憑借與人類相似的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)能力，人形機(jī)器人未來有望被廣泛應(yīng)用于各種操作和運(yùn)動(dòng)任務(wù)中，以支持或替代人類工作。
然而，在狹窄受限較多的工作環(huán)境中，要想讓人形機(jī)器人在其中穩(wěn)健工作，必須使其具備多接觸運(yùn)動(dòng)能力。
多接觸運(yùn)動(dòng)不僅涉及機(jī)器人四肢末端的接觸（如手和腳），還涉及四肢中間部位（如膝蓋和肘部）的接觸。
盡管近年來人們對人形機(jī)器人多接觸運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃和控制已經(jīng)進(jìn)行了積極研究，但目前實(shí)現(xiàn)多接觸運(yùn)動(dòng)的人形機(jī)器人大多數(shù)僅限于手和腳，而不是像人類一樣能與整個(gè)身體的任意區(qū)域進(jìn)行接觸。
▍提出新控制方法，實(shí)現(xiàn)全身多接觸運(yùn)動(dòng)
一般來說，我們將涉及機(jī)器人任意身體部位接觸的運(yùn)動(dòng)定義為全身多接觸運(yùn)動(dòng)。
要想實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式，主要面臨兩大挑戰(zhàn)：全身接觸感知的能力，和在多接觸狀態(tài)下的平衡控制。
近日，來自CNRS-AIST JRL和東京理科大學(xué)的研究人員攜手合作，對此進(jìn)行了深入研究，并開發(fā)了一種控制方法。
該方法通過安裝在機(jī)器人身體表面的分布式觸覺傳感器，實(shí)現(xiàn)了全身多接觸運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的力/扭矩傳感器相比，這些薄而靈活的分布式觸覺傳感器能夠在不對機(jī)器人身體形狀進(jìn)行大改的前提下，測量全身接觸情況。這使得機(jī)器人不僅能實(shí)現(xiàn)四肢末端的多接觸運(yùn)動(dòng)，還能通過四肢中間部位（如膝蓋和肘部）進(jìn)行支撐，從而大大提高了機(jī)器人在面對干擾和環(huán)境誤差時(shí)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。
從傳感器的開發(fā)到基于傳感器的運(yùn)動(dòng)生成，關(guān)于人形機(jī)器人觸覺測量的研究范圍雖然廣泛，但除了雙足行走時(shí)機(jī)器人腳底的壓力中心（CoP）和支撐區(qū)域的計(jì)算外，之前很少有研究使用觸覺傳感器進(jìn)行人形機(jī)器人的平衡控制。在本研究中，該團(tuán)隊(duì)明確使用觸覺傳感器來控制全身接觸的人體運(yùn)動(dòng)的平衡。
通過擴(kuò)展以前開發(fā)的有效多接觸運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)為機(jī)器人配備了分布式觸覺傳感器，將測量范圍擴(kuò)展至中間區(qū)域，并通過使用力/扭矩傳感器和分布式觸覺傳感器的反饋控制來穩(wěn)定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與平衡。動(dòng)力學(xué)模擬驗(yàn)證結(jié)果表明，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的觸覺反饋大大提高了全身多接觸運(yùn)動(dòng)對干擾和環(huán)境誤差的穩(wěn)定性。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了模擬世界和真實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)。在測試中，肢體上安裝了分布式觸覺傳感器的真人大小人形機(jī)器人RHP Kaleido展示了各種全身多接觸運(yùn)動(dòng)，如向前邁步并用前臂接觸支撐身體以及以大腿接觸保持坐姿平衡等。這表明，通過研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的控制方法，人形機(jī)器人可以執(zhí)行全身多接觸運(yùn)動(dòng)，并且具有更好的穩(wěn)健性。
該研究成果的相關(guān)論文以“Whole-Body Multi-Contact Motion Control for Humanoid Robots based on Distributed Tactile Sensors”為題發(fā)表在《IEEE Robotics and Automation Letters》上。
接下來，一起來和機(jī)器人大講堂深入探索這一研究成果！
▍兩大實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)？新控制方法如何實(shí)現(xiàn)？
據(jù)了解，研究團(tuán)隊(duì)提出的控制系統(tǒng)由質(zhì)心運(yùn)動(dòng)控制和肢體運(yùn)動(dòng)控制兩部分組成。相比之前開發(fā)的控制系統(tǒng)，新系統(tǒng)增加了基于觸覺傳感器的模塊擴(kuò)展，用于適應(yīng)全身接觸。具體來說：
質(zhì)心運(yùn)動(dòng)控制
其質(zhì)心運(yùn)動(dòng)控制通過作用在機(jī)器人質(zhì)心（Center of Mass, CoM）上的合力矩（Resultant Wrench）來實(shí)現(xiàn)。合力矩由分布在機(jī)器人各接觸區(qū)域的接觸力矩組成，這些接觸力矩基于分布式觸覺傳感器測量的實(shí)際接觸多邊形進(jìn)行在線更新。質(zhì)心運(yùn)動(dòng)規(guī)劃采用模型預(yù)測控制（Model Predictive Control, MPC），以最小化質(zhì)心狀態(tài)與參考狀態(tài)之間的誤差，并通過比例-微分（Proportional-Derivative, PD）反饋控制進(jìn)行質(zhì)心狀態(tài)穩(wěn)定。
肢體運(yùn)動(dòng)控制
其肢體運(yùn)動(dòng)控制通過分布接觸力矩到各接觸區(qū)域來實(shí)現(xiàn)期望的合力矩。力矩分配通過求解一個(gè)二次規(guī)劃問題來完成，確保滿足單邊和摩擦約束。此外，采用阻尼控制（Damping Control）來實(shí)現(xiàn)各接觸區(qū)域的期望接觸力矩，其中分布式觸覺傳感器用于測量實(shí)際接觸力矩。
分布式觸覺傳感
為了實(shí)現(xiàn)全身多接觸運(yùn)動(dòng)控制，研究團(tuán)隊(duì)還在機(jī)器人肢體表面安裝了分布式觸覺傳感器，以獲取關(guān)鍵接觸信息。這些分布式觸覺傳感器由多個(gè)只能測量法向觸覺響應(yīng)的單元組成，數(shù)據(jù)從這些單元轉(zhuǎn)換為接觸力矩，用于阻尼控制。為了在線更新接觸多邊形頂點(diǎn)，系統(tǒng)基于分布式觸覺傳感器的測量估計(jì)接觸表面區(qū)域，并計(jì)算包含所有檢測到接觸的單元的最小矩形作為接觸多邊形。
▍仿真與真實(shí)實(shí)驗(yàn)，證明控制方法可行！
為了驗(yàn)證控制方法的可行性，研究團(tuán)隊(duì)為真人大小人形機(jī)器人RHP Kaleido的前臂和雙腿安裝了了分布式觸覺傳感器電子皮膚，并進(jìn)行了模擬世界和真實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)。
仿真實(shí)驗(yàn)
在動(dòng)力學(xué)模擬器MuJoCo中，研究團(tuán)隊(duì)通過虛擬人形機(jī)器人JVRC13驗(yàn)證了全身多接觸運(yùn)動(dòng)的有效性。仿真實(shí)驗(yàn)涉及肘部接觸行走、膝部接觸站立和大腿接觸坐姿三種運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與沒有觸覺反饋相比，采用觸覺反饋顯著提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的魯棒性。
肘部接觸行走：在有誤差的傾斜墻面上行走時(shí)，采用觸覺反饋的機(jī)器人能夠在更大的墻面高度誤差范圍內(nèi)穩(wěn)定行走，并且改善了僅基于腳部零力矩點(diǎn)（Zero Moment Point, ZMP）的跟蹤性能。
膝部接觸站立：在受到前后方向干擾力時(shí)，采用觸覺反饋的機(jī)器人能夠承受更大的干擾力，保持平衡。
大腿接觸坐姿：在可旋轉(zhuǎn)座椅板上坐姿時(shí)，采用觸覺反饋并更新接觸區(qū)域的機(jī)器人能夠成功保持平衡，避免向后翻倒。
真實(shí)世界實(shí)驗(yàn)
在真實(shí)世界中，研究團(tuán)隊(duì)使用裝備有分布式觸覺傳感器e-skin的人形機(jī)器人RHP Kaleido進(jìn)行了全身多接觸運(yùn)動(dòng)演示。
初步實(shí)驗(yàn)通過人與機(jī)器人前臂的物理交互驗(yàn)證了觸覺反饋的有效性。隨后，機(jī)器人成功執(zhí)行了前臂接觸環(huán)境的行走運(yùn)動(dòng)和僅大腿接觸座椅的坐姿平衡運(yùn)動(dòng)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人能夠在全身多接觸運(yùn)動(dòng)中保持穩(wěn)定，盡管存在環(huán)境誤差和模型誤差。
參考文章
https://ieeexplore.ieee.org/document/10706003
