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Esta pesquisa visa desenvolver uma estrutura de controle para locomoção estável em robôs bípedes usando um modelo de ordem reduzida.

May 24, 2026Open Access

Um Modelo de Ordem Reduzida em Centro de Massa Variável e uma Estrutura de Controle Preditivo de Modelos para Caminhada Bípede Estável

Key Points

Esta pesquisa visa desenvolver uma estrutura de controle para locomoção estável em robôs bípedes usando um modelo de ordem reduzida.
Desenvolveu uma estrutura de controle preditivo de modelos baseada em uma representação de centro de massa variável.
Validou a estrutura através de três campanhas de simulação usando um robô bípede de 130 cm de altura.
Empregou equações de Newton-Euler discretizadas em uma formulação de passo fixo para otimização de trajetória.
Alcançou forças de reação verticais em torno de 235 N, alinhando-se com o peso do robô.
O rastreamento da velocidade para frente respondeu dentro de dois segundos a mudanças de passo de mais/menos 0,1 m/s.
Suprimido com sucesso um deslocamento de 9 cm do centro de massa, eliminando o viés de pitch e a deriva para frente.

Abstract

A locomoção estável de robôs bípedes subatuados continua a ser um problema em aberto devido à forte não linearidade, dinâmicas de contato híbrido e ao inevitável desajuste entre o centro de massa (CoM) modelado e físico. Este artigo propõe uma estrutura integrada de otimização de trajetória e controle preditivo de modelos (MPC) construída em torno de uma representação de dinâmica de corpo rígido de ordem reduzida (SRBD) aumentada com um sistema de coordenadas de centro de massa variável. O novo sistema introduz um deslocamento ajustável entre o sistema de corpo geométrico e o verdadeiro centro inercial, permitindo a compensação online de mudanças na carga, tolerâncias de fabricação e erros de modelagem sem alterar a descrição cinemática da plataforma. As equações de Newton-Euler são discretizadas em uma formulação de passo fixo e incorporadas em um programa quadrático de horizonte finito que regula simultaneamente a atitude do corpo e o movimento linear e angular do CoM, respeitando os limites de cone de atrito e reação do solo em ambos os pés. O esforço de contato ótimo é então redistribuído para as articulações atuadas por um mapeador de corpo inteiro. A estrutura é validada em três campanhas de simulação MuJoCo em um bípede de 130 cm, 28 kg, com dez graus de liberdade. O passo no lugar gera forças de reação verticais fisicamente consistentes (pico de aproximadamente 235 N, correspondendo ao peso estático da plataforma); o acompanhamento da velocidade para frente se estabiliza em cerca de dois segundos para mudanças de passo de mais/menos 0,1 m/s; e um deslocamento de 9 cm do CoM que de outra forma produziria aproximadamente 0,025 rad de viés de pitch e aproximadamente 0,05 m/s de deriva para frente é completamente suprimido pela compensação proposta. Os resultados indicam que o emparelhamento de um modelo de ordem reduzida com uma correção explícita de viés do CoM produz um controlador numericamente leve, mas robusto, bem adequado para implantação a bordo em plataformas humanoides de pequeno porte.

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