機(jī)器人實(shí)現(xiàn)直立行走，核心在于“不摔倒”。這需要同時(shí)解決兩大難題：一是動(dòng)態(tài)平衡，二是擬人步態(tài)。下面按“硬件~算法~流程”三步拆解：

 

 硬件基礎(chǔ)

 骨架與關(guān)節(jié)：采用類(lèi)人髖膝踝三級(jí)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)內(nèi)置高精度編碼器，實(shí)時(shí)反饋角度。

 驅(qū)動(dòng)與能源：伺服電機(jī)或液壓缸提供力矩，配合高能量密度電池，保證長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

 感知系統(tǒng)：

     IMU（慣性測(cè)量單元）以100~500 Hz頻次捕捉姿態(tài)和加速度。

     足底力傳感器監(jiān)測(cè)接觸力，防止滑倒。

     視覺(jué)/激光雷達(dá)提前識(shí)別地形，用于步態(tài)預(yù)判。

 

 核心算法

1. 零力矩點(diǎn)（ZMP）理論  

   把機(jī)器人簡(jiǎn)化為倒立擺，計(jì)算其重心投影。只要ZMP始終落在足底支撐多邊形內(nèi)，機(jī)器人就不會(huì)傾倒。主流做法是用模型預(yù)測(cè)控制（MPC）在線(xiàn)規(guī)劃軌跡，使實(shí)際ZMP緊跟參考ZMP。

 

2. 分層控制架構(gòu)  

    上層：MPC生成未來(lái)幾步的關(guān)節(jié)軌跡。  

    下層：全身動(dòng)力學(xué)模型（WBC）把軌跡轉(zhuǎn)化為各關(guān)節(jié)力矩，補(bǔ)償擾動(dòng)。  

    實(shí)時(shí)補(bǔ)償：當(dāng)檢測(cè)到腳著地沖擊或外力推擠時(shí)，阻尼控制器、ZMP補(bǔ)償器、軟著陸控制器并行工作，吸收振動(dòng)并保持骨盆水平。

 

3. 仿生步態(tài)優(yōu)化  

   通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)或模仿人類(lèi)步態(tài)數(shù)據(jù)，讓機(jī)器人在不同地形（斜坡、碎石）自動(dòng)生成膝關(guān)節(jié)彎曲度、步長(zhǎng)、步速等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)“彎腿走路”的自然調(diào)整。

 

 實(shí)現(xiàn)流程（可落地的5步）

1. 建模：建立機(jī)器人剛體動(dòng)力學(xué)模型，標(biāo)定質(zhì)量、慣量參數(shù)。  

2. 初始化：雙腳并攏站立，IMU校準(zhǔn)零位，ZMP歸零。  

3. 步態(tài)規(guī)劃：設(shè)定目標(biāo)速度，MPC輸出未來(lái)2~3步的足端軌跡與重心參考。  

4. 實(shí)時(shí)控制：  

    讀取IMU、力傳感器數(shù)據(jù)；  

    計(jì)算當(dāng)前ZMP；  

    若ZMP接近支撐多邊形邊緣，立即微調(diào)髖關(guān)節(jié)力矩或提前落腳。  

5. 異常處理：  

    滑倒：足底力突變觸發(fā)緊急阻尼，降低質(zhì)心高度；  

    推擠：上半身IMU檢測(cè)到角加速度，手臂或軀干反向擺動(dòng)補(bǔ)償。