Capture Point Control in Thruster-Assisted Bipedal Locomotion
作者: Shreyansh Pitroda, Aditya Bondada, Kaushik Venkatesh Krishnamurthy, Adarsh Salagame, Chenghao Wang, Taoran Liu, Bibek Gupta, Eric Sihite, Reza Nemovi, Alireza Ramezani, Morteza Gharib
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2024-06-21
备注: Submitted and to be presented at IEEE AIM 2024. arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:2103.15952
💡 一句话要点
提出基于捕获点控制的喷气推进双足机器人步态控制方法，提升复杂地形适应性。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 双足机器人 捕获点控制 喷气推进 步态控制 线性倒立摆
📋 核心要点
- 双足机器人易受扰动跌倒，难以适应复杂地形，现有控制方法存在局限性。
- 利用喷气推进器辅助双足机器人，通过姿态调整和运动模式扩展，增强稳定性和地形适应性。
- 设计基于捕获点控制的控制器，并进行仿真验证，探索外部力对线性倒立摆模型的影响。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种基于捕获点控制器的喷气推进双足机器人步态控制方法，旨在提高机器人在崎岖地形上的稳定性和运动能力。该方法应用于名为Harpy的机器人模型，探索了捕获点控制的设计可能性。虽然基于质心模型的双足系统捕获点控制已被广泛研究，但此前尚未探索外部力对线性倒立摆模型（常用于捕获点控制）动力学的影响。引入这些外部力可以对步态产生有趣的解释，例如水生腿式运动中的虚拟浮力。本文概述了机器人的动力学模型、用于辅助上身稳定的捕获点方法，以及验证控制器可行性的仿真工作。
🔬 方法详解
问题定义：现有双足机器人在面对非结构化或崎岖地形时，容易因外部扰动而失去平衡，传统的步态控制方法难以有效应对。论文旨在解决双足机器人在复杂地形下的稳定行走问题，尤其是在存在突发扰动或需要快速调整姿态的情况下。
核心思路：论文的核心思路是利用喷气推进器产生的外部力，结合捕获点控制理论，实现对机器人质心运动的精确控制。通过调整喷气推进器的推力大小和方向，可以有效地改变机器人的动力学特性，从而提高其稳定性和适应性。这种方法类似于水生生物利用浮力进行姿态调整，为双足机器人的运动控制提供了新的思路。
技术框架：该控制框架主要包括以下几个部分：1) 机器人动力学建模，建立包含喷气推进器影响的机器人动力学模型；2) 捕获点计算，基于线性倒立摆模型计算期望的捕获点位置；3) 控制器设计，设计基于捕获点的反馈控制器，用于调整喷气推进器的推力，使实际捕获点跟踪期望捕获点；4) 仿真验证，通过仿真实验验证控制器的有效性和鲁棒性。
关键创新：该论文的关键创新在于将外部力（喷气推进器）引入到基于捕获点控制的双足机器人运动控制中。以往的捕获点控制研究主要集中在通过调整关节力矩来实现平衡，而忽略了外部力对系统动力学的影响。通过引入外部力，可以更灵活地控制机器人的质心运动，从而提高其在复杂环境下的适应性。
关键设计：论文中关键的设计包括：1) 精确的机器人动力学模型，需要准确描述喷气推进器产生的力和力矩对机器人运动的影响；2) 捕获点控制器的参数整定，需要根据机器人的具体参数和运动要求，选择合适的控制增益，以保证系统的稳定性和响应速度；3) 喷气推进器的布局和推力范围，需要根据机器人的尺寸和重量，合理选择喷气推进器的数量、位置和推力范围，以满足控制需求。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文通过仿真实验验证了所提出的控制方法的有效性。仿真结果表明，该控制器能够有效地稳定机器人的上身，使其在受到外部扰动时能够快速恢复平衡。虽然论文中没有提供具体的性能数据和对比基线，但仿真结果表明，该方法具有良好的可行性和潜力。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于搜救机器人、勘探机器人等领域，使其能够在复杂、危险的环境中稳定行走和执行任务。例如，在地震灾区，机器人可以利用喷气推进器调整姿态，越过障碍物，搜寻幸存者。在火星等行星表面，机器人可以利用喷气推进器辅助行走，克服低重力环境下的运动难题。此外，该技术还可以应用于外骨骼机器人，帮助行动不便的人士恢复行走能力。
📄 摘要（原文）
Despite major advancements in control design that are robust to unplanned disturbances, bipedal robots are still susceptible to falling over and struggle to negotiate rough terrains. By utilizing thrusters in our bipedal robot, we can perform additional posture manipulation and expand the modes of locomotion to enhance the robot's stability and ability to negotiate rough and difficult-to-navigate terrains. In this paper, we present our efforts in designing a controller based on capture point control for our thruster-assisted walking model named Harpy and explore its control design possibilities. While capture point control based on centroidal models for bipedal systems has been extensively studied, the incorporation of external forces that can influence the dynamics of linear inverted pendulum models, often used in capture point-based works, has not been explored before. The inclusion of these external forces can lead to interesting interpretations of locomotion, such as virtual buoyancy studied in aquatic-legged locomotion. This paper outlines the dynamical model of our robot, the capture point method we use to assist the upper body stabilization, and the simulation work done to show the controller's feasibility.