水下六足机器人非对称五足支撑下融合步态节律规划与姿态反馈的协调稳定性控制

《Journal of Marine Science and Engineering》：Coordinated Stability Control Integrating Gait Rhythm Planning and Attitude Feedback for an Underwater Hexapod Robot with Asymmetric Five-Legged Support

　　

近海底接触作业中的水下六足机器人可能需由一条腿执行接触任务，这降低了剩余非对称五足支撑的稳定性。针对该问题，研究人员提出一种融合步态节律规划与姿态反馈的五足非对称协调稳定性控制方法。该方法将左中腿从左支撑、推进与CPG相位演化中解耦，形成“5+1”非对称支撑基座；在现有仿真中预留腿保持规定安全/任务姿态，同时五足Hopf-CPG（Central Pattern Generator，中枢模式发生器）节律维持非对称支撑下的连续步态。在CPG生成的足端轨迹与逆运动学输入之间引入低带宽姿态反馈调制，以平衡姿态校正与足端接触连续性。全自由度Webots仿真（而非物理近海底实验）表明：在0.8 m/s纵向流速下，相较无反馈策略，该方法使组合姿态均方根（RMS）降低41.52%；相较高增益PD控制，其控制输出均方根变化率降低71.32%。结果证明了在规定任务预留腿姿态下，该方法具备改进的指令平滑性与五足CPG节律的度量级兼容性，瞬态姿态抑制方面存在适度权衡。因此，该方法为在非对称五足支撑下平衡姿态调节与步态节律连续性提供了仿真验证的控制策略。

研究背景方面，随着海洋资源开发、水下基础设施维护及生态监测需求增长，近海底精细接触作业日益重要。现有自由游泳平台（如ROV）依赖多推进器矢量布置实现悬停与巡游，但在近海底复杂环境中，悬停推进会卷起沉积物、扰动珊瑚与光缆等敏感目标，且机械臂操作易与流扰及接触反力耦合，定位精度难以维持。相比之下，底栖多足平台通过离散足-海床接触形成支撑多边形，可静态或准静态支撑，降低对连续悬停推进的依赖。已有研究涵盖环境扰动抑制、定点保持、单腿故障容错行走等，但多数聚焦于恢复整体运动能力；而当主动释放一条腿用于感知、接触或操控时，剩余五腿需在非对称支撑、周期推进与任务扰动耦合下同时维持姿态稳定与足接触连续，该“单腿任务执行下的五足非对称协调稳定”尚缺乏针对性研究。为此，研究人员以仿生水下六足机器人为对象，提出在五足Hopf-CPG节律与逆运动学间插入受限姿态调制接口的协调控制方法，并在Webots全自由度仿真中验证。该研究发表于《Journal of Marine Science and Engineering》，为近海底非对称支撑稳定基构建提供了仿真层面的策略基础。

关键技术方法上，研究人员基于SolidWorks 2024 SP5物理样机建立Webots R2020b修订版1全自由度仿真模型，定义机体坐标系（+z前向、+x左向、+y上向）及六腿编号（RF/RM/RR/LF/LM/LR），将左中腿LM设为主动释放的任务预留腿，解耦其支撑/推进/CPG参与指示变量，形成“5+1”非对称支撑；采用五足Hopf-CPG（各工作腿独立振荡器，幅值收敛系数μ、目标幅值A₀、基频ω₀、相位耦合邻接集??_i、耦合强度ε、期望相差Δφ_ij）生成LF–RM–LR–RF–RR波行相位序列；在CPG足轨迹与逆运动学间设姿态反馈调制接口，对roll/pitch及其角速度作原始校正后，依次经通道幅值饱和（限幅θ_max）、一阶低通滤波（时间常数τ，截止角频ω_c?ω₀）、校正率限幅（限率?_max）转为低带宽机体姿态偏移，再叠加至逆运动学输入层；水流扰动用Webots Fluid节点等效二次阻力模型F_d=0.5ρC_dA_proj‖v_rel‖v_rel（ρ密度、C_d等效阻力系数、A_proj投影面积、v_rel相对流速），统一C_d在0/0.5/0.8 m/s纵向流下确定性复现；评价指标含roll RMS、pitch RMS、组合姿态RMS、峰值姿态、机体校正率RMS、接触异常比、支撑腿数、静COM（Center of Mass，质心）裕度、支撑多边形面积。

研究结果部分，按原文小节浓缩如下。

系统建模与问题定义：建立单腿三关节（coxa/femur/tibia即髋/股/胫）串联正逆运动学，给出“5+1”配置下LM退出支撑集S_sup使支撑凸包由六足近似对称转为五足非对称、COM投影裕度d_margin减小的几何约束；用等效二次阻力近似Re≈O(10⁴)惯性阻力主导区间的水流扰矩；明确稳定基需同时满足姿态稳定、支撑几何可行、控制输入连续三约束，并以组合姿态RMS与校正率RMS为度量和代理指标。

CPG-姿态协调稳定控制方法：控制框架串行分为五足Hopf-CPG节律层、姿态反馈调制接口层、逆运动学执行层；五足Hopf-CPG在LM脱网后不重置其余五振荡器相位，以中性足位p_i⁰叠加CPG周期位移生成足轨迹；姿态调制接口依约束ω_c/ω₀∈(0,1)选τ，使低通对CPG主频附近衰减显著，保留低频流致偏移、抑制与步态同步的高频微振，校正经饱和—低通—限率后作为机体姿态偏移θ_body^cmd=θ_body^nom+δθ_LP进入逆运动学，LM目标由独立安全/任务姿态给定，不进入五足链合成。

仿真验证与结果：在Webots中设0/0.5/0.8 m/s纵向流，每条件5次确定性重复取20–120 s窗（2500样本/次），对比B1（五足CPG无反馈）、B2（五足CPG+常规PD同增益直送逆运动学）、Ours（五足CPG+低带宽调制）。B1在0.8 m/s时组合姿态RMS升至1.0268°（静水4.49倍），pitch增幅大于roll；Ours相对B1在0.8 m/s组合姿态RMS降41.52%，相对B2姿态RMS略高但校正率RMS在0/0.5/0.8 m/s由0.02393/0.02506/0.06006降至0.00676/0.00751/0.01722（降71.75%/70.04%/71.32%）；0.8 m/s下Ours接触异常比0.2606，较B2的0.2769降5.90%，静COM裕度0.02943（较B1高17.4%、较B2低3.5%），支撑多边形面积较B1大3.95%、较B2小1.37%。结果表明低带宽调制以适度瞬态姿态牺牲换得指令平滑与五足节律兼容，且在强流下缓解PD快纠导致的接触态波动。

讨论与结论翻译：主动预留一腿作潜在感知/接触任务，使六足冗余支撑转为非对称五足系统，增加对水动力扰动敏感性；研究人员提出融合五足Hopf-CPG步态节律规划与低带宽姿态反馈的协调稳定控制，接口置于CPG足轨迹与逆运动学间，经幅限、低通、限率将roll/pitch反馈转为连续机体校正，LM保持解耦。Webots在0/0.5/0.8 m/s仿真显示：基础五足CPG随流速增易摆姿；相较B1，该方法全流速降总体姿态波动，0.8 m/s改善最大；B2姿态RMS略低但该方法控输出率RMS降约70%、机体校正总变分大减，强流下名义支撑几何指标接近B2。结果体现姿态调节与指令平滑的仿真权衡而非单纯最小化姿态误差。当前验证限于简化Webots水动力、单预留腿位、固定预留姿、纵流为主，未直接测CPG相位误/足滑/接触力/任务交互力；因模型源自实机，结果为未来水下实验提供理论仿真基础。后续需在标定水槽含真实任务腿交互、由实测足接触重建支撑多边形、测试不同预留腿位/流向/地形/任务载荷，以判定仿真权衡能否迁移至物理近海底作业。