仿人機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及其腰部機(jī)構(gòu)研究.pdf

第 24卷2005年第 4期4月機(jī) 械 科 學(xué) 與 技 術(shù)MECHAN ICAL SC IENCE AND TECHNOLOGYVol. 24Ap rilNo. 42005收 稿 日 期 : 2003 06 24基 金 項(xiàng) 目 :國(guó) 家 “ 863” 高 技 術(shù) 研 究 發(fā) 展 計(jì) 劃 項(xiàng) 目 ( 2001AA422170)資 助作 者 簡(jiǎn) 介 :李 艷 杰 (1969 - ) ,女 (漢 ) ,遼 寧 ,博 士 研 究 生E2mail: yjli sia. ac. cn李 艷 杰文 章 編 號(hào) : 100328728 (2005) 0420400204仿 人 機(jī) 器 人 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 及 其 腰 部 機(jī) 構(gòu) 研 究李 艷 杰 1, 2, 3 ,趙 鐵 軍 4 ,談 大 龍 3 ,吳 鎮(zhèn) 煒 1 ,鐘 華 1, 2(1中 國(guó) 科 學(xué) 院 沈 陽(yáng) 自 動(dòng) 化 研 究 所 ,沈 陽(yáng) 110016; 2中 國(guó) 科 學(xué) 院 研 究 生 院 ,北 京 100039;3沈 陽(yáng) 工 業(yè) 學(xué) 院 機(jī) 械 工 程 分 院 ,沈 陽(yáng) 110168; 4沈 陽(yáng) 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 ,沈 陽(yáng) 110023)摘 要 :仿 人 機(jī) 器 人 目 前 已 成 為 機(jī) 器 人 領(lǐng) 域 的 研 究 熱 點(diǎn) 問(wèn) 題 之 一 。 本 文 對(duì) 仿 人 機(jī) 器 人 目 前 的 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 進(jìn) 行 了 綜 述 ,介 紹 了 腰 部 機(jī) 構(gòu) 在 仿 人 機(jī) 器 人 的 作 用 以 及 具 有 不 同 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn) 的 腰 部 機(jī) 構(gòu) 。 介 紹 了 一 種 新 型 的 兩 個(gè) 自 由 度 的 并 聯(lián) 差動(dòng) 驅(qū) 動(dòng) 的 腰 部 機(jī) 構(gòu) ,并 進(jìn) 行 了 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 分 析 及 P ID控 制 下 的 響 應(yīng) 特 性 分 析 。 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 ,該 機(jī) 構(gòu) 具 有 較 快 的 響 應(yīng) 速度 和 較 好 穩(wěn) 態(tài) 精 度 。關(guān) 鍵 詞 : 仿 人 機(jī) 器 人 ;腰中 圖 分 類 號(hào) : P24 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼 : AD evelopm en t of Humano id Robot and Study of ItsW a istM echan ismL I Yan2jie1, 2, 3 , ZHAO Tie2jun4 , TAN Da2long3 , WU Zhen2wei1 , ZHONG Hua1, 2(1 Robotics Laboratory, Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016;2 Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039;3 College of Mechanical Engineering, Shenyang Institute of Technology, Shenyang 110168;4 School ofMechanical Engineering, Shenyang Polytechnic University, Shenyang 110023)Abstract: The humanoid robot is one of the most active domains in robotics. This paper summarizes thedevelopment of humanoid robot home and abroad. It discusses the functions of waist of humanoid robotand introduces the waist mechanism s with different structural characteristic. The paper especially intro2duces a kind of innovative 22dof waist mechanism, which is driven by a parallel differential mechanismand analyses this mechanism s kinematics and its responding characteristic under P ID control. The experi2mental results show that this mechnism has a good responding speed and static p recision.Key words: Humanoid robot; W aist仿 人 型 機(jī) 器 人 是 一 種 具 有 人 的 外 形 ,并 能 夠 效 仿 人 體的 某 些 物 理 功 能 、 感 知 系 統(tǒng) 及 社 交 能 力 并 能 承 襲 人 類 部 分經(jīng) 驗(yàn) 的 機(jī) 器 人 。 仿 人 型 機(jī) 器 人 的 研 究 目 的 不 是 企 圖 制 造以 假 亂 真 或 替 代 人 類 的 機(jī) 械 ,而 是 要 創(chuàng) 造 一 種 新 型 工 具 ,它 能 在 典 型 的 日 常 環(huán) 境 中 和 人 類 交 流 ,在 更 廣 泛 的 環(huán) 境 任務(wù) 中 擴(kuò) 展 人 類 的 能 力 。 仿 人 機(jī) 器 人 不 僅 具 有 能 走 的 雙 腿和 雙 臂 ,有 頭 、 眼 、 頸 、 腰 等 物 理 特 征 ,還 能 模 仿 人 類 的 視覺(jué) 、 觸 覺(jué) 、 語(yǔ) 言 ,甚 至 情 感 等 功 能 。 這 和 能 在 特 種 環(huán) 境 下 工作 的 服 務(wù) 機(jī) 器 人 是 有 區(qū) 別 的 。目 前 仿 人 機(jī) 器 人 的 研 究 已 經(jīng) 成 為 機(jī) 器 人 學(xué) 研 究 的 熱點(diǎn) ,是 多 學(xué) 科 的 交 叉 。 中 國(guó) 科 學(xué) 院 沈 陽(yáng) 自 動(dòng) 化 研 究 所 研 制的 輪 式 移 動(dòng) 宜 人 機(jī) 器 人 是 一 個(gè) 仿 人 機(jī) 器 人 技 術(shù) 研 究 平 臺(tái) ,它 由 正 交 輪 式 移 動(dòng) 平 臺(tái) 、 腰 部 、 雙 臂 、 軀 干 及 頭 部 組 成 ,共21個(gè) 自 由 度 ,其 中 腰 部 機(jī) 構(gòu) 具 有 兩 個(gè) 自 由 度 ,利 用 兩 個(gè) 差動(dòng) 輪 系 實(shí) 現(xiàn) 封 閉 式 傳 動(dòng) ,是 一 個(gè) 創(chuàng) 新 性 機(jī) 構(gòu) 。本 文 介 紹 了 仿 人 機(jī) 器 人 的 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 ,分 析 了 腰 部 機(jī) 構(gòu)在 仿 人 機(jī) 器 人 中 的 作 用 ,以 及 差 動(dòng) 輪 系 驅(qū) 動(dòng) 的 輪 式 移 動(dòng) 宜人 機(jī) 器 人 腰 部 機(jī) 構(gòu) 的 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn) ,給 出 了 腰 部 機(jī) 構(gòu) 的 運(yùn) 動(dòng) 學(xué)方 程 ,建 立 了 基 于 PC機(jī) Can卡 的 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 系 統(tǒng) ,并 對(duì) 該 腰部 機(jī) 構(gòu) 的 控 制 響 應(yīng) 特 性 進(jìn) 行 了 實(shí) 驗(yàn) 研 究 。1 仿 人 機(jī) 器 人 的 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 1 6 日 本 的 早 稻 田 大 學(xué) 研 究 仿 人 機(jī) 器 人 已 有 將 近 40年 的歷 史 ,并 在 1973年 創(chuàng) 建 了 世 界 上 第 一 個(gè) 仿 人 形 機(jī) 器 人WABOT21。 1992年 早 稻 田 大 學(xué) 集 中 工 業(yè) 界 、 政 府 和 學(xué) 術(shù) 界的 力 量 開(kāi) 始 了 仿 人 機(jī) 器 人 工 程 ( The Project Humanoid) ,它的 最 終 目 標(biāo) 是 開(kāi) 發(fā) 能 與 人 類 分 享 信 息 和 行 為 空 間 的 機(jī) 器人 。 1995年 ,該 工 程 生 產(chǎn) 了 第 一 個(gè) 名 為 Hadaly21的 樣 機(jī) ,Hadaly21能 綜 合 視 聽(tīng) 信 息 ,聲 音 對(duì) 話 和 姿 態(tài) 運(yùn) 動(dòng) 與 人 進(jìn) 行第 4期 李 艷 杰 等 :仿 人 機(jī) 器 人 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 及 其 腰 部 機(jī) 構(gòu) 研 究幾 個(gè) 基 本 的 信 息 互 動(dòng) 。 1997年 ,早 稻 田 大 學(xué) 又 集 成 了 工 程前 期 的 技 術(shù) ,開(kāi) 發(fā) 了 兩 個(gè) 新 的 仿 人 機(jī) 器 人 ,命 名 為 Hadaly22和 W abian (W aseda bipedal humanoid) (圖 1)。 Hadaly22的 下 肢 移 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 是 車 體 ,它 綜 合 視 覺(jué) 環(huán) 境 認(rèn) 知 、 對(duì) 話 能 力 、姿 態(tài) 行 為 實(shí) 現(xiàn) 與 人 類 的 信 息 交 互 ; WAB IAN是 一 個(gè) 全 面 具有 人 體 構(gòu) 造 的 機(jī) 器 人 。 它 能 用 雙 腿 步 行 ,能 攜 帶 物 體 ,具有 信 息 交 互 能 力 。 早 稻 田 大 學(xué) 的 仿 人 機(jī) 器 人 的 最 新 成 果是 W endy(W aseda engineering designed symbiont)。 它 是 在提 高 Hadaly22的 每 個(gè) 子 系 統(tǒng) 的 基 礎(chǔ) 上 發(fā) 展 而 來(lái) ,能 更 好 地實(shí) 現(xiàn) 人 與 機(jī) 器 人 的 交 互 ,W endy還 把 安 全 性 (沖 擊 和 碰 撞時(shí) 的 安 全 )和 可 操 作 性 (移 動(dòng) 性 和 靈 活 性 )作 為 基 本 要 求 ,它 能 完 成 從 地 板 上 拿 起 物 體 及 打 雞 蛋 等 任 務(wù) 。日 本 的 Honda公 司 的 仿 人 機(jī) 器 人 工 程 開(kāi) 始 于 1986年 ,經(jīng) 過(guò) 十 年 的 秘 密 研 究 , P2在 1996年 一 經(jīng) 問(wèn) 世 ,便 令 世 人 瞠目 。 P2是 世 界 上 第 一 個(gè) 無(wú) 纜 仿 人 機(jī) 器 人 ,它 能 走 ,能 上 下 臺(tái)階 ,能 推 小 車 。 P3是 P2的 改 進(jìn) ,減 小 了 尺 寸 (重 量 由 原 來(lái)的 210 kg降 為 130 kg,高 度 由 1800 mm降 為 1600 mm,提 高了 步 行 能 力 。 2000年 本 田 公 司 又 推 出 了 新 型 雙 腳 步 行 機(jī) 器人 “ A simo (Advanced step in innovative mobility) ” ,和 “ P3” 相比 ,體 形 更 小 、 重 量 更 輕 ,并 采 用 了 新 開(kāi) 發(fā) 的 技 術(shù) “ I2W alkin2ga ( Intelligent Realtime Flexible W alking) ” 實(shí) 現(xiàn) 更 加 自 由 的步 行 。 2002年 12月 Honda公 司 又 推 出 了 最 新 款 的 A simo智 能 仿 人 機(jī) 器 人 (圖 2) ,它 的 主 要 特 點(diǎn) 是 :(1) 基 于 認(rèn) 知 技 術(shù) 的 先 進(jìn) 的 交 流 能 力 。 它 能 實(shí) 現(xiàn) 移動(dòng) 物 體 認(rèn) 知 、 位 置 /姿 態(tài) 認(rèn) 知 、 環(huán) 境 認(rèn) 知 、 聲 音 認(rèn) 知 和 面 部認(rèn) 知 。(2) 網(wǎng) 絡(luò) 集 成 能 力 。 它 能 與 用 戶 網(wǎng) 絡(luò) 系 統(tǒng) 相 連 完 成用 戶 指 令 ,還 能 通 過(guò) 互 聯(lián) 網(wǎng) 為 主 人 的 問(wèn) 題 尋 找 答 案圖 1 W abian 圖 2 A simo日 本 東 京 大 學(xué) 開(kāi) 發(fā) 的 H6和 H7,采 用 空 間 技 術(shù) ,它 們 具有 低 重 量 (55 kg)、 高 強(qiáng) 度 的 特 點(diǎn) 。 H6有 35個(gè) 自 由 度 ,它 能走 上 和 走 下 25 cm高 的 臺(tái) 階 ,還 能 認(rèn) 識(shí) 預(yù) 存 的 人 的 面 孔 。日 本 京 都 的 先 進(jìn) 通 信 研 究 所 ( the Advanced Telecom2munication Research Institute International or ATR)開(kāi) 發(fā) 了 世界 上 第 一 個(gè) 能 在 兩 輪 基 座 上 自 平 衡 的 仿 人 機(jī) 器 人 。 這 一“ Robovie” 系 列 的 機(jī) 器 人 能 實(shí) 現(xiàn) 人 與 機(jī) 器 人 的 對(duì) 等 交 流 。Robovie2III增 加 了 日 常 活 動(dòng) 中 交 流 行 為 的 種 類 ,能 夠 表 達(dá)更 多 的 姿 態(tài) 和 行 為 。 Robovie利 用 倒 立 擺 機(jī) 構(gòu) 實(shí) 現(xiàn) 在 兩 輪基 座 上 自 平 衡 。 使 機(jī) 器 人 能 與 不 同 高 度 的 人 談 話 ,能 在 說(shuō)話 時(shí) 向 后 看 ,能 通 過(guò) 移 動(dòng) 腰 來(lái) 做 幽 默 的 姿 勢(shì) ,能 用 手 指 指向 特 定 物 體 。SDR23x( Sony D ream Robot23X)是 日 本 索 尼 公 司 于 2000年 推 出 的 緊 湊 型 仿 人 機(jī) 器 人 。 500 mm高 、 220 mm寬 、 5 kg重 , 24個(gè) 自 由 度 ,它 除 了 能 走 以 外 ,還 能 蹲 下 、 起 來(lái) 、 同 步 舞蹈 ,但 它 不 能 走 上 或 走 下 臺(tái) 階 。 2002年 該 公 司 又 推 出 了SDR24x型 機(jī) 器 人 ,它 的 自 由 度 數(shù) 達(dá) 到 了 38個(gè) 。 它 利 用 實(shí) 時(shí)運(yùn) 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 實(shí) 現(xiàn) 在 像 地 毯 類 的 彈 性 地 面 上 行 走 ,并 保 持平 衡 。 SDR24X的 視 覺(jué) 和 聲 音 認(rèn) 知 能 力 也 大 有 提 高 。日 本 的 METI(M inistry of Economy, Trade and Industry)從 1998年 開(kāi) 始 實(shí) 施 了 一 個(gè) 為 期 五 年 的 仿 人 機(jī) 器 人 工 程(HRP)。 HRP采 用 基 于 平 臺(tái) 的 方 法 ,即 用 第 一 階 段 開(kāi) 發(fā) 的平 臺(tái) 作 為 第 二 階 段 的 基 礎(chǔ) 框 架 。 第 二 階 段 的 主 要 任 務(wù) 是為 仿 人 機(jī) 器 人 找 到 有 前 景 的 應(yīng) 用 ,為 仿 人 機(jī) 器 人 工 業(yè) 的 批量 生 產(chǎn) 鋪 路 。 HRP22P是 在 HRP22平 臺(tái) 下 生 產(chǎn) 的 仿 人 機(jī) 器人 樣 機(jī) ,它 在 臀 關(guān) 節(jié) 采 用 懸 臂 結(jié) 構(gòu) 、 增 加 兩 個(gè) 自 由 度 的 腰關(guān) 節(jié) 等 特 殊 機(jī) 構(gòu) ,使 它 能 在 露 天 的 粗 糙 地 面 上 行 走 ,并 使得 身 體 運(yùn) 動(dòng) 范 圍 更 大 、 穩(wěn) 定 性 更 好 。 它 的 另 一 個(gè) 顯 著 特 點(diǎn)是 沒(méi) 有 了 后 背 的 電 池 包 。美 國(guó) 麻 省 理 工 學(xué) 院 開(kāi) 發(fā) 的 Cog機(jī) 器 人 只 有 上 身 ,沒(méi) 有下 肢 ,主 要 作 為 研 究 機(jī) 器 人 的 頭 腦 智 能 、 認(rèn) 知 與 感 知 、 手 臂的 靈 活 性 及 柔 順 型 等 的 平 臺(tái) 。美 國(guó) 佛 羅 里 達(dá) 大 學(xué) 的 機(jī) 器 智 能 實(shí) 驗(yàn) 室 (M IL )開(kāi) 發(fā) 仿人 機(jī) 器 人 Pneuman,作 為 人 工 認(rèn) 知 、 自 然 語(yǔ) 言 處 理 、 軌 跡 規(guī)劃 、 自 動(dòng) 導(dǎo) 航 、 人 與 機(jī) 器 人 交 互 等 的 研 究 平 臺(tái) 。我 國(guó) 在 仿 人 形 機(jī) 器 人 方 面 做 了 大 量 研 究 ,并 取 得 了 很多 成 果 。 比 如 長(zhǎng) 沙 國(guó) 防 科 技 大 學(xué) 研 制 成 了 雙 足 步 行 機(jī) 器人 (先 行 者 號(hào) ) ,北 京 航 空 航 天 大 學(xué) 研 制 成 了 多 指 靈 巧 手 ,中 國(guó) 科 學(xué) 院 沈 陽(yáng) 自 動(dòng) 化 所 、 哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué) 、 清 華 大 學(xué) 、 北京 科 技 大 學(xué) 也 在 這 方 面 做 了 大 量 深 入 的 工 作 。 我 國(guó) 最 新成 果 是 北 京 理 工 大 學(xué) 于 2002年 12月 推 出 的 仿 人 機(jī) 器 人BHR21,它 按 照 亞 洲 人 的 標(biāo) 準(zhǔn) ,身 高 1. 58 m,體 重 76 kg。 它全 身 有 32個(gè) 關(guān) 節(jié) ,使 其 活 動(dòng) 起 來(lái) 比 較 自 如 ,步 幅 為 0. 33m,速 度 為 每 小 時(shí) 1 km。 它 還 能 打 太 極 拳 。2 腰 關(guān) 節(jié) 在 仿 人 機(jī) 器 人 中 的 作 用 7 13 從 生 物 學(xué) 的 角 度 來(lái) 看 ,猴 子 有 細(xì) 長(zhǎng) 的 腰 ,但 它 主 要 生活 在 樹(shù) 上 ;黑 猩 猩 和 大 猩 猩 等 大 型 靈 長(zhǎng) 類 動(dòng) 物 像 人 類 一 樣主 要 生 活 在 陸 地 上 ,它 們 的 臀 關(guān) 節(jié) 和 肩 關(guān) 節(jié) 有 很 大 的 力 量和 運(yùn) 動(dòng) 范 圍 ,但 卻 沒(méi) 有 腰 的 靈 活 性 ,它 骨 盆 上 邊 和 最 下 面的 肋 骨 之 間 沒(méi) 有 間 隙 。 而 人 類 在 骨 盆 和 肋 骨 之 間 有 腰 相連 ,使 人 類 的 脊 骨 可 以 帶 動(dòng) 上 身 彎 曲 、 側(cè) 傾 及 扭 轉(zhuǎn) ,使 人 類的 活 動(dòng) 有 更 大 的 移 動(dòng) 性 和 靈 活 性 ,人 類 是 有 腰 的 唯 一 的 大型 靈 長(zhǎng) 類 動(dòng) 物 。在 仿 人 機(jī) 器 人 中 加 入 腰 ,旨 在 提 高 機(jī) 器 人 步 行 穩(wěn) 定 性及 在 連 續(xù) 快 速 步 行 中 讓 仿 人 機(jī) 器 人 能 像 人 類 一 樣 實(shí) 現(xiàn) 整 個(gè)身 體 (上 肢 、 下 肢 及 腰 )的 協(xié) 調(diào) 動(dòng) 作 ,完 成 各 種 不 同 工 作 。104機(jī) 械 科 學(xué) 與 技 術(shù) 第 24卷2. 1 腰 關(guān) 節(jié) 在 連 續(xù) 穩(wěn) 定 的 動(dòng) 態(tài) 步 行 中 的 作 用1990年 早 稻 田 大 學(xué) 的 J in2ichi Yamaguchi et al提 出 了利 用 腰 的 兩 軸 (俯 仰 和 橫 滾 軸 )運(yùn) 動(dòng) 補(bǔ) 償 在 任 意 規(guī) 劃 ZMP(零 力 矩 點(diǎn) )下 的 下 肢 運(yùn) 動(dòng) 產(chǎn) 生 的 力 矩 實(shí) 現(xiàn) 雙 足 動(dòng) 態(tài) 穩(wěn) 定的 快 速 步 行 的 控 制 方 法 ,平 面 步 行 速 度 可 達(dá) 0. 64 s/ step,步 長(zhǎng) 0. 3 m / step。 實(shí) 驗(yàn) 發(fā) 現(xiàn) ,這 種 方 法 雖 然 實(shí) 現(xiàn) 了 快 速 步行 ,但 步 行 時(shí) 在 偏 轉(zhuǎn) 軸 產(chǎn) 生 的 力 矩 使 得 機(jī) 器 人 在 偏 轉(zhuǎn) 軸 上有 旋 轉(zhuǎn) ,并 成 為 影 響 步 行 穩(wěn) 定 性 的 重 要 因 素 。 而 人 類 則 不僅 可 以 補(bǔ) 償 俯 仰 軸 和 橫 滾 軸 的 力 矩 還 可 以 通 過(guò) 雙 臂 的 擺動(dòng) 和 腰 部 的 旋 轉(zhuǎn) 來(lái) 補(bǔ) 償 偏 轉(zhuǎn) 軸 的 力 矩 從 而 保 持 步 行 的 整體 穩(wěn) 定 性 。1993年 他 們 又 提 出 了 腰 部 的 三 軸 力 矩 補(bǔ) 償 的 控 制 方法 ,并 在 機(jī) 器 人 WL212RV上 進(jìn) 行 了 實(shí) 驗(yàn) 研 究 ,平 面 步 行 速度 可 達(dá) 0. 54 s/ step,步 長(zhǎng) 0. 3 m / step。2. 2 腰 在 全 身 協(xié) 調(diào) 動(dòng) 態(tài) 步 行 中 的 作 用1996年 J in2ichi Yamaguchi et al通 過(guò) 研 究 雙 足 步 行 仿人 機(jī) 器 人 整 個(gè) 身 體 (下 肢 、 上 肢 和 腰 )的 協(xié) 調(diào) 動(dòng) 態(tài) 步 行 ,得到 了 機(jī) 器 人 的 全 身 協(xié) 調(diào) 動(dòng) 態(tài) 步 行 控 制 方 法 ,該 方 法 主 要 通過(guò) 腰 部 的 協(xié) 調(diào) 運(yùn) 動(dòng) 來(lái) 補(bǔ) 償 由 任 意 規(guī) 劃 下 的 下 肢 運(yùn) 動(dòng) 及 手臂 運(yùn) 動(dòng) 產(chǎn) 生 的 三 軸 (俯 仰 ,橫 滾 和 偏 轉(zhuǎn) 軸 )力 矩 。 在 仿 人 機(jī)器 人 W abian上 進(jìn) 行 的 步 行 實(shí) 驗(yàn) 表 明 ,可 實(shí) 現(xiàn) :(1) 手 臂 固 定 時(shí) 的 正 常 動(dòng) 態(tài) 步 行 (前 進(jìn) 及 后 退 ) , 0. 10s/ step 0. 15 s/ step, 8. 00 s/ step 1. 28 s/ step;(2) 動(dòng) 態(tài) 舞 蹈 (向 前 、 向 后 及 擺 臀 ) ;(3) 雙 臂 動(dòng) 態(tài) 持 重 物 , 0. 10 s/ step 0. 15 s/ step, 1. 28s/ step,負(fù) 重 1. 5 kg。2. 3 腰 在 有 情 感 步 行 中 的 作 用人 類 的 步 行 還 能 表 達(dá) 人 類 的 情 感 ,比 如 ,人 在 高 興 的時(shí) 候 ,走 路 常 有 仰 頭 、 挺 胸 、 腳 步 輕 快 ;而 在 傷 心 的 時(shí) 候 ,常有 低 頭 、 彎 腰 、 步 履 緩 慢 等 特 征 。 雙 足 步 行 機(jī) 器 人 若 能 用身 體 的 運(yùn) 動(dòng) 來(lái) 表 達(dá) 情 感 ,將 使 仿 人 機(jī) 器 人 更 具 親 和 力 ,易于 與 人 類 交 流 。 A tsuo Takanishi以 W abian2R II進(jìn) 行 步 行 機(jī)器 人 有 情 感 步 行 的 實(shí) 驗(yàn) 研 究 。 不 同 情 感 狀 態(tài) 下 選 擇 頭 、臂 、 腰 的 不 同 運(yùn) 動(dòng) 參 數(shù) ,得 到 不 同 的 步 態(tài) 特 征 ,步 行 前 根 據(jù)這 些 參 數(shù) 來(lái) 規(guī) 劃 下 肢 、 腰 和 頭 的 運(yùn) 動(dòng) 模 式 ,計(jì) 算 腰 部 的 補(bǔ)償 運(yùn) 動(dòng) 以 實(shí) 現(xiàn) 穩(wěn) 定 的 有 情 感 步 行 ;步 行 中 利 用 程 序 控 制 每個(gè) 情 感 步 行 模 式 。 此 外 ,腰 關(guān) 節(jié) 在 擴(kuò) 大 機(jī) 器 人 工 作 空 間 中也 起 到 了 重 要 的 作 用 。2. 4 腰 在 輪 式 仿 人 機(jī) 器 人 中 的 應(yīng) 用機(jī) 器 人 W endy的 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 由 頭 、 腰 、 車 和 手 指 等 幾 部 分組 成 ,它 的 腰 關(guān) 節(jié) (圖 3)由 一 個(gè) 旋 轉(zhuǎn) 軸 (關(guān) 節(jié) 1)和 兩 個(gè) 側(cè) 傾軸 (關(guān) 節(jié) 2和 關(guān) 節(jié) 3)。 通 過(guò) 關(guān) 節(jié) 2和 3的 反 向 旋 轉(zhuǎn) ,實(shí) 現(xiàn) 彎腰 但 不 傾 倒 ,它 可 以 擴(kuò) 展 垂 直 面 上 的 工 作 空 間 ,可 以 增 加 整個(gè) 身 體 的 冗 余 度 ,有 效 地 抑 制 人 機(jī) 接 觸 時(shí) 的 沖 擊 力 。機(jī) 器 人 Robovie是 基 于 同 軸 兩 輪 倒 立 擺 的 移 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) ,它 具 有 3個(gè) 自 由 度 的 腰 關(guān) 節(jié) ,第 一 個(gè) 關(guān) 節(jié) 用 于 扭 轉(zhuǎn) 上 身 ,使 Robovi2III不 用 在 地 面 上 移 動(dòng) 就 可 以 向 四 周 看 ;第 二 個(gè)關(guān) 節(jié) 用 于 實(shí) 現(xiàn) 上 身 的 側(cè) 傾 ;第 三 個(gè) 關(guān) 節(jié) 是 平 行 連 桿 機(jī) 構(gòu) 實(shí)現(xiàn) 上 身 的 前 后 俯 仰 。 腰 關(guān) 節(jié) 的 組 合 運(yùn) 動(dòng) 能 夠 抵 消 上 身 運(yùn)動(dòng) 引 起 的 中 心 變 化 ,還 可 以 實(shí) 現(xiàn) 在 不 平 路 面 運(yùn) 動(dòng) 過(guò) 程 中 保持 上 身 直 立 向 上 。圖 3 W endy的 腰 關(guān) 節(jié)中 國(guó) 科 學(xué) 院 沈 陽(yáng) 自 動(dòng) 化 所 的 輪 式 移 動(dòng) 仿 人 機(jī) 器 人 的腰 部 機(jī) 構(gòu) 采 用 新 穎 的 并 聯(lián) 差 動(dòng) 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) (圖 4) ,可 以 實(shí) 現(xiàn)雙 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 仿 人 機(jī) 器 人 的 俯 仰 或 側(cè) 傾 的 單 獨(dú) 運(yùn) 動(dòng) ,又 可 以實(shí) 現(xiàn) 俯 仰 和 側(cè) 傾 的 復(fù) 合 運(yùn) 動(dòng) 。 還 具 有 電 源 消 耗 低 ,降 低 中心 ,提 高 穩(wěn) 定 性 的 特 點(diǎn) 。圖 4 并 聯(lián) 差 動(dòng) 驅(qū) 動(dòng) 腰 部 機(jī) 構(gòu)3 腰 部 機(jī) 構(gòu) 的 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 分 析 14, 15 該 腰 部 機(jī) 構(gòu) 本 質(zhì) 上 是 串 聯(lián) 機(jī) 構(gòu) 形 式 ,依 據(jù) 串 聯(lián) 機(jī) 構(gòu) 末端 連 桿 的 位 姿 與 關(guān) 節(jié) 變 量 之 間 的 關(guān) 系 ,建 立 腰 部 機(jī) 構(gòu) 運(yùn) 動(dòng)學(xué) 方 程 ,即02 R0 P200 1=cosq1 cosq2 - cosq1 sinq2 - sinq1 lcosq1sinq1 cosq2 - sinq1 sinq2 cosq1 lsinq1- sinq2 - cosq2 0 00 0 0 1(1)式 中 : 02 R為 腰 部 末 端 的 姿 態(tài) 矩 陣 ; 0 P20為 腰 部 末 端 的 位 置矩 陣 ; q1 , q2 為 側(cè) 傾 和 俯 仰 的 關(guān) 節(jié) 變 量 ; l為 腰 部 高 度 。根 據(jù) 差 動(dòng) 輪 系 的 運(yùn) 動(dòng) 特 點(diǎn) ,差 動(dòng) 輪 系 輸 出 軸 的 速 度 ,就 是 側(cè) 傾 和 俯 仰 運(yùn) 動(dòng) 的 關(guān) 節(jié) 速 度 ,即q 1 = 1i | I1 + I 2 | (2)q 2 = 1i | I1 - I 2 | (3)式 中 : I1 , I2分 別 為 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī) I1和 I2的 轉(zhuǎn) 速 ; i為 傳 動(dòng) 比 。204第 4期 李 艷 杰 等 :仿 人 機(jī) 器 人 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 及 其 腰 部 機(jī) 構(gòu) 研 究4 腰 部 機(jī) 構(gòu) 性 能 測(cè) 試 與 分 析為 對(duì) 腰 部 機(jī) 構(gòu) 實(shí) 施 控 制 并 對(duì) 腰 部 機(jī) 構(gòu) 的 運(yùn) 動(dòng) 及 控 制性 能 進(jìn) 行 實(shí) 驗(yàn) 研 究 ,建 立 了 基 于 PC機(jī) CAN卡 的 實(shí) 驗(yàn) 平臺(tái) ,該 平 臺(tái) 的 硬 件 結(jié) 構(gòu) 主 要 由 PC機(jī) 、 基 于 CAN卡 的 總 線控 制 器 及 兩 個(gè) 基 于 單 片 機(jī) 的 關(guān) 節(jié) 控 制 器 、 帶 光 電 編 碼 器 的伺 服 電 機(jī) 、 PWM功 率 放 大 器 、 A /D轉(zhuǎn) 換 等 組 成 。對(duì) 兩 關(guān) 節(jié) 電 機(jī) 實(shí) 施 速 度 的 P I控 制 +位 置 P控 制 策 略 ,電 機(jī) 輸 出 軸 的 角 位 移 由 增 量 式 光 電 編 碼 器 獲 得 ,速 度 由 位移 的 微 分 求 得 。 為 獲 得 腰 部 機(jī) 構(gòu) 末 端 的 響 應(yīng) 特 性 ,在 該 機(jī)構(gòu) 的 末 端 安 裝 了 兩 個(gè) 傾 角 計(jì) ,分 別 用 于 測(cè) 量 腰 部 機(jī) 構(gòu) 俯 仰和 側(cè) 傾 運(yùn) 動(dòng) 的 實(shí) 際 空 間 角 度 值 。 利 用 該 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 平 臺(tái) ,對(duì)腰 部 機(jī) 構(gòu) 的 實(shí) 時(shí) 響 應(yīng) 特 性 進(jìn) 行 了 實(shí) 驗(yàn) 研 究 。 圖 5為 其 中 一個(gè) 關(guān) 節(jié) 電 機(jī) 的 速 度 響 應(yīng) 曲 線 ;圖 6為 俯 仰 位 置 響 應(yīng) 曲 線 。圖 5 伺 服 電 機(jī) 速 度 階 躍 響 應(yīng) 曲 線圖 6 俯 仰 位 置 響 應(yīng) 曲 線實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 ,合 理 選 擇 控 制 器 參 數(shù) ,該 腰 部 機(jī) 構(gòu) 的速 度 階 躍 響 應(yīng) 的 上 升 時(shí) 間 可 達(dá) 60 m s,響 應(yīng) 速 度 較 快 ,空 間位 置 跟 蹤 誤 差 可 達(dá) 0. 2 。5 結(jié) 論在 雙 足 步 行 仿 人 機(jī) 器 人 中 加 入 腰 關(guān) 節(jié) ,利 用 腰 來(lái) 補(bǔ) 償機(jī) 器 人 下 肢 及 上 肢 運(yùn) 動(dòng) 在 兩 軸 或 三 軸 的 不 平 衡 力 矩 可 以實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 器 人 動(dòng) 態(tài) 的 、 穩(wěn) 定 的 、 連 續(xù) 的 、 快 速 的 步 行 運(yùn) 動(dòng) ,還可 以 使 機(jī) 器 人 完 成 帶 感 情 的 步 行 。 腰 的 補(bǔ) 償 作 用 可 以 使機(jī) 器 人 的 上 身 變 的 “ 柔 軟 ” ,從 而 使 機(jī) 器 人 的 步 態(tài) 更 柔 順 。腰 在 輪 式 移 動(dòng) 中 的 主 要 作 用 是 給 機(jī) 器 人 的 手 臂 增 加 了 冗余 度 ,擴(kuò) 大 了 仿 人 機(jī) 器 人 的 工 作 范 圍 。并 聯(lián) 差 動(dòng) 驅(qū) 動(dòng) 腰 部 機(jī) 構(gòu) 本 質(zhì) 上 是 并 聯(lián) 驅(qū) 動(dòng) 方 式 的 串聯(lián) 機(jī) 構(gòu) ,該 機(jī) 構(gòu) 的 主 要 特 點(diǎn) 是 減 少 了 仿 人 機(jī) 器 人 的 電 源 消耗 ,降 低 了 仿 人 機(jī) 器 人 的 中 心 ,提 高 了 系 統(tǒng) 的 運(yùn) 動(dòng) 穩(wěn) 定 性 。實(shí) 驗(yàn) 表 明 ,該 機(jī) 構(gòu) 具 有 良 好 的 動(dòng) 態(tài) 響 應(yīng) 特 性 及 穩(wěn) 態(tài) 特 性 。但 對(duì) 該 機(jī) 構(gòu) 在 大 負(fù) 載 下 的 動(dòng) 態(tài) 特 性 以 及 在 仿 人 機(jī) 器 人 的協(xié) 調(diào) 動(dòng) 態(tài) 運(yùn) 動(dòng) 中 的 控 制 作 用 還 需 深 入 研 究 。參 考 文 獻(xiàn) 1 Hashimoto S, et al. 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