干货丨浅谈足式机器人的运动控制

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本期技术干货，我们邀请到了小米机器人实验室工程师——游洋威，来和大家从经典的三分控制法、零力矩点控制到目前主流的模型预观控制等方面，介绍足式机器人的运动控制。

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一、前言

不论是非洲大草原上高速飞奔的猎豹，青藏高原上灵活跳跃的羚羊，还是万物之灵的人类自己，都无不让人惊叹造物主的鬼斧神工，也激发着人们梦想能有朝一日做出类似的人造物。诸葛亮的木牛流马，达芬奇的发条骑士，都是朝这个梦想前行的脚印。现代科技的高速发展，特别是机器人技术的日渐成熟，让这个梦想越来越贴近现实。虽然目前成熟的机器人技术和应用还主要集中在机械臂和轮式移动机器人上，但大部分人对机器人的第一印象还是像铁臂阿童木一样的仿生拟人的形态，相信也是很多机器人工程师的初心，这篇文章就给大家简单介绍下足式机器人的运动控制。

二、经典

>>>>（1）三分控制法

说到足式机器人，就算不是机器人圈的小伙伴，很多估计也看过Boston Dynamics公司的网红机器人BigDog, Atlas, Spot等等。这些机器人超强的稳定平衡能力和极佳的灵活运动性能让人眼前一亮。虽然Boston Dynamics作为受美国军方资助过的商业公司，对自己的技术守口如瓶，但他们的创始人Mac. Raibert早在80，90年代就已经在MIT Leg Laboratory利用液压驱动器做出了一批令人惊叹的足式机器人。

虽然Boston Dynamics公司现在的运动控制技术可能已经脱胎换骨大不一样了，但Mac. Raibert当时提出的三分控制法[1]，还是非常简洁有效，很有启发借鉴意义的。具体来说，三分控制法将足式机器人的运动控制划分为三部分独立进行控制，比较常见的划分方式是：

利用着地腿的髋关节力矩控制机身姿态

利用着地腿的轴向出力调节机身高度

利用摆动腿的落脚点调节机器人的运动速度

这个控制律人为地将机器人的六维位姿解耦分开，然后用类PID控制器进行控制，非常直观，是一种启发式方法。其中比较有意思的一点是通过落脚点调整机器人的运动速度，它利用了一个简单的原理：以稳定速度运行时，机器人着地和离地轨迹应该绕一个轴线对称，如果要加速脚应该踩在轴线的后方，反之应该前方，这个控制策略可以写成：

式中，xf是期望的足端相对机身的落足点，x'和xd'分别是当前速度和期望速度，Ts是着地时间，kx'是反馈系数。三分控制法的问题是没有利用模型信息，使用