RoboCup仿人機器人NAO的轉向尋球步態(tài)規(guī)劃

楊文迪，晏陽天，彭博文

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RoboCup仿人機器人NAO的轉向尋球步態(tài)規(guī)劃

楊文迪，晏陽天，彭博文

（武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430000）

隨著機器人技術的飛速發(fā)展，作為高度融合了自動化、機械、人工智能領域的研究成果的NAO機器人，被廣泛的應用于RoboCup比賽?，F(xiàn)有比賽中，NAO機器人尋球轉身方式具有速度較慢、穩(wěn)定性差、易被周圍機器人絆倒等缺點。由于NAO機器人本身關節(jié)的旋轉角度限制以及NAO機器人本身NAOQi系統(tǒng)現(xiàn)有的技術在機器人轉身程序上有缺陷，導致其轉身速度較慢、穩(wěn)定性較差，影響其尋球速度，對比賽中機器人的表現(xiàn)產(chǎn)生了一定影響。對此，主要研究NAO機器人轉向尋球的步態(tài)規(guī)劃，結合NAO機器人本身的關機靈活度，優(yōu)化NAO機器人轉向尋球的速度和穩(wěn)定性，希望對優(yōu)化NAO機器人轉向步態(tài)起一定的指導意義。實際驗證表明，本方法能有效地增強NAO機器人穩(wěn)定性，并加快其轉身速度。

NAO機器人；RoboCup；專項尋球；步態(tài)優(yōu)化

隨著智能技術的飛速發(fā)展，NAO機器人高度融合了自動化、機械、人工智能領域的研究成果，被廣泛的應用于RoboCup比賽中?，F(xiàn)有技術中，NAO機器人尋球轉身方式是依靠腿部的上下較小幅度的抖動，使得每次只有一條腿著地，而另一條腿則在半空中通過腿部關節(jié)實現(xiàn)細微的轉動，如此左右腿配合達到轉身的效果。NAO機器人通過頭部的攝像頭部件捕捉足球的方位，得到角度差，之后通過雙腿的上下抖動來達到轉身一定角度、尋球的目的。通過實際比賽和演練證明，NAO機器人在原來方式通過腿部抖動來轉身尋球，不僅速度較慢，而且穩(wěn)定性差，易被周圍機器人絆倒。可見，由于NAO機器人系統(tǒng)現(xiàn)有技術在機器人轉身程序上有缺陷，使其轉身速度較慢，穩(wěn)定性較差，影響其尋球速度，對比賽中機器人的表現(xiàn)產(chǎn)生了一定影響。本項目組計劃將機器人的轉身過程變?yōu)橹苯永猛炔扛鱾€關節(jié)之間的靈活轉動，使得腿部和腳底在地面直接產(chǎn)生滑動，幫助機器人完成整體的轉向，同時保持良好的穩(wěn)定性。以腿部各關節(jié)的良好配合完成在地面平滑移動代替腿部上下抖動，完成NAO機器人的原地轉身尋球，使得NAO機器人轉向尋球更加快捷穩(wěn)定，不易被絆倒。

1 仿人機器人NAO及其基本參數(shù)獲取

NAO機器人由Aldebaran Robotics公司研發(fā)，于2007年選入RoboCup賽事，該機器人質(zhì)量約4.3 kg，有25個自由度，兩大高清智能CMOS智能攝像頭，能準確、高效地捕獲足球。NAO軀干上的超聲波發(fā)射器和接收器可以探測到對方球員的方位，以便及時作出調(diào)整。由于NAO機器人的絕大部分關鍵硬件都在胸部，四肢軀干僅為電機和傳感器，因此NAO機器人的重心偏高，導致其在移動以及激烈碰撞中極易摔倒。

由于NAO機器人各關節(jié)轉動較為復雜，而且重心偏高的NAO機器人如果不能保持很好的平衡時易摔倒，因此需調(diào)節(jié)機器人各關節(jié)使其保持基本的平衡，本項目組先獲得了NAO機器人關鍵關節(jié)的活動范圍數(shù)據(jù)。

2 對NAO機器人的轉向尋球步態(tài)仿真

2.1 仿真數(shù)據(jù)的初步獲取

NAO機器人是雙足仿人機器人，其關節(jié)活動大致符合人體的活動規(guī)律。而且NAO機器人在對其身體朝向的180°范圍的足球識別成功后可以斜向前進走過去，但當足球在NAO機器人的身后時，機器人就需要轉向才能看到足球，此時機器人就需要向左或向右轉動至少90°才能使其頭部攝像頭捕捉到足球。本項目組選取機器人轉向90°為完成目標（由于RoboCup賽事所用不止一個機器人，某些NAO機器人看不到的方位可由其他參賽機器人捕捉足球后，通過內(nèi)部通信傳達給待轉向機器人）。

項目組選取5名志愿者，讓他們在2 s時間內(nèi)，以直立的初始狀態(tài)，兩腿先在左右張開，然后在地面以腿部彎曲滑動的形式完成旋轉轉向90°。在實驗者身上安裝傳感設備，并用紅外傳感器獲取得實驗者運動過程中腿部腳踝、膝蓋關節(jié)處的角度變化情況。每個實驗者各測5組數(shù)據(jù)，共25組。將傳感器連接上位機，將每次采集到的數(shù)據(jù)擬合為一條曲線，多條曲線構成一個面，取數(shù)據(jù)面中處于中間的80%的數(shù)據(jù)重新構成一個數(shù)據(jù)面，將數(shù)據(jù)面上下范圍擴大20°（在符合其活動范圍內(nèi)進行擴充），以5°為一個角度節(jié)點進行取樣，0.2 s為一個時間節(jié)點進行采樣，得到時間—角度（多組）的數(shù)據(jù)列表。

2.2 對數(shù)據(jù)進行Matlab仿真

將紅外攝像頭測得的左腿，右腿、盆骨的角度用歐拉角表示，并與機器人動作開始到成功完成選擇這段時間形成函數(shù)關系，用Matlab仿真得出一條曲線，之后取每一個時間節(jié)點不同的的左腿、右腿、盆骨的歐拉角進行組合，按照時間節(jié)點0.2 s插入關節(jié)數(shù)據(jù)，分別將取得的數(shù)據(jù)輸入至圖形化軟件Choregraphe內(nèi)驅動NAO機器人，讓NAO機器人的腿部關節(jié)按照所輸入的歐拉角數(shù)據(jù)活動，完成轉身動作。

2.3 維持NAO機器人運動過程的穩(wěn)定性

在機器人左右2個腳掌搭建4個壓力傳感器，在驅動的同時記錄下機器人的旋轉時間和搖晃程度，搖晃程度分為3個等級記錄，搖晃最大角度超過25°時記錄為不穩(wěn)定，搖晃角度為10°～25°時記為較穩(wěn)定，搖晃角度在10°以下即為穩(wěn)定，同時也記錄下晃動的時間。如果某個動作搖晃程度太大，則將此動作的前后2個時間點間隔擴大，延長動作的時間，增強其穩(wěn)定性，同時運動總時長也增大。

本團隊選用BF350-3AA/1.5AA小型壓力傳感器輸出信號，并選用arduino主控芯片實時采集壓力傳感器的數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送至上位機，最后將這些數(shù)據(jù)使用Matlab處理為一條曲線，便于觀察比較。

同時記錄下4個壓力傳感器輸出的數(shù)據(jù)，并分別賦予4個傳感器不同的權重，權重的比例為4個傳感器到中心的投影距離，公式為1∶2∶3∶4=1∶2∶3∶4.并根據(jù)貝塞爾方差公式求出傳感器的差值，為：

用方差來初略衡量穩(wěn)定性的大小，4個壓力傳感器的方差越大，即機器人身體重心偏移程度越大，越不穩(wěn)定。并在Matlab軟件用該值和時間繪制曲線，記錄下摔倒時的方差值，用該值作為是否摔倒的節(jié)點值，取在摔倒節(jié)點值以內(nèi)的各關節(jié)數(shù)據(jù)為有效值。

因為機器人在不穩(wěn)定狀態(tài)下繼續(xù)進行其他動作極易摔倒，如果等待穩(wěn)定又會大大縮短轉彎時間，所以將轉彎的動作幅度控制在一個機器人轉彎不會超過不穩(wěn)定狀態(tài)的值，所以同時結合轉彎時間和轉彎的穩(wěn)定性方差的數(shù)據(jù)，可得到最佳的旋轉時關節(jié)活動數(shù)據(jù)。最后將擬合得到的各腿部關節(jié)的各時間點歐拉角通過NAOQi這一嵌入式軟件編寫，讓機器人產(chǎn)生腳掌滑動來旋轉的python程序，并植入NAO機器人的底層文件，在之后機器人比賽需要時直接調(diào)用該集成好的庫文件，按照此庫文件中的關節(jié)歐拉角按照時間軸走向進行運動，完成旋轉轉身。

3 仿真數(shù)據(jù)效果分析

將仿真數(shù)據(jù)所編成的文件導入Choregraphe軟件中，連接NAO機器人運行文件，使得NAO機器人能夠完成轉向尋球的目標，實際運行狀態(tài)如圖1、圖2、圖3所示。圖1為NAO機器人轉向前捕捉足球，圖2為NAO機器人雙腿在地面滑動轉向過程，圖3為NAO機器人滑動尋球結束，朝向足球的狀態(tài)。

圖1 轉向前

圖2 轉向中

圖3 轉向后

由最后的運行效果來看，NAO機器人的轉向過程變的更加迅速、穩(wěn)定，完成了項目目標。

4 總結

NAO機器人在滑動轉向過程中，由于我們是在RoboCup比賽要求的足球場地上進行測試的，其他地面的摩擦阻力會有不同，而使得NAO機器人運行文件轉向的過程中角度會有少許的偏差，并且NAO機器人的關節(jié)電機磨損也會導致轉向角度有小幅度的偏差?？傮w上來說，本項目組的轉向方案相比于往年比賽中隊伍常用的雙腿抖動轉向方案，在保持速度小幅度領先的狀況下，可以維持更高的穩(wěn)定性，在RoboCup賽事中獲得優(yōu)勢。

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2095－6835（2019）05－0088－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.088

〔編輯：王霞〕