Whole-body Multi-contact Motion Control for Humanoid Robots Based on Distributed Tactile Sensors
作者: Masaki Murooka, Kensuke Fukumitsu, Marwan Hamze, Mitsuharu Morisawa, Hiroshi Kaminaga, Fumio Kanehiro, Eiichi Yoshida
分类: cs.RO
发布日期: 2025-05-26
期刊: IEEE Robotics and Automation Letters 2024
💡 一句话要点
基于分布式触觉传感器的全身多接触人形机器人运动控制
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 人形机器人 多点接触运动 触觉传感器 运动控制 动力学仿真
📋 核心要点
- 人形机器人在复杂环境中需要利用身体各部位进行多点接触运动，但现有方法难以有效控制中间区域的接触。
- 论文提出了一种基于分布式触觉传感器的全身多点接触运动控制方法，通过触觉反馈稳定机器人运动。
- 动力学仿真和真实机器人实验验证了该方法在提高运动稳定性和实现复杂姿态方面的有效性。
📝 摘要（中文）
为了使人形机器人在受限环境中稳健工作，不仅需要在手和脚等末端，而且需要在膝盖和肘部等肢体中间区域进行多点接触运动。本文开发了一种方法，使人形机器人能够实现涉及中间区域接触的全身多点接触运动。可变形的片状分布式触觉传感器安装在机器人肢体表面，用于测量接触力，而不会显著改变机器人身体形状。扩展了先前开发的专门用于末端接触的多点接触运动控制器，以处理中间区域的接触，并通过使用力/力矩传感器以及分布式触觉传感器的反馈控制来稳定机器人运动。通过动力学仿真验证，表明所开发的触觉反馈提高了全身多点接触运动在受到扰动和环境误差时的稳定性。此外，真人大小的人形机器人RHP Kaleido演示了全身多点接触运动，例如在前臂接触支撑身体的同时向前迈进，以及在坐姿时通过大腿接触保持平衡。
🔬 方法详解
问题定义：现有的人形机器人多点接触运动控制主要集中在手脚等末端执行器上，难以有效利用身体中间部位（如膝盖、肘部）进行接触。这限制了机器人在狭小或复杂环境中进行稳定操作的能力。现有的力/力矩传感器无法提供足够精细的接触信息，难以实现对中间区域接触的精确控制。
核心思路：论文的核心思路是利用分布式触觉传感器感知机器人肢体表面的接触力，并将这些信息反馈到运动控制器中，从而实现对全身多点接触运动的精确控制和稳定。通过在机器人肢体表面安装可变形的片状触觉传感器，可以获取更丰富的接触信息，从而更好地理解机器人与环境的交互。
技术框架：该方法扩展了原有的多点接触运动控制器，使其能够处理末端和中间区域的接触。整体框架包括：1) 分布式触觉传感器获取接触力信息；2) 力/力矩传感器获取末端执行器的力和力矩信息；3) 运动控制器根据传感器信息计算期望的机器人运动；4) 执行器驱动机器人运动；5) 通过触觉反馈和力/力矩反馈稳定机器人运动。
关键创新：该方法的关键创新在于：1) 将分布式触觉传感器应用于人形机器人全身多点接触运动控制，实现了对中间区域接触的精确感知和控制；2) 扩展了原有的多点接触运动控制器，使其能够处理末端和中间区域的接触；3) 结合触觉反馈和力/力矩反馈，提高了机器人运动的稳定性和鲁棒性。
关键设计：分布式触觉传感器采用可变形的片状设计，以尽量减少对机器人身体形状的影响。触觉传感器的数据被用于估计接触位置和接触力。运动控制器采用二次规划（QP）方法，优化机器人的运动轨迹，同时考虑接触约束、动力学约束和稳定性约束。触觉反馈增益需要根据机器人的动力学特性和环境的刚度进行调整。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
通过动力学仿真，验证了所开发的触觉反馈能够显著提高全身多点接触运动的稳定性，抵抗扰动和环境误差。真实机器人RHP Kaleido演示了多种全身多点接触运动，包括前臂支撑身体向前迈进和坐姿时大腿接触保持平衡，验证了该方法在实际应用中的可行性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于人形机器人在狭小空间或复杂环境中的操作，例如灾难救援、家庭服务和工业维护。通过利用全身多点接触，机器人可以更稳定地支撑自身，并执行复杂的任务，例如攀爬、穿越障碍物和操作工具。未来的研究可以进一步探索如何将该方法应用于更复杂的任务和更动态的环境中。
📄 摘要（原文）
To enable humanoid robots to work robustly in confined environments, multi-contact motion that makes contacts not only at extremities, such as hands and feet, but also at intermediate areas of the limbs, such as knees and elbows, is essential. We develop a method to realize such whole-body multi-contact motion involving contacts at intermediate areas by a humanoid robot. Deformable sheet-shaped distributed tactile sensors are mounted on the surface of the robot's limbs to measure the contact force without significantly changing the robot body shape. The multi-contact motion controller developed earlier, which is dedicated to contact at extremities, is extended to handle contact at intermediate areas, and the robot motion is stabilized by feedback control using not only force/torque sensors but also distributed tactile sensors. Through verification on dynamics simulations, we show that the developed tactile feedback improves the stability of whole-body multi-contact motion against disturbances and environmental errors. Furthermore, the life-sized humanoid RHP Kaleido demonstrates whole-body multi-contact motions, such as stepping forward while supporting the body with forearm contact and balancing in a sitting posture with thigh contacts.