《Honda的ASIMO是如何行走的》

1、简介想象一下未来的生活， 机器人 在你家里帮你煮饭， 帮你做家务， 帮你打扫房间或者在你工作的时候递上一杯热热的咖啡？机器人已经能够代替人类做很多人类不想做的事情， 甚至不能做的事情。 在世界各地的很多现代化工厂中， 机器人已经很早就代替工人组装汽车， 尤其是那些重复性很高的工作。 现在的商场里， 也早已开始出售各种类型的清洁机器人， 能够自动帮助你清洁家里的地面，虽然目前功能上单一了一点，但是毕竟也帮你做了不少工作。日本的本田公司（ Honda ）在 1986 年就开始类人机器人的研究工作，到了 2006 年为止已经整整20 年了。在这20 年中，他们在这个领域取得了举世瞩目的成绩， ASI

2、MO 的研制成功让Honda 公司成为目前这个领域最领先的公司。在这篇文章中，我们将详细了解一下 ASIMO 是如何工作的，基本的原理是什么。ASIMO 的名称由来ASIMO, 代表 Advanced Step in Innovative Mobility 。是日本本田公司开发的目前世界上最先进的步行机器人。 也是目前世界上唯一能够爬楼梯， 慢速奔跑的双足机器人。 虽然其它公司也有类似的双足机器人， 但是没有任何一家的产品能在步态仿真度上面能达到 ASIMO 的水准。除了 ASIMO 杰出的步行能力以外， ASIMO 的智能也同样出色。语音识别功能以及人脸识别功能能够使用语音控制 ASIMO

3、以及使用手势来进行交流。不仅如此， ASIMO 的手臂还能够开电灯，开门，拿东西，拖盘子，甚至还能推车。图 1 : ASIMOHonda眼中的ASIMOHonda希望开发出的机器人是能够帮助人类，尤其是老年人的人类助手，而不是一个高科ASIMO技玩具。因此ASIMO被设计成1.2米的高度，正好能够和轮椅上的人平视。这让看上去非常有亲和力， 因为大尺寸的机器人会让人有威胁感，小孩子也不会喜欢一个太高大的家伙。同时，这个高度也正好让ASIMO能够拿取桌子上的物体，如图 2所示。这个设计因素在ASIMO被创建之初就已经考虑到了，可见 Honda工程师们的用心良苦。RHbntiarauRiibiBti

4、aFun图2: 1.2米的高度正好让 ASIMO 能够拿取屋内多数的物品ASIMO 的结构：类似人类的身体结构Honda的工程师们在项目初始阶段花费了大量的时间研究了昆虫，哺乳动物的腿部移动， 甚至登山运动员在爬山时的腿部运动方式。这些研究帮助工程师们更好的了解我们在行走过程中发生的一切，特别是关节处的运动。比如，我们在行走的时候会移动我们的重心，并且前后摆动双手来平衡我们的身体。这些构成了 ASIMO行走的基础方式。在行走过程中，我们的脚趾也扮演了非常重要的角色，在平衡我们身体上起了很大的作用。在ASIMO的脚上也有类似的机理，而且还使用了吸震材料来吸收行走过程中产生的对关节的冲击力，就像人

5、类的软组织一样。RnliiBt-nFai*图3 : ASIMO正面照ASIMO和人类一样，有雕关节，膝关节和足关节。机器人中的关节一般用 自由度”来表示。一个自由度表示一个运动可以或者向上，或者向下，或者向右，或者向左。ASIMO拥有26个自由度，分散在身体的不同部位。其中脖子有2个自由度，每条手臂有 6个自由度，每条腿也有6个自由度。腿上自由度的数量是根据人类行走，上下楼梯所需要的关节数研 究出来的。髓关节1a图4 : ASIMO关节图ASIMO身上两个传感器保证了 ASIMO能够正常行走，它们是速度传感器和陀螺传感器。它们主要用来让 ASIMO知道他身体目前前进的速度以及和地面所成的角度，

6、并依次计算出平衡身体所需要调节量。这两个传感器起的作用和我们人类内耳相同。要进行平衡的调节，ASIMO还必须要有相应的关节传感器和6轴的力传感器，来感知肢体角度和受力情况。ASIMO 的动作：类似人类的步行方式除非你很了解机器人学，否则你很难想象要让 ASIMO象人类这样行走是多么的困难，而ASIMO又是如何令人难以置信的达到这个程度的。ASIMO 的行走中最重要的部分就是它的调节能力。ASIMO除了能像人类一样正常的步行之外，它还能对行走过程中遇到的情况进行自我调节。比如在有一定斜度的平面上行走，甚至有可能在行走过程中被人推了一下，A并进行相应的姿态调节，以确保能够正常的行SIMO都能快速对

7、这些情况进行及时地处理，为了实现这些，ASIMO的工程师们需要考虑 ASIMO在行走中产生的惯性力。当机器人行走时，它将受到由地球引力，以及加速或减速行进所引起的惯性力的影响。这些力的总和被称之为总惯性力。当机器人的脚接触地面时，它将受到来自地面反作用力的影响，这个力称之为地面反作用力。所有这些力都必须要被平衡掉，而ASIMO的控制目标就是要找到一个姿势能够平衡掉所有的力。这称做"zero moment point " (ZMP)。当机器人保持最佳平衡状态的情况下行走时，轴向目标总惯性力与实际地面反作用力相等。相应地，目标ZMP与地面反作用力的中心点也重合。当机器人行走在不

8、平坦的地面时，轴向目标总惯性力与实际的地面反作用力将会错位，因而会失去平衡，产生造成跌倒的力。跌倒力的大小与目标ZMP和地面反作用力中心点的错位程度相对应。简而言之，目标 ZMP和地面反作用力 中心点的错位是造成失去平衡的主要原因。假若Honda机器人失去平衡有可能跌倒时，下述三个控制系统将起作用，以防止跌倒，并保持继续行走状态。 地面反作用力控制：脚底要能够适应地面的不平整，同时还要能稳定的站住。 目标ZMP控制：当由于种种原因造成 ASIMO无法站立，并开始倾倒的时候， 需要 控制他的上肢反方向运动来控制即将产生的摔跤，同时还要加快步速来平衡身体。目标愦性力廉工恢复力目标总惯性力8I工体加

9、速用扇目标重力目标地面反作用力中心.卜耶体姿势籍位 落脚点控制：当目标 ZMP控制被激活的时候，ASIMO需要调节每步的间距来满足 当时身体的位置，速度和步长之间的关系。目标惯性力目标重力目标ZMP二地面反作用力中心点图5 : ASIMO的步态控制ASIMO 的动作：稳步的行走ASIMO能够感应到即将摔倒的情况，并能够很快对此做出反应；但是 ASIMO的工程师想 要更多的功能。他们不但想让 ASIMO 能够行走的更顺畅， 还想让ASIMO 能够在不停止的 情况下转身。目前绝大多数其它类人机器人无法做到这一点。图6 : ASIMO的腿部特写当我们走到弯角处需要转身的时候，我们将我们身体的重心移到

10、转身的位置。ASIMO使用Real Time ）技术，因此 ASIMO了一种叫做 动作预测控制”，也叫做“iWalk”技术来实现。ASIMO需要预测转身所需要的重心的移动的位置以及持续时间。由于这个技术是实时（ 能够不需要停止就能够转身，实现边走边转身。Normal SLratgnt-Ahead WalkingComenngOUT Load Point (ZiVP)Cr-rr -i.nql 一心Center«oGravity Shift(Predicleo Walking)ZMP : Zcro Vor-Lrt Pd i t图7 :重心移动原理本质上，ASIMO每走一步，他就需要计算一

11、次他的重心位置以及惯量，并预测在下一步移动后的位置，同时计算出所需要的重心移动距离。他主要通过调节以下4个因素： 步长：每步行走的长度 位姿：身体的位置 速度：整体移动的速度 行走方向：下一步移动的方向Control Block MapP re dieted Movem e nt C ontfol ASIMO = Intelli gen t WN km q Techn ologySpeed & Turning Ane Comrand(fre尸阴,而四.於、，偶)Prw*cted mowiq'国时副）的份呵他什,large MMcmcrt P 就口 rn,Target load

12、Shift (Floor impaa) PaftBEI urn超dIt tumng continues, how much will the cenier ol gvily la II wMwd?To novc :f center ol gravity 化:nc inside d a tiirr. how much 制id for how long should tfie Im J point 的 shifted to ihc ouisidt?FuturccnaviorPrcdicton SediorTarget Walking Patlern Cnar>gerPosture Contr

13、olfor Stable Walking快 Motor DnvfiReflective Moverr ent CWol(Earlier stable waking technologyFloor Reaction Control，Target ZMP CoM Fool Planting ConlrolAnbotmran图8 : ASIMO的控制流程ASIMO 的动作：上下楼梯上下楼梯的动作如果只是靠事先的程序输入的话绝对不可能实现。即使是输入了阶梯的高度及前后的距离，如果多达 29层的话，也会因误差累积而无法正常走下来。为此， Honda在ASIMO的每只脚上，都装了一个 6轴力传感器，用来监

14、测每一步的稳定程度。再结合陀螺仪和 加速度传感器，ASIMO使用了独特的数学算法来让他上下楼梯，并能够上下斜坡而如履平地。Honda的工程通过使其脚内侧不紧贴地面、脚趾比台阶边缘向前探出少许这样的站立方式来探测出台阶的边缘。在这一状态下，如果通过脚底的压力传感器进行压力分布测量的话，可以预先测出边缘的位置。下楼梯时的着地点也可以同样进行预测。虽然操作人员向ASIMO输入了楼梯大致的高度，但是最终则是通过ASIMO足底的传感器来确认楼梯位置的。不只是下楼梯，ASIMO 还能够在斜坡上转弯。这时由于 ASIMO的每一步都要变换姿势，并改变与 ZMP的关系，较下楼梯难度更大。下楼梯与在斜坡转弯使用了

15、相同的算法，因此不需要改变模式。图6 : ASIMO在走楼梯ASIMO 的技术参数:52公斤行走速度0-1.6公里/小时（走氾围范围可调整，步幅可调整抓握力0.5公斤/手（每只手5个手指）作动器伺服电机+谐波减速器+驱动单元控制装置行走/操作控制单元，无线发送单元传感器脚部六轴向脚部方位传感器躯体陀螺仪和加速传感器电源部分38.4V/10AH（馍锌）操作部分操纵台和便携控制器自由度（类似人类的关节）头部颈关节(U/D , RT) *12 DOF臂肩关节(F/B , U/D , RT)3 DOF肘关节(F/B)1 DOF腕关节(RT)1 DOF5 DOFX 2 手臂=10 DOF手五个手指(抓握

16、)1 DOF1 DOFX 2 手=2 DOF腿雕关节(F/B , L/R , RT)3 DOF膝关节(F/B)1 DOF踝关节(F/B , L/R)2 DOF6 DOFX 2 腿=12 DOF机器人ASIMO- 关于ASIMO 的未来设想:丰富人类的生不断地向朱来追求技术的不断进步。21世纪，Honda期待着ASIMO 真正地对人类有益, 活。今后，Honda仍将以挑战精神”继续研究和开发， 与ASIMO 一起, 之梦”迈进。笔者后记:新的 ASIMO 已经在行走能力上又有了新的突破， 2004 年 12 月发布的新型ASIMO 已经能够达到每小时6KM 的奔跑速度以及迂回行走。同时其关节自由

17、度也达到了 34 个。新开发的技术根据其官方网站的描述为：主要新技术：1 ）能够实现像人类一样自然奔跑的新姿势控制技术2 ）自律性的连续移动技术3 ）配合人的活动而连贯活动的技术1 、新姿势控制技术为了防止高速移动产生的足部打滑和空中旋转，保持平衡状态， Honda 通过利用上半身弯曲和旋转的新姿势控制理论和新开发的高速应答硬件等， 使 ASIMO 的最大奔跑速度达到了3km/h 。同时，步行速度也由原来的 1.6km/h 提高到 2.5km/h。2 、自律性的连续移动技术通过地面传感器获得的周围环境信息和预先录入的地图信息等， ASIMO 能够在步行的同时修正路线偏差，途中无需停歇地直接移动

18、到目的地。通过地面传感器和头部视觉传感器发现障碍物时， ASIMO 可以自身判断，迂回选择其他路线。3 、配合人的活动而连贯活动的技术SIMO 通过头部视觉传感器、 手腕部位新增加的腕力传感器等检测人的动作， 可以进行物品交接， 或配合人的动作而握手， 而且能够朝着手被牵引的方向迈步等， 实现了与人相配合的动作。主要数据1 、奔跑速度3km/h（ 跳跃时间 0.05 秒）2 、普通步行速度2.5km/h （原来为1.6km/h ）3 、身高130cm （原来为120cm ）4 、体重54kg （原来为 52kg ）5 、活动时间1 小时（原来为30 分钟）6 、关节自由度34 度（原来为 26 度）腰部旋转关节：奔跑或步行时，通过手腕部位的摆动，以及腰部积极地旋转，消除脚部摆动所产生的反作用力，从而提高步行速度。手腕弯曲关节：在手腕部位再增加2 个轴，使手腕能够柔软、灵活地活动拇指关节：原来使用 1 个马达驱动5 个手指，为了使拇指能够独立活动，再增加1