Точка нулевого момента: Основы динамической устойчивости при движении шагающих роботов
Zero moment point
Точка нулевого момента – ключевое понятие в динамике ходьбы роботов (гуманоидных, четвероногих). Обеспечивает устойчивость, балансируя силы и момент инерции.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Нулевой момент (также называемый точкой нулевого момента наклона) — это концепция, относящаяся к динамике и управлению движением на ногах, например, у гуманоидных или четвероногих роботов. Она определяет точку, относительно которой реакции сил в точках контакта между стопами и землей не создают момента в горизонтальной плоскости, то есть точку, в которой суммарный горизонтальный момент инерции и силы тяжести равны нулю. Данная концепция предполагает, что площадь контакта плоская и обладает достаточным трением, чтобы предотвратить скольжение стоп.
The zero moment point (also referred to as zero tilting moment point) is a concept related to the dynamics and control of legged locomotion, e. g., for humanoid or quadrupedal robots. It specifies the point with respect to which reaction forces at the contacts between the feet and the ground do not produce any moment in the horizontal direction, i. e., the point where the sum of horizontal inertia and gravity forces is zero. The concept assumes the contact area is planar and has sufficiently high friction to keep the feet from sliding.
Введение
Эта концепция была представлена сообществу исследователей локомоции в январе 1968 года Миомиром Вукобратовичем и Давором Юричичем на Третьем Всесоюзном конгрессе теоретической и прикладной механики в Москве. Сам термин «точка нулевого момента» был сформулирован в последующих работах между 1970 и 1972 годами и широко и успешно воспроизводился в исследованиях робототехнических групп по всему миру. Точка нулевого момента является важной концепцией при планировании движения двуногих роботов. Поскольку у них всего две точки контакта с полом, и они должны ходить, бегать или прыгать (в контексте движения), их движение необходимо планировать с учетом динамической устойчивости всего тела. Это непростая задача, особенно потому, что верхняя часть тела робота (торс) обладает большей массой и инерцией, чем ноги, которые должны поддерживать и перемещать робота. Это можно сравнить с задачей балансировки перевернутого маятника. Траектория ходьбы робота планируется с использованием уравнения углового момента, чтобы гарантировать, что генерируемые траектории суставов обеспечивают динамическую устойчивость робота, которая обычно оценивается по расстоянию от точки нулевого момента до границ заранее определенной области устойчивости. На положение точки нулевого момента влияет масса и инерция торса робота, поскольку его движение обычно требует значительных угловых моментов для поддержания удовлетворительной динамической устойчивости. Один из подходов к решению этой проблемы заключается в использовании небольших движений торса для стабилизации позы робота. Однако разрабатываются новые методы планирования, определяющие траектории звеньев ног таким образом, чтобы торс робота естественным образом ориентировался, уменьшая крутящий момент в голеностопном суставе, необходимый для компенсации его движения. Если траектория для звеньев ног хорошо проработана, точка нулевого момента не выйдет за пределы заданной области устойчивости, и движение робота станет более плавным, имитируя естественную траекторию.
This concept was introduced to the legged locomotion community in January 1968 by Miomir Vukobratović and Davor Juričić at The Third All Union Congress of Theoretical and Applied Mechanics in Moscow. The term "zero moment point" itself was coined in works that followed between 1970 and 1972, and was widely and successfully reproduced in works from robotics groups around the world. The zero moment point is an important concept in the motion planning for biped robots. Since they have only two points of contact with the floor and they are supposed to walk, “run” or “jump” (in the motion context), their motion has to be planned concerning the dynamical stability of their whole body. This is not an easy task, especially because the upper body of the robot (torso) has larger mass and inertia than the legs which are supposed to support and move the robot. This can be compared to the problem of balancing an inverted pendulum. The trajectory of a walking robot is planned using the angular momentum equation to ensure that the generated joint trajectories guarantee the dynamical postural stability of the robot, which usually is quantified by the distance of the zero moment point in the boundaries of a predefined stability region. The position of the zero moment point is affected by the referred mass and inertia of the robot's torso, since its motion generally requires large angle torques to maintain a satisfactory dynamical postural stability. One approach to solve this problem consists of using small trunk motions to stabilize the posture of the robot. However, some new planning methods are being developed to define the trajectories of the legs’ links in such a way that the torso of the robot is naturally steered in order to reduce the ankle torque needed to compensate its motion. If the trajectory planning for the leg links is well formed, then the zero moment point won't move out of the predefined stability region and the motion of the robot will become smoother, mimicking a natural trajectory.
Приложения
Точка нулевого момента была предложена в качестве метрики для оценки устойчивости к опрокидыванию роботов, таких как iRobot PackBot, при движении по наклонным поверхностям и преодолении препятствий.
Zero moment point has been proposed as a metric that can be used to assess stability against tipping over of robots like the iRobot PackBot when navigating ramps and obstacles.