Admittance Control-based Floating Base Reaction Mitigation for Limbed Climbing Robots
作者: Masazumi Imai, Kentaro Uno, Kazuya Yoshida
分类: cs.RO
发布日期: 2024-09-20
备注: The 27th issue of the International Conference Series on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines (CLAWAR)
💡 一句话要点
针对攀爬机器人，提出基于导纳控制的浮动基座反作用力抑制方法
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 攀爬机器人 导纳控制 反作用力抑制 腿式机器人 位置阻抗控制
📋 核心要点
- 腿式攀爬机器人在复杂环境中易受反作用力影响，导致失稳或漂浮，现有控制方法难以有效应对。
- 论文提出基于导纳控制的方案，通过调整机器人对外部干扰的响应，降低反作用力并保持运动精度。
- 仿真实验表明，该方法能显著降低反作用力和关节扭矩，验证了其在应对干扰方面的有效性。
📝 摘要（中文）
对于腿式攀爬机器人而言，感知反作用力的控制对于确保更安全、更稳定的操作至关重要。当在陡峭地形上导航或在微重力环境中操作时，这一点尤为重要，因为过度的反作用力可能导致足部与地面失去接触，从而导致潜在的跌落或在微重力环境中漂浮。此外，此类机器人通常需要执行操作任务，使其除了在运动过程中产生的力之外，还会受到外力的作用。为了有效地处理这些干扰，同时保持精确的运动轨迹跟踪，我们提出了一种基于位置阻抗控制（也称为导纳控制）的新型控制方案。我们通过基于仿真的案例研究验证了这种控制方法，通过有意引入连续和冲击干扰力来模拟诸如物体操作或障碍物碰撞之类的场景。结果表明，采用所提出的方法可以显着降低反作用力和关节扭矩。
🔬 方法详解
问题定义：腿式攀爬机器人在复杂环境（如陡峭地形、微重力环境）中作业时，容易受到外部干扰，产生较大的反作用力。这些反作用力可能导致机器人足端失去抓地力，造成失稳、跌落甚至在微重力环境下漂浮。此外，机器人执行操作任务时，还会受到额外的外力干扰。传统的控制方法难以同时保证运动精度和对外部干扰的鲁棒性。
核心思路：论文的核心思路是利用导纳控制（Admittance Control）来调节机器人与环境的交互。导纳控制模拟了机器人与环境之间的阻抗关系，允许机器人根据受到的外力调整自身的位置和姿态，从而降低反作用力。通过合理设计导纳参数，可以使机器人在受到干扰时表现出“顺从性”，避免产生过大的反作用力。
技术框架：该控制方案基于位置阻抗控制，整体框架如下：1) 期望轨迹生成：根据任务需求生成机器人的期望运动轨迹。2) 力/力矩估计或测量：通过传感器或模型估计/测量机器人受到的外部力/力矩。3) 导纳模型：根据估计/测量的力/力矩，通过导纳模型计算期望的位置/姿态修正量。4) 位置控制：利用传统的位置控制器（如PID控制器）驱动机器人运动到修正后的期望位置/姿态。
关键创新：该方法将导纳控制应用于腿式攀爬机器人，并针对其特点进行了优化。与传统的力/力矩控制相比，导纳控制不需要精确的力/力矩模型，对环境的不确定性具有更强的鲁棒性。此外，该方法通过调整导纳参数，可以在运动精度和反作用力抑制之间进行权衡。
关键设计：关键设计在于导纳参数的选择。导纳参数包括质量、阻尼和刚度，它们决定了机器人对外部干扰的响应特性。合适的导纳参数可以使机器人在受到干扰时表现出适当的顺从性，从而降低反作用力。论文中可能采用了试错法或优化算法来确定最佳的导纳参数。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文通过仿真实验验证了所提出方法的有效性。实验中，通过有意引入连续和冲击干扰力来模拟物体操作或障碍物碰撞等场景。结果表明，与传统控制方法相比，采用该方法可以显著降低反作用力和关节扭矩。具体的性能提升数据（例如，反作用力降低的百分比）未知，但摘要明确指出有“显著降低”。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于多种场景，包括：1) 复杂地形下的攀爬机器人作业，如建筑检测、桥梁维护等；2) 微重力环境下的机器人操作，如空间站维护、卫星维修等；3) 人机协作场景，提高机器人的安全性，降低对操作人员的潜在风险。该方法有助于提升攀爬机器人的稳定性和安全性，拓展其应用范围。
📄 摘要（原文）
Reaction force-aware control is essential for legged climbing robots to ensure a safer and more stable operation. This becomes particularly crucial when navigating steep terrain or operating in microgravity environments, where excessive reaction forces may result in the loss of foot contact with the ground, leading to potential falls or floating over in microgravity. Furthermore, such robots are often tasked with manipulation activities, exposing them to external forces in addition to those generated during locomotion. To effectively handle such disturbances while maintaining precise motion trajectory tracking, we propose a novel control scheme based on position-based impedance control, also known as admittance control. We validated this control method through simulation-based case studies by intentionally introducing continuous and impact interference forces to simulate scenarios such as object manipulation or obstacle collisions. The results demonstrated a significant reduction in both the reaction force and joint torque when employing the proposed method.