基于動(dòng)作分解的柔性仿人機(jī)器人摔倒保護(hù)算法

摘 要：介紹了仿人機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，分析了仿人機(jī)器人的步態(tài)特征，針對(duì)剛性仿人機(jī)器人在摔倒后對(duì)其機(jī)體造成的損害，討論了柔性仿人機(jī)器人的摔倒保護(hù)算法，提出了一種基于動(dòng)作分解的仿人機(jī)器人摔倒保護(hù)算法。

關(guān)鍵詞：仿人機(jī)器人；柔性機(jī)器人；摔倒保護(hù)；動(dòng)作分解

中圖分類號(hào)：TP242.6；U462.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Based on the Decomposition of Flexible Action Humanoid Robot

Fall Protection Algorithm

Tang Jun1，2， Zhao Xiaojuan1， Jia Yilong3

(1.HuNan Urban Construction College Information Department， XiangTan 41110 China；

2.The School of Software Engineering，Tongji University， Shanghai 200092 China )

(3 East China Normal University College of Information Science and Technology， Shanghai 200241 China)

Abstract：Introduced imitates the person robot technological development the newest tendency， analyzed has imitated the person robot's gait characteristic， imitated the person robot in view of the rigidity after throwing down created the harm to its organism， discussed the flexibility to imitate the person robot to throw down the protection algorithm， proposed one kind decomposed based on the movement imitates the person robot to throw down the protection algorithm.

Key words：Humanoid robot ;flexible robots;fall protection;decomposition of action

仿人機(jī)器人是光、機(jī)、電、信一體化高技術(shù)領(lǐng)域最前沿的研究，技術(shù)含量高、難度大，是一個(gè)國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展的重要標(biāo)志之一［1］。仿人機(jī)器人具有人類的外觀和特征，可以在惡劣、危險(xiǎn)環(huán)境下檢修、救援、探測(cè)等方面代替人類完成各種作業(yè)，也可以在服務(wù)、娛樂(lè)行業(yè)方面發(fā)揮作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

加藤一郎曾經(jīng)說(shuō)過(guò)“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能”，而兩足步行則是所有的步行方式當(dāng)中，自動(dòng)化程度最高、同時(shí)也是最為復(fù)雜的步行。日本早稻田大學(xué)于1973年研制成功的WABOT21是最早的有記載的雙足步行人形機(jī)構(gòu)［2］。1985 年，WABOT21的改進(jìn)型WHL211在日本筑波科技博覽會(huì)上展出，被譽(yù)為劃時(shí)代的科技成果。真正對(duì)仿人機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行系列化研究始于日本本田公司。本田公司在1986年到1993年間接連開發(fā)了E0到E6等7種行走機(jī)器人。這7種機(jī)器人都只有腿部機(jī)構(gòu)，主要用來(lái)研究行走功能。本田公司又于1993年在研制的P1機(jī)器人加上了雙臂，使它初步具有了人形。2000年日本本田公司研制出的Asimo［3］作為第一個(gè)真正具有世界影響的仿人機(jī)器人誕生于，它的誕生促進(jìn)了各種各樣的仿人機(jī)器人研究，開辟了一個(gè)仿人機(jī)器人蓬勃發(fā)展的時(shí)代。2002年日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、安川電機(jī)公司和清水建設(shè)公司最近成功開發(fā)出建筑機(jī)器人HRP-2P，這種機(jī)器人和真人大小差不多，身長(zhǎng)154厘米，體重58公斤，可抬動(dòng)很重的建材，而且視覺系統(tǒng)也很好。在室內(nèi)的模擬建筑現(xiàn)場(chǎng)中，機(jī)器人可根據(jù)指令與人共同搬運(yùn)建材。另外，機(jī)器人還能與人合作固定螺栓。HRP-2P具有30個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，最大行走速度為2km/h，視覺系統(tǒng)由三鏡頭立體照相機(jī)構(gòu)成，由于采用高密度集成電路，無(wú)須采用背包設(shè)計(jì)，HRP-2P最大的特點(diǎn)是有較好的摔倒緩沖及恢復(fù)方法。

1 仿人機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃技術(shù)

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是仿人機(jī)器人研究的一個(gè)重要方面，歸結(jié)起來(lái)可以分成三類：

1）基本的步態(tài)規(guī)劃方法

2）考慮最優(yōu)函數(shù)的步態(tài)規(guī)劃方法

3）路徑規(guī)劃或者實(shí)時(shí)規(guī)劃方法［4］

基本的步態(tài)規(guī)劃方法只是考慮如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走，而不關(guān)心其能量的消耗、關(guān)節(jié)力矩、運(yùn)動(dòng)速度等指標(biāo)，是最簡(jiǎn)單步態(tài)規(guī)劃方法。在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了以某一函數(shù)為指標(biāo)的最優(yōu)規(guī)劃方法。最優(yōu)規(guī)劃方法的優(yōu)點(diǎn)是能充分發(fā)揮仿人機(jī)器人的性能，降低對(duì)系統(tǒng)的要求，其缺點(diǎn)是計(jì)算量大，在模型復(fù)雜的情況下甚至不可解，所以這種方法只適用于自由度少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃中。隨著各種傳感器技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越過(guò)的學(xué)者開始考慮實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人的智能化。機(jī)器人具有智能之后可以獨(dú)立思考、獨(dú)立決策一些簡(jiǎn)單的問(wèn)題，也只有實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的智能，才能使機(jī)器人更接近于人、更好的服務(wù)于人類。

近幾年人們?cè)诓綉B(tài)規(guī)劃方面取得了很多成果，有人提出通過(guò)視覺導(dǎo)航的在線規(guī)劃的方法［5］，這種方法一般需要通過(guò)視覺或其他傳感器確定每一步的參數(shù)，傳感器系統(tǒng)比較復(fù)雜。

在目前比較成熟的規(guī)劃方法中，基于ZMP 穩(wěn)定判據(jù)的方法是最為普遍的規(guī)劃方法，從雙足和軀干的運(yùn)動(dòng)軌跡確定ZMP 軌跡，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走［6-7］。 因此如果可以根據(jù)地面的實(shí)際情況，實(shí)時(shí)調(diào)整步態(tài)參數(shù)，設(shè)計(jì)合理的雙足和軀干軌跡，就可以確定ZMP 軌跡，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走。

2 基于動(dòng)作分解的柔性仿人機(jī)器人摔倒保護(hù)算法

雖然有很多方法用來(lái)防止仿人機(jī)器人的摔倒，但是仿人機(jī)器人比人類還是更容易摔倒。在仿人機(jī)器人摔倒后，需要采取一定的措施防止機(jī)器人的外部及內(nèi)部機(jī)構(gòu)由于摔倒的沖擊力而導(dǎo)致?lián)p壞，并且需要有摔倒后重新站立的恢復(fù)機(jī)制，只有這樣仿人機(jī)器人才具有持續(xù)行走和工作能力。

根據(jù)機(jī)器人摔倒時(shí)的方向不同，可以分為向前摔倒、向后摔倒和側(cè)翻。下面就這三種摔倒的方式來(lái)探討針對(duì)不同摔倒方式的著地緩沖方法。

2.1 仿人機(jī)器人向前摔倒著地緩沖方法

人類在向前摔倒的過(guò)程中往往是由于身體上部受力或者慣性的作用向前，而足底無(wú)法前進(jìn)而導(dǎo)致的。而人類在向前摔倒的過(guò)程中，為了減緩摔倒的力量，會(huì)不自覺地用雙手撐地，以減輕著地時(shí)的力量。仿人機(jī)器人在向前著地的過(guò)程中為了減輕著地的力量，采用雙手支撐的方法時(shí)最佳的方式。除此之外，在摔倒時(shí)迅速的作出下蹲動(dòng)作，這樣就降低了身體的中心，從而減輕了著地力量以及頭部所遭受的撞擊。在機(jī)器人的膝蓋處安裝防止沖擊的軟護(hù)墊，減少了膝蓋所受的力量，將機(jī)器人的手掌也安裝柔性材料，這樣對(duì)手也起到了緩沖作用。

在仿人機(jī)器人著地過(guò)程中，機(jī)器人將迅速執(zhí)行下蹲的動(dòng)作，這樣降低了機(jī)器人中心的高度，也降低了身體倒下的沖擊力。接著調(diào)整整個(gè)手以及胳膊的方位，讓胳膊與身體保持90度的夾角。當(dāng)手掌最新接觸到地面的時(shí)候，手掌的傳感器將接觸到地面的信號(hào)送到反饋系統(tǒng)，這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)迅速啟動(dòng)肘關(guān)節(jié)向外擴(kuò)張，而隨著機(jī)器人身體的下降，肘關(guān)節(jié)起到了一個(gè)剎車的作用。在外擴(kuò)的過(guò)程中，讓所受到的力保持在一個(gè)閥值之內(nèi)，以防止肘關(guān)節(jié)因受力過(guò)度而損壞，如圖1所示。

2.2 仿人機(jī)器人向后摔倒著地緩沖方法

機(jī)器人向后摔倒時(shí)盡可能以較低的速度讓臀部先著地，并在臀部安裝緩沖護(hù)墊以減輕著地沖擊力?？梢詫⑾蚝笏さ箘?dòng)作劃分為5個(gè)基本狀態(tài)，在每個(gè)狀態(tài)都生成適當(dāng)?shù)膭?dòng)作和控制其運(yùn)動(dòng)。

1）下蹲狀態(tài)：該狀態(tài)是倒地時(shí)的初始狀態(tài)，機(jī)器人的重心偏離支撐多邊形而不能恢復(fù)穩(wěn)定。機(jī)器人將停止所有的運(yùn)動(dòng)控制而啟動(dòng)倒地控制，機(jī)器人彎曲膝關(guān)節(jié)以降低臀部高度，彎曲頸部、腰部和手臂關(guān)節(jié)，以便臀部著地。

2）伸展?fàn)顟B(tài)1：在倒地的過(guò)程中，當(dāng)連接機(jī)器人腳后跟和臀部著地點(diǎn)的直線與地面的夾角小于設(shè)定值時(shí)，機(jī)器人開始伸展膝關(guān)節(jié)以減小臀部著地的速度，并確保機(jī)器人以臀部著地。

3）著地狀態(tài)：當(dāng)角度小于另一個(gè)設(shè)定值時(shí)，機(jī)器人準(zhǔn)備著地，停止關(guān)節(jié)的伺服控制。

4）伸展?fàn)顟B(tài)2：從著地的瞬間開始后一段時(shí)間內(nèi)，機(jī)器人伸展腿部，將機(jī)器人的中心往下體移動(dòng)，以防止機(jī)器人因?yàn)樗さ箷r(shí)的慣性而繼續(xù)向后翻倒而使得頭部著地，保護(hù)頸部關(guān)節(jié)不被損壞。

5）結(jié)束狀態(tài)：經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，確認(rèn)機(jī)器人已經(jīng)處于靜止穩(wěn)定狀態(tài)后，機(jī)器人伸展關(guān)節(jié)，準(zhǔn)備從倒地狀態(tài)站起。

如果時(shí)摔到時(shí)候的力量特別大，則可以借助手臂來(lái)減輕著地力量。在機(jī)器人臀部著地后，利用雙手手掌撐地，并借助于肘關(guān)節(jié)的制動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)降低倒地力量，如圖2所示。

2.3 仿人機(jī)器人側(cè)向摔倒著地緩沖方法

機(jī)器人在靜止時(shí)由于有雙腿支撐，因此很難從側(cè)向摔倒。但是快速行走中的機(jī)器人卻由于只有單腳著地，如果這時(shí)機(jī)器人的中心處于支撐多邊形之外，而ZMP卻無(wú)法位于支撐多邊形之外，則可能導(dǎo)致機(jī)器人向左或者向右摔倒。

雖然機(jī)器人側(cè)向摔倒的概率要小于前向和后向，但因?yàn)檫@種摔倒更多的時(shí)發(fā)生在機(jī)器人跑動(dòng)的過(guò)程中，所以其摔倒后對(duì)機(jī)器人的損害卻是最嚴(yán)重的，并且對(duì)于機(jī)器人的側(cè)向摔倒時(shí)的緩沖方法十分有限，因此如何減輕機(jī)器人側(cè)向摔倒時(shí)所受的損害是目前機(jī)器人摔倒研究中的重點(diǎn)。

在機(jī)器人側(cè)向摔倒的過(guò)程中，同樣先采取下蹲的方式降低中心，然后單手撐地，并利用手肘的彎曲來(lái)進(jìn)行著地力度的緩沖。在單手已經(jīng)著地后，讓身體向前俯沖，然后利用另外一個(gè)手撐地，以平穩(wěn)著地。

3 仿人機(jī)器人摔倒后的恢復(fù)動(dòng)作

機(jī)器人在摔倒之后需要重新站立，即機(jī)器人應(yīng)該能夠從仰躺、俯臥或側(cè)臥狀態(tài)重新站起。機(jī)器人在站歷時(shí)必須保持身體的平衡，但是不同的狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換又需要打破這種平衡的狀態(tài)。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，需要借助慣性的作用，因此在動(dòng)作力度的計(jì)算中需要充分考慮慣性的作用，這種不平衡的狀態(tài)只是一個(gè)短暫的中間過(guò)程，在從一種狀態(tài)過(guò)渡到另外一種狀態(tài)后，借助陀螺儀和平衡算法，機(jī)器人能夠很快的轉(zhuǎn)入平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。

機(jī)器人從仰臥到站立需要經(jīng)過(guò)如下幾個(gè)狀態(tài)：

1）肘部支撐：利用肘部向后支撐，讓頭部和身體繞臀部旋轉(zhuǎn)上伸。

2）手掌支撐：在頭部和身體直立后，機(jī)器人已經(jīng)由仰臥轉(zhuǎn)為坐立姿態(tài)。然后以雙手撐起整個(gè)上身以及臀部。

3）收退蹲起：在雙手的支撐下，雙腿可以收回，并且將姿勢(shì)轉(zhuǎn)為雙腿和雙手同時(shí)受力的情況。

4）收手蹲立：雙手向地面用力推，利用地面的反力使身體向前傾斜，從而達(dá)到蹲立的狀態(tài)。這個(gè)轉(zhuǎn)換需要機(jī)器人對(duì)其中心進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，難度最大。

5）站立：在雙腿的作用下，將機(jī)器人的姿勢(shì)由蹲轉(zhuǎn)換成站立。

至此，機(jī)器人完成了整個(gè)站立過(guò)程。

4 總結(jié)

雖然有了眾多機(jī)器人平衡算法，但機(jī)器人的摔倒仍然是不可避免的。通過(guò)改進(jìn)機(jī)器人摔倒算法，利用手的支撐來(lái)降低著地時(shí)的沖擊力，并利用柔性的機(jī)器人外部設(shè)計(jì)來(lái)增加機(jī)器人外殼的緩沖能力，使機(jī)器人摔倒著地時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)“軟”著落。在實(shí)際應(yīng)用中，使用著地緩沖算法能夠防止機(jī)器人因?yàn)樗さ沟臎_擊力而導(dǎo)致?lián)p壞，并且能夠利用恢復(fù)算法快速的重新爬起和站立，提高了仿人機(jī)器人的可用性。

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