《Honda的ASIMO是如何行走的》

1、簡介想象一下未來的生活， 機器人 在你家里幫你煮飯， 幫你做家務， 幫你打掃房間或者在你工作的時候遞上一杯熱熱的咖啡？機器人已經能夠代替人類做很多人類不想做的事情， 甚至不能做的事情。 在世界各地的很多現(xiàn)代化工廠中， 機器人已經很早就代替工人組裝汽車， 尤其是那些重復性很高的工作。 現(xiàn)在的商場里， 也早已開始出售各種類型的清潔機器人， 能夠自動幫助你清潔家里的地面，雖然目前功能上單一了一點，但是畢竟也幫你做了不少工作。日本的本田公司（ Honda ）在 1986 年就開始類人機器人的研究工作，到了 2006 年為止已經整整20 年了。在這20 年中，他們在這個領域取得了舉世矚目的成績， ASI

2、MO 的研制成功讓Honda 公司成為目前這個領域最領先的公司。在這篇文章中，我們將詳細了解一下 ASIMO 是如何工作的，基本的原理是什么。ASIMO 的名稱由來ASIMO, 代表 Advanced Step in Innovative Mobility 。是日本本田公司開發(fā)的目前世界上最先進的步行機器人。 也是目前世界上唯一能夠爬樓梯， 慢速奔跑的雙足機器人。 雖然其它公司也有類似的雙足機器人， 但是沒有任何一家的產品能在步態(tài)仿真度上面能達到 ASIMO 的水準。除了 ASIMO 杰出的步行能力以外， ASIMO 的智能也同樣出色。語音識別功能以及人臉識別功能能夠使用語音控制 ASIMO

3、以及使用手勢來進行交流。不僅如此， ASIMO 的手臂還能夠開電燈，開門，拿東西，拖盤子，甚至還能推車。圖 1 : ASIMOHonda眼中的ASIMOHonda希望開發(fā)出的機器人是能夠幫助人類，尤其是老年人的人類助手，而不是一個高科ASIMO技玩具。因此ASIMO被設計成1.2米的高度，正好能夠和輪椅上的人平視。這讓看上去非常有親和力， 因為大尺寸的機器人會讓人有威脅感，小孩子也不會喜歡一個太高大的家伙。同時，這個高度也正好讓ASIMO能夠拿取桌子上的物體，如圖 2所示。這個設計因素在ASIMO被創(chuàng)建之初就已經考慮到了，可見 Honda工程師們的用心良苦。RHbntiarauRiibiBti

4、aFun圖2: 1.2米的高度正好讓 ASIMO 能夠拿取屋內多數(shù)的物品ASIMO 的結構：類似人類的身體結構Honda的工程師們在項目初始階段花費了大量的時間研究了昆蟲，哺乳動物的腿部移動， 甚至登山運動員在爬山時的腿部運動方式。這些研究幫助工程師們更好的了解我們在行走過程中發(fā)生的一切，特別是關節(jié)處的運動。比如，我們在行走的時候會移動我們的重心，并且前后擺動雙手來平衡我們的身體。這些構成了 ASIMO行走的基礎方式。在行走過程中，我們的腳趾也扮演了非常重要的角色，在平衡我們身體上起了很大的作用。在ASIMO的腳上也有類似的機理，而且還使用了吸震材料來吸收行走過程中產生的對關節(jié)的沖擊力，就像人

5、類的軟組織一樣。RnliiBt-nFai*圖3 : ASIMO正面照ASIMO和人類一樣，有雕關節(jié)，膝關節(jié)和足關節(jié)。機器人中的關節(jié)一般用 自由度”來表示。一個自由度表示一個運動可以或者向上，或者向下，或者向右，或者向左。ASIMO擁有26個自由度，分散在身體的不同部位。其中脖子有2個自由度，每條手臂有 6個自由度，每條腿也有6個自由度。腿上自由度的數(shù)量是根據(jù)人類行走，上下樓梯所需要的關節(jié)數(shù)研 究出來的。髓關節(jié)1a圖4 : ASIMO關節(jié)圖ASIMO身上兩個傳感器保證了 ASIMO能夠正常行走，它們是速度傳感器和陀螺傳感器。它們主要用來讓 ASIMO知道他身體目前前進的速度以及和地面所成的角度，

6、并依次計算出平衡身體所需要調節(jié)量。這兩個傳感器起的作用和我們人類內耳相同。要進行平衡的調節(jié)，ASIMO還必須要有相應的關節(jié)傳感器和6軸的力傳感器，來感知肢體角度和受力情況。ASIMO 的動作：類似人類的步行方式除非你很了解機器人學，否則你很難想象要讓 ASIMO象人類這樣行走是多么的困難，而ASIMO又是如何令人難以置信的達到這個程度的。ASIMO 的行走中最重要的部分就是它的調節(jié)能力。ASIMO除了能像人類一樣正常的步行之外，它還能對行走過程中遇到的情況進行自我調節(jié)。比如在有一定斜度的平面上行走，甚至有可能在行走過程中被人推了一下，A并進行相應的姿態(tài)調節(jié)，以確保能夠正常的行SIMO都能快速對

7、這些情況進行及時地處理，為了實現(xiàn)這些，ASIMO的工程師們需要考慮 ASIMO在行走中產生的慣性力。當機器人行走時，它將受到由地球引力，以及加速或減速行進所引起的慣性力的影響。這些力的總和被稱之為總慣性力。當機器人的腳接觸地面時，它將受到來自地面反作用力的影響，這個力稱之為地面反作用力。所有這些力都必須要被平衡掉，而ASIMO的控制目標就是要找到一個姿勢能夠平衡掉所有的力。這稱做"zero moment point " (ZMP)。當機器人保持最佳平衡狀態(tài)的情況下行走時，軸向目標總慣性力與實際地面反作用力相等。相應地，目標ZMP與地面反作用力的中心點也重合。當機器人行走在不

8、平坦的地面時，軸向目標總慣性力與實際的地面反作用力將會錯位，因而會失去平衡，產生造成跌倒的力。跌倒力的大小與目標ZMP和地面反作用力中心點的錯位程度相對應。簡而言之，目標 ZMP和地面反作用力 中心點的錯位是造成失去平衡的主要原因。假若Honda機器人失去平衡有可能跌倒時，下述三個控制系統(tǒng)將起作用，以防止跌倒，并保持繼續(xù)行走狀態(tài)。 地面反作用力控制：腳底要能夠適應地面的不平整，同時還要能穩(wěn)定的站住。 目標ZMP控制：當由于種種原因造成 ASIMO無法站立，并開始傾倒的時候， 需要 控制他的上肢反方向運動來控制即將產生的摔跤，同時還要加快步速來平衡身體。目標憒性力廉工恢復力目標總慣性力8I工體加

9、速用扇目標重力目標地面反作用力中心.卜耶體姿勢籍位 落腳點控制：當目標 ZMP控制被激活的時候，ASIMO需要調節(jié)每步的間距來滿足 當時身體的位置，速度和步長之間的關系。目標慣性力目標重力目標ZMP二地面反作用力中心點圖5 : ASIMO的步態(tài)控制ASIMO 的動作：穩(wěn)步的行走ASIMO能夠感應到即將摔倒的情況，并能夠很快對此做出反應；但是 ASIMO的工程師想 要更多的功能。他們不但想讓 ASIMO 能夠行走的更順暢， 還想讓ASIMO 能夠在不停止的 情況下轉身。目前絕大多數(shù)其它類人機器人無法做到這一點。圖6 : ASIMO的腿部特寫當我們走到彎角處需要轉身的時候，我們將我們身體的重心移到

10、轉身的位置。ASIMO使用Real Time ）技術，因此 ASIMO了一種叫做 動作預測控制”，也叫做“iWalk”技術來實現(xiàn)。ASIMO需要預測轉身所需要的重心的移動的位置以及持續(xù)時間。由于這個技術是實時（ 能夠不需要停止就能夠轉身，實現(xiàn)邊走邊轉身。Normal SLratgnt-Ahead WalkingComenngOUT Load Point (ZiVP)Cr-rr -i.nql 一心Center«oGravity Shift(Predicleo Walking)ZMP : Zcro Vor-Lrt Pd i t圖7 :重心移動原理本質上，ASIMO每走一步，他就需要計算一

11、次他的重心位置以及慣量，并預測在下一步移動后的位置，同時計算出所需要的重心移動距離。他主要通過調節(jié)以下4個因素： 步長：每步行走的長度 位姿：身體的位置 速度：整體移動的速度 行走方向：下一步移動的方向Control Block MapP re dieted Movem e nt C ontfol ASIMO = Intelli gen t WN km q Techn ologySpeed & Turning Ane Comrand(fre尸陰,而四.於、，偶)Prw*cted mowiq'國時副）的份呵他什,large MMcmcrt P 就口 rn,Target load

12、Shift (Floor impaa) PaftBEI urn超dIt tumng continues, how much will the cenier ol gvily la II wMwd?To novc :f center ol gravity 化:nc inside d a tiirr. how much 制id for how long should tfie Im J point 的 shifted to ihc ouisidt?FuturccnaviorPrcdicton SediorTarget Walking Patlern Cnar>gerPosture Contr

13、olfor Stable Walking快 Motor DnvfiReflective Moverr ent CWol(Earlier stable waking technologyFloor Reaction Control，Target ZMP CoM Fool Planting ConlrolAnbotmran圖8 : ASIMO的控制流程ASIMO 的動作：上下樓梯上下樓梯的動作如果只是靠事先的程序輸入的話絕對不可能實現(xiàn)。即使是輸入了階梯的高度及前后的距離，如果多達 29層的話，也會因誤差累積而無法正常走下來。為此， Honda在ASIMO的每只腳上，都裝了一個 6軸力傳感器，用來監(jiān)

14、測每一步的穩(wěn)定程度。再結合陀螺儀和 加速度傳感器，ASIMO使用了獨特的數(shù)學算法來讓他上下樓梯，并能夠上下斜坡而如履平地。Honda的工程通過使其腳內側不緊貼地面、腳趾比臺階邊緣向前探出少許這樣的站立方式來探測出臺階的邊緣。在這一狀態(tài)下，如果通過腳底的壓力傳感器進行壓力分布測量的話，可以預先測出邊緣的位置。下樓梯時的著地點也可以同樣進行預測。雖然操作人員向ASIMO輸入了樓梯大致的高度，但是最終則是通過ASIMO足底的傳感器來確認樓梯位置的。不只是下樓梯，ASIMO 還能夠在斜坡上轉彎。這時由于 ASIMO的每一步都要變換姿勢，并改變與 ZMP的關系，較下樓梯難度更大。下樓梯與在斜坡轉彎使用了

15、相同的算法，因此不需要改變模式。圖6 : ASIMO在走樓梯ASIMO 的技術參數(shù):52公斤行走速度0-1.6公里/小時（走氾圍范圍可調整，步幅可調整抓握力0.5公斤/手（每只手5個手指）作動器伺服電機+諧波減速器+驅動單元控制裝置行走/操作控制單元，無線發(fā)送單元傳感器腳部六軸向腳部方位傳感器軀體陀螺儀和加速傳感器電源部分38.4V/10AH（饃鋅）操作部分操縱臺和便攜控制器自由度（類似人類的關節(jié)）頭部頸關節(jié)(U/D , RT) *12 DOF臂肩關節(jié)(F/B , U/D , RT)3 DOF肘關節(jié)(F/B)1 DOF腕關節(jié)(RT)1 DOF5 DOFX 2 手臂=10 DOF手五個手指(抓握

16、)1 DOF1 DOFX 2 手=2 DOF腿雕關節(jié)(F/B , L/R , RT)3 DOF膝關節(jié)(F/B)1 DOF踝關節(jié)(F/B , L/R)2 DOF6 DOFX 2 腿=12 DOF機器人ASIMO- 關于ASIMO 的未來設想:豐富人類的生不斷地向朱來追求技術的不斷進步。21世紀，Honda期待著ASIMO 真正地對人類有益, 活。今后，Honda仍將以挑戰(zhàn)精神”繼續(xù)研究和開發(fā)， 與ASIMO 一起, 之夢”邁進。筆者后記:新的 ASIMO 已經在行走能力上又有了新的突破， 2004 年 12 月發(fā)布的新型ASIMO 已經能夠達到每小時6KM 的奔跑速度以及迂回行走。同時其關節(jié)自由

17、度也達到了 34 個。新開發(fā)的技術根據(jù)其官方網(wǎng)站的描述為：主要新技術：1 ）能夠實現(xiàn)像人類一樣自然奔跑的新姿勢控制技術2 ）自律性的連續(xù)移動技術3 ）配合人的活動而連貫活動的技術1 、新姿勢控制技術為了防止高速移動產生的足部打滑和空中旋轉，保持平衡狀態(tài)， Honda 通過利用上半身彎曲和旋轉的新姿勢控制理論和新開發(fā)的高速應答硬件等， 使 ASIMO 的最大奔跑速度達到了3km/h 。同時，步行速度也由原來的 1.6km/h 提高到 2.5km/h。2 、自律性的連續(xù)移動技術通過地面?zhèn)鞲衅鳙@得的周圍環(huán)境信息和預先錄入的地圖信息等， ASIMO 能夠在步行的同時修正路線偏差，途中無需停歇地直接移動

18、到目的地。通過地面?zhèn)鞲衅骱皖^部視覺傳感器發(fā)現(xiàn)障礙物時， ASIMO 可以自身判斷，迂回選擇其他路線。3 、配合人的活動而連貫活動的技術SIMO 通過頭部視覺傳感器、 手腕部位新增加的腕力傳感器等檢測人的動作， 可以進行物品交接， 或配合人的動作而握手， 而且能夠朝著手被牽引的方向邁步等， 實現(xiàn)了與人相配合的動作。主要數(shù)據(jù)1 、奔跑速度3km/h（ 跳躍時間 0.05 秒）2 、普通步行速度2.5km/h （原來為1.6km/h ）3 、身高130cm （原來為120cm ）4 、體重54kg （原來為 52kg ）5 、活動時間1 小時（原來為30 分鐘）6 、關節(jié)自由度34 度（原來為 26 度）腰部旋轉關節(jié)：奔跑或步行時，通過手腕部位的擺動，以及腰部積極地旋轉，消除腳部擺動所產生的反作用力，從而提高步行速度。手腕彎曲關節(jié)：在手腕部位再增加2 個軸，使手腕能夠柔軟、靈活地活動拇指關節(jié)：原來使用 1 個馬達驅動5 個手指，為了使拇指能夠獨立活動，再增加1