53、机器人关节扭矩与地面反作用力估计及预定义时间外力估计方法

机器人关节扭矩与地面反作用力估计及预定义时间外力估计方法

1. 引言

多足机器人在机器人研究领域受到广泛关注。相较于轮式机器人，四足机器人具备更好的灵活性和移动性，可用于完成复杂任务，如在复杂环境中导航、地下矿区巡逻、爬楼梯、行星探索等。准确估计地面反作用力和接触状态对于设计稳健稳定的控制器至关重要。

接触力估计和接触检测方法主要分为三类：
- 添加外部力传感器：可靠的力传感器通常价格昂贵，且在机械安装上存在困难，部分传感器还易受冲击而性能下降甚至损坏。
- 基于学习的方法：需要大量可信数据集和真实标签，而这些往往难以获取。
- 基于模型的观测器设计：不受上述问题限制，在机器人模型具有一定精度时，具有良好的估计性能。

在观测器设计中，收敛时间是一个重要因素。有限时间观测器、固定时间观测器和预定义时间观测器相继被提出。与传统渐近收敛观测器相比，这些观测器具有更快的收敛速度、更高的精度和对不确定性的鲁棒性。其中，预定义时间观测器能完全消除所有依赖，收敛时间可由观测器任意给定。

本文提出了一种新型预定义时间动量观测器（PTO），用于估计四足机器人的外力。主要贡献如下：
1. 推导了基于动量的二阶标准观测器形式，并提出了基于该标准形式的新型预定义时间观测器（PTO）。与SOSM观测器和HGO观测器相比，PTO具有更好的收敛性和对测量噪声的低敏感性。
2. 基于标准观测器形式，提出了高增益观测器（HGO）。在模拟四足机器人中比较了一阶动量观测器、二阶滑模动量观测器、HGO和PTO的性能。
3. 从理论上保证了所提出观测器的稳定性和预定义时间收敛性。

2. 预备知识与问题描述