Optimized Wrench Polytope Analysis for Real-Time Stability Control of Legged Robots in Complex Multi-Contact Configurations
作者: Friedrich Graaf, Elias Birkefeld, Christian Eichmann, Elias Hofele, Tristan Schnell, Georg Heppner, Arne Roennau, Rüdiger Dillmann
分类: cs.RO
发布日期: 2026-09-15
备注: 8 pages, 8 figures, submitted to the IEEE ROBIO 2026 Conference
💡 一句话要点
提出优化算法以解决复杂多接触配置下的机器人稳定性问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 腿式机器人 稳定性控制 多接触配置 优化算法 实时计算 扭矩多面体 自动化应用
📋 核心要点
- 现有的腿式机器人在复杂环境中，如坡道和洞穴，面临稳定性控制的挑战，现有方法无法满足实时性要求。
- 本文提出了一种优化算法，能够快速评估全可驱动扭矩多面体，从而实现对机器人关节扭矩的实时计算。
- 实验结果表明，所提出的控制器在复杂接触场景中表现出优越的稳定性，且在49 Hz的控制频率下运行，显著提升了控制效率。
📝 摘要（中文）
腿式机器人在现实场景中具有广泛的自动化应用，但在坡道、洞穴或脚手架等难以穿越的区域仍然面临巨大挑战。为了解决这一问题，本文提出了一种优化算法，用于评估任意接触场景下的全可驱动扭矩多面体。通过改进的分析算法，机器人每个关节的扭矩可以在49 Hz的控制频率内计算。实现的速度提升使得该算法能够在常规控制循环中应用于不同接触场景的机器人姿态控制。我们在仿真场景中对稳定性控制器进行了广泛评估，并通过在实际步态机器人硬件上的部署验证了其适用性。该控制器在当前其他控制器无法实现的复杂场景中实现了稳定性。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决腿式机器人在复杂多接触配置下的实时稳定性控制问题。现有方法在处理复杂环境时，往往无法提供足够的计算速度和稳定性保障。
核心思路：论文提出了一种优化算法，通过改进的分析方法快速评估全可驱动扭矩多面体，从而实现对机器人关节扭矩的实时计算，适应不同的接触场景。
技术框架：整体架构包括数据采集、扭矩多面体评估和控制指令生成三个主要模块。首先，机器人通过传感器获取环境信息，然后利用优化算法评估扭矩多面体，最后生成控制指令以调整机器人姿态。
关键创新：最重要的技术创新在于优化算法的设计，使得扭矩多面体的评估速度显著提升，能够在49 Hz的频率下实时计算，解决了现有方法在复杂场景下的速度瓶颈。
关键设计：在算法设计中，关键参数包括接触点的选择和扭矩计算的精度，损失函数则考虑了稳定性和实时性之间的平衡，确保了控制效果的可靠性。通过这些设计，算法能够在动态环境中有效运行。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果显示，所提出的控制器在复杂多接触场景中实现了前所未有的稳定性，成功在49 Hz的控制频率下运行，显著优于现有控制器，特别是在处理极具挑战性的地形时，表现出更高的适应性和可靠性。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括救援机器人、建筑工地自动化、以及探索未知环境的机器人等。通过提高腿式机器人在复杂环境中的稳定性，能够显著扩展其应用范围，提升自动化水平，具有重要的实际价值和未来影响。
📄 摘要（原文）
Legged robots offer a variety of automation applications in real-world scenarios. But areas that are difficult to traverse, like slopes, caves, or scaffolding, still pose a great challenge for traversal. To tackle this problem, we propose an optimized algorithm for evaluating the full actuatable wrench polytope for arbitrary contact scenarios. With our improved analysis algorithm, the torques for each joint of the robot can be calculated within a control frequency of 49 Hz. The achieved speedup allows for deployment within a regular control loop for actuating robot poses for different contact scenarios. We evaluated our stability controller extensively in simulation scenarios and validated its applicability by deploying it on actual walking robot hardware. The proposed controller achieved stability in very complex scenarios that are currently not achievable by any other controller.