自研机器人协调控制系统（2）——六足舞蹈篇

这是完整舞蹈的视频链接：机器人协调控制系统舞蹈效果.

前言

受到波士顿机器狗跳舞的启发，我在协调控制系统中添加了节奏模式，并以此制作了这个舞蹈视频。

系统

1. 这一版，我针对之前大家提出的问题，进行了改进，基本解决了系统卡顿问题。另外，我改进了上一版的4足行走算法，进一步提高了控制精度和稳定性，使4足行走的同时精确控制双手或双翅成为可能，这在后半段视频重点展示。
2. 由于硬件算力限制，当前系统每秒平均完成4组指令的演算。为了应对指令生成速度起伏、个别功能不确定动作、以及快节奏需求，我暂时采用对视频非整数加速的方式，完成最后的节奏衔接，希望大家谅解。
3. 与上一版本各个试验一样，这次的舞蹈同样由各种决策组合而成。我为整个舞蹈，编写了75个指令调用（for循环重复不算），完全类似scratch调用。

关于本文

1. 本次视频展示的舞蹈效果，涉及的部分功能，已经在上一个视频和博客中给出，这一次对重复的功能不再赘述。
2. 这一次的详解，重点说明编排的舞蹈涉及的动作细节，以及4足协调运动实现了哪些效果。以展示当前的系统具有足够的协调和控制精度，来支持各种运动需求。

一. 后4足站定舞蹈部分

1. 螳螂拳

1) 蓄势

身体沿着斜向小幅度画圆摇摆，同时抬起的双手以略微更大的半径，延迟45度相位角，晃动，产生蓄势感。

2) 出拳

头部先看向目标，然后身体从最靠后位置突然前移，外侧手臂在延迟的一拍相位到位后，快速出拳。我希望这样动作，能使出拳有更强的拳意。

2. 太极

1) 云手

上一版已经实现，具体参考上一篇详解。这一次，双手和头部的转动更加自然流畅。

2) 收势

双手先在下方各自画出1/4个大圆，到达水平位置后，继续画1/2个小圆，直到归位。

二. 6足舞蹈部分

1. 平移

上一版已经实现，具体参考上一篇详解。

2. 自动转向

上一版已经实现，具体参考上一篇详解。

3. 精确踩点

通过修改各足的最终期望姿势，协调系统，自动判断，哪些足还没有到位，然后自动跨步过去。

4. 拔河舞

1. 倾斜身体角度，并且指定一个外力，使身体重心自动倾斜。保持一个拔河的受力平衡姿势。
2. 本实验设计目的，主要是最近机器人拉货功能比较火，我认为其中最大的技术难点，就是用姿势平衡受力。由于这个机器人没有传感器，我暂时采用指定外力的方法，以后可以考虑用传感器信号输入外力。
3. 这个实验的本质是加速度倾斜，这在我上一版的斜面运动中已经实现，具体参考上一篇详解。

三. 双手空间定点站定运动

1. 扭腰舞

上一版已经实现，具体参考上一篇详解。这一次，我将扭动的角度进一步加大，扭动的连贯性也更好。

2. 螺旋舞

身体中心沿着x-z平面做竖直圆周运动，同时，偏航角和俯仰角，也对应修改，使身体轴线始终与圆周所在柱面斜切，形成螺旋效果。

四. 4足行走舞蹈部分

四足行走是这一版改进的重点之一。相比上一版单调的左右重心偏移补偿，这一次，我重新设计算法，实现全向重心偏移补偿。这样一来4足的运动就能和6足一样，可以精确地转弯以及全向运动，而不用担心身体重心不稳，打破精确控制。同时，新算法形成的稳定余量，为运动过程挥动双手，提供了足够的重心和惯性鲁棒空间。

1. 前后4足行走

前后4足模式能够最大程度保留这个机器人的对称性，有利于平衡的理论计算，因此在尝试一些比较复杂的运动时，依然能够维持较高的坐标精度。

1) 后退飞走

前后四足稳定行走的同时，快速挥动中间两足，形成振翅效果。振翅效果主要证明两种无关动作指令，可以同时进行，由系统自动融合。

2) 定点盘旋

1. 将右翅（右中足）指定在空间某点悬空，左翅（左中足）在身体外侧中心对称位置。4足绕圈行走，使左翅沿着圆形轨迹滑动。整个过程保持身体滚转角倾斜不变，最终整体效果，仿佛飞鸟盘旋。
2. 这个动作挑战了波士顿动力的一个完整实验——4足行走过程中机械臂指定空间某一点不动。上一版由于4足平衡效果不好，只能尝试看点绕圈，这一次条件满足了，因此尝试完整实验。

3) 长颈龙摆尾

1. 将左中足作为尾巴，右中足作为头部。身体沿着滚转角倾斜，以抬高头部，降低尾部。行走过程中，尾巴始终摆向抬腿的另一侧。
2. 这个动作模仿自然界的爬行动物，通过摇摆巨大的尾巴来平衡笨重身体的方法。另外头部运动，我模仿了鸡头在行走时定点突进的效果（我不确定这是不是长颈龙的运动特点，请大家不要介意）。

2. 后4足行走

由于后4足模式非常不对称，加上各足各段的重量未知（我不擅长硬件，不敢拆了称，怕装不回去，汗）。在没有电脑模拟条件的情况下，纯理论计算保持平衡能力有限。好在我的4足协调算法，预留了一定的稳定余量，允许双手小范围精确运动。

1) 咏春连环拳

1. 后4足后退行走，同时双手不断前滚，并且两个前滚平面有一个倾角，以尽量让双拳打击点靠近中轴线（由于双手运动范围限制，我只做了近似效果）。
2. 这个动作模仿咏春拳的连环拳。一方面给出了后四足的前后运动效果，同时证明，在不打乱步伐稳定性的情况下，双手依然有较大的自由运动空间。

2) 定点冲拳

1. 后4足站立模式下，身体逐步绕圈横移。双手根据音乐节奏变化，朝着空间某一个固定点，连续冲拳。
2. 这个动作，充分利用了我新增的节奏模式，使冲拳的时机与音乐所需节奏一致。
3. 另一方面这个动作，类似“定点盘旋”，这个动作从更难的角度，挑战了波士顿动力试验。只是这个非对称的4足姿势，会放大受力形变效果，变成一个向后运动的累积误差，所以最后的效果，冲拳的点位也有了较显著的后移。

五. 收尾拉弓pose

先头部看向左前方目标，然后抬起双手到正前方，左右分开，左手伸直，右手收拢，仿佛拉弓效果。

六. 补充

1. 这一次，我取消了陀螺仪矫正功能，因此这是一个彻底的开环控制系统。这么做一方面为了节约算力，另一方面也想进一步展示这套协调控制系统的精确程度。整个舞蹈结束时，移动范围基本符合理论，没有撞墙，但角度误差大约45度，主要来自4足行走时形变打滑引入。
2. 除了行走模式转化以外，所有部分我实现了节奏踩点到位，由于动作生成的计算效率尚未彻底解决，估算出每秒平均对20个舵机修改4次已经是极限。也许因为计算依然存在速度起伏，最终的节奏，总会在0.8~1.2倍之间不定，因此虽然1倍的速度理论上应该踩点，我还是不得不进行微调，以达到我想要的效果。4足运动要在保证精确控制的同时，维持平衡，速度无法提高，加上一些快节奏的部分本来就超过每秒2拍（我设定了决策更新最小单位为2次指令执行，即0.5s），因此我主动编排了需要加速的舞蹈。
3. 这套协调控制系统的其他功能，可以参考我的上一个CSDN博客以及前一个B站视频，搜索用户名“生命浩瀚”可以找到。

在此衷心表达对大家的感谢，你们的支持和鼓励，让我有了继续研究下去的动力。

注：目前暂不公开