仿人機(jī)器人及其步態(tài)控制-

1、 P . 782010.10綜述人研究工作。一般仿人機(jī)器人應(yīng)具備的功能:(1運(yùn)動(dòng)能力:能在人類的生活和工作環(huán)境中移動(dòng);(2操作能力:能對(duì)外界物體進(jìn)行操作;(3感知能力:了解周圍環(huán)境的信息的能力;(4學(xué)習(xí)能力:動(dòng)態(tài)環(huán)境中不斷更新知識(shí)庫;(5人機(jī)交互能力:與人類進(jìn)行溝通和交流1。本文著眼于仿人機(jī)器人的發(fā)展過程,闡述機(jī)器人平臺(tái)的發(fā)展和多樣化,概括分析行走和跑步的控制方法研究和應(yīng)用,并總結(jié)這些領(lǐng)域內(nèi)仍然存在的問題。2 仿人機(jī)器人平臺(tái)1968年早稻田大學(xué)加藤一郎教授首先展開仿人機(jī)器人的研究,之后陸續(xù)推出了WAP 、WL 、WABIAN 等系列機(jī)型,WABIAN-2R 是該實(shí)驗(yàn)室最新推出的樣機(jī),如圖1所示

2、。該機(jī)器人高1.5米,重64.5公斤,有41個(gè)自由度;配有類似足弓的裝置,用以實(shí)現(xiàn)類似人類的heel-contact and toe-off 運(yùn)動(dòng)2;能實(shí)現(xiàn)在不平整地面上的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng),并在戶外運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。1986年日本的本田公司響應(yīng)日本政府解決老齡化社會(huì)問題的號(hào)召,制定了研制仿人機(jī)器人的詳細(xì)計(jì)劃。經(jīng)過多年深入的研究,已經(jīng)推出了多款具有各種應(yīng)用能力的仿人機(jī)器人,在國(guó)際仿人機(jī)器人研究領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響。在推出的眾多機(jī)型中最先進(jìn)的是ASIMO(Advanced Step in Innovation Mobility機(jī)器人3,如圖2所示,可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜狀態(tài)下的穩(wěn)定行走,最高步行速度可以達(dá)到2.

3、7公里/小時(shí),采用了先進(jìn)的I-WALK (Intelligent Real time Flexible Walking 柔性行走方式,增加了預(yù)測(cè)移動(dòng)控制技術(shù),使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在改變速度和方向的時(shí)候仍能流暢地連續(xù)步行。圖3是法國(guó)RABBIT 仿人機(jī)器人4,高1.4米,重36公仿人機(jī)器人及其步態(tài)控制上海交通大學(xué) 邢登鵬, 蘇劍波作者簡(jiǎn)介:邢登鵬(1980-,男,山東德州人。上 海交通大學(xué)自動(dòng)化系博士。主要研究方向?yàn)榉氯藱C(jī)器人和人工智能。摘 要: 仿人機(jī)器人是最能代表人類用工程方法進(jìn)行自我克隆的能力的智慧結(jié)晶。它可以具有類人的外貌特征和運(yùn)動(dòng)功能,以及視覺、聽覺、觸覺、接近覺、味覺等智能感知能力,可在未知

4、環(huán)境中獨(dú)立行走,與人進(jìn)行一定程度的交流,其技術(shù)研究是當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)。本文就近年來機(jī)器人平臺(tái)的發(fā)展和步態(tài)控制的研究近況進(jìn)行綜述,分別概括各方向的發(fā)展動(dòng)態(tài)和目前仍然存在的問題。關(guān)鍵詞:仿人機(jī)器人;機(jī)器人平臺(tái);步態(tài)控制1 前言機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,已經(jīng)在某些領(lǐng)域解放了人類繁重、危險(xiǎn)的勞動(dòng),隨著該應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,智能機(jī)器人的研究與開發(fā)已成為機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)非?；钴S的熱點(diǎn)之一,其中尤以仿人機(jī)器人為代表。仿人機(jī)器人是與人類形態(tài)相似的一種智能體,可以在人類生活和工作環(huán)境中,代替人類完成各種作業(yè)。未來它可以在醫(yī)療、生物技術(shù)、軍事等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,也會(huì)使人們更從容地面對(duì)老齡化社會(huì)。在人性化、智能化

5、、靈活性等方面,仿人機(jī)器人具有其他類型機(jī)器人無法比擬的優(yōu)點(diǎn),是未來機(jī)器人研究領(lǐng) 域,特別是與人為伍的家用化機(jī)器人的主流發(fā)展方向。仿人機(jī)器人是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究方向,集成了機(jī)械、材料、電子、傳感、控制等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用,是一個(gè)國(guó)家高科技實(shí)力和發(fā)展水平的重要標(biāo)志。目前,美國(guó)、日本、法國(guó)、荷蘭等國(guó)家都在進(jìn)行多樣化的仿人機(jī)器圖1 WABIAN-2R 機(jī)器人圖2 ASIMO 機(jī)器人綜述工廠自動(dòng)化過程自動(dòng)化 P . 792010.10Survey 斤,平面運(yùn)動(dòng)時(shí)有5個(gè)自由度,三維行走有7個(gè)自由度;它的雙足由輪子代替,采用極限環(huán)的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)行走和跑步;運(yùn)動(dòng)方式可以根據(jù)障礙物和地形做出相應(yīng)調(diào)整,還可

6、以在有干擾的情況下恢復(fù)平衡。以上各機(jī)器人均是主動(dòng)行走類型。與之平行的另一種類型的仿人機(jī)器人是被動(dòng)行走機(jī)器人,其主要特點(diǎn)是沒有驅(qū)動(dòng)源,或者使用很少的驅(qū)動(dòng)器,依靠重力和雙腿交替向前的頻率從斜坡往下走。圖4是美國(guó)Cornell 大學(xué)的被動(dòng)行走機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)有兩條0.8米長(zhǎng)的腿,配有膝蓋關(guān)節(jié),兩條腿通過腰部連接到一起。機(jī)器人的腳底是一個(gè)凹凸面,有兩個(gè)手臂和一個(gè)軀干,右臂與左腿通過機(jī)械結(jié)構(gòu)剛性連接到一起,左臂與右腿也用相同的方式進(jìn)行連接,用以減小自轉(zhuǎn)影響。為了減少運(yùn)動(dòng)中的能量消耗,使用彈簧以存儲(chǔ)行進(jìn)中的能量。其他類型的被動(dòng)式機(jī)器人也有廣泛的研究和開發(fā),例如Delft 氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和MIT 雙足機(jī)器人等5。

7、3 仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究仿人機(jī)器人相比較其它機(jī)器人的一個(gè)明顯特征是擁有像人一樣的兩條腿,而由于仿人機(jī)器人系統(tǒng)的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性,動(dòng)態(tài)步行以及跑步運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定控制一直是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。步態(tài)規(guī)劃主要有以下幾種方法。3.1 基于穩(wěn)定判據(jù)的方法仿人機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃最常用的方法是采用Vukobratovic 提出的ZMP(Zero-moment Point判據(jù)6。在步行過程中,如果機(jī)器人的ZMP 點(diǎn)始終位于包括所有地面接觸點(diǎn)的最小凸多邊形內(nèi),則機(jī)器人系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)平衡的,機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃是可行的。基于ZMP 判據(jù)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)步行策略等價(jià)于生成滿足這一約束條件的步行運(yùn)動(dòng)軌跡問題。基于ZMP 的步態(tài)規(guī)劃有以下兩種方

8、法。(1從理想ZMP 軌跡確定身體各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)7:先設(shè)計(jì)理想ZMP 軌跡,然后確定可實(shí)現(xiàn)理想ZMP 軌跡的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。該方法求解不唯一,且不是所有的理想ZMP 都能實(shí)現(xiàn)。(2從雙足和軀干的運(yùn)動(dòng)軌跡確定ZMP 軌跡8:先設(shè)計(jì)雙足和軀干的運(yùn)動(dòng)軌跡,然后確定ZMP 軌跡,之后在可變參數(shù)的有效范圍內(nèi)找出穩(wěn)定裕度最大的軌跡作為規(guī)劃結(jié)果。該方法求解唯一但計(jì)算量大。其它常用的步態(tài)穩(wěn)定判斷準(zhǔn)則還有C o P (C e n t e r of Pressure9,FRI(Foot-Rotation Indicator10和GZMP(General Zero Moment Point11等。對(duì)于周期性運(yùn)動(dòng),龐加萊回

9、歸影射(Poincare Return Maps4是一個(gè)強(qiáng)有力的分析工具,而仿人機(jī)器人在沒有干擾下的行走和跑步都是周期性的,所以龐加萊回歸影射方法用于被動(dòng)行走裝置的周期性步態(tài)研究,分析有腳踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)雙足的學(xué)習(xí)算法以及用于一個(gè)平面驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是龐加萊回歸影射的缺點(diǎn)也很明顯:只能應(yīng)用到有周期運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)上,而對(duì)于非周期運(yùn)動(dòng)則無能為力。3.2 基于人類步行運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的方法仿人機(jī)器人的步態(tài)研究是希望它能有像人類一樣的運(yùn)動(dòng)能力,因此可以記錄并修正人類的步行運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)HMCD(Human Motion Capture Data用于仿人機(jī)器人的步態(tài)控制中:通過各類傳感器提取出人類運(yùn)動(dòng)

10、,并根據(jù)仿人機(jī)器人的機(jī)構(gòu)特性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,以把合理數(shù)據(jù)映射到仿人機(jī)器人步態(tài)控制中12。Dasgupta 13基于HMCD 中腳的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)理想ZMP 軌跡,對(duì)所選關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行修正,使HMCD 與理想ZMP 匹配。Hodgins 14采集多個(gè)演員實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定動(dòng)作的數(shù)據(jù),針對(duì)仿人機(jī)器人的特點(diǎn)通過算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得出可用的控制軌跡,并在ATR 機(jī)器人上進(jìn)行驗(yàn)證。3.3 其它行走控制方法由于仿人機(jī)器人的高階、非線性、強(qiáng)耦合等特性,經(jīng)常會(huì)使用到簡(jiǎn)化的模型,其中常用的是倒立擺模型15。該方法假設(shè)腿部很輕,將整個(gè)身體的質(zhì)量集中于一點(diǎn),以支撐腳為支點(diǎn),建立單足支撐的動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型。由于其簡(jiǎn)單易用,且易

11、于在線控制,從提出以來便得到廣泛應(yīng)用。虛擬模型控制(Virtual Model Control16檢測(cè)力與位置之間的關(guān)系,而非對(duì)其分別處理;其優(yōu)點(diǎn)在于柔性和魯棒控制,以及運(yùn)算簡(jiǎn)單。這種方法使用“虛擬的”貼附于機(jī)構(gòu)的彈簧阻尼點(diǎn),根據(jù)線性反饋的位置和速度誤差生成簡(jiǎn)單的力控制,已被用于控制平面雙足機(jī)構(gòu)和四腳運(yùn)動(dòng)裝置。3.4 跑步運(yùn)動(dòng)規(guī)劃為了能夠使仿人機(jī)器人實(shí)現(xiàn)跑步功能,需要考慮:(1能夠處理在空中停留和地面接觸兩種狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)模式及模式切換;(2 能夠吸收飛躍和著地時(shí)的地面沖擊力,以及修正姿勢(shì)誤差;(3防止和消除旋轉(zhuǎn)、打滑等外界干擾對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。在上世紀(jì)80年代初期,Railbert 17在研究

12、單腿跳躍機(jī)器人的基礎(chǔ)上提出了機(jī)器人跑步的概念,并將控制行為分圖3 RABBIT 機(jī)器人圖4 Cornell 被動(dòng)式機(jī)器人 P . 802010.10綜述成跳躍高度、腳踝著地角度和姿態(tài)控制三部分,強(qiáng)調(diào)對(duì)稱性在設(shè)計(jì)穩(wěn)定跑步運(yùn)動(dòng)中的作用。Chevallereau 18針對(duì)一類球鉸副連接無腳平面步行機(jī)器人,利用混合零動(dòng)力學(xué)提出了漸進(jìn)穩(wěn)定跑步控制方法。Kajita19等人將仿人機(jī)器人跑步分解為著地和飛翔階段,利用倒立擺對(duì)跑步進(jìn)行控制,將同一機(jī)器人實(shí)現(xiàn)跑步和行走各個(gè)關(guān)節(jié)需要的扭矩和功率進(jìn)行對(duì)比。文20介紹了一種生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的解析動(dòng)量控制RMC(Resolved Momentum Control的方法,通

13、過對(duì)雙腿線速度和角速度的參考值、線性總動(dòng)量和角動(dòng)量的參考值的計(jì)算,得到腿部運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)關(guān)節(jié)的速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法可以穩(wěn)定的控制HRP-2LR 機(jī)器人跑步運(yùn)動(dòng),速度達(dá)到0.16米/秒21。4 結(jié)語仿人機(jī)器人已經(jīng)在運(yùn)動(dòng)控制方面取得了很大的進(jìn)展, 可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的行走和跑步運(yùn)動(dòng)。但是目前的運(yùn)動(dòng)研究仍然停留在實(shí)驗(yàn)室階段,如何讓仿人機(jī)器人走進(jìn)人們的日常生活中,仍然有許多問題需要解決;同時(shí),雖然已經(jīng)有樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)跑步運(yùn)動(dòng),但是如何讓這些機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更快速的穩(wěn)定可靠的跑步運(yùn)動(dòng)仍然是需要進(jìn)一步研究的工作。參考文獻(xiàn): 1 C. G. Atkeson, J. G. Hale, F. Pollick, et al

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