51、基于SLIP的力驱动机器人肢体与身体组合控制

基于SLIP的力驱动机器人肢体与身体组合控制

1 引言

多年来，人们对双足机器人运动控制和人类步行建模进行了广泛研究。生物学研究通过引入多个步态阶段和事件，深入解析了人类步态，发现了关节运动、相关扭矩、功率发射或吸收等信息。同时，基于弹簧负载倒立摆（SLIP）模型的简化机械步行模型也被用于描述人类步态。

在机器人领域，控制概念可分为数学和生物两类。数学方法注重稳定性证明，如发散分量运动（DCM）控制，主要关注直立身体在双腿运动时的平衡，但不考虑效率和类人特性；轨迹优化方法如混合零动态（HZD）虽注重效率，但预规划轨迹难以应对干扰和模型误差，需结合低效的在线适应策略。生物方法则侧重于重现人类运动，常见方式是将复杂的全身控制分解为多个简单的局部控制器，如为每个模拟肌肉设置小反馈控制器，但缺乏数学模型，难以证明和评估效率等特性。此外，还有一些依赖预定义控制模式的生物方法，其灵活性源于机器人的被动动力学。生物启发行为的双足运动控制（B4lc）是一种混合方法，但缺乏清晰概念，复杂度高且难以管理。

除B4lc外，现有控制方法大多未考虑基于SLIP的步行模型。这些模型不仅能生成主要的自然步态特征，还能进行稳定性证明。因此，引入基于SLIP的机器人抽象模型，有望填补数学和生物控制方法之间的差距。本文提出了一种新的机器人抽象概念——中心质量模型（CMM），它能直接支持生物启发的控制方法，同时其物理简单性允许进行数学证明。

2 中心质量模型

为结合数学和生物控制方法的优势，需要一个简单通用的机器人抽象模型，既能支持自然控制策略，又便于进行数学分析。

从自然步态研究可知，SLIP模型能重现主要的人类步态特征，其简单动力学有助于开发和证明稳