“方方”机器人

“方方”机器人

赵姝颖1田祥章2胡彬1邓迅1孙浩1
（1东北大学人工智能与机器人研究所，沈阳，110819；2沈阳科艺馨科技有限公司，沈阳，110014）

摘 要

目前，我国仿人机器人研究大多处于模仿国外产品的水平，缺少独特设计，而且大多数仿人机器人的造型都是模仿人类的模样，都具有头部和四肢等。面向中国科普和教育领域日益增长的应用需求，迫切需要用创新思维自主研发更多有中国特色的仿人机器人产品，本文重点介绍了一款结构和功能独特的仿人机器人——“方方”。

关键词：方方机器人，立方体仿人轮式机器人，仿人机器人，智能机器人

编 者 按

随着教育改革的深化和机器人技术的发展，教育机器人开发和应用正在成为科技工作者和教育工作者共同关注的热点。东北大学赵姝颖教授团队作为中国智能机器人产业创新联盟首批成员、全国科普创作与产品研发示范团队，创建了以智能机器人技术开发和普及为特色的全国科普教育基地，通过多年探索实践，提出了“科艺融合”的教育理念，给出了一系列关于教育机器人资源开发与创新应用的思路和方法，并通过内陆、澳门和中日韩机器人技术交流等活动得到进一步检验，对推进我国机器人教育事业发展具有良好借鉴作用。本刊通过连载，将陆续刊出该团队的部分研究和实践成果。

连载之二：《“方方”机器人》

提到“仿人机器人”，大家头脑里可能会出现“有头、有脸、有四肢，能直立、会说话、会跳舞”等形象，也可能会联想到NAO、MINIROBOT等那些不同造型的国外品牌的仿人机器人。一直以来，市场上都缺少中国原创的机器人产品，也缺少中国特色的仿人机器人。东北大学赵姝颖教授团队自主研发的一款具有独特结构的仿人机器人“方方”，形象方方正正，姿态变化多样，个性设计鲜明，应用创意宽广，在教育娱乐领域具有广阔应用前景，是我国原创机器人的一种创新和突破。本文将对该款机器人作详细介绍。

0引言

在2015年中国优秀智能产品评奖现场，有一个方方正正的“小车”可以突然间变换成人形，并在观众面前手舞足蹈，除此之外，这样一群小车，还可以一下子整齐地站起来，跳一曲《江南STYLE》。它就是一款被称为“方方”的机器人，它也是2015年度中国优秀智能产品奖的“获奖者”。

通俗地讲，模仿人的形态和行为而设计制造的机器人就是仿人机器人。大多数仿人机器人造型模仿人类的模样，具有头部和四肢。与很多机器人研究与开发的情况类似，我国的仿人机器人研究大多处于模仿国外产品的水平，缺少独特的设计。面向中国的科普和教育领域这样需要用创新思维推动的应用需求，迫切需要有中国特色的仿人机器人产品。本文重点介绍了这款结构和功能独特的仿人机器人——“方方”。

1方方的造型与结构

曾经有杂技演员表演了精彩的柔术节目，她通过对身体多个关节的近乎极致的控制，可以把躯体变形成一个与立方体容器相匹配的形状。这种表演让观众感受到了人类身体的关节可控调节范围能够达到让人叹为观止的状态。通过特殊的结构设计，是否可以让机器人达到这种形态和功能效果呢？模拟人体特殊形态变化能力，一款立方体结构的仿人机器人——“方方”应运而生。

图1 柔术演员的变形表演

方方的形状是一个标准的立方体，它的外观是由六个正方形构成的正六面体。

图2 方方的六个正方形面

方方的身体被分割成14个部分，分别为头颈、躯干、肩、上臂、小臂、大腿、小腿和脚等。以躯干为中心，分别利用舵机实现与头颈、左右肩、左右大腿的相对转动；左右肩部分别利用舵机实现与左右大臂的相对转动；左右大臂分别利用舵机实现与左右小臂的相对转动；左右大腿分别利用舵机实现与左右小腿的相对转动；左右小腿分别利用电机实现与左右脚的相对转动。另外，当方方呈现立方体（头部朝下）的形态时，其着力面相对应的肢体内部嵌入两个独立的双轮运动机构。该机器人具有轮式、爬行和翻滚等运动模式，是国内外首创的结构体变形仿人轮式机器人。

图3 方方的人形结构

2方方的多变形态

通过对方方在空间结构上特殊形式的分割，使其具有多种形态的变化。方方是一款变形机器人，具有立方体轮式小车形、人形、四足等机器人形态。

2.1 轮式立方体

图4 方方的立方体轮式小车形态

方方呈现立方体小车形态时，是头部朝下的状态。这种状态下，接触地面的面上有两个轮子，可以实现差动运动，完成前进、后退、左右转动等运动。

2.2 人形

图5 方方的仿人形态

当方方四肢以垂直地面的方向展开，形成双足站立姿态时，头部朝上，双脚着地，可以实现双足运动，完成前进或后退等行进动作，也可以完成“手舞足蹈”的表演。

2.3 四足爬行动物

当方方双脚和双手朝向地面展开时，形成四足爬行姿态，可以实现四足交替着地，完成类似兽类的运动方式。这种姿态可以实现攀爬或者翻越障碍的功能。

图6 方方的四足形态

3方方的混合运动模式

方方独特的结构设计决定了它具有多种变化的形态。与此相对应，方方的运动方式也具有不同于一般仿人机器人的独特之处，它可以呈现轮式小车、双足走行和四足爬行等多种运动状态。面对不同的任务模式，方方可以实现多种运动方式的转换，提升了运动的适应性。

方方的运动模式分为五种，分别为原式、坐式、站式、卧室和摆式。

图7 方方的五种运动姿态

所谓“原式”是指方方呈现六面立方体形态的运动模式，是最稳定模式。这种运动模式为双轮差动方式，主要适用于平整路况下的快速行进；“坐式”是指方方头部和上肢展开，下肢盘坐在平面上的运动模式，能够实现原地挥手和双手协同动作，是较稳定的运动模式，适合原地不动的状态下实现手部拿持物体的动作执行过程；“站式”是指方方站立姿态下的运动模式，支持双足运行，上肢摆动或挥舞，可以完成丰富的仿人运动形态，但是运动稳定性最低；“卧式”是指方方四肢同时或者交替着地的运行模式，能够实现攀爬或者翻越等动作，适合在不平整路况下完成相应指令；“摆式”是指方方的一些稳定姿态之间的变换运动模式，主要用于实现方方的特殊造型及变换。

方方在不同的运动模式下，还可以进一步完成不同的动作。例如：在站式下，可以完成挥手、迈步、跳舞等；在坐式下，可以完成挥手、持物、抛物等动作等。

方方的运动可以在多种模式间转换，一般以原式为过度模式，而不是直接转换，这样可以让运动模式的转换方式清晰，使用户更容易掌握方方的控制方法。

图8 方方的运动模式转换

4方方的功能与应用

方方是一款智能机器人，具有直立感知、运动控制、语音交互和网络协同等功能，支持用户通过互联网或移动互联网终端设备与之进行互动。目前，方方的主要应用是面向教育及娱乐领域。

4.1 机器人教育与科普

利用方方的摆式运动功能，可以辅助引导学员的观察、思考与动手操作的能力。我国长期以来的应试教育导致很多人成长过程中只会过多关注知识的记忆和问题的应答，而忽视了对身边事物的观察、分析、思考和操作能力。借助方方机器人伴侣—小方方，开发了一种互动教学模式——“跟着方方学变形”。这种互动教学，不仅对青少年具有极大吸引力，而且很多成年人也都参与其中，表现得非常积极，直呼过瘾。这种课程的设计让教学活动引人入胜，实现寓教于乐。

图9 跟着方方学变形的互动教学现场

科学技术普及是国家高度重视和大力倡导的社会服务工作，也是科研成果转化的重要途径。赵姝颖教授团队通过17年的科普实践，运用人工智能与机器人技术的最新研究成果，面向普通大众开展了广泛而切实有效的科学技术普及工作。该团队建设的机器人科普教育基地于2015年被中国科协命名为“全国科普教育基地”，先后开发了机器人自动展演系统、大众互动的机器人展示活动等（具体案例待后文续），也利用方方的灵活性和便携性开展了一系列流动科普活动等，受到大众普遍欢迎，有效地提升了机器人科普水平。

4.2互联网+机器人教育

方方具有无线通信功能，支持网络控制方案的实施。未来借助互联网开展机器人教育，相信会有大量的受众通过网络感受方方的魅力，并学习机器人相关知识。这对扩大机器人教育的受众人群，提升机器人教育水平会有很大帮助。

利用方方组织大众互动的机器人竞赛活动，可以充分发挥方方多种运动模式转换的优势，实现车行、攀爬、站立、坐式抛球等动作，完成多机器人合作等任务，展示机器人技术的魅力。

图10 大众互动机器人竞赛项目

该项活动还可以采用便于大众互动的手机遥控的控制方式，让很多没有机器人控制经验的人参与到这项活动中，轻松参与，快乐学习。

4.3方方使教育成为愉快体验

值得一提的是，方方不同于其他仿人机器人，它是一款具有中国特色的仿人机器人，其方方正正的形状便于多机协作功能的开发；其变化多样的形态给用户留下更多的畅想空间；其人机互动和多机协同能力，有助于培养受众的团队合作意识，使教育内容不仅停留在知识和技术层面，更蕴含了人文、品质和修养。

方方在给大众带来更多乐趣的同时，让教育成为了普通大众可以尽情参与的愉快体验，让学习成为了一种积极主动的愉快过程。随着对方方功能的后开发，方方必将成为深受大众欢迎的智慧伙伴。