第一篇：一種乒乓球仿人機(jī)器人的平衡運(yùn)動(dòng)生成

一種乒乓球仿人機(jī)器人的平衡運(yùn)動(dòng)生成

摘要：過去十年里，人們?cè)诜氯藱C(jī)器人領(lǐng)域有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是在研究具有人機(jī)交互能力的機(jī)器人，并使其完成復(fù)雜任務(wù)方面還存在一些問題。為此，我們研發(fā)了一個(gè)名為“悟空”的機(jī)器人，“悟空”可以擊打乒乓球，并能夠與人連續(xù)對(duì)打。我們通過研究其打乒乓球，進(jìn)而研究仿人機(jī)器人與人類和環(huán)境交互的過程。本文的重點(diǎn)是研究機(jī)器人在打乒乓球過程中的穩(wěn)定問題。手臂具有的極大加速度會(huì)產(chǎn)生沖擊反力，這就使得穩(wěn)定變得極為重要。我們引入了一種最優(yōu)動(dòng)量補(bǔ)償方法和一種基于位置的阻抗控制預(yù)測(cè)，這樣就可以使機(jī)器人的身體產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)作，通過這個(gè)動(dòng)作使機(jī)器人可以吸收沖擊反力，從而保證可以成功的擊打乒乓球。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人可以與人進(jìn)行比賽，并且在沖擊反力的作用下依然保持穩(wěn)定。

一、引言

仿人機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人領(lǐng)域里最炙手可熱的一項(xiàng)研究之一。其類人的外形和結(jié)構(gòu)使其在與人交互的環(huán)境里工作有著巨大的優(yōu)勢(shì)。能夠雙足行走，又使仿人機(jī)器人能夠在復(fù)雜環(huán)境里簡(jiǎn)單而平穩(wěn)地通過障礙物。手臂和腿部多自由度的設(shè)計(jì)使其能夠幫助或者是替代人類完成一些日常的工作，使人們的生活更加簡(jiǎn)單和安全。仿人機(jī)器人具有與人類似的外形，這就使它們擁有更好的交互體驗(yàn)，并且有望成為人們的生活中一個(gè)好幫手，比如照顧老年人以及小孩。

如果考察一下目前仿人機(jī)器人研究方面的取得的成果，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，人們已經(jīng)用各種模型研究了機(jī)器人穩(wěn)定移動(dòng)以及其他各種功能。然而要使機(jī)器人具有人類一樣的能力還是有很大的困難，這主要是由于傳感器的限制、驅(qū)動(dòng)器性能不高以及缺少像人類一樣的智能。服務(wù)型的仿人機(jī)器人不像那些工業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人，具有穩(wěn)定工作環(huán)境，它們的工作環(huán)境更加惡劣，任務(wù)更加復(fù)雜，例如地面可能不平整或者傾斜，會(huì)遇到行走的人們、障礙、以及各種各樣的隨時(shí)可能移動(dòng)的物體，還有一些突然的受力可能會(huì)讓機(jī)器人絆倒，復(fù)雜的任務(wù)更需要對(duì)機(jī)器人整體驅(qū)動(dòng)精心的設(shè)計(jì)，這都會(huì)使機(jī)器人遇到更多的困難。

在本文中，我們將乒乓球機(jī)器人作為研究人機(jī)交互以及機(jī)器人操控的一個(gè)切入點(diǎn)。作為一個(gè)智能仿人機(jī)器人系統(tǒng)理想的研究實(shí)驗(yàn)，打乒乓球是一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。包含的關(guān)鍵點(diǎn)如下：（1）精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。必須研發(fā)出一個(gè)既有強(qiáng)度有靈活的仿人機(jī)器人，以便其行走以及打乒乓球。（2）實(shí)時(shí)控制。設(shè)計(jì)和控制算法必須有效率，而且為了保證快速響應(yīng)，控制環(huán)也必須很短。使每一個(gè)控制環(huán)時(shí)間最小化對(duì)于實(shí)時(shí)控制十分重要。（3）準(zhǔn)確度，包括實(shí)時(shí)的識(shí)別運(yùn)動(dòng)中的乒乓球，預(yù)測(cè)乒乓球軌跡，準(zhǔn)確地定位機(jī)器人本身。（4）穩(wěn)定性的保持，這個(gè)指標(biāo)對(duì)于手臂高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人非常重要。到目前為止，我們研制的仿人機(jī)器人“悟空”，已經(jīng)能夠與人持續(xù)的對(duì)打。本文的重點(diǎn)是研究機(jī)器人打乒乓球的過程中，使其身體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能夠保持的算法。

本文剩余部分的研究能容如下：第二章主要是對(duì)相關(guān)工作的一些回顧。第三章描述了我們的機(jī)器人的系統(tǒng)配置。第四章提出了兩種機(jī)器人身體運(yùn)動(dòng)的算法。第五章主要列舉了我們的系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第六章是參考文獻(xiàn)。

二、相關(guān)工作

三、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

四、身體運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃及補(bǔ)償?shù)纳?/p>

機(jī)器人身體的運(yùn)動(dòng)對(duì)于平衡的保持及動(dòng)量的消除有著重要的作用。人們已經(jīng)進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn)，研究了人類神經(jīng)系統(tǒng)在操縱手臂和身體運(yùn)動(dòng)，從而完成一個(gè)既節(jié)能又能保持動(dòng)態(tài)平衡的動(dòng)作。在機(jī)器人研究領(lǐng)域，有許多方法可以通過增加自由度來取得更好的效果。尾田村提出的“動(dòng)量控制的解決”（Resoved Momentum Control）可以通過特定數(shù)量的冗余自由度來調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中產(chǎn)生的線性/角動(dòng)量。許多研究人員也著力研就其他的方法去使旋轉(zhuǎn)動(dòng)量最小化。

在我們研究的初級(jí)階段，我們將機(jī)器手臂安裝在一個(gè)可調(diào)整的堅(jiān)固的底柱上，這個(gè)底柱重65Kg，高1.25m，固定在地面上一個(gè)0.5m*0.5m的區(qū)域，用這個(gè)機(jī)構(gòu)來測(cè)試我們的系統(tǒng)。這個(gè)底柱給機(jī)器手臂提供了一個(gè)十分堅(jiān)固的基底，使其可以進(jìn)行任何設(shè)定好的動(dòng)作。不過一旦機(jī)器手臂安裝在機(jī)器人的身上，沖擊反力就不能忽略了。在連續(xù)對(duì)打得過程中，機(jī)器人非常容易傾斜、搖晃、甚至是傾倒，因?yàn)槭直鄣木薮蠹铀俣纫约跋鄬?duì)較小的支撐底面。由于受到手臂加速度產(chǎn)生的沖擊反力，機(jī)器人的位置以及方向可能會(huì)更加偏離初始值。一旦機(jī)器人的位置偏離了初始值，拍子的理想軌跡與實(shí)際軌跡的偏差會(huì)使擊球點(diǎn)更加偏移，或者直接錯(cuò)過乒乓球，這都可能使連續(xù)對(duì)打失敗。

我們將手臂產(chǎn)生的沖擊視為機(jī)器人系統(tǒng)的外部干擾，設(shè)計(jì)了不同的控制方案使機(jī)器人能夠保持初始位置和方向。首先，如果需要產(chǎn)生一個(gè)較大的加速度，我們就可以在設(shè)計(jì)階段將沖擊反力計(jì)算出來。在身體的下端，例如腰關(guān)節(jié)和腿關(guān)節(jié)，我們用一種動(dòng)量補(bǔ)償方法去消除手臂揮動(dòng)產(chǎn)生的角動(dòng)量。其次，通過安裝在機(jī)器人腳部的力/扭矩傳感器，我們可以測(cè)量沖擊反力，然后利用一種反饋調(diào)節(jié)方法可以使機(jī)器人吸收沖擊反力并減小其對(duì)機(jī)器人的影響。這樣，我們就可以應(yīng)用基于位置的阻抗控制來消除沖擊反力的影響了。

A、下端部位的動(dòng)量補(bǔ)償

許多研究都已經(jīng)指出了動(dòng)量控制的重要性。在我們的實(shí)驗(yàn)中，要使機(jī)器人手臂快速的完成擊打乒乓球的動(dòng)作，就會(huì)使機(jī)器人產(chǎn)生很大的加速度和角動(dòng)量。如果地面無法提供足夠的摩擦力來抵消X軸的角動(dòng)量，機(jī)器人就容易滑倒。于是我們引入了一種最優(yōu)動(dòng)量補(bǔ)償算法，這樣就可以利用機(jī)器人下部關(guān)節(jié)來優(yōu)化Z軸的角動(dòng)量，從而降低了由于手臂加速度產(chǎn)生的滑倒趨勢(shì)。

我們認(rèn)為仿人機(jī)器人是具有理想剛體結(jié)構(gòu)的樹狀機(jī)械。總的線性和角動(dòng)量就是機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的線性和角動(dòng)量之和。在我們的例子中，在機(jī)器人穩(wěn)定站立并連續(xù)擊打乒乓球的過程中，我們只考慮其受到的角動(dòng)量：

（1）

Iupper以及Ilower機(jī)器人每個(gè)剛性結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于各自的旋轉(zhuǎn)軸的慣性張量。Qupper和qlower是每一個(gè)關(guān)節(jié)的角速度。

為了使機(jī)器人總的角動(dòng)量最小，就應(yīng)該讓機(jī)器人的上部，例如手臂角動(dòng)量，利用機(jī)器人下部產(chǎn)生的角動(dòng)量消除。換句話說，就是要求下部跟蹤式的產(chǎn)生一個(gè)與上部相反的角動(dòng)量，從而獲得最小的總角動(dòng)量。

為此，我們建立了如下模型：

Qe,Qx以及R是非負(fù)元素的矩陣，Ts是系統(tǒng)的取樣時(shí)間，δu控制變量的增量，δx是狀態(tài)變量的增量。E是跟蹤誤差。

最優(yōu)跟蹤問題可以通過預(yù)測(cè)控制來解決：

Yref是手臂運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的參考動(dòng)量，P表示Riccati方程的解。

在解決了跟蹤問題之后，我們得到了機(jī)器人下部所有關(guān)節(jié)的角速度，這組角速度可以使得機(jī)器人的總角動(dòng)量最優(yōu)化。關(guān)節(jié)的位置可以通過整合速度來計(jì)算出來。我們的最優(yōu)動(dòng)量控制沒有考慮到關(guān)節(jié)的極限位置，這就可能使得機(jī)器人下部運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生碰撞或者損壞關(guān)節(jié)的固定機(jī)構(gòu)。為了使機(jī)器人手臂的典型運(yùn)動(dòng)不至于損害機(jī)器人本身，我們將Qe,Qx以及R的參數(shù)設(shè)置為離線狀態(tài)，雖然同時(shí)這樣也限制了補(bǔ)償?shù)男Ч?。整體的速度也會(huì)導(dǎo)致一個(gè)漂移的位置誤差，不過這個(gè)誤差可以在手臂運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)，通過線性插值的方法消除。

B、利用阻抗控制降低影響

在手臂操作以及其他機(jī)械控制方面，阻抗控制已經(jīng)廣泛的應(yīng)用其中，并且成為了處理接觸力問題的普遍方法?？偟南敕ㄊ悄M二階質(zhì)量-阻尼-彈簧系統(tǒng)，改變模型的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的性質(zhì)。在連續(xù)擊打的測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)機(jī)器人產(chǎn)生的沖擊反力會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生橫向移動(dòng)。腳部沿著冠軸的扭矩曲線表明了其阻尼系統(tǒng)的特性（扭矩?cái)?shù)據(jù)是通過安裝在腳和踝關(guān)節(jié)之間的力/扭矩傳感器收集的）。我們引入了基于位置的阻抗控制來改變阻尼系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而調(diào)整時(shí)間，減少超調(diào)。

假設(shè)雙足機(jī)器人通過一個(gè)質(zhì)量-阻尼-彈簧系統(tǒng)連接在地面上，如圖四所示。地面和腳部的影響/接觸力可以表示為：

Md 是模擬的質(zhì)量矩陣，Dd和Kd是相應(yīng)的阻尼和剛度矩陣。P是腳部實(shí)際的位置向量，p0是腳部的理想位置響亮。F表示需要的力/扭矩傳感器數(shù)據(jù)。P和p0可以通過對(duì)實(shí)際關(guān)節(jié)角度和理想的關(guān)節(jié)角度的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得出。我們最初引入的阻抗控制是為了減小機(jī)器人的橫向移動(dòng)，所以將具有選擇性的矩陣

應(yīng)用在公式（7）的兩側(cè)，以便能夠計(jì)算理想的數(shù)據(jù)。為了簡(jiǎn)化預(yù)測(cè)，我們只控制踝關(guān)節(jié)的節(jié)距。這樣公式（7）就可以簡(jiǎn)化為

公式（9）中的所有變量都是標(biāo)量。踝關(guān)節(jié)節(jié)距速度的補(bǔ)償值pe通過下式計(jì)算：

我們離散處理公式（10）得到如下的控制公式：

K表示kth循環(huán)，Ts是控制系統(tǒng)的采樣時(shí)間。阻抗系統(tǒng)的離線參數(shù)是通過經(jīng)驗(yàn)獲得的。兩條腿的參數(shù)是不同的，使一條腿具有較大的剛度，可以為整個(gè)身體提供足夠的穩(wěn)定度，防止其滑倒，同時(shí)讓另一條條具有較大的粘性，可以吸收沖擊反力。

五、結(jié)果

六、結(jié)論

本文介紹了一個(gè)名為“悟空”的機(jī)器人，它可以擊打乒乓球，也可以與人連續(xù)對(duì)打。我們闡述了機(jī)器人的系統(tǒng)組建及結(jié)構(gòu)，并且展示了仿人機(jī)器人可以通過正手和反手擊打各種速度的乒乓球。為了進(jìn)行規(guī)劃和補(bǔ)償，提出了兩種身體運(yùn)動(dòng)的生成算法，并且說明了如何抵消由于手臂運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的巨大加速度。我們還討論了一種最優(yōu)動(dòng)量補(bǔ)償方法，利用機(jī)器人下部關(guān)節(jié)來消除手臂產(chǎn)生的動(dòng)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于位置的阻抗控制可以有效的吸收反擊沖力，并且可以是機(jī)器人保持穩(wěn)定。

目前我們正在研發(fā)可以對(duì)打的兩個(gè)機(jī)器人。對(duì)于人來說，打乒乓球的時(shí)候，如果球離身體太遠(yuǎn)，兩只腳可以移動(dòng)的去擊打。但是我們的機(jī)器人腿部質(zhì)量過大，并且不是很靈活，這就限制了對(duì)打過程中的移動(dòng)。還有一個(gè)更加嚴(yán)峻的問題，如果機(jī)器人不再是以一個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的固定的姿勢(shì)站立，平衡就很難保證。盡管機(jī)器人對(duì)打還存在一個(gè)技術(shù)性的問題，我們會(huì)繼續(xù)著重研究仿人機(jī)器人平衡的保持以及整個(gè)身體運(yùn)動(dòng)的生成。