书名：仿人机器人开发指南
ISBN：978-7-115-51851-4
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著 [韩] 金钟熠（Jong Wook Kim）
译 武传海
责任编辑 胡俊英
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
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How to Manage Humanoid Robot by Yourself
by Jong-Wook Kim
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中文译本：版权所有© 2020 人民邮电出版社
在机器人的发展历程中，模仿人类一直是一个主流方向，无论是实现“双足行走”，还是实现更多的复杂动作，乃至于结合更前沿的人工智能技术，机器人技术的应用都取得了不俗的成就。
本书首先介绍了机器人的发展史和世界各国的机器人产业动向，然后讲解了仿人机器人相关的技术，例如运动学、动力学、Bioloid机器人、动作生成等技术细节。另外，本书还结合具体的机器人案例给出了相应的编程方法。
本书适合有一定MATLAB基础的理工科学生或工程师阅读，读者能够结合Bioloid机器人完成一些有趣的机器人实验，在实践中感受机器人的魅力，掌握实用的编程技巧。
2000年和2004年，日本和韩国分别面向普通大众推出了ASIMO机器人和HUBO机器人，自此之后，可以直立行走、奔跑、上下楼梯，甚至与人类对话的仿人机器人逐步从漫画、科幻电影中进入了人们的生活。世界各国争先恐后地开发各种逼真的仿人机器人，并陆续推出了一大批面向教育和娱乐的低价仿人机器人套装。
仿人机器人是指仿照人体结构制造的机器人，其目标是协助人类或代替人类完成一些工作。例如机器人世界杯的目标是，到2050年，仿人机器人足球队能够打败人类世界杯足球赛冠军。未来仿人机器人会进入千家万户，帮助我们做各种各样的事情，例如协助做家务、为孩子读书、看家等。不仅如此，我们还能期待仿人机器人代替人类在极度危险的环境（例如2011年发生泄漏事故的福岛核电站）中执行各种任务，例如上楼梯、跨过门槛等，以及“聪明”地处理各种事故。仿人机器人的应用领域无限广阔，但是一系列原因导致了仿人机器人的相关技术发展相对缓慢，这些原因包括零部件（传感器、驱动器、嵌入式系统）价格昂贵、各种信号处理和运动生成技术滞后、与人类相比判断能力明显不足等。为了解决这些问题，当务之急是培养同时具备仿人机器人相关理论和实际操作能力的专业人才。
对于仿人机器人，机器人工程师们持有两种截然不同的观点。第一种观点认为，仿人机器人是一个拥有大约20个自由度的复杂结构的系统，运用机械学、动力学公式创建步行等运动的方法十分困难。第二种观点认为，现在机器人舞蹈或表演中的各种动作都是手动设定的，这种方法的教育意义不大。为了消弭两者之间的鸿沟，本书借鉴了市面上计算机编程图书的做法，把书中的示例代码分成多个部分，大家可以分别运行这些代码，以获得更系统、更具体的知识，这也是本书写作的初衷。
本书面向的是能够熟练使用MATLAB仿真软件的理工科大学生、研究生以及工程师。本书会先带领大家学习仿人机器人的有关理论，使用MATLAB模拟各种基本动作（行走、原地转向、前踢），然后再在商用机器人套装上实现这些动作。目前市面上大部分机器人工程学教材主要讲的是机器人相关的抽象理论和简单的应用示例，所涉及的机器人十分简单。相比之下，本书选用的机器人平台是Robotis公司的Bioloid系列，这是一个多关节机器人套装，适合用于实际演练。本书系统地讲解了仿人机器人的基础理论和基本的实务操作，希望通过这些讲解能够激发读者对仿人机器人的兴趣，增强自信心。本书的内容尚有许多不足，但我会在本书的后续版本中继续讲解更多生成运动的智能方法，希望大家继续保持关注，并给予我更多的鼓励。
在本书写作与出版的过程中，我得到了许多人的帮助与支持，借此机会向他们表达深深的谢意。首先感谢出版社的工作人员，感谢他们辛勤的付出。其次，还要感谢Robotis公司给予的支持，帮我解决了许多有关Bioloid的技术问题。最后，特别感谢我的爱人与两个女儿（珪丽与智芸），谢谢她们在本书写作期间对我的理解和鼓励。谨以本书献给我的家人，并和他们一起分享这份喜悦。
2012年8月
金钟熠
于韩国乘鹤山山脚下
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1.1 机器人的历史
1.2 仿人机器人的历史
1.3 世界各国的机器人产业动向
仿人机器人拥有人类外形，经常出现在《阿童木》《魔神Z》《跆拳V》等动画，以及《机械战警》《终结者》《机械公敌》等科幻电影中，它们一直存在于人们的想象之中。机器人的鼻祖是工业机器人，它们在20世纪中期成功实现商业化，并大量投入到工业生产线上，iRobot公司推出的扫地机器人Roomba从2003年开始在全世界范围内销售，并一跃成为服务型机器人的著名品牌。随着技术进步，预计未来人类社会会进入一人一台机器人的时代，许多机器人专家已达成共识，一致认为机器人伴侣时代很快就会到来。
现代人对“机器人”（robot）这个词已经非常熟悉了，它初次出现在捷克剧作家卡雷尔·恰佩克在1920年所写成的戏剧《罗素姆万能机器人》（Rossum’s Universal Robot）中。在该剧中，罗素姆父子建造了某种人造人——“Robota”，起初它们只知道努力工作，后来它们有了自主意识，意识到自己一直被人类利用，于是决定铲除人类。顺便说一下，Robota一词在捷克语中有“工作”与“强制劳动”的含义。
机器人可以代替人类从事简单重复或有高精度要求的工作，甚至是具有危险性的工作。因此，全世界许多大学与研究所开始从事相关研究，在工业领域，工业机器人最先被成功开发出来，并应用到工业现场。1954年，美国人George Devol申请了工业机器人专利，当时专利名称用的是“可编程装置”。1961年，Joseph Engelberger开发出了工业制造机器人Unimate（见图1.1），并将其投入到通用汽车公司（General Motors）的汽车装配生产线上，这在世界范围内是第一次应用工业机器人。此后，1961年福特汽车第一次把脱吸机器人（模具铸造机械）投入到工业现场，之后又有多种工业机器人被开发并制造出来。
图1.1 第一台工业机器人Unimate
工业机器人是第一代机器人，被定义为“可重复编程的通用操作机械”，它们被设计并制造出来，主要用于从事一些重复性的工作，有些工作需要保持高精密度与高可靠性，例如焊接、组装、涂装（painting）、转送等。工业机器人由电力驱动，只要不发生电气与机械故障，它们就可以24小时不间断地工作，逐渐取代从事简单工作的人力。富士康（Foxconn）是世界最大的电子产品代工企业，为了降低人力成本，富士康计划用3年时间向生产线投入100万台机器人。2008年，全世界工业机器人销售了11万台，销售总额达到了6.2亿美元。2011年，工业机器人销售量超过了15万台。
工业机器人在固定场合根据程序预先编写好的指令反复执行指定的任务，美国NASA制造的探测机器人（rover）与此不同，它们被开发用来执行高难度任务，旅居者号（Sojourner）在1997年被发射到火星，它拥有太阳能电池板、摄像机、数据传送天线和6个特殊的驱动轮，并且带有嗅觉设备，可以感知气味，分析土壤或岩石成分，利用这些设备，探测机器人可以检测火星表面岩石的组成成分，并把数百张照片发送回地球。当时，旅居者号（Sojourner）成功地完成了预定任务。接着，为了研究火星表面的岩石与土壤，2004年NASA又向火星发射了勇气号（Spirit Rover）（见图1.2）与机遇号（Opportunity Rover），它们都搭载了智能技术，不仅可以实时感知周围环境，还可以根据周围环境自主运行。机器人要想自主判断并根据周围环境自主执行不同任务，必须具备一定的智能（intelligence）才行。我们把这种拥有一定智能的机器人称为智能机器人。
图1.2 火星探测机器人勇气号（Spirit Rover）
智能机器人的定义是，可以自动感知（perception）外部环境，对周围情况做出判断（cognition），并自主做出相应行为（mobility）的机械装置（这个定义出自韩国2008年2月出台的“智能机器人开发与普及促进法案”）。更具体地说，智能机器人是机械、电子、信息、生物工程技术的融合产物，综合运用了环境识别、信息获取、智能判断、自主行为等人工智能技术，它可以向人类提供帮助，并代替人类在恶劣环境中工作，或者执行某种特殊任务。当今世界趋势表现为老龄化加速、人口增长率低、个性化、社交网络、技术融合、崇尚健康生活等，这些趋势进一步刺激了人们对智能机器人的需求。
智能机器人大致可分为个人服务型机器人、专业服务型机器人、工业机器人，具体如下。
智能机器人常驻于家庭或办公室中，为人类提供智能服务，必须能够与人类进行交流。在人类的生活环境中，门槛、楼梯等随处可见，这些都要求机器人有很强的机动性，另外，机器人还要拥有使人感到亲切舒适的外形。考虑到这些要求，最适合服务人类的机器人不是轮式机器人，而是拥有类似人类身体结构的仿人机器人。
仿人机器人在设计时模仿了人类的身体骨骼与肌肉结构，这些复杂结构拥有10～40个自由度，并且由于双足行走技术难度较大，因此经过了很长时间的研究，这种机器人才得以出现在大众面前。对于人类外形机器人的研究最早可以追溯到15世纪的绘画天才莱昂纳多·达芬奇（Leonardo da Vinci）。19世纪，John Brainerd开发出了依靠蒸汽机驱动的Stream Man，Frank Reade Junior开发出了Electric Man，它们引起了人们对仿人机器人的关注。
20世纪30年代，美国Westinghouse公司研发出了名叫Elektro的仿人机器人，到1970年左右，日本正式开始发表关于有足机器人的研究。同时，苏联与美国也在积极研究多足机器人（四足或六足机器人）。美国在1980至1983年间成功开发了名叫CMU的六足机器人（hexapod），最高行走速度为0.11 m/s。相比以前，相关技术有了很大的发展。此外，美国的MIT从20世纪80年代开始积极研究跳跃机器人，并推出了名为Spring、Flamingo、Uniroo的三维双足行走机器人，借助于静态行走与动态行走技术，它们可以做出行走和跑跳等动作。
日本是较早开发可稳定行走的仿人机器人的国家，并一直积极从事仿人机器人的相关研究。从20世纪70年代起，日本开始研究仿人机器人，早稻田大学着手研究WL（Waseda Legged）系列机器人，并在1983年推出了WL-10R机器人，这款机器人的关节由10个伺服电机驱动，可以做出前进、后退以及改变方向等动作。早稻田大学在2009年推出了最新的仿人机器人WABIAN（WAseda Bipedal humANoid）-2R（见图1.3），这款机器人共有41个关节，身高为1.53 m，体重为64.5 kg，平均行走速度为0.36 m/s，每一步的周期都是0.96秒。
图1.3 早稻田大学研发的WABIAN-2R机器人
日本本田汽车制造公司从1986开始积极研究各种双足行走机器人，推出了E0～E6系列机器人，随后在此基础之上，又开发出了P1～P3系列机器人。最终，本田公司在2000年11月推出了ASIMO（Advanced Step in Innovative MObility）仿人机器人，这使全世界的机器人研究人员大为吃惊，之前他们一直认为仿人机器人是不可能实现的。此后，本田公司不断对ASIMO进行升级改进，并于2002年推出新一代ASIMO，它具备与人沟通的能力，可以理解人类的姿势与身体语言；接着又在2004年推出了新一代ASIMO，其运动性能得到了很大改善，移动速度达到了3 km/h；在2005年推出了新一代，它可以做“8”字形行走，可以与人牵手行走，推着手推车行走，或者递盘子等；2007年推出的新一代机器人，可以与多台ASIMO一起协同工作，或者在同一个空间中进行单独作业；2011年推出的新一代机器人，可以与周围环境或周围的人进行互动，通过物体的位置信息自主决定下一个行动，其运动能力也得到大幅度地增强，最大速度达9 km/h，本田公司不断改进ASIMO，不断书写着仿人机器人的新历史。图1.4中的新型ASIMO机器人，身高130 cm，体重48 kg，拥有34个关节。
图1.4 本田公司的ASIMO机器人
在ASIMO大获成功的激励下，韩国KAIST吴俊镐教授（机械工程专业）的研究小组在2004年12月成功开发出了HUBO（由Humanoid与Robot两个词合成）仿人机器人。如图1.5所示，HUBO身高为120 cm，体重为55 kg，步幅长为35 cm，行走速度为1.25 km/h。HUBO机器人拥有声音识别与合成功能，两只眼睛可以分别移动，具备完美的视野，5根手指可以分别活动，能做出“剪子、包袱、锤”的手势。吴俊镐博士从2002年1月开始研发仿人机器人，历经KHR-1、KHR-2两代机器人，最终开发出了HUBO，这个项目耗时3年多，投入了数百亿韩元的研究经费，最终大获成功，这充分证明了韩国的机器人制造技术已经达到了世界一流水平。本田公司研发ASIMO耗费了15年时间，投入的研发资金大约3000亿韩元。
图1.5 KAIST的HUBO机器人
在日本与韩国大获成功的激励下，一些欧洲国家也开始积极研究机器人，西班牙的Pal Robotics公司开发出了REEM B机器人。如图1.6所示，这款机器人可以自主行走（autonomous navigation），能够识别出人类并与人进行交互，但最高速度不到1.6 km/h。REEM B手部可以做出灵巧的动作，驱动器功能强大，能够搬起12 kg的重物。REEM B身高147 cm，体重60 kg，拥有51个自由度。
图1.6 Pal Robotics公司的REEM B
在德国，机器人与机电一体化研究所（Institute of Robotics and Mechatronics）开发出了一个名叫Justin的仿人机器人，如图1.7所示，这款机器人有一个四轮驱动的基座，其上安装有类似人类的结构。Justin像人类一样灵活，拥有4根灵巧的手指，可以精确灵敏地抓握物体，研究人员正在积极研究，使它可以识别物体，并依据判别结果提供相应的智能服务。Justin机器人高170 cm，重45 kg，可以提起15 kg的物体。Justin总共有43个自由度，其中上体5个，每只胳膊7个，每只手12个。
图1.7 德国IRM的Justin机器人
美国把研究重点放在机器人基础技术上，所研发的机器人主要应用于太空探索、军事、医疗和服务领域，在仿人机器人的研究方面稍落后于其他国家。弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）的Dennis Hong教授带领RoMeLa团队于2011年正式推出了第一款仿人机器人——CHARLI（Cognitive Humanoid Autonomous Robot with Learning Intelligence）。在设计CHARLI（见图1.8）时，他们应用了人类移动胳膊或腿部时肌肉的收缩和舒张原理，采用线性驱动器取代旋转电机，装配了充当筋腱的柔性材料，这种材料对冲击有很好的缓冲作用，使双足行走效果更为理想。CHARLI-2身高140 cm，体重12 kg，会踢足球，会模仿人类的各种动作。
图1.8 弗吉尼亚理工大学研发的CHARLI仿人机器人
到目前为止，我们介绍的仿人机器人都是成人级别的，身高超过1 m，这些机器人采用的电机与传感器十分昂贵，主要用来做科研。除此之外，还有一些小型仿人机器人，它们价格低廉，属于大众消费品，例如韩国Robotis公司从2005年开始推出的Bioloid机器人（见图1.9），目前这个系列在售的机器人分为Bioloid初级、中级、Premium、GP几个级别。本书选用的仿人机器人平台是Bioloid Premium套装，这个套装长期畅销，详细说明可参考第4章。
图1.9 Robotis公司的Bioloid Premium套装
法国Aldebaran Robotics公司研发的NAO机器人于2007年首次在RoboCup亮相，这标志着他们在小型仿人机器人研发方面获得了成功。如图1.10所示，NAO仿人机器人既可以双足行走，也可以自主运动，能够识别人脸与声音，并与人类进行交互。2011年又推出了NAO Next Gen机器人，这款机器人身高58 cm，体重4.3 kg，拥有21～24个自由度，最高速度达0.54 km/h。NAO Next Gen采用了Intel Atom 1.6 GHz CPU，默认操作系统为Linux，支持使用C++、Python、MATLAB等编程语言编写代码。NAO销往全世界300多个大学，并作为研究平台使用，迄今为止销售了2000多台。
图1.10 Aldebaran Robotics公司的NAO Next Gen机器人
世界各国积极投入大量人力、物力到机器人研究中，大力发展机器人相关技术，以求占得市场先机。在日本，企业和政府在1998年至2002年的几年间投入了50亿日元，推动协助型、共存型机器人系统的研发。韩国也于2009年5月推出了“新增长动力综合促进计划”， “机器人应用”就位列其中，重点涵盖生活护理机器人、用于清洁生产的尖端制造机器人系统、可持续的社会稳定机器人系统、创意娱乐教学机器人、高附加值医疗服务机器人。中国的863计划，也涉及机器人领域。世界各个国家不断投入大量财力、物力、人力，大力发展机器人相关技术，以抢占机器人技术先机。在整个世界范围内，机器人课程正在逐渐成为正式教学科目，美国与日本等先进技术国家从中学开始就加入了机器人教育课程，并不遗余力地投入大量资金。韩国也把机器人相关课程作为选学课或者课外教学的一部分。从2009年起，韩国知识经济部就开始着力培养复合型机器人专业人才，并联合了机器人专业研究生院、产学研机器人研究中心等九大机构，但是培养出的机器人专业人才仍然无法满足产业发展的需要。我衷心希望本书能够为机器人专业人才的培养尽一份绵薄之力。
