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双足机器人常见的平衡控制

2018年05月28日 03:18 次阅读

在最开始,双足机器人使用的平衡控制策略是“静态步行”(staTIc walking)。这种策略的特点是:机器人步行的过程中,重心(COG,Center of Gravity)的投影始终位于多边形支撑区域(support region)内,这种控制策略的好处在于:机器人可以在行走动作中停止而不摔倒,但代价是行动速度非常迟缓(每一步需要花费10 秒甚至更长,因为需要保持重心的投影始终位于支撑区域,否则将不稳定)。


 

因为静态步行和人类的期望相差甚远,于是人类开发出来了另一种步行平衡策略——“动态步行”(dynamic walking)。在动态步行中,机器人的行动速度被提升至了每步不超过 1 秒。但其弊端也是显而易见的,机器人难以在运动的状态下立即停顿(惯性的作用),从而使得机器人在状态转换的过程中变得不稳定。为了解决惯性带来的影响,零力矩点(ZMP,zero moment point)被引入到了这一控制策略中。在单脚支撑相中,ZMP=COG。其好处在于,当 ZMP 严格的存在于机器人的支撑区域中,机器人则绝对不会摔倒。

双足平衡的主流——基于 ZMP 的动态步行

现在双足平衡的主流是用基于 ZMP 的动态步行。从上述的基本内容来看,双足机器人的一条腿就可以抽象成控制系统中最基本的“倒立摆”模型。

由于复杂地形的双足平衡无法由单一的控制器实现,所以多个控制器的切换策略被用于解决平衡问题。在这一个策略中,机器人的行走被设定为一个周期(cycle)每一个周期被分成了不同的行走阶段(stage),如下图所示:

直立姿态控制器(Upright Pose Controller )

这种控制器可以使机器人在倾斜地形中始终保持直立姿势,从而保持整个机体的平衡。对于双足机器人而言,倾斜地形的“全局倾斜角”的测量就显得尤为重要。一般采用的测量方法是在机器人的躯体内部安装一个 2 轴的加速度计,再加上一个低通滤波器就可以构成一个倾斜计。

对于机器人的俯仰姿态控制,在规定的踝关节轨迹上,直立姿态控制器附加了含有俯仰误差的 PI 控制器:

直立姿态控制器则可由下列等式实现:

下图更加直观的反映出了使用控制器之前与之后的俯仰控制平衡性差异:

下图显示了使用控制器之前与之后的侧倾控制平衡性差异:

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饭来张口、衣来伸手这是懒人们的理想境界,事实上,在懒人们孜孜不倦的追求中,扫地机器人已经开始进入了万...

发表于 2018-05-17 07:31 304次阅读
这款清理冰箱的智能机器人只有半罐可乐大小

一种对于分散式交易市场中基于智能体的服务提供者的...

我们的验证方法可以(1)直接实现到一个共识协议中,或(2)实现作为分散式区块链应用程序的一部分。在前...

发表于 2018-05-16 17:31 477次阅读
一种对于分散式交易市场中基于智能体的服务提供者的...

波士顿动力公布改进后的Atlas,在实验室里它完...

想让一个双足人形机器人有效地走动、不摔倒已经非常困难了,更别说完成上面这一连高难度动作。不同于四足机...

发表于 2018-05-16 17:23 910次阅读
波士顿动力公布改进后的Atlas,在实验室里它完...

京东众筹破百万,“阿尔法蛋”智能机器人面世

学习从来不是一件容易的事儿,孩子想边玩儿边学,家长想因材施教,其实,我们可以让学习变得灵活好玩儿又有...

发表于 2018-05-16 17:04 1138次阅读
京东众筹破百万,“阿尔法蛋”智能机器人面世

科技育儿产品Gululu互动水杯_科技助力提升育...

近几年,随着儿童智能手表、机器人、学习机、故事机和音箱等科技产品迅速走进家长的视野,人们愈发意识到科...

发表于 2018-05-16 15:35 338次阅读
科技育儿产品Gululu互动水杯_科技助力提升育...

中国能否主宰半导体和机器人等下一代技术

然而,中国本土的科技巨头和全球品牌依旧寥寥无几——而这也是中国政府竭力游说特朗普政府撤销对电信市场领...

发表于 2018-05-16 10:04 477次阅读
中国能否主宰半导体和机器人等下一代技术

BigThing推荐关于人工智能十本佳作

该书的作者和记者John Markoff提供了机器人和人工智能领域的翔实历史。他对人类社会之间的相互...

发表于 2018-05-16 09:14 368次阅读
BigThing推荐关于人工智能十本佳作

再战南京!RM2018中部分区赛群雄逐鹿,一战方休!

发表于 2018-05-15 21:12 306次阅读
再战南京!RM2018中部分区赛群雄逐鹿,一战方休!

走直线很难吗?陀螺仪表示,少了它机器人连直线都走不了

发表于 2018-05-11 11:52 146次阅读
走直线很难吗?陀螺仪表示,少了它机器人连直线都走不了

走到哪都不会迷路,全自动机器人是怎么导航的?

发表于 2018-05-11 11:51 202次阅读
走到哪都不会迷路,全自动机器人是怎么导航的?

机器人也能感知?一篇文章告诉你传感器的秘密

发表于 2018-05-11 11:34 203次阅读
机器人也能感知?一篇文章告诉你传感器的秘密

机器人也可以通信?不仅可以,而且还是用Wi-Fi交流!

发表于 2018-05-11 11:32 114次阅读
机器人也可以通信?不仅可以,而且还是用Wi-Fi交流!

基于树莓派与神经网络自动驾驶机器人

发表于 2018-05-03 20:19 788次阅读
基于树莓派与神经网络自动驾驶机器人

【下载】《机器人学、机器视觉与控制――MATLAB算法基础》

发表于 2018-04-08 18:19 3423次阅读
【下载】《机器人学、机器视觉与控制――MATLAB算法基础》

某工厂自己生产自己使用的六轴机器人修复与使用体会。

发表于 2018-03-24 12:07 944次阅读
某工厂自己生产自己使用的六轴机器人修复与使用体会。

【DIY】制作基于stm32f103vct6+mpu6050+ak8975+dht11的小六足机器人(这次应该有图片了)

发表于 2018-03-22 14:28 1009次阅读
【DIY】制作基于stm32f103vct6+mpu6050+ak8975+dht11的小六足机器人(这次应该有图片了)

写一个关于判断机器人走出红外区域的程序

发表于 2018-03-20 23:15 362次阅读
写一个关于判断机器人走出红外区域的程序