一種人形機器人氣動導航主動控制系統

李 峰，李偉鋒，張躍進，朱文慧，岳 云

(1.鄭州經貿學院 智慧制造學院，河南 鄭州 450007； 2.中原工學院 電子信息學院，河南 鄭州 450007；3.鄭州經貿學院 公共教學部，河南 鄭州 450007； 4.鄭州宇通集團有限公司，河南 鄭州 450007)

引言

人形機器人是現代科技發展的重要產物，隨著人類社會的不斷發展，人們對人形機器人的發展提出了更高的期望。期望機器人智能化程度更高，能在相對較大的范圍內運動，執行特定的任務，同時具備一定的對環境的適應能力，這就要求對人形機器人能夠進行主動導航控制[1-5]。近年來，我國北斗導航系統的完善和5G移動通信技術的迅速發展，也進一步支撐了人形機器人導航控制技術的發展[6-10]，而通過建立人形機器人運動學模型，得到人形機器人的導航定位解，將氣動控制應用于人形機器人導航，實現人形機器人位姿規劃，將人形機器人氣動導航運行變為現實卻未有實現[11-12]。為了解決目前人形機器人主要靠人工導航，導航智能程度較低，自適應程度不高的問題，通過人形機器人運動規律分析，建立了人形機器人運動數學模型，將氣動技術應用于人形機器人導航，研發了人形機器人氣動導航主動控制系統。通過仿真分析和實驗研究，驗證了系統的合理性、有效性，為進一步提高人形機器人人工智能水平奠定良好基礎。

1 氣動導航主動控制系統總體方案設計

人形機器人氣動導航主動控制系統如圖1、圖2所示，主要包括人形機器人、北斗導航器、位姿規劃模塊、控制柜、氣動電磁閥、針形氣缸等部分組成。采用samkoon觸摸屏作為人機界面實現導航數據設置、輸入；通過PLC作為中央處理器自動生成機器人移動軌跡、路線；通過氣動電磁閥、針形氣缸發出信號，借由無線通訊設備控制機器人直接動作；通過微機作為機器人整體運行狀況監測系統；機器人在上位機STEP 7Micro/WIN SMART軟件上使用STL編程語言，將控制算法程序化，通過控制程序控制中間控制器，由中間控制器發出信號控制機器人的整體運行。

圖1 控制系統硬件框圖

圖2 人形機器人氣動導航主動控制系統實物圖

系統采用的人形機器人如圖3所示，主要由機器人帽、頭部、手部、腰部、胯部、足部組成。機器人通過腰部冰河北斗導航儀為機器人導航定位，該導航儀通過15星定位，可實時反饋機器人所在位置。

圖3 人形機器人主要結構

2 系統氣動回路圖

氣動導航主動控制系統氣動回路由空氣壓縮機為氣動動力源，如圖4所示，經截止閥、過濾器，通過減壓閥減壓后供向各分支氣路，按照主動控制系統導航控制算法設計，自動控制二位二通電磁換向閥，向各支路針形氣缸供氣，由各針形氣缸控制人形機器人遙操按鍵，完成人形機器人導航。

圖4 氣動導航主動控制系統氣動回路圖

3 氣動導航控制算法設計

如圖5所示，人形機器人兩腳與機器人縱軸y機之間的夾角α為轉向角，y機與地面坐標系y地之間的夾角ψ為航向角。兩腳連線的垂直中心線即機器人身體的中心線為y機，y地為正北方向。

圖5 人形機器人移動模型

令機器人現坐標為(x現，y現)，目的坐標(x目，y目)，移動過程中的機器人的航向角為ψ預，則ψ預可以由現坐標和目標坐標得到：

ψ預=-tan-1[(x目-x現)/(y目-y現)]

(1)

y目=y現+s·cosψ預=y現+ν機·Δt·cosψ預

(2)

x目=x現-s·sinψ預=x現-ν機·Δt·sinψ預

(3)

ψ預=ψ+α=ψ+ω機·Δt

(4)

式中,ν機—— 機器人的行走速度

ω機—— 機器人的航向調整角速度

Δt—— 時間間隔

s—— 機器人Δt時間內的位移

因為機器人的移動和航向調整需要通過控制信號進行控制，控制人形機器人完成一定的航向調整和位移調整，結合人形機器人控制原理，則：

ψe=-tan-1[(xg-xc)/(yg-yc)]=ψc+α

(5)

s={[(xg-xc)+(yg-yc)]∧0.5}

(6)

其中，(xc，yc)為現坐標，(xg，yg)為目的坐標，現坐標和目的坐標都通過北斗導航儀得到，采用北斗導航系統下國家2000坐標系坐標表示，ψc，ψe為機器人初始、目標位置姿態；由于人形機器人實際行走與理論行走會出現一定的偏差，為便于后期優化運動軌跡，令：

s=kx·{[(xg-xc)+(yg-yc)]∧0.5}≈nx·Δs

(7)

α=kz·(ψe-ψc)≈nz·Δα

(8)

機器人航向調整時需要調整航向角度，姿態調整時也需要調整姿態角度，人形機器人轉向時存在角度偏差，因此設定角度偏差增益kz，同樣，機器人位移調整時設定位移偏差增益kx，后期可通過調整kz，kx進一步提高導航精度。nz為給定機器人轉向信號數，nx為給定機器人直線行走信號數。Δα表示人形機器人的航向調整角速度ω機，即機器人每個轉向信號可轉角度；ν機表示人形機器人的直線行走速度；s為單個位移調整信號機器人位移。

4 控制算法實現

4.1 控制流程

借助于人形機器人移動數學模型，通過計算機STL語言將數學模型轉換成易于實現中央處理器控制的程序，經由氣動導航主動控制系統回路可實現人形機器人主動導航控制。如圖6所示，該人形機器人氣動導航主動控制系統在導航相關參數確定的情況下，輸入目標北斗坐標、姿態和現在北斗坐標、姿態，系統自動實現航向、姿態規劃，并生成導航軌跡路線，然后主動發出信號，控制被導航人形機器人完成航向調整，位移實現和位姿調整，大大提高了人形機器人的智能化程度。

圖6 機器人氣動導航主動控制流程

人形機器人氣動導航主動控制是一個包含了軌跡計算、軌跡規劃、軌跡實現、姿態調整的復雜系統，涉及參數較多，根據人形機器人氣動導航控制算法設計，結合人形機器人實際運動狀況，系統主要參數見表1。

表1中(xc,yc)為北斗系統下國家2000坐標系中機器人現在所在的坐標，(xg,yg)為國家2000坐標系中目標坐標，ψc為機器人初始位置姿態，Δα為人形機器人自身單個轉向信號機器人可轉角度，ψe為機器人到達目標位置后需要確定的姿態，Δs為單個轉向信號機器人直線行走距離，kx，kq，kz為機器人直線行走、位姿調整、轉向調整偏差增益，Tz，Tx為根據實驗測得的機器人每信號轉向、直線動作所需時間間隔。

表1 導航控制主要參數

4.2 主要運動控制原理

圖7為結合人形機器人氣動導航控制算法和導航控制相關參數設計的氣動導航主動控制原理，系統先將不同的數據、參數存儲到不同的地址，然后按照圖6機器人氣動導航主動控制流程圖完成人形機器人導航任務。從圖7可以看出，氣動導航主動控制原理主要包括參數輸入模塊、軌跡規劃模塊、動作生成模塊。因篇幅限制，運動控制原理中只將nz規劃模塊、nx規劃模塊、nq規劃模塊子程序做了介紹，其他子程序不再贅述。

4.3 算法實現

根據圖7人形機器人氣動導航主動控制原理，結合圖1，圖2控制系統，即可實現人形機器人的導航控制。機器人氣動導航系統啟動后，導航參數復原；將人形機器人氣動導航相關參數輸入系統，機器人自動生成導航路線；主動控制器發出控制信號，對人形機器人進行導航。在前期導航相關參數已經確定的情況下，系統只用輸入國家2000坐標系下坐標和現在姿態、目標姿態，中央處理器即可自動規劃航向、軌跡，并發出信號控制機器人實現動作，系統自動化水平更高，智能化程度更好。

5 實驗結果分析

人形機器人移動模型和氣動導航控制算法的合理性，需要通過仿真實驗進行驗證；人形機器人氣動導航主動控制系統的正確性、有效性需要通過實驗進行驗證。

5.1 實驗參數

根據表2參數，將北斗導航系統測得的國家2000坐標系下初始坐標及設定的目標坐標、姿態、前期測得的人形機器人運行相關基本參數通過人機界面輸入系統，由中央處理器根據圖7規劃出航向、軌跡、姿態，表2中主要控制信號參數航向信號nz、直線信號nx、終點位姿信號nq為系統自動生成，生成的控制信號參數通過氣動回路將航向、軌跡、姿態參數轉化成控制信號通過無線通訊設備發送給人形機器人即可實現人形機器人導航控制。表2中位移增益kx、位姿增益kq、航向增益kz在前期未知環境中運行時暫定為1，后期可根據導航情況進行調整，以提高導航精度。系統將中央處理器和氣動控制系統結合，實現了人形機器人的運動航向、姿態、軌跡的自動生成，大大地提高了機器人控制的智能化水平、自適應程度。

圖7 機器人氣動導航主動控制原理

表2 機器人導航實驗相關參數

5.2 人形機器人氣動導航仿真分析

圖8中p1為初始點，p2為理想軌跡終點，p3為理論軌跡終點。由圖8所示理想與理論軌跡可以看出，理想行走軌跡trail 1與理論軌跡trail 2都為直線，但兩者相差一定角度，約相差5°，這主要是因為機器人氣動導航系統中人形機器人每信號轉動角度為10°，造成機器人行走的航向偏差，是機器人本身的控制精度偏差，后期可以通過提高機器人轉向精度，減小每信號轉向角度、改設航向增益的方法進行提高。可以看出，理論上，根據導航算法，最終機器人到達目的地后坐標位置和理想位置之間偏差較小，x坐標相差15 mm，y坐標相差8 mm，整個導航過程中理論情況逼近理想情況，從仿真結果看，人形機器人氣動導航主動控制算法理論上可以實現人形機器人的導航控制。

圖8 導航理想及理論軌跡

5.3 人形機器人導航實驗

圖9中trail1和trail3為理想情況下人形機器人的軌跡及導航實驗機器人的行走軌跡。圖10中trail4為優化后實驗軌跡。其中初期實際軌跡為系統中各增益暫定為1情況下的導航結果，優化后實際軌跡為經過初期實驗分析優化增益后的導航結果。

圖9 理想與實驗初期實際軌跡

圖10 理想與優化后實驗軌跡

如圖9所示，p1為初始點，p2為理想軌跡終點，p6為實驗軌跡終點。實驗中，由于局部地面摩擦系數變化較大，造成部分軌跡點發生較大錯動，如圖中p4至p5點。另外由于機器人行走中誤差的積累，機器人最終到達目的地后與設定目標相差比理論較遠，從圖中看目標坐標p2和初始坐標p1的距離約為700 mm，實際經系統導航機器人行走后兩者距離為1501 mm，而p2和p6的x坐標相差68 mm，y坐標相差889 mm，兩者距離891 mm，可見后期偏差積累導致的增大是較大的。從圖中還可以看出，機器人實際行走路線相對于理想行走曲線偏西北，推得機器人本身行走時也有系統偏差，導致機器人直線行走時相對與理想路線偏北。根據理想軌跡、實驗初期實際軌跡對比可以看出，人形機器人經過氣動導航系統導航后，在一定范圍內，位移偏差較大，因初期直線行走偏差增益kx，位姿調整偏差增益kq，轉向調整偏差增益kz在前期均設置為1，整體航向、姿態偏差不大，而位移偏差較大，所以理論上可通過優化直線行走偏差增益kx的方法優化機器人實際氣動導航行走路線，因前期目的坐標和初始坐標的距離為707 mm，但實際經系統導航機器人行走后兩者距離為1501 mm，可設置偏差增益kx為1501/707=2.1，將kx輸入氣動導航系統進行優化實驗。

如圖10所示，p1為初始點，p2為理想軌跡終點，p7為優化后實驗軌跡終點。在經過優化機器人氣動導航控制系統中直線行走偏差增益，將kx優化為2.1后，機器人實際行走路線與理想行走路線相符度更高，實際經系統導航機器人行走后p1和p2兩者距離為868 mm，而p2和p7的x坐標相差20 mm，y坐標相差193 mm，兩者距離194 mm。明顯可以看出，優化后軌跡與實驗初期軌跡相比，與理想軌跡重合度更高，導航效果更好，這說明系統可以通過優化相關參數的方法提高人形機器人氣動導航準確度，提高人形機器人導航效果。

如圖11所示，curve 1為理想軌跡與理論軌跡的位移偏移，curve 2為初期實驗與理想軌跡的位移偏差，curve 3為優化偏差增益后實驗與理想軌跡的位移偏差。經導航系統自動規劃生成的理論軌跡與理想軌跡位移偏移量較小，在0～100 mm之間，而且偏移量成線性變化，這是因為理論軌跡與理想軌跡的偏移量主要是由系統導航算法引起的，不因運行環境影響。實際軌跡位置與理想軌跡位置偏移量較大，最大在800～900 mm之間，整個過程中偏移量不斷增大，這說明人形機器人本身有系統誤差，后期應不斷將系統誤差降低。但中間有如p8～p11等特殊點存在，而且初期、優化后偏移量變化趨勢基本相同，優化后偏移量大幅度降低。經分析，上述p8，p9軌跡點為航向調整點，p10，p11為姿態調整點，理想狀況下人形機器人原地調整姿態、航向時位置坐標不會發生變化，但實際上機器人較大的偏移量正是因為人形機器人本身的結構問題，在姿態、航向調整時引入較大的偏移量，從圖11可以看出，經過優化后，人形機器人實驗軌跡與理想軌跡位置偏移量大幅度下降，位移偏差降低至200 mm附近，人形機器人實際軌跡與理想軌跡逼近程度大幅度提高。通過以上實驗結果可以看出，所提出的人形機器氣動導航控制算法是合理的，基于北斗導航的人形機器人氣動導航主動控制系統能夠實現人形機器人的導航控制，證明了所研發的人形機器人氣動導航主動控制系統的正確性。

圖11 理論、初期、優化后實驗軌跡與理想軌跡位置偏移量

6 結論

為提高人形機器人導航控制智能化程度，針對人形機器人的特點，研發了人形機器人氣動導航主動控制系統，通過實驗驗證、優化、分析，得出以下結論：

(1) 建立的人形機器人的運動模型可應用于人形機器人氣動導航系統，提出的人形機器人氣動導航運動控制原理可很好地提高人形機器人的人工智能水平；

(2) 搭建的人形機器人氣動導航主動控制系統可實現人形機器人的自主導航，能夠將人形機器人氣動導航主動控制成為現實；

(3) 系統研發、分析過程為后續人形機器人任務平臺的研發提供了理論依據和現實參考。