申 飛，吳寶元，羅健飛，任 陽，吳仲城

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化系，合肥 230027;2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，合肥 230031)

仿人機(jī)器人是近年來發(fā)展起來的綜合學(xué)科。在人類的生存環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)雙足穩(wěn)定可靠行走是仿人機(jī)器人最基本的功能，也是仿人機(jī)器人實(shí)用化的前提條件。從近幾年國內(nèi)外仿人機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的趨勢和應(yīng)用需求來看，如何適應(yīng)各種不同路面狀況和人類生存環(huán)境，增強(qiáng)仿人機(jī)器人在未知環(huán)境中的適應(yīng)能力，已成為眾多研究者所關(guān)注的重點(diǎn)研究內(nèi)容之一，并取得了一些成果［2-5］。目前，零力矩點(diǎn)ZMP(Zero Moment Point)判據(jù)作為穩(wěn)定步態(tài)規(guī)劃方法的理論基礎(chǔ)被廣泛采用，從雙足或軀干的運(yùn)動(dòng)軌跡確定ZMP軌跡，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定行走［6-7］，其中，基于仿人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)的多維力傳感器獲得ZMP等信息，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)整步態(tài)參數(shù)，設(shè)計(jì)合理的雙足和軀干軌跡，以此來增強(qiáng)機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)能力己成為仿人機(jī)器人控制技術(shù)研究的一個(gè)發(fā)展趨勢［8-12］。

足部感知系統(tǒng)是仿人機(jī)器人唯一與地面接觸并發(fā)生相互作用的關(guān)鍵部件，其獲取的各種地面信息是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)仿人的自然性穩(wěn)定行走控制的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外各種仿人機(jī)器人的足部系統(tǒng)主要是采用六維力傳感器和陀螺儀，還不能滿足仿人機(jī)器人實(shí)用化需要。實(shí)際上，人行走過程中，足底的神經(jīng)末梢可實(shí)現(xiàn)地面接觸位置、地形、地面反作用力大小和方向等信息的實(shí)時(shí)感知，并及時(shí)反饋到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使之能及時(shí)調(diào)整身體姿勢。仿人機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)適應(yīng)人類生活、工作環(huán)境，僅僅依靠六維力信息還遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用要求，仿人機(jī)器人穩(wěn)定步態(tài)規(guī)劃僅依靠六維力傳感器檢測的信息是不夠充分的，并且，足部翻轉(zhuǎn)指示點(diǎn)(Foot Rotate Indication，F(xiàn)RI)［1，13］，翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定指標(biāo)點(diǎn)(Rotational Stability Index(RSI)Point)［14］等穩(wěn)定性判據(jù)的實(shí)現(xiàn)，需要足部具備對各種地面環(huán)境識(shí)別和足部姿態(tài)感知能力，實(shí)現(xiàn)足底接觸位置、有效支撐區(qū)域(Effective Contact Area，ECA)、地面反力以及姿態(tài)等信息的實(shí)時(shí)感知和估計(jì)。

對此，本文設(shè)計(jì)了一種具有復(fù)雜地面環(huán)境感知能力的集成化仿人機(jī)器人足部感知系統(tǒng)，一方面可以實(shí)時(shí)獲取足部姿態(tài)和地面環(huán)境信息參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走過程中有效穩(wěn)定支撐區(qū)域、ZMP軌跡、地形、地面反作用力等信息實(shí)時(shí)感知和處理;另一方面，可以有效減少機(jī)器人中央控制系統(tǒng)處理器的計(jì)算負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)機(jī)器人實(shí)時(shí)性和快速反應(yīng)能力。實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種集成化足部感知系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)為機(jī)器人中央控制系統(tǒng)提供較為充分的地面環(huán)境信息，為建立和完善的仿人機(jī)器人的仿生步態(tài)規(guī)劃以提高仿人機(jī)器人的步態(tài)穩(wěn)定性和自然性提供信息支持和實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。

1 足部感知系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原則

機(jī)器人足部作為機(jī)器人的主要部件，在充分了解人足行走功能基礎(chǔ)上開展足部設(shè)計(jì)很有必要，在人體的正常行走步態(tài)中，足部除了協(xié)調(diào)人體平衡外，主要支撐人體重量、吸收地面沖擊力和振動(dòng)、減小對末端關(guān)節(jié)載荷和增加行走舒適性。

足部作為仿人機(jī)器人承受外部載荷的唯一部件，位于腿部運(yùn)動(dòng)鏈的末端，承受的慣性力最大。因此，足部應(yīng)采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并滿足一定強(qiáng)度，以承受發(fā)生在足跟觸地(Heel-Strike)時(shí)刻的幾倍于機(jī)器人重量的沖擊載荷［15］。

行走過程中，足底反作用力有可能作用在足底有限區(qū)域內(nèi)，將影響機(jī)器人的平衡和步行效果，特別是行走在不平地面時(shí)的產(chǎn)生的慣性力將引起接觸區(qū)域的重新分布，盡管在平整地面靜態(tài)行走情況下，足底的ECA可不考慮，但是在不平地面下，動(dòng)態(tài)行走平衡控制將ECA分布視為主要的影響因素。

鑒于上述分析，基于人足行走功能分析的仿人機(jī)器人足部感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮以下原則:

(1)盡可能增大足底與不同地面間的附著力以真實(shí)反映地面反力狀態(tài);

(2)足部結(jié)構(gòu)具有足夠剛度以確保機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定性，;

(3)柔性足部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，足底具有一定的沖擊力緩沖作用以保證機(jī)器人穩(wěn)定;

(4)具有有效接觸面積的獲取和地面環(huán)境狀態(tài)感知能力;

(5)外表美觀且重量輕，且具有抗外界電磁干擾的能力，確保信息真實(shí)可靠。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于上述原則分析，足部系統(tǒng)架構(gòu)重點(diǎn)考慮以下問題:

(1)減小六維力傳感器的形心坐標(biāo)與地面間的距離，盡可能降低機(jī)器人重心高度，易于機(jī)器人保持平衡;

(2)為達(dá)到足-地減震效果，在足跟和足趾兩端采用空氣型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是足跟著地時(shí)的沖擊力;

(3)足底板采用平板設(shè)計(jì)，可以保持雙足支撐期內(nèi)的踝關(guān)節(jié)位置相對趨于穩(wěn)定;另一方面，平板設(shè)計(jì)可以使得足部與地面的接觸面積最大化，有助于機(jī)器人保持穩(wěn)定，并且航空鋁材料的選用，符合重量輕，強(qiáng)度高的要求;

(4)足部感知信息包括:足部姿態(tài)、ECA分布、ZMP軌跡、地面反力信息以及慣性力信息等，通過DSP高速處理器采集處理后發(fā)送到機(jī)器人中央控制系統(tǒng)(Central Control System of Robot，CCSR)，從而大大減輕CCSR的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，提高機(jī)器人的控制響應(yīng)能力。

集成化足部感知系統(tǒng)主要包括:信號處理模塊、電源模塊、六維力/力矩傳感器模塊、慣性測量模塊、柔性力傳感器陣列模塊等。

圖1 集成化足部感知系統(tǒng)模塊組成

2 傳感器系統(tǒng)配置與模塊設(shè)計(jì)

2.1 六維力信息獲取模塊

擬采用一體化平面結(jié)構(gòu)的六維力傳感器設(shè)計(jì)思想，所設(shè)計(jì)的傳感器固定端、負(fù)載端和彈性體處于同一平面內(nèi)，對各維分量采用特定組橋方式實(shí)現(xiàn)信號獨(dú)立提取，以實(shí)現(xiàn)傳感器各維之間弱耦合設(shè)計(jì)，從原理上可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)解耦，同時(shí)有效降低六維力傳感器的整體高度。RTI六維力傳感器主要靜態(tài)指標(biāo)如表1 所示［16］。

表1 RTI六維力傳感器主要靜態(tài)指標(biāo)

2.2 姿態(tài)信息獲取模塊

本足部系統(tǒng)姿態(tài)信息獲取選用ADI公司的ADIS16355?慣性感應(yīng)系統(tǒng)來完成，用于檢測X/Y/Z三個(gè)軸向的加速度和繞三個(gè)軸的角速度運(yùn)動(dòng)，以獲取慣性力和腳的姿態(tài)的信息［17］。具體實(shí)現(xiàn)過程:

(1)當(dāng)機(jī)器人足部靜止時(shí)，對采集的三軸加速度信息進(jìn)行計(jì)算，得到靜態(tài)腳面傾角信息;

(2)當(dāng)機(jī)器人足部非靜止時(shí)，對采集的三軸角速度信息進(jìn)行計(jì)算得到角度變化值;

(3)對上述靜態(tài)腳面傾角信息和角度變化值進(jìn)行計(jì)算，得到實(shí)時(shí)腳面傾角信息。

2.3 有效接觸區(qū)域信息獲取模塊

FSR柔性力傳感器陣列由兩個(gè)壓電橡膠材料制成的聚合體薄片組成(如圖2所示)，利用壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)足底與地面接觸過程中的壓力分布，以實(shí)現(xiàn)地面接觸位置、有效支撐區(qū)域與地面環(huán)境的識(shí)別。

圖2 16×16柔性力傳感器陣列及貼裝示意圖

2.4 DSP信息處理系統(tǒng)

DSP可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制算法，以及大量傳感器信息的快速處理，并具有開放性功能、高速高性能和模塊化等特點(diǎn)，適用于各種先進(jìn)智能裝備的系統(tǒng)控制，足部系統(tǒng)以DSP微處理器為核心，通過A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)實(shí)時(shí)采集傾角傳感器和六維力傳感器的信息，通過I/O(輸入/輸出接口)實(shí)時(shí)采集觸覺陣列的信息，綜合這些信息進(jìn)行處理(如:足部姿態(tài)、足-地接觸位置、接觸形狀、行走路面的平整度以及反作用力等信息)，并通過通訊總線將這些信息發(fā)送給仿人機(jī)器人的控制系統(tǒng)，減少了仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)的計(jì)算工作量，節(jié)約了控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，不僅為仿人機(jī)器人的控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的步態(tài)信息，而且為仿人機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃提供更加充分的路面環(huán)境信息，提高仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。足部感知系統(tǒng)信號處理模塊及框圖如圖3～圖4所示。

圖3 足部感知系統(tǒng)信號處理模塊

圖4 信號處理模塊框圖

2.5 足部感知系統(tǒng)上位機(jī)程序

集成化足部感知系統(tǒng)上位機(jī)程序(如圖5所示)具有足部采集的各種數(shù)據(jù)信息(包括六維力傳感器、柔性力傳感器陣列、三個(gè)軸向加速度及角加速度等信息)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)保存、歷史數(shù)據(jù)波形回放顯示、采樣頻率參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)ZMP軌跡、COP位置計(jì)算及顯示、傳感器信息電子表單自動(dòng)生成等功能。

圖5 上位機(jī)程序功能及操作界面

3 足部感知系統(tǒng)實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證足部感知系統(tǒng)在模擬凹凸不平的路面狀況下的各項(xiàng)性能(信息獲取、處理與融合、通信)，將集成化足部感知系統(tǒng)IPF-I集成到北理工BHR-2機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和實(shí)機(jī)行走試驗(yàn)(如圖6所示)。為模擬凹凸不平的路面在實(shí)驗(yàn)室地面上放置一根截面為圓形(直徑6mm)的紅色線纜，行走過程中機(jī)器人右足踏在線纜上以模擬凹凸不平的路面狀態(tài)。

圖6 平板式集成化足部感知系統(tǒng)(a)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(b)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7～圖10所示，各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析表明，足部感知系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取足部及地面接觸信息，并能夠?qū)崟r(shí)將處理后的信息(ZMP軌跡、姿態(tài)、ECA等)發(fā)送到機(jī)器人中央控制系統(tǒng)，均較好滿足預(yù)定的各項(xiàng)指標(biāo)要求。

圖8為單足支撐ZMP軌跡變化情況，依據(jù)ZMP仿人機(jī)器人行走穩(wěn)定條件，機(jī)器人處于穩(wěn)定態(tài)。

圖9為右足踏在電纜線時(shí)，F(xiàn)FSA傳感陣列感知的信息并獲取有效支撐區(qū)域(獲取方法見［18］)(圖中輪廓Contour of ECA)。仿人機(jī)器人穩(wěn)定控制與評估的準(zhǔn)確性在于穩(wěn)定性判據(jù)應(yīng)該是以實(shí)際的有效支撐區(qū)域邊界為臨界約束條件。

圖9 FFSA獲取的有效支撐區(qū)域

圖10所示為BHR-2機(jī)器人行走過程中，利用姿態(tài)傳感器測得的右足擺動(dòng)期加速度(ax，ay，az)和角速度(wx，wy，wz)變化情況。圖中擺動(dòng)期間足部在前向(X軸向)和豎直向(Z軸向)的加速度增大，側(cè)向(Y軸向)加速度趨于平穩(wěn)，而沿側(cè)向軸(Y軸)的角速度變化較大，說明足部前向擺動(dòng)過程中伴隨著繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖10 仿人機(jī)器人右足擺動(dòng)期加速度/角速度變化

4 結(jié)論與展望

仿人機(jī)器人足部感知系統(tǒng)是一個(gè)多傳感器高度集成的信息獲取與處理系統(tǒng)，不僅具有地面反力、足部姿態(tài)、ZMP、足底有效接觸的測量功能，還需要減震功能以減小或消除機(jī)器人行走過程中來自地面的沖擊力。因此，在結(jié)構(gòu)和軟/硬件方面均面臨著靜態(tài)測量精度和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性，以及與機(jī)器人中央控制系統(tǒng)的通信方式及傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)化的問題。此外，人類在行走過程中雙腳結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)彎曲使行走比較自然，同時(shí)使行走更加協(xié)調(diào)保持身體的穩(wěn)定性，對此，為了使仿人機(jī)器人在行走過程中更加穩(wěn)定，提高行走的速度，基于現(xiàn)有足部感知系統(tǒng)的關(guān)節(jié)型足部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究將作為本文后續(xù)的研究重點(diǎn)，使仿人機(jī)器人的足部更加的接近人類的足部，實(shí)現(xiàn)在行走過程中足部的彎曲，從而可以減輕膝蓋及以上關(guān)節(jié)的負(fù)重，其行走更接近于人類的行走姿態(tài)，行走更加平穩(wěn)、更加自然，行走速度也將會(huì)有很大的提高空間。

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