[论文解读] Humanoid Control Under Interchangeable Fixed and Sliding Unilateral Contacts

Saeid Samadi, Julien Roux+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2021

Robotic Locomotion and Control参考文献 42被引用 13

一句话总结

本文提出了一种用于人形机器人的实时全身控制框架，可在非共面多接触场景下实现固定接触与滑动接触之间的无缝切换。通过将质心（CoM）位置和力矩分布建模为基于切比雪夫中心的二次规划问题，该方法避免了昂贵的平衡区域预计算，并在过渡过程中确保主动动态平衡，已在HRP-4机器人上通过力跟踪和复杂任务中的接触模式切换得到验证。

ABSTRACT

In this letter, we propose a whole-body control strategy for humanoid robots in multi-contact settings that enables switching between fixed and sliding contacts under active balance. We compute, in real-time, a safe center-of-mass position and wrench distribution of the contact points based on the Chebyshev center. Our solution is formulated as a quadratic programming problem without a priori computation of balance regions. We assess our approach with experiments highlighting switches between fixed and sliding contact modes in multi-contact configurations. A humanoid robot demonstrates such contact interchanges from fully-fixed to multi-sliding and also shuffling of the foot. The scenarios illustrate the performance of our control scheme in achieving the desired forces, CoM position attractor, and planned trajectories while actively maintaining balance.

研究动机与目标

• 解决在非共面多接触构型下，人形机器人在固定接触与滑动接触之间切换时维持动态平衡的挑战。
• 通过避免预计算传统方法（如GIWC或CoM-支撑多面体）中的平衡区域，克服其计算负担。
• 使所有接触点（固定与滑动）能够共同参与力任务与动态平衡，提升机器人在狭小或复杂环境中的灵巧性。
• 开发一种支持用户自定义接触模式切换（包括接触的移除与重建）的实时控制框架。
• 集成在线摩擦系数估计，以在滑动过程中自适应更新动态摩擦系数，提升力跟踪精度与稳定性。

提出的方法

• 将全身控制问题建模为单一的二次规划（QP）优化问题，利用切比雪夫中心计算安全的质心位置与接触力矩分布。
• 采用任务空间全身柔顺控制，以在滑动与固定接触阶段跟踪末端执行器与足部的期望轨迹及法向力。
• 实现一种在线摩擦系数估计算法，仅在法向力超过阈值时更新动态摩擦系数，提升滑动过程中的鲁棒性。
• 利用切比雪夫中心定义质心的最大鲁棒区域，确保在受 bounded 外部力矩与摩擦锥约束下保持稳定。
• 通过直接实时优化鲁棒质心与力矩解，避免显式计算复杂平衡区域（如GIWC或支撑多面体）。
• 将该方法集成至mc_rtc实时控制框架中，实现QP平均计算时间0.2 ms，完整流水线平均1 ms，远低于5 ms的控制周期要求。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非共面多接触构型下，人形机器人如何在固定接触与滑动接触之间切换时维持动态平衡？
• RQ2 能否通过单一快速优化公式替代传统方法中计算量巨大的平衡区域计算（如GIWC或CoM-支撑多面体）？
• RQ3 滑动接触在多大程度上可被主动用于力任务与平衡控制，而非被视为被动干扰或外部扰动？
• RQ4 在线摩擦系数估计如何提升长时间滑动过程中的力跟踪精度与稳定性？
• RQ5 在复杂多接触场景中，支持按需切换固定与滑动接触模式的统一控制框架性能如何？

主要发现

• 所提出的基于切比雪夫中心的QP公式可在无需预先构建平衡区域的情况下，实现实时安全质心位置与力矩分布计算，显著降低计算开销。
• 系统在HRP-4人形机器人上成功实现了固定与滑动接触模式之间的切换，包括从全固定接触到多点滑动接触以及足部滑行运动。
• 在协同擦拭任务中，末端执行器的力跟踪实现了精确的法向力控制，目标值分别为右手10 N、左手15 N，微小偏差源于环境不确定性。
• 在斜坡上左足滑行动作为成功执行，法向力跟踪稳定，因方向反转产生轻微振荡，力与质心轨迹数据验证了其有效性。
• 切比雪夫QP的平均计算时间为0.2 ms，完整控制框架为1 ms，均远低于mc_rtc框架5 ms的实时控制周期。
• 在线摩擦系数估计成功在滑动过程中自适应调整动态摩擦系数，估计值如图9所示从初始猜测收敛，显著提升了接触切换过程中的鲁棒性。