仿人机器人理论与技术 1仿人机器人概论 1 仿人机器人概论 1.1仿人机器人的基本概念 机器人技术与系统作为20 世纪人类最伟大的发明之一，自60 年代初问世以来，经历近半个世纪的发展，已经取得了丰硕的成果和实质的进步。［1］在各种形式的机器人当中，仿人机器人是系统结构最复杂、集成度最高、与人类最为相似的一类机器人。由于其外形和功能像人，因此适合在人类生活和工作的环境中与人类协同工作［2，3］，不需要专门为其进行大规模的环境改造。仿人机器人还可以代替人类在危险环境中作业，拓宽人类的活动空间。从机器人形态上来讲，仿人机器人是最佳的通用移动和操作平台。 仿人机器人是从机器人形态和功能的角度来定义的，通常区别于工业机器人等概念。有些机器人仅仅具有人体的部分外形，如上肢、头部等，也被称为仿人机器人。而双足机器人是从机器人的移动方式来定义的，通常用来区别于多足步行及轮式移动等方式。基于本专著的研究重点，下文中的仿人机器人专指仿人型双足步行机器人。 在所有类人行为中，“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能”［4］。步行是人与大多数哺乳动物所具有的移动方式，真正的仿人机器人应具备类人的下肢结构和类人的双足步行能力。实现稳定行走是仿人机器人研究中的首要关键任务。［2，5］ 本章主要介绍仿人机器人的基本概念和硬件配置，为后续章节奠定技术基础。 仿人机器人的研制首先是要根据目标规格，决定自由度的构成； 与此同时，确定主动关节的驱动方式，选取驱动器； 然后根据行走控制策略设计足部机构，并选定各种传感器。下面按顺序进行叙述。 1.1.1自由度配置 现有的仿人机器人结构上大多由多个单自由度的旋转关节构成。 为了能在三维空间自由控制脚掌的位置和姿态，仿人机器人的单腿需要6个自由度。最常见的仿人机器人自由度配置方案如图1.1所示。其中，髋关节设有偏转、横滚、俯仰等3个自由度，膝关节设有1个俯仰自由度，而踝关节设有俯仰和横滚2个自由度，这样两条腿就是共计12个自由度的左右对称的串联机构。 图1.1仿人机器人自由度与传感器配置 为了能够代替人类或者与人类协同作业，就要求仿人手臂在设计时能充分考虑人类的形态和结构。人类的手臂是由肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节和手部组成的。一种典型的仿人机器人手臂自由度配置如图1.1所示，其中肩关节具有3个正交的自由度，肘关节具有1个自由度，腕关节具有3个正交的自由度，这样单支手臂就是共计7个自由度的串联冗余机构。所增加的1个冗余自由度用以增加手臂灵活性，扩大手臂操作空间，防止手臂和躯干发生碰撞。肩部的转动将带动整只手臂运动，相对于肘部和腕部等靠近手臂末端的关节，肩部关节能以较小的角度实现相同的手臂末端移动距离。换言之，将关节布置在肩部将有助于扩大手臂的运动范围，故这里布置前摆、侧摆和绕大臂转动3个自由度。如果只有肩关节，则手臂只能在一个球面上运动，对球面内的位置无法覆盖，因此，在手臂中心位置增加摆动的肘关节，用以实现对近距离点的到达。大臂太长或太短都将缩小手臂末端的可达范围，只有当大臂、小臂等长时，手臂末端的运动范围才最大。 此外，根据功能需求，仿人机器人还可以在腰部和颈部设置自由度。 人体的运动平面可分为前向平面（sagittal plane）、侧向平面（lateral plane）和横向平面（transverse plane），如图1.2所示。在正常的双足步行过程中，前向平面的运动起主导作用，侧向平面和横向平面的运动幅度相对较小。［6］现有的仿人机器人模型可分为仅在前向平面运动的平面模型（planar model）和在三维空间内移动的三维模型（3D model）。与三维模型相比，平面模型的自由度较少，可以用解析方法进行数学处理，因此它经常被用来充当研究控制律的原形模型。但是，为了实现平面模型，必须使用某种机构将机器人限制在前向平面内。［7］在双足机器人的研究领域，将前向平面与侧向平面和横向平面分开考虑是一种被广泛采用的研究手段。 图1.2人体的运动平面 1.1.2驱动方式 仿人机器人的关节驱动方式包括伺服电机、气动人工肌肉和液压等形式。 1. 伺服电机驱动 目前，绝大多数仿人机器人都是采用伺服电机作为关节驱动。市场上销售的高性能伺服电机大多是高转速、低扭矩，因此必须进行适当的减速才能用来驱动机器人的各关节。在大学研究室开发的早期仿人机器人大多采用齿轮减速机构，这种机构不但重量大，而且间隙也大。与此相对的是，本田仿人机器人率先采用了谐波减速机构［3］，它不但体积小、重量轻，而且可按照几乎没有间隙的目标值进行控制。［1］ 在结构布置上，最简单的设计是将电机和减速器直接与关节同轴相连，但这会使机器人腿部绕髋关节的转动惯量加大，进而减弱了整个腿部的机动性效果。为了能够将电机和减速器放置在合适位置，满足仿人机器人关节紧凑的要求，仿人机器人通常采用同步带传动。 如图1.3（a）所示，电机和减速器直接配置在关节上方，使用同步带将动力输出到关节。由于将减速器配置在靠近髋关节处，因而其惯性矩小，这是它的优点； 但由于同步带直接与关节相连，传动力较大，且同步带产生的变形将直接影响关节精度，因此该方式不适合精密定位。此外，所选择的同步带还需要满足大转矩的要求。 图1.3电机与减速器的配置方法 （a） 电机与减速器配置在关节上方； （b） 电机配置在关节上方，减速器配置在关节处 如图1.3（b）所示，电机配置在关节上方，减速器直接配置在关节处，使用同步带将电机动力输出到减速器。由于将减速器配置在关节处，因而其惯性矩较大，这是它的缺点； 但由于同步带直接与电机相连，传动力小，同步带产生的变形小，因此关节精度高。 2. 气动人工肌肉驱动 气动人工肌肉（图1.4）是一种具有类似人类肌肉输出特性的柔性驱动器，是参考人类肌肉的运动原理设计而成的。气动人工肌肉既具有质量轻、价格低、易维护等优点，与汽缸相比，还具有较大的功率体积比和功率质量比，并且由于其力位移关系特性与人类肌肉特性相似而具有很好的柔顺性，在仿生机器人领域中具有很好的应用前景。 图1.4气动人工肌肉 (a) 充气前； (b) 充气后 由于单根气动人工肌肉只能提供拉力，因此需要将其与拉伸弹簧组合使用或者多根气动人工肌肉成组使用实现正、反两个方向的运动。图1.5描述了气动人工肌肉作为执行器的几种基本使用形式。其中，图1.5(a)和(c)为气动人工肌肉与弹簧组合，图1.5(b)和(d)为对拉气动人工肌肉组合。图1.5(d)是由两根气动肌肉组成一对类似人类拮抗肌来实现单自由度的旋转运动，这种形式在机器人中应用得较多。 图1.5气动人工肌肉作为执行器的几种基本使用形式 （a），（b） 直线运动； （c），（d） 旋转运动 气动人工肌肉的一个缺点是很难达到精密伺服电机的控制精度，但对于行走而言这并不是问题，因为人类行走本身就对关节精度要求不高。此外，拮抗安装的气动人工肌肉具有两个非常好的优点： ①在不充气时，关节可自由运动，呈现类人的被动特性； ②在充气时，可以方便地对关节位置和关节刚度进行独立控制。如图1.6所示，通过改变两个人工肌肉的充气压力差，便可以产生关节力矩，控制关节移动； 通过同时提高人工肌肉的充气压力，便可在不改变位置的情况下调节关节刚度。 图1.6基于拮抗人工肌肉驱动的踝关节位置和刚度控制 （a） 关节位置控制； （b） 关节刚度控制 气动人工肌肉在双足机器人中的应用最早可以追溯到20世纪70年代。从1969年开始，日本早稻田大学陆续研制出了WAP系列平面步行机。［8］此外，英国Shadow公司［9］、日本大阪大学［10］、比利时布鲁塞尔Vrije大学［11］、荷兰Delft科技大学的研究人员也分别研制了基于气动人工肌肉的仿人机器人。［12］ 3. 液压驱动 液压驱动的特点是转矩与惯性比大（单位质量的输出功率高）。液压驱动器有平动型（液压缸）和旋转型（液压马达）两种，其输出功率的大小取决于工作介质的压力、缸体直径（或叶片面积）、控制阀的开口面积等。 液压驱动方式的优点是输出功率大，不需要减速机构，可承受机械冲击和损伤的能力强，力保持性可靠。缺点是液压系统易漏油，必须配置液压源。在机器人领域，液压驱动器曾经广泛应用于固定性工业机器人中，但是从维护等角度考虑，它已经逐渐被电机驱动所代替。在仿人机器人上采用液压驱动方式的最大问题在于能否安装液压泵。 1.1.3足部机构 足部是仿人机器人在行走过程中唯一与地面接触的部位。地面反力和反力矩通过足部作用于仿人机器人，地面反力和反力矩对仿人机器人的行走控制具有非常重要的意义。仿人机器人足部的另一个作用是确保脚掌与地面有良好的接触状态，以得到足够的摩擦力。 足部机构具有各种设计形式，如图1.7所示。其中，图1.7（a）所示的是简单地由一块平板构成的脚掌； 图1.7（b）为在两块平板之间加入橡胶等弹性体，具有被动自由度； 图1.7（c）具有脚趾关节； 图1.7（d）为点足结构； 图1.7（e）为弧形足结构。 图1.7典型的足部机构［1］ （a） 单板； （b） 双板； （c） 带脚趾； （d） 点足； （e） 弧形足 足部机构的选取通常是与控制策略相关联的。如果踝关节采取柔顺控制策略，即降低踝关节刚度，以扩大着地面积，那么图1.7（a）所示的简单单板结构就足够了； 但是，如果需要对踝关节进行高刚性的位置控制，那么图1.7（a）所示的结构就不适合了，因为高刚性控制下的机器人足部会与地面发生打滑和振颤，对机器人的行走稳定性造成不良影响。采用图1.7（b）所示的双板结构就可以解决这一问题，即在上、下两个构件之间加入被动元件（如橡胶、弹簧、减振器等），让连接踝关节的部分和接触地面产生相对运动，从而使得定位误差被最后一级的被动自由度所吸收。此外，当需要对踝关节进行柔顺控制，以适应不平整路面行走时，双板结构由于本身具有被动柔顺特性，因而不但可以减少开环增益，还能提高控制性能。［13］ 图1.7（c）所示的足部机构安装了主动脚趾，其意义在于脚趾能够对ZMP（zero moment point,零力矩点）进行微调，或者扩大攀爬楼梯的高度和步幅，或者提高行走速度，或者易于完成全身运动。需要指出的是，若为了脚趾的驱动而在足部配置大质量的驱动器和减速器，则会增加腿部的惯性矩，得不偿失。 图1.7（d）所示为点足机构，它有些类似我国古代的高跷。这种足部机构有意识地去掉了脚掌和踝关节，使得腿部与地面呈点接触状态。由于地面无法提供绕着支撑点的转矩，因而这种模型又称为欠驱动模型（underactuated model）。采用这种点足机构的原因，一方面在于人类和动物虽然有脚掌，但因为其长度有限，能够产生的转矩也是有限的； 另一方面，从积极意义上来说，去掉脚掌后，仿人机器人不能静态行走，必须不断地动态迈步，从而有利于推导出对行走更有意义的动力学控制律。 图1.7（e）所示的弧形足是对点足的进一步改进。弧形足不但具有点足那样与地面完全柔顺的特点，而且有研究表明，弧形足还可以提高行走步幅和步行稳定性。但是，弧形足和点足的最大缺点是机器人无法完成静止站立。 1.1.4传感器 即便理论计算出的行走步态是稳定的，但在实际的仿人机器人行走过程中，由于外界干扰步态也有可能是不稳定的。这就需要利用适当的传感器信息作为反馈控制以保证步行的稳定性。所需要的相关传感器信息有关节角度、机器人躯干的绝对姿态、地面反力和反力矩、关节转矩以及视觉等信息。 最常用的关节角度传感器是电位计和光电编码器。尤其是光电编码器，在很多场合它已与伺服电机配置在一起出售。关节角度传感器既可以安装在电机端，也可以安装在关节端。不过，由于减速机构一般存在间隙，因此如果要求检测包含间隙在内的关节角度时，将角度传感器安装在关节轴处更为合理。当然，如果可能，同时在电机端和关节端安装角度传感器最为理想。 躯干的绝对姿态对行走稳定性具有非常重要的作用。目前，仿人机器人一般采用加速度计和陀螺仪来实现机器人的姿态信息检测。传统的加速度计和陀螺仪是采用机械式的，优点是精度高，但其缺点也很明显，如成本高、尺寸大、重量重、可靠性差。近些年，随着微机电系统（MEMS）的迅速发展，MEMS加速度计和MEMS陀螺仪已比较成熟，具有成本低、尺寸小、重量轻、可靠性高等优点，其精度正不断得到提高。利用惯性敏感元件（加速度计、陀螺仪）测量载体相对于惯性空间的线运动和角运动参数，在给定运动初始条件下，由计算机推算出载体姿态方位、速度、位置等参数。这种测量方法是建立在牛顿力学定律的基础上，它不依赖任何外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种完全自主式的姿态检测系统。 地面反力和反力矩的检测是通过六维力/力矩传感器，或者压敏电阻（FSR）来实现的。同FSR相比，六维力/力矩传感器的优越性在于其可同时准确地测量出一点负载的3个力分量和3个力矩分量，从而实现高精度的力/力矩控制。其缺点是成本较高，体积较大。此外，在仿人机器人手臂末端也常常装有六维力/力矩传感器。 如果需要精确控制关节转矩，就需要使用转矩传感器。在采用电机驱动时，通常将电流乘以转矩常数来大致计算输出转矩。但是在大多数情况下，这种方法无法给出正确的输出转矩值，因为电机内部和传动机构的特性是非线性的，很难精确获得。最理想的测量关节转矩的方式是在关节轴处安装转矩传感器。 在人类感官所摄取外界信息的比例上，视觉占的比例最大（约70%），因而随着仿人机器人的进一步发展，可以预见视觉信息将成为越来越重要的传感器。在实时路径规划、路径跟踪以及不平整路面上的自适应步行方面，视觉信息都将发挥重要作用。 1.2仿人机器人的发展历程及现状 近年来，世界各国的科学家和工程师在双足机器人的样机研制、行走模式规划、步行稳定控制等方面进行了许多有意义的探索。本节将从主动型仿人机器人和被动型仿人机器人两个方面，介绍仿人机器人的发展历程和研究现状。 1.2.1主动型仿人机器人的发展历程及现状 主动型仿人机器人是指机器人的各个关节均有驱动装置，且通常离线或在线规划机器人各个关节的期望轨迹曲线，通过控制的方法在机器人各个关节上复现期望轨迹。 20世纪 60年代末至70年代初，主动行走双足机器人的步行理论和样机研制取得了突破性进展。1969年，Vukobratovic等人提出了著名的ZMP（zero moment point）概念［14］，研究了ZMP与姿态平衡的关系，并提出了双足协调控制的综合方法。［14~16］1973年，Hemami等人提出了采用倒立摆模型对双足机器人进行控制的简化方法，该方法将复杂的双足机器人模型简化为质量集中于质心的倒立摆，Hemami据此研究了静态平衡和周期运动的稳定控制方法。［17］Vukobratovic和Hemami等人的工作为双足机器人的后续研究奠定了重要的理论基础。在样机研制方面，1971年，日本早稻田大学的Kato等人研制出了世界上第一台能够主动行走的双足机器人WL5（见图1.8（a））。［18］该机器人具有11个自由度，可实现步幅15cm、每步45s的平地静态步行。1973年，Kato等人在WL5的基础上配置机械手、人工视觉及听觉装置，组成了世界上第一台仿人机器人——WABOT1（见图1.8（b））。［19］ 图1.8早稻田大学的双足机器人和仿人机器人 （a） WL5（1971）； （b） WABOT1（1973） （图片来源： 早稻田大学 仿人机器人研究所）