基于動作分解的柔性仿人機器人摔倒保護算法

摘 要：介紹了仿人機器人技術發展的最新動態，分析了仿人機器人的步態特征，針對剛性仿人機器人在摔倒后對其機體造成的損害，討論了柔性仿人機器人的摔倒保護算法，提出了一種基于動作分解的仿人機器人摔倒保護算法。

關鍵詞：仿人機器人；柔性機器人；摔倒保護；動作分解

中圖分類號：TP242.6；U462.3 文獻標志碼：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

仿人機器人是光、機、電、信一體化高技術領域最前沿的研究，技術含量高、難度大，是一個國家高技術研究發展的重要標志之一［1］。仿人機器人具有人類的外觀和特征，可以在惡劣、危險環境下檢修、救援、探測等方面代替人類完成各種作業，也可以在服務、娛樂行業方面發揮作用，具有廣闊的應用前景。

加藤一郎曾經說過“機器人應當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中，自動化程度最高、同時也是最為復雜的步行。日本早稻田大學于1973年研制成功的WABOT21是最早的有記載的雙足步行人形機構［2］。1985 年，WABOT21的改進型WHL211在日本筑波科技博覽會上展出，被譽為劃時代的科技成果。真正對仿人機器人行走機構進行系列化研究始于日本本田公司。本田公司在1986年到1993年間接連開發了E0到E6等7種行走機器人。這7種機器人都只有腿部機構，主要用來研究行走功能。本田公司又于1993年在研制的P1機器人加上了雙臂，使它初步具有了人形。2000年日本本田公司研制出的Asimo［3］作為第一個真正具有世界影響的仿人機器人誕生于，它的誕生促進了各種各樣的仿人機器人研究，開辟了一個仿人機器人蓬勃發展的時代。2002年日本產業技術綜合研究所、安川電機公司和清水建設公司最近成功開發出建筑機器人HRP-2P，這種機器人和真人大小差不多，身長154厘米，體重58公斤，可抬動很重的建材，而且視覺系統也很好。在室內的模擬建筑現場中，機器人可根據指令與人共同搬運建材。另外，機器人還能與人合作固定螺栓。HRP-2P具有30個活動關節，最大行走速度為2km/h，視覺系統由三鏡頭立體照相機構成，由于采用高密度集成電路，無須采用背包設計，HRP-2P最大的特點是有較好的摔倒緩沖及恢復方法。

1 仿人機器人步態規劃技術

運動規劃是仿人機器人研究的一個重要方面，歸結起來可以分成三類：

1）基本的步態規劃方法

2）考慮最優函數的步態規劃方法

3）路徑規劃或者實時規劃方法［4］

基本的步態規劃方法只是考慮如何實現機器人的行走，而不關心其能量的消耗、關節力矩、運動速度等指標，是最簡單步態規劃方法。在此基礎上出現了以某一函數為指標的最優規劃方法。最優規劃方法的優點是能充分發揮仿人機器人的性能，降低對系統的要求，其缺點是計算量大，在模型復雜的情況下甚至不可解，所以這種方法只適用于自由度少、結構簡單的機器人步態規劃中。隨著各種傳感器技術的發展，越來越過的學者開始考慮實現仿人機器人的智能化。機器人具有智能之后可以獨立思考、獨立決策一些簡單的問題，也只有實現了機器人的智能，才能使機器人更接近于人、更好的服務于人類。

近幾年人們在步態規劃方面取得了很多成果，有人提出通過視覺導航的在線規劃的方法［5］，這種方法一般需要通過視覺或其他傳感器確定每一步的參數，傳感器系統比較復雜。

在目前比較成熟的規劃方法中，基于ZMP 穩定判據的方法是最為普遍的規劃方法，從雙足和軀干的運動軌跡確定ZMP 軌跡，實現穩定行走［6-7］。 因此如果可以根據地面的實際情況，實時調整步態參數，設計合理的雙足和軀干軌跡，就可以確定ZMP 軌跡，實現穩定行走。

2 基于動作分解的柔性仿人機器人摔倒保護算法

雖然有很多方法用來防止仿人機器人的摔倒，但是仿人機器人比人類還是更容易摔倒。在仿人機器人摔倒后，需要采取一定的措施防止機器人的外部及內部機構由于摔倒的沖擊力而導致損壞，并且需要有摔倒后重新站立的恢復機制，只有這樣仿人機器人才具有持續行走和工作能力。

根據機器人摔倒時的方向不同，可以分為向前摔倒、向后摔倒和側翻。下面就這三種摔倒的方式來探討針對不同摔倒方式的著地緩沖方法。

2.1 仿人機器人向前摔倒著地緩沖方法

人類在向前摔倒的過程中往往是由于身體上部受力或者慣性的作用向前，而足底無法前進而導致的。而人類在向前摔倒的過程中，為了減緩摔倒的力量，會不自覺地用雙手撐地，以減輕著地時的力量。仿人機器人在向前著地的過程中為了減輕著地的力量，采用雙手支撐的方法時最佳的方式。除此之外，在摔倒時迅速的作出下蹲動作，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。在機器人的膝蓋處安裝防止沖擊的軟護墊，減少了膝蓋所受的力量，將機器人的手掌也安裝柔性材料，這樣對手也起到了緩沖作用。

在仿人機器人著地過程中，機器人將迅速執行下蹲的動作，這樣降低了機器人中心的高度，也降低了身體倒下的沖擊力。接著調整整個手以及胳膊的方位，讓胳膊與身體保持90度的夾角。當手掌最新接觸到地面的時候，手掌的傳感器將接觸到地面的信號送到反饋系統，這個時候系統迅速啟動肘關節向外擴張，而隨著機器人身體的下降，肘關節起到了一個剎車的作用。在外擴的過程中，讓所受到的力保持在一個閥值之內，以防止肘關節因受力過度而損壞，如圖1所示。

2.2 仿人機器人向后摔倒著地緩沖方法

機器人向后摔倒時盡可能以較低的速度讓臀部先著地，并在臀部安裝緩沖護墊以減輕著地沖擊力。可以將向后摔倒動作劃分為5個基本狀態，在每個狀態都生成適當的動作和控制其運動。

1）下蹲狀態：該狀態是倒地時的初始狀態，機器人的重心偏離支撐多邊形而不能恢復穩定。機器人將停止所有的運動控制而啟動倒地控制，機器人彎曲膝關節以降低臀部高度，彎曲頸部、腰部和手臂關節，以便臀部著地。

2）伸展狀態1：在倒地的過程中，當連接機器人腳后跟和臀部著地點的直線與地面的夾角小于設定值時，機器人開始伸展膝關節以減小臀部著地的速度，并確保機器人以臀部著地。

3）著地狀態：當角度小于另一個設定值時，機器人準備著地，停止關節的伺服控制。

4）伸展狀態2：從著地的瞬間開始后一段時間內，機器人伸展腿部，將機器人的中心往下體移動，以防止機器人因為摔倒時的慣性而繼續向后翻倒而使得頭部著地，保護頸部關節不被損壞。

5）結束狀態：經過一段時間后，確認機器人已經處于靜止穩定狀態后，機器人伸展關節，準備從倒地狀態站起。

如果時摔到時候的力量特別大，則可以借助手臂來減輕著地力量。在機器人臀部著地后，利用雙手手掌撐地，并借助于肘關節的制動機構來降低倒地力量，如圖2所示。

2.3 仿人機器人側向摔倒著地緩沖方法

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

雖然機器人側向摔倒的概率要小于前向和后向，但因為這種摔倒更多的時發生在機器人跑動的過程中，所以其摔倒后對機器人的損害卻是最嚴重的，并且對于機器人的側向摔倒時的緩沖方法十分有限，因此如何減輕機器人側向摔倒時所受的損害是目前機器人摔倒研究中的重點。

在機器人側向摔倒的過程中，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進行著地力度的緩沖。在單手已經著地后，讓身體向前俯沖，然后利用另外一個手撐地，以平穩著地。

3 仿人機器人摔倒后的恢復動作

機器人在摔倒之后需要重新站立，即機器人應該能夠從仰躺、俯臥或側臥狀態重新站起。機器人在站歷時必須保持身體的平衡，但是不同的狀態之間的轉換又需要打破這種平衡的狀態。在狀態轉換過程中，需要借助慣性的作用，因此在動作力度的計算中需要充分考慮慣性的作用，這種不平衡的狀態只是一個短暫的中間過程，在從一種狀態過渡到另外一種狀態后，借助陀螺儀和平衡算法，機器人能夠很快的轉入平衡的穩定狀態。

機器人從仰臥到站立需要經過如下幾個狀態：

1）肘部支撐：利用肘部向后支撐，讓頭部和身體繞臀部旋轉上伸。

2）手掌支撐：在頭部和身體直立后，機器人已經由仰臥轉為坐立姿態。然后以雙手撐起整個上身以及臀部。

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

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，從而達到蹲立的狀態。這個轉換需要機器人對其中心進行動態調整，難度最大。

5）站立：在雙腿的作用下，將機器人的姿勢由蹲轉換成站立。

至此，機器人完成了整個站立過程。

4 總結

雖然有了眾多機器人平衡算法，但機器人的摔倒仍然是不可避免的。通過改進機器人摔倒算法，利用手的支撐來降低著地時的沖擊力，并利用柔性的機器人外部設計來增加機器人外殼的緩沖能力，使機器人摔倒著地時能夠實現“軟”著落。在實際應用中，使用著地緩沖算法能夠防止機器人因為摔倒的沖擊力而導致損壞，并且能夠利用恢復算法快速的重新爬起和站立，提高了仿人機器人的可用性。

參考文獻

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