人形机器人步态实验的设计与实现∗

高 丽 彭 熙 刘 明

（1.华中师范大学计算机学院 武汉 430079）（2.湖北省高等学校计算机基础实验教学示范中心 武汉 430079）（3.湖北省人工智能与智慧学习重点实验室 武汉 430079）

1 引言

近年来，人形机器人已经成为机器人研究的一个热点。人形机器人的步态控制一直是人形机器人研究的一个难点［1～3］。目前国内外高校的机器人实验一般结合自己的专业来开设，其中技术能力较弱的学校只开设机器人动作演示、机器人组装实验，研究能力较强的学校则开设机器人控制等实验项目［4～6］。

仿人机器人具有与人类相似的躯干结构与运动能力，能够在人类的工作环境中替代人类进行工作，将人类从体力劳动、机械重复作业等低级劳动以及高危、高风险行业中解放出来，提高生产力水平和工作效率，提升人类的生活质量，使人类能够专注于高级智慧活动，促进生产力的合理配置和社会发展［7～9］。

目前人形机器人大多只存在于实验室里。要想让机器人走出实验室，进入人们的日常生活，代替人们完成日常工作。必须要让机器人适应外界复杂的环境。机器人在行走过程中，如何应对复杂的路面化境就是亟待解决的问题之一。人形机器人的行走步态是机器人研究的一个重要领域。

2 系统设计

要想让机器人完成对复杂路面的适应，最重要的两项技术就是——机器人姿态控制以及机器人步态规划。姿态控制包括让机器人知道自己目前所朝方向，是否需要转弯，是否倾斜等等，以此为基础机器人才能做出调整，让自己身体保持平衡，进而才能迈步行走，如何迈步行走即是步态规划技术要考虑的问题。

要想使机器人能够感知自身姿态，就需要两个部分。一是要有能接受外界信息的硬件设施，另一个就是在收集到外界信息后要结合算法进行解算。

2.1 硬件的选取

姿态信息收集的传感器，一般为惯性传感器。例如三轴加速度传感器、陀螺仪等等。某个单一的惯性传感器是很难将机器人的姿态描述清楚的，所以需要多种传感器配合。本实验选取JY901 姿态角度传感器，选取的是集成高精度的陀螺仪、加速度计以及地磁场传感器，协同工作收集姿态信息，传递给控制板进行解算。图1所示。

图1 连接示意图

2.2 姿态解算原理

对于机器人姿态的计算是利用惯性传感器所传回的四元数信息，计算欧拉角。其计算原理及公式如下：

四元数是一个简单的超复数，在三维中的旋转可以用单位四元数来描述。四元数的定义为Q=a+=q0+q1i+q2j+q3k。MPU6050 一类惯性传感器，可直接输出四元数，我们则利用四元数进一步求出欧拉角。

欧拉角是指在一个固连于刚体的坐标系中，由刚体的旋转分别产生俯仰角、滚动角、航向角组成的一组独立角参量。

首先，我们需要使用四元数表示的旋转矩阵，根据公式可知：

已知求只需做一次矩阵逆变换便可求出：

对比两式可解出

通过四元数计算出欧拉角即可直观反映出机器人姿态。

硬件收集信息+算法解算，就可以得到机器人的姿态数据，完成机器人姿态的控制。

3 人形机器人步态设计实验效果

3.1 人形机器人步态自由度的设置

设计人形机器人的步态，使其能够在平地上完成所有的行走过程，实现前行、后退、转弯等动作。本文设计出的机器人腿部共有12 个自由度，每条腿各6个，即踝关节前向和扭转2个自由度，膝关节前向1个自由度，髋关节有前向、侧向旋转和转向3个自由度，共有18个自由度［10～12］。自由度的设置如图2所示。

图2 机器人CCNU-1自由度配置示意图

3.2 人形机器人连续步态的设计

根据机器人的步态设计要点，我们可以规划出所设计的人形机器人的运动过程和行走步骤。

首先将机器人站立，使其重心垂直于与地面，然后假设先以右脚支撑，迈左腿，这样可以将机器人的重心转移到右腿。要实现这一目的，应该拖动软件中的13号舵机模块的滚动条（如图3所示），使机器人的重心右移，其效果如图4所示。

图3 编程软件中的第13号舵机模块

图4 机器人重心右移后的效果图

根据惯性传感器所传回的四元数信息，计算出机器当前俯仰角、滚动角、航向角。对角度数值加以判断，归纳当前姿态情况，并根据不同情况做出不同反应。若已符合目标姿态，停止姿态调整，保持姿态不动；若未符合目标条件，则做出相应调整策略。完成调整后，循环程序，再次收集姿态信息加以判断［13～15］。程序设计流程图如图5所示。

图5 程序设计流程图

根据流程图，机器人动作姿态的变化，由各个舵机的控制来完成。如表1 所示。

表1 人形机器人动作控制

根据姿态解算结果，向机器人舵机控制系统发出相应信号，机器人做出相应动作，调整姿态，即达到连续步态的效果。图6 所示为机器人连续步态过程的分阶段图解。

图6 人形机器人的连续步态示意图

4 结语

利用惯性传感器所传回的四元数信息，计算欧拉角，控制人形机器人的各种姿态。在自己设计机器人模型的基础上，掌握人形机器人步态设计的基本要领和步态技巧以及工作原理。提高了学生综合分析能力和解决问题的能力，本文设计的方案和计算方法，经过实验教学的应用和检验，验证了该方法的有效性、可靠性和稳定性，取得了良好的效果。这一实践环节大大提高了学生的就业质量，培养了更多的实践创新人才。