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　　唐  俊 （1980-）：男，湖南湘潭人，同濟(jì)大學(xué)碩士研究生，湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師,研究方向?yàn)镾OA、人工智能、信息安全。

　　摘要：介紹了仿人機(jī)器人的基本概況及仿人機(jī)器人在動(dòng)態(tài)行走方面已經(jīng)取得的技術(shù)成果，討論了剛性仿人機(jī)器人在摔倒后對(duì)其機(jī)體造成的損害，對(duì)機(jī)器人如何防止摔倒以及摔倒后如何防止機(jī)體損害進(jìn)行了探討，提出了一套完整的仿人機(jī)器人摔倒著地過(guò)程中的緩沖算法。

　　關(guān)鍵詞：仿人機(jī)器人；機(jī)器人摔倒；著地緩沖算法

　　Abstract: In this paper, we introducehumanoid robot and a basic overview of the existing techniques of humanoid robot in dynamic walking， and discusses the damage to the rigid humanoid robot after it falls. We make a study onhow to prevent the robot from falling as well as how to prevent the damage to the robot caused by the fall action and put forward a complete buffer algorithms for simulating the fall of humanoid robot.

　　Key words: Humanoid robot; robots fall down;  buffer algorithm

　　1 引言

　　仿人機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域最高研究成果的代表。仿人機(jī)器人的最終研究目標(biāo)是： 研制出具備人類特征(如行走、感官、思維、判斷等能力) ,在相當(dāng)程度上替代人類并服務(wù)于人類，且能夠與人類和諧共處的高級(jí)智能機(jī)器人。[1]

　　仿人機(jī)器人除了外形上要和人類保持一致外，還需要能實(shí)現(xiàn)雙足獨(dú)立行走，對(duì)于仿人機(jī)器人的研究是從對(duì)行走機(jī)構(gòu)的研究開始的。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。當(dāng)時(shí)的WABOT21行走十分緩慢，每走一步需幾秒鐘。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)器人誕生了，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。

　　2 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。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，出現(xiàn)了多種運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，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] 。 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。

　　3 仿人機(jī)器人常見的摔倒方式及著地緩沖算法

　　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。

　　3.1 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是最佳的方式。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。

圖1   機(jī)器人向前著地時(shí)借助雙手進(jìn)行緩沖

　　3.2 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。可以將向后摔倒動(dòng)作劃分為5個(gè)基本狀態(tài)[7]，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。

　　如果摔到時(shí)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。

圖2   機(jī)器人后向倒地時(shí)借助雙手進(jìn)行緩沖

　　3.3 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，應(yīng)同樣先采取下蹲的方式降低重心，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。

　　4．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)器人在站立時(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)其重心進(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。

　　5．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。本文通過(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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