劉勁松曲 杉

（1.湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068；2.湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，十堰 442000）

探究仿人機(jī)器人設(shè)計(jì)及步行控制方法

劉勁松1曲 杉2

（1.湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068；2.湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，十堰 442000）

通過(guò)分析小型仿人機(jī)器人的特點(diǎn)和應(yīng)用潛力，明確小型仿人機(jī)器人作用和意義。為解決現(xiàn)有仿人機(jī)器人有線或無(wú)線監(jiān)控中遙操作距離短的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，分析仿人機(jī)器人的具體設(shè)計(jì)和步行控制方式，提出一種基于3G通信網(wǎng)的仿人機(jī)器人遙操作方案，旨在為仿人機(jī)器人設(shè)計(jì)順利完成與仿人機(jī)器人的功能發(fā)揮提供基礎(chǔ)。

仿人機(jī)器人 操作系統(tǒng) 步行控制 視頻監(jiān)控

引言

小型仿人機(jī)器人是一種體積小、靈活性高和耗能少等的機(jī)器人種類，可廣泛地應(yīng)用于教育、娛樂(lè)等領(lǐng)域，并完成一些人類無(wú)法完成工作，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。小型仿人機(jī)器人的特點(diǎn)使小型仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)和步行控制方式研究顯得十分重要，合理小型仿人機(jī)器人設(shè)計(jì)和步行控制方式選擇，可以推動(dòng)小型仿人機(jī)器人的功能性全面發(fā)揮。基于此，本文結(jié)合小型仿人機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本情況，闡述和分析小型仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)和步行控制方法。

1 小型仿人機(jī)器人價(jià)值分析

小型仿人機(jī)器人具有人類的構(gòu)造和步行運(yùn)動(dòng)功能，主要以兩足式運(yùn)動(dòng)方式，廣泛應(yīng)用于教育、娛樂(lè)和科研等領(lǐng)域。具有高度的靈活性、適應(yīng)性和可靠性，能高效地完成多種復(fù)雜問(wèn)題的處理，效果顯著，應(yīng)用價(jià)值較高。

較傳統(tǒng)的仿真機(jī)器人，小型仿人機(jī)器人擁有人類構(gòu)造和步行運(yùn)動(dòng)功能，可采用小型仿人機(jī)器人代替人類完成一些難度較高和危險(xiǎn)性較強(qiáng)的工作，進(jìn)而減少工作人員的工作強(qiáng)度和安全系數(shù)。

現(xiàn)階段，小型仿人機(jī)器人的研究中，主要面臨的問(wèn)題有：（1）建模問(wèn)題，因小型仿人機(jī)器人的靈活性高，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變更加復(fù)雜，且運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型也更加復(fù)雜，建模問(wèn)題的處理對(duì)提升小型仿人機(jī)器人的應(yīng)用具有較高的價(jià)值；（2）控制優(yōu)化問(wèn)題，小型仿人機(jī)器人的自由度越多，其內(nèi)部構(gòu)造就更加復(fù)雜，使控制優(yōu)化問(wèn)題十分明顯；（3）小型仿人機(jī)器人的通常采用無(wú)線或有效的監(jiān)控系統(tǒng)，這也導(dǎo)致小型仿人機(jī)器人的遙操距離過(guò)遠(yuǎn)的問(wèn)題，影響仿人機(jī)器人的功能；（4）信息融合問(wèn)題，小型仿人機(jī)器人在具體應(yīng)用中，主要是借由傳感器、頭部視覺(jué)信息采集等方式，易引起多個(gè)傳感器的冗余和矛盾的情況，影響機(jī)器人的反應(yīng)速度。

2 小型仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)

（1）自由度配置。具體的設(shè)計(jì)中，小型仿人機(jī)器人需滿足多個(gè)自由度，在三維空間的內(nèi)容達(dá)到任意位姿，為保障小型仿人機(jī)器人的更加靈活和動(dòng)作優(yōu)美，就需要保障諸多機(jī)構(gòu)的自由度＞6。本文中的小型仿人機(jī)器人的腿部均具有的6個(gè)自由度。

（2）電路設(shè)計(jì)。小型仿人機(jī)器人需具備靈活的活動(dòng)能力和運(yùn)動(dòng)能力，其具體的電路設(shè)計(jì)是保障小型仿人機(jī)器人的功能性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。如圖1所示為某運(yùn)動(dòng)型小型仿人機(jī)器人的電路設(shè)計(jì)圖，該小型仿人機(jī)器人能完成踢球、找球和跌倒后爬起等動(dòng)作。

圖1 某類型小型仿人機(jī)器人的電路原理圖

（3）遙操作。本文為解決現(xiàn)有仿人機(jī)器人有線或無(wú)線監(jiān)控中遙操作距離短的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，提出一種基于3G通信網(wǎng)的仿人機(jī)器人遙操作方式。這類遙操作方式建立的在3G網(wǎng)的基礎(chǔ)上，使操作者和遠(yuǎn)程機(jī)器人間可完成信息的傳遞工作。如圖2所示為基于3G通信網(wǎng)的仿人機(jī)器人遙操作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 基于3G通信網(wǎng)的仿人機(jī)器人遙操作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文的小型仿人機(jī)器人主要采用四級(jí)遞階結(jié)構(gòu)遙操作系統(tǒng)，并建立基于視覺(jué)反饋的協(xié)調(diào)控制層實(shí)現(xiàn)方法，在基本的遙操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，添加遙操作控制器，使其完成的數(shù)據(jù)傳輸和處理工作，提升小型仿人機(jī)器人的功能性和運(yùn)動(dòng)能力。

另外，仿人機(jī)器人原運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，為適應(yīng)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬較低、丟包率高的網(wǎng)絡(luò)特性，合理的應(yīng)用適應(yīng)能力強(qiáng)和壓縮性好的H.264壓縮算法，完成對(duì)小型仿人機(jī)器人頭部視覺(jué)信號(hào)信息的處理，再對(duì)AIMD控制算法進(jìn)行擁塞控制，合理地完成自適應(yīng)編碼參數(shù)的設(shè)置，在提高小型仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，避免H.264碼流受攝像頭擺動(dòng)引起的突變情況，提高信息的傳遞質(zhì)量。再根據(jù)具體的信息類型，選擇適宜的通訊協(xié)議，重要信息主要通過(guò)TCP協(xié)議傳輸。

3 小型仿人機(jī)器人的步行控制方法

小型仿人機(jī)器人主要采用雙足行走的方式，完成仿人運(yùn)動(dòng)。這一過(guò)程中，步行控制是完成小型仿人機(jī)器人的順利完成前進(jìn)、后退和橫移的基礎(chǔ)。結(jié)合小型仿人機(jī)器人的基本情況，詳細(xì)闡述步行控制方法。

3.1 ZMP控制

該控制的理想狀態(tài)是實(shí)際與期望值重合，并保持在支撐于內(nèi)，這種情況下，小型仿人機(jī)器人可達(dá)到穩(wěn)定行走。但在實(shí)際步行控制中，受到地形因素和風(fēng)荷載等因素，ZMP的理想值和實(shí)際值存在偏差，可能引起小型仿人機(jī)器人出現(xiàn)步行不穩(wěn)定的情況，故此，需要結(jié)合具體的影響因素，完成實(shí)際值和理想值位置的調(diào)整，達(dá)到抑制翻轉(zhuǎn)力矩作用，使機(jī)器人可趨于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。調(diào)整實(shí)際值和理想值的位置主要通過(guò)調(diào)整踝關(guān)節(jié)側(cè)擺和前擺的角度，完成對(duì)翻轉(zhuǎn)力矩的抑制。此外，ZMP控制還要綜合考慮小型仿人機(jī)器人的擺動(dòng)腳質(zhì)量和關(guān)節(jié)間的耦合、摩擦等因素，達(dá)到減少理論值和實(shí)際值誤差的目的。

3.2 擺動(dòng)腳落地控制

擺動(dòng)腳落地對(duì)小型仿人機(jī)器人的運(yùn)行穩(wěn)定性具有直接影響，如果擺動(dòng)腳落地時(shí)間和位置出現(xiàn)偏差，必然會(huì)導(dǎo)致小型仿人機(jī)器人的步行不穩(wěn)定的情況發(fā)生，可能引起機(jī)器人摔倒的情況，甚至?xí)?dǎo)致小型仿人機(jī)器人內(nèi)部零件損壞。故此，對(duì)擺動(dòng)腳落地控制，可為步行控制提供基礎(chǔ)。具體的擺動(dòng)腳落地控制，可通過(guò)沖擊吸收法、力矩補(bǔ)償控制法和運(yùn)動(dòng)控制法等完成。其中沖擊吸收法，主要是通過(guò)模仿人類叫的剛度功能，適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)大側(cè)面后部的支撐區(qū)域，達(dá)到減震的效果，通常情況下這類控制方式與其他方式聯(lián)用為主。運(yùn)動(dòng)控制方根據(jù)擺動(dòng)腳的落地方式、時(shí)間和具體位置等因素，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整擺動(dòng)腳落地的相關(guān)因素，這類方式具有較好的魯棒性，但缺乏理論支撐，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)獲取。

3.3 上半身姿態(tài)控制

小型仿人機(jī)器人的上半身處于豎直狀態(tài)，小型仿人機(jī)器人就不會(huì)出現(xiàn)傾覆或翻轉(zhuǎn)的情況。故此，為保障小型仿人機(jī)器人能夠始終保持上半身處于豎直狀態(tài)，可采用使姿態(tài)傳感器完成對(duì)髖關(guān)節(jié)的控制，如陀螺儀。

4 結(jié)語(yǔ)

小型仿人機(jī)器人具有靈活性高、體積小和能耗低的特點(diǎn)，可完成一些人類不能完成相關(guān)動(dòng)作和作業(yè)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。結(jié)合小型仿人機(jī)器人基本需求，本文完成對(duì)小型仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)，并分析的具體的步行控制方法。小型仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)，主要分析自由度設(shè)置、電路設(shè)計(jì)、基于3G通信網(wǎng)的仿人機(jī)器人遙操作，且對(duì)某一具體的運(yùn)動(dòng)型小型仿人機(jī)器人的具體電路設(shè)計(jì)情況進(jìn)行分析。通過(guò)分析ZMP控制、擺動(dòng)腳落地控制和上半身姿態(tài)控制這三類控制方法，推動(dòng)小型仿人機(jī)器人的步行穩(wěn)定。

[1]張彤.仿人機(jī)器人步行控制及路徑規(guī)劃方法研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

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[3]陳光偉.仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性研究[D].成都：西華大學(xué)，2010.

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Humanoid Robot Design and Walking Control Method

LIU Jinsong1, QU Shan2
(1.Hubei University of Technology, Wuhan 430068; 2.Hubei Industrial University, Career Technical College, Shiyan 442000)

By analyzing the characteristics and application potential of small humanoid robot, the role and significance of small humanoid robot are defined. In order to solve the existing wired or wireless monitoring of humanoid robot teleoperation in short distance, remote video monitoring implementation of humanoid robot, the design of humanoid robot and walking control method, put forward a humanoid robot teleoperation scheme based on 3G communication network to provide the basis for the design of a humanoid robot successfully completed with the function of humanoid robot.

humanoid robot, operating system, walking control, video surveillance