仿人機器人雙臂/軀干運動規劃研究

仿人機器人雙臂/軀干運動規劃研究

仿人機器人是具有類人的外貌特征和運動功能的一種先進智能體，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運動的穩定性。最近的一項研究從機器人系統的角度出發，研究上、下肢的運動協調，上身運動對整個運動模式的影響，以及如何設計上身的運動提高系統的運動穩定性。

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

到目前為止，已經有一些仿人機器人機型能夠實現穩定的行走與跑步功能，但是在大多數的研究中通常將手臂簡化為配重，而忽略了其對運動穩定性的補償作用。由于手臂子系統的多自由度和非線性以及上、下肢的運動耦合等原因，還沒有相關研究規劃仿人機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穩定性的影響進行相關探討。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、提高系統的穩定性。由此可見上身的作用是非常明顯的，而仿人機器人如何生成類似人類的上身運動以及如何提高系統穩定性，正是該文的研究內容。

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

該研究得到了國家自然科學基金和教育部新世紀優秀人才支持計劃的聯合資助，該項成果有助于提高仿人機器人的運動穩定性，能夠更好地模仿人類運動，加快雙足機器人走向市場應用，促進該機器人的相關研究。目前美國DARPA已資助多項足式機器人的研究與發展，希望雙足機器人能夠在以后的軍事行動中發揮重要作用。