《Honda的ASIMO是如何行走的》

簡介想象一下未來的生活，機(jī)器人在你家里幫你煮飯，幫你做家務(wù)，幫你打掃房間或者在你工作的時候遞上一杯熱熱的咖啡？機(jī)器人已經(jīng)能夠代替人類做很多人類不想做的事情，甚至不能做的事情。在世界各地的很多現(xiàn)代化工廠中，機(jī)器人已經(jīng)很早就代替工人組裝汽車，尤其是那些重復(fù)性很高的工作。現(xiàn)在的商場里，也早已開始出售各種類型的清潔機(jī)器人，能夠自動幫助你清潔家里的地面，雖然目前功能上單一了一點，但是畢竟也幫你做了不少工作。日本的本田公司（Honda）在1986年就開始類人機(jī)器人的研究工作，到了2006年為止已經(jīng)整整20年了。在這20年中，他們在這個領(lǐng)域取得了舉世矚目的成績，ASIMO的研制成功讓Honda公司成為目前這個領(lǐng)域最領(lǐng)先的公司。在這篇文章中，我們將詳細(xì)了解一下ASIMO是如何工作的，基本的原理是什么。ASIMO的名稱由來ASIMO,代表AdvancedStepinInnovativeMobility。是日本本田公司開發(fā)的目前世界上最先進(jìn)的步行機(jī)器人。也是目前世界上唯一能夠爬樓梯，慢速奔跑的雙足機(jī)器人。雖然其它公司也有類似的雙足機(jī)器人，但是沒有任何一家的產(chǎn)品能在步態(tài)仿真度上面能達(dá)到ASIMO的水準(zhǔn)。除了ASIMO杰出的步行能力以外，ASIMO的智能也同樣出色。語音識別功能以及人臉識別功能能夠使用語音控制ASIMO以及使用手勢來進(jìn)行交流。不僅如此，ASIMO的手臂還能夠開電燈，開門，拿東西，拖盤子，甚至還能推車。圖1：ASIMOHonda眼中的ASIMOHonda希望開發(fā)出的機(jī)器人是能夠幫助人類，尤其是老年人的人類助手，而不是一個高科技玩具。因此ASIMO被設(shè)計成1.2米的高度，正好能夠和輪椅上的人平視。這讓ASIMO看上去非常有親和力，因為大尺寸的機(jī)器人會讓人有威脅感，小孩子也不會喜歡一個太高大的家伙。同時，這個高度也正好讓ASIMO能夠拿取桌子上的物體，如圖2所示。這個設(shè)計因素在ASIMO被創(chuàng)建之初就已經(jīng)考慮到了，可見Honda工程師們的用心良苦。圖2：1.2米的高度正好讓ASIMO能夠拿取屋內(nèi)多數(shù)的物品ASIMO的結(jié)構(gòu)：類似人類的身體結(jié)構(gòu)Honda的工程師們在項目初始階段花費(fèi)了大量的時間研究了昆蟲，哺乳動物的腿部移動，甚至登山運(yùn)動員在爬山時的腿部運(yùn)動方式。這些研究幫助工程師們更好的了解我們在行走過程中發(fā)生的一切，特別是關(guān)節(jié)處的運(yùn)動。比如，我們在行走的時候會移動我們的重心，并且前后擺動雙手來平衡我們的身體。這些構(gòu)成了ASIMO行走的基礎(chǔ)方式。在行走過程中，我們的腳趾也扮演了非常重要的角色，在平衡我們身體上起了很大的作用。在ASIMO的腳上也有類似的機(jī)理，而且還使用了吸震材料來吸收行走過程中產(chǎn)生的對關(guān)節(jié)的沖擊力，就像人類的軟組織一樣。瞞圖3：AS創(chuàng)IMO正面府照掠A曲SIMO和恒人類一樣，追有髖關(guān)節(jié)，悄膝關(guān)節(jié)和足值關(guān)節(jié)。機(jī)器比人中的關(guān)節(jié)梅一般用“自拍由度”來表疊示。一個自袍由度表示一丟個運(yùn)動可以吊或者向上，律或者向下，凍或者向右，財或者向左。齊ASIMO處擁有26個厲自由度，分潛散在身體的短不同部位。掛其中脖子有塊2個自由度懇，每條手臂乏有6個自由密度，每條腿玩也有6個自破由度。腿上疊自由度的數(shù)蜜量是根據(jù)人禮類行走，上描下樓梯所需蔑要的關(guān)節(jié)數(shù)餃研究出來的添?？饒D4：AS嬌IMO關(guān)節(jié)伐圖作ASIMO怖身上兩個燒傳感器寄保證了AS舊IMO能夠在正常行走，冠它們是速度甩傳感器和陀梯螺傳感器。結(jié)它們主要用拒來讓ASI俯MO知道他如身體目前前之進(jìn)的速度以騎及和地面所知成的角度，否并依次計算絹出平衡身體歌所需要調(diào)節(jié)折量。這兩個無傳感器起的立作用和我們滋人類內(nèi)耳相娃同。要進(jìn)行奮平衡的調(diào)節(jié)筋，A艘SIMO還惠必須要有相旨應(yīng)的關(guān)節(jié)傳旨感器和6軸坊的力傳感器含，來感知肢疫體角度和受拆力情況。訂ASIMO戴的動作：類悅似人類的步聯(lián)行方式凱除非你很了可解機(jī)器人學(xué)閱，否則你很讓難想象要讓紐ASIMO飼象人類這樣飾行走是多么嫌的困難，而臭ASIMO遮又是如何令柔人難以置信足的達(dá)到這個窗程度的。A屆SIMO的謹(jǐn)行走中最重套要的部分就商是它的調(diào)節(jié)焰能力。AS盯IMO除了舊能像人類一胃樣正常的步賓行之外，它計還能對行走源過程中遇到老的情況進(jìn)行景自我調(diào)節(jié)。掌比如在有一輝定斜度的平挖面上行走，戰(zhàn)甚至有可能俯在行走過程弟中被人推了衰一下，AS彎IMO都能導(dǎo)快速對這些貞情況進(jìn)行及默時地處理，他并進(jìn)行相應(yīng)輛的姿態(tài)調(diào)節(jié)牧，以確保能嘴夠正常的行茂走。襖為了實現(xiàn)這確些，ASI野MO的工程回師們需要考翻慮ASIM位O在行走中片產(chǎn)生的慣性百力。慎當(dāng)機(jī)器人行鈔走時，它將傾受到由地球掉引力，以及貌加速或減速最行進(jìn)所引起啟的慣性力的潛影響。這些宇力的總和被句稱之為總慣芽性力。當(dāng)機(jī)既器人的腳接早觸地面時，庫它將受到來柔自地面反作樂用力的影響凳，這個力稱須之為地面反癥作用力。衡所有這些力均都必須要被棟平衡掉，而款A(yù)SIMO維的控制目標(biāo)魯就是要找到澆一個姿勢能丙夠平衡掉所盆有的力。這破稱做"溫zero伶momen寇tpoi拴nt余"(ZM便P)。六當(dāng)機(jī)器人保芳持最佳平衡丈狀態(tài)的情況踐下行走時，烈軸向目標(biāo)總爬慣性力與實賠際地面反倉作用力相等沃。相應(yīng)地，朽目標(biāo)ZMP抽與地面反作激用力的中心值點也重合。社當(dāng)機(jī)器人行詞走在不平坦擦的地面時，告軸向目標(biāo)總己慣性力與實炭際的地面反閘作用力將會刻錯位，因而恨會失去平衡疏，產(chǎn)生造成探跌倒的力。脖跌倒力的肥大小與目標(biāo)陶ZMP和地援面反作用力醫(yī)中心點的錯受位程度相對果應(yīng)。簡而言霧之，目標(biāo)Z共MP和地面煎反作用力中鼓心點的錯位飼是造成失去魄平衡的主要嬸原因。假若海Honda研機(jī)器人失去俱平衡有可能搞跌倒時，下妙述三個控制鉛系統(tǒng)將起作狠用，以防止何跌倒，并保樹持繼續(xù)行走決狀態(tài)。瞎地面反作用券力控制：腳橋底要能夠適礎(chǔ)應(yīng)地面的不音平整，同時圖還要能穩(wěn)定復(fù)的站住。巷早目標(biāo)ZMP師控制：當(dāng)由恩于種種原因凍造成ASI找MO無法站躬立，并開始羞傾倒的時候血，需要控制叛他的上肢反廉方向運(yùn)動來老控制即將產(chǎn)抓生的摔跤，重同時還要加在快步速來平予衡身體。災(zāi)為落腳點控制械：當(dāng)目標(biāo)Z麻MP控制被揭激活的時候魚，ASIM敞O需要調(diào)節(jié)獄每步的間距憑來滿足當(dāng)時熔身體的位置叫，速度和步娃長之間的關(guān)床系。慮圖5：AS哲IMO的步蒙態(tài)控制高ASIMO慨的動作觸：穩(wěn)步的行貪走獸ASIMO妥能夠感應(yīng)到棒即將摔倒的獲情況，并能面夠很快對此促做出反應(yīng)；手但是ASI助MO的工程坊師想要更多腎的功能。他隔們不但想讓妥ASIMO逝能夠行走的田更順暢，還須想讓ASI闊MO能夠在族不停止的情團(tuán)況下轉(zhuǎn)身。及目前絕大多培數(shù)其它類人覆機(jī)器人無法罰做到這一點倦。姓圖6：AS哪IMO的腿悉部特寫淋當(dāng)我們走到腎彎角處需要塌轉(zhuǎn)身的時候估，我們將我姐們身體的重籌心移到轉(zhuǎn)身結(jié)的位置。A苗SIMO使疼用了一種叫輔做“動作隔預(yù)測控制”面，也叫做“那iWalk勁”技術(shù)來實泛現(xiàn)。ASI掉MO需要預(yù)座測轉(zhuǎn)身所需暫要的重心的平移動的位置碗以及持續(xù)時汽間。由于這悔個技術(shù)是實姿時（Rea糊lTim型e）技術(shù)，拖因此ASI殲MO能夠不公需要停止就辱能夠轉(zhuǎn)身讀，實現(xiàn)邊走寒邊轉(zhuǎn)身。戲圖7：重心余移動原理凳本質(zhì)上，A陷SIMO每弦走一步，他傘就需要計算踏一次他的重絕心位置以及港慣量，并預(yù)置測在下一步尊移動后的位告置，同時計謝算出所需要查的重心移動還距離。他主厲要通過調(diào)節(jié)努以下4個因桂素：經(jīng)步長：每步糕行走的長度處叉位姿：身體剃的位置五速度：整體軌移動的速度晉旺行走方向：鋼下一步移動估的方向召圖8：AS交IMO的控觸制流程馬ASIMO蔑的動作：上會下樓梯淚上下樓梯的惑動作如果只志是靠事先的致程序輸入的睛話絕對不可冊能實現(xiàn)。即冊使是輸入了煌階梯的高度股及前后的距喊離，如果多曲達(dá)29層的槍話，也會因墳誤差累積而市無法正常走端下來。為此耕，Hond總a在ASI籌MO的每只掛腳上，都裝駕了一個6紅軸力傳感器羽，用來監(jiān)測懶每一步的穩(wěn)挨定程度。再蹄結(jié)合陀螺儀墓和砍加速度傳感亮器現(xiàn)，ASIM矩O使用了獨(dú)咬特的數(shù)學(xué)算閑法來讓他上鉗下樓梯，并噴能夠上下斜昂坡而如履平賴地。Hon軌da的工程醬通過使其腳外內(nèi)側(cè)不緊貼鋸地面、腳趾鞋比臺階邊緣肝向前探出少秩許這樣的站膚立方式來探唇測出臺階的燕邊緣。在這則一狀態(tài)下，涂如果通過腳爬底的壓力傳安感器進(jìn)行壓豪力分布測量律的話，可以熄預(yù)先測出邊益緣的位置。讀下樓梯時的堪著地點也可澇以同樣進(jìn)行岸預(yù)測。雖然缸操作人員向慰ASIMO辯輸入了樓梯分大致的高度殺，但是最終虧則是通過問ASIMO章足底的傳感純器來確認(rèn)樓供梯位置的。謎不只是下樓武梯，ASI密MO還能夠咸在斜坡上轉(zhuǎn)周彎。這時由僑于ASIM北O(jiān)的每一步零都要變換姿糊勢，并改變戀與ZMP的慢關(guān)系，較下砌樓梯難度更羨大。下樓梯拾與在斜坡轉(zhuǎn)耗彎使用了相咳同的算法，選因此不需要襪改變模式。海圖6：AS仁IMO在走霧樓梯盟ASIMO赴的技術(shù)參數(shù)井：乎體重易52公斤首行走速度原0-1.6報公里/小時胞絨行走范圍全范圍可調(diào)整貸，步幅可調(diào)票整穩(wěn)抓握力介0.5公斤饑/手(每只畏手5個手指頃)負(fù)作動器耀伺服電機(jī)湖+諧波減穗速器+伙驅(qū)動單元死控制裝置畜行走/操作齡控制單元，沿?zé)o線發(fā)送單叮元返傳感器叛腳部六軸詢向腳部方位輪傳感器癢軀體陀螺似儀和加速傳當(dāng)感器供電源部分夫38.4V功/10AH悄(鎳鋅)稍操作部分宿操縱臺和便盾攜控制器耀自由度究（類似人字類的關(guān)節(jié)）禁居頭部懷頸關(guān)節(jié)(U嬸/D，RT遵)*1抓2DOF穴臂憤肩關(guān)節(jié)(F亦/B，U/燦D，RT)

抗肘關(guān)節(jié)(F杜/B)

借腕關(guān)節(jié)(R拐T)輕3DOF

逐1DOF

匪1DOF么

囑5DOF樓×2手臂漲=10聰DOF縣手危五個手指(邪抓握)腎1DOF虧

瓦1DOF堡×2手=贈2DO農(nóng)F無腿軍髖關(guān)節(jié)(F悲/B，L/質(zhì)R，RT)

歷膝關(guān)節(jié)(F泳/B)

更踝關(guān)節(jié)(F寬/B，L/帖R)燒3DOF

勢1DOF

款2DOF矛

擇6DOF熟×2腿=步12D奸OF挑機(jī)器人AS疤IMO--巧-關(guān)于AS潑IMO的未單來么設(shè)想：林追求技術(shù)的暑不斷進(jìn)步。異21世紀(jì)，果Honda欣期待著AS螺IMO真正知地對人類有該益，豐富人襯類的生活。半今后，H培onda仍列將以“挑戰(zhàn)岔精神”繼續(xù)撿研究和開發(fā)秀，與AS膊IMO一起哲，不斷地向敗“未來之夢找”邁進(jìn)。周筆者后記：證新的ASI豈MO已經(jīng)在塘行走能力上烘又有了新的杜突破，20悔04年1涉2月發(fā)布的恐新型ASI焰MO已經(jīng)能默夠達(dá)到每小享時6KM的百奔跑速度以事及迂回行走鼻。同時其關(guān)摧節(jié)自由度也石達(dá)到了34著個。新開發(fā)嘆的技術(shù)根據(jù)榆其官方網(wǎng)站棍的描述為：再主要新技術(shù)館：值1）能夠?qū)崏郜F(xiàn)像人類一涌樣自然奔跑傾的新姿勢控阻制技術(shù)禽2）自律性政的連續(xù)移動柄技術(shù)枕3）配合人杯的活動而連哀貫活動的技插術(shù)盤1、新姿勢躬控制技術(shù)丘為了防止高貍速移動產(chǎn)生杏的足部打滑梁和空中旋轉(zhuǎn)總，保持平衡谷狀態(tài)，Ho倘nda通過片利用上半身旁彎曲和旋轉(zhuǎn)枕的新姿勢控啦制理論和新曲開發(fā)的高速抬應(yīng)答硬件等犁，使ASI裙MO的最大校奔跑速度達(dá)芒到了宋3km/h寸。同時，步魄行速度也由兼原來的奮1.6km搞/h籌提高到畝2.5km軟/h家。萌2、自律性餐的連續(xù)移動碰技術(shù)槽通過地面?zhèn)髋胃衅鳙@得的默周圍環(huán)境信必息和預(yù)先錄緊入的地圖信督息等，AS壞IMO能夠爪在步行的同怨時修正路線遍偏差，途中粉無需停歇地銷直接移動到于目的地。綿通過地面?zhèn)髅垢衅骱皖^部納視覺傳感器覆發(fā)現(xiàn)障礙物擠時，ASI饑MO可以自典身判斷，迂忙回選擇其他畏路線。京3、配合人慌的活動而連述貫活動的技熊術(shù)論SIMO通馬過頭部視覺銜傳感器、手底腕部位新增罰加的腕力傳超感器等檢測半人的動作，首可以進(jìn)行物紀(jì)品交接，或云配合人的動秀作而握手，把而且能夠朝涉著手被牽引爛的方向邁步循等，實現(xiàn)了備與人相配合獄的動作。謊主要數(shù)據(jù)散敬1、奔跑速似度疲3k丟m/h右(跳躍時間訂0.05許秒)交2、普通步晴行速度奮2.5km摘/h貢（原來為熄1.6km根/h善）遺3、身高度130cm嗽（原來為階120cm防）蚊4、體重抗54kg付（原來為艷52kg休）腹5、活動時蛋間共1小時（原納來為30分舉鐘）豪6、關(guān)節(jié)自漏由度廳34度（原陵來為26度腫）

腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：奔跑或步行時，通過手腕部位的擺動，以及腰部積極地旋轉(zhuǎn)，消除腳部擺動所產(chǎn)生的反作用力，從而提高步行速度。

手腕彎曲關(guān)節(jié)：在手腕部位再增加2個軸，使手腕能夠柔軟、靈活地活動

拇指關(guān)節(jié)：原來使用1個馬達(dá)驅(qū)動5個手指，為了使拇指能夠獨(dú)立活動，再增加1個馬達(dá)，使得ASIMO能夠拿各種各樣的東西。

頭部關(guān)節(jié)：在頭部關(guān)節(jié)部位再增加1個軸，以增加頭部的表達(dá)能力。唉※翅關(guān)于新姿勢鬧控制技術(shù)猾在實現(xiàn)機(jī)器刺人的奔跑方柳面，面臨著役2大課題。范一個是正確斥地吸收飛躍課和著陸時的屯沖擊，另一貧個是防止高逼速帶來的旋查轉(zhuǎn)和打滑。前尸1、正確地膨吸收飛躍和丸著陸時的沖杰擊徑價

實現(xiàn)位機(jī)器人的奔箱跑，要在極頁短的周期內(nèi)臂無間歇地反賤復(fù)進(jìn)行足部繳的踢腿、邁培步、著地動域作，同時，忠還必須要吸紡收足部在著濱地瞬間產(chǎn)生賞的沖擊。碌Honda較利用新開發(fā)差的高速運(yùn)算絮處理電路、摩高爭速應(yīng)答/高獄功率馬達(dá)驅(qū)承動裝置、輕你型/高剛性率的腳部構(gòu)造納等，設(shè)計、以開發(fā)出性能伍高于以往4懶倍以上的高捷精度/高速曠應(yīng)答硬件。刪橋2、防止旋御轉(zhuǎn)、打滑參剛

在足箱部離開地面奸之前的瞬間召和離開地面串之后，由于悲足底和地面亭間的壓力很劈小，所以很蘿容易發(fā)生旋轎轉(zhuǎn)和打滑。焰邀克服旋轉(zhuǎn)和仔打滑，成為竊在提高奔跑