來源：機器人大講堂
機器人大講堂直播間
037期
目前國際上主要有兩種控制方式的仿人機器人：一種是基於位置控制的仿人機器人，另一種是基於力矩控制的仿人機器人。由於類人運動的功能的多樣性、複雜性以及高維度性，所以仿人機器人的研究非常具有挑戰性。
運動控制技術是仿人機器人中的核心關鍵技術。仿人服務機器人主要在辦公場所、家庭環境、商業場景以及戶外等複雜的非結構化環境中執行不同類型的複雜任務。智能機器人走進千家萬戶，會讓人類的生活方式變得更加便捷化、智能化、人性化。
我們特邀優必選研究院技術專家劉益彰先生做客「機器人大講堂直播間」爲大家分享運動控制技術在仿人機器人中的應用。
劉益彰
優必選研究院技術專家
畢業於國防科技大學控制科學與工程專業
2013年起依託於國家“863”項目做高性能四足機器人控制算法開發
2016年針對仿人機器人類人行走、穩定控制等技術進行深入研究，成功應用於大型仿人服務機器人Walker等產品中
本期分享要點如下
仿人機器人的發展歷程
仿人機器人的關鍵技術—運動控制
運動控制在大型仿人機器人上的三大挑戰
Walker大型仿人服務機器人仿真平臺
優必選運動控制未來重點研究方向
以下內容根據劉益彰先生直播分享實錄整理。
仿人機器人發展歷程
仿人機器人就是模仿人的形態和行爲而設計製造的機器人，開始研製於上世紀60年代末，目前已經成爲了機器人技術領域的主要研究方向之一。
從早稻田大學的第一臺仿人機器人WABOT-1至今已有近50年的歷史，提出ZMP穩定性理論，到MIT設計出液壓驅動的雙足/四足機器人，提出了虛擬腿理論，採用三分控制法控制機器人運動。
之後出現了被動行走機器人，採用被動行走理論，利用重力和自然的慣性，在無驅動的狀況下，能夠穩定性行走，但步態單一，抗干擾能力差。至今已經出現了大批全自由度仿人機器人，可以實現超強的仿人運動能力。
仿人機器人的關鍵技術—運動控制
運動控制在仿人機器人中的運用主要體現在步態規劃、力控制應用與視覺&導航技術的融合三個方面：
步態規劃
1、雙足建模
在做機器人步態時，ZMP（Zero Moment Point,零力矩點）的概念是非常關鍵的，那麼什麼是ZMP呢？
ZMP是支撐足受到的地面支反力（分佈力）可以等效爲一個合力，機器人所受和力矩爲零的點。ZMP具有一定落在機器人和地面支撐區域範圍內的特性，其在仿人和四足裏都有廣泛的應用，獲取ZMP的方法主要有兩種：
通常在腳踝附近安裝六維力傳感器來測量ZMP
用點陣方式計算一維力，進而計算ZMP的位置。
通過重力與慣性力的合力來定義ZMP的座標計算公式，並用達朗貝爾原理進行推導。
在對仿人機器人做控制和規劃時，一般不對其進行全身的動力學建模，而是對其做一個模型簡化，簡化模型有利於理論分析，以及控制力的快速設計與驗證，一般簡化的方式有以下幾種：
倒立擺模型在仿人機器人即可實現簡單的應用：
2、類人步態行走
在行走過程中，仿人機器人腳掌其實跟地面一直保持一個平行的狀態，這樣有利於增強機器人的整體穩定性。隨着步長的增加，會出現腿長不足的情況。類似於人類“踮腳”來增加腿長，機器人可以通過腳底板翻轉來增加腿長。
3、上下樓梯
仿人機器人的上下樓梯的步態用線性倒立擺的模型也可適用，但需要注意防止機器人的腳尖或腳跟碰到樓梯，下圖展示了從靜態的上下樓梯過渡到準動態上下樓梯。
力控制應用
1、基於關節力矩的力控
零重力模式
基於關節力矩的力控在工業機器人中應用較多，其中零力拖動是較爲成功的運用，運用的基礎方法就是動力學辨識，這種方法也相對成熟。
柔順控制
仿人機器人中也常常需要機器人的柔順控制，主要運用阻抗控制的概念，通過提取關節力矩或電流計算機器人末端受到的一個六維力和力矩，通過阻抗控制即可實現機器人的柔順效果。
平衡控制
在雙足的仿人機器人中同樣需要機器人的平衡控制：
2、基於六維力傳感器的力控
柔性
使用六維力傳感器可以省去使用關節力矩和電流進行估算末端力的時間，可以直接讀取機器人所受的末端力，更加方便使機器人具備全身柔順性，極大的提升機器人的環境適應能力。
抗性
仿人機器人需要對外界的衝擊具備一定的適應能力，使機器人處於穩定的狀態。
不平整路面行走
仿人機器人要在不平整地面行走，需要在機器人腳踝上面加入柔順控制，適應地面不平整。
與視覺&導航技術的融合
1、手眼協調
2、上下樓梯 - 與視覺的融合
3、骨骼提取和運動模仿
4、綜合應用
運動控制在大型仿人機器人上的三大挑戰
1、仿人機器人的本體設計
三種典型仿人機器人結構：
2、仿人機器人的安全性
主要是包括仿人機器人自身的安全性和對外界環境的安全性。機器人自身的安全性指的是可靠的運行、穩定的表現。對外界環境的安全性指的是在人與機器人進行交互的時候不會對人類造成傷害。
3、仿人機器人的智能性
Walker大型仿人服務機器人仿真平臺
1、Walker大型仿人服務機器人
優必選始終秉持AI賦能、科技興國的戰略，自主研發的Walker機器人集成人工智能和機器人核心技術，充分展示了中國在硬科技領域的創新實力。Walker一經推出就受到國際頂級學術機構、權威媒體以及業界的關注與認可。Walker具備36個高性能伺服關節以及力覺、視覺、聽覺和平衡等全方位的感知系統，在全身運動控制、複雜地形靈活行走、自平衡、手眼協調、視覺識別、柔順控制、U-SLAM 視覺導航避障、智能安全交互等多方面實現了突破，開始真正走入人們的生活。
2、仿真簡介
機器人動力學仿真是基於交互式計算機圖形技術和機器人學理論，生成機器人的幾何圖形，並對其進行三維顯示，用來描述機器人及工作環境的動態變化。
3、動力學仿真的目的和意義
動力學仿真伴隨着機器人開發的整個週期，其在研發中會縮短開發週期，降低開發成本，減少設計風險。
4、Walker大型服務機器人仿真平臺
5、Walker仿真系統架構
6、Push-Recovery動力學仿真
7、Walker大型仿人服務機器人仿真挑戰賽
優必選運動控制未來重點研究方向
優必選作爲國內知名的服務機器人企業，自成立初始，就一直持續進行大型仿人機器人的研發，主要研究方向是步態算法、機械臂控制與安全交互。
步態算法未來仍然會繼續提升機器人運動能力，包括行走、對地面的適應性能力以及對外界衝擊的適應能力等；機械臂操作方向，未來將會更加註重手眼協調、骨骼提取和運動模仿等；安全交互方向，主要包括機器人整體結構的設計以及算法的應用。伴隨着AI技術、雲平臺以及仿人機器人運動控制技術的不斷突破，仿人機器人將會諸多場景落地，如新零售、展覽展示以及醫用等環境。
未來智能實驗室的主要工作包括：建立AI智能系統智商評測體系，開展世界人工智能智商評測；開展互聯網（城市）雲腦研究計劃，構建互聯網（城市）雲腦技術和企業圖譜，爲提升企業，行業與城市的智能水平服務。
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