機器人如何在行走、轉身、跳躍的同時保持自身平衡？

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機器生而是為了更好的代替人類完成各種各樣的複雜任務，理想的機器人設計往往是足式的，因為這樣方便其適應原本為人類生活習慣所設定的生活環境，如日本豐田的仿生機器人Asimo，波士頓動力的Atlas，以及Agility Robotics的Cassie，密歇根大學研發的MARLO，喬治亞理工的DURUS等。憑藉類人的腿部設計，它們能夠如人類般跨越障礙物、攀爬樓梯，但如何保持平衡則始終是這類機器人的一大技術難點。許多傳統型的有腳機器人靠的是陀螺儀等感測裝置和計算機共同協助保持自身身體平衡的。

舉幾個例子：

>>>>DURUS機器人

來自喬治亞理工學院AMBER LAB的DURUS。與ATLAS相比，雖然都是能夠實現雙足行走的機器人，但DURUS在行走方式上有著自己的特點。DURUS踝關節處有彈簧結構，在踏出每一步時，會吸收腳部接觸地面帶來的撞擊，然後在抬腳時將能量釋放。

我們常常能在機器人身上看到仿生類設計，而雙足機器人正是試圖通過模仿人的移動方式，獲得輪式機器人難以實現的地形適用性和高通過性，DURUS讓這種模仿更進了一步，細緻到了對單次邁步動作的進一步分解，理論上可能擁有更加優秀的越野能力。

但這種更進一步的模仿也使得DURUS的步行動作變得更加複雜。和ATLAS一樣，DURUS在行走過程中會不斷調整上半身的姿態，從而在雙腳交替時保持身體平衡，而與ATLAS不同的是，DURUS複雜的步態會讓影響平衡的變數增多，地形、外力對平衡的影響可能會在腳部重心變化時被放大，也就對機器人的平衡演算法提出了更高的要求。

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此外，在硬體上，人類踝關節在水平的各個方向上都有一定的可動範圍，肌肉對關節控制也更加細緻，可以支持人類使用這種「不穩定」的步態行走。DURUS踝關節的橫向可動範圍十分有限，水平橫向上姿態調整實際上是完全由髖關節完成的。這在水平路面上正常行走時可能並沒什麼影響，但遇上複雜的地形是可能就很難保持這樣的步態了。

>>>>ASIMO機器人

ASIMO的結構：類似人類的身體結構

Honda的工程師們在項目初始階段花費了大量的時間研究了昆蟲，哺乳動物的腿部移動，甚至登山運動員在爬山時的腿部運動方式。這些研究幫助工程師們更好的了解我們在行走過程中發生的一切，特別是關節處的運動。這些構成了ASIMO行走的基礎方式。在行走過程中，我們的腳趾也扮演了非常重要的角色，在平衡我們身體上起了很大的作用。在ASIMO的腳上也有類似的機理，而且還使用了吸震材料來吸收行走過程中產生的對關節的衝擊力，就像人類的軟組織一樣。

ASIMO和人類一樣，有髖關節，膝關節和足關節。ASIMO擁有26個自由度，分散在身體的不同部位。其中脖子有2個自由度，每條手臂有6個自由度，每條腿也有6個自由度。腿上自由度的數量是根據人類行走，上下樓梯所需要的關節數研究出來的。

ASIMO的關節圖

ASIMO身上兩個感測器保證了ASIMO能夠正常行走，它們是速度感測器和陀螺感測器。它們主要用來讓ASIMO知道他身體目前前進的速度以及和地面所成的角度，並依次計算出平衡身體所需要調節量。這兩個感測器起的作用和我們人類內耳相同。要進行平衡的調節，ASIMO還必須要有相應的關節感測器和6軸的力感測器，來感知肢體角度和受力情況。

ASIMO的動作：類似人類的步行方式

ASIMO的行走中最重要的部分就是它的調節能力。ASIMO除了能像人類一樣正常的步行之外，它還能對行走過程中遇到的情況進行自我調節。

為了實現這些，ASIMO的工程師們需要考慮ASIMO在行走中產生的慣性力。當機器人行走時，它將受到由地球引力，以及加速或減速行進所引起的慣性力的影響。這些力的總和被稱之為總慣性力。當機器人的腳接觸地面時，它將受到來自地面反作用力的影響，這個力稱之為地面反作用力。所有這些力都必須要被平衡掉，而ASIMO的控制目標就是要找到一個姿勢能夠平衡掉所有的力。這稱做」zero moment point」 (ZMP)。

當機器人保持最佳平衡狀態的情況下行走時，軸向目標總慣性力與實際地面反作用力相等。相應地，目標ZMP與地面反作用力的中心點也重合。當機器人行走在不平坦的地面時，軸向目標總慣性力與實際的地面反作用力將會錯位，因而會失去平衡，產生造成跌倒的力。 跌倒力的大小與目標ZMP和地面反作用力中心點的錯位程度相對應。簡而言之，目標ZMP和地面反作用力中心點的錯位是造成失去平衡的主要原因。假若Honda機器人失去平衡有可能跌倒時，下述三個控制系統將起作用，以防止跌倒，並保持繼續行走狀態。

地面反作用力控制：腳底要能夠適應地面的不平整，同時還要能穩定的站住。

目標ZMP控制：當由於種種原因造成ASIMO無法站立，並開始傾倒的時候，需要控制他的上肢反方向運動來控制即將產生的摔跤，同時還要加快步速來平衡身體。

落腳點控制：當目標ZMP控制被激活的時候，ASIMO需要調節每步的間距來滿足當時身體的位置，速度和步長之間的關係。

ASIMO的步態控制

ASIMO的動作：穩步的行走

ASIMO能夠感應到即將摔倒的情況，並能夠很快對此做出反應；但是ASIMO的工程師想要更多的功能。他們不但想讓ASIMO能夠行走的更順暢，還想讓ASIMO能夠在不停止的情況下轉身。目前絕大多數其它類人機器人無法做到這一點。

ASIMO的腿部特寫

當我們走到彎角處需要轉身的時候，我們將我們身體的重心移到轉身的位置。ASIMO使用了一種叫做 「動作預測控制」，也叫做「iWalk」技術來實現。ASIMO需要預測轉身所需要的重心的移動的位置以及持續時間。由於這個技術是實時（Real Time）技術，因此ASIMO能夠不需要停止就能夠轉身，實現邊走邊轉身。

重心移動原理

本質上，ASIMO每走一步，他就需要計算一次他的重心位置以及慣量，並預測在下一步移動後的位置，同時計算出所需要的重心移動距離。他主要通過調節以下4個因素：

步長：每步行走的長度

位姿：身體的位置

速度：整體移動的速度

行走方向：下一步移動的方向

ASIMO的控制流程

>>>>Cassie機器人

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Agility Robotics其聯合創始人Jonathan Hurst有著十來年的機器人設計經驗，身兼俄勒岡大學（OSU）教授的他曾帶領學生團隊完成多個雙足機器人項目，其中就有谷歌的ATRIAS，密歇根大學項目MABEL以及MARLO，而這家公司的團隊也主要由ATRIAS和MARLO工作的人員組成。

ATRIAS是第一台模仿人類步伐的示範機器人，且使用彈簧設備行走。彈簧設備用來減少地面的反作用力和維持人類直立行走的質心運動。研發團隊從ATRIAS中學到幾個關鍵點：首先，ATRIAS的腿部架構設計是四連桿架構，某種程度上，將彈簧架構的慣性降到最小。但是這種架構導致內部一個電機會阻礙另一個電機的運動，內部的電機之間浪費了很多能量反覆開關，而不是用來做正事。經過細緻的研究解析，團隊設計了Cassie獨特的腿部架構。這樣的腿部架構使電機體積更小，並且比ATRIAS更高效能。

不同於ATRIAS的是，Cassie的腳踝上設有電機，在能量供應足夠的情況下能保持站立的姿勢，而不必像ATRIAS那樣以原地踏步的方式來維持身體平衡。另外，為擴充自身的靈活度，Cassie髖關節與人類一樣有三個自由度，允許機器腿部能向前、向後和側面移動，同時還能完成腿部旋轉動作。每條腿上還增加了兩個自由度，能實現前後、左右自由行走和轉動。Hurst表示，Cassie在借鑒ATRIAS的技術基礎上，經過設計、電機、演算法上的改進，使得最終版本在動能的利用率、靈活程度上有了大幅度提升。這樣全新的架構設計使Cassie比ATRIAS更容易操控。它擁有加強的腳踝設計，使其能靜靜站在原地，不會像ATRIAS為了保持平衡需要不停移動雙腳。它有夠大的電池容量來執行效能強大的外掛電腦，意味著將來可以集結各類環境感知系統。

>>>>MARLO機器人

密歇根大學成功研發的雙足機器人---MARLO，它能夠在沒有其他支持的情況下在複雜路面上正常行走，MARLO機器人具備「3D行走」功能，意味著能夠以任意角度進行行走。通過軟硬體的配合，MARLO可以根據路面環境的不同進行自我調整，彎曲步態從而能夠達到移動的目的。在未來MARLO上將會裝備全面的3D控制器，能夠在複雜地形中更好的調整步速。

操作者通過一個常規的Xbox控制器對MARLO進行控制，操作者可以對其發出指令，讓它向任何指定方向移動。MARLO機器人在遭遇崎嶇地形後能自行進行調整。MARLO的行走能力多虧於研究人員在其身上使用的導航演算法。博士生Xingye Da結合兩種2D演算法，一種能控制前後移動，而另一種能控制側面運動。隨後他根據不同的步行速度和地面高度創建了15種不同的步態，從而令MARLO在無需特殊感測器的情況下能在凹凸路面上平穩前行。此外，研究人員計劃正在研發更加全面的3D控制器演算法，希望MARLO能夠在複雜地形中最佳運行速度。

對於MARLO來說，硬體並非最重要。在設計MARLO的控制器時，團隊使用的是完整的動態模型，而不是簡化的垂直模型。垂直模型有自己的極限，因此基於此的機器人通常只能進行緩慢、扁平的行走。團隊在模型上使用優化的演算法，來設計機器人行走的步態，它能根據不同的地面高度、側坡斜度和行走速度進行調整。

MARLO在不前進時也不停踏步，每秒鐘交替腿2到3次。當MARLO沒有向前移動時，它有必要進行原地踏步，因為它的腳踝處是樞軸。如果它站在原地不動，那麼它將會向前或向後跌到。因此，原地踏步對於保持平衡至關重要。

>>>>不使用感測器和計算機輔助進行移動的鴕鳥機器人

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美國佛羅里達州彭薩科拉的人類和機器認知研究所（IHMC） 研究人員突破了技術限制，IHMC開發的這一款小型的雙腿機器人鴕鳥機，在不使用任何感測器和計算機輔助的情況下進行穩定移動。

這款機器人看上去就像一隻小型的鴕鳥。據IHMC的高級研究科學家傑里·普拉特（Jerry Pratt）介紹，這款鴕鳥機使用了橢圓輪設計，這種設計的好處在於當其中一條腿部感受到阻力時，另外一條腿將增加更多的力量來對抗阻力。平面橢圓輪由單個馬達驅動，在電能消耗方面也極大降低。鴕鳥機腿部進行物理學的橢圓運動，它能給鴕鳥機這樣的身體形狀提供固定性。鴕鳥機每小時可運行10英里，如果將機器人製成一個成年人那麼大，那它的速度將能達到每小時20到30英里。

來源：工業機器人之家整理，轉載請註明出處

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