Honda的直立行走机器人ASIMO.docx
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Honda的直立行走机器人ASIMO
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，ASIMO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AdvancedStepinInnovativeMobility。
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：
ASIMO
Honda眼中的ASIMO
Honda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ASIMO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。
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，就像人类的软组织一样。
图3：
ASIMO正面照
ASIMO和人类一样，有髋关节，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。
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，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，ASIMO都能快速对这些情况进行及时地处理，并进行相应的姿态调节，以确保能够正常的行走。
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"zeromomentpoint"（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。
∙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。
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转身的位置。
ASIMO使用了一种叫做“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（RealTime）技术，因此ASIMO能够不需要停止就能够转身，实现边走边转身。
图7：
重心移动原理
本质上，ASIMO每走一步，他就需要计算一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
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：
体重
52公斤
行走速度
0-1.6公里/小时
行走范围
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（镍锌）
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）*1
2DOF
臂
肩关节（F/B，U/D，RT）
肘关节（F/B）
腕关节（RT）
3DOF
1DOF
1DOF
5DOF×2手臂=10DOF
手
五个手指（抓握）
1DOF
1DOF×2手=2DOF
腿
髋关节（F/B，L/R，RT）
膝关节（F/B）
踝关节（F/B，L/R）
3DOF
1DOF
2DOF
6DOF×2腿=12DOF
机器人ASIMO---关于ASIMO的未来设想：
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，丰富人类的生活。
今后，Honda仍将以“挑战精神”继续研究和开发，与ASIMO一起，不断地向“未来之梦”迈进。
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