雙足仿人機器人及其步態(tài)平衡技術(shù)簡介

許多國家都曾經(jīng)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(qū)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(jīng)對仿人機器人有了最初的模糊想象：春秋戰(zhàn)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(guān)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(jié)。千變?nèi)f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(nèi)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(tǒng)，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(tǒng)+雙臂/腕/手系統(tǒng)+雙足系統(tǒng)構(gòu)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(xiàn)這些操作，而雙足系統(tǒng)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(xù)工作，同時不需要專門為其對環(huán)境進行大規(guī)模改造，可以直接在人類的生活和工作環(huán)境中與人類協(xié)同作業(yè)。

正因如此，雙足仿人機器人以其獨特的優(yōu)勢受到了各方的廣泛關(guān)注，成為機器人研究領(lǐng)域的熱點。與輪式機器人相比，雙足仿人機器人行走系統(tǒng)占地面積小，活動范圍大，對步行環(huán)境要求低且具有一定的逾越障礙的能力，移動“盲區(qū)”小，因而具有更廣闊的應用領(lǐng)域，也具有很高的生產(chǎn)價值和商業(yè)價值。如在極限環(huán)境下代替人工作業(yè)，海底勘探，水下資源開發(fā)，地震搜救，核電站內(nèi)的監(jiān)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(tǒng)的入門，經(jīng)過改進還可以制成足球機器人，機器蜘蛛、機器狗等。

機械結(jié)構(gòu)上，雙足步行機器人一般單腿有6個自由度，分布在踝關(guān)節(jié)（2個自由度），膝關(guān)節(jié)（1個自由度）和髖關(guān)節(jié)上（3個自由度）。雙腿12個自由度可以實現(xiàn)行走，跳躍，跑動，上/下樓梯，橫向移動等動作。目前，雙足技術(shù)的核心和難點在于怎樣對路況/環(huán)境進行判斷，實時有效地規(guī)劃步態(tài)并保證步態(tài)的平衡。以最基礎(chǔ)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(tài)同時，移動腳交替實現(xiàn)移動。這一過程是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，日本的Asimo團隊采用ZMP（零力矩點）理論作為判斷依據(jù)，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(zhì)心（腰部）位置存在著重力和質(zhì)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(nèi)或是在雙足軌跡構(gòu)成的多邊形內(nèi)，則認為步態(tài)是穩(wěn)定的?；赯MP穩(wěn)定判據(jù)，結(jié)合Preview Control/Fast Fourier Transformation/ Thomas Algorithm 等優(yōu)化控制算法，在平地上可實現(xiàn)對穩(wěn)定步態(tài)的離線規(guī)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(yè)、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(fā)的方向之一。用夢想照亮現(xiàn)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(jié)合，在雙足仿人機器人上搭載視覺系統(tǒng)，實時識別復雜路況，構(gòu)建環(huán)境地圖，動態(tài)規(guī)劃步態(tài)。這樣才能實現(xiàn)真正意義上的雙足機器人自主行走，也讓我們朝著創(chuàng)造出突破人類局限的的類人系統(tǒng)的夢想更靠近一步。