Adaptive Ankle Torque Control for Bipedal Humanoid Walking on Surfaces with Unknown Horizontal and Vertical Motion
作者: Jacob Stewart, I-Chia Chang, Yan Gu, Petros A. Ioannou
分类: cs.RO
发布日期: 2024-10-15
💡 一句话要点
提出自适应踝关节力矩控制，解决双足人形机器人在未知运动表面上的稳定行走问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 双足机器人 自适应控制 步态规划 人形机器人 未知环境 力矩控制 稳定性控制
📋 核心要点
- 在未知运动表面上实现稳定行走，面临机器人动力学不确定性和状态估计困难等挑战。
- 设计自适应踝关节力矩控制器，同时处理系统参数和非齐次扰动的不确定性，并结合步长规划器。
- 仿真结果表明，该方法在未知时变扰动下，能够有效保证双足机器人的稳定行走和精确跟踪。
📝 摘要（中文）
在具有未知运动表面的双足人形机器人上实现稳定行走是一个具有挑战性的控制问题，这归因于机器人混合、时变、部分未知的动力学特性，以及精确的状态和表面运动估计的难度。表面运动给行走机器人的动力学带来了系统参数和非齐次扰动的不确定性。本文设计了一种自适应踝关节力矩控制器，以同时解决这两种不确定性，并提出了一种步长规划器，以最大限度地减少所需的控制力矩。通常，自适应控制器用于连续系统。为了在诸如行走机器人这样的混合系统上应用自适应控制，引入了一个中间命令剖面，以确保连续的误差系统。在平面双足机器人上的仿真，以及与基线控制器的比较，表明所提出的方法有效地确保了在未知、时变扰动下的稳定行走和精确跟踪。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决双足人形机器人在具有未知水平和垂直运动的表面上行走时，如何实现稳定控制的问题。现有方法难以应对由于表面运动引入的系统参数不确定性和非齐次扰动，导致机器人行走不稳定。此外，精确估计状态和表面运动也极具挑战。
核心思路：论文的核心思路是设计一个自适应踝关节力矩控制器，该控制器能够同时处理系统参数的不确定性和非齐次扰动。通过自适应控制，控制器能够在线调整参数，以补偿未知表面运动带来的影响。此外，论文还提出了一种步长规划器，用于最小化所需的控制力矩，从而提高控制效率。
技术框架：整体框架包括状态估计模块（假设存在，但论文未详细描述），自适应踝关节力矩控制器和步长规划器。首先，系统获取机器人的状态信息。然后，步长规划器根据当前状态和目标状态，计算出期望的步长。接下来，自适应踝关节力矩控制器根据期望步长和实际状态，计算出所需的踝关节力矩，从而控制机器人的行走。为了将自适应控制应用于混合系统，引入了中间命令剖面，以确保误差系统的连续性。
关键创新：论文的关键创新在于将自适应控制方法应用于双足人形机器人的行走控制，并针对未知运动表面带来的不确定性进行了专门设计。与传统的固定参数控制器相比，自适应控制器能够在线调整参数，更好地适应环境变化。此外，引入中间命令剖面，解决了自适应控制在混合系统中的应用问题。
关键设计：自适应控制器的设计基于Lyapunov稳定性理论，确保闭环系统的稳定性。控制器包含一个前馈项和一个反馈项，前馈项用于补偿已知的动力学模型，反馈项用于抑制扰动和误差。自适应律用于在线更新控制器参数，以最小化跟踪误差。步长规划器旨在最小化控制力矩，可能采用了优化算法或启发式规则。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
仿真结果表明，所提出的自适应踝关节力矩控制器能够有效地保证双足机器人在未知、时变扰动下的稳定行走和精确跟踪。与基线控制器相比，该方法能够显著提高机器人的行走稳定性和鲁棒性，具体性能提升数据未知，但仿真结果表明了其有效性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于各种需要在复杂或未知环境中行走的机器人，例如搜救机器人、巡检机器人和家用服务机器人。通过自适应控制，这些机器人能够在崎岖地形、移动平台或拥挤人群中保持稳定行走，从而扩展其应用范围和实用性。此外，该研究对于开发更智能、更自主的机器人系统具有重要意义。
📄 摘要（原文）
Achieving stable bipedal walking on surfaces with unknown motion remains a challenging control problem due to the hybrid, time-varying, partially unknown dynamics of the robot and the difficulty of accurate state and surface motion estimation. Surface motion imposes uncertainty on both system parameters and non-homogeneous disturbance in the walking robot dynamics. In this paper, we design an adaptive ankle torque controller to simultaneously address these two uncertainties and propose a step-length planner to minimize the required control torque. Typically, an adaptive controller is used for a continuous system. To apply adaptive control on a hybrid system such as a walking robot, an intermediate command profile is introduced to ensure a continuous error system. Simulations on a planar bipedal robot, along with comparisons against a baseline controller, demonstrate that the proposed approach effectively ensures stable walking and accurate tracking under unknown, time-varying disturbances.