有人形卻站不直！人形機(jī)器人是怎么搞的？

為什么常見的人形機(jī)器人都站不直？

作者：邢伯陽(yáng)

在科技日新月異的今天，人形機(jī)器人已經(jīng)成為了我們生活中的一部分。從家庭服務(wù)機(jī)器人到工業(yè)機(jī)器人，再到娛樂領(lǐng)域的表演機(jī)器人，它們的身影無(wú)處不在。然而，你有沒有想過一個(gè)問題：為什么這些看似高度先進(jìn)的人形機(jī)器人總是站不直呢？

首先，我們需要了解人形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式。人形機(jī)器人通常由頭部、軀干、四肢和關(guān)節(jié)組成，它們通過電機(jī)和減速器來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。在行走過程中，人形機(jī)器人需要通過關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)整身體姿態(tài)，以保持平衡。然而，這個(gè)過程并不是那么簡(jiǎn)單。

那么，為什么人形機(jī)器人站不直呢？這主要有以下幾個(gè)原因：

1. 機(jī)械結(jié)構(gòu)限制

機(jī)械結(jié)構(gòu)是影響人形機(jī)器人無(wú)法站立直的關(guān)鍵因素之一。人形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，關(guān)節(jié)較多，這使得它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)過程中更容易產(chǎn)生摩擦和阻力。尤其是在關(guān)節(jié)處，由于摩擦的存在，機(jī)器人在行走時(shí)很難保持直立的姿態(tài)。此外，人形機(jī)器人的重量分布也是一個(gè)重要因素。如果重量集中在某一側(cè)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人在行走過程中出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象。

2. 運(yùn)動(dòng)控制的問題

從機(jī)器人控制的角度來(lái)講，膝蓋彎曲可以保證機(jī)器人姿態(tài)非奇異，從而增加機(jī)器人的可控性。奇異姿態(tài)就是諸如膝關(guān)節(jié)伸直、兩關(guān)節(jié)同軸等情況，這些情況下要么是關(guān)節(jié)的可達(dá)空間變?。ㄏドw伸直導(dǎo)致腳踝只能以腿長(zhǎng)為半徑的圓弧移動(dòng)，而不能運(yùn)動(dòng)到圓弧以內(nèi)的區(qū)域)，要么是損失了一個(gè)自由度導(dǎo)致受力情況比較極端（例如膝伸直后垂直腿方向受載性能極差，但沿腿方向受載能力倍增），總之都會(huì)讓系統(tǒng)控制上增加難以處理的刁鉆情況。類似于數(shù)學(xué)上除以O(shè)這種事情會(huì)經(jīng)常發(fā)生，導(dǎo)致在數(shù)值計(jì)算中會(huì)增加很多額外的手段去預(yù)防計(jì)算過程中出現(xiàn)“除以O(shè)”情況。

彎膝蓋走路的好處是，機(jī)器人姿態(tài)控制更加可控。因?yàn)橥冗€有能伸直的余量，因此上身在適應(yīng)地形起伏等帶來(lái)的擾動(dòng)時(shí)，腿部有足夠的調(diào)整空間來(lái)施展控制。例如，在某一步擺動(dòng)腿落地前，若機(jī)器人上身因?yàn)椴豢深A(yù)料的晃動(dòng)導(dǎo)致實(shí)際重心位置高于預(yù)期，則這一步落腿可以減小膝關(guān)節(jié)彎曲角度，使腿伸得更長(zhǎng)來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)重心浮動(dòng)誤差。

通俗來(lái)講，彎著腿走路，如果身體晃了，我們可以把腿伸直一點(diǎn)從而把姿態(tài)調(diào)整回來(lái)。如果我們一直保持直腿走路，我們就沒有把腿伸得更直的這個(gè)選項(xiàng)了，也就少了一些可調(diào)整的空間。

人形機(jī)器人在行走過程中需要消耗大量的能量。人體步態(tài)節(jié)能的精妙之處在于，它是一種不完全穩(wěn)定的節(jié)能運(yùn)動(dòng)。人走路像是不停地用棍子撐住身體往前擺，然后不斷地撤掉靠后的棍子。在走路的過程中大部分重量都用棍子的沿軸方向的支撐力給導(dǎo)入地面了，而關(guān)節(jié)的發(fā)力只用來(lái)驅(qū)動(dòng)向前擺動(dòng)以維持前進(jìn)，和進(jìn)行步態(tài)切換時(shí)的短暫制動(dòng)防止傾倒。

人體步態(tài)的不完全穩(wěn)定在于，人走路確實(shí)可能導(dǎo)致摔倒。因?yàn)橹蓖茸呗?，步態(tài)中一定有一個(gè)瞬間是一條腿伸直，通過大小腿骨骼近似同軸達(dá)到連桿死點(diǎn)來(lái)支撐著身體，此時(shí)伸直的支撐腿膝關(guān)節(jié)幾乎沒有驅(qū)動(dòng)力矩。此時(shí)假如身體受各種原因發(fā)生晃動(dòng)時(shí)（例如突然變向或急停），若髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的力量無(wú)法完全提供防傾倒力矩，身體姿態(tài)將趨于傾倒。而支撐腿沒有多大的運(yùn)動(dòng)空間(膝關(guān)節(jié)伸直導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)只能繞腳踝在一個(gè)錐面上運(yùn)動(dòng)，沒法沿腿移動(dòng))，進(jìn)而身體姿態(tài)會(huì)逐漸失穩(wěn)引發(fā)摔倒(若其他肢體不采取措施的話)

直腿腳掌落地就像從身體伸出來(lái)一根棍子落地一樣，直腿傳遞給身體的力主要為沿腿軸方向的推力和髖踝關(guān)節(jié)的扭矩。傳力方向受限，因此每次落地的位置都得非常小心地計(jì)算，因?yàn)榉駝t一次落腿就把會(huì)身體給撐得失去平衡。而彎著腿走路就可以通過彎曲膝關(guān)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)落地腿傳給身體的力的大小和方向。

這也是為什么人在剛開始試探著走易滑的冰面時(shí)，會(huì)下意識(shí)屈膝以保證身體平衡，而不是直愣愣地伸直腿踩上去，后者多半會(huì)直接滑倒或劈叉。

目前人形機(jī)器人在控制上可以取得比較大的姿態(tài)調(diào)整空間，進(jìn)而對(duì)穩(wěn)定上半身姿態(tài)、穩(wěn)定步態(tài)有積極作用。但是，非仿人步態(tài)會(huì)使得機(jī)器人行走耗能大，使得在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上對(duì)功率的預(yù)估偏大，進(jìn)而導(dǎo)致更大的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，使機(jī)器人笨重起來(lái)。

3. 傳感器性能不足

為了實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制，人形機(jī)器人需要依賴各種傳感器來(lái)獲取環(huán)境信息。目前，市場(chǎng)上的人形機(jī)器人大多采用激光雷達(dá)、攝像頭、陀螺儀和加速度計(jì)等傳感器。然而，這些傳感器的性能有限，很難完全捕捉到環(huán)境中的變化。特別是在光線變化較大或者地面有雜物的情況下，傳感器可能會(huì)出現(xiàn)誤判，導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法準(zhǔn)確判斷自己的位置和姿態(tài)，從而無(wú)法保持穩(wěn)定的站立狀態(tài)。

4. 人工智能算法優(yōu)化

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的研究者開始嘗試將深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等方法應(yīng)用于人形機(jī)器人領(lǐng)域。這些算法可以幫助機(jī)器人更好地理解和適應(yīng)環(huán)境變化，從而實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更自然的行走。

然而，將這些高級(jí)算法應(yīng)用于實(shí)際問題仍然面臨很多挑戰(zhàn)，例如數(shù)據(jù)量不足、算法復(fù)雜度高等。因此，如何將這些算法與現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)控制方法相結(jié)合，提高人形機(jī)器人的穩(wěn)定性和行走性能，仍然是一個(gè)亟待解決的問題。

總之，現(xiàn)階段人形機(jī)器人站不直的現(xiàn)象是由多種因素共同作用的結(jié)果。在未來(lái)的發(fā)展過程中，我們需要不斷優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制算法、傳感器性能等方面的問題，同時(shí)利用人工智能技術(shù)來(lái)提高機(jī)器人的穩(wěn)定性和行走性能