How to Design a Humanoid Robot: A Guide for Engineers a

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

随着机器人技术的迅速发展、越来越多的应用产品出现，人机交互成为一个重要研究方向。2007年1月，阿里巴巴集团正式发布了首款人体机器人。2014年，英特尔宣布推出首款全自主、完全穿戴的新型人机交互平台“全息系统平台”（HoloLens）。近年来，人体机器人技术在国际上也呈现爆炸式增长态势，已经拥有了众多领先的技术能力，能够智能地完成复杂任务、解决日益复杂的社会问题。如何设计出具有更高智能、更友好的交互方式并逐渐普及至个人生活中的这个问题，一直是各个行业青睐的人机交互研究者们关心的问题之一。 本文将基于《Designing a Humanoid Robot》一书（作者：汤晓斌）中所提供的设计建议，探讨并总结出最新的人体机器人的设计方案。该书作者从认知、动作、感觉、肢体、运动控制等多个角度对人体机器人进行了全面的分析阐述，提出了许多值得注意的设计原则和方法论。在本文中，我将使用个人视角对这些原则和方法论进行梳理和总结，并用自己的理解加以辅助，为读者呈现清晰、完整、易懂的设计思路。文章内容包括以下几个方面：

• 人体机器人基础知识介绍：介绍了人体机器人的基础知识，如动机、结构、功能、运动控制方法等；
• 人体机器人设计的主要原则：首先介绍了设计人员应当遵守的一些原则，包括美观性原则、可用性原则、舒适性原则、可定制性原则、健壮性原才、快速响应性原则、安全性原则、用户参与性原则等；然后详细讲解了人体机器人每个模块的设计原则、方法、技巧和指导思想。这些原则和方法的结合可以帮助设计人员构建出具有更高的实用性、精确性和交互性的“聪明”人形机器人；
• 用例介绍：介绍了人体机器人在不同场景中的实际应用案例，包括交通、医疗、教育、娱乐、服务等领域，让读者了解到人体机器人如何解决当前存在的各种实际问题。
• 作者心得和反思：最后对作者本身的工作经历、研究生涯进行反思和评价，并展望未来的人体机器人的发展方向。

2.基础知识介绍

2.1 人体机器人概览

人体机器人是什么？它是一种实体存在，具备与人类相似的自主运动、学习、决策、语言交流、社交沟通、驾驶等能力，不仅包括这些，还可能具备其他与人类相似的高级功能。

2.1.1 类型分类

目前市场上主要有两种类型的人体机器人：

• 纯感知人类（Perceptual Humanoids）：这种机器人只通过感官（如眼睛、耳朵、声音、姿态等）来识别周围环境，并不会在意人的情绪、动作或语言，因此可以模仿人类而不受伤害。但由于缺乏语言表达能力，很难实现真正的人类-机器人互动。
• 有语言交流能力的完全自主人类（Fully Autonomous Humanoids with Natural Language Communication）：这种机器人具备与人类一样的智能、个性化能力，能够理解人类的语言和指令，并且可以实现高度准确、持续有效的沟通。相比于纯感知人类来说，它们更容易被使用户接受、信任，并且可以胜任一些复杂的任务。

2.1.2 发展历史

自1990年代初期起，工程师们致力于应对计算机技术对人类发展带来的挑战，成功开发了基于机器学习的控制机器人方法，并取得了一定的进展。

1997年，多位研究者共同研制出了首个自主化的人机交互平台——机械臂机器人SMR-2。该机器人由五组独立的机械臂和四肢组成，具备理解人类意图、捕捉情绪以及解读面部表情的能力，并能根据指令自动完成动作。然而，由于控制系统的开发、机械系统的优化以及控制算法设计等技术瓶颈，该机器人无法自动处理复杂任务，只能依靠人工操作来辅助完成工作。

2001年，三维打印技术促使工程师们意识到完全自主化的机器人设计的可行性，并从而开创了基于完全物理硬件和强大控制系统的关键研究阶段。斯坦福大学的佩里·施密特与拉玛·贝拉利团队开发出了首个完全自主化的人体机器人——哺乳动物模拟器RoboBoy，作为这一领域的里程碑之作。该机器人由四条腿、两只脚、四个红色膝盖、一条肘骨、头部、手臂、手腕和电子肋骨构成，能够独立完成行走、站立、烹饪、饮水以及上下楼梯等任务。然而，由于其结构复杂、动力系统简单以及性能水平较低，该机器人仍无法完成复杂的自主动作。

2006年，贝隆斯大学的托马斯·奥拉曼等人与三联大学的帕特里克·索恩、麻省理工学院的梅尔·贡萨尔以及斯坦福大学的亚当·海德格尔共同开发出了首个具备完整自主能力的半自动人类-机器人协同系统——搭档跟班BOT-A。该系统由分离出的手腕和脚踝、前肢、四个红色膝盖和十二个磁悬浮头部构成，其中只有手腕和脚踝部分独立，其余均能完全独立运动，可在未知环境中自由穿梭。该系统能够通过微型传感器感知环境并自动执行复杂任务，但因设计初期忽视了长距离和复杂任务的影响，导致性能尚有提升空间。

2011年，李斌等人在深圳建立了机器人中心，并在此基础上成立了中国人工智能学会。他们对人体机器人在人机交互中的应用和进步展开了深入研究，并提出了五条发展路径，从而在机器人研究领域创立了新的组织——人机交互研究所。2012年，中国人工智能学会批准了首个基于机器学习实现自主功能的智能机器人，这一成果标志着我国在机器人技术领域的重大突破。

在2014年，英特尔发布了一款创新性的可穿戴式自主全息系统平台，命名为HoloLens。该平台展现了超越人类能力范围的高性能计算能力和先进的高像素摄像头技术。该系统能够实现对物体、人类及机器人的全天候、全方位、无阻碍的感知与交互。同时，该系统赋予了人体机器人高度的智能化。此外，HoloLens配备了电源管理单元，其低功耗和即时响应特性为复杂的应用场景提供了有力支持。

随着人体机器人的繁荣发展，机器人学、脑机接口、控制论等学科的研究也相应地蓬勃发展，为人体机器人领域带来了新的机遇与挑战。

3.人体机器人设计的主要原则

3.1 美观性原则

所谓美观性原则，旨在使人体机器人看起来更接近人类而非机器。实现这一目标，可以通过优化机器人模型的形式、尺寸、色彩、材质特性以及动态效果等多个方面来实现这一目标。具体措施包括：优化机器人模型的形式，调整其尺寸，选择合适的色彩方案，明确材质特性，并通过优化动态效果来达到预期效果。

• 使用足够美观的外貌：在提升机器人与人体交互的便捷性和直观感受方面，具有重要意义。值得注意的是，不宜过分追求完美，否则容易导致强烈的审美疲劳。
• 将主要视线放在机器人面部：通过这种设计，可以最大限度地展现机器人身体语言的表达能力。
• 使用一致的配色方案：为了确保机器人界面的协调统一，建议所有机器人均配备相同的服装、服饰和装饰品，这样可以避免界面显得杂乱分散。
• 使用简洁的动作：在设计机器人动作时，应避免过于复杂或华丽的造型，以保持动作的自然流畅，避免因过于复杂的设计而影响其美观。

3.2 可用性原则

所谓可用性原则，是确保人体机器人易于安装、配置和使用。实现这一点，可以通过采用便携式机械臂和控制器，并提供简单的操作说明来实现。具体措施包括：首先，设计人体机器人时应优先考虑操作者的便利性，例如采用轻便的机械臂结构和直观的操作界面；其次，提供详细的使用手册和视频演示，帮助操作者快速掌握操作方法；最后，设置友好的人机交互界面，使操作过程更加直观和高效。

• 方便使用的脚垫：不仅能够有效避免大量占用空间，还能够防止脚印溅到地板上。
• 为了防止电容负荷过高，这将有效保护用户的隐私和安全。
• 充足容量来存储工具：不仅能够避免出现空间不足的情况，还能够防止用户因缺少工具而无法完成任务。
• 为用户提供安全防护措施：通过机器人自身的安全功能，包括防火墙、警报器和人脸识别等技术，可以显著提升用户的安全意识。

3.3 撅嘴感知原则

所谓口音感知原则，旨在使人体机器人能够通过发出声音来感知周围环境并进行交流。实现这一目标，可以通过运用耳机、声光识别技术、语音识别和智能回复系统等技术来达到预期效果。具体措施包括：运用耳机设备接收周围环境的声音信号，通过声光识别技术将声音转化为数字信号，利用语音识别技术将这些数字信号转换为语言信息，并通过智能回复系统对这些语言信息进行处理和反馈。

• 配戴耳机：这将使机器人具备“对话”的能力，实现人机有效沟通。
• 采用高质量的音频信号：音频信号质量直接关系到人体机器人的性能。
• 感知声音环境：为确保机器人能感知声音，应尽量避免进入无声音环境。
• 首启智能回复系统：借助智能回复系统，机器人能够根据接收的指令进行相应的反馈响应。

3.4 舒适性原则

所谓舒适性原则，是指人体机器人应具备令人愉悦的操作体验。实现这一点，可以通过应用优质控制系统、采用先进机械臂设计以及实施合理动作规划等技术手段来实现。具体实施方法包括：第一，应用优质控制系统；第二，采用先进机械臂设计；第三，实施合理动作规划。这些措施能够有效达成目标。

• 遵循身体、肢体和手的自然关节布局：这有助于与人体协调，确保关节活动的顺畅性。
• 采用高质量电池：这将保证机器人的持续运行。
• 减轻机械臂及肢体的重量：这将减少用户的负担。
• 避免过度拉伸肢体：这将提高控制的灵活性。

3.5 可定制性原则

即允许用户基于个性化需求、功能需求以及应用场景对机器人进行配置。实现这一目标，可以通过引入开源平台、借助可编程接口以及利用云计算技术来达成目标。具体措施如下：通过引入开源平台，用户能够自由选择和集成所需组件；借助可编程接口，机器人可以根据不同的需求进行动态配置；而云计算技术则提供了弹性资源分配，确保在各种应用场景下都能高效运行。

借助开源平台，可以推动社区开发，吸引用户群体，增强市场竞争力。通过提供可编程接口，可以运用简单的编程语言和程序来控制机器人。借助云计算技术，可以为用户提供实时的、多样化的定制服务。

3.6 健壮性原则

所谓健壮性原则，即要求人体机器人具备较强的抗攻击能力。要实现这一目标，可以通过实施充分的测试、改进的控制系统、优化的电源管理单元、完善的碰撞检测系统以及有效的反弹系统等技术手段来达到预期目标。具体实施措施包括：首先，应加强机器人在各种环境下的性能测试；其次，优化控制系统以提高反应速度和稳定性；再次，完善电源管理单元以确保系统在高强度任务下的稳定运行；最后，构建可靠的碰撞检测系统和有效的反弹机制，以保障机器人在面对攻击时的安全性。

在经过系统性测试的环境下使用：这可以确保机器人在极端工作条件下的持续稳定运行。

3.7 快速响应性原则

所谓快速响应性原则，就是要使人体机器人具有良好的响应速度。实现这一目标，可以通过采用模块化的控制系统、快速计算能力和云计算技术等技术手段来实现。具体措施如下：

采用模块化的控制系统：这将使系统具有更高的抗干扰能力、良好的稳定性，并显著提高系统的响应速度。通过引入计算节点来增强计算能力：这将显著提高控制算法的运行效率。采用云计算技术：这将使数据存储和处理过程得以在分布式架构中实现，显著提升数据传输和处理的速度。

3.8 安全性原则

所谓人体机器人安全性原则，是确保机器人具备高度的安全级别。要实现这一目标，可以通过应用专业安全技术和实时监控系统等手段来实现。具体措施如下：

• 为确保系统安全，建议部署多层次的安全防护措施，以抵御病毒攻击、网络截杀以及数据窃取等潜在威胁。
  • 通过采用云计算技术，数据存储和处理过程得以在多节点间分布式实施，从而为用户提供了一个安全且透明的数据存储解决方案。
  • 部署实时监控系统后，机器人行为的实时跟踪功能得以实现，从而能够及时识别并纠正任何异常操作。

3.9 用户参与性原则

即，用户参与性原则旨在通过促进用户在机器人设计与建设过程中的主动参与，从而推动人机交互技术的进步。具体而言，可采取用户反馈调查表、专家评审机制以及互动式教学模式等多种方式，以实现目标。具体措施包括：1. 建立用户反馈调查表，收集设计建议；2. 建立专家评审机制，确保方案质量；3. 开展互动式教学模式，培养专业人才。

• 提供用户调查问卷：通过分析用户反馈信息，可以进一步优化机器人设计。
• 使用评审制度：采用评审制度，可以对机器人的设计、制造、使用等环节进行全面评估。
• 进行参与式教学：推行参与式教学模式，可以邀请用户在教学过程中提供建设性意见和积极参与。

3.10 人体机器人设计的相关技术

在本节中，我将阐述几种用于人体机器人设计过程中的技术，并详细阐述它们的应用领域、优势以及存在的局限性。

3.10.1 模型制作技术

模型制作技术的主要目标是制造出能够模仿人肢体动作和语言功能的模型。目前，多种类型的技术并存，包括捏合装置、电子技术以及手工绘画等。其中，电子技术最为显著，因为它能够自动生成强大的、高度可定制的数字形态。

3.10.1.1 捏合器件模型

捏合器件模型是基于具有与人体器官形状相似的结构，通过用电极进行嵌套，从而实现人体器官运动的复杂、逼真模拟。研究者通过调节电极之间的间距和角度，可以有效控制各器官之间的相互作用力，从而实现人体器官运动的复杂、逼真模拟。该模型的显著优点包括操作简便、成本低廉、无需额外费用以及性能卓越，特别适合用于小型实验和研究。然而，该模型的主要缺点在于模拟效果的逼真度不足、实验周期较长、制造工艺复杂以及所需材料成本较高。

3.10.1.2 电子技术模型

电子技术模型是由多种材料如电子元件、光刻胶、硅胶、锂电池以及氘核聚变剂等组成的，这种模型通常由电子计算机进行控制。在实际应用中，电子技术模型一般通过外设控制电路，结合计算机处理图像数据，从而生成相应的运动指令。该技术模型的主要优势在于其简单性、实时性、耐久性以及无需特殊材料的特点，这使其成为验证新想法或解决特定问题的理想选择。然而，该技术模型也存在一些局限性，包括制造周期长、所需材料昂贵、操作不够稳定以及无法模拟人体所有部位等缺点。

3.10.1.3 手工绘画模型

手工绘画模型是由绘图图形、线条和材料构成的特殊艺术形式，旨在模仿人体的形态结构和动作细节。这种模型具有较高的制作工艺，虽然制作耗时较长，但能呈现高度逼真且具真实感的场景。相较于其他建模方式，手工绘画模型的优势在于操作简便、成本低廉且制作质量上乘，特别适合在无固定支撑的环境中进行创作，能够生成各种虚拟与真实场景的结合体。然而，其明显的缺点在于制作成本高昂、材料消耗大且耗时较长，这限制了其在大规模应用中的可行性。

3.10.2 控制技术

控制技术是实现对机器人进行操作的技术手段。控制技术主要包含机器人控制、人工控制以及混合控制三种类型。工程控制、物理控制和计算机控制是机器人控制技术的主要组成部分，它们能够实现复杂的机器人动作控制。人力控制、仿生控制和动画技术是人工控制技术的主要类型，它们通过人的想象力、体力和直觉来实现机器人的控制。混合控制技术是通过结合机器人控制和人工控制技术实现的。

3.10.2.1 工程控制技术

工程控制技术也可称为数控技术、工程动力学技术和电气控制技术，它是一种高度自动化控制技术，具有非常高的灵活性和精细度。其主要优点在于具有高度的灵活性、极高的精度、可靠性卓越以及操作简便的特点。然而，该技术存在一些局限性，包括运行速度较慢、抗干扰能力不足、电流噪声较大以及操作流程较为复杂等。

3.10.2.2 物理控制技术

物理控制技术是指基于固有物理特性和限制条件，采用一种开关控制策略来实现机械系统运动的控制方式。其典型代表是基于直流电机的控制方案。该技术具有高精度、良好的灵敏度、简便的操作方式、稳定的线性特性和抗干扰能力。然而，其主要缺点体现在控制难度较大、制造材料及生产成本高昂、抗干扰能力不足。

3.10.2.3 计算机控制技术

计算机控制技术主要依赖计算机技术来实现控制，它涵盖物理控制、工程控制以及人工控制等多个方面。该技术的主要代表包括基于模型的控制和人工智能算法。计算机控制技术显著的优势在于其快速响应和灵活操作能力，同时具备较强的可编程性和扩展性。然而，该技术也存在一些主要缺点，如较高的复杂性、性能表现欠佳、非实时处理特性以及对专业算法的依赖需求。

3.10.3 硬件技术

硬件技术是指制造人体机器人所需的各类零部件的集合。其主要目的是为机器人提供坚固的结构和强劲的动力。硬件技术的主要组成部分包括机械结构、制动系统和电气系统等。

3.10.3.1 机械结构

机械结构是机器人身体的机构结构，其主要功能是为机器人提供动力支持。当前，人体机器人的机械结构主要由四个基本单元构成——器官、软组织、装配架和机械臂。其中，器官部分主要包含颅骨、躯干、小腹和四肢骨骼。具体来说，躯干由核心、膝盖和四肢骨骼组成。而四肢骨骼则包括手、足、甲虫和蹄。软组织部分则主要由头、嘴、牙齿、腿和手部软组织构成。机械结构的显著优势在于结构紧凑，具备较强的承载能力，具有良好的柔韧性能，同时具有较高的安全性。然而，其主要缺点在于重量较大，结构较为复杂，需要消耗较多的材料，且生产成本较高。

3.10.3.2 制动系统

制动系统是机器人在停止时减小速度的装置。其主要功能是降低物体摩擦力，降低机器人冲击或碰撞的风险。其优点体现在降低摩擦力、可靠性高以及操作便捷上。缺点则体现在控制复杂性、成本高昂以及稳定性较差上。

3.10.3.3 电气系统

电力系统主要由机器人所需的电源、动力电机以及驱动电机等电气设备构成。该系统负责为机器人提供动力和电压。其主要优势包括高耐用性、低成本以及高灵活性和高可靠性。其主要缺点包括噪声过大、电流不稳定以及电源不安全。

3.10.4 感知技术

感知技术是指用于感知环境并生成动作指令的技术。目前，人体机器人的感知技术主要包含以下几种类型：

3.10.4.1 身体感知技术

身体感知技术主要体现在机器人感知周边环境和与人类交互的能力。该技术的典型应用包括视觉导航、激光雷达、光电识别和声音识别等。相较于传统方法，身体感知技术的优势在于全方位感知、高效处理和精确识别，能够实现实时反馈。然而，其局限性主要体现在材料成本高、延迟问题以及技术难度较大的特点。

3.10.4.2 肢体感知技术

肢体感知技术是指机器人具备感知身体上物体、手部活动和行为的能力。肢体感知技术的典型代表包括激光、力传感、压感、触觉和红外探测器。该技术的主要优点包括实时性好、精度高、强壮性以及具备免疫系统。然而，其缺点主要体现在材料成本较高、存在较大延迟以及难度较大。

3.10.4.3 手部感知技术

手部感知技术是指机器人能够感知手部活动、握把和运动的能力。手部感知技术的典型代表包括红外相机、磁钩传感和人工触觉。手部感知技术的主要优点包括操作灵活、成本较低、精度较高以及持续实时。缺点主要体现在材料成本较高、延迟较大以及难度较大。

3.10.4.4 语言感知技术

语言感知技术是指机器人具备理解人类语言、进行自然语言交流的能力。其典型代表包括语音识别、文本转语音、文字识别技术。该技术的主要优点体现在语言灵活、自然、准确且高效。然而，其缺点主要体现在材料及成本较高、操作较为复杂、耗时较长。

3.10.4.5 运动感知技术

运动感知技术体系是指机器人具备感知自身身体运动规律并判断运动状态的能力。其典型代表包括动态骨架、神经网络和传感器阵列等。该技术体系的主要优势体现在高精度、实时性强、成本低廉以及操作便捷等方面。然而，其主要缺点在于材料成本较高、系统复杂度较高且实施难度较大。