Time-Varying Foot-Placement Control for Underactuated Humanoid Walking on Swaying Rigid Surfaces
作者: Yuan Gao, Victor Paredes, Yukai Gong, Zijian He, Ayonga Hereid, Yan Gu
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2024-09-12
备注: 20 pages, 18 figures
💡 一句话要点
提出时变足部落点控制，解决欠驱动人形机器人在摇摆刚性表面上的行走问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 人形机器人 步态控制 欠驱动系统 动态环境 线性倒立摆
📋 核心要点
- 动态刚性表面上的运动控制面临复杂挑战，现有方法难以保证人形机器人在移动的火车、轮船和飞机等动态环境中的稳定行走。
- 该论文通过扩展线性倒立摆模型到摇摆地面，并设计分层控制框架，实现了欠驱动人形机器人在摇摆环境下的稳定行走控制。
- 在Digit人形机器人上的仿真和硬件实验验证了该框架的有效性，即使在不确定性和外部干扰下也能保持稳定。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种实时、可证明稳定的控制方法，用于欠驱动人形机器人在周期性摇摆刚性表面上的行走。核心贡献在于将经典的基于角动量的线性倒立摆模型从静态地面分析扩展到摇摆地面，从而得到一个时变、非齐次的机器人模型，这与现有的摆模型有根本区别。针对该模型，设计了一种离散步长控制律，并推导出了一组新的充分稳定性条件，验证了控制器的稳定效果。此外，还开发了一个分层控制框架，将所提出的步长控制律作为其高层规划器，以确保欠驱动行走的稳定性。基于非线性控制理论，对该控制框架下完整混合、全阶机器人动力学的闭环稳定性进行了可证明的分析。最后，在Digit人形机器人上进行的仿真和硬件实验表明，该框架能够有效地解决摇摆地面上的欠驱动双足运动问题，即使在存在不确定的表面运动和未知的外部推力的情况下。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决欠驱动人形机器人在动态刚性表面（即在惯性系中加速的刚性表面）上行走的问题。现有方法主要针对静态或简单动态环境，难以处理复杂摇摆表面的运动控制，导致机器人容易失去平衡。
核心思路：核心思路是将经典的基于角动量的线性倒立摆模型扩展到摇摆地面。通过分析摇摆地面对机器人运动的影响，建立一个时变、非齐次的机器人模型。然后，基于该模型设计步长控制律，并分析其稳定性。
技术框架：论文采用分层控制框架。高层规划器基于扩展的线性倒立摆模型，生成稳定的步长序列。底层控制器执行这些步长，并补偿模型误差和外部干扰。整体框架包括：1) 摇摆地面上的线性倒立摆模型；2) 离散步长控制律设计；3) 分层控制框架实现；4) 闭环稳定性分析。
关键创新：最重要的技术创新点在于对线性倒立摆模型的扩展，使其能够适应摇摆地面。这种扩展导致了一个时变、非齐次的模型，与传统的静态地面模型有本质区别。此外，针对该模型设计了新的步长控制律和稳定性条件。
关键设计：论文的关键设计包括：1) 摇摆地面上的线性倒立摆模型的推导，考虑了地面加速度对角动量的影响；2) 离散步长控制律的设计，目标是使机器人的质心轨迹收敛到期望轨迹；3) 稳定性条件的推导，用于验证控制器的稳定效果；4) 分层控制框架的实现，确保高层规划和底层控制的协调。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
在Digit人形机器人上的实验结果表明，该框架能够有效地解决摇摆地面上的欠驱动双足运动问题。仿真和硬件实验都验证了该方法的有效性，即使在存在不确定的表面运动和未知的外部推力的情况下，机器人也能保持稳定行走。具体的性能数据（例如，在特定摇摆幅度和频率下的行走成功率）未知。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于人形机器人在动态环境中的运动控制，例如在移动的火车、轮船、飞机等交通工具上执行任务。此外，还可应用于地震救援、灾后重建等复杂环境，提高人形机器人的适应性和可靠性，使其能够在更广泛的现实世界场景中发挥作用。
📄 摘要（原文）
Locomotion on dynamic rigid surface (i.e., rigid surface accelerating in an inertial frame) presents complex challenges for controller design, which are essential for deploying humanoid robots in dynamic real-world environments such as moving trains, ships, and airplanes. This paper introduces a real-time, provably stabilizing control approach for underactuated humanoid walking on periodically swaying rigid surface. The first key contribution is the analytical extension of the classical angular momentum-based linear inverted pendulum model from static to swaying grounds. This extension results in a time-varying, nonhomogeneous robot model, which is fundamentally different from the existing pendulum models. We synthesize a discrete footstep control law for the model and derive a new set of sufficient stability conditions that verify the controller's stabilizing effect. Another key contribution is the development of a hierarchical control framework that incorporates the proposed footstep control law as its higher-layer planner to ensure the stability of underactuated walking. The closed-loop stability of the complete hybrid, full-order robot dynamics under this control framework is provably analyzed based on nonlinear control theory. Finally, experiments conducted on a Digit humanoid robot, both in simulations and with hardware, demonstrate the framework's effectiveness in addressing underactuated bipedal locomotion on swaying ground, even in the presence of uncertain surface motions and unknown external pushes.