《Honda的ASIMO是如何行走的》

1、簡(jiǎn)介想象一下未來(lái)的生活， 機(jī)器人 在你家里幫你煮飯， 幫你做家務(wù)， 幫你打掃房間或者在你工作的時(shí)候遞上一杯熱熱的咖啡？機(jī)器人已經(jīng)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(jī)器人已經(jīng)很早就代替工人組裝汽車， 尤其是那些重復(fù)性很高的工作。 現(xiàn)在的商場(chǎng)里， 也早已開始出售各種類型的清潔機(jī)器人， 能夠自動(dòng)幫助你清潔家里的地面，雖然目前功能上單一了一點(diǎn)，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(jī)器人的研究工作，到了 2006 年為止已經(jīng)整整20 年了。在這20 年中，他們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域取得了舉世矚目的成績(jī)， ASI

2、MO 的研制成功讓Honda 公司成為目前這個(gè)領(lǐng)域最領(lǐng)先的公司。在這篇文章中，我們將詳細(xì)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(lái)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(jìn)的步行機(jī)器人。 也是目前世界上唯一能夠爬樓梯， 慢速奔跑的雙足機(jī)器人。 雖然其它公司也有類似的雙足機(jī)器人， 但是沒(méi)有任何一家的產(chǎn)品能在步態(tài)仿真度上面能達(dá)到 ASIMO 的水準(zhǔn)。除了 ASIMO 杰出的步行能力以外， ASIMO 的智能也同樣出色。語(yǔ)音識(shí)別功能以及人臉識(shí)別功能能夠使用語(yǔ)音控制 ASIMO

3、以及使用手勢(shì)來(lái)進(jìn)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(jī)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(gè)高科ASIMO技玩具。因此ASIMO被設(shè)計(jì)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?yàn)榇蟪叽绲臋C(jī)器人會(huì)讓人有威脅感，小孩子也不會(huì)喜歡一個(gè)太高大的家伙。同時(shí)，這個(gè)高度也正好讓ASIMO能夠拿取桌子上的物體，如圖 2所示。這個(gè)設(shè)計(jì)因素在ASIMO被創(chuàng)建之初就已經(jīng)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(nèi)多數(shù)的物品ASIMO 的結(jié)構(gòu)：類似人類的身體結(jié)構(gòu)Honda的工程師們?cè)陧?xiàng)目初始階段花費(fèi)了大量的時(shí)間研究了昆蟲，哺乳動(dòng)物的腿部移動(dòng)， 甚至登山運(yùn)動(dòng)員在爬山時(shí)的腿部運(yùn)動(dòng)方式。這些研究幫助工程師們更好的了解我們?cè)谛凶哌^(guò)程中發(fā)生的一切，特別是關(guān)節(jié)處的運(yùn)動(dòng)。比如，我們?cè)谛凶叩臅r(shí)候會(huì)移動(dòng)我們的重心，并且前后擺動(dòng)雙手來(lái)平衡我們的身體。這些構(gòu)成了 ASIMO行走的基礎(chǔ)方式。在行走過(guò)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(jī)理，而且還使用了吸震材料來(lái)吸收行走過(guò)程中產(chǎn)生的對(duì)關(guān)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(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和足關(guān)節(jié)。機(jī)器人中的關(guān)節(jié)一般用 自由度”來(lái)表示。一個(gè)自由度表示一個(gè)運(yùn)動(dòng)可以或者向上，或者向下，或者向右，或者向左。ASIMO擁有26個(gè)自由度，分散在身體的不同部位。其中脖子有2個(gè)自由度，每條手臂有 6個(gè)自由度，每條腿也有6個(gè)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(guān)節(jié)數(shù)研 究出來(lái)的。髓關(guān)節(jié)1a圖4 : ASIMO關(guān)節(jié)圖ASIMO身上兩個(gè)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(lái)讓 ASIMO知道他身體目前前進(jìn)的速度以及和地面所成的角度，

6、并依次計(jì)算出平衡身體所需要調(diào)節(jié)量。這兩個(gè)傳感器起的作用和我們?nèi)祟悆?nèi)耳相同。要進(jìn)行平衡的調(diào)節(jié)，ASIMO還必須要有相應(yīng)的關(guān)節(jié)傳感器和6軸的力傳感器，來(lái)感知肢體角度和受力情況。ASIMO 的動(dòng)作：類似人類的步行方式除非你很了解機(jī)器人學(xué)，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(dá)到這個(gè)程度的。ASIMO 的行走中最重要的部分就是它的調(diào)節(jié)能力。ASIMO除了能像人類一樣正常的步行之外，它還能對(duì)行走過(guò)程中遇到的情況進(jìn)行自我調(diào)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(guò)程中被人推了一下，A并進(jìn)行相應(yīng)的姿態(tài)調(diào)節(jié)，以確保能夠正常的行SIMO都能快速對(duì)

7、這些情況進(jìn)行及時(shí)地處理，為了實(shí)現(xiàn)這些，ASIMO的工程師們需要考慮 ASIMO在行走中產(chǎn)生的慣性力。當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)，它將受到由地球引力，以及加速或減速行進(jìn)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(dāng)機(jī)器人的腳接觸地面時(shí)，它將受到來(lái)自地面反作用力的影響，這個(gè)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(biāo)就是要找到一個(gè)姿勢(shì)能夠平衡掉所有的力。這稱做"zero moment point " (ZMP)。當(dāng)機(jī)器人保持最佳平衡狀態(tài)的情況下行走時(shí)，軸向目標(biāo)總慣性力與實(shí)際地面反作用力相等。相應(yīng)地，目標(biāo)ZMP與地面反作用力的中心點(diǎn)也重合。當(dāng)機(jī)器人行走在不

8、平坦的地面時(shí)，軸向目標(biāo)總慣性力與實(shí)際的地面反作用力將會(huì)錯(cuò)位，因而會(huì)失去平衡，產(chǎn)生造成跌倒的力。跌倒力的大小與目標(biāo)ZMP和地面反作用力中心點(diǎn)的錯(cuò)位程度相對(duì)應(yīng)。簡(jiǎn)而言之，目標(biāo) ZMP和地面反作用力 中心點(diǎn)的錯(cuò)位是造成失去平衡的主要原因。假若Honda機(jī)器人失去平衡有可能跌倒時(shí)，下述三個(gè)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(yīng)地面的不平整，同時(shí)還要能穩(wěn)定的站住。 目標(biāo)ZMP控制：當(dāng)由于種種原因造成 ASIMO無(wú)法站立，并開始傾倒的時(shí)候， 需要 控制他的上肢反方向運(yùn)動(dòng)來(lái)控制即將產(chǎn)生的摔跤，同時(shí)還要加快步速來(lái)平衡身體。目標(biāo)憒性力廉工恢復(fù)力目標(biāo)總慣性力8I工體加

9、速用扇目標(biāo)重力目標(biāo)地面反作用力中心.卜耶體姿勢(shì)籍位 落腳點(diǎn)控制：當(dāng)目標(biāo) ZMP控制被激活的時(shí)候，ASIMO需要調(diào)節(jié)每步的間距來(lái)滿足 當(dāng)時(shí)身體的位置，速度和步長(zhǎng)之間的關(guān)系。目標(biāo)慣性力目標(biāo)重力目標(biāo)ZMP二地面反作用力中心點(diǎn)圖5 : ASIMO的步態(tài)控制ASIMO 的動(dòng)作：穩(wěn)步的行走ASIMO能夠感應(yīng)到即將摔倒的情況，并能夠很快對(duì)此做出反應(yīng)；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(zhuǎn)身。目前絕大多數(shù)其它類人機(jī)器人無(wú)法做到這一點(diǎn)。圖6 : ASIMO的腿部特寫當(dāng)我們走到彎角處需要轉(zhuǎn)身的時(shí)候，我們將我們身體的重心移到

10、轉(zhuǎn)身的位置。ASIMO使用Real Time ）技術(shù)，因此 ASIMO了一種叫做 動(dòng)作預(yù)測(cè)控制”，也叫做“iWalk”技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。ASIMO需要預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)身所需要的重心的移動(dòng)的位置以及持續(xù)時(shí)間。由于這個(gè)技術(shù)是實(shí)時(shí)（ 能夠不需要停止就能夠轉(zhuǎn)身，實(shí)現(xiàn)邊走邊轉(zhuǎn)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(dòng)原理本質(zhì)上，ASIMO每走一步，他就需要計(jì)算一

11、次他的重心位置以及慣量，并預(yù)測(cè)在下一步移動(dòng)后的位置，同時(shí)計(jì)算出所需要的重心移動(dòng)距離。他主要通過(guò)調(diào)節(jié)以下4個(gè)因素： 步長(zhǎng)：每步行走的長(zhǎng)度 位姿：身體的位置 速度：整體移動(dòng)的速度 行走方向：下一步移動(dòng)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(guó)時(shí)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(dòng)作：上下樓梯上下樓梯的動(dòng)作如果只是靠事先的程序輸入的話絕對(duì)不可能實(shí)現(xiàn)。即使是輸入了階梯的高度及前后的距離，如果多達(dá) 29層的話，也會(huì)因誤差累積而無(wú)法正常走下來(lái)。為此， Honda在ASIMO的每只腳上，都裝了一個(gè) 6軸力傳感器，用來(lái)監(jiān)

14、測(cè)每一步的穩(wěn)定程度。再結(jié)合陀螺儀和 加速度傳感器，ASIMO使用了獨(dú)特的數(shù)學(xué)算法來(lái)讓他上下樓梯，并能夠上下斜坡而如履平地。Honda的工程通過(guò)使其腳內(nèi)側(cè)不緊貼地面、腳趾比臺(tái)階邊緣向前探出少許這樣的站立方式來(lái)探測(cè)出臺(tái)階的邊緣。在這一狀態(tài)下，如果通過(guò)腳底的壓力傳感器進(jìn)行壓力分布測(cè)量的話，可以預(yù)先測(cè)出邊緣的位置。下樓梯時(shí)的著地點(diǎn)也可以同樣進(jìn)行預(yù)測(cè)。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(guò)ASIMO足底的傳感器來(lái)確認(rèn)樓梯位置的。不只是下樓梯，ASIMO 還能夠在斜坡上轉(zhuǎn)彎。這時(shí)由于 ASIMO的每一步都要變換姿勢(shì)，并改變與 ZMP的關(guān)系，較下樓梯難度更大。下樓梯與在斜坡轉(zhuǎn)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(shù)參數(shù):52公斤行走速度0-1.6公里/小時(shí)（走氾圍范圍可調(diào)整，步幅可調(diào)整抓握力0.5公斤/手（每只手5個(gè)手指）作動(dòng)器伺服電機(jī)+諧波減速器+驅(qū)動(dòng)單元控制裝置行走/操作控制單元，無(wú)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(tái)和便攜控制器自由度（類似人類的關(guān)節(jié)）頭部頸關(guān)節(jié)(U/D , RT) *12 DOF臂肩關(guān)節(jié)(F/B , U/D , RT)3 DOF肘關(guān)節(jié)(F/B)1 DOF腕關(guān)節(jié)(RT)1 DOF5 DOFX 2 手臂=10 DOF手五個(gè)手指(抓握

16、)1 DOF1 DOFX 2 手=2 DOF腿雕關(guān)節(jié)(F/B , L/R , RT)3 DOF膝關(guān)節(jié)(F/B)1 DOF踝關(guān)節(jié)(F/B , L/R)2 DOF6 DOFX 2 腿=12 DOF機(jī)器人ASIMO- 關(guān)于ASIMO 的未來(lái)設(shè)想:豐富人類的生不斷地向朱來(lái)追求技術(shù)的不斷進(jìn)步。21世紀(jì)，Honda期待著ASIMO 真正地對(duì)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(mèng)”邁進(jìn)。筆者后記:新的 ASIMO 已經(jīng)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(jīng)能夠達(dá)到每小時(shí)6KM 的奔跑速度以及迂回行走。同時(shí)其關(guān)節(jié)自由

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

18、到目的地。通過(guò)地面?zhèn)鞲衅骱皖^部視覺(jué)傳感器發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)， ASIMO 可以自身判斷，迂回選擇其他路線。3 、配合人的活動(dòng)而連貫活動(dòng)的技術(shù)SIMO 通過(guò)頭部視覺(jué)傳感器、 手腕部位新增加的腕力傳感器等檢測(cè)人的動(dòng)作， 可以進(jìn)行物品交接， 或配合人的動(dòng)作而握手， 而且能夠朝著手被牽引的方向邁步等， 實(shí)現(xiàn)了與人相配合的動(dòng)作。主要數(shù)據(jù)1 、奔跑速度3km/h（ 跳躍時(shí)間 0.05 秒）2 、普通步行速度2.5km/h （原來(lái)為1.6km/h ）3 、身高130cm （原來(lái)為120cm ）4 、體重54kg （原來(lái)為 52kg ）5 、活動(dòng)時(shí)間1 小時(shí)（原來(lái)為30 分鐘）6 、關(guān)節(jié)自由度34 度（原來(lái)為 26 度）腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：奔跑或步行時(shí)，通過(guò)手腕部位的擺動(dòng)，以及腰部積極地旋轉(zhuǎn)，消除腳部擺動(dòng)所產(chǎn)生的反作用力，從而提高步行速度。手腕彎曲關(guān)節(jié)：在手腕部位再增加2 個(gè)軸，使手腕能夠柔軟、靈活地活動(dòng)拇指關(guān)節(jié)：原來(lái)使用 1 個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)5 個(gè)手指，為了使拇指能夠獨(dú)立活動(dòng)，再增加1