双足机器人有哪些常见的平衡算法?

如题所述

在最开始的双足机器人使用的平衡控制策略是“静态步行”(static walking)
这种策略的特点是:机器人步行的过程中,重心(COG,Center of Gravity)的投影始终位于多边形支撑区域(support region)内,
这种控制策略的好处在于:在整个的行进过程中,机器人可以在行走动作中停止而不摔倒,但代价是行动速度非常迟缓(每一步需要花费10秒甚至更长)(因为需要保持重心的投影始终位于支撑区域,否则将不稳定),因为静态步行和人类的期望相差甚远,
于是人类开发出来了另一种步行平衡策略:“动态步行”(dynamic walking)。
在动态步行中机器人的行动速度被提升至了每步不超过1秒。但是弊端也是显而易见的,机器人难以在运动的状态下立即停顿(惯性的作用),从而使得机器人在状态转换的过程中变得不稳定。为了解决惯性带来的影响,零力矩点(ZMP,zero moment point)被引入到了这一控制策略中。在单脚支撑相中,ZMP=COG。引入ZMP的好处在于,如果ZMP严格的存在于机器人的支撑区域中,机器人绝对不会摔倒。
Xzmp代表正向ZMP,Xmc代表质量中心的前进位移,l是倒立摆的长度,g是重力加速度。
由于复杂地形的双足平衡无法由单一的控制器实现,所以多个控制器的切换策略被用于解决平衡问题。在这一个策略中,机器人的行走被设定为一个周期(cycle)每一个周期被分成了不同的行走阶段(stage)

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第1个回答  2017-12-05

2011年的时候,德国航空航天局下属的机器人学和机电学研究所(Institute of Robotics and Mechatronics)发布了一款名为“DLR”的机器人(如下图所示)
它是由Christin Ott及其带领的团队一起研发的,和一般基于ZMP的双足机器人不同,DLR并不依赖于ZMP的辅助控制。德国人给它的定义是“Torque controlled humanoid robot"即基于力矩调节控制的机器人。
力矩调节的核心思想是“当机器人受到外界的干扰时,预期的力和力矩可以同时作用以使得机器人始终保持平衡(如下图)
DLR机器人采用的控制器是一个名叫“grasping-inspired controller ”(实在是只能意会)这个控制器实现的算法是一种优化算法,这种算法可以计算上述平衡策略中所需要的力和力矩,从而抵消外界扰动。

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第2个回答  2017-12-03

Passive walker 最简单,主要是关节少 驱动器少,直接找到稳定的周期轨道就可以控制平衡,在平地上走很长时间。最开始的工作始于 McGeer的 Passive dynamic walker 自己走下滑坡。
ZMP ; capture point ; HZD 控制的都是多自由度 多输入的机器人,他们共同的思路就是:降维。具体方法略有不同。
ZMP 的降低维度方法是把机器人抽象成质心,通过调节质心的加速度使得机器人的ZMP稳定在设计好的ZMP附近.
capture point 跟ZMP直接相关,就是把质心动力学进一步从二阶线性微分方程化简为关于Capture point的一阶线性微分方程,通过调节ZMP使得机器人的capture point 未定在设计好的Capture point附近。
HZD的方法和之前的都不一样,但是最体现出降维的思想。通过“部分反馈线性化”,把机器人动力方程划分成内动态和外动态。内动态虽然不受输入控制,确是周期稳定的(一个周期包括single stance, double stance, impact).

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