RoboCup機器人步態研究綜述

馬亮　楊超　操鳳萍

摘 要： 綜述了RoboCup中機器人的步態規劃。首先介紹了Nao模型和機器人運動學，以此為基礎，通過對RoboCup3D中采用的Nao模型的分析，建立機器人運動學模型，規劃其步行過程的軌跡，再根據穩定性判別依據，添加步態穩定的約束條件，并介紹了重力投影點與ZMP。

關鍵詞： RoboCup； Nao模型； 正逆運動學； ZMP； 步態穩定

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）06-01-03

Abstract： In this paper， the robot gait planning in RoboCup is summarized. On the basis of introduction of NAO model and robot kinematics， through the analysis of the NAO model in RoboCup3D， the robot kinematics model is established， trajectory of robot walking process is planned， and according to the stability criterion of humanoid， the constraint condition is added to the trajectory. The theories of Center of Gravity and Zero Moment Point （ZMP） are given as well.

Key words： RoboCup； Nao model； forward kinematics and inverse kinematics； ZMP； stable walking

0 引言

RoboCup即機器人世界杯足球錦標賽。RoboCup仿真比賽則是一個能為MAS系統和DAI進行研究、教育的工具，它使用標準的計算機環境。提供了完全分布式控制、寅時異步多智能體環境。同時這一平臺是開放的，人們可以借助這個平臺，檢測各種理論、算法和體系結構[1]。

2008年，由法國Aldebaran機器人公司建立的Nao仿人機器人模型被引入到3D仿真比賽中，并成為了RoboCup3D仿真組比賽中的官方標準機器人。為了研究這一機器人的步態，合理建模是一個重要的問題，其步態規劃已經成為研究的熱點。

結合RoboCup3D中所采用的Nao模型相關資料，本文對該模型建立一個簡化的可解的正逆運動學模型，通過對其步行過程進行分析，確定步行過程運動軌跡。再根據步態穩定性判定方法，引入重力投影點與ZMP（零力矩點），通過判斷此兩點與支撐矩形的位置關系來判斷步態穩定性，并對其發展趨勢進行分析。

1 Nao模型簡介

Nao機器人高約為57厘米，重約4.5千克。總共有25個自由度，其中雙腿有12個自由度[2]。圖1為Nao模型關節示意圖。

2 研究內容

2.1 運動學

對于機器人，我們需要它的末端相對于基座的位置和姿態（簡稱位姿）。人們常用的對于機器人的姿態描述包括直角坐標系下利用旋轉矩陣的姿態描述、利用歐拉角的姿態描述，以及利用滾動（poll）、俯仰（pitch）、偏轉（yaw）角的姿態描述[2]。如表1所示。

表1 滾動、俯仰和偏擺

[轉動軸＼&名稱＼&所用符號＼&X軸＼& 滾動（roll）＼&＼&Y軸＼& 俯仰（pitch）＼&＼&Z軸＼&偏轉（yaw）＼&＼&]

正運動學是指根據關節角度求解連桿位置，它通常應用于機器人的重心計算、機器人狀態的圖形描述和與環境碰撞的判定等，是機器人仿真的基礎。本文主要以此來建立模型。

2.2 步態軌跡規劃

針對于機器人足球賽，機器人腿部相關動作才是研究的重點，上肢動作雖然對于腿部有些影響，但可以忽略不計，故本文將一個機器人的上肢和上體簡化為一個上體連桿，著重研究腿。

在RoboCup3D所使用的Nao模型中，一條腿有6個自由度，其中在髖關節有3個，膝關節有1個，踝關節有2個。如圖2所示。

Nao機器人的步行過程以如圖4所示的方式，周期性地重復不斷地前進。每一個周期都分為雙腳支撐階段和單腳支撐階段，如圖2所示。

Nao機器人的步行簡化過程為（假設右腳首先向前邁）：雙腳支撐→左腳支撐→雙腳支撐→右腳支撐→雙腳支撐→…只要把l→3的步態即圖2中OD階段確定，由于左右腿對稱互換，通過這一分析，機器人的步態就可以的完全確定下來[5]。

針對腳掌，假設機器人步態周期為T，步長為D。選取步態過程中各關鍵時刻，對步態過程作時間-區間劃分，t0～t4時刻腳掌狀態如圖3所示。其中t0時刻機器人的腳掌開始轉動，腳掌繞腳尖做初速度為零的變加速轉動；t1時刻腳跟離開地面；t2時刻踝關節達到最大高度；t3時刻腳跟著地，腳掌繞腳跟做末速度為零的變減速運動；t4時刻機器人腳掌完全與地面接觸[5]。

針對踝關節，本文只考慮前向平面內下肢各關節的運動情況，并且假定踝關節在側向的平面內不作擺動。

腳掌及踝關節側視圖如圖4所示，Lan表示踝關節到腳底的距離，Lab表示踝關節在腳底面的投影到腳跟的距離。Laf表示踝關節在腳底面的投影到腳尖的距離。腳與地面接觸期間，根據腳跟或腳尖的位置及腳掌與地面的夾角。由此即可求出踝關節的位置[5]。

設定髖關節在步行過程中高度不變，髖部不繞z軸旋轉，即整個步行過程中左右髖關節在前向平面內重合[6]。假設髖關節在圖3中t0，t4時刻時，x方向上的速度為機器人整個行走步態周期的平均值，利用類似于腳掌的軌跡規劃的方法，對髖關節x方向上運動的規劃，可以得出髖關節的運動軌跡。

結合以上分析，最后根據髖關節，踝關節的位置，由圖4所示的幾何關系可求出膝關節的位置。然后采用3次樣條插值方法，對關鍵點進行插值和多項式擬合[2，5]，從而得到踝關節和髖關節的平滑軌跡，接著再根據運動學的約束，得到其他關節的軌跡，從而完成步態的初步規劃。

2.3 步態穩定性

機器人在行走中，穩定性也是一個重要的因素，如果機器人穩定性不夠，就很容易摔倒。

機器人在行走過程中分為靜態行走和動態行走。靜態行走是指在機器人速度較低時的穩定步行狀態。相反的，動態行走是指當機器人快速行走時，機器人的重心投影由于慣性落在了支撐區域之外，但由于地面存在作用力仍然可以使機器人穩定地行走的狀態。

因此，機器人行走過程可以簡化為2個指標來判斷其行走的穩定性，分別為重力投影點和零力矩點[9-10]。

在這之中，靜態行走比較容易，只需保證機器人重心在地面上的投影始終處于支撐矩形內即可，也就是說，在這一狀態下，只需研究重力投影點。而對于動態行走，外部作用力對于機器人合力的影響較大，故需要研究ZMP，即零力矩點。這一概念首先由Vukobratovic提出，并且將其作為動態行走穩定性分析的評判標準[8]。

2.4 重力投影點與ZMP

其中，mi為部件i的質量，g為重力加速度，（XZMP，YZMP，0）為ZMP在笛卡兒絕對坐標系中的坐標，（xi，yi，zi）為部件i質心位置

在機器人行走過程中，ZMP的位置也隨著機器人的行走而不斷地變化，但是只要保持ZMP在穩定區域內部，機器人的行走就是穩定的，ZMP越接近穩定區域中心，機器人行走的穩定性就越好。有了這一約束，則能保持行走的穩定。

3 發展趨勢

從20世紀90年代開始，雙足機器人的研究極大的改變了人們的認知。在科技方面，步態規劃的研究，會對傳統機械的傳動方式以及控制方法產生一定的影響，同時會促進仿生以及其他領域的研究與應用。該研究可以使人們更容易了解和掌握人類的步行特征，為人類服務，如制造人造假肢[10]。對于一些危險的突發狀況，可以利用這一研究進行路徑模擬，快速分析比較不同路徑的安全性，以協助人們對災難及意外事故進行快速安全救援。除此之外，這一研究還可以計算出人體運動的優化方式以提高運動員奔跑效率等。

4 結束語

本文以RoboCup3D相關內容為基礎，對其所采用的模型建立了運動學模型，對步行軌跡進行了最基本的規劃，同時保證了步態的穩定性。目前該模型已能在官方平臺中進行簡單的行走。下一步的研究是如何對這一步態規劃進行優化，然后為其添加新的動作，例如跌倒爬起，踢球等。再在已有的步態穩定性判據基礎上，添加能反映步行趨勢的穩定性的依據。

參考文獻（References）：

[1] Hans-Dieter Burkhard，Dominique Duhaut.Masahiro Fujita

The Road to RoboCup 2050，2002.2.

[2] 趙業錦.RoboCup仿人機器人的步態規劃[D].南京郵電大學

碩士學位論文，2010.3.

[3] 王凡，王俠，李龍澍.RoboCuP仿真平臺中NAO模型正運動

學研究[J].合肥師范學院學報，2011.3.

[4] 王唯翔.Robocup3D仿真系統仿人機器人行走及步態規劃

研究[D].安徽大學碩士學位論文，2011.

[5] 黃春林，張祺，楊宜民.三次樣條插值法Nao機器人步態規劃

中的應用[J].機電工程技術，2011.2.

[6] 陶澤勇，沈林勇，錢晉武.下肢步態矯形器軌跡控制設計[J].機

電工程，2009.5.

[7] 董金波.雙足機器人步態規劃與運動學仿真研究[J].機械與

電子，2011.7.

[8] Vukobratovic M.Timcenko O Experiments with nortradi-

tional hybrid control technique of biped locomotion robots，2009.16.

[9] （日）梶田秀司著，管貽生譯.仿人機器人[M].北京 清華大學出

版社，2007.

[10] 馬培蓀.M伍科布拉托維奇著.步行機器人和動力型假肢[M].

科學出版社，1983.