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双足仿人机器人及其步态平衡技术简介

深圳市祈飞科技有限公司人工智能研究院

许多国家都曾经从文化上尝试过理解仿人机器人。希腊神话中诸神制造的青铜巨人Talos,负责守护克里特岛,平时以装饰品的身份存在,当探测到有人入侵时就会行动。犹太民族传说中的神秘巨石像Golem,能力非常强大,普通攻击对它根本无效,而且任劳任怨,做什么劳动都不需要休息,唯一的弱点是需要驱动,否则它会失去动力变成一堆泥土。在古代中国,我们也已经对仿人机器人有了最初的模糊想象:春秋战国时代编著的《列子·汤问篇》中,有一则周穆王见偃师的故事,偃师用皮革木头,机关零件,胶漆丹青等组装成了一个活蹦乱跳的人偶,名曰“倡者”,倡者可以达到“巧夫锁其颐,则歌合律;捧其手,则舞应节。千变万化,惟意所适。”的灵巧程度。


这些不同文化背景下的神话传说虽然内容各异,但目标指向同一个方向:人类制造机器人的首要目的是造出能代替人类的类人系统,帮自己去完成很难甚至不可能的任务。完整的仿人机器人由视觉系统+双臂/腕/手系统+双足系统构成。视觉担当大脑中枢,利用视觉传感器反馈回的信息制定全局的行动计划,双臂/腕/手利用力觉触觉等传感器去实现这些操作,而双足系统扩大了机器人的工作空间,保证了机器人在复杂或危险地形中可以持续工作,同时不需要专门为其对环境进行大规模改造,可以直接在人类的生活和工作环境中与人类协同作业。


正因如此,双足仿人机器人以其独特的优势受到了各方的广泛关注,成为机器人研究领域的热点。与轮式机器人相比,双足仿人机器人行走系统占地面积小,活动范围大,对步行环境要求低且具有一定的逾越障碍的能力,移动“盲区”小,因而具有更广阔的应用领域,也具有很高的生产价值和商业价值。如在极限环境下代替人工作业,海底勘探,水下资源开发,地震搜救,核电站内的监视和维护等。目前比较成熟的双足仿人机器人以日本Honda公司的Asimo和美国Boston Dynamics公司的Atlas为代表。此外,双足本身是移动机器人系统的入门,经过改进还可以制成足球机器人,机器蜘蛛、机器狗等。


机械结构上,双足步行机器人一般单腿有6个自由度,分布在踝关节(2个自由度),膝关节(1个自由度)和髋关节上(3个自由度)。双腿12个自由度可以实现行走,跳跃,跑动,上/下楼梯,横向移动等动作。目前,双足技术的核心和难点在于怎样对路况/环境进行判断,实时有效地规划步态并保证步态的平衡。以最基础的动作行走为例,行走过程被定义为双足左右交替作为支撑脚,在保持和地面间安定的支撑状态同时,移动脚交替实现移动。这一过程是否处于稳定状态,日本的Asimo团队采用ZMP(零力矩点)理论作为判断依据,在跨越近30年的研究中证明了该理论的可行性和可靠性:步行中的机器人,其质心(腰部)位置存在着重力和质心加减速时带来的惯性力,这两个力的合力(或合力延长线)与地面的交点为零力矩点(ZMP),意味这该点水平方向的力和力矩为零,即在该点处机器人没有水平方向倾倒的趋势。如果行走过程中,ZMP点始终处于单足足面内或是在双足轨迹构成的多边形内,则认为步态是稳定的。基于ZMP稳定判据,结合Preview Control/Fast Fourier Transformation/ Thomas Algorithm 等优化控制算法,在平地上可实现对稳定步态的离线规划和平衡行走。


然而,让双足在复杂的路况里也能做到流畅行走,迅速准确地跨越各种障碍,是当前企业、高校或研究所的双足机器人团队正在攻克的课题,也是祈飞科技机器人团队研发的方向之一。用梦想照亮现实,以科技智造未来。祈飞机器人未来将通过与人工智能的物体检测和识别算法相结合,在双足仿人机器人上搭载视觉系统,实时识别复杂路况,构建环境地图,动态规划步态。这样才能实现真正意义上的双足机器人自主行走,也让我们朝着创造出突破人类局限的的类人系统的梦想更靠近一步。


发布时间:2016年11月10日 17:42 人气: 审核编辑:ZYW
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