仿人機(jī)器人雙臂/軀干運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究

仿人機(jī)器人是具有類(lèi)人的外貌特征和運(yùn)動(dòng)功能的一種先進(jìn)智能體，其研究的重點(diǎn)之一就是如何模仿人類(lèi)行為的同時(shí)提高系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。最近的一項(xiàng)研究從機(jī)器人系統(tǒng)的角度出發(fā)，研究上、下肢的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，上身運(yùn)動(dòng)對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)模式的影響，以及如何設(shè)計(jì)上身的運(yùn)動(dòng)提高系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

這項(xiàng)題為“仿人機(jī)器人雙臂/軀干運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究”的研究成果發(fā)表于《中國(guó)科學(xué) 信息科學(xué)》英文版2010年第8期上(http://www.springerlink.com/content/u03538764146v806/)，是由上海交通大學(xué)自動(dòng)化系的邢登鵬博士和蘇劍波教授完成的。

到目前為止，已經(jīng)有一些仿人機(jī)器人機(jī)型能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的行走與跑步功能，但是在大多數(shù)的研究中通常將手臂簡(jiǎn)化為配重，而忽略了其對(duì)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的補(bǔ)償作用。由于手臂子系統(tǒng)的多自由度和非線(xiàn)性以及上、下肢的運(yùn)動(dòng)耦合等原因，還沒(méi)有相關(guān)研究規(guī)劃仿人機(jī)器人模仿人類(lèi)的上身運(yùn)動(dòng)，尤其并沒(méi)有就手臂強(qiáng)有力的擺動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行相關(guān)探討。而觀(guān)察人類(lèi)的運(yùn)動(dòng)行為可知，上身運(yùn)動(dòng)，尤其是手臂的擺動(dòng)，能夠加快整體的運(yùn)動(dòng)速度、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由此可見(jiàn)上身的作用是非常明顯的，而仿人機(jī)器人如何生成類(lèi)似人類(lèi)的上身運(yùn)動(dòng)以及如何提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，正是該文的研究?jī)?nèi)容。

該研究首先分析機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的地面作用力矩，并將系統(tǒng)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩分離出來(lái)作為補(bǔ)償對(duì)象；分析了手臂擺動(dòng)對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響—合理的擺動(dòng)能夠大幅度補(bǔ)償系統(tǒng)的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，從而避免因地面摩擦力矩不夠而引起的支撐腳打轉(zhuǎn)現(xiàn)象；以ZMP點(diǎn)為參考點(diǎn)，提出軀干自轉(zhuǎn)和雙臂擺動(dòng)兩種補(bǔ)償策略，用以補(bǔ)償系統(tǒng)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而提高雙足運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。該雙臂擺動(dòng)用以模仿人類(lèi)行走和跑步的運(yùn)動(dòng)模式，而采用軀干自轉(zhuǎn)來(lái)模仿人類(lèi)無(wú)臂時(shí)的快速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。研究從能量消耗的角度對(duì)這兩種規(guī)劃方法進(jìn)行了比較，并對(duì)機(jī)器人手臂長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。研究者使用正在開(kāi)發(fā)的仿人機(jī)器人模型對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，證明所提出的兩種運(yùn)動(dòng)方式能夠很好地補(bǔ)償系統(tǒng)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，提高系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，并能克服地面摩擦變化對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的干擾。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃的聯(lián)合資助，該項(xiàng)成果有助于提高仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，能夠更好地模仿人類(lèi)運(yùn)動(dòng)，加快雙足機(jī)器人走向市場(chǎng)應(yīng)用，促進(jìn)該機(jī)器人的相關(guān)研究。目前美國(guó)DARPA已資助多項(xiàng)足式機(jī)器人的研究與發(fā)展，希望雙足機(jī)器人能夠在以后的軍事行動(dòng)中發(fā)揮重要作用。