Wireless Center of Pressure Feedback System for Humanoid Robot Balance Control using ESP32-C3

📄 arXiv: 2512.21219v1 📥 PDF

作者: Muhtadin, Faris Rafi Pramana, Dion Hayu Fandiantoro, Moh Ismarintan Zazuli, Atar Fuady Babgei

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2025-12-24

💡 一句话要点

针对人形机器人，提出基于ESP32-C3的无线CoP反馈平衡控制系统

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 人形机器人 平衡控制 压力中心(CoP) 无线传感器 PID控制

📋 核心要点

  1. 人形机器人在单腿站立时难以保持平衡，传统有线传感器限制了关节运动并引入噪声。
  2. 设计无线CoP反馈系统，通过足底力传感器和ESP32-C3实时估计压力中心，并无线传输。
  3. 实验表明，该系统能有效提高人形机器人在倾斜环境下的平衡能力，单腿站立成功率达100%。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种无线嵌入式平衡系统，旨在解决人形机器人在单腿支撑阶段的稳定性问题，尤其是在需要复杂动作和高机械自由度的舞蹈机器人中。该系统采用定制的足部单元，集成了四个力传感器和一个ESP32-C3微控制器，以实时估计压力中心(CoP)。CoP数据通过无线方式传输到主控制器，从而最大限度地减少了29自由度VI-ROSE人形机器人的布线复杂性。采用PID控制策略，根据CoP反馈调整躯干、髋部和踝关节的横滚关节。实验结果表明，该传感器具有较高的精度，平均测量误差为14.8克。此外，所提出的控制系统在3度倾斜的单腿抬起任务中，通过优化PID参数(Kp=0.10, Kd=0.005)，实现了100%的平衡保持成功率。这些结果验证了无线CoP反馈在增强人形机器人姿态稳定性方面的有效性，且不影响其机械灵活性。

🔬 方法详解

问题定义：人形机器人在单腿支撑阶段，尤其是在舞蹈等复杂运动中，保持平衡是一个关键挑战。传统的有线传感器方案限制了机器人的机械自由度，并且容易引入机械噪声，影响控制精度。因此，需要一种无线、高精度的平衡控制系统。

核心思路：该论文的核心思路是利用无线CoP反馈来增强人形机器人的平衡能力。通过在机器人足部集成力传感器和无线通信模块，实时获取CoP数据，并将其反馈给主控制器，从而实现对机器人姿态的精确控制。这种无线方案避免了传统有线方案的限制，提高了机器人的灵活性。

技术框架：该系统的整体架构包括以下几个主要模块：1)定制设计的足部单元，包含四个力传感器，用于测量足底压力分布；2)ESP32-C3微控制器，用于数据采集、CoP估计和无线传输；3)主控制器，接收CoP数据并执行PID控制算法；4)人形机器人VI-ROSE，具有29个自由度，通过调整躯干、髋部和踝关节的横滚关节来保持平衡。

关键创新：该论文的关键创新在于将无线通信技术应用于人形机器人的平衡控制系统。通过无线传输CoP数据，避免了传统有线方案的限制，提高了机器人的机械自由度和运动灵活性。此外，定制设计的足部单元能够精确测量足底压力分布，为CoP估计提供了可靠的数据基础。

关键设计：足部单元采用四个力传感器，通过特定的标定方法获得高精度的压力测量值。ESP32-C3微控制器负责数据采集、滤波和CoP计算，并通过Wi-Fi将数据传输到主控制器。主控制器采用PID控制算法，根据CoP反馈调整躯干、髋部和踝关节的横滚关节，以实现平衡控制。PID参数(Kp=0.10, Kd=0.005)通过实验优化得到。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，该无线CoP反馈系统具有较高的精度，平均测量误差为14.8克。在3度倾斜的单腿抬起任务中，通过优化PID参数(Kp=0.10, Kd=0.005)，该系统实现了100%的平衡保持成功率。这表明该系统能够有效提高人形机器人在复杂环境下的平衡能力。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于各种需要高稳定性和灵活性的机器人领域，例如舞蹈机器人、康复机器人、服务机器人等。通过无线CoP反馈，可以提高机器人在复杂环境下的适应性和运动能力，使其能够执行更复杂的任务。此外，该技术还可以应用于假肢和外骨骼等领域，帮助残疾人恢复运动能力。

📄 摘要（原文）

Maintaining stability during the single-support phase is a fundamental challenge in humanoid robotics, particularly in dance robots that require complex maneuvers and high mechanical freedom. Traditional tethered sensor configurations often restrict joint movement and introduce mechanical noises. This study proposes a wireless embedded balance system designed to maintain stability on uneven surfaces. The system utilizes a custom-designed foot unit integrated with four load cells and an ESP32-C3 microcontroller to estimate the Center of Pressure (CoP) in real time. The CoP data were transmitted wirelessly to the main controller to minimize the wiring complexity of the 29-DoF VI-ROSE humanoid robot. A PID control strategy is implemented to adjust the torso, hip, and ankle roll joints based on CoP feedback. Experimental characterization demonstrated high sensor precision with an average measurement error of 14.8 g. Furthermore, the proposed control system achieved a 100% success rate in maintaining balance during single-leg lifting tasks at a 3-degree inclination with optimized PID parameters (Kp=0.10, Kd=0.005). These results validate the efficacy of wireless CoP feedback in enhancing the postural stability of humanoid robots, without compromising their mechanical flexibility.