基于NAO机器人的运动控制及实现
基于NAO机器人的运动控制及实现[20191214193256]
本人签名： 日期： 摘 要
人形机器人的研究始于上世纪六十年代末，虽然只有四十年的历史，但是研究工作发展迅速。人形机器人是少有的高阶、非线性、多自由度、不稳定系统，是控制理论研究与实践的理想平台。人形机器人运动控制研究吸引了众多国内外学者，已经成为了机器人领域的一个重要发展方向。
本文将以机器人NAO为平台，对其运动控制展开一系列的研究。首先，本文介绍了人形机器人的发展历史，经过多年的研究，人形机器人的发展已经取得突破性进展，但未来的发展空间依然很大。接下来，主要以NAO机器人为例，研究了机器人步态控制的一些基本方法，重点讲述了ZMP稳定性判据和NAO机器人步态模式的生成。进而又介绍了提高NAO机器人步态控制灵敏度的方法，这些让我们对人形机器人运动控制的研究有了更好的认识。
最后，简要介绍了choregraphe软件平台和Python语音，然后设计了一个基于NAO机器人运动控制的系统，该系统主要以实现机器人的平衡操作为目的，将NAO机器人放于平整的台桌上，我们把台桌的一边缓慢抬起，机器人将会自行调整姿势在倾斜的台桌上保持平衡。在论文的结尾，进行了简单的总结和展望，希望人形机器人的发展可以为人类作出更大的贡献。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字: 人形机器人；多自由度；NAO机器人；ZMP稳定性判据
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 - 1 -
1.1 引言 - 1 -
1.2 课题简介 - 2 -
1.2.1 课题研究背景与意义 - 2 -
1.2.2 课题的主要内容 - 2 -
1.3 人形机器人的发展历史 - 3 -
1.4 NAO机器人概述 - 5 -
1.4.1 NAO机器人简介 - 5 -
1.4.2 NAO机器人的运动系统 - 5 -
第二章 NAO机器人步态控制的研究 - 6 -
2.1 稳定性判据 - 6 -
2.1.1 静态稳定性与COG - 7 -
2.1.2 动态稳定性与ZMP - 8 -
2.1.3 重心力矩轴CMP和足旋转指标FRI - 9 -
2.2 步态模式生成 - 9 -
2.2.1 倒立摆的基本特性 - 9 -
2.2.2 二维倒立摆 - 10 -
2.2.3 三维线性倒立摆模型 - 11 -
2.3 反馈控制 - 12 -
2.3.1 传感器 - 13 -
2.3.2 NAO机器人的一些反馈控制方法 - 13 -
第三章 提高NAO机器人步态控制灵敏度的方法 - 13 -
3.1 系统构架 - 13 -
3.2 机器人一步构成和足迹规划 - 14 -
3.3 前平面规划步骤 - 16 -
3.4 双曲正弦和双曲余弦的加速计算 - 17 -
3.5 摆动足轨迹的生成 - 18 -
3.5.1 前向平面和侧向平面 - 18 -
3.5.2 旋转速度V的实现 - 19 -
3.5.3 Z轴方向 - 20 -
第四章 基于NAO机器人的运动控制系统设计与实现 - 20 -
4.1 choregraphe软件介绍 - 20 -
4.2 python语言介绍 - 22 -
4.3 系统概述 - 23 -
4.3.1 系统设计目标 - 23 -
4.3.2 系统设计的流程 - 23 -
4.4 系统模块的具体设计 - 24 -
4.4.1 运动控制模块 - 25 -
4.4.2 C++模块 - 26 -
4.4.3 其它模块 - 27 -
4.5 实现结果与系统评价 - 29 -
4.5.1 实验结果 - 30 -
4.5.2 系统评价 - 31 -
第五章 总结与展望 - 33 -
5.1 本文总结 - 33 -
5.2 前景与展望 - 33 -
参考文献 - 34 -
致 谢 - 36 -
第一章 绪论
1.1 引言
近年来,机器人技术建立在物理学、机械工程、控制理论、传感驱动、人工智能等学科的基础上,发展迅猛,成为21世纪最伟大的发明之一。人形机器人从属于机器人范畴,其外形似人故而得名。
随着机器人技术的逐步发展和控制理论的慢慢成熟，国际学者们越来越关注对人形机器人的稳定性问题、各种仿人动作及机器人步行移动的研究。基于控制理论、仿生学原理及动力学原理，人们通过对人类和动物的运动行为、运动控制的研究，提出和发明了一系列复杂运动控制模态及相关算法。这些年来，研究集中在机器人的平衡控制、动作行为，例如直立平衡、步行移动和跳跃等。
人形机器人具有两条特性,一条是自由度很高,一般可达20到50多个,这样的系统无论是在动力学还是运动学上都是很复杂的。另一条是它拥有类似人的外形。有些机器人只有双腿,这种机器人也可以被称为人形机器人,其实准确来说它们应该称作双足机器人；而有些机器人则没有双腿,只具有类似人类的躯干、手臂、头部,其本质上不能算作人形机器人。双足系统是人形机器人区别于轮式机器人的根本所在。一般来说,标准的人形机器人应该拥有双足系统、上身躯干、手臂、头部等。
1.2 课题简介
1.2.1 课题研究背景与意义
我们知道，当我们在地面上站立或者在行走时都需要身体的各关节来协调合作维持身体的姿态。一般来说，当我们处于站立状态时，全脚掌着地，如果向前或向后移动则用脚尖或脚跟先着地。同样对机器人，根据机器人脚与地面的接触方式与用力的不同，可分为脚掌触地相、脚尖触地相和脚跟触地相。当系统处于脚掌全触地相时，符合ZMP稳定判据要求；当处于脚尖触地相和脚跟触地相出现了欠驱动翻转情形时，ZMP位于支撑域凸多边形的边界上，ZMP稳定判据便不再适用。人形机器人的研究主要分为全脚掌着地与一个点着地的情形。其中全脚掌着地时用ZMP控制[1]，一个点着地时相当于人站立时脚尖着地或者脚跟着地的情形，这时踝关节便没有提供驱动力，相当于前驱动—驱动量个数少于自由度个数。
由于对人形机器人的研究有着十分重大的意义和实际价值，各国家都给予高度重视，先后推出了各自的研究计划。其中，日本在该领域的研究投入力度最大，美、法、德、韩等国也相继启动了各自的研究计划。在国家高技术研究发展计划(863计划)和国家自然科学基金的支持下，我国众多高校和研究机构也将人形机器人的研究和开发列入研究重点。
1.2.2 课题的主要内容
本人在此毕业设计中主要完成了以下内容：
（1）本次毕业设计以NAO机器人为硬件平台，首先要学习了解NAO机器人的基本构造和基础参数，然后通过编程，利用远端输入设备无线控制机器人的四肢运动，实现机器人的平衡演示功能。
（2）熟悉choregraphe软件。
（3）研究NAO机器人步态控制的一些基本方法，例如ZMP稳定性判据、倒立摆模型等，然后提出一些提高步态控制灵敏度的方法。
1.3 人形机器人的发展历史
人形机器人起始于Katoh（1973）开发的Wabot-1。如图1.1，Wabot-1是世
图1.1 Wabot-1 图1.2 Wabot-2
界上第一个真人大小的人形机器人，融合肢体运动控制系统，视觉系统和沟通平台于一身。Wabot-1内部的传感器使其可以测量到物体的距离和方向，机器人可以行走甚至使用带有触觉传感器的手臂抓住并移动物体。之后在1984年，第二代机器人Wabot-2诞生了，如图1.2，其装配了视觉与听觉系统，能与人对话，用眼睛扫描乐谱，演奏键盘乐器。
之后出现了许许多多的人形机器人，但直到1996年，人形机器人的发展才有了突破性成果。经过10年的秘密研究，本田公司开发了机器人P2，即现在著名机器人ASIMO的前身，如图1.3，1996年12月20日，本田的身高6英尺、体重460磅、靠电池供电的P2机器人在东京推出，P2具有ASIMO的行走技能，甚至可以爬楼梯，本田称之为“第一个自动调节的、可行走的人形机器人。”
图1.3 日本本田P2
2000年，本田公司又发布了一款机器人ASIMO，如图1.4，ASIMO 全称为 “Advanced Step Innovative Mobility"，即“高级步行革新机器人”，身高1.3m，体重54kg，能够进行一定速度的跑步，上下台阶，跟人类合作搬桌子，进行单脚弹跳等。其实现技术一直没有公众于世，直到2009年日本本田公司才公布了它的运动控制算法。截止目前为止，ASIMO仍然是世界上最先进的人形机器人之一，当然它的价格也是相当昂贵的。
图1.4 本田公司ASIMO 图1.5 阿尔德巴兰公司NAO
NAO机器人相对来说比较便宜，它是由法国Aldebaran Robotics公司研究开发的，用于机器人世界杯RoboCup比赛的版本标价仅几万元人民币,其稍微高端的学术版(Academic)机器人也只标价10万元人民币左右。
1.4 NAO机器人概述
1.4.1 NAO机器人简介
NAO是法国Aldebaran Robotics公司设计的一款用于高等学术教育项目的机器人。它拥有好看的外形，具备一定程度的人工智能和情感智商，能够和人亲切互动。作为当前世界上应用最广泛的仿人机器人，NAO机器人在音频系统、视觉系统、运动系统和通信系统方面拥有着相对强大的功能，这使它能完成诸如声源测量、人脸识别、行走攀登和无线控制等典型行为。它的各个系统之所以能够正常工作，发挥效用，不仅与其机械结构、零件质量和高自由度等基础硬件特性有关，最重要的是，它拥有着覆盖全身的摄像头、麦克风、超声红外系统，惯性单元等共计17种，100多个传感器[2]。正所谓“基础资源决定功能”，没有强大的硬件资源支撑，工程师们是无法在NAO的基础上设计出各种各样的应用的。
1.4.2 NAO机器人的运动系统
NAO的运动动系统包括压力传感器和惯性单元。
压力传感器位于机器人的足部，根据所测电阻变化推出其承受的压力，工作范围为0-25N。
惯性单元位于机器人胸部，由坝轴陀螺仪(精确度5％，角速度约为500／s)和一个三轴加速计(精确度1％，加速约为2G)组成，带有自己的处理器[2]。其输出数据是以胸部为几何中心的机器人高度和躯干运动速度的估计值。
各关节都可以被分别或同时控制。控制一个关节，需要指定关节的名称、以弧度为单位的目标角度以及达到目标角度所需的速度。NAO根据关节传感器的反馈信息，在不断调整中保证运动平稳，免受各种干扰的影响，并由此抵消躯干在向前和横向平面里的摆动。这使得它能在多种地面上行走，还可以在不同质地的地面间转换。通过压力传感器的反馈信息，系统判断NAO的足部是否接触地面。当行走任务运行时，一旦足部离开地面则停止任务，且在重新接触地面前不可启动行走任务。为防止因动作无法完成对机器人的伤害，当腿上某个关节的刚度等于或小于0.6时，行走进程就会被结束或被阻止运行。运动系统搭载的传感器不仅可以提高机器人运动的平稳性，还能在一定程度上保证机器人的安全，不至于在执行任务出错时损坏自身硬件。
第二章 NAO机器人步态控制的研究
2.1 稳定性判据
对于人形机器人步态的稳定性有两个重要的衡量指标：一个是机器人重心的
地面投影点（COG），另一个是零力矩点（ZMP）。重心的地面投影点适用于静态稳定性的判定，而零力矩点则适用于动态稳定性的判定，零力矩点也可以看做重心地面投影点这一概念在动态系统中的一个延伸。
2.1.1 静态稳定性与COG
机器人行走时双脚交替着地，单支撑阶段和双支撑阶段不断转换，形成了一
个不断移动和变化的支撑区域。如果在行走过程中，以重心作为稳定判据，整个
人形机器人重心的地面投影点若始终保持在支撑区域内，称为满足静态稳定性条
件[3,4]。
静态步行是一种比较简单的低速步行方式，各连杆的速度、加速度都比较小，
当摆动腿着地时脚掌与地面接触瞬间的速度可以忽略，认为其不发生碰撞；静态
本人签名： 日期： 摘 要
人形机器人的研究始于上世纪六十年代末，虽然只有四十年的历史，但是研究工作发展迅速。人形机器人是少有的高阶、非线性、多自由度、不稳定系统，是控制理论研究与实践的理想平台。人形机器人运动控制研究吸引了众多国内外学者，已经成为了机器人领域的一个重要发展方向。
本文将以机器人NAO为平台，对其运动控制展开一系列的研究。首先，本文介绍了人形机器人的发展历史，经过多年的研究，人形机器人的发展已经取得突破性进展，但未来的发展空间依然很大。接下来，主要以NAO机器人为例，研究了机器人步态控制的一些基本方法，重点讲述了ZMP稳定性判据和NAO机器人步态模式的生成。进而又介绍了提高NAO机器人步态控制灵敏度的方法，这些让我们对人形机器人运动控制的研究有了更好的认识。
最后，简要介绍了choregraphe软件平台和Python语音，然后设计了一个基于NAO机器人运动控制的系统，该系统主要以实现机器人的平衡操作为目的，将NAO机器人放于平整的台桌上，我们把台桌的一边缓慢抬起，机器人将会自行调整姿势在倾斜的台桌上保持平衡。在论文的结尾，进行了简单的总结和展望，希望人形机器人的发展可以为人类作出更大的贡献。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字: 人形机器人；多自由度；NAO机器人；ZMP稳定性判据
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 - 1 -
1.1 引言 - 1 -
1.2 课题简介 - 2 -
1.2.1 课题研究背景与意义 - 2 -
1.2.2 课题的主要内容 - 2 -
1.3 人形机器人的发展历史 - 3 -
1.4 NAO机器人概述 - 5 -
1.4.1 NAO机器人简介 - 5 -
1.4.2 NAO机器人的运动系统 - 5 -
第二章 NAO机器人步态控制的研究 - 6 -
2.1 稳定性判据 - 6 -
2.1.1 静态稳定性与COG - 7 -
2.1.2 动态稳定性与ZMP - 8 -
2.1.3 重心力矩轴CMP和足旋转指标FRI - 9 -
2.2 步态模式生成 - 9 -
2.2.1 倒立摆的基本特性 - 9 -
2.2.2 二维倒立摆 - 10 -
2.2.3 三维线性倒立摆模型 - 11 -
2.3 反馈控制 - 12 -
2.3.1 传感器 - 13 -
2.3.2 NAO机器人的一些反馈控制方法 - 13 -
第三章 提高NAO机器人步态控制灵敏度的方法 - 13 -
3.1 系统构架 - 13 -
3.2 机器人一步构成和足迹规划 - 14 -
3.3 前平面规划步骤 - 16 -
3.4 双曲正弦和双曲余弦的加速计算 - 17 -
3.5 摆动足轨迹的生成 - 18 -
3.5.1 前向平面和侧向平面 - 18 -
3.5.2 旋转速度V的实现 - 19 -
3.5.3 Z轴方向 - 20 -
第四章 基于NAO机器人的运动控制系统设计与实现 - 20 -
4.1 choregraphe软件介绍 - 20 -
4.2 python语言介绍 - 22 -
4.3 系统概述 - 23 -
4.3.1 系统设计目标 - 23 -
4.3.2 系统设计的流程 - 23 -
4.4 系统模块的具体设计 - 24 -
4.4.1 运动控制模块 - 25 -
4.4.2 C++模块 - 26 -
4.4.3 其它模块 - 27 -
4.5 实现结果与系统评价 - 29 -
4.5.1 实验结果 - 30 -
4.5.2 系统评价 - 31 -
第五章 总结与展望 - 33 -
5.1 本文总结 - 33 -
5.2 前景与展望 - 33 -
参考文献 - 34 -
致 谢 - 36 -
第一章 绪论
1.1 引言
近年来,机器人技术建立在物理学、机械工程、控制理论、传感驱动、人工智能等学科的基础上,发展迅猛,成为21世纪最伟大的发明之一。人形机器人从属于机器人范畴,其外形似人故而得名。
随着机器人技术的逐步发展和控制理论的慢慢成熟，国际学者们越来越关注对人形机器人的稳定性问题、各种仿人动作及机器人步行移动的研究。基于控制理论、仿生学原理及动力学原理，人们通过对人类和动物的运动行为、运动控制的研究，提出和发明了一系列复杂运动控制模态及相关算法。这些年来，研究集中在机器人的平衡控制、动作行为，例如直立平衡、步行移动和跳跃等。
人形机器人具有两条特性,一条是自由度很高,一般可达20到50多个,这样的系统无论是在动力学还是运动学上都是很复杂的。另一条是它拥有类似人的外形。有些机器人只有双腿,这种机器人也可以被称为人形机器人,其实准确来说它们应该称作双足机器人；而有些机器人则没有双腿,只具有类似人类的躯干、手臂、头部,其本质上不能算作人形机器人。双足系统是人形机器人区别于轮式机器人的根本所在。一般来说,标准的人形机器人应该拥有双足系统、上身躯干、手臂、头部等。
1.2 课题简介
1.2.1 课题研究背景与意义
我们知道，当我们在地面上站立或者在行走时都需要身体的各关节来协调合作维持身体的姿态。一般来说，当我们处于站立状态时，全脚掌着地，如果向前或向后移动则用脚尖或脚跟先着地。同样对机器人，根据机器人脚与地面的接触方式与用力的不同，可分为脚掌触地相、脚尖触地相和脚跟触地相。当系统处于脚掌全触地相时，符合ZMP稳定判据要求；当处于脚尖触地相和脚跟触地相出现了欠驱动翻转情形时，ZMP位于支撑域凸多边形的边界上，ZMP稳定判据便不再适用。人形机器人的研究主要分为全脚掌着地与一个点着地的情形。其中全脚掌着地时用ZMP控制[1]，一个点着地时相当于人站立时脚尖着地或者脚跟着地的情形，这时踝关节便没有提供驱动力，相当于前驱动—驱动量个数少于自由度个数。
由于对人形机器人的研究有着十分重大的意义和实际价值，各国家都给予高度重视，先后推出了各自的研究计划。其中，日本在该领域的研究投入力度最大，美、法、德、韩等国也相继启动了各自的研究计划。在国家高技术研究发展计划(863计划)和国家自然科学基金的支持下，我国众多高校和研究机构也将人形机器人的研究和开发列入研究重点。
1.2.2 课题的主要内容
本人在此毕业设计中主要完成了以下内容：
（1）本次毕业设计以NAO机器人为硬件平台，首先要学习了解NAO机器人的基本构造和基础参数，然后通过编程，利用远端输入设备无线控制机器人的四肢运动，实现机器人的平衡演示功能。
（2）熟悉choregraphe软件。
（3）研究NAO机器人步态控制的一些基本方法，例如ZMP稳定性判据、倒立摆模型等，然后提出一些提高步态控制灵敏度的方法。
1.3 人形机器人的发展历史
人形机器人起始于Katoh（1973）开发的Wabot-1。如图1.1，Wabot-1是世
图1.1 Wabot-1 图1.2 Wabot-2
界上第一个真人大小的人形机器人，融合肢体运动控制系统，视觉系统和沟通平台于一身。Wabot-1内部的传感器使其可以测量到物体的距离和方向，机器人可以行走甚至使用带有触觉传感器的手臂抓住并移动物体。之后在1984年，第二代机器人Wabot-2诞生了，如图1.2，其装配了视觉与听觉系统，能与人对话，用眼睛扫描乐谱，演奏键盘乐器。
之后出现了许许多多的人形机器人，但直到1996年，人形机器人的发展才有了突破性成果。经过10年的秘密研究，本田公司开发了机器人P2，即现在著名机器人ASIMO的前身，如图1.3，1996年12月20日，本田的身高6英尺、体重460磅、靠电池供电的P2机器人在东京推出，P2具有ASIMO的行走技能，甚至可以爬楼梯，本田称之为“第一个自动调节的、可行走的人形机器人。”
图1.3 日本本田P2
2000年，本田公司又发布了一款机器人ASIMO，如图1.4，ASIMO 全称为 “Advanced Step Innovative Mobility"，即“高级步行革新机器人”，身高1.3m，体重54kg，能够进行一定速度的跑步，上下台阶，跟人类合作搬桌子，进行单脚弹跳等。其实现技术一直没有公众于世，直到2009年日本本田公司才公布了它的运动控制算法。截止目前为止，ASIMO仍然是世界上最先进的人形机器人之一，当然它的价格也是相当昂贵的。
图1.4 本田公司ASIMO 图1.5 阿尔德巴兰公司NAO
NAO机器人相对来说比较便宜，它是由法国Aldebaran Robotics公司研究开发的，用于机器人世界杯RoboCup比赛的版本标价仅几万元人民币,其稍微高端的学术版(Academic)机器人也只标价10万元人民币左右。
1.4 NAO机器人概述
1.4.1 NAO机器人简介
NAO是法国Aldebaran Robotics公司设计的一款用于高等学术教育项目的机器人。它拥有好看的外形，具备一定程度的人工智能和情感智商，能够和人亲切互动。作为当前世界上应用最广泛的仿人机器人，NAO机器人在音频系统、视觉系统、运动系统和通信系统方面拥有着相对强大的功能，这使它能完成诸如声源测量、人脸识别、行走攀登和无线控制等典型行为。它的各个系统之所以能够正常工作，发挥效用，不仅与其机械结构、零件质量和高自由度等基础硬件特性有关，最重要的是，它拥有着覆盖全身的摄像头、麦克风、超声红外系统，惯性单元等共计17种，100多个传感器[2]。正所谓“基础资源决定功能”，没有强大的硬件资源支撑，工程师们是无法在NAO的基础上设计出各种各样的应用的。
1.4.2 NAO机器人的运动系统
NAO的运动动系统包括压力传感器和惯性单元。
压力传感器位于机器人的足部，根据所测电阻变化推出其承受的压力，工作范围为0-25N。
惯性单元位于机器人胸部，由坝轴陀螺仪(精确度5％，角速度约为500／s)和一个三轴加速计(精确度1％，加速约为2G)组成，带有自己的处理器[2]。其输出数据是以胸部为几何中心的机器人高度和躯干运动速度的估计值。
各关节都可以被分别或同时控制。控制一个关节，需要指定关节的名称、以弧度为单位的目标角度以及达到目标角度所需的速度。NAO根据关节传感器的反馈信息，在不断调整中保证运动平稳，免受各种干扰的影响，并由此抵消躯干在向前和横向平面里的摆动。这使得它能在多种地面上行走，还可以在不同质地的地面间转换。通过压力传感器的反馈信息，系统判断NAO的足部是否接触地面。当行走任务运行时，一旦足部离开地面则停止任务，且在重新接触地面前不可启动行走任务。为防止因动作无法完成对机器人的伤害，当腿上某个关节的刚度等于或小于0.6时，行走进程就会被结束或被阻止运行。运动系统搭载的传感器不仅可以提高机器人运动的平稳性，还能在一定程度上保证机器人的安全，不至于在执行任务出错时损坏自身硬件。
第二章 NAO机器人步态控制的研究
2.1 稳定性判据
对于人形机器人步态的稳定性有两个重要的衡量指标：一个是机器人重心的
地面投影点（COG），另一个是零力矩点（ZMP）。重心的地面投影点适用于静态稳定性的判定，而零力矩点则适用于动态稳定性的判定，零力矩点也可以看做重心地面投影点这一概念在动态系统中的一个延伸。
2.1.1 静态稳定性与COG
机器人行走时双脚交替着地，单支撑阶段和双支撑阶段不断转换，形成了一
个不断移动和变化的支撑区域。如果在行走过程中，以重心作为稳定判据，整个
人形机器人重心的地面投影点若始终保持在支撑区域内，称为满足静态稳定性条
件[3,4]。
静态步行是一种比较简单的低速步行方式，各连杆的速度、加速度都比较小，
当摆动腿着地时脚掌与地面接触瞬间的速度可以忽略，认为其不发生碰撞；静态
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