類人機(jī)器人全能運(yùn)動的穩(wěn)定性研究

熊 雕，劉玉良，歐陽浩敏

(1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院,浙江舟山 316022;2.浙江省舟山市技工學(xué)校,浙江舟山 316000)

類人機(jī)器人全能運(yùn)動的穩(wěn)定性研究

熊 雕1，劉玉良1，歐陽浩敏2

(1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院,浙江舟山 316022;2.浙江省舟山市技工學(xué)校,浙江舟山 316000)

類人機(jī)器人全能運(yùn)動包括不同粗糙平面上的快速行走、越障、踢球、格斗等,穩(wěn)定性是上述運(yùn)動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文從分析機(jī)器人關(guān)節(jié)角與零力矩點(diǎn)(ZMP)的關(guān)系入手,研究提高機(jī)器人運(yùn)動穩(wěn)定性的新方法。具體步驟是先粗調(diào)校正機(jī)器人姿態(tài),然后確定各關(guān)節(jié)角度,得到保證穩(wěn)定運(yùn)動的關(guān)節(jié)角范圍。最后依托韓國GP型機(jī)器人進(jìn)行測試,結(jié)果表明了所提出方法的有效性。

類人機(jī)器人;全能運(yùn)動;穩(wěn)定性;關(guān)節(jié)角度

機(jī)器人根據(jù)用途可分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、空中機(jī)器人、水下機(jī)器人等,其中服務(wù)機(jī)器人以類人機(jī)器人為主。本文選取16自由度類人機(jī)器人為對象,主要研究提高機(jī)器人運(yùn)動穩(wěn)定性的新方法。由于類人機(jī)器人需要雙腳站立和行走,穩(wěn)定域很小而且自由度很大[3],因此,提高穩(wěn)定性研究是類人機(jī)器人運(yùn)動的核心問題。

目前比較典型的類人機(jī)器人有日本本田公司的ASIMO[1],法國的ALDEBARAN Robotics公司的NAO,美國波士頓動力公司的Petman等,具有較強(qiáng)的步行穩(wěn)定性。這些機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計依賴于精確的關(guān)節(jié)角度,而關(guān)節(jié)角度的確定又依賴于ZMP及線性倒立擺控制原理[5]。計算ZMP需要建立精確的數(shù)學(xué)模型,從而得到最優(yōu)的步態(tài)關(guān)節(jié)角,但是從建模到參數(shù)整定每一步都需要投入大量精力和時間。最近,臺灣學(xué)者報道了通過外加腳底壓力傳感器[？]來提高機(jī)器人穩(wěn)定性的新方法,但是這樣會增加系統(tǒng)延遲和出錯率,反而不利于系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。本文通過動作設(shè)計、關(guān)節(jié)角度參數(shù)調(diào)整等步驟,研究不同路況下類人機(jī)器人快速行走以及搬運(yùn)物體、踢球、格斗等復(fù)雜運(yùn)動的穩(wěn)定性。考慮到成本低、供電方便等要求,本文選用韓國GP型類人機(jī)器人為研究和測試對象。

1 類人機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動原理

韓國GP型類人機(jī)器人具有16個自由度,包括每只手臂的3個自由度和每只腿的5個自由度。機(jī)器人運(yùn)動過程中的每個動作可分解成若干靜態(tài)姿勢,將所有靜態(tài)姿勢連續(xù)運(yùn)行后,就可以對接成一套完整動作。每個自由度由1個Dynamixel AX-18A型舵機(jī)控制,通過主控板依次向舵機(jī)發(fā)送每個靜態(tài)姿勢的所有關(guān)節(jié)角度指令,從而使機(jī)器人做出各種動作。圖1表示類人機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)。為調(diào)試方便此時各個關(guān)節(jié)角度定義為0°,舵機(jī)的參數(shù)定義為512,參數(shù)可調(diào)節(jié)的范圍為1～1 023（對應(yīng)的角度為-150°～150°）,參數(shù)值每增加1個單位,角度就增加0.293°。舵機(jī)有60°的盲區(qū),盲區(qū)內(nèi)角度無法識別。角速度參數(shù)范圍0～1 023,角速度參數(shù)為0則舵機(jī)將以電壓能提供的最大速度運(yùn)動,此時速度無控制;1為最小角速度,1 023為最大角速度114周/min(圖1)。

圖1 機(jī)器人視圖Fig.1 Humanoid robot view

2 提高類人機(jī)器人運(yùn)動穩(wěn)定性的方法

機(jī)器人全能運(yùn)動的穩(wěn)定性包括行走的穩(wěn)定性、搬運(yùn)物塊的穩(wěn)定性、踢球的穩(wěn)定性和格斗的穩(wěn)定性等,其中行走的穩(wěn)定性是機(jī)器人完成復(fù)雜動作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

2.1 提高行走的穩(wěn)定性

2.1.1 通過動作設(shè)計提高行走的穩(wěn)定性

平面無障礙行走:機(jī)器人行走動作的設(shè)計,要綜合調(diào)節(jié)兩條腿10個舵機(jī)的角度,若想精確的控制機(jī)器人行走的方向和提高行走的速度,那么對每一步,每個關(guān)節(jié)的角度都要仔細(xì)校正才能達(dá)到理想的穩(wěn)定效果。行走時,機(jī)器人和人一樣雙腿交替前行,但腳躁關(guān)節(jié)處的動作變化有很大的區(qū)別,一般雙腳交替前行時,后面一只腳的腳后跟先離地,把后腿抬高,然后整個腳再離地,而機(jī)器人則是后面一只腳腳掌內(nèi)側(cè)先離地,把腿抬高,然后整個腳掌再完全離地。這樣可以使機(jī)器人在行走時的穩(wěn)定域[6]更大,提高機(jī)器人的穩(wěn)定性。如圖2所示,腳底部分虛線為腳底抬起的部分。

圖2 機(jī)器人行走方式與人行走方式區(qū)別Fig.2 The difference walkingmethod between human and humanoid robot

平面快跨越障礙:跨越障礙也是動作設(shè)計的一個難點(diǎn),由于在跨障的時候只有一只腳站立,為了提高機(jī)器人的穩(wěn)定,就要使機(jī)器人的手臂和腿部協(xié)調(diào)運(yùn)動,并且考慮到機(jī)器人自身重力使膝關(guān)節(jié)運(yùn)動時的實際角度小于設(shè)定角度的問題,還要根據(jù)實際情況校正膝關(guān)節(jié)角度。現(xiàn)將整個跨障動作細(xì)分為12個動作節(jié)點(diǎn),使機(jī)器人跨障動作更加連貫和穩(wěn)定。動作調(diào)整時,先單獨(dú)調(diào)整每個節(jié)點(diǎn)站立的穩(wěn)定性,然后再將12個節(jié)點(diǎn)從頭到尾依次連續(xù)運(yùn)行,使其做出完整的跨欄動作,若在某個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)站立不穩(wěn)的情況,就根據(jù)具體狀態(tài)精確校正舵機(jī)參數(shù),保證機(jī)器人運(yùn)動時的平衡。由于跨障動作幅度大,機(jī)器人容易摔倒,要減慢機(jī)器人運(yùn)動的速度,減小動作的沖擊,才容易調(diào)整動作使ZMP(Zero-Moment-Point)[2]保持在穩(wěn)定域內(nèi),提高機(jī)器人的穩(wěn)定性。

另外,減少手臂擺動也是提高行走穩(wěn)定性的有效措施,也是節(jié)約能量、延長穩(wěn)定行走時間的有效方法。

2.1.2 通過調(diào)節(jié)舵機(jī)參數(shù)提高行走的穩(wěn)定性

動作設(shè)計好后,就有對應(yīng)角度參數(shù)范圍,但這個范圍只能保證機(jī)器人在行走的過程中不會摔倒,會出現(xiàn)晃動很厲害的情況,這就需要精細(xì)的調(diào)節(jié)每個關(guān)節(jié)的角度,提高機(jī)器人運(yùn)動的穩(wěn)定性。機(jī)器人行走不穩(wěn)定一般表現(xiàn)在以下四個方面:

(1)行走時左右擺動幅度過大;(2)行走時前傾或后仰;(3)起步時,腳無法提起,并直接倒向抬腳一側(cè); (4)行走時無法走直線。

由于腳躁關(guān)節(jié)對機(jī)器人ZMP影響最大,膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)次之[6],所以在調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)角度的時候,先粗調(diào)裸關(guān)節(jié)的角度,然后在精細(xì)調(diào)節(jié)膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的角度,這樣可以快速的使機(jī)器人達(dá)到最佳的穩(wěn)定狀態(tài)。出現(xiàn)1、2兩種情況時,主要是由于機(jī)器人行走時身體四個方向傾斜角度太大,只需要降低偏移角度即可,但在調(diào)節(jié)的時候一定要綜合考慮每個關(guān)節(jié)對步態(tài)、重心的上下變化的影響、還有舵機(jī)的性能等因素,一般先調(diào)節(jié)腳躁關(guān)節(jié)處(15、16、17、18)舵機(jī),角度參數(shù)先以增減量為2為幅度調(diào)節(jié),然后角度參數(shù)增減量調(diào)為1,然后再調(diào)節(jié)膝關(guān)節(jié)(13、14)舵機(jī)和髖關(guān)節(jié)(9、10、11、12)舵機(jī)的角度,增減量相同,這樣可以得到機(jī)器人最佳的運(yùn)動穩(wěn)定性。出現(xiàn)第3種情況時,原因剛好和1、2時相反,這時只需要增大機(jī)器人傾斜角度和適當(dāng)提高腳抬起的高度即可,調(diào)節(jié)方式與上文相同。理論上,只要機(jī)器人左右兩邊的關(guān)節(jié)角度對稱,機(jī)器人就可以筆直的向前行走,若出現(xiàn)第4種情況,主要是由于左右腿上的舵機(jī)性能有細(xì)微的差別,導(dǎo)致左右腳不能完全對稱的運(yùn)動,就使機(jī)器人雖然設(shè)定為直線行走,但實際上是拐彎行走,這種情況只能通過校正腳躁、膝蓋關(guān)節(jié)角度變化量解決,一般校正量很小,角度參數(shù)增減量為1,但需要長時間的調(diào)試校正,才能得到理想直線行走的效果。

實際路面粗糙程度也對穩(wěn)定性有影響,摩擦度高的地面可以提供較大的摩擦力,可以把機(jī)器人行走速度設(shè)置的很快;但是在光滑的比賽平臺上行走時,腳底容易打滑摔倒,機(jī)器人腳底很難得到足夠反作用力,只能以較慢的速度行走,保證機(jī)器人運(yùn)動的穩(wěn)定。

2.2 提高搬運(yùn)動作的穩(wěn)定性

由于機(jī)器人硬件的限制,只能通過機(jī)器人雙臂把東西抱住,將物體舉到頭頂再進(jìn)行搬運(yùn)。在搬運(yùn)物塊時,將機(jī)器人兩個手臂上的舵機(jī)設(shè)為滾輪模式,使手臂的動作不受關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)影響,而根據(jù)自己的要求,調(diào)節(jié)手臂的位置,使重心或ZMP點(diǎn)仍然落在穩(wěn)定域[6]內(nèi),只是重心的位置有所升高,但不用再額外設(shè)計搬運(yùn)動作,減少設(shè)計時間。并且在搬運(yùn)的時候可以隨時調(diào)節(jié)手臂位置,使手臂能緊緊抱住物塊,提高搬運(yùn)的穩(wěn)定性。

抓取物體的動作中需要手臂前伸,這會造成重心投影向前移動,需要給機(jī)器人一個重心向后調(diào)節(jié)的校正量,保證機(jī)器人重心落在穩(wěn)定域內(nèi);放下東西時同理,校正量的調(diào)整與調(diào)整舵機(jī)參數(shù)提高行走穩(wěn)定性方法相同。搬運(yùn)行走的動作是直接調(diào)用行走的動作參數(shù),都是穩(wěn)定的動作,不用再校正參數(shù)。但是機(jī)器人手臂抬高會造成重心位置升高,需要減慢機(jī)器人移動的速度,提高搬運(yùn)的穩(wěn)定性。

2.3 提高類人機(jī)器人踢球的穩(wěn)定性

類人機(jī)器人踢球穩(wěn)定性的提高,也需要通過動作設(shè)計和參數(shù)調(diào)整來完成,但是與之前不同的是,機(jī)器人踢球時是一只腳站立,而且會受到球的反作用力,這增加了動作設(shè)計的難度。機(jī)器人在抬起一只腳準(zhǔn)備踢球時,需要將機(jī)器人的身體同時傾向站立腳的方向,使重心投影轉(zhuǎn)移到一只腳的穩(wěn)定域上,保證機(jī)器人站立的穩(wěn)定性;在機(jī)器人踢球但沒接觸到球的這段時間內(nèi),要協(xié)調(diào)上身與腳的運(yùn)動,保證機(jī)器人整體前后方向的運(yùn)動平衡,使ZMP在穩(wěn)定域內(nèi),不然腿部的向前的慣性很容易使機(jī)器人摔倒;對于球的反饋力,可以把機(jī)器人踢球時的重心調(diào)節(jié)到偏向球的方向,這樣球的反作用力正好起到了一個校正姿態(tài)的作用,保證了機(jī)器人的平衡,并且在踢完后立即使機(jī)器人雙腳站立,然后再調(diào)整到常規(guī)站立姿態(tài),這樣可以大大提高機(jī)器人踢球的穩(wěn)定性。踢球參數(shù)的調(diào)整與快速行走參數(shù)的調(diào)整相似,不再贅述。

2.4 提高格斗的穩(wěn)定性

格斗動作設(shè)計跟踢球動作設(shè)計有類似的地方,但格斗有手臂動作的參與,要考慮到手與腳運(yùn)動的協(xié)調(diào),提高機(jī)器人的穩(wěn)定性。而且格斗動作的幅度和沖擊強(qiáng)度很大,如果動作沖擊強(qiáng)度太大,很容易損壞關(guān)節(jié)上的舵機(jī),所以先考慮機(jī)器人硬件承受能力,再來提高機(jī)器人格斗時的動作力度。在攻擊的時候只有保證ZMP在穩(wěn)定域內(nèi),機(jī)器人才能保持穩(wěn)定,而橫向攻擊時,機(jī)器人的穩(wěn)定域最大,即ZMP點(diǎn)的可變化范圍最大,所以采用橫向攻擊機(jī)器人穩(wěn)定性最好。當(dāng)機(jī)器人是橫向攻擊的時候,要盡可能提高雙腳的跨度來增大穩(wěn)定域,并降低機(jī)器人的重心高度,這樣即使ZMP點(diǎn)在穩(wěn)定域內(nèi)產(chǎn)生較大的變化,也不會摔倒。

由于機(jī)器人橫向攻擊時重心前后可變化的范圍很小,若受到前后方向的分力,機(jī)器人重心很容易離開穩(wěn)定域而摔倒,所以要調(diào)整機(jī)器人動作,使其手臂完全處于橫向進(jìn)行擊打,提高格斗的穩(wěn)定性。

圖3 機(jī)器人腳步動作Fig.3 Robotaction of feet

3 調(diào)試與結(jié)果分析

快速行走的參數(shù)經(jīng)過細(xì)微調(diào)整后,機(jī)器人可以行走的很穩(wěn)定,但提高機(jī)器人運(yùn)動速度后,機(jī)器人經(jīng)常走了一段距離后就開始拐彎,無法保持一直走直線,理論上只要兩邊動作變化對稱,機(jī)器人會以直線行走,推測是機(jī)器人硬件的問題,兩只腿上的舵機(jī)性能有細(xì)微的差別,當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動速度一旦提高后,這種細(xì)微的差別就放大顯示出來,出現(xiàn)機(jī)器人拐彎的現(xiàn)象,后來通過校正關(guān)節(jié)參數(shù),可以使機(jī)器人的行走方向的變化量有一定減小,但是無法完全走直線。

表1 抬左腳時三個動作節(jié)點(diǎn)的舵機(jī)參數(shù)Tab.1 The actuator data of three action step when raised left foot

表2 抬右腳時三個動作節(jié)點(diǎn)的舵機(jī)參數(shù)Tab.2 The actuator data of three action step when raised right foot

第一組是左腳向前跨一步時三個分步的參數(shù),右腳抬腿向前的參數(shù)僅需要將左腳這組數(shù)據(jù)通過角度對稱換算,利用公式nr=1024-n1求出右腳抬腿時對應(yīng)舵機(jī)(如11對應(yīng)12，13對應(yīng)14)的參數(shù),兩組參數(shù)組合起來就是完整的雙腳交替向前行走動作的參數(shù),然后再進(jìn)行校正,提高行走的穩(wěn)定性。經(jīng)過大量調(diào)試,機(jī)器人無論是加速減速,在這組參數(shù)下向前行走的穩(wěn)定性都是最好的?？缯蟿幼鞴?jié)點(diǎn)過多,參數(shù)的確定主要在于姿態(tài)的調(diào)整,參數(shù)調(diào)整過程就不在此一一列舉。

調(diào)節(jié)踢球的在動作時,發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在踢完球后,晃動的很厲害,經(jīng)過仔細(xì)觀察,發(fā)現(xiàn)主要是受機(jī)器人與球之間的反作用力干擾,無法自動校正,導(dǎo)致原始設(shè)計的動作無法滿足機(jī)器人穩(wěn)定性的要求,后來把機(jī)器人的重心向球的方向偏移了一點(diǎn)并在踢完球后立即雙腳著地,然后慢慢調(diào)整為正常站立的姿態(tài),這樣增大了機(jī)器人在踢球后的穩(wěn)定域,再踢球后就幾乎沒有晃動,穩(wěn)定性非常好。調(diào)節(jié)格斗的動作時,剛開始機(jī)器人在擊打?qū)κ趾?由于受到反作用力,自己也經(jīng)常會摔倒,后來把向前攻擊改為橫向攻擊和并降低了重心的高度,機(jī)器人的穩(wěn)定性有了很大的提高,即使在高強(qiáng)度的擊打動作下也能穩(wěn)定的站立。踢球和格斗的動作的穩(wěn)定性主要在于動作設(shè)計,參數(shù)就不在此列舉。

主控板和Dynamixel AX-18A舵機(jī)進(jìn)行的是半雙工異步串口通訊,控制板向?qū)?yīng)舵機(jī)發(fā)送改變參數(shù)的指令包,就可以調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)的角度。由于篇幅所限,僅說明設(shè)定兩個舵機(jī)的參數(shù)指令包,若要設(shè)定更多的舵機(jī),只需要在后面加上舵機(jī)的ID和角度、速度參數(shù)即可。在搬運(yùn)物塊時需要將舵機(jī)設(shè)定為滾輪模式,此時把手臂上舵機(jī)的順時針和逆時針角度限制設(shè)定為0°。角度參數(shù)變化范圍0ˉ1 023,下面列舉一個改變舵機(jī)角度指令包示例和一個設(shè)為滾輪模式指令包示例,改變ID的值即可改變相應(yīng)的舵機(jī)。設(shè)定舵機(jī)為滾輪模式的指令包代碼如下:

4 結(jié)論

本文研究類人機(jī)器人快速行走、搬運(yùn)物快、踢球、格斗穩(wěn)定性,就是通過動作設(shè)計增大穩(wěn)定域并調(diào)整關(guān)節(jié)角度來調(diào)節(jié)重心位置及ZMP點(diǎn),使其重心能夠穩(wěn)定的落在腳底與地面的接觸穩(wěn)定域內(nèi),或保證ZMP點(diǎn)能在穩(wěn)定域內(nèi)。實驗結(jié)果表明,提高類人機(jī)器人穩(wěn)定性的關(guān)鍵是:調(diào)整關(guān)節(jié)參數(shù)時不能單獨(dú)考慮一個關(guān)節(jié),而要綜合考慮各個關(guān)節(jié)對機(jī)器人整體運(yùn)動姿態(tài)的影響,這樣調(diào)整才能得到更快更好的穩(wěn)定控制效果。本文選用的類人機(jī)器人只有40 cm高,跟實際的類人機(jī)器人差距不小,本文研究結(jié)論如何應(yīng)用于實際的類人機(jī)器人尚需進(jìn)一步探索,這是我們下一步研究的重點(diǎn)。

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Study on Stability in the All-around M ovementofHumanoid Robots

XIONG Diao1，LIU Yu-liang1，OUYANG Hao-min2
（1.Naval Architecture and Ocean Engineering School of Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022；2.Zhejiang Zhoushan Vestibule School，Zhoushan 316000，China）

The all-round movement of humanoid robots include fast walk in different rough surface，climbing through obstacle，playing soccers，fighting with each other，and so on.How to guarantee the motion stability is the key link among the above.In this paper，a new way to improve themotion stability has been found based on the the relationship between joint angles and the Zero-Moment-Point（ZMP）.The concrete works include several steps as follows.Firstwe adjusted coarsely the pose of the robot，then to determined all joint angles and obtain the angle range guaranteeing stable motion.Finally we chose a GP humanoid robot made in South Korea carry on stabilitymeasurement，and itwas showed that themethod presented in the paper is efficient.

humanoid robot；almightymotion；stability；jointangle

TP242.3

A

1008-830X（2014）05-0437-05

2014-05-10

舟山市科技局公益性項目(2013C31046)

熊雕(1991-),男,湖北隨州人,碩士研究生,研究方向:船舶電氣及其自動化.E-mail：xiongd520@foxmail.com

劉玉良,男,副教授,研究方向:信號處理與通信網(wǎng)絡(luò).