[论文解读] 3D Underactuated Bipedal Walking via H-LIP based Gait Synthesis and Stepping Stabilization

Xiaobin Xiong, Aaron D. Ames|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2021

Robotic Locomotion and Control被引用 4

一句话总结

本文提出了一种混合-线性倒立摆（H-LIP）框架，用于在Cassie机器人上合成并稳定3D欠驱动双足步行。通过将步长间动力学建模为线性近似，并采用状态反馈步态控制，该方法通过精确调节步长实现了鲁棒的动态行走，在仿真和硬件实验中均验证了其高度的通用性和稳定性。

ABSTRACT

In this paper, we holistically present a Hybrid-Linear Inverted Pendulum (H-LIP) based approach for synthesizing and stabilizing 3D foot-underactuated bipedal walking, with an emphasis on thorough hardware realization. The H-LIP is proposed to capture the essential components of the underactuated and actuated part of the robotic walking. The robot walking gait is then directly synthesized based on the H-LIP. We comprehensively characterize the periodic orbits of the H-LIP and provably derive the stepping stabilization via its step-to-step (S2S) dynamics, which is then utilized to approximate the S2S dynamics of the horizontal state of the center of mass (COM) of the robotic walking. The approximation facilities a H-LIP based stepping controller to provide desired step sizes to stabilize the robotic walking. By realizing the desired step sizes, the robot achieves dynamic and stable walking. The approach is fully evaluated in both simulation and experiment on the 3D underactuated bipedal robot Cassie, which demonstrates dynamic walking behaviors with both high versatility and robustness.

研究动机与目标

• 为解决在具有被动脚部和有限驱动能力的机器人上稳定动态、3D欠驱动双足步行的挑战。
• 开发一种低维、可解析处理的模型（H-LIP），以捕捉欠驱动步态的基本动力学，同时支持系统的步态合成。
• 基于H-LIP的步长间动力学设计一种步态控制器，通过调节步长来稳定机器人质心的运动。
• 在3D欠驱动机器人Cassie上通过实验验证该方法，展示其鲁棒且多功能的动态步行能力。

提出的方法

• 提出混合-线性倒立摆（H-LIP）模型，作为欠驱动双足动力学的混合、被动驱动简化形式，以步长作为控制输入。
• 推导H-LIP的线性步长间（S2S）动力学，以近似实际机器人质心（COM）的S2S动力学。
• 设计一种基于状态反馈的H-LIP步态控制器，利用质心位置和速度误差来计算期望的步长，以实现稳定。
• 将模型-机器人差异视为有界扰动，通过S2S近似确保收敛至不变集。
• 在Cassie机器人上实现基于H-LIP的步态，采用关节级控制器，通过Bézier多项式生成平滑的足部和质心运动轨迹。
• 通过广泛的仿真和硬件实验验证该方法，包括在轻微不平地形上的行走。

实验结果

研究问题

• RQ1 简化的混合模型（H-LIP）能否准确近似3D欠驱动双足机器人的步长间动力学？
• RQ2 H-LIP的线性S2S动力学模型能否为真实机器人系统提供可证明稳定的步态控制？
• RQ3 基于H-LIP的步长调节在真实3D欠驱动机器人（如Cassie）上能否有效稳定动态步行？
• RQ4 H-LIP框架在多大程度上可扩展至粗糙或非平坦地形？
• RQ5 与现有的HZD或SLIP基方法相比，H-LIP方法在性能和鲁棒性方面表现如何？

主要发现

• H-LIP模型通过混合、被动驱动的公式化方式，成功捕捉了3D欠驱动双足步行的基本动力学，且以步长作为控制输入。
• H-LIP的线性S2S动力学提供了可证明稳定的步态控制器，通过调节步长来稳定机器人质心轨迹。
• 基于H-LIP的方法在仿真和硬件实验中均实现了Cassie机器人的鲁棒动态步行，表现出高度的通用性和稳定性。
• 尽管存在模型-机器人差异，该方法通过将其视为有界扰动，确保收敛至不变集，从而实现稳定。
• 该方法在轻微不平地形上得到验证，表明其具有扩展至台阶、斜坡和一般粗糙地形的潜力，前提是进一步优化垂直方向质心控制。
• Bézier多项式的使用实现了足部和质心运动的平滑、高保真轨迹跟踪，支持稳定的步态执行。