机器人引论 教学课件 作者 张涛 主编 第7章 拟人机器人.pptVIP

7.3.2 拟人机器人的人机交互(HRI) 在机器人学中，人机交互指人与机器人之间的信息交流，人与机器人进行交互的通道包括语音、视觉、超声波、红外等。 HRI是随着机器人的不断发展而发展的。随着机器人从工业机器人发展到智能机器人以及更复杂的拟人机器人，HRI也不断进步。 传感技术的进步为机器人带来了新的感知能力，例如力传感器和触觉传感器被研究和集成到人机界面中去，以赋予机器人测量力的反馈和感觉刚性和可变形物体的能力。 在对拟人机器人的研究中，尽管最初的研究目标，即想要达到自治机器人这个目的没有完全实现，但是逐渐认识到半自治的拟人机器人，即部分地被人类操作员控制，能够提供更有效和更现实的功能。其最近的研究工作侧重于发展协作交互(collaborative interaction)，共享控制(shared control)，和有监督的自治(supervised autonomy)等。 7.4 拟人机器人的行为控制 7.4.1 步行模式生成器 1 ZMP规范 所谓稳定的步行是指脚移动时机器人不会摔倒，也就是机器人能保持支撑状态。摔倒也算是一种旋转运动，因此机器人摔倒（不再保持支撑状态）可似认为是该机器人以通过脚部与路面的接触点（假设是3点以上）所形成的支撑多边形的某条边或某个点在路面上的直线为轴产生转动，并且产生了绕该轴的（从支撑多边形来看）向外的力矩。 反过来说，为了维持支撑状态，机器人对所有的边都不能产生向外的力矩，只能产生向内的力矩。由于机器人的支撑点不能悬空，对于所有的支撑点而言，机器人作用于路面的重力或惯性力所产生的力都是压向路面的，那么可以知道这些力的合力对路面的作用点（假设为P）必须是在支撑多边形的内部。 在将多点支撑的支撑点用直线连接所组成的多边形中，面积最大的凸多边形被称为支撑多边形。在步行的任何瞬间，如果ZMP存在于支撑多边形的内侧，并且机器人有作用于路面的作用力的话，机器人就能够步行稳定而不会摔倒。这就是ZMP规范。这个支撑多边形也被称为稳定区域。 在点P处，很明显，由合力所产生的力矩为零。这些力矩为零的点被称为ZMP。 如果两足步行机器人是单脚支撑，那么很明显，稳定区域就是支撑脚的脚底，而其ZMP就在此脚底内。若是双脚支撑，稳定区域就在两脚底构成的支撑多边形内，而ZMP就必须在该区域内。 (a) 单脚支撑 (b)双脚支撑 稳定区域 2 ZMP方程式的导出 为了简化拟人机器人与路面相互关系的处理， 做如下的假定，并设定如下的坐标系： 机器人是由质点组成的（多质点系）。 路面十分坚硬，无论作用了多大的力或力矩，地面都不会变形或移动。 设坐标系为直角坐标系O-X YZ（右手规则），其中由X轴（与机器人的正面方向一致）和Y轴构成的平面与路面一致，与路面垂直的轴为Z轴。 机器人的脚底与路面的接触状态为着地点的集合。 在着地点（绕X轴、Y轴以及Z轴）旋转的摩擦系数十分小，可以忽略。 机器人步行时的推力被限制在其着地点的两个方向（X轴以及Y轴）上不产生滑动的范围之内。 关于路面上的任意点P的力矩平衡式： 向量的设定 式中，mi为第i个质点的质量；ri = [rix，riy，riz]T为第i个质点的位置向量；p = [px，py，0]T为点P的位置向量；G = [gx，gy，gz]T为重力加速度向量；T = [Tx，Ty，Tz]T为点P的地面反作用力力矩。 按各个分量来表示： 若Tx = 0，Ty = 0，点P就成为ZMP。即ZMP方程式可以表示如下： 式中，u = [ux，uy，0]T为ZMP的位置向量。 设点P的地面反作用力为Fr，则： 按各个分量来表示 为了保证机器人与地面相接触，必须满足以下条件： 也就是说，必须有 但一般来说，Z轴方向的加速度很小，即 因此，条件 能够得到满足。 如果 可以得到： 式中，[cx，cy，cz]T 为机器人的重心位置向量。 可以看出，静态步行的时候，ZMP为机器人的重心在路面上的垂直投影。因此，ZMP规范与我们平常用来判定步行稳定的基准，即重心相一致，并且它是比仅考虑惯性力更严密的基准。 3 步行模式的生成 以转动关节相连接组成的拟人机器人，其ZMP方程式为具有耦合的非线性二阶微分方程。因此，通过解析方法来求解满足所导出的ZMP方程式的步行模式十分困难。 一般的做法是在将机器人模型进行近似处理的同时，对机器人的运动进行约束。然后，通过线性/解耦处理，将ZMP方程式降阶到用解析方法或数值方法容易求解的程度，就可以实时生成实用的满足ZMP精度的步行模式。另外，通过在ZMP方程式中添加外力项，也可以使其具有对外力的适应能力。 7.4.2 拟人机器人的双足步行 为实现所期望的步行而设定的一组关节角时间序列称为步行摸式。为