尝试揭开Atlas后空翻的面纱-其背后的技术浅析

看大神如何解析“Atlas的经典动作-后空翻”的技术。

2017年11月16日,一段Atlas跳跃、旋转、后空翻的视频几乎惊艳了整个机器人圈,各大媒体纷纷做了报道。下面回顾下Atlas的经典动作-后空翻。


 
在介绍Atlas后空翻的技术之前,先来介绍些预备知识。
 

1.     Atlas属于Limbed system(Spring Handbook of Robotics的P419-441)的一种类型,贴几张图片吧。

 








 

2.     进一步细化,Atlas属于Legged Robots(Spring Handbook of Robotics的P1203-1263)。

Altas的难点并不是后空翻这个动作,难点是在后空翻前的运动规划和接触地面后的控制(例如如何保持平衡,如何控制接触力等)。


(One of the major difficulties in making a legged robot walk or run is keeping its balance: where should the robot place its feet, how should it move its body in order to move safely in a given direction, even in case of strong perturbations? This difficulty comes from the fact that contact forces with the environment are an absolute necessity to generate and control locomotion, but they are limited by the mechanical laws of unilateral contact)。

(1)    The Dynamic of Legged Locomotion

 

Atlas最为关键的是动力学建模,一般根据Lagrangian和Newton and Euler建立模型,来一段贴图:
 

 
上面的这段话可以解释后空翻实际并不难,下面来解释:
 
在Flight Phases,Atlas并没有与环境接触,因此没有任何的接触力f_i,此时牛顿方程简化为:

公式1

在空中的过程实际是个抛物线运动(此处假设为超级理想情况,便于大众化理解),因此没有办法在空中改变Atlas的运动。上式中的欧拉公式可以简化为:

公式2

在这种情况下,Atlas既可以控制关节的运动,也可以控制整体的旋转,前提是在落地之前。
 
综上所述,在空中运动过程中,Atlas无法改变运动,但是可以改变姿态,也就是后空翻或是前空翻等复杂动作,只要在落地之前完成动作即可。根据角动量守恒原理,Atlas的翻转角速度可以通过脚和头的位置来调控。当然跳以前也需要做步态和运动等的规划。
 
为了方便理解,上面假设Atlas的COM是不变的,实际在空翻过程中,COM是动态变化,可想而知,其控制难度之大。
 
(2)In Contact with the Ground

接触面包括了 flat ground 或是 multiple surfaces等,视频中的接触面近似flat,若是multiple surfaces,在控制上将会更为复杂。
 
无论是什么样的接触面,Atlas与地面接触时的瞬间接触力是非常大的,因此对电机有非常高的要求,BD很聪明,选用了液压伺服控制。若是电机的话,可能分分钟爆掉。即使是液压伺服控制,也要考虑主动或是被动柔顺的控制。
个人觉得落地后的平衡相比于walk或是run的平衡相对简单,若是能将walk或是run过程中的平衡控制好,也许落地后的平衡相对较为容易,但是在跳跃之后与地面接触时的力控制就变成了难点,与环境接触力的控制方法包括主动柔顺和被动柔顺。
 
在空中的时间设计尤为重要,若是时间较短,Atlas完不成空翻动作;若是时间较长,Atlas需要不停地调整姿态,以保证在接触地面前做好平衡的动作。
 
当然整个过程没有那么简单,下面给出参考文献,有兴趣的朋友可以精读下面的内容(Spring Handbook of Robotics的P1206-1263)。
 
① In Contact with a Flat Ground:The Center of Pressure. In Contact with Multiple Surfaces.
② Contact Models.
③ Compliant Contact Models.
④ Rigid Contact Models.
⑤ Hybrid and Nonsmooth Dynamics.
⑥ Stability Analysis - Not Falling Down.
⑦ Generation of Dynamic Walking and Running Motions.
⑧ Motion and Force Control.
⑨ Towards Move Efficient Walking.
⑩ Different Contact Behaviors。


内容实在是太多,不可能通过一篇文章解释清楚,所以只给出了大概的解释和内容,起到抛砖引玉的效果。
 

强烈推荐看一篇论文来了解Atlas:Kuindersma S, Deits R, Fallon M, et al. Optimization-based locomotionplanning, estimation, and control design for the atlas humanoid robot[J]. Autonomous Robots, 2016, 40(3):429-455.


参考文献:Siciliano B, Khatib O. Springer Handbook of Robotics[J]. Springer Handbook of Robotics, 2016.

参与评论

段晋军

东南大学博士,研究方向:智能机器人,研究具体内容:多机器人协作、控制器设计、基于阻抗模型的灵巧双臂位置力协调控制、基于深度增强学习在机器人中的应用等。2015年9月—2016年9月在新加坡南洋理工大学访学。擅长领域:机器人控制器,控制器设计与架构、控制器算法;基于阻抗的双臂位置力协调:包括力控,协调策略等。

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