雙足仿人機器人及其步態平衡技術簡介
許多國家都曾經從文化上嘗試過理解仿人機器人。希臘神話中諸神制造的青銅巨人Talos,負責守護克里特島,平時以裝飾品的身份存在,當探測到有人入侵時就會行動。猶太民族傳說中的神秘巨石像Golem,能力非常強大,普通攻擊對它根本無效,而且任勞任怨,做什么勞動都不需要休息,唯一的弱點是需要驅動,否則它會失去動力變成一堆泥土。在古代中國,我們也已經對仿人機器人有了最初的模糊想象:春秋戰國時代編著的《列子·湯問篇》中,有一則周穆王見偃師的故事,偃師用皮革木頭,機關零件,膠漆丹青等組裝成了一個活蹦亂跳的人偶,名曰“倡者”,倡者可以達到“巧夫鎖其頤,則歌合律;捧其手,則舞應節。千變萬化,惟意所適。”的靈巧程度。
這些不同文化背景下的神話傳說雖然內容各異,但目標指向同一個方向:人類制造機器人的首要目的是造出能代替人類的類人系統,幫自己去完成很難甚至不可能的任務。完整的仿人機器人由視覺系統+雙臂/腕/手系統+雙足系統構成。視覺擔當大腦中樞,利用視覺傳感器反饋回的信息制定全局的行動計劃,雙臂/腕/手利用力覺觸覺等傳感器去實現這些操作,而雙足系統擴大了機器人的工作空間,保證了機器人在復雜或危險地形中可以持續工作,同時不需要專門為其對環境進行大規模改造,可以直接在人類的生活和工作環境中與人類協同作業。
正因如此,雙足仿人機器人以其獨特的優勢受到了各方的廣泛關注,成為機器人研究領域的熱點。與輪式機器人相比,雙足仿人機器人行走系統占地面積小,活動范圍大,對步行環境要求低且具有一定的逾越障礙的能力,移動“盲區”小,因而具有更廣闊的應用領域,也具有很高的生產價值和商業價值。如在極限環境下代替人工作業,海底勘探,水下資源開發,地震搜救,核電站內的監視和維護等。目前比較成熟的雙足仿人機器人以日本Honda公司的Asimo和美國Boston Dynamics公司的Atlas為代表。此外,雙足本身是移動機器人系統的入門,經過改進還可以制成足球機器人,機器蜘蛛、機器狗等。
機械結構上,雙足步行機器人一般單腿有6個自由度,分布在踝關節(2個自由度),膝關節(1個自由度)和髖關節上(3個自由度)。雙腿12個自由度可以實現行走,跳躍,跑動,上/下樓梯,橫向移動等動作。目前,雙足技術的核心和難點在于怎樣對路況/環境進行判斷,實時有效地規劃步態并保證步態的平衡。以最基礎的動作行走為例,行走過程被定義為雙足左右交替作為支撐腳,在保持和地面間安定的支撐狀態同時,移動腳交替實現移動。這一過程是否處于穩定狀態,日本的Asimo團隊采用ZMP(零力矩點)理論作為判斷依據,在跨越近30年的研究中證明了該理論的可行性和可靠性:步行中的機器人,其質心(腰部)位置存在著重力和質心加減速時帶來的慣性力,這兩個力的合力(或合力延長線)與地面的交點為零力矩點(ZMP),意味這該點水平方向的力和力矩為零,即在該點處機器人沒有水平方向傾倒的趨勢。如果行走過程中,ZMP點始終處于單足足面內或是在雙足軌跡構成的多邊形內,則認為步態是穩定的。基于ZMP穩定判據,結合Preview Control/Fast Fourier Transformation/ Thomas Algorithm 等優化控制算法,在平地上可實現對穩定步態的離線規劃和平衡行走。
然而,讓雙足在復雜的路況里也能做到流暢行走,迅速準確地跨越各種障礙,是當前企業、高校或研究所的雙足機器人團隊正在攻克的課題,也是祈飛科技機器人團隊研發的方向之一。用夢想照亮現實,以科技智造未來。祈飛機器人未來將通過與人工智能的物體檢測和識別算法相結合,在雙足仿人機器人上搭載視覺系統,實時識別復雜路況,構建環境地圖,動態規劃步態。這樣才能實現真正意義上的雙足機器人自主行走,也讓我們朝著創造出突破人類局限的的類人系統的夢想更靠近一步。

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