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仿人機器人摔倒保護研究進展

論文編號: 所屬欄目:智能科學 發布日期:2020年06月16日 論文作者:北美代寫論文網
摘  要:仿人機器人的摔倒作為一種應盡量避免但又不可避免的情況,它的發生可能會對機器人自身及周圍環境造成嚴重的損傷,因此仿人機器人摔倒控制的研究具有重要意義。近年來,仿人機器人摔倒保護的研究取得了一些成果,并在一些實際的機器人上得到了應用。本文在總結國內外仿人機器人摔倒保護策略的基礎上,探討了該課題未來的研究方向。
關鍵詞:仿人機器人;摔倒控制;研究進展
中圖分類號:TP24                 文獻標識碼:A
 
Advances in Falling Control for Humanoid Robots
Abstract: The falling of a humanoid robot should be avoided, but the falling is also treated as kind of unavoidable circumstance in complex environment. It may cause serious damage to the robot itself and the environment, thus, it is crucial to study the falling control of humanoid robots. In recent years, studied on falling protection of humanoid robots have yielded some results, and some of the results have been applied in real humanoid robots. This paper summarizes the state of the art on falling protection for humanoid robots at home and abroad, and discusses the future research directions on this subject.
Keywords: humanoid robot; falling control; advance;
 

1 引言(Introduction)
仿人機器人具有人類的外形特征,能夠在不改變人類日常生活環境及工作條件的前提下,輔助或代替人完成各種工作,降低改造環境的巨大成本。
相對于其它機器人而言,仿人機器人具有重心偏高且地面支撐區域比較小的特性,使仿人機器人具有不穩定性。摔倒作為一種極端的不穩定情況,可能會對仿人機器人自身以及周圍環境造成嚴重的損傷。而且隨著機器人的尺寸增大,損傷會更大。它一般由以下幾種因素引起:機器人受到意外的外力;機器人動力部分或者其它組成部分意外故障;機器人通信失敗;機器人行走時腳底滑動等。
在仿人機器人預測到自身將要摔倒時,傳統的平衡控制器及抗干擾控制器不再起作用,因此,需要有一種專門的摔倒控制器來控制其摔倒行為。到目前為止,仿人機器人摔倒保護的研究已經取得了一定的成果,并且一些成果已經在實驗平臺上進行了驗證。本文在總結國內外仿人機器人摔倒保護策略的基礎上,探討了該課題未來的研究方向。
2 仿人機器人摔倒保護研究現狀(State of the art in falling protection of humanoid robots)
為了減小仿人機器人摔倒著地瞬間對自身造成的損傷,需要減小它著地時的沖擊力。根據動量定理,可以通過減小接觸點著地速度豎直分量或增大機器人摔倒時的著地時間來減小仿人機器人著地沖擊力。為了減小接觸點著地速度豎直分量,仿人機器人必須要按照一定的摔倒策略去摔倒。同時,為了增加摔倒時的著地時間,可以對機器人著地部位進行相關設計,增大機器人在著地瞬間的緩沖。
本文將現有減小仿人機器人摔倒時對自身損傷的摔倒策略文獻分為二大類,一類是啟發式摔倒策略。主要有HRP-2P仿人機器人的摔倒策略和SDR-4X小型仿人機器人摔倒策略以及其它的摔倒策略。第二類是基于優化的摔倒策略。在HRP-2P和SDR-4X公開后,許多學者在啟發式摔倒的基礎上,提出了一些基于優化的摔倒策略。
2.1啟發式摔倒策略
2002年,Fujiwara等率先對仿人機器人摔倒課題進行調研,根據日本柔道運動中運動員摔倒策略得到啟發,提出了一種啟發式的摔倒策略,并通過仿真以及實驗驗證了所提方法的有效性。其摔倒策略主要基于一種屈膝-伸腿的方法 [1]。具體來說:
1) 當機器人向前摔倒時,為了減小著地速度,機器人先屈膝,使重心降低;然后膝蓋著地;最后手和肘部著地[2]
2) 當機器人向后摔倒時,為了減小著地速度,機器人先屈膝,使重心降低;然后臀部著地;最后背部著地[3-4]
3) 當機器人向其它方向摔倒時,為了使特定部位著地,機器人要先屈膝同時旋轉,接著再向前或者向后摔倒,這樣保證機器人按照期望的姿態以特定的部位著地[1]
該算法通過仿人機器人平臺HRP-2P[5]實現。該機器人是日本產業技術綜合研究所和安川電機公司研制的,其機器人大小和普通人差不多,身高154.96厘米,體重54.1公斤,全身有30個自由度,圖1為HRP-2P實物圖。為了滿足機器人摔倒的需要,對該機器人平臺進行了改造。具體改造如下:
1) 在機器人特定的關鍵部位(膝蓋,臀部,背部,手,肘)安裝減震器。
2) 為了增強計算機板塊的抗摔性,計算機板塊增加反振動裝置。同時,計算機每塊板都增加張緊裝置,使連接部分具有更強的抗震性。
3) 當機器人在摔倒時遇到計算機設備損傷的情況時,為了增強工控機數據的安全性,使用反射內存記錄數據,以免計算機損壞造成數據丟失。
 
圖1  HRP-2P實物圖
Fig.1  HRP-2 Prototype Humanoid Robot
2004年,Ishida等提出了一種改進的仿人機器人摔倒策略[6]。其摔倒策略與HRP-2P摔倒策略類似,但有所不同。具體方法如下:
1) 當機器人向前摔倒時,首先將機器人伺服控制器增益調低,增強機器人摔倒時的抗震性;然后雙手前移,肘部前后方向彎曲,手臂向兩邊稍微伸開,同時屈膝,使重心降低,做出準備摔倒的動作;由于手臂各關節伺服控制的低增益,增加機器人著地的緩沖時間,從而當機器人的雙手著地時,使機器人著地沖擊力降低。
2) 當機器人檢測到ZMP[7]到達腳后跟邊緣時,便啟動向后摔倒控制器,首先將機器人伺服控制器增益調低,增強機器人摔倒時的抗震性;然后軀干和臀部彎曲向前,屈膝,使機器人重心降低;當臀部接觸地面時,安裝在機器人臀部的減震裝置開始起作用,以增加減震時間,減小減震沖擊力,直到摔倒完成。
該算法在小型娛樂仿人機器人平臺SDR-4X[8]上得到了驗證。該機器人為日本索尼公司的產品,身高58厘米,體重7公斤,全身有38個自由度(含手指),圖2為SDR-4X實物圖。
    
圖2  SDR-4X實物圖
Fig.2  SDR-4X Prototype Humanoid Robot
 
2009年,Ruiz-del-Solar等提出一種改進的仿人機器人摔倒策略,以減小仿人機器人在踢足球摔倒時對自身造成的損傷[9]。該研究借鑒人摔倒時的規律,并把人摔倒的規律總結如下:
1) 人摔倒最容易受傷的部位是組織、器官、臀部和手腕。人摔倒時傾向于用四肢來保護其它重要部位。
2) 人摔倒分三種情況:完全沒意識的摔倒,此時主要靠關節柔性和軟組織減小摔倒沖擊。有意識的摔倒,此時還要靠摔倒策略,使四肢和手腕著地。故意摔倒,摔倒后能順利進行下一個動作,比如能順利起來或者爬行。
3) 人的肌肉系統具有吸收壓力能量的能力,因此能降低摔倒的損傷。
4) 人檢測到摔倒時,人用大量的摔倒策略避免摔倒或減小摔倒損傷,有時候還用四肢把著地點轉移到不重要的器官和骨頭
5) 就像在武術表演中一樣,表演者控制自身摔倒,使摔倒時身體流暢運動,這樣在減小摔倒對自身造成損傷的同時保證摔倒后能快速回復到原來的姿勢。
Ruiz-del-Solar等在設計機器人摔倒策略時,為了對機器人摔倒時關鍵部位進行保護,對機器人摔倒預備姿態進行精心設計。在摔倒過程中,根據機器人當前狀態預估摔倒后各關節受到沖擊力大小,并根據該預估的沖擊力值對機器人姿態進行調整,使機器人摔倒著地時關節損傷程度最小。在隨后的研究中,Ruiz-del-Solar等提出了一種摔倒檢測算法,并集成檢測和摔倒策略到一個框架,最后用小型仿人機器人驗證了該算法的有效性[10]
2.2優化摔倒策略
為了減小仿人機器人摔倒時對機器人自身造成的損傷,一些學者提出了基于優化的方法來控制仿人機器人的摔倒運動,以減小機器人著地時的沖擊力,從而提升仿人機器人的安全性。
2006年,Fujiwara等提出了一種基于優化的仿人機器人摔倒運動規劃方法。該優化算法采用倒立擺模型對仿人機器人的摔倒運動進行建模。當機器人向后摔倒時,用一個倒立擺模型建模。而當機器人向前摔倒時,用三個連續的倒立擺模型進行建模(三個倒立擺分別代表膝蓋到腳尖部分、臀部到膝蓋部分、頭部到臀部部分)。完成機器人建模后,采用PMP(Pontryagin’s minimum principle)優化準則對模型進行優化,通過目標函數使仿人機器人摔倒著地速度最小。通過該優化準則,最終得到一組最優的仿人機器人摔倒參數[11]
2007年Fujiwara等將2006年的優化模型進行改進。當機器人向前摔倒時,將3個倒立擺模型擴展為4個倒立擺,實質上是增加了一個手臂倒立擺模型,使模型更加精確[12]
為了驗證該算法的有效性,Fujiwara等搭建了HRP-2FX實驗平臺。該機器人身高149厘米,體重28公斤,全身只有7個自由度,只能在前后平面移動。并且該機器人每個關節都用軟墊層來吸收著地時的沖擊。圖3為HRP-2FX實物圖。使用該機器人平臺,能更有效的驗證摔倒算法的有效性。
 
圖3  HRP-2FX實物圖
Fig.3  HRP-2FX Prototype Humanoid Robot
2007年,Ogata等提出了一種優化的摔倒策略,對仿人機器人行走時的摔倒運動進行在線控制。該方法對Fujiwara的屈膝-伸腿策略進行改進,把仿人機器人摔倒時的重心軌跡約束到一個平面,并提出了一種確定仿人機器人向前摔倒時雙手著地位置的方法。該方法由于將重心的運動約束到一個平面,采用倒立擺模型對機器人建模,算法簡單,容易實現在線規劃[13]。在之后的研究中,他們將2007年的研究在小型機器人平臺HRP-2m Choromet進行實驗,從而驗證了方法的有效性[14]
2011年,Lee 與Goswami提出了一種控制仿人機器人摔倒姿態的方法。該方法的創新點和實用性在于:仿人機器人側面受到推力時,它能調整機器人在摔倒過程中擺動腿的位置以及控制自身軀干向后,從而控制仿人機器人摔倒時總是后背著地。該算法在仿真平臺得到驗證[15]
2012年,Wang等提出了一種優化的仿人機器人摔倒策略。該優化方法是基于pseudo-spectral算法,把復雜的非線性控制問題轉化為一個等價的非線性編程問題(NLP),再通過數值最優方法來解決該非線性編程問題,最終計算出一種優化的仿人機器人摔倒策略,使摔倒后著地壓力最小[16]
3仿人機器人摔倒保護未來研究方向(Development trends in falling protection for humanoid robots)
3.1基于仿生的摔倒策略
人的運動有一定的規律。當人在行走或者作業時,遇到突如其來的外力沖擊,人的第一反應不是自己要不要摔倒,而是先通過行走、跨步以及身體姿態的調整讓自己先不摔倒。如果調整成功,則不摔倒;如果調整失敗,再以一定的策略摔倒,并使不易受傷的部位先著地[17]。仿人機器人要走入應用,當遇到外界擾動時,首先應該以一定的策略避免摔倒,并用平衡控制器來控制自己的平衡;同時啟用摔倒模型,當平衡控制器不能起作用,則直接切換到摔倒控制器;摔倒控制器控制機器人以一定的姿態和特定的位置著地。
人不管向前摔倒還是向后摔倒,習慣先用手著地,這樣避免關鍵的部位(內臟、頭部)等受到損傷[18]。當人摔倒手臂著地時,人充分利用手臂的柔性,延長著地時的緩沖時間,從而降低沖擊力。而目前的文獻沒有對仿人機器人著地瞬間手臂的控制進行深入的研究。未來的研究可以結合仿人機械臂的柔性控制[19],根據摔倒這個特定場合,充分利用機械臂的柔性,來控制仿人機器人著地時對機器人自身造成的損傷程度。
3.2仿人機器人平臺實現問題
隨著仿人機器人尺寸的增大,其重心偏高,仿人機器人就越容易摔倒。而且隨著尺寸的不斷增大,質量也隨之增大,摔倒時對機器人自身及周圍環境造成的損傷越大。而現有文獻大多數只是提出了仿人機器人摔倒策略,進行仿真驗證或者在小型仿人機器人平臺上驗證,很少能在與人尺寸類似的仿人機器人平臺上驗證。因此,為了更好的實現仿人機器人摔倒控制的目的,除了要對仿人機器人摔倒策略和控制方法進行改進外,也要把仿人機器人硬件平臺的設計和改進作為一個課題研究。
在機構方面,有必要對機器人整體的材料以及關鍵部位的材料進行分析計算和選取,在滿足摔倒的需求的前提下盡量減輕機器人的重量。機器人摔倒的關鍵部位應該增加防震裝置,以增加摔倒時的緩沖。機器人的關節作為摔倒時易損傷的部位,其構型直接影響到機器人的摔倒能力。同時,有必要將特定關節設計成柔性關節,以緩沖摔倒時的沖擊力。在電氣方面,必須對計算機板塊及其它電路板進行防震設計及防震固定。
4 結論(Conclusion)
仿人機器人摔倒控制課題的研究,對提升仿人機器人整體能力和復雜環境適應能力有很積極的意義。
與此同時,目前該課題還面臨以下幾個主要問題:第一,仿人機器人的摔倒多是基于主動摔倒策略,且機器人處于確定的摔倒預備狀態。現有文獻不能解決仿人機器人在實際行走和作業時的意外摔倒問題。第二,現有的摔倒策略都假設地面摩擦力足夠大,仿人機器人在不打滑的情況下摔倒。當機器人面對滑動摔倒的情況時,由于與地面接觸不固定,仿人機器人摔倒控制更復雜。在這種情況下,減小摔倒對機器人重要部位的損傷,也是一個重要的待解決的問題。第三,現有文獻只是針對結構化環境的摔倒控制問題。但是,當機器人面對非結構化環境時,需要根據環境信息在線控制仿人機器人摔倒使其摔倒時能適應環境。第四,現有的仿人機器人硬件平臺還不能滿足自身摔倒的需求。因此需要對仿人機器人材料、機構、控制系統、通信等硬件系統進行優化和改進。
參 考 文 獻 (References)
[1] Fujiwara K, Kanehiro F, Kajita S, et al. UKEMI: Falling Motion Control to Minimize Damage to Biped Humanoid Robot[C]// International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Lausanne, Switzerland: IEEE, 2002: 2521-2526.
[2] Fujiwara K, Kanehiro F, Kajita S, et al. Safe Knee Landing of a Human-size Humanoid Robot while Falling Forward[C]// International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Sendai, Japan: IEEE, 2004: 503-508.
[3] Fujiwara K, Kanehiro F, Kajita S, et al. The First Human-size Humanoid that can Fall Over Safely and Stand-up Again[C]// International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Las Vegas, Nevada: IEEE, 2003: 1920-1926.
[4] Fujiwara K, Kanehiro F, Saito H, et al. Falling Motion Control of a Humanoid Robot Trained by Virtual Supplementary Tests[C]// International Conference on Robotics and Automation (ICRA). New Orleans, LA: IEEE, 2004: 1077-1082.
[5] Kaneko K, Kanehiro F, Kajita S, et al. Design of Prototype Humanoid Robotics Platform for HRP[C]// International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). EPFL, Lausanne, Switzerland: IEEE, 2002: 2431-2436.
[6] Ishida T, Kuroki Y, Takahashi T. Analysis of Motions of a Small Biped Entertainment Robot[C]// International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Sendai, Japan: IEEE, 2004: 142-147.
[7] Vukobratovic M. On the stability of anthropomorphic systems [J]// Mathematical Biosciences, 1972, 15(1-2): 1-37.
[8] Ishida T. A small biped entertainment robot SDR-4X II[C]// International Symposium on Computational Intelligence in Robotics and Automation. Kobe, Japan: IEEE, 2003: 1046-1051.
[9] Ruiz-del-Solar J, Palma-Amestoy R, Marchant R, et al. Learning to fall: Designing low damage fall sequences for humanoid soccer robots[J]// Robotics and Autonomous Systems, 2009, 57(8): 796-807.

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