仿人機(jī)器人路徑規(guī)劃：滾動(dòng)路徑規(guī)劃的方法

仿人機(jī)器人具有人類的特征，其制造的根本目的是要在人類的生活環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。因 此，除了2D環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人的無障礙物碰撞的路徑規(guī)劃方法可以被仿人機(jī)器人的路 徑規(guī)劃所借鑒之外(Sabe 將人工勢(shì)場(chǎng)方法引入到仿人機(jī)器人路徑規(guī)劃中[139),還需要考 慮仿人機(jī)器人本身的特點(diǎn)。由于仿人機(jī)器人足跡的離散性，并且能夠跨越或跨上障礙物， 2D 環(huán)境中的路徑規(guī)劃方法不再適用。Koichi Nishiwaki[140~142] 等人考慮到雙足步行機(jī)器 人的行走過程中的穩(wěn)定性要求以及足部落地的離散性要求，對(duì)雙足步行機(jī)器人和環(huán)境做 出如下假設(shè)：

(1)環(huán)境地面是平的并且不包含移動(dòng)障礙物。

(2)離散可行的足跡放置位置以及相應(yīng)的步態(tài)運(yùn)動(dòng)是預(yù)先計(jì)算好的。

(3)只有當(dāng)前地面平面是容許放置腳的(不是障礙物，未考慮跨上和跨越障礙物)。

在這種假設(shè)條件下，仿人機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)換成機(jī)器人滿足靜態(tài)穩(wěn)定性，障礙 物固定不動(dòng)并且不可跨越的路徑規(guī)劃問題，這樣只需增加可行足跡集合就可直接應(yīng)用移 動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃中的成熟算法，并成功地將該方法應(yīng)用到H6 和 ASIMO的樣機(jī)上。在 隨后的研究中，他們通過在環(huán)境模型中增加了一個(gè)高度信息，將問題擴(kuò)展到2.5D,并成功 地在H7,ASIMO 上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，可以采用基于傳感信息融合的在線 滾動(dòng)路徑規(guī)劃的方法。該方法是一種實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃方法，可以應(yīng)用于動(dòng)態(tài)的非結(jié)構(gòu)化環(huán) 境中。使用滾動(dòng)規(guī)劃的策略來解決動(dòng)態(tài)環(huán)境下仿人機(jī)器人路徑規(guī)劃問題，不但可以適應(yīng) 環(huán)境障礙物的動(dòng)態(tài)變化，而且用規(guī)劃空間內(nèi)路徑的局部Z優(yōu)代替全局Z優(yōu)的方式可以大 大降低所求問題的規(guī)模，具有較好的實(shí)時(shí)性。應(yīng)用此方法，Philipp 等人在ASIMO 上取得 了較好的實(shí)驗(yàn)效果143J。 移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃的評(píng)價(jià)一般從時(shí)間Z短或者路徑Z短來進(jìn)行，而仿人機(jī)器人路徑規(guī)劃評(píng)價(jià)的前提是該路徑規(guī)劃的結(jié)果已經(jīng)存在并且有效，因此它的評(píng)價(jià)應(yīng)該是d立于 規(guī)劃算法之外的。在建立仿人機(jī)器人路徑規(guī)劃評(píng)價(jià)體系時(shí)，應(yīng)該考慮到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和 動(dòng)力學(xué)上的約束、全局環(huán)境信息、運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和運(yùn)動(dòng)所消耗的能量等因素。有 些研究人員雖然已經(jīng)提出關(guān)于仿人機(jī)器人路徑規(guī)劃的一些優(yōu)化指標(biāo)，但這些指標(biāo)一般都 是建立在機(jī)器人底層步態(tài)規(guī)劃之上的，而仿人機(jī)器人的路徑規(guī)劃指標(biāo)則需融合底層步態(tài) 規(guī)劃評(píng)價(jià)和全局路徑規(guī)劃144]。

仿人機(jī)器人的任務(wù)規(guī)劃研究是抽象層上層決策規(guī)劃的一種研究，由于對(duì)仿人機(jī)器人 的路徑規(guī)劃問題還沒有徹底得到解決，因此任務(wù)規(guī)劃研究目前還處于探索階段。很多學(xué) 者在這方面也提出了一些相關(guān)方法。Eiichi Yoshida145]提出了一種仿人機(jī)器人動(dòng)態(tài)任務(wù) 規(guī)劃的方法。該方法由兩個(gè)階段構(gòu)成：先，使用基于幾何動(dòng)力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器計(jì)算仿人 機(jī)器人的一條無碰路徑，然后再用動(dòng)態(tài)姿態(tài)生成器動(dòng)態(tài)地生成可行的仿人運(yùn)動(dòng)，其中，包 括像搬運(yùn)物體或者操作等運(yùn)動(dòng)和任務(wù)的執(zhí)行。如果在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)生成過程中由于自身的運(yùn) 動(dòng)產(chǎn)生了碰撞，那么規(guī)劃器需要重新進(jìn)行路徑規(guī)劃，以便消除這些碰撞。這種迭代規(guī)劃方 式對(duì)任務(wù)的動(dòng)態(tài)性具有很好的魯棒控制效果。Manuel 提出了一種基于任務(wù)層的模擬學(xué) 習(xí)，機(jī)器人可以通過觀察物體的軌跡來學(xué)習(xí)任務(wù)，通過高斯混合模型的概率解碼的應(yīng)用讓 機(jī)器人學(xué)習(xí)所觀察到的運(yùn)動(dòng)任務(wù)的重要元素。這些重要元素包括完成運(yùn)動(dòng)所需的避障等 額外因素。通過人類給ASIMO示例任務(wù)演示表面所提的方法是進(jìn)行交互式任務(wù)學(xué)習(xí)的 好起點(diǎn)[146。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)，可以分成若干的子任務(wù)組成任務(wù)集，F(xiàn)rancois Keith[147等人針對(duì)順序執(zhí)行任務(wù)、集中的任務(wù)存在執(zhí)行效率低、消耗能量多的缺點(diǎn)，提出 了對(duì)任務(wù)集Z優(yōu)排列的方法。該方法在保證復(fù)雜的避障等約束的情況下實(shí)現(xiàn)執(zhí)行時(shí)間上 的Z優(yōu)，并通過HRP-2 機(jī)器人從冰箱里取罐頭的實(shí)際任務(wù)驗(yàn)證了所提方法的有效性。

仿人機(jī)器人研究的Z終目的是希望機(jī)器人能在人類的環(huán)境中生活，協(xié)助或者取代人 類進(jìn)行一些危險(xiǎn)或者繁重的工作，服務(wù)于人類的生活。因此，研究適合在人類環(huán)境中執(zhí)行 各種復(fù)雜任務(wù)的仿人機(jī)器人也是必然趨勢(shì)，這些復(fù)雜任務(wù)往往需要根據(jù)某種特定任務(wù)建 立特定的模型，進(jìn)行相應(yīng)的分析研究，現(xiàn)在還沒有形成一種統(tǒng)一的研究方法和控制策略。 隨著科技的不斷發(fā)展和研究的不斷深入，相信不久就能使仿人機(jī)器人真正“生活”到我們 之中來。