环境刺激会产生反应，中枢模式发生器收集这些反应信息，产生节奏肌肉信号并对这些信号进行控制。这一机制让人能自由行走而无需思考该怎么走。
最简单的中枢模式发生器形式是一种半中枢，仅由两个神经元组成，分别发出信号和产生节奏。机器人腿的神经系统是一个人造半中枢振荡器，再加一些将信息反馈给半中枢的传感器，包括负荷传感器，当腿受到来自路面的压力时，把压力传给肢体。克莱因说：“我们造出的行走模型，只需一个简单的半中枢来控制臀部，一套刺激反应器来控制下面的肢体，就能模仿人类走路步态而无需平衡。”
这种机器人系统模型，代表一个完整的生理或“神经机器人”，有助于研究人类和动物行走的神经生理过程、发展婴儿学步理论，帮人们理解脊髓损伤病人恢复行走能力的机制。
研究人员推测，婴儿学走路也是从简单的半中枢开始的，一段时间后，婴儿通过学习建立起一张“网”，以适应更复杂走路方式。这也解释了为什么把婴儿放在跑步机上时，他们会表现一些简单的走路姿势，因为在他们开始学走路之前，一个简单的半中枢已经存在。
克莱因说：“这种支持网络，可能也是形成中枢模式发生器的核心，这解释了为何那些脊髓受伤的人在受伤后几个月内，通过适当刺激还能恢复行走能力。”。
摘自张明龙、张琼妮《国外电子信息领域的创新进展》知识产权出版社2013年版，第361～365页。
