Experimental Comparison of Whole-Body Control Formulations for Humanoid Robots in Task Acceleration and Task Force Spaces

📄 arXiv: 2507.18502v1 📥 PDF

作者: Sait Sovukluk, Grazia Zambella, Tobias Egle, Christian Ott

分类: cs.RO

发布日期: 2025-07-24

备注: This paper has been accepted for publication in 2025 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2025). - Link to video: https://youtu.be/Nfm50ycz-FU

DOI: 10.1109/IROS60139.2025.11247656

💡 一句话要点

对比逆动力学与基于被动性的全身控制在人型机器人上的性能差异

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 全身控制 人型机器人 逆动力学 被动性控制 实验对比

📋 核心要点

  1. 现有全身控制方法在实际应用中，对关节摩擦、传感器噪声等因素的鲁棒性有待提升。
  2. 论文对比研究了基于任务加速度和任务力空间的两种全身控制方法：ID-WBC和PB-WBC。
  3. 通过多种实验，分析了两种控制器的性能差异，并总结了各自的优缺点，为实际应用提供参考。

📝 摘要（中文）

本文对两种不同的人型机器人全身控制方法进行了实验比较：逆动力学全身控制（ID-WBC）和基于被动性的全身控制（PB-WBC）。这两种控制器从根本上是不同的，前者是在任务加速度空间中公式化的，而后者是在任务力空间中公式化的，并考虑了被动性。尽管这两种控制方法都在闭环动力学的理想条件下预测了稳定性，但它们对关节摩擦、传感器噪声、未建模的外部干扰和非完美接触条件的鲁棒性尚不清楚。因此，我们通过摆动脚的位置和方向控制、有和没有未建模的额外重量的下蹲以及跳跃，在人型机器人平台上分析并实验比较了这两种控制器。我们还将观察到的性能和特征差异与控制器公式相关联，并强调了每个控制器的优点和缺点。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决人型机器人全身控制在实际复杂环境下的鲁棒性问题。现有的全身控制方法，如ID-WBC和PB-WBC，在理想条件下表现良好，但在面对关节摩擦、传感器噪声、未建模的外部干扰以及非完美接触等实际情况时，其性能和稳定性会受到影响。因此，需要对这些方法进行实验评估和比较，以了解它们在实际应用中的优缺点。

核心思路：论文的核心思路是通过实验对比ID-WBC和PB-WBC这两种具有代表性的全身控制方法，分析它们在不同任务和环境下的性能表现。ID-WBC基于任务加速度空间，而PB-WBC基于任务力空间并考虑被动性。通过对比这两种方法的性能差异，可以深入了解不同控制策略对机器人鲁棒性的影响。

技术框架：论文的实验框架包括以下几个主要部分：首先，在人型机器人平台上实现ID-WBC和PB-WBC两种控制器。然后，设计了一系列实验任务，包括摆动脚的位置和方向控制、有和没有未建模的额外重量的下蹲以及跳跃。在实验过程中，记录机器人的状态数据，并分析两种控制器的性能指标，如控制精度、稳定性以及对外部干扰的鲁棒性。最后，将观察到的性能和特征差异与控制器公式相关联，并总结每个控制器的优点和缺点。

关键创新：论文的关键创新在于对ID-WBC和PB-WBC这两种全身控制方法进行了全面的实验对比分析。虽然这两种方法在理论上都具有一定的优势，但论文通过实际实验揭示了它们在面对实际复杂环境时的性能差异。这种实验性的对比分析为实际应用中选择合适的全身控制方法提供了重要的参考依据。

关键设计：论文的关键设计包括实验任务的设计和性能指标的选取。实验任务涵盖了人型机器人的常见运动模式，如摆动、下蹲和跳跃，能够全面评估控制器的性能。性能指标包括控制精度、稳定性以及对外部干扰的鲁棒性，能够客观地反映控制器的优缺点。此外，论文还仔细考虑了实验环境的设置，尽量模拟实际应用场景，以提高实验结果的可靠性。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，ID-WBC在精确控制方面表现更好，但在面对外部干扰时鲁棒性较差。PB-WBC在鲁棒性方面表现更优，但控制精度略有下降。在下蹲实验中，PB-WBC在携带额外重量时表现出更好的稳定性。跳跃实验则揭示了两种控制器在动态运动控制方面的差异。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于人型机器人的运动控制、康复机器人、外骨骼等领域。通过选择合适的全身控制方法，可以提高机器人在复杂环境下的运动能力和鲁棒性，使其能够更好地完成各种任务，例如在崎岖地形行走、搬运重物、以及与人类进行安全交互。

📄 摘要（原文）

This paper studies the experimental comparison of two different whole-body control formulations for humanoid robots: inverse dynamics whole-body control (ID-WBC) and passivity-based whole-body control (PB-WBC). The two controllers fundamentally differ from each other as the first is formulated in task acceleration space and the latter is in task force space with passivity considerations. Even though both control methods predict stability under ideal conditions in closed-loop dynamics, their robustness against joint friction, sensor noise, unmodeled external disturbances, and non-perfect contact conditions is not evident. Therefore, we analyze and experimentally compare the two controllers on a humanoid robot platform through swing foot position and orientation control, squatting with and without unmodeled additional weights, and jumping. We also relate the observed performance and characteristic differences with the controller formulations and highlight each controller's advantages and disadvantages.