仿人機(jī)器人復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)劃:上下樓梯、跨越臺(tái)階、跑步、翻滾、爬行、守門、起立、跳舞

除了基本的步行之外，仿人機(jī)器人還可以進(jìn)行各種仿人的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。仿人機(jī)器人的 復(fù)雜運(yùn)動(dòng)在學(xué)術(shù)界至今沒有確切的定義，一般來說，可以是指模擬人類在3D空間的上下樓梯、跨越臺(tái)階和使用手臂一起進(jìn)行全身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的跑步、翻滾、爬行、守門、起立、跳舞以 及跟目標(biāo)物體接觸的踢球、開門、搬運(yùn)東西等一系列運(yùn)動(dòng)。

這些運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是需要建立各 自運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜模型，在規(guī)劃中除了需要保證穩(wěn)定性的前提，還需要考慮實(shí)時(shí)性和運(yùn)動(dòng)的合 理性。對仿人機(jī)器人的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)研究是仿人機(jī)器人的一個(gè)大的方向，這是使仿人機(jī)器人 可以生活在人類的環(huán)境中所需要研究的內(nèi)容。近些年，很多研究人員開始把研究目標(biāo)從 仿人機(jī)器人穩(wěn)定的步行控制轉(zhuǎn)移到規(guī)劃適合人類生活環(huán)境的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中來。自從索尼公 司研制的QRIO 成為世界上D一臺(tái)能跑步的機(jī)器人之后，ASIMO10 在2004年也實(shí)現(xiàn)了每 小時(shí)6km的跑步速度。

Ryosuke 于2009年提出了一種仿人機(jī)器人快速跑步的控制方法， 該方法使用一個(gè)運(yùn)動(dòng)生成器和平衡控制器。運(yùn)動(dòng)控制器可以同時(shí)迅速生成行走和跑步的 軌跡，而平衡控制器則能夠通過動(dòng)態(tài)改變足部的接觸點(diǎn)使機(jī)器人保持平衡。Z后在仿人 大小的機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)7km 的跑步[116]。Pandu Ranga 提出了兩種控制方式來控 制機(jī)器人的上下斜坡運(yùn)動(dòng)，一種是GA-NN, 即遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，還有一種是GA-FLC, 即 遺傳模糊控制器。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和模糊控制器的規(guī)則通過GA 來進(jìn)行離線優(yōu)化。然后 再通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者模糊邏輯控制器對機(jī)器人的上下斜坡進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制117】。Philipp Michel[1183等人使用HRP-2 仿人機(jī)器人在3D空間中進(jìn)行了上樓梯、避障等運(yùn)動(dòng)，他采用 GPU加速的方式在3D空間對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的每一幀進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤控制，這種加速方式對攝 像機(jī)的偏移和抖動(dòng)具有很好的魯棒性。Chenglong Fu[1193 通過步態(tài)綜合和傳感器控制的方式在THBIP-I 上實(shí)現(xiàn)了上樓梯運(yùn)動(dòng)。

其中，反饋控制參數(shù)由強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法進(jìn)行每一步 的自動(dòng)調(diào)整。Yisheng Guan等人對仿人機(jī)器人的越障可行性進(jìn)行了詳細(xì)分析，并建立復(fù) 雜模型，同時(shí)對越障過程中的幾何約束和穩(wěn)定約束進(jìn)行了分析，Z后在HRP-2 仿人機(jī)器 人上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[120]。S'ebastien Lengagne 提出了一種踢球運(yùn)動(dòng)的快速重規(guī)劃方法，該方 法使用時(shí)間離散積分的方式來求解半有限規(guī)劃問題，從Z優(yōu)運(yùn)動(dòng)開始計(jì)算經(jīng)過離線規(guī)劃 生成的運(yùn)動(dòng)參數(shù)子集，Z后在 HOAP-3 仿人機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)了踢球運(yùn)動(dòng)[121]。 Fumio Kanehiro 等人使用Mahalanobis 距離來進(jìn)行仿人機(jī)器人的倒地起立控制。使用非沖突的 相似狀態(tài)組成一個(gè)集合，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖來進(jìn)行動(dòng)作序列的規(guī)劃。

通過該方法，機(jī)器人可 以從任意的位置進(jìn)行起立運(yùn)動(dòng)122]。Libeau 等人通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法來控制仿人機(jī)器人 攀巖運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過對不同墻的地形的先前學(xué)習(xí)之后，機(jī)器人能夠快速地進(jìn)行攀巖運(yùn)動(dòng)123】。 Hitoshi Arisumi[124] 通過對門建立動(dòng)態(tài)模型，并對其進(jìn)行幾何約束分析，提出讓仿人機(jī)器 人使用沖力的方法進(jìn)行開門，Z后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有效性。Eiichi Yoshida 等人設(shè) 計(jì)了一種仿人機(jī)器人搬箱子的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)需要機(jī)器人的手臂、腰部和腿部分別進(jìn)行協(xié) 調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。并且需要考慮關(guān)節(jié)碰撞和穩(wěn)定性的問題[125]。X.Zhao 等人采用相似性函數(shù) 對采集到的人類打太極運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行評估，實(shí)現(xiàn)了仿人機(jī)器人 BHR 的打太極運(yùn) 動(dòng)126]。其他各種適合在人類生活環(huán)境中的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)還有包括和人一起抬重物127、舉東 西[128、釘釘子129等仿人運(yùn)動(dòng)。由于對仿人機(jī)器人行走步態(tài)在各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的研究上剛 處于起步階段，還沒有構(gòu)成成型的研究和控制方法。