密歇根大学基于模型设计开发双足机器人控制

挑战

研制了一种13自由度欠驱动双足机器人控制系统

解决方案

采用基于模型的设计,利用MATLAB和Simulink对腿部和躯干进行建模,开万博1manbetx发和仿真控制算法,并生成代码进行实时实现

结果

  • 控制器开发加速
  • 注重维持的高级别目标
  • 其他机构采用的方法

“作为一名工程师,我很自然地会从机器人的运动方程、控制和信号方面进行思考。在基于模型的设计中,我可以直接将我的想法表示为模型,然后生成代码在实时硬件上测试它们。”

布莱恩·巴斯,密歇根大学
MARLO,ATRIAS 2.1机器人,由乔纳森·赫斯特和俄勒冈州州立大学动态机器人实验室设计。照片由徐若瑟提供。

开发一种能够像人类一样行走和奔跑的双腿机器人是机器人研究人员的一个关键目标。2011年,密歇根大学教授Jessy Grizzle和一小队博士。学生们和MABEL一起朝着这个目标前进,MABEL是一个两足机器人,它可以跑9分钟英里,并在经过8英寸的台阶后恢复平衡。

MABEL需要一个支撑臂来保持横向稳定性,而它万博1manbetx的继任者MARLO可以在三维空间中自由移动,这使控制设计的挑战复杂化。尽管如此,Grizzle教授和他的学生Brian Buss和Brent Griffin已经开发了实时控制系统,将MARLO带到了MABEL无法走出室外和离开实验室的地方。团队通过使用基于模型的设计加速了开发。

Grizzle说:“通过基于模型的设计,我们可以开发出不仅适用于一个机器人,而且适用于整个系列的控制器。”。“进入我们小组的控制工程师已经熟悉MATLAB。他们不是在C代码中四处寻找指针,而是利用Simulink和Simulink实时建立在这些知识的基础上,从在仿真中验证理论快速过渡到在实时系统上实现理论。”万博1manbetx

挑战

MARLO的每条腿都是一个四连杆机构。支腿由无刷直流电机驱动,无刷直流电机通过机械齿轮和串联弹簧连接到上两个连杆。臀部由躯干的电机驱动。机器人有13个自由度(DOF),但只有6个执行器,基本上是欠驱动的。欠驱动设计产生了更自然的步态,但由于无法直接控制每个自由度,因此它加剧了控制设计的挑战。

在MABEL的早期开发工作中,一位专业程序员研究生用c编写了控制算法。代码运行得很好,但团队的其他成员发现很难理解和修改。为了准备MARLO, Grizzle教授试图通过消除手工编码来加速开发。他需要让他的控制工程学生能够原型算法,通过仿真验证它们,并在支持EtherCAT网络技术的实时硬件上实现它们。万博1manbetx

解决方案

密歇根大学的团队使用了基于模型的MATLAB设计®和Sim万博1manbetxulink®加快MARLO和其他两足机器人实时控制系统的开发。

Buss和Griffin使用MATLAB和符号数学工具箱™ 推导机器人的运动方程和拉格朗日模型。然后,他们编写了一个MATLAB脚本,应用常微分方程求解器计算机器人的闭环动力学并模拟其行为。

在MATLAB中,该团队使用Grizzle团队开发的混合零动力学方法设计了一种非线性控制算法。他们使用最优化工具箱™优化设计,以提高能效,同时满足峰值扭矩、关节角度和边界条件的限制。

研究小组从一个简化模型开始,在这个模型中,机器人的腿被固定在地面上。然后,他们将控制器整合到一个更详细的Simulink模型中,该模型包括顺从的地面反作用力和脚下的滑动摩擦力。万博1manbetx他们用Stateflow®建立机器人状态的顺序决策逻辑模型,包括步态启动序列。

通过仿真验证控制器后,他们使用Simulink编码器从控制器模型生成代码™ 和MATLAB编码器™. 他们编译了代码并将其部署到运行Simulink实时的Speedgoat移动实时目标机器上™.万博1manbetx

在来访工程师Gabriel Buche的协助下,他们通过EtherCAT网络将Speedgoat硬件连接到MARLO的传感器和执行器,使机器人能够在测试过程中自由移动。该团队在MATLAB中对测试数据进行后处理和可视化,并根据分析结果调整控制器增益和其他参数。

MARLO已经在户外行走,团队目前正在改进控制器,使其能够在斜坡和其他不平的地形上行走。

结果

  • 控制器开发加速. Grizzle说:“当学生们从C语言的手工编码转向使用Simulink编码器从模型中生成代码时,我很快就能理解算法的形式,这让人耳目一新。”。“此外,代码生成加快了开发速度,万博1manbetx因为只需少做一步。”

  • 注重维持的高级别目标. Griffin说:“我最初对MATLAB的熟悉程度逐渐扩大,包括Simulink和Simulink编码器的模拟、优化、代码生成等。”。“我可以专注于我们的目标,而不是花时间克服编码障碍,因为我总是有我需要的工具。”万博1manbetx

  • 其他机构采用的方法.Grizzle说:“当其他研究人员看到我们已经直接从MATLAB和Simulink开发的控制器发展到Simulink real-time的实时实现时,他们非常兴奋。”万博1manbetx“我们采用的方法现在正在密歇根大学的其他院系和其他大学的机器人研究人员中使用,包括麻省理工学院和俄勒冈州立大学。”

密歇根大学是全球1300所大学之一,提供校园范围的MATLAB和Simulink访问。通过校园许可,研究人员、教员和学生可以访问最新版本的通用产品配置,供教室、家中、实验室或现场使用。s manbetx 845万博1manbetx