从两足机器人到仿人型机器人的研究历史及其问题_包志军

第21卷第4期1999年7月机器人　ROBOTVol.21,No.4　July,1999

文章编号:1002-0446(1999)04-0312-09从两足机器人到仿人型机器人的研究历史及其问题

包志军　马培荪　姜　山　程君实　王春雨(上海交通大学机械工程学院200030)

摘　要:本文介绍了从两足机器人发展到仿人型机器人的历史,分析了在自由度、能量最优和碰撞研究的一些研究现状和前景,并对仿人型机器人与两足机器人在运动特性上有所不同提出了一些问题.关键词:两足机器人;仿人型机器人;自由度;能量最优;碰撞中图分类号:　TP24 文献标识码:　A

1　引言世界著名机器人学专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授[1]说过:“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能”.步行是人与大多数动物所具有的移动方式,其形式主要有两足步行,四足步行和六足步行.其中两足型行走是步行方式中自动化程度最高,最为复杂的动态系统.两足步行系统具有非常丰富的动力学特性,对步行的环境要求很低,既能在平地上行走,也能在非结构性的复杂地面行走,对环境有很好的适应性.无论在科幻小说还是人们对机器人的第一意识中,都把像人一样的机器人作为机器人研究的最高境界.机器人研究者也一直把实现类人的行为作为梦寐以求的目标.90年代前后,两足机器人从一般性的类人腿部行走上升到全方位的类人,即仿人型机器人的研究.两足机器人是仿人型机器人研究的前奏,仿人型机器人除了腿部的行走功能外,还包括手、腰和头的功能,自由度比两足步行机器人成倍地增加,与此同时,带来了控制规划、动力学、运动学上更为复杂的问题,此外,还有CCD摄像处理、语音处理以及一系列传感信号的处理.仿人型机器人相对两足机器人的研究更为类似人,仿人型机器人是由仿生学,机械工程学和控制工程学等多种学科相互融合而形成的一门综合性学科.本田技术研究所先后花了11年的时间,于1996年研制成功世界上第一台仿人型机器人[2,3],可见,仿人型机器人的在各项技术领域提出了比两足机器人更高的要求.

2　从两足机器人到仿人型机器人的研究历史从褚葛亮做木牛流马的历史故事开始,就一直在阐述一个人类对生物特性模仿的追求.Muybridge[4]最早系统地研究了人类和动物运动原理,他发明了电影用的独特摄影机,并在

1877年就许多四足动物的步行成功地拍摄了连续照片.最初他关注的是四足动物定常行进时足的起落顺序.通过他的研究,明晰了许多动物的步法.自Muybridge以后,关于步行,尤其是类人型步行的研究,吸引了众多的专家学者.人们力图从生物工程的角度回答“人类是怎样行

收稿日期:1999-03-31走的”这一关于人自身运动的最基本的问题.类人型移动系统是一个极其复杂的动态系统.Demeny[5]用摄像的方法研究人类的步行运动,总结出了人行走的一些特性.本世纪30年代到50年代,苏联的Bernstein[5]从生物动力学的角度对人类和动物的步行机理进行了深入的研究,并就步行运动作了非常形象化的描述.1960年,苏联学者顿斯科依[6]发表了著作“运动生物学”,从生物力学的角度,对人体运动学、动力学、能量特征和力学特征进行了一个详细的描述.各国学者对两足步行机器人从理论和实践上进行了较长时间的研究工作.最早在1968年,英国的Mosher.R试制了一台名为“Rig”的操纵型两足步行机器人[7],它只有踝和髋两个关节,操纵者靠力反馈感觉来保持机器平衡,这种主从式的机械装置可算是两足步行机构的雏形.真正的两足步行机器人[7]是I.Kato在1971年试制的Wap3,它最大步幅15mm,周期45秒,Wap3的研制成功,揭开了两足机器人的研究序幕.1980年,加藤实验室又推出WL-9DR两足机器人,WL-9DR实现了步幅45cm,每步9秒的准动态步行.1984年,加藤在以前的研究基础上采用了踝关节力矩控制,使WL-10RD[8]实现了平稳的动态步行(每步周期1.5秒,步长40cm),该机器人每条腿自由度为:踝关节两个,膝关节一个,髋关节三个.1986年,加藤又推出了WL-12R,该机构具有8个自由度:每条腿有三个前向关节;躯体有前向和侧向两个关节.此后经多年的研究,两足机器人研究已在许多地方进行[7～23],在所有的研究当中,日本人作出的成果最多.1971年至1986年间,牛津大学的Witt[7]等人曾制造和完善了一个两足步行机器人,在平地上走得非常好,步速达0.23m/s.日本的J.Furusho[9～11]研制了两个系列的能够动态步行的两足步行机构,从1981年开始先后研制了Kenkyaku-1,Kenkyaku-2,BLR-G2和BLR-G2机器人,Kenkyaku-1具有四个前向关节的五连杆平面型步行机,每条腿的髋部和膝部各有一个关节在假设无双腿支撑期的前提下,由脚底触觉信号触发两单脚支撑期的切换,在实验中实现了周期0.45秒,速度0.8m/s的前向稳定动态步行;Kenkyaku-2在Kenkyaku-1基础上,增加两个踝关节,在无踝关节输入力矩的情况下,巧妙地利用重力,实现了周期为0.7-1.0秒,步长35-45cm的动态步行;BLR-G2是三维空间运动型两足步行机构.Kajita[7,12]是日本另一个著名的步行机器人研究者,主攻动态步行的控制方法,1990年,他研制成功一台五连杆平面型两足步行机器人,具有四个前向驱动电机,均安装在机器人躯体上,通过平行四边形连杆传动机构驱动小腿的运动,踝关节完全自由,他提出了整个机构的轨道能量守恒概念,求解各关节的运动轨迹及输入力矩,并用于控制机器人的运动,实现了在不平地面上的稳定动态步行.1982年东京理工学院的Funabashi[7]等设计了一个名为MEG-2的两足步行机器人,该机器人安装有重力和惯性力补偿装置,在1985年的实验中,该机器人实现了高速步行(125步/分钟).在美国的两足步行机器人研究者中美籍华人郑元芳博士是一个非常杰出的人物,他研制了两台步行机器人[13,14],分别命名为SD-1和SD-2,SD-1具有四个自由度,SD-2具有八个自由度.SD-2是美国第一台真正类人的两足步行机器人.1986年,SD-2机器人成功地实现了平地上的前进、后退以及左、右侧行.1987年,这个机器人又成功地实现了动态步行.1990年,他首次提出了使两足机器人能够走斜坡的控制方案,并利用SD-2进行了成功的实验.

313第21卷第4期包志军等:　从两足机器人到仿人型机器人的研究历史及其问题加拿大的Tad.McGeer[15]主要研究被动式两足机器人,即在无任何外界输入的情况下,靠重力和惯性实现步行运动,1989年,建立了平面型的两足步行机构,两腿为直杆机构,没有膝关节,每条腿上各有一个小电机,控制腿的伸缩,无任何主动控制和能量供给,具有简单二级针摆特征,放在斜坡上,可依靠重力,实现动态步行.我国从80年代中期才开始研究两足步行机器人,国防科技大学[16,17]1988年春研制成功我国第一台平面型六自由度的两足机器人,能实现前进、后退和上下楼梯,1989年,他们又实现了准动步态步行,1990年,又实现了实验室环境中的全方位行走,1995年,实现了动态步行.1989年哈尔滨工业大学[7]研制出一台能静态步行的两足机器人,1986年,日本本田公司制定了第一个研制仿人型机器人的计划[2,18],并于1996年11月展示了一个有两腿两臂的仿人型机器人(见图1),高1820mm,体重210kgf,脚板上安装电池,背部有接收器,一个重力传感器,一个陀螺仪,六个力传感器,能在平地上行走、转弯、上下楼梯和跨越150mm高、150mm长的障碍,并可提5公斤的重物和使用扳手等简单工作,该机器人代表了当前世界上仿人型机器人研制的最高水平.日本电子技术实验室[19]的YasuoKuniyoshiAkihiko和Nagakubo于1997年推出一个研制计划,规划了一个手、腿、腰、脖子、眼和手掌分别有6、6、3、3、3、5共46个自由度的仿人型机器人,这是目前两足机器人研究中自由度最多的一个,这个机器人运动规划中有含丰富动力学特性的“鲤鱼打挺”动作.

图1　两腿两臂的仿人型机器人日本东京大学的井上博允教授和稻叶雅幸博士从另外一个角度研制仿人型机器人[20,21],他们将伺服电机以搭积木的方式搭成人形,在井上实验室简直是一个小机器人王国,12自由度、16自由度、20自由度、22自由度、35自由度,一般都在50-60cm高,除了实现一般的行走,转弯等动作,还能实现一些简单的舞蹈动作和荡秋千.从以上的两足机器人的研制发展过程中,我们可以看出这是一个由少自由度到多自由度、

314 机　器　人1999年7月实现简单动作到复杂动作、由仅从简单功能到仿生功能的研究、由静态步行到动态步行、由类人脚部到类人全身的研制过程.

3　对自由度配置的思考仿生对于步行研究有很大的影响,但是“师法自然而不拘泥于自然”,在模拟生物运动方式进行步行机构设计时,应认真考虑生物身体各部分自由度对其运动能力的影响.现有的大多数两足机器人的研制都按照“功能仿生”的思想去指导步行机构的设计.但是,人类的肌肉[6,24]在上肢有52对,下肢有62对,背部有112对,胸部有52对,腰部有8对,颈部有16对,头部有25对,至少有400多个运动自由度.对于这么一个复杂的系统想用机械结构去模拟是不可能的,同时也是没有必要的,我们只考虑最基本的步行功能,行走质量的要求也远不必象人类一样高.日本东京工业大学的下山等人[1,7]研制了2个自由度的平面机器人BIPER-1和3个自由度的空间型机器人BIPER-3,是迄今为止步行模型中,关节数最少的一种.加藤一郎[7,8]制作的WL-5为平面型机器人,共有11个自由度,WL-10RD为空间型机器人,共有12个自由度.郑元芳博士[13,14]设计了4个和8个自由度的两足机器人.现有的两足步行机中,自由度相差很大,但是在能够实现人腿部的基本动作如转弯、前进、上下台阶和跨越等动作的两足步行机构中,都不约而同地配置了12个自由度,并且配置的方式也大同小异.自由度和步行能力的关系如何呢?郑元芳博士[25]从仿生学的角度对类人机器人的脚部自由度配置进行了深入的研究,得出关节扭矩最小条件下的两足步行机的自由度配置.他认为髋部和踝部设两个自由度,可使机器人在不平地面上站立,髋部再加一个扭转自由度,可改变行走方向,踝关节处加一个旋转自由度可使脚板在不规则表面落地,六自由度的腿可实现以上功能,但是,步行的突然不连续和跨步会造成重大的障碍.再在膝关节上加一个自由度,能比较方便地上下台阶.若在踝关节上加一个自由度能使步态实现的更快更长,能够实现相当接近类人的姿态.马培荪教授[27]曾对四足步行机足的自由度配置进行了深入的研究,他从工作空间[27]最大和能耗最少的角度对几种自由度配置方式进行了分析,得出了一个较优的自由度配置方式.郑元芳博士在文献[28]也采用工作最大空间和最低能耗的方法获取了较优的带有一个机械手的四足机器人的较优自由度配置.自然界是一个优胜劣汰,适者生存的不断进化的过程,人腿的功能是经过上百万年的不断优化,才进步到今天能够实现很多高难度的高度自动化的两足步行机构.但是,目前还没有文献谈及为什么人腿是一个优化的自由度配置系统.诚然,从运动学和动力学的角度,人腿自由度的配置都是能够满足腿部基本动作的优化配置.