仿人机器人双臂/躯干运动规划研究

仿人机器人双臂/躯干运动规划研究

仿人机器人是具有类人的外貌特征和运动功能的一种先进智能体，其研究的重点之一就是如何模仿人类行为的同时提高系统运动的稳定性。最近的一项研究从机器人系统的角度出发，研究上、下肢的运动协调，上身运动对整个运动模式的影响，以及如何设计上身的运动提高系统的运动稳定性。

这项题为“仿人机器人双臂/躯干运动规划研究”的研究成果发表于《中国科学 信息科学》英文版2010年第8期上(http://www.springerlink.com/content/u03538764146v806/)，是由上海交通大学自动化系的邢登鹏博士和苏剑波教授完成的。

到目前为止，已经有一些仿人机器人机型能够实现稳定的行走与跑步功能，但是在大多数的研究中通常将手臂简化为配重，而忽略了其对运动稳定性的补偿作用。由于手臂子系统的多自由度和非线性以及上、下肢的运动耦合等原因，还没有相关研究规划仿人机器人模仿人类的上身运动，尤其并没有就手臂强有力的摆动对系统稳定性的影响进行相关探讨。而观察人类的运动行为可知，上身运动，尤其是手臂的摆动，能够加快整体的运动速度、提高系统的稳定性。由此可见上身的作用是非常明显的，而仿人机器人如何生成类似人类的上身运动以及如何提高系统稳定性，正是该文的研究内容。

该研究首先分析机器人运动过程中的地面作用力矩，并将系统自转转矩分离出来作为补偿对象；分析了手臂摆动对整个机构运动的影响—合理的摆动能够大幅度补偿系统的自转转矩，从而避免因地面摩擦力矩不够而引起的支撑脚打转现象；以ZMP点为参考点，提出躯干自转和双臂摆动两种补偿策略，用以补偿系统自转转矩，进而提高双足运动的稳定性。该双臂摆动用以模仿人类行走和跑步的运动模式，而采用躯干自转来模仿人类无臂时的快速运动状态。研究从能量消耗的角度对这两种规划方法进行了比较，并对机器人手臂长度的优化设计提供了参考。研究者使用正在开发的仿人机器人模型对研究结果进行了仿真验证，证明所提出的两种运动方式能够很好地补偿系统自转转矩，提高系统的运动稳定性，并能克服地面摩擦变化对机器人运动的干扰。

该研究得到了国家自然科学基金和教育部新世纪优秀人才支持计划的联合资助，该项成果有助于提高仿人机器人的运动稳定性，能够更好地模仿人类运动，加快双足机器人走向市场应用，促进该机器人的相关研究。目前美国DARPA已资助多项足式机器人的研究与发展，希望双足机器人能够在以后的军事行动中发挥重要作用。