類人型機器人之發展現況
類人型機器人是一門由仿生學、機構設計、控制理論和人工智慧等多項科技形成的跨領域科技，與輪型和多足機器人相比，類人型機器人擁有較大的優勢去適應更複雜的地形，並且有更加靈活的運動能力和速度變化能力。過去國內有關機器人的研究大都集中於自動導航車、履帶式服務機器人、智慧型輪椅、先進家用服務機器人、機械手臂、居家看護機器人、個人型助理機器人系統、小中型足球機器人等系統之主要核心與系統整合技術之研發與軟硬體裝備建置，較少有雙足平台之類人型機器人相關研究，國內所開發之類人型機器人都以RC伺服機（馬達）為其驅動單元，但是此類型之機器人一般僅於娛樂之用，無法承受太大之負載，成為人們服務之助力，所以發展大型類人型機器人有其必要。
類人型機器人的研究，最早可追溯至西元1893年，Georges
Moore創作了第一個利用蒸氣驅動類人型步行機器[Rosheim, 1994]，然詳細構造與運動原理我們並無法得知。其後在第一次大戰期間，Thring發明了具有腿之農耕機[Thring, 1983]。至1970年之間，許多研究人員進行輔助人類行走的步行機器之研究，如Bernstein於1948年於莫斯科義肢設計研究中心，發展具電子裝置的腿外骨骼（Exosceleton）[Karsten, 2003]。此外，Vukobratovic於1975年，在南斯拉夫的貝爾格勒，發展輔助行走步行機器[Song and
Waldron, 1989]（圖1-4）。日本可說是世界上最熱衷於類人型機器、且一直持續不斷研究的國家。從1966年至今，早稻田大學的人型機器人研究室[Koganezawa,
Takanishi, and Sugano, 1991]，從早期有著最基本之雙足移動功能的WL-1（圖1-1a）開始；到了WL-3（圖1-1b），已經可以站立和坐下；WAP-3（圖1-5c），可上下樓梯和斜坡，更可以轉彎，而且是世界上第一個三維二足步行機器；WABOT I（圖1-1d），可量測距離和方向，是世界上第一個照人類尺寸設計的機器人；WL-9DR（圖1-1e），將腳底接觸地板的點，由三個增加到四個，所以可利用數值解得到較特殊的步行方式；而近年來WL-12（圖1-1h），不但增加了上半身，且具兩個自由度的腰部，可以走得更像人類。
再者，由1986年開始，日本的Honda公司[Honda, 2003]，也作了一系列有關類人型機器的研究，從第一代的E0、E1、E2、E3、E4、E5、E6、P1、P2、P3，到2003 年來台灣展覽的ASIMO（圖1-2），不但將機器人的高度縮小至120公分，重量也減輕至52公斤；與高160公分、重130公斤的P3相比，不但增加了安全性，也較有親和力。ASIMO為本田公司投入鉅資經過10多年的開發，研製出了在世界上居領先地位的類人型機器人成果。ASIMO的全名為Advanced Step in Innovative MObility，採用具有及時預測動作控制系統的i-Walk技術，讓ASIMO在行走時能更加順暢，同時在電腦工作站中啟動行進步伐的預先設定，並使用攜帶式的控制器來進行彈性的步伐及手部的動作操作。此外，ASIMO透過它的身體的重力感應器和腳底的觸覺感測器把地面的狀況送回電腦，電腦則根據路面情況作出判斷，進而平衡身體，穩定地前後左右行走。它不僅能於平坦路面行走，還可以上/下樓梯和行走於傾斜的路面，由於腳底安裝有壓力感測器，腳底不平也能保持身體的直立姿態，與1997年同公司所研發的P3相比，它具有體型小、質量輕、動作緊湊輕柔的特點。ASIMO身高120cm，體重43公斤，適合於家庭操作和自然行走。
類人型機器人HRP（Humanoid Robotics Program）系列是AIST與川田工業（Kawada）、川崎重工業（Kawasaki）共同合作的研究成果，經費是由新能源暨產業技術總合開發機構（NEDO）基礎技術研究事業之「在實際環境中作業的人型機器人基礎技術研究開發」計畫所支助。
HRP-2類人型機器人平台（圖1.3）於2002年3月公開，其直立高度約有5英呎2英寸，重量接近128磅，有30個自由度。HRP-2是一台人機互動之人形機器人，它可以和一個人合抬一塊大木板，透過感應另一端由人施加的力和方向來掌握平衡；假如跌倒亦能毫髮無傷地再站起來，具有完成日常任務之基本能力。
2009年日本產業技術綜合研究所（AIST）展示一款會說話，可行走而又具有豐富表情的新型“女性”機器人 - HRP-4C，其全身共有30個馬達來控制肢體移動也可以做出喜、怒、哀、樂和驚訝的表情。
在西元2000年，SONY公司也發表了高50公分，重5公斤的小型機器人，SDR-3X[Kuroki, Ishida, and Yamaguchi, 2001]（圖1-3），每一隻腳具有六個自由度，不但會跳舞，還可單腿站立；而在2002年，SONY更發表了最新一代的SDR-4X[Fujita, Kuroki, Ishida, and Doi, 2003]（圖1-4），它的高度58公分、重6.5公斤，每一隻腳同樣具有六個自由度，除了具有前一代SDR-3X的功能外，還可以在10mm的凹凸地面行走，上10度的斜坡，甚至被推倒了還能自己站起來，可說是向家用機器人的目標，又邁進了一大步。
類人型機器人之控制發展
類人型機器人在分析上和運動控制上擁有相當大的瓶頸需要突破，因為其動力方程式具有非線性、高階和強耦合的特點，以現有的數學模型和解析運算法並不足以得到完整且精確的步態解，另外類人型機器人與輪型平台之機器人不同的地方，在於類人型機器人除了可控制的可驅動自由度之外，還多了不可驅動的自由度，所謂不可驅動的自由度指的就是雙足機構腳底板與地面之間所存在的自由度，因為此部份之自由度並無法由馬達控制之，故稱之為不可驅動的自由度。而這些自由度的控制將對整部機器人的姿態穩定具有重要的意義。類人型智慧型機器人之雙足設計與研製必須建構出雙足機構並推導出其最適合之運動及動力方程式，發展出最佳化控制方法達到雙足機構能夠實際行走之最終目的。類人型機器人是一個必須同時整合運動機構、自我定位、控制系統、電腦視覺、感測器融合、無線網路等不同領域之跨領域技術。
類人型機器人的基本研究思路主要可分為基於仿生學原理和基於動態控制原理兩種，這兩種不同思路的研究方法在類人型機器人的步態設計和規劃中都有廣泛的應用，基於仿生學原理算法的可行性，完全依賴於步態數據，而機器人的具體步態和實際物理參數會互相影響，要得到大量適用於已知機器人的步行數據並不是一件容易的事情，並且不同機器人之間的數據也會擁有不同的物理參數，故並無共享性，因此基於仿生學原理的研究方法不具有適用性，類人型機器人的研製必須基於動態控制原理的思路來著手。
基於動態控制原理思路下的研究，主要又可分成基於模型和非模型兩種，基於模型的雙足控制是借鑑已知的物理模型之特性來對類人型機器人模型進行大膽的簡化，最有名的模型為Hemami等人[5]於20世紀70年代後期提出的倒單擺模型，此一模型是利用一階倒單擺，將倒單擺的杆子和機器人的雙足進行對應，將類人型機器人踝關節的力矩驅動看作倒單擺的基底關節驅動，從而把類人型機器人的步行過程和倒單擺的直立擺動過程作對應。1991年文獻[6]實際設計出具有倒單擺特性的類人型機器人。使用狀態回饋控制雙足機“MeltranII”的質量中心沿著約束線動作，使得其水平動力學方程近似為線性倒單擺模型。雖然在隨後的研究中倒單擺模型已逐步發展為三維空間之多級倒單擺，並加入對踝關節和腳底板的考慮，模型也越來越接近實際機器人的雙足模型。但是有鑑於倒單擺的特性，此類模型僅適用於雙足質量和慣量都非常小的情況下，多數類人型機器人之雙足並無法達到此要求。若採用此單一模型僅能生成雙足之參考步態軌跡，難以實際應用於雙足步態的實現。
關於雙足步態的理論方面，在1972年學者Vukobratovic[7]提出的ZMP（Zero Moment Point）穩定判斷（如圖2.1）。闡明人類動態的行走平衡不是因為具有比較大的腳底支撐面，而是因為身體各部份複雜的協調作用，因為在考慮動態平衡時，當某一特定點之地面的反作用力等效於一對力N和力矩M對腳底的作用時，這個支撐點就是零力矩點（ZMP點），而機器人的動態平衡則取決於ZMP點的位置，我們可以預先規劃出理想的ZMP軌跡，通過調整各關節扭矩力或動量補償，使得實際ZMP軌跡和預先規劃之ZMP軌跡吻合，便可達到穩定行走。但是由於結構和機械重量的問題，感測器必須安裝在小腿上，並通過數學的轉換來消除踝關節的影響，才能獲得實際的ZMP。我們必須採用力/力矩感測器建構ZMP的量測系統，才可以有效使得實際與預先規劃之ZMP軌跡吻合。
此外，近幾年來對於生物體的移動能力的理論也被廣泛的被討論。其中CPG（Central Pattern Generator）的應用，為關於雙足移動類人形機器人的熱門議題。CPG指的是生物體由遺傳所繼承的一種由中樞系統決定經由些許感覺回饋或甚至不需感覺回饋，產生一有節奏、固定的動作型態。中樞型態產生器是一種天生的神經網絡。相似的概念，應用在類人型機器人的機構與控制理論上。參考文獻[8] Gen Endo所提出的neural oscillator
arrangement方法。該方法應用於繞一定點作圓形軌跡（圓規軌跡）之的雙足移動類人形機器人（compass-like
biped robot）。將腿部長度與角度控制去耦合可透過單個類神經元活動的參數調整，達到不同的效率控制步態控制。文獻[9]的研究中指出藉由正弦線性運動（sinusoid linear motion）、被動式搖擺運動（passive swing motion）並且在適當的已知條件下，可產生開迴路的雙足移動，且作用力的反應十分近似於真實人類的雙足步行。因此，以圓規軌跡雙足移動類人形機器人模擬真實人類的步行。此模型分解成重量支撐與產生踩踏力兩個函數。每一個在節點（joint）的局部控制器由兩函數所控制，一個是重量支撐（weight support）函數，另一個是腳部擺動（leg swing）函數。也就說CPG無法完全控制腳部每個關節的運動，卻又會影響腳步的運動情形，正如同前文所提到，CPG在動物體中所扮演的角色。文獻[8]根據預定踝關節軌跡調整髖關節的兩個參數獲得具有最大ZMP穩定度的ZMP軌跡，文獻[9]通過預測機器人行為和ZMP的變化防止翻滾現象，這些研究結果充分的証明ZMP穩定判斷的可行性。
相對於直接給予機器人一個驅動源的類人型機器人，在90年代早期，學者McGeer提出被動式機械系統。觀察人類步態的循環的節奏，設計出一雙足機構，藉由外界給予之較少能量或機器人一個斜坡所具有的位能，使機器人產生一系列自然循環之步態行為，大量減低類人型機器人行走所需的耗能，提高能量的使用效率。
類人型機器人未來發展與應用
隨著社會和產業結構的變化，人類對於科技之產品依賴性日益殷切，且因醫學科技進步快速，老年化社會快速地形成。因此，服務型機器人未來發展潛力不容小覷。在科技尖端的時代，機器人成為人民的守護者，尤其在老弱婦孺的服務，以現今的科技並不無可能。所以服務型機器人未來將成為社會不可或缺的生活夥伴，而類人型機器人相較之下又更勝於一般輪型或多足機器人，原因無它類人型機器人擁有與人類相仿之外表讓人更易親近（圖3.1），同時類人型之移動對於地形起伏或狹窄空間之通過都有較優越之克服能力。除了成為服務型機器人之外，類人型機器人也同樣擁有娛樂以及教育之發展空間，從組成舞團或樂團進行巡迴演出到代替老師本尊前往教室上課，這些功能在未來都有可能藉由類人型機器人進行完整之實現。
文章轉載自: http://www.robotworld.org.tw/index.htm?pid=10&News_ID=3259
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