双足机器人迷の图鉴之WABIAN-2

WABIAN是日本早稻田大学加藤·高西研究室(Kato/Takanishi Laboratory)研究开发的双足仿人机器人。 加藤·高西研究室曾开发出第一款真人大小的双足机器人。

他们研究仿人机器人的目的是模拟人类运动。他们发现随着日本老龄化现象的产生，越来越多的老人都面临着行动不便的问题， 社会上对于康复设备(welfare equipment)的需求也在增长。但是这些设备的传统开发方式是依赖于人体的测量和实验的， 以至于实验结果很难复现、测量精度低，尤其是在实验过程中对人类自身的安全存在着极大的威胁。 因此，它们希望建造一款机器人来模拟人类，进而替代人类来测试这些康复设备。

它有153厘米高，带上电池一共有60公斤。为了模拟人类运动，参考人类的关节分布和运动形式，他们给WABIAN设计了41个自由度。 它在行走与人类的步态十分相似。

发展历史

加藤·高西研究室应该是世界上最早研究双足机器人的实验室了，他们从上个世纪60年代就开始开发WL系列(Waseda Leg)机器人了。

WL系列机器人从WL-1到WL-12RDIII前后时间跨度超过了20年，从机器人的编号上来看应该超过了12台样机。 他们现在两条腿上研究行走步态，也尝试着添加一些重物到上身来模拟人类行走过程中的上下肢协调。 从最初的静态步态到动态步态，他们研究了各种不同的控制算法，使得WL系列机器人能够在不平路面上行走。 也在材料上做了尝试，比如说WL-10R上使用的碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)，就是一种轻质量高强度的材料， 在F1赛车上、波音客机上都有应用。

1973年，加藤一郎和他的小伙伴们一起打造了世界上第一款真人大小的仿人机器人——WABOT-1。 WABOT-1采用液压驱动，为了保持稳定加藤一郎他们特意设计了一双很大的脚掌。与其说它是行走，不如说是拖地走，WABOT-1实现的是一种静态步态。 在当时加藤一郎他们就已经给它加上了语音对话的功能。

后来，加藤·高西研究室开始了WABIAN系列(WAseda BIpedal humANoid)机器人了。至于WABIAN与WABOT之间有什么关系，网站上没有介绍， 从照片来看两者的差异很大，看样子WABIAN更像是WL系列加上上身后的产物。

WABOT-1	WL-12	WABIAN

WABIAN的设计初衷是为了研究协助动态步态(cooperative dynamic walking)和与人类的协同合作的。 它的身高是按照日本女性平均身高设计的，目的就是为了更好的与人类协作。它的关节采用的是电动伺服系统，采用外供电的方式， 把控制器和电机控制系统全部安放在了本体上。它一共有35个自由度，其中每条腿只有3个自由度，一条手臂上则有10个自由度， 腰部有三个，头部有两个，另外有四个用在驱动双眼。

在2003年到2004年，高西研究室又推出了第二代的机器人WABIAN-2LL和WABIAN-2，WABIAN-2LL实际上就是WABIAN-2的下肢(Lower Limb)。 WABIAN-2与众不同之处在于，它提供了很多冗余的自由度，四肢都有7个自由度， 根据他们2005年发表的文章来看，这些自由度的运动范围都是参考人关节的运动范围确定的。

WABIAN-2LL	WABIAN-2	WABIAN-2R

2006年以后，在WABIAN-2基础上又做了一些改进，推出了WABIAN-2R，其中的R是指Refined。

WABIAN-2的结构

在2006年的ICRA上， 他们又发表了一篇文章介绍WABIAN-2。 在这篇文章中他们给出了更详尽的数据和实验。右图中的数据是根据这篇文章得到的。

在文章中，他们强调腰部的两个自由度可以给机器人提供一种stretch-knee的步态，这是一种更接近与人类的行走步态。 链接是stretch walking的视频，点击下载。

此外，腿部的冗余自由度可以为机器人提供一种类似于左图的机制，能够保持上身和两脚位置不动的情况下做出一些避让动作。 这样身体的重心不需要有大的变动，可以快速的响应一些突发情况，而不影响自身的平衡。

在WABIAN-2的设计中，把腰部的两个自由度和腿部的14个自由度一起认为是下肢的结构，它们为WABIAN-2提供了充分的步态和稳定性支持。 手臂、躯干和颈部的自由度认为是上肢的结构，它们与下肢是两个相对独立的部分。虽然有时也需要上肢配合保持平衡，但上肢更多的模拟人类的动作。 即使下肢存在问题，不能够很好的保持平衡，也可以借助上肢扶持着某个设备达到一个新的稳定模式。

WABIAN-2的结构件主要是铝合金(5052, 2017A, 2024, 7075)做的，主要是材料质量轻、强度高。 每一个关节的执行系统都是由一个直流电机、一个谐波减速器和同步带构成的。传动部分选用了两个减速装置的目的是获得更高的减速比，提供更高的扭矩。 另外同步带的使用可以把电机的输出轴和关节轴分开，对于每个关节最大需要多少扭矩是通过计算机模拟，根据密度分布用牛顿欧拉方法计算得到的。

在2006年的IROS会议上， 他们公布了一种被动关节的脚掌设计用在了WABIAN-2R上。 之所以采用被动关节，是因为有其他研究人员发现人类在行走时，脚趾的肌肉是放松的几乎没有提供任何动力。 于是他们仅仅是把脚掌分成了脚趾和脚掌两个部分，并设计出了一种脚后跟着地、脚趾离地的步态，这种步态配合上先前的knee-stretch就更像人类行走了。 这种脚掌是由两片蜂窝状薄铝板夹着一块碳纤维增强复合材料(CFRP)构成的。

在IROS的这篇文章中，还透露了一点就是，WABIAN-2R的两条腿只有6个自由度。

WABIAN-2的计算机系统

从WABIAN-2到WABIAN-2R，它们的计算机系统没有大的变化，结构框图都如右图所示。 只是在WABIAN-2时，他们用的CPU还是1.26GHz的奔腾III，不知道这么多年过去了有没有变化。

CPU与传感器调理电路板和电机驱动之间通过一个PCI背板连接。电机驱动用的是HRP接口板(Interface Board)， 一个接口板有数字/模拟转换器、计数器、PIO接口各16路，可以驱动16个电机。而WABIAN-2有41个自由度，所以选用了3块接口板。 WABIAN在手臂和脚踝处各装了两个六维力/力矩传感器，传感器的数据经过一个调理电路板(6 Axis Forth Sensor Receive Board)连接到PCI总线上。

WABIAN-2上运行的一个QNX的实时操作系统，管理着系统资源，通过Console display与用户实现交互。特别的，在WABIAN-2之外还有一个模式生成器， 用来生成机器人的行走步态，通过ZIP文件的形式传送给机器人本体的操作系统。同样的，机器人的操作系统把实验数据记录下来后，通过文件的形式提供给用户。

结束语

加藤·高西研究室开发了世界上第一款真人大小的双足机器人，除了出自同一个实验室之外，我并不知道WABIAN与第一款之间还有什么关联， 可能是第一款的后续，也可能是一个全新的机器人。但不管怎样还是要向加藤·高西研究室致敬。

总体上，WABIAN系列的机器人在控制方法上与ASIMO、HRP等机器人类似都是用ZMP方法。其控制系统与HRP类似，直接选用的HRP接口板。 它的独特之处在于，为机器人设计了各种冗余的自由度，以期达到类似于人的步态，在一些结构上还有一些可以借鉴的地方。