[论文解读] Performance satisfaction in Harpy, a thruster-assisted bipedal robot
本文提出了一种混合控制策略，用于哈皮（Harpy）——一种推进器辅助的双足机器人——以实现鲁棒的周期性行走。该策略结合了单支撑（SS）阶段基于参考调节器的轨迹优化与双支撑（DS）阶段使用推进器的模型预测控制（MPC），即使在冲击引起的偏差下也能确保性能满足与混合不变性，通过推进器实现过驱动，从而在执行器和摩擦约束下实现稳定步态。
We will report our efforts in designing feedback for the thruster-assisted walking of a bipedal robot. We will assume for well-tuned supervisory controllers and will focus on fine-tuning the desired joint trajectories to satisfy the performance being sought. In doing this, we will devise an intermediary filter based on the emerging idea of reference governors. Since these modifications and impact events lead to deviations from the desired periodic orbits, we will guarantee hybrid invariance in a robust fashion by applying predictive schemes within a short time envelope during the double support phase of a gait cycle. To achieve the hybrid invariance, we will leverage the unique features in our robot, i.e., the thruster.
研究动机与目标
- 通过将推进器作为额外的控制输入，提升双足行走在扰动和执行器限制下的鲁棒性。
- 解决在冲击事件和步态转换期间维持性能约束与混合不变性的挑战。
- 通过避免在单支撑阶段进行实时优化，改用参考调节器进行轨迹微调，降低计算成本。
- 利用双支撑阶段作为时间窗口，通过推进器进行预测性校正，以稳定冲击后的动力学行为。
- 确保地面接触约束（摩擦力与法向力）得到满足，同时实现稳定的极限环运动。
提出的方法
- 在单支撑（SS）阶段使用混合零动态（HZD）框架设计稳定行走步态。
- 在等效的可变长度倒立摆（VLIP）模型上应用显式参考调节器（ERG），以强制执行执行器和性能约束。
- 将VLIP模型中的受约束控制动作映射回完整的5-DOF SS动力学模型以实现控制。
- 在10 ms的双支撑（DS）阶段实施非线性模型预测控制（NMPC）方案，以校正冲击后的偏差。
- 利用推进器在DS阶段提供额外的控制能力，以校正状态偏差并确保混合不变性。
- 将摩擦力与法向力约束整合进NMPC公式，确保地面接触的安全性与稳定性。
实验结果
研究问题
- RQ1对于执行器有限且动态快速的双足机器人，如何实现实时满足性能约束？
- RQ2基于参考调节器的方法是否能有效优化期望关节轨迹，使其在不依赖昂贵在线优化的前提下尊重执行器限制？
- RQ3如何将双支撑阶段作为控制窗口，以校正冲击引起的偏差并确保混合不变性？
- RQ4推进器在扰动下能在多大程度上提升双足行走的稳定性与约束满足性？
- RQ5结合HZD驱动的步态设计与DS阶段的预测控制，能否实现稳定且周期性的行走，同时满足物理约束？
主要发现
- 所提出的方案在5次模拟步态中实现了稳定且周期性的行走，零动态状态相图中表现出一致的极限环行为。
- 关节角度与速度轨迹（图5和图6）表现出周期性与平滑过渡，表明成功实现了步态跟踪与稳定。
- 在10 ms双支撑阶段基于NMPC的控制成功校正了冲击后的偏差，表现为状态收敛至期望的零动态流形，如图7所示。
- 摩擦约束在整个DS阶段均被完全满足，如图8所示，切向力与法向力之比始终低于静摩擦系数。
- 推进器使前腿的法向力高于仅靠重力与驱动无法实现的水平，如图9所示，证实其在过驱动与稳定性中的作用。
- 经ERG修正的控制输入（图10和图11）始终在执行器限制范围内，确认了轨迹优化方法的可行性与约束满足性。
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