《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(wù)，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(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，機器人已經(jīng)很早就代替工人組裝汽車，尤其是那些重復性很高的工作?，F(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(jīng)整整20年了。在這20年中，他們在這個領(lǐng)域取得了舉世矚目的成績，ASIMO的研制成功讓Honda公司成為目前這

2、個領(lǐng)域最領(lǐng)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(chǎn)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，

3、開門，拿東西，拖盤子，甚至還能推車。圖1：ASIMO Honda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，而不是一個高科技玩具。因此ASIMO被設(shè)計成1.2米的高度，正好能夠和輪椅上的人平視。這讓ASIMO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(shè)計因素在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。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

4、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(guān)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(gòu)成了ASIMO行走的基礎(chǔ)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(chǎn)生的對關(guān)節(jié)的沖擊力，就像人類的軟組織一樣。圖3：ASIMO正面照ASIMO和人類一樣，有髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和足關(guān)節(jié)。機器人中的關(guān)節(jié)一般用“自由度”來表示。

5、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(guān)節(jié)數(shù)研究出來的。 圖4：ASIMO關(guān)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，并依次計算出平衡身體所需要調(diào)節(jié)量。這兩個傳感器起的作用和我們?nèi)祟悆?nèi)耳相同。要進行平衡的調(diào)節(jié)，ASIMO還必須要有相應的關(guān)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。&

6、#160;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(diào)節(jié)能力。ASIMO除了能像人類一樣正常的步行之外，它還能對行走過程中遇到的情況進行自我調(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程中被人推了一下，ASIMO都能快速對這些情況進行及時地處理，并進行相應的姿態(tài)調(diào)節(jié)，以確保能夠正常的行走。為了實現(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

7、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(chǎn)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，

8、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(chǎn)生的摔跤，同時還要加快步速來平衡身體。 · 落腳點控制：當目標ZMP控制被激活的時候，ASIMO需要調(diào)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(guān)系。 圖5：ASIMO的步態(tài)控制ASIMO的動作：穩(wěn)步

9、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(zhuǎn)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(zhuǎn)身的時候，我們將我們身體的重心移到轉(zhuǎn)身的位置。ASIMO使用了一種叫做 “動作預測控制”，也叫做“iWalk”技術(shù)來實現(xiàn)。ASIMO需要預測轉(zhuǎn)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(shù)是實時（Real Time）技術(shù)，因此ASIMO能夠不需要停止就能夠轉(zhuǎn)身，實現(xiàn)邊走邊轉(zhuǎn)身。 圖7：重心移動原理本質(zhì)上，ASIMO每

10、走一步，他就需要計算一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(diào)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)測每一步的穩(wěn)定程度。再結(jié)合陀螺儀和加速度傳

11、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(nèi)側(cè)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(zhuǎn)彎。這時由于ASIMO的每一步都要變換姿勢，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)彎使用了相同的算法，因此不需要改變模式。圖6：ASIMO

12、在走樓梯ASIMO的技術(shù)參數(shù)：  體重 52公斤 行走速度 0-1.6公里/小時 行走范圍 范圍可調(diào)整，步幅可調(diào)整 抓握力 0.5公斤/手(每只手5個手指) 作動器 伺服電機 + 諧波減速器 + 驅(qū)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(鎳鋅) 操作部分 操縱臺和便攜控制器 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)肘關(guān)節(jié)(F/B)腕關(guān)節(jié)(RT)3 DOF1 DOF1 DOF 5 DOF×2手臂 =

13、10 DOF手 五個手指(抓握)1 DOF 1 DOF×2手 = 2 DOF腿 髖關(guān)節(jié)(F/B，L/R，RT)膝關(guān)節(jié)(F/B)踝關(guān)節(jié)(F/B，L/R)3 DOF1 DOF2 DOF 6 DOF×2腿 = 12 DOF 機器人ASIMO-關(guān)于ASIMO的未來設(shè)想：追求技術(shù)的不斷進步。21世紀，Honda期待著ASIMO真正地對人類有益，豐富人類的生活。 今后，Honda仍將以“挑戰(zhàn)精神”繼續(xù)研究和開發(fā)， 與ASIMO一起，不斷地向“未來之夢”邁進。  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AS

14、IMO已經(jīng)能夠達到每小時6KM的奔跑速度以及迂回行走。同時其關(guān)節(jié)自由度也達到了34個。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控制技術(shù) 2）自律性的連續(xù)移動技術(shù) 3）配合人的活動而連貫活動的技術(shù) 1、新姿勢控制技術(shù) 為了防止高速移動產(chǎn)生的足部打滑和空中旋轉(zhuǎn)，保持平衡狀態(tài)，Honda通過利用上半身彎曲和旋轉(zhuǎn)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(shù) 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

15、行的同時修正路線偏差，途中無需停歇地直接移動到目的地。 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(shù) 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(guān)節(jié)自由度34度（

16、原來為26度） 腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)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(zhuǎn)，消除腳部擺動所產(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個軸，使手腕能夠柔軟、靈活地活動 拇指關(guān)節(jié)：原來使用1個馬達驅(qū)動5個手指，為了使拇指能夠獨立活動，再增加1個馬達，使得ASIMO能夠拿各種各樣的東西。 頭部關(guān)節(jié)：在頭部關(guān)節(jié)部位再增加1個軸，以增加頭部的表達能力。 關(guān)于新姿勢控制技術(shù) 在實現(xiàn)機器人的奔跑方面，面臨著2大課題。一個是正確地吸收飛躍和著陸時的沖擊，另一個是防止高速帶來的旋轉(zhuǎn)和打滑。 1、正確地吸收飛躍和著陸時的沖擊 &

17、#160;       實現(xiàn)機器人的奔跑，要在極短的周期內(nèi)無間歇地反復進行足部的踢腿、邁步、著地動作，同時，還必須要吸收足部在著地瞬間產(chǎn)生的沖擊。 Honda利用新開發(fā)的高速運算處理電路、高速應答/高功率馬達驅(qū)動裝置、輕型/高剛性的腳部構(gòu)造等，設(shè)計、開發(fā)出性能高于以往4倍以上的高精度/高速應答硬件。 2、防止旋轉(zhuǎn)、打滑         在足部離開地面之前的瞬間和離開地面之后，由于足底和地面間的壓力很小，所以很容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)和打滑。 克服旋轉(zhuǎn)和打滑，成為在提高奔跑速度方面所面臨的控制上的最大課題。