利用简单模型控制全身人形机器人的推拉恢复60

利用简单模型控制全身人形机器人的推拉恢复2论文提案概述简单的模型可以用来简化复杂机器人全身推力恢复的控制。3战略决策和未来行动的优化具有质心和两个脚的简单近似动力学模型反应式全身力控制动机通过专注于能够捕捉所需行为重要特征的更简单模型，简化控制器设计，从而提高复杂机器人的性能和实用性。使动态机器人能够在日常不确定环境中与人安全互动通过模拟人类平衡感知、规划和运动控制，帮助平衡障碍患者。4人形平衡方法5控制复杂机器人采用简单模型对推送做出反应面向未来进行优化ZMP预览控件

S.Kajita等人，'03反射控制普拉特，98届Yin等人，'07盖尔'09被动动态行走

McGeer'90基于逆动力学的控制Hyon等人，'07Sentis，07拟开展的工作示例预期贡献通过分析推导出的平衡稳定性界限定义了独特的恢复策略用于规划步骤恢复和其他涉及平衡的行为的最优控制框架通过力控制将为简单模型设计的动态平衡行为迁移到复杂的人形机器人。6大纲双足平衡的简单模型推动恢复策略最优控制框架人形机器人控制拟定工作及时间表7大纲双足平衡的简单模型推动恢复策略最优控制框架人形机器人控制拟定工作及时间表8大纲双足平衡的简单模型推动恢复策略最优控制框架人形机器人控制拟定工作及时间表9大纲双足平衡的简单模型推动恢复策略最优控制框架人形机器人控制拟定工作及时间表10大纲双足平衡的简单模型推动恢复策略最优控制框架人形机器人控制拟定工作及时间表11大纲双足平衡的简单模型推动恢复策略最优控制框架人形机器人控制拟定工作及时间表12简单模型非常简单的动力学模型可以近似地描述全身运动。13作用在质心上的合力导致质心产生加速度。简单双足动力学14质心（COM）足部位置接触力等效的力的原点。

简单双足动力学15压力中心（COP）地面扭矩可用于移动压力中心(COP)或对质心(COM)施加力矩。简单双足动力学16角动量支撑面决定了压力中心(COP)的范围，进而决定了

重心(COM)上的最大力。简单双足动力学17瞬时三维双足运动动力学在接触力中形成线性系统。简单双足动力学18简单双足逆动力学通常可以使用约束二次规划来求解接触力。最小二乘问题

（二次规划）线性不等式约束脚下的警察摩擦193D线性双足模型线性双足模型是通过做出一些额外假设而得出的一个特例：零垂直加速度关于质心的力矩之和为零力/力矩呈线性分布20参考：Stephens，“用于动态人形平衡的3D线性双足模型”，提交至ICRA2010线性双支撑区采用固定的双支撑相转移策略，权重可以由线性函数定义。21旋转坐标系线性加权函数参考：Stephens，“周期性人形机器人的建模与控制”“使用线性双足模型实现平衡”，Humanoids2009使用线性双足模型接触力和相变的解析解可以对平衡控制进行显式建模。22简单模型的推送恢复策略简单的模型动力学定义了独特的类人恢复策略23三种基本策略通过简单的模型，我们可以描述三种基本的推力恢复策略，这些策略在人类身上也有观察到。1.2.3.24踝关节策略假设：零垂直加速度COM周围无扭矩限制条件：支持基础内的COP

25参考：Kajita,S.;Tani,K.,“崎岖地形上动态双足运动的研究——线性倒立摆模式的推导与应用”，ICRA1991踝关节策略26作品质心速度对压力中心(COP)的线性约束定义了一个线性稳定性区域，在该区域内，踝关节策略是稳定的。参考：Stephens，“人形机器人推力恢复”，Humanoids2007髋部策略假设：零垂直加速度将质心视为飞轮限制条件：飞轮“角度”是有限制的27参考：PrattJ、CarffJ、DrakunovS、GoswamiA，“捕获点：迈向人形机器人推动恢复的一步”，《人形机器人》，2006年髋部策略28作品质心速度通过假设飞轮以砰砰控制达到最大角度，定义了髋关节策略的线性界限。Stephens，“人形机器人推力恢复”，Humanoids2007步进迈步可以改变支撑面，从而从更大的推力中恢复过来。简单的模型可以预测迈步时间、迈步位置以及恢复平衡所需的步数。1.2.3.4.作品质心速度29参考：PrattJ、CarffJ、DrakunovS、GoswamiA，“捕获点：迈向人形机器人推动恢复的一步”，《人形机器人》，2006年步进迈步可以改变支撑面，从而从更大的推力中恢复过来。简单的模型可以预测迈步时间、迈步位置以及恢复平衡所需的步数。1.2.3.4.作品质心速度30参考：PrattJ、CarffJ、DrakunovS、GoswamiA，“捕获点：迈向人形机器人推动恢复的一步”，《人形机器人》，2006年步进迈步可以改变支撑面，从而从更大的推力中恢复过来。1.2.3.4.作品质心速度31参考：PrattJ、CarffJ、DrakunovS、GoswamiA，“捕获点：迈向人形机器人推动恢复的一步”，《人形机器人》，2006年步进分析模型可以预测步时、步位以及恢复平衡所需的步数。32反应区

捕获摆动阶段COP的位置捕获区域

捕获步骤的位置，该步骤可导致稳定恢复参考：PrattJ、CarffJ、DrakunovS、GoswamiA，“捕获点：迈向人形机器人推动恢复的一步”，《人形机器人》，2006年策略状态机分析型推送恢复策略可以融入有限状态机框架中，然后生成适当的响应。33踝关节策略时髦的战略步进简单模型查找简单模型推恢复的最优控制对简单模型进行高效最优控制，可以近似实现整个系统的期望行为。34简单模型的最优控制利用简单模型的动力学特性，可以有效地在N步范围内执行最优控制。N步LIPM动力学N步COP输出LIPM动力学COP输出35参考：

Kajita,S.等，“利用零力矩点预览控制生成双足动物行走模式”，ICRA2003简单模型的最优控制给定脚步位置，最优控制可以求解质心的最优轨迹。36目标函数参考：

Wieber,P.-B.，“强扰动下稳定行走的无轨迹线性模型预测控制”，2006年人形机器人会议步进的最优控制可以将脚步位置添加到优化过程中，以确定最佳步态位置和重心轨迹。37参考：Diedam,H.等，“基于线性模型预测控制的自适应足部定位在线行走步态生成”，IROS2008最佳步态恢复（示例）挥杆轨迹优化通过优化，可以生成自然的摆动脚轨迹。39躯干瘦身优化类似地，还可以添加一个对应于躯干的第三个质量块。这可以用来模拟躯干和髋部的小幅旋转策略。40角动量调节围绕质心的大角动量必须迅速耗散才能恢复平衡。角动量耗散有两种简单的途径：41使用固定控制器渐近减小角动量在优化过程中考虑角动量变化。参考：M.Popovic、A.Hofmann和H.Herr，“人类行走过程中的角动量调节：生物力学和控制”，ICRA2004最小方差控制与最小化加加速度轨迹不同，有人提出，更像人类的目标函数可以最小化目标处的方差。42参考：Harris,Wolpert，“信号相关噪声决定运动规划”，《自然》1998基于简单模型的人形机器人控制可以将简单模型的动力学、策略和最优控制相结合，以控制全身推式恢复。43使用简单模型控制复杂机器人简单模型中的策略来控制重心，

可以实现全身平衡。

逆动力学从一组有效的接触力中选择

能够产生所需质心运动的力。

44多变的固定的接触力选择通用人形机器人控制45动力学接触约束期望的

COM运动控制目标姿态偏见多变的固定的接触力选择通用人形机器人控制46多变的固定的接触力选择逆动力学的通解完全通用解许多“权重”需要调整可能选择不良势力加权最小二乘

法解线性不等式约束：脚下的警察摩擦多变的固定的接触力选择前馈力逆动力学使用简单模型预先计算接触力，然后代入动力学模型。48线性系统更容易解决需要调整的“权重”更少更多特定于模型/任务的信息预先计算力可能很困难多变的固定的接触力选择简单模型政策加权

逆动力学根据最优控制器自动生成权重。二阶价值函数模型确定了应用非最优控制的成本函数。49多变的固定的接触力选择简单模型政策加权

逆动力学利用该简单模型，可以将成本函数转换为逆动力学的权重。50多变的固定的接触力选择平衡期间的任务控制建模为作用于系统的虚拟外力/力矩虚拟COM动力学虚拟人形动力学51参考：PrattJ.等人，“虚拟执行器控制”，IROS1996全身推式恢复模拟52机器人推力恢复实验53拟开展的工作54拟开展的工作Sarcos人形机器人上实现类人推力恢复策略55拟开展的工作56

简单模型动力学

简单模型逆动力学

站立平衡策略

步进策略

策略切换状态机

步进的最优控制

模型扩展（摆动腿动力学、髋部策略等）

采用序列二次规划法确定最优步长

二阶优化生成局部值函数近似

全身逆运动学跟踪最优方案

用于站立平衡的力前馈逆动力学

用于步进的力前馈逆动力学

政策加权逆动态

鲁棒性的积分控制完全的进行中待完成简单模型的滚动时域控制整个系统不会完全符合简单的模型，但通过在不断缩小的时间范围内重新优化，控制可以对小误差具有鲁棒性。57简单模型的二阶优化二阶优化方法可以得到沿轨迹的值函数的局部近似值。58目标初始状态值函数的局部二阶模型最优轨迹二阶模型描述了采取除最优行动之外的其他行动的相对成本。简单模型政策加权逆动力学序列二次规划SQP用于解决非线性问题：步进时间优化现有的最优控制框架只有在假设步长固定的情况下才是线性的。双支撑约束由于步长位置是可变的，因此真正的双支撑约束是非线性的。分析模型可用于估计固定值或提供良好的初始猜测。59积分平衡控制二阶滑模控制相关的积分平衡控制，此前已应用于人形机器人的平衡控制。这种方法能否将简单系统的鲁棒控制迁移到全身？60参考：Stephens，“人形机器人平衡的整体控制”，IROS2007Levant，“滑模控制中的滑模阶数和滑模精度”，《控制杂志》，1993年时间线2009