1.3 人形机器人的研发动向
1.3.1 人类合作、共存型机器人系统研发项目（1998—2002）
日本经济产业省在1998年开启了为期5年的“人类合作、共存型机器人系统研发项目（Humanoid Robotics Project, HRP）”，在开发人形机器人基础技术的同时，验证其应用的可能性。例如，验证了人形机器人在工业设备的维护和检查作业中的应用。人形机器人可以在有楼梯、台阶、竖井等的环境中工作。HRP-1下楼梯的情况如图1.4所示。
图1.4 HRP-1下楼梯的情况
该项目的另一个成果是由川田工业、安川电气、清水建设以及产综研开发的人形机器人HRP-2 [128] 。在本书中，HRP-2被用作典型的人形机器人的例子。
1.3.2 类人形机器人研究的扩大与扩展（2005—2012）
1.产综研的研究
2005年，新能源产业技术综合开发机构（NEDO）和产综研成功开发出恐龙双足机器人，以探索双足机器人技术在娱乐领域的应用可能性。
图1.5展示了开发的两种恐龙机器人的照片 [29] 。霸王龙形机器人全长3.5m，重量为83kg，具有27个自由度；副栉龙机器人全长3.5m，重量为81kg，具有26个自由度。这些恐龙机器人的尺寸是实际恐龙尺寸的2/7。
考虑到建筑现场作业等实际应用时，HRP-2在物体操作能力和耐环境性能方面存在局限性。为了解决这个问题，2007年川田工业、川崎重工以及产综研在NEDO的支持下开发出了新的人形机器人 [49] 。图1.6a显示了身高161cm、体重68kg、具有42个自由度的人形机器人HRP-3。为了在多种环境下作业，该机器人具有防尘、防水溅配置。
图1.5 两种恐龙机器人
图1.6 HRP-3和相应实验
2009年，产综研开发出了新型人形机器人HRP-4C。它的最大特点是体形被设计得接近日本青年女性的平均体形 [46] 。HRP-4C（左侧）与传统的人形机器人HRP-2（右侧）相比，具有更接近人类的外观，如图1.7a所示。我们的目的是探索人形机器人的新应用领域（例如在时装秀等娱乐领域），以及在评估人使用各种装备的可能性。
图1.7 HRP-4C和相应实验
图1.7b展示了HRP-4C模仿人类行走动作 [51] 。图1.7c展示了HRP-4C与人类合作的舞蹈表演。同时，有效地编排这种舞蹈的软件也被开发出来 [82] 。HRP-4C的硬件自2009年发布以来经过多次改造，最新的机身身高160cm，体重46kg，共44个自由度 [47] 。
2010年，川田工业和产综研以HRP-4C为基础，开发出了轻量、苗条的实验用机器人HRP-4，如图1.8a所示，这是一款身高151cm，体重39kg，具有34个自由度的人形机器人。
图1.8 HRP-4及其步行示范
为了实现比现有HRP-2更高级的物体操作，HRP-4具有7个自由度的双臂和2个自由度的手部。该机器人由kawada robotics销售，在多所大学作为研究平台使用 [101] 。
2.大学和研究机构的研究
在日本，早稻田大学的高西敦夫教授小组继承加藤一郎教授的工作开发出世界最早的类人计算机WABOT-1，积极推进了相关研究。他们的WABIAN-2R在2006年实现了脚尖着地、脚尖离地的接近人类的大步行走 [95] 。
东京大学稻叶雅幸教授领导的研究小组在2010年利用HRP-2成功地在线推算出人形机器人对质量未知物体所需的操作力，并成功将该物体抬高和传送 [83] 。另外，该小组的浦田等人还开发出了一种双足机器人，它在被人踢到的情况下，只要踏出几步就不会摔倒，还能维持平衡 [38] 。
ATR的计算脑科学研究所正在从脑科学的角度推进人形机器人的研究。他们使用液压驱动的人形机器人cbi（SARCOS公司生产）作为实验平台，进行了具有脑神经科学可行性的平衡控制系统实验 [66] 。
从2005年开始，在日本以外的其他国家，双足人形机器人的研发日趋活跃。较为出名的有：慕尼黑理工大学开发的LOLA [80] 、韩国科学技术院（KAIST）被开发的HUBO2 [10] 、中国的北京理工大学开发的BHR-2 [100] 、意大利的国立研究所和热那亚大学开发的ICUB [25] 、美国的弗吉尼亚理工大学开发的CHARLI [20] 、德国航空宇宙中心（DLR）开发的可控制全身转矩的TORO [14，15] 等。
3.企业开发
本田技研在1996年发布人形机器人P2之后，一直持续进行ASIMO系列的开发。2011年本田技研发布的ASIMO实现了9km/h行驶、向后行驶、单脚/双脚跳跃等操作 [173] 。
在2005年举办的“爱·地球博览会”上，丰田汽车开发的机器人在丰田集团的展馆进行了演示。其中，能演奏小号的双足人形机器人、能载人行走的搭乘型双足行走机器人吸引了观众的目光。2007年，丰田集团发布了能演奏小提琴的人形机器人和能双足行走的人形机器人 [134] 。
韩国三星电子公司一直在与韩国工业技术研究所（KIST）合作进行人形机器人的研发。它们于2012年发布了一个像人一样能够膝盖伸展着行走的人形机器人Roboray [11] 。
位于西班牙巴塞罗那的PALRobotics公司开发了一个真人大小的双足人形机器人REEM-C [72] 。许多小型人形机器人也在这一时期推出，包括Aldebaran Robotics的NAO [1] 、ROBOTIS的DARwIn-OP [73] 、Fujisoft的PALRO以及Kondo Kagaku的KHR系列 [4] 。
1.3.3 核电站事故与DARPA机器人挑战赛（2011—2015）
1.福岛第一核电站事故
2011年3月11日下午2点46分，宫城县近海发生了9.0级的地震，当时正在运行的福岛第一核电站1～3号机组因地震而关闭，但地震造成的高压钢塔倒塌和海啸淹没了应急柴油发电机，从而失去了所有电力。失去冷却手段的反应堆在当晚发生了熔毁，反应堆内的辐射水平上升。通过现场工人和救援人员的努力，才使反应堆恢复到稳定状态，这个事件中并没有利用机器人技术。
福岛第一核电站事故暴露出机器人技术对现实的无能为力，这给全世界的机器人研究人员带来了冲击，对以后的机器人研究潮流也产生了很大影响。
2.DARPA机器人挑战赛预选赛
美国国防高级研究计划局（DARPA）制定的DARPA机器人挑战赛（DRC）旨在引领先进的机器人技术，无须派遣救援人员就能应对福岛第一核电站事故等事态 [3，5] 。
一方面，DRC并没有将参加比赛的机器人限定为人形机器人，而只是要求它们“以类似人类的方式完成既定任务”。事实上，一些参赛队伍带着非人形的机器人参加比赛。例如，卡耐基梅隆大学国家机器人工程中心（NREC）的TartanRescue开发了一个四足机器人CHIMP [2] ，每条腿上都配备了轮子。美国宇航局喷气推进实验室（JPL）的RoboSimian也开发了ROBOSIMIAN [33] ，这是一个四足机器人，腿的末端也带有轮子。
另一方面，整个DRC被认为是一个人形机器人比赛，因为波士顿动力公司开发的Atlas人形机器人被提供给选定的团队作为比赛的官方机器人平台，还有许多其他团队带着自己的人形机器人参加。
预选赛于2013年12月在佛罗里达州的Homestead Miami Speedway举行。11个参赛机器人被要求执行以下任务，以应对福岛第一核电站的事故。
（1）车辆：驾驶工作车辆到达目的地并下车。
（2）地形：在不平坦的地形上移动。
（3）梯子：爬梯子。
（4）杂物：清除挡住入口的杂物。
（5）门：打开三扇门并通过。
（6）墙：使用工具破墙。
（7）阀门：关闭三个阀门。
（8）软管：从卷轴上取下消防软管，并将其连接到消防栓上。
冠军由每项任务的得分之和决定（32分为满分），SCHAFT公司（由东京大学稻田实验室的助理教授Yuhi Nakanishi和Junichi Urata于2012年创立）开发的S-ONE获得了冠军。S-ONE有一个伺服放大器和水冷电机，这使得它尽管是电力驱动，却能产生很高的功率，而且它的双足行走性能很好（见图1.9）。TeamIHMCRobotics以20分排在第二位，TartanRescue以18分排在第三位。
3.DARPA机器人挑战赛决赛
DRC决赛于2015年6月在加利福尼亚州波莫纳的Fairplex举行。决赛要求完成以下8项任务。
（1）开车：驾驶工作车辆到达目的地。
（2）撤离：离开车辆。
图1.9 SCHAFT的S-ONE（左），在预选赛的不平整地上行走的S-ONE（右）
（3）门：打开一个门，进入一个建筑物。
（4）阀门：找到并打开一个阀门。
（5）墙：用工具在墙上钻一个洞。
（6）惊喜：五个预先宣布的任务之一。
（7）碎石：穿越不平坦或散落的碎石表面。
（8）楼梯：爬一段楼梯后到达终点线。
与预选赛相比，决赛更简单，但增加了以下规则：（1）在没有人力协助的情况下，在1 h内完成8项任务。（2）没有防止翻倒的安全绳，没有外部电源。因此，比赛更接近真实的灾难现场，对机器人的要求更高。
共有23支队伍参加了DRC决赛。获胜者是韩国KAIST开发的DRC-HUBO+（高170cm，重80kg，共32个自由度，见图1.10） [37] 。
该机器人是双足机器人，膝盖部分配备了带有动力的车轮，当变成跪着的状态时，机器人可以凭借稳定的车轮移动。另外，通过旋转腰轴，机器人能够反向弯曲膝盖，还可以爬楼梯。DRC-HUBO+以最短的44min 28s完成了全部8项任务，毫无争议地获得了第一名。
在DRC决赛中获得第二名的是IHMC团队（完成了所有8项任务，耗时50min 26s），该团队使用波士顿动力公司的人形机器人Atlas（190cm，175kg），并利用控制软件实现了双足行走，它还是唯一完成DRC决赛所有任务的纯双足人形机器人。
图1.10 DRC-HUBO+（左），车轮模式下的阀门操作（中），爬楼梯（右）
（图片来源：KAIST人形机器人研究中心）
第三名是TartanResque的机器人CHIMP（完成8项任务，55min15s），CHIMP是一个高150cm、重201kg的非人形机器人，其手臂和腿上有小轮。在DRC决赛的23个机器人中，它是唯一一个能够从跌倒中爬起来并独立完成任务的机器人。
由AIST研究人员组织的AIST-NEDO团队是来自日本的五个参赛团队之一。HRP-2改是HRP-2的改进版，体积更大，功能更强 [50] 。
图1.11展示了HRP-2改（高171cm，重65kg，32个自由度）。为了完成各种任务，如穿越不平坦的地形、通过门和转动阀门，HRP-2改的四肢长度增加了10cm，关节的执行器增强，手臂的自由度从6个增加到7个，并采用了新的手部结构。
图1.11 HRP-2改（左），执行阀门任务的HRP-2改（右）
东京大学信息系统工程实验室（JSK）为DRC决赛开发了一个高功率真人大小的人形机器人JAXON [53] 。它具有类似人类的比例、关节排列、带有水冷电机驱动器的高功率驱动系统以及可以吸收跌落冲击的外部结构（见图1.12）。
图1.12 JAXON-2（左），JAXON-2正在尝试楼梯任务（右）
（图片来源：东京大学信息系统工程实验室）
DRC决赛是一场历史性的比赛，汇集了来自世界各地的人形机器人研究小组，是改变未来几年机器人研究进程的分水岭。在DRC决赛结束后，我向KAIST的吴教授提问：“如果像福岛第一核电站那样的事故再次发生，你会怎么做？”他的回答非常谦虚：“即使有了DRC-HUBO+，仍然难以充分应对。” [114]
1.3.4 DRC之后（2015—2020）
1.产综研的开发
产综研在DRC后也继续使用HRP-2改进行了防摔倒用气囊和防摔倒动作的研究等 [40，41] 。为了满足企业研发的需求，日本在2018年公布了在建筑工地、飞机和船舶等大型构造物组装中应用的人形机器人原型。该机器人HRP-5P身高182cm，体重101kg，拥有37个自由度，是产综研开发的历代人形机器人中最大的机器人（见图1.13） [48] 。基于DARPA机器人挑战赛的经验，产综研将机器人手臂的自由度提高到8个，增加了关节的活动范围，使得HRP-5P能够轻松完成以往人形机器人难以完成的各种工作。
图1.13 HRP-5P.正面（左），运输面板（中），伏地姿态（右）
2.大学和研究机构
由东京大学、千叶工业大学、大阪大学、神户大学的研究人员组成的NEDO-HYRRA团队虽然报名参加了DRC决赛，但因开发进度不及最终弃赛，但他们所制作的电气油压方式的人形机器人Hydra由东京大学的中村研究室继续进行开发，2018年Hydra通过黏弹性分配控制的新控制方式实现了稳健行走 [52] 。
在DRC决赛中获得第二名的IHMC团队继续利用Atlas进行高级步态控制的研究，并于2019年公开了Atlas使用激光雷达（LiDAR）在各种不平地段、狭窄的道路上双脚交叉稳定行走的实验视频。
意大利IIT和比萨大学为DRC决赛开发出了人形机器人WALK-MAN（180cm，120kg），他们于2017年发布了改进后的WALK-MAN [88] 。
ImPACT塔夫机器人（应对灾害的机器人开发研究项目）挑战赛于2014～2018年举行 [162] ，以早稻田大学的人形机器人研究小组为中心的团队开发出了能在厂房内代替人类执行危险作业的机器人。开发的ec-1是非人形的四足机器人，可实现开闭阀门、在瓦砾上移动、升降垂直梯等功能 [27] 。
3.企业的开发
在DRC预选赛中获胜的SCHAFT在被Google收购后放弃参加DRC决赛，继续开发自己的机器人。他们在2016年公开了双足机器人T2（见图1.14），该机器人采用滑动式脚部结构，不仅结构紧凑，而且具有极强的双足行走能力。
SCHAFT的目标是将这款机器人实用化（楼梯清扫等），但非常遗憾的是，Alphabet公司于2018年11月宣布终止SCHAFT。
图1.14 SCHAFT T2
开发DRC标准人形机器人平台Atlas的波士顿动力公司与SCHAFT一样被谷歌公司收购，2018年又被日本软银公司收购至今。在此期间，波士顿动力公司一直坚持开发商业化的四足机器人。2020年6月，波士顿动力公司开始以74500美元的价格销售四足机器人Spot（110cm，32.5kg）。能够上下楼梯、适应不平整地面的动态行走的机器人，能够作为非研究用途的商品销售，可以说是历史性的壮举（见图1.15）。
图1.15 Atlas四足机器人
（图片来源：Boston Dynamics）
在人形机器人方面，基于“拓展全身运动能力极限的研究平台”的定位，由DRC开发的Atlas的性能不断提高。最新的Atlas（150cm，80kg）通过3D打印，拥有将油压管路和结构一体化的脚架和紧凑的油压泵。在互联网视频网站上发表的Atlas的室外跑、后空翻、跑酷、地面运动等令人印象深刻的表现吸引了很多人的眼球。
2017年，本田提出了E2-DR（Experimental Robot Type 2 for Disaster Response）原型人形机器人，用于灾难应对 [90] 。这个机器人高168cm，重85kg，有33个自由度。它可以上下梯子，通过狭窄的空间，用两条腿以4km/h的速度行走，用四条腿以2.3km/h的速度在布满碎石的坑洼地上用双手移动。
丰田汽车公司在2017年发布了第三代的人形机器人t-hr3（身高154cm，体重75kg，具有32自由度，有十根手指）。该机器人的开发目标是在家庭和医疗机构等场景中代替人类。最大的特点是佩戴头戴式显示器的操控者可以像自己的分身一样操控机器人。
川崎重工业是近年来新加入人形机器人开发的企业。2017年以后，为了应对灾害，川崎重工业持续开发了即使摔倒也不会损坏的稳健型人形机器人。2019年公开的KaleidoVer.6是身高178cm，体重85kg的人形机器人，在国际机器人展上进行了灾害救助等演示。
