Ces dernières années, nous avons assisté à des progrès impressionnants dans le domaine de la robotique humanoïde, avec des robots capables de marcher, de courir et même de sauter. Malgré ces réalisations, l'agilité et l'équilibre des robots humanoïdes sont encore à la traîne par rapport aux humains, ce qui pose des défis pour leur intégration en toute sécurité dans les environnements humains, ce qui entrave l'adoption généralisée des robots humanoïdes. Nous ne voulons certainement pas un robot qui s'effondre sur un humain pendant un quart de travail.
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# Stratégies d'actionneur avancées pour Équilibre du robot humanoïde

### Explorer les techniques d'équilibre statique et dynamique

Ces dernières années, nous avons assisté à des progrès impressionnants dans le domaine de la robotique humanoïde, avec des robots capables de marcher, de courir et même de sauter. Malgré ces réalisations, l'agilité et l'équilibre des robots humanoïdes sont encore à la traîne par rapport aux humains, ce qui pose des défis pour leur intégration en toute sécurité dans les environnements humains, ce qui entrave l'adoption généralisée des robots humanoïdes. Nous ne voulons certainement pas un robot qui s'effondre sur un humain pendant un quart de travail.

Cet article explore les stratégies utilisées par les ingénieurs pour maintenir l’équilibre des robots humanoïdes, en se concentrant sur les techniques statiques et dynamiques. Comprendre ces stratégies est crucial pour faire progresser la stabilité robotique et améliorer leurs fonctionnalités dans diverses applications

### 1 – Solde statique

Balance statique fait référence à la capacité du robot à maintenir sa stabilité lorsqu'il est en position stationnaire ou lorsqu'il se déplace suffisamment lentement pour que les effets dynamiques soient négligeables. Ceci est souvent géré grâce à un positionnement et un contrôle précis du centre de gravité (COG) du robot par rapport à sa base de support.

Développer des positions statiques pour les robots humanoïdes bipèdes est un défi en raison de leur instabilité inhérente par rapport aux robots trépied. Les robots bipèdes n’ont pas le même niveau d’équilibre et de soutien, ce qui rend difficile le maintien d’une position stable. Y parvenir nécessite des systèmes de contrôle avancés et une mécanique précise, ce qui en fait une tâche plus complexe que celle des robots trépieds.

Pour atteindre l’équilibre statique, il est essentiel de comprendre et de maîtriser plusieurs concepts fondamentaux :

Centre de masse (CoM) : Point où la masse du robot est considérée comme concentrée. Pour un équilibre stable, la projection du CoM sur le sol doit se situer à l’intérieur du BoS.

Base de soutien (BoS) : Zone délimitée par les points de contact du robot avec le sol (ex : les pieds). Un BoS plus grand offre généralement une meilleure stabilité.

Point de moment zéro (ZMP) : Point au sol où agit la résultante des forces de réaction au sol. Pour un équilibre stable, le ZMP devrait se situer au sein du BoS.

Contrôle des postures : Ajustement des positions des articulations et des membres du robot pour maintenir ou atteindre une posture souhaitée qui maintient le CoM dans le BoS.

Centre de masse (CoM) VS Centre de gravité (CoG) : Dans les robots humanoïdes, le centre de masse (CoM) est le point où la masse du robot est uniformément répartie, agissant comme point d'équilibre pour sa répartition de masse et restant constante quelle que soit l'orientation du robot. D'autre part, le centre de gravité (CoG) est le point où le poids du robot est uniformément réparti, influencé par la gravité. Le CoG peut se déplacer avec les changements d'orientation du robot ou lors de déplacements dans différents champs gravitationnels, car il représente le point où la force gravitationnelle agit efficacement sur le robot.

#### 1.1 Contrôle du centre de masse (CoM)



Objectif: Gardez le centre de masse du robot dans sa base de support.

Préparation: Ajustez les angles des articulations pour déplacer le CoM. Cela peut impliquer de légers mouvements du torse, des bras et des jambes pour maintenir l’équilibre.

Description: Contrôle CoM est essentiel pour maintenir la stabilité des robots humanoïdes. En ajustant continuellement la position du CoM, les robots peuvent compenser les forces externes et maintenir une posture stable.

Avantages:

—Améliore la stabilité en réduisant le risque de basculement, essentiel pour la papeterie et les mouvements lents.

—Cette méthode est polyvalente, applicable à divers scénarios tels que la position debout, la marche lente et les mouvements mineurs, et s'intègre bien à d'autres stratégies de contrôle.

— Un contrôle postural amélioré est un autre avantage, permettant un positionnement précis du corps et des mouvements plus fluides et naturels, ce qui est particulièrement utile pour les tâches nécessitant des ajustements précis de la posture.

Désavantages:

— Cela nécessite une puissance de traitement importante et des algorithmes complexes pour un contrôle en temps réel, ce qui pose des exigences informatiques.

— De plus, les ajustements continus des joints peuvent être gourmands en énergie, nécessitant une conception d'actionneur efficace pour minimiser la consommation d'énergie.

#### 1.2 Contrôle du point de moment zéro (ZMP)



Objectif: Gardez le point de moment zéro dans le polygone de support des pieds du robot pour garantir l'équilibre lors de mouvements lents ou de positions stationnaires.

Description: ZMP Control est une méthode populaire utilisée pour assurer la stabilité des robots humanoïdes. Il s'agit du calcul du Point de moment zéro, un point au sol où la somme totale de toutes les forces verticales et des impulsions est nulle. En veillant à ce que le ZMP reste dans le polygone de support (la zone couverte par les pieds du robot), le robot peut maintenir son équilibre. Par exemple, bouger les bras ou incliner le torse peut aider à déplacer le COM et, par conséquent, le ZMP vers une position plus stable.

Avantages:

—Offre une prévisibilité en fournissant un critère d'équilibre clair, ce qui facilite la conception de mouvements stables.

—Il garantit la fiabilité grâce à une surveillance continue et des ajustements du ZMP pour maintenir un équilibre cohérent.

Désavantages:

-La stratégie de contrôle ZMP est confrontée à des exigences informatiques, nécessitant des ressources importantes pour les ajustements en temps réel.

—Il est sensible aux perturbations, aux prises avec des perturbations soudaines ou un terrain accidenté.

— De plus, il présente des limites dynamiques, étant moins efficace pour les activités très dynamiques comme la course ou le saut.

### 2 – Equilibre dynamique

Balance dynamique implique de maintenir la stabilité pendant que le robot est en mouvement, comme marcher, courir ou effectuer des tâches complexes. Cela nécessite des stratégies de contrôle plus sophistiquées pour s’adapter à des conditions qui évoluent rapidement.

#### 2.1 Modèles de pendule inversé



Objectif: Simplifiez la dynamique du robot pour qu'il ressemble à un pendule inversé, facilitant ainsi la conception d'algorithmes de contrôle d'équilibre de base pour la stabilité verticale.

Description: L' modèle de pendule inversé simplifie la dynamique du robot pour ressembler à un pendule inversé, où le corps du robot est en équilibre sur un point de pivotement, représentant généralement ses pieds. L'idée principale est de contrôler le centre de masse (COM) du robot pour maintenir l'équilibre, un peu comme si vous équilibriez un bâton sur votre main. Cette méthode est essentielle à la conception d’algorithmes de contrôle d’équilibre de base et constitue une base pour des techniques d’équilibrage plus complexes.

Avantages:

— Fournit une base solide pour la conception d’algorithmes de contrôle d’équilibre de base, essentiels au maintien de la stabilité verticale.

—De plus, cela facilite la compréhension et le contrôle de l'équilibre du robot en réduisant la complexité du mode dynamique

Inconvénients: Cela suppose une dynamique simplifiée, qui peut ne pas capturer les complexités de mouvements plus rapides ou irréguliers. En conséquence, il constitue une base solide pour l’équilibre de base. Des modèles et des stratégies de contrôle plus sophistiqués sont nécessaires pour les activités dynamiques comme la marche, la course ou le saut.

#### 2.2 Contrôle de prévisualisation de COM (Centre de Masse)



Objectif: Prévoyez les positions futures du centre de masse du robot et planifiez les mouvements en conséquence pour maintenir la stabilité lors d'activités dynamiques telles que la marche.

Description: Aperçu du contrôle de COM repose sur la prévision des positions futures du centre de masse du robot et la planification des mouvements en conséquence. Il s’agit de générer une trajectoire qui assure la stabilité et de contrôler les actionneurs pour suivre cette trajectoire de près. Le système de contrôle calcule la trajectoire souhaitée du COM sur une courte fenêtre de temps, permettant au robot de s'ajuster à l'avance plutôt que de simplement réagir aux perturbations. Cette méthode est efficace pour assurer un mouvement fluide et stable, en particulier pendant la marche.

Avantage: Cette méthode offre une stabilité améliorée en anticipant les changements et l'équilibre lors d'activités dynamiques. Il assure des mouvements plus fluides et naturels, et est particulièrement efficace lors de la marche.

Désavantage: Cette méthode nécessite des calculs complexes en temps réel et s’appuie fortement sur des modèles prédictifs précis. Elle est confrontée à des changements environnementaux soudains et inattendus, ce qui rend son adaptabilité difficile.

>> REMARQUE : Aperçu du contrôle du contrôle COM VS Center of Mass (CoM) :

Bien qu’ils portent des noms similaires, le contrôle de prévisualisation de COM et le contrôle du centre de masse (CoM) sont des stratégies distinctes.

Aperçu du contrôle de COM est une stratégie dynamique pour des activités comme la marche et la course, utilisant des algorithmes prédictifs pour anticiper et s'ajuster aux positions futures du centre de masse (CoM). Cela garantit un mouvement fluide mais nécessite des ressources de calcul importantes.

Contrôle du centre de masse (CoM) est une stratégie statique pour maintenir la stabilité à l’arrêt ou en mouvement lent. Il ajuste en permanence les angles des articulations pour maintenir le CoM dans la base de support, fournissant ainsi des réponses immédiates aux perturbations mais exigeant également une puissance de calcul.

En résumé, Preview Control de COM est idéal pour les tâches dynamiques, tandis que CoM Control est idéal pour les situations statiques et à évolution lente. Ensemble, ces stratégies améliorent la stabilité et la fonctionnalité des robots humanoïdes dans diverses tâches et environnements.

#### 2.2 Contrôle de tout le corps

Objectif: Coordonnez toutes les parties du corps du robot pour atteindre l'équilibre, en optimisant les efforts de contrôle sur toutes les articulations et tous les membres pour des tâches et des mouvements complexes.

Description: Contrôle de tout le corps prend en compte toutes les parties du corps du robot, coordonnant les mouvements pour atteindre l'équilibre. Cette méthode utilise l'ensemble de la chaîne cinématique et des propriétés dynamiques du robot, optimisant la répartition de l'effort de contrôle sur toutes les articulations et tous les membres pour assurer la stabilité dans diverses poses et mouvements. Contrairement aux méthodes plus simples qui se concentrent sur des parties spécifiques, le contrôle du corps entier coordonne toutes les articulations et tous les actionneurs du robot pour obtenir une posture unifiée et équilibrée. Cette approche holistique permet au robot d'effectuer des tâches complexes tout en conservant sa stabilité.

Avantages: Le contrôle du corps entier offre une stabilité et une flexibilité améliorées en utilisant l'ensemble de la chaîne cinématique, permettant aux robots d'effectuer des tâches complexes avec des mouvements coordonnés et équilibrés.

Désavantages: Cela nécessite une puissance de calcul importante et algorithmes optimisés sophistiqués, ce qui rend la coordination et l'intégration en temps réel des données des capteurs sur toutes les articulations techniquement exigeantes.

#### 2.3 Stratégies réactives

Objectif: Stratégies réactives ajustez la posture du robot en réponse aux retours en temps réel de son environnement.

Description: Ces stratégies sont cruciales dans des contextes imprévisibles où les comportements préprogrammés peuvent ne pas suffire. Ces stratégies reposent sur un retour rapide du capteur et une réponse de l'actionneur pour maintenir l'équilibre. Par exemple, si un robot est poussé, les capteurs détectent la perturbation et les actionneurs ajustent rapidement les membres pour contrecarrer la force. Les stratégies réactives sont cruciales pour le maintien de l’équilibre en temps réel, fournissant des corrections immédiates aux changements soudains.

Avantages: Ils fournissent des corrections immédiates pour maintenir l’équilibre, ce qui les rend essentiels à la stabilité en temps réel dans des environnements imprévisibles. Cette capacité d’adaptation rapide garantit que le robot peut gérer efficacement les changements soudains ou les perturbations.

Désavantage: Ils nécessitent des capteurs et des actionneurs très réactifs pour traiter les données et les ajuster en temps réel. De plus, le système doit être capable de prendre des décisions rapides, ce qui nécessite des ressources informatiques importantes.

#### 2.4 Contrôle adaptatif et basé sur l'apprentissage

Objectif: Améliorez les capacités d'équilibrage du robot grâce à l'apprentissage automatique et à des algorithmes adaptatifs, lui permettant d'apprendre des expériences passées et de s'améliorer au fil du temps.

Description: Les stratégies de contrôle adaptatives et basées sur l'apprentissage exploitent l'apprentissage automatique et les algorithmes adaptatifs pour améliorer les capacités d'équilibrage d'un robot. Ces méthodes permettent au robot d'apprendre des expériences précédentes et d'améliorer son équilibre au fil du temps, en affinant continuellement ses modèles de réponse en fonction des stratégies de résultats observés pour améliorer les performances dans les scénarios futurs. Cette approche permet au robot de s'adapter à de nouveaux environnements et tâches, devenant ainsi plus compétent pour maintenir l'équilibre dans des situations dynamiques et imprévisibles.

Avantages: Adaptatif et contrôle basé sur l'apprentissage Les stratégies permettent au robot d'améliorer ses capacités d'équilibre au fil du temps en apprenant des expériences passées. Cette approche est particulièrement efficace pour gérer des scénarios imprévisibles du monde réel.

Inconvénients: Ils nécessitent une collecte approfondie de données et des algorithmes d’apprentissage automatique sophistiqués pour analyser et apprendre des données. Les ressources informatiques nécessaires à l’apprentissage et à l’adaptation en temps réel peuvent être considérables.

#### CONCLUSION:

En conclusion, le maintien de l’équilibre dans les robots humanoïdes implique une combinaison de stratégies de contrôle statiques et dynamiques. Des techniques telles que le contrôle ZMP, les modèles à pendule inversé, le contrôle du corps entier et les méthodes basées sur l'apprentissage adaptatif permettent aux robots d'atteindre la stabilité dans diverses situations. Le Archimedes Drive peut améliorer considérablement l’équilibre du robot humanoïde lorsqu’il est intégré à des actionneurs grâce à plusieurs avantages clés :

- Précision et exactitude

L' Archimedes Drive offre un véritable jeu nul, offrant une haute précision et un contrôle de mouvement fluide. Cela permet aux actionneurs d’effectuer des ajustements précis en temps réel, essentiels au maintien de l’équilibre.

Exemple : si un robot humanoïde est en mission de sauvetage et doit effectuer un saut périlleux, la haute précision du Archimedes Drive aidera les actionneurs à réaliser les mouvements nécessaires pour y parvenir.

- Conception compacte et efficace

La conception compacte du variateur permet une utilisation efficace de l'espace et une réduction du poids, en abaissant le centre de gravité du robot et en améliorant la stabilité.

Exemple : dans un environnement urbain densément peuplé tel qu'un entrepôt très fréquenté ou une chaîne de montage, une conception compacte permet à un robot de naviguer dans des espaces restreints et de maintenir son équilibre tout en manœuvrant dans la foule.

- Durabilité et Fiabilité

La fonction de protection contre les surcouples est bénéfique pour les stratégies de contrôle adaptatives et basées sur l'apprentissage, qui peuvent impliquer des chutes fréquentes au départ. Cette protection garantit que les articulations restent intactes et fonctionnelles malgré la courbe d’apprentissage.

Exemple : dans une usine, un robot humanoïde chargé de soulever des charges lourdes peut occasionnellement laisser tomber des objets ou subir des secousses soudaines. Le Archimedes DriveLa durabilité de protège les articulations du robot contre les dommages, garantissant un fonctionnement continu et fiable même dans des conditions exigeantes.

- Commentaires et contrôle améliorés

La haute précision et le fonctionnement fluide fournissent un meilleur retour au système de contrôle, permettant des ajustements d'équilibre plus précis et plus efficaces.

Exemple : dans un environnement industriel, un robot humanoïde chargé de manipuler des objets délicats peut bénéficier d'un retour d'information amélioré, lui permettant d'effectuer des ajustements précis pour éviter de faire tomber ou d'endommager les objets.

- L'efficacité énergétique

Une transmission de puissance efficace réduit la perte d'énergie, permettant aux actionneurs de fonctionner plus longtemps et de maintenir efficacement l'équilibre avec moins de consommation d'énergie.

Exemple : Dans une opération de recherche et de sauvetage où le robot doit fonctionner pendant de longues périodes, l'efficacité énergétique du Archimedes Drive permet au robot d'effectuer des tâches sans recharge fréquente, garantissant un fonctionnement durable dans des situations critiques.

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