[论文解读] Assessing Whole-Body Operational Space Control in a Point-Foot Series Elastic Biped: Balance on Split Terrain and Undirected Walking

Donghyun Kim, Ye Zhao+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2015

Robotic Locomotion and Control参考文献 31被引用 7

一句话总结

本文首次在具有串联弹性执行器的点足串联弹性双足机器人上实现了全身操作空间控制（WBOSC），实现了在高倾角分体地形上的动态平衡与无方向行走。通过集成反馈控制的内部力调节与一种新型在线轨迹生成算法，该系统在软硬件协同实验与基于物理的仿真中均实现了稳定、敏捷的运动。

ABSTRACT

In this paper we present advancements in control and trajectory generation for agile behavior in bipedal robots. We demonstrate that Whole-Body Operational Space Control (WBOSC), developed a few years ago, is well suited for achieving two types of agile behaviors, namely, balancing on a high pitch split terrain and achieving undirected walking on flat terrain. The work presented here is the first implementation of WBOSC on a biped robot, and more specifically a biped robot with series elastic actuators. We present and analyze a new algorithm that dynamically balances point foot robots by choosing footstep placements. Dealing with the naturally unstable dynamics of these type of systems is a difficult problem that requires both the controller and the trajectory generation algorithm to operate quickly and efficiently. We put forth a comprehensive development and integration effort: the design and construction of the biped system and experimental infrastructure, a customization of WBOSC for the agile behaviors, and new trajectory generation algorithms. Using this custom built controller, we conduct, for first time, an experiment in which a biped robot balances in a high pitch split terrain, demonstrating our ability to precisely regulate internal forces using force sensing feedback techniques. Finally, we demonstrate the stabilizing capabilities of our online trajectory generation algorithm in the physics-based simulator and through physical experiments with a planarized locomotion setup.

研究动机与目标

• 开发并验证一种用于不稳定、复杂环境中敏捷双足行走的全身操作空间控制框架。
• 通过整合高带宽反馈以实现内部力调节，解决固有不稳定的点足双足机器人控制难题。
• 设计一种新型在线轨迹生成算法，实现在平坦地形上的无方向行走，无需预设步态序列。
• 通过仿真与实物实验，证明WBOSC在物理硬件中实现动态、接触丰富的行为的可行性，拓展了以往仅限于仿真的结果。
• 建立全面的实验基础设施，用于测试基于自研串联弹性驱动机器人实现的敏捷双足控制。

提出的方法

• 通过任务雅可比矩阵 $ J_{\rm task}^{*} $ 与零空间投影 $ L^{*} $ 的正交控制结构，将WBOSC适配以同时调节操作空间加速度与内部力。
• 利用约化雅可比矩阵 $ J_{i|l}^{*} $ 与期望内部力向量 $ F_{\rm int,ref} $ 实现内部力的反馈控制，精确调控接触力分布。
• 开发了一种新型在线轨迹生成算法，可在实时动态调整步态参数，以在仿真与物理实验中稳定实现无方向行走。
• 通过力传感反馈调节高倾角分体地形平衡过程中的内部力，实现对双支撑点接触力分布的精确控制。
• 针对具有串联弹性执行器的点足机器人定制WBOSC框架，将执行器动力学与传感器反馈整合至控制回路。
• 结合基于模型的控制律与重力及科里奥利/离心力补偿，通过 $ \boldsymbol{\tau}_{\rm control} = J_{\rm task}^{*\top}F_{\rm task} + L^{*\top}\tau_{\rm int} $ 确保稳定的闭环动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在具有串联弹性执行器的点足双足机器人上成功实现全身操作空间控制，以实现高倾角分体地形上的动态平衡？
• RQ2 在双接触操作中，如何有效调节内部力以稳定固有不稳定的点足双足机器人？
• RQ3 何种轨迹生成策略可在平面双足系统中实现无需预设步态序列的稳定无方向行走？
• RQ4 传感器反馈的内部力调节在不平坦或不稳定地形上的平衡性能改善程度如何？
• RQ5 所提出的WBOSC框架在物理硬件中实现敏捷动态行走的能力在多大程度上得到验证，通过仿真与实际实验？

主要发现

• 首次在点足双足机器人上实现了WBOSC的物理实现，展示了对操作空间运动与内部力的实时控制。
• 系统成功实现了在高倾角分体地形上的平衡，力传感反馈使内部力得以精确调节并维持稳定。
• 新型在线轨迹生成算法在基于物理的仿真与实际实验中均实现了稳定的无方向行走，适用于平面化运动构型。
• 内部力反馈的集成显著提升了双接触操作中的动态稳定性，降低了对机械约束的依赖。
• 控制框架对模型不准确性与执行器动力学表现出鲁棒性，实际中对质量矩阵变化的敏感度极低。
• 实验结果证实，结合内部力反馈的WBOSC在点足双足系统中对敏捷行为（如分体地形平衡与无方向行走）具有显著有效性。