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[摘 要]人形交互式服务机器人可以在不改变人类日常工作环境及工具的情况下，代替人完成各种任务，应用前景广泛。本文概述了当前人形交互式服务机器人的研究进展，以及对人类的影响。分析了当前人形交互式服务机器人所面临的问题和挑战。提出了人机交互式服务机器人发展方向需以机器人的认知性交互为前提，物理性交互为目的的研究思路。
[关键词]服务机器人； 人机交互；仿生材料；认知性交互；物理性交互；安全性
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）19-0247-01
1 引言
人形交互式服务机器人是具备人类外形特征和行动能力，并且能完成有益于人类服务工作的机器人。随着当今运动学和动力学、系统结构、传感技术、控制技术、行动规划、应用工程和人工智能等学科的发展，机器人学和机器人技术也不断发展创新。人类可以赋予机器人人类外形和人类的一些特征，使之可以更好的适应人类工作环境和更好的服务于人类，甚至成为人类亲密的好朋友[1]。人形交互式服务机器人因此诞生 。近些年来对人形交互式服务机器人的研究取得了很大进展，但仍存在技术上的难点，面临着巨大的挑战。本文针对近些年国内国外机器人的研究现状和发展做了总结和概括，通过分析当前关键技术研究，探讨了人形交互式服务机器人研究思路和发展趋势。
2 人形交互式服务机器人国内外研究现状
2.1 国外研究现状
20世纪60年代后期，人形机器人进入研究视野，最初目标是使机器人可以模仿人类进行双足行走。1999年日本本田率先研究双足仿人机器人的预测运动控制，并在 2000 年发布了首款 ASIMO 机器人[2]麻省理工研制的机器人Kismet，能通过眼、鼻、耳等处的传感器识别外界感情信号，可以识别喜、怒、哀、乐等感情表达，并作出相应的表情动作[3]。国际上MIT 计算机科学和智能实验室、日本本田公司机器人研究中心、德国宇航中心机器人研究室等研究机构都致力于人形交互式服务机器人的发展。
2.2 国内研究现状
国内人形交互式服务机器人研究起步较晚，但机器人技术发展迅速。2000年国内第一台人形双足机器人“先行者”研制成功，可以实现前进后退，转弯前行和手臂摆动等基本动作。西安超人雕塑研究院仿人机器人“索芙亚”具有声音识别和眼部控制机构，实现眨眼、微笑、点头等迎宾服务动作[4]。北京理工大学研制的“汇童”BHR机器人[5]和浙江大学研制的Wu&Kong实现与人乒乓球对打，对打回合次数高达200多回合。
3 人形交互式服务机器人关键技术
3.1 仿生学材料与结构
人形交互式服务机器人从仿生学角度出发，具有仿造人体生物结构、性状、原理及其行为的特点。其中仿生学材料和结构是机器人重要的关键技术和组成部分，通过对生物体材料构造与形成过程进行研究和仿生，使组成机器人所用的材料具有与构成人体的生物材料强度、韧性及一些类似的生物特性，这将大大提高机器人对人工作环境的适应能力。当前仿生皮肤和人造肌肉成为机器人仿生材料领域的研究热点。人体有诸多骨骼支撑，骨骼由关节和肌肉韧带连接，这可以确保人体的灵活运动，对该结构的仿生是人形交互式服务机器人研究的最高目标。张永军等根据人体上肢结构原理 ， 提出一种上肢仿生机构 ， 并针对所提出的机构进行了优化设计和运动学分析，为制造出灵巧方便的上肢仿生机构提供了理论依据[6]。
3.2 智能交互性
人与服务机器人之间的交互主要分为认知性交互和物理性交互。两者相互作用才能完成人与机器人之间的互相配合。
3.2.1 认知性交互
认知性交互是指人与机器人通过力觉、触觉、听觉、视觉等感官性的接触、肢体语言和语言交流，使机器人与人进行理解性的沟通。符合人类审美的外观、对人类生存环境的高度适应性以及能与人类进行有效准确的信息交流、人性化的情感交互是人形交互式服务机器人最为关键的功能。
认知性交互的实现需要仿生结构、机械设计、电子传感等技术相结合例如表情机器人，在结构设计的基础上，建立和表情机器人结构相匹配的面部柔性体模型，利用有限元分析方法对面部皮肤柔性体模型进行分析和仿真，模拟仿人机器人的幸福、悲伤、惊奇、愤怒等基本面部表情，进而通过位移载荷，控制区域，实现人的表情动作[3]。
3.2.2 物理性交互
人与机器人的工作距离越来越近，两者直接的相互接触越来越多。当机器人本体工作时，会与人类相互接触，这种情形称之为物理性交互。为了使人形交互式服务机器人得到更广泛的应用，机器人本体不仅需要具有友好的认知性交互能力，还需要具有良好的人机肢体接触交互能力。物理性交互主要分为主动接触交互和被动接触交互。
在人机被动接触交互的过程中，刚度控制的不合理、不准确可能会对机器人自身或者交互对象造成严重的损伤。鉴于此，机器人的柔顺性控制值得重视。其关键在于被动柔顺系统及柔顺关节设计。如熊根良等利用关节力矩传感器，阻抗控制策略和力反馈的轨迹规划构成了人机交互的柔顺系统，有效地降低了碰撞瞬间的冲击力。因此，被动柔顺系统及柔顺关节设计值得进一步研究[7]。
3.3 安全性
人形交互式服务机器人要想长时间的存在于人们的日常生活中，就必须保证机器人使用的安全性。机器人与人发生碰撞是机器人应用过程中造成伤害的源头。若交互时机器人不能满足平衡性约束条件，就很容易导致机器人平衡稳定性差甚至摔倒；若人机交互时手臂采用完全的刚性控制容易导致手臂的弯曲甚至折断。因此，为了保证人和机器人的安全，有必要对人机肢体接触交互时的安全性问题和机器人平衡性问题进行深入研究[8]。
关于碰撞检测与碰撞避免的研究說明百分之百的避免碰撞很难做到，因此必须有其他安全保证策略。通过设计轻型机械臂、被动柔顺系统、设计柔顺关节、设计被动机器人系统等方式，可以增加机器人的安全性。提高机器人认知性以及设计合理的交互控制参数也是提高机器人安全性的重要途径。 4 人形交互式服务机器人发展趋势
人形交互式服务机器人发展迅速，应用前景广阔，并已取得一定的研究成果，但仍然存在着一些技术上的难题，比如，如何提高机器认本体交互功能准确性、智能性、灵活性，如何控制智能交互性和物理交互性的相互协调，以及如何保证机器人使用的安全性的问题等等。因此，人形交互式服务机器人的发展应以认知性交互为前提，物理性交互为目的，并使两者相互配合、相互协调。例如在触觉传感器感知外界环境特性（软和硬），语音识别判断交互需求的基础上，机器人可进行物理性交互时的柔顺性控制。人形交互式服务机器人发展趋势有以下几点：
（1）将传统材料、结构与仿生学材料、结构有机结合，提升机器人对环境的适应能力。
（2）深入研究开发传感器技术，提升传感器精度，为机器人的结构提供基本技术基础。
（3）深入研究柔顺性技术，并由刚性结构向刚性结构与柔性结构相结合的一体化结构发展。
（4）通过开发新型材料和控制技术来减小碰撞对安全性问题的不利影响。
相信随着理论水平的不断提高和关键技术的创新开发，上述问题会得到一一解决，人形交互式服务机器人的整体性能将更加全面，工作效率将进一步提高。
参考文献
[1]虞汉中， 冯雪梅. 人形机器人技术的发展与现状[J]. 机械工程师， 2010（7）：3-6.
[2]王田苗， 陶永， 陈阳. 服务机器人技术研究现状与发展趋势[J]. 中国科学：信息科学， 2012（9）：1049-1066.
[3]王晓娇. 面部表情仿人机器人的设计与研究[D]. 沈阳工业大学， 2013.
[4]杨杰. 拟人机器人头部设计与嗅觉系统研究[D]. 河北工业大学， 2006.
[5]艳涛. 汇童机器人第4、5代集体亮相[J]. 机器人技术与应用， 2012（4）：44-44.
[6]郑浩峻. 可重构多机器人移动系统结构及运动学研究[D]. 清华大学， 1999.
[7]熊根良， 陈海初， 梁发云，等. 物理性人-机器人交互研究与发展现状[J]. 光学精密工程， 2013， 21（2）：356-370.
[8]馬淦. 仿人机器人表情与身体动作的人机友好交互研究[D]. 北京理工大学， 2015.
[关键词]服务机器人； 人机交互；仿生材料；认知性交互；物理性交互；安全性
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）19-0247-01
1 引言
人形交互式服务机器人是具备人类外形特征和行动能力，并且能完成有益于人类服务工作的机器人。随着当今运动学和动力学、系统结构、传感技术、控制技术、行动规划、应用工程和人工智能等学科的发展，机器人学和机器人技术也不断发展创新。人类可以赋予机器人人类外形和人类的一些特征，使之可以更好的适应人类工作环境和更好的服务于人类，甚至成为人类亲密的好朋友[1]。人形交互式服务机器人因此诞生 。近些年来对人形交互式服务机器人的研究取得了很大进展，但仍存在技术上的难点，面临着巨大的挑战。本文针对近些年国内国外机器人的研究现状和发展做了总结和概括，通过分析当前关键技术研究，探讨了人形交互式服务机器人研究思路和发展趋势。
2 人形交互式服务机器人国内外研究现状
2.1 国外研究现状
20世纪60年代后期，人形机器人进入研究视野，最初目标是使机器人可以模仿人类进行双足行走。1999年日本本田率先研究双足仿人机器人的预测运动控制，并在 2000 年发布了首款 ASIMO 机器人[2]麻省理工研制的机器人Kismet，能通过眼、鼻、耳等处的传感器识别外界感情信号，可以识别喜、怒、哀、乐等感情表达，并作出相应的表情动作[3]。国际上MIT 计算机科学和智能实验室、日本本田公司机器人研究中心、德国宇航中心机器人研究室等研究机构都致力于人形交互式服务机器人的发展。
2.2 国内研究现状
国内人形交互式服务机器人研究起步较晚，但机器人技术发展迅速。2000年国内第一台人形双足机器人“先行者”研制成功，可以实现前进后退，转弯前行和手臂摆动等基本动作。西安超人雕塑研究院仿人机器人“索芙亚”具有声音识别和眼部控制机构，实现眨眼、微笑、点头等迎宾服务动作[4]。北京理工大学研制的“汇童”BHR机器人[5]和浙江大学研制的Wu&Kong实现与人乒乓球对打，对打回合次数高达200多回合。
3 人形交互式服务机器人关键技术
3.1 仿生学材料与结构
人形交互式服务机器人从仿生学角度出发，具有仿造人体生物结构、性状、原理及其行为的特点。其中仿生学材料和结构是机器人重要的关键技术和组成部分，通过对生物体材料构造与形成过程进行研究和仿生，使组成机器人所用的材料具有与构成人体的生物材料强度、韧性及一些类似的生物特性，这将大大提高机器人对人工作环境的适应能力。当前仿生皮肤和人造肌肉成为机器人仿生材料领域的研究热点。人体有诸多骨骼支撑，骨骼由关节和肌肉韧带连接，这可以确保人体的灵活运动，对该结构的仿生是人形交互式服务机器人研究的最高目标。张永军等根据人体上肢结构原理 ， 提出一种上肢仿生机构 ， 并针对所提出的机构进行了优化设计和运动学分析，为制造出灵巧方便的上肢仿生机构提供了理论依据[6]。
3.2 智能交互性
人与服务机器人之间的交互主要分为认知性交互和物理性交互。两者相互作用才能完成人与机器人之间的互相配合。
3.2.1 认知性交互
认知性交互是指人与机器人通过力觉、触觉、听觉、视觉等感官性的接触、肢体语言和语言交流，使机器人与人进行理解性的沟通。符合人类审美的外观、对人类生存环境的高度适应性以及能与人类进行有效准确的信息交流、人性化的情感交互是人形交互式服务机器人最为关键的功能。
认知性交互的实现需要仿生结构、机械设计、电子传感等技术相结合例如表情机器人，在结构设计的基础上，建立和表情机器人结构相匹配的面部柔性体模型，利用有限元分析方法对面部皮肤柔性体模型进行分析和仿真，模拟仿人机器人的幸福、悲伤、惊奇、愤怒等基本面部表情，进而通过位移载荷，控制区域，实现人的表情动作[3]。
3.2.2 物理性交互
人与机器人的工作距离越来越近，两者直接的相互接触越来越多。当机器人本体工作时，会与人类相互接触，这种情形称之为物理性交互。为了使人形交互式服务机器人得到更广泛的应用，机器人本体不仅需要具有友好的认知性交互能力，还需要具有良好的人机肢体接触交互能力。物理性交互主要分为主动接触交互和被动接触交互。
在人机被动接触交互的过程中，刚度控制的不合理、不准确可能会对机器人自身或者交互对象造成严重的损伤。鉴于此，机器人的柔顺性控制值得重视。其关键在于被动柔顺系统及柔顺关节设计。如熊根良等利用关节力矩传感器，阻抗控制策略和力反馈的轨迹规划构成了人机交互的柔顺系统，有效地降低了碰撞瞬间的冲击力。因此，被动柔顺系统及柔顺关节设计值得进一步研究[7]。
3.3 安全性
人形交互式服务机器人要想长时间的存在于人们的日常生活中，就必须保证机器人使用的安全性。机器人与人发生碰撞是机器人应用过程中造成伤害的源头。若交互时机器人不能满足平衡性约束条件，就很容易导致机器人平衡稳定性差甚至摔倒；若人机交互时手臂采用完全的刚性控制容易导致手臂的弯曲甚至折断。因此，为了保证人和机器人的安全，有必要对人机肢体接触交互时的安全性问题和机器人平衡性问题进行深入研究[8]。
关于碰撞检测与碰撞避免的研究說明百分之百的避免碰撞很难做到，因此必须有其他安全保证策略。通过设计轻型机械臂、被动柔顺系统、设计柔顺关节、设计被动机器人系统等方式，可以增加机器人的安全性。提高机器人认知性以及设计合理的交互控制参数也是提高机器人安全性的重要途径。 4 人形交互式服务机器人发展趋势
人形交互式服务机器人发展迅速，应用前景广阔，并已取得一定的研究成果，但仍然存在着一些技术上的难题，比如，如何提高机器认本体交互功能准确性、智能性、灵活性，如何控制智能交互性和物理交互性的相互协调，以及如何保证机器人使用的安全性的问题等等。因此，人形交互式服务机器人的发展应以认知性交互为前提，物理性交互为目的，并使两者相互配合、相互协调。例如在触觉传感器感知外界环境特性（软和硬），语音识别判断交互需求的基础上，机器人可进行物理性交互时的柔顺性控制。人形交互式服务机器人发展趋势有以下几点：
（1）将传统材料、结构与仿生学材料、结构有机结合，提升机器人对环境的适应能力。
（2）深入研究开发传感器技术，提升传感器精度，为机器人的结构提供基本技术基础。
（3）深入研究柔顺性技术，并由刚性结构向刚性结构与柔性结构相结合的一体化结构发展。
（4）通过开发新型材料和控制技术来减小碰撞对安全性问题的不利影响。
相信随着理论水平的不断提高和关键技术的创新开发，上述问题会得到一一解决，人形交互式服务机器人的整体性能将更加全面，工作效率将进一步提高。
参考文献
[1]虞汉中， 冯雪梅. 人形机器人技术的发展与现状[J]. 机械工程师， 2010（7）：3-6.
[2]王田苗， 陶永， 陈阳. 服务机器人技术研究现状与发展趋势[J]. 中国科学：信息科学， 2012（9）：1049-1066.
[3]王晓娇. 面部表情仿人机器人的设计与研究[D]. 沈阳工业大学， 2013.
[4]杨杰. 拟人机器人头部设计与嗅觉系统研究[D]. 河北工业大学， 2006.
[5]艳涛. 汇童机器人第4、5代集体亮相[J]. 机器人技术与应用， 2012（4）：44-44.
[6]郑浩峻. 可重构多机器人移动系统结构及运动学研究[D]. 清华大学， 1999.
[7]熊根良， 陈海初， 梁发云，等. 物理性人-机器人交互研究与发展现状[J]. 光学精密工程， 2013， 21（2）：356-370.
[8]馬淦. 仿人机器人表情与身体动作的人机友好交互研究[D]. 北京理工大学， 2015.