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【天富主管】两条机器腿上装了被动轮后运动得更为稳定!

该研究提出了一种利用被动轮连接到双足机器人脚上的腿轮机器人的运动方法。该方法的主要特点是没有摆动腿的双足移动性。这种移动性有助于在运动过程中基于支撑多边形的扩张的稳定性,对障碍物和停止防止跌倒的鲁棒性,以及通过防止身体侧向摆动的适应性。为了实现这些目标,研究者提出了稳定裕度最大化的方法,以优化支撑多边形的重心投射和防止跌倒功能,在实际环境中,这是一个困难的情况下,防止意外跌倒的唯一规划。最后,研究者将所提出的方法应用于通过运动的腿轮阶段,并通过使用实际双足机器人的实验来验证其贡献。该研究以“Locomotion approach of bipedal robot utilizing passive wheel without swing leg based on stability margin maximization and fall prevention functions”为题于2020年10月15日发布于《ROBOMECH Journal》杂志上。

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实验背景与研究过程

对腿轮机器人的一些研究是由腿机器人和轮式机器人的集成组成的。腿机器人具有多种环境的多功能步态运动优势,轮式机器人具有稳定高效的运动优势。由于以往有关腿轮机器人的研究,四足类和双足型。双足式腿轮机器人利用腿的Stewart平台机构,实现了双足行走与车轮运动之间的转换。并使额外的执行机构在膝盖上作为主动驱动轮。该研究旨在建立一种基于脚后跟滚动被动轮滑脚的小腿轮式机器人的运动方式。如图所示,没有复杂的连杆机构和附加的执行机构,这种运动方式只是通过将被动轮附加到双足机器人的脚跟来实现。在腿轮机器人中,采用被动轮有几个优点,同时也具有连接简单的优点。即使一般的腿轮机器人由于车轮驱动系统的事故和路面状况不能主动驱动其车轮,配备被动轮的腿轮机器人也有可能通过驱动其他腿关节来进行运动。此外,将被动轮集成到机器人系统中,可以使被动轮关节减轻由腿和地组成的封闭连杆系统内的内力,从而使其在外部环境下的顺应性运动。

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图为无摆动腿被动轮双足机器人的运动方式

无摆动腿是双足机器人被动轮运动的主要特点。该特征有助于(1)支撑多边形在运动过程中的扩展,(2)对障碍物的鲁棒性和停止性,以及(3)防止身体横向摆动。“利用被动轮无摆动腿运动的关键特征”一节详细介绍了这些特点。稳定性裕度最大化部分提出了优化机器人重心投影以实现运动的规划。第一节“预防跌倒的功能”提出了在实际环境中预防跌倒的策略,这是一种困难的情况,只有通过规划才能预防。“实验”部分验证了所提出的两足机器人运动方法的有效性和可行性。

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图为无摆动腿运动的主要特点及贡献

一般情况下,当机器人重心投影点存在于支撑多边形中时,机器人是静态稳定的。在这里,重心投影点是从机器人重心到地面的垂直点的一英尺。因此,当机器人重心被投影到支撑多边形内的某个点上时,就可以实现稳定性保证的规划。研究者考虑支持多边形内某个点的最优位置。这个最佳位置是重心投影的目标。该研究所要优化的指标是稳定性和稳定裕度的概念。

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图为n-侧支撑多边形和重心投影

将稳定性裕度最大化方法应用于带被动轮的双足机器人。阐明了该腿轮机器人支撑多边形的定义.如图所示。

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研究者将双足机器人的一条腿落在一个脚底上,另一条腿落在一个被动车轮上的阶段定义为腿轮相位。相对于两腿落地阶段,由于左右侧接触面积的不同,腿轮相位稳定裕度最大化的效果显着。结果表明,稳定性裕度最大化适用于图中的每个腿轮相。

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图为稳定裕度最大化结果和动力学模拟

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图为第三阶段单腿姿势

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图为相位上窄空间的比较

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图为支持多边形和安全区域

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图为绊倒问题

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图为安全区域的力平移

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图为腿轮过渡的框图及解决实际机器人跌落问题的方法

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图为腿轮过渡问题

但是,由于腿轮过渡并不仅仅通过运动恢复来完成,所以需要额外的策略.特别是,基于网络的行为策略是针对稳定裕度的减少而提出的。图中给出了在实际双足机器人上应用横向约束的稳定性裕度最大化的运动实验

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腿轮机器人具有腿机器人在各种环境中行走的能力和轮式机器人稳定高效的移动性。基于该方法的小腿轮机器人利用被动车轮,在干扰混合的环境中,通过移动助推障碍物,可以达到这些能力和移动性。为了明确这种腿轮机器人而不是一般的双足机器人对特定任务是否有用,研究者比较了(A)一般双足行走和(B)提出的移动任务的移动方法和在碎片环境中推开障碍物的方法,如图所示。

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虽然稳定性裕度最大化保证了机器人的鲁棒性,但在存在较大扰动的情况下,机器人仍会遇到绊脚石。研究者在图中展示了这种情况下的预防跌倒的实验。

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实验结论

该研究利用无轮驱动的双足机器人的双脚附加被动轮,建立了无摆动腿的运动方式。该方法提供了基于支撑多边形在运动过程中的稳定性、对外部障碍物的鲁棒性和不跌落紧急情况的鲁棒性,以及对防止身体横向摆动的适应性。为了实现这些特点,该研究提出了稳定裕度最大化和防跌功能。稳定性裕度最大化是将机器人重心投影到由脚底和车轮形成的支撑多边形上的优化方法。防摔功能是真正的机器人在现实环境中对跌落因素的控制策略,只有通过离线规划才能防止跌倒的发生。最后,该研究用实际的双足机器人进行了实验验证。特别地,该研究的实验证明了该方法的稳定性裕度最大化可以降低运动过程中的功率和能量消耗,取得了显著的效果。从图中所示的实验结果可以看出,这种较低的功率和能量消耗是建议的运动。这有助于提高双足机器人的运动效率。

该研究扩展了腿轮机器人的运动方式,在不引入复杂机构的情况下,增加了执行器,修改了电气系统的结构。另一方面,也存在一些缺点,如:(1)运动缓慢;(2)被动车轮在机器人脚跟上向后坠落的风险;(3)对地板环境鲁棒性的限制。 (1)期望提高运动速度,需要从静态运动策略扩展到动态运动策略。将重心轨迹替换为ZMP轨迹是可行的,而ZMP轨迹是该研究提出的稳定裕度最大化的规划方法。(2)该研究证明了即使机器人重心位于图中足底边缘的后部,机器人也不会后退。然而,机器人模型与实际机器人之间的建模误差越大,扰动越大,就会影响机器人向后坠落的风险。研究者认为,制动机器人需要主动轮和被动轮之间的切换,以防止与这些外部因素发生碰撞。 (3该研究在图中演示了运动实验。以及在图中的腿轮过渡的预防措施。在不同的地板条件下(在粗糙的地毯地板和光滑的瓷砖地板上)。在不同的地面条件下,都是平面的,需要进一步的考虑,以验证所提出的在坡地上的移动方法,并确定该腿轮机器人的鲁棒性极限。

参考文献:Kohei Kimura, Noriaki Imaoka, Shintaro Noda, Yohei Kakiuchi, Kei Okada & Masayuki Inaba Locomotion approach of bipedal robot utilizing passive wheel without swing leg based on stability margin maximization and fall prevention functions ROBOMECH Journal 35 (2020)

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