仿人機(jī)器人雙臂/軀干運動規(guī)劃研究

仿人機(jī)器人是具有類人的外貌特征和運動功能的一種先進(jìn)智能體，其研究的重點之一就是如何模仿人類行為的同時提高系統(tǒng)運動的穩(wěn)定性。最近的一項研究從機(jī)器人系統(tǒng)的角度出發(fā)，研究上、下肢的運動協(xié)調(diào)，上身運動對整個運動模式的影響，以及如何設(shè)計上身的運動提高系統(tǒng)的運動穩(wěn)定性。

這項題為“仿人機(jī)器人雙臂/軀干運動規(guī)劃研究”的研究成果發(fā)表于《中國科學(xué) 信息科學(xué)》英文版2010年第8期上(http://www.springerlink.com/content/u03538764146v806/)，是由上海交通大學(xué)自動化系的邢登鵬博士和蘇劍波教授完成的。

到目前為止，已經(jīng)有一些仿人機(jī)器人機(jī)型能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的行走與跑步功能，但是在大多數(shù)的研究中通常將手臂簡化為配重，而忽略了其對運動穩(wěn)定性的補償作用。由于手臂子系統(tǒng)的多自由度和非線性以及上、下肢的運動耦合等原因，還沒有相關(guān)研究規(guī)劃仿人機(jī)器人模仿人類的上身運動，尤其并沒有就手臂強有力的擺動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行相關(guān)探討。而觀察人類的運動行為可知，上身運動，尤其是手臂的擺動，能夠加快整體的運動速度、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由此可見上身的作用是非常明顯的，而仿人機(jī)器人如何生成類似人類的上身運動以及如何提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，正是該文的研究內(nèi)容。

該研究首先分析機(jī)器人運動過程中的地面作用力矩，并將系統(tǒng)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩分離出來作為補償對象；分析了手臂擺動對整個機(jī)構(gòu)運動的影響—合理的擺動能夠大幅度補償系統(tǒng)的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，從而避免因地面摩擦力矩不夠而引起的支撐腳打轉(zhuǎn)現(xiàn)象；以ZMP點為參考點，提出軀干自轉(zhuǎn)和雙臂擺動兩種補償策略，用以補償系統(tǒng)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而提高雙足運動的穩(wěn)定性。該雙臂擺動用以模仿人類行走和跑步的運動模式，而采用軀干自轉(zhuǎn)來模仿人類無臂時的快速運動狀態(tài)。研究從能量消耗的角度對這兩種規(guī)劃方法進(jìn)行了比較，并對機(jī)器人手臂長度的優(yōu)化設(shè)計提供了參考。研究者使用正在開發(fā)的仿人機(jī)器人模型對研究結(jié)果進(jìn)行了仿真驗證，證明所提出的兩種運動方式能夠很好地補償系統(tǒng)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，提高系統(tǒng)的運動穩(wěn)定性，并能克服地面摩擦變化對機(jī)器人運動的干擾。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金和教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃的聯(lián)合資助，該項成果有助于提高仿人機(jī)器人的運動穩(wěn)定性，能夠更好地模仿人類運動，加快雙足機(jī)器人走向市場應(yīng)用，促進(jìn)該機(jī)器人的相關(guān)研究。目前美國DARPA已資助多項足式機(jī)器人的研究與發(fā)展，希望雙足機(jī)器人能夠在以后的軍事行動中發(fā)揮重要作用。