密歇根州立大学基于模型开发双足机器人

密歇根大学创建于1817年，位于美国密歇根州，是美国历史最悠久的公立大学之一，被誉为“公里常春藤”和“公立大学的典范”代表了美国公立大学的最高水平，是世界范围内享有盛誉。

对于密西根大学的机器人研究人员来说，主要的目标是开发一个像人类一样能走又能跑的双足机器人。2011年，密歇根大学的Jessie Grizzle 教授和几个博士生团队在MABLE 机器人的基础上开始了这一研究工作，MABLE是一个双足机器人，可以以9分钟/英里的速度前进，同时可以越过8英寸的台阶之后保持平衡。

做跑跳的动作需要MABLE可以保持横向的平衡，基于MABLE 改进的MARLO需要支持在三个维度上自由移动。这种要求对于控制算法的设计来说是一个挑战。然而，Grizzle教授和他的学生Brian Buss 和Brent Griffin 借助于一套实时控制系统，从而帮助MARLO和MABLE可以离开实验室，在户外活动。凭借基于模型的开发和实时控制的快速实现，加速了整个开发过程。

“通过基于模型的设计和实时控制系统，我们不仅可以在一个机器人上实时控制，在整个系列的其他机器人上面也可以实现”Grizzle 教授说，“我的团队里已经有人熟悉MATLAB/Simulink软件，他们不需要再使用C语言编写程序，而是使用Simulink和Simulink Real Time 来搭建控制算法，同时借助于实时控制系统快速的实现算法的仿真和验证。”

  挑战  

MARLO的每条腿都是四连杆的。这条腿是由通过机械齿轮和弹簧连接到上面两个连杆的无刷直流电机驱动的。臀部由身体躯干的电机驱动。有13个自由度（DOF），但只有6个执行器，这个机器人基本上没有动力。一个欠驱动的设计会产生一种更自然的步态，但它使控制设计的挑战更加复杂，因为没有办法直接控制每一个DOF。

在MABEL的开发工作的早期，一个研究生曾经是一个专业的C语言程序员，他在C语言中编写了控制算法，代码运行得很好，但是团队的其他成员发现很难理解和修改。在为MARLO做准备的过程中，Grizzle教授试图通过消除手工编码来加速开发。他需要让他的控制工程专业的学生能够把控制算法原型化，通过实时仿真进行验证，并在支持EtherCAT协议的实时硬件上实现这些算法。

  解决方案  

密歇根大学使用MATLAB/Simulink， Speedgoat 实时控制系统来加速MARLO和其他双足机器人的开发。

Grizzle教授的团队研究人员基于MATLAB设计了一套混合零动态的非线性控制算法，开发工作始于一个简单的模型，他们将控制器和一个更具体的Simulink模型相结合，该模型包括兼容来自地面的反作用力和脚上的滑动摩擦。通过离线仿真之后，他们将算法模型下载到一个Speedgoat的移动实时目标机里面，通过运行Simulink Real Time组件实现控制算法验证。

通过Gabrief Buche 的帮助，他们将Speedgoat 硬件与MARLO 的传感器和执行器通过EtherCAT相连接,使得机器人可以在测试阶段自由移动。开发团队可以通过MATLAB环境中的可视化界面观测测试数据，同时也可以作为上位机软件对实时控制系统进行参数的调节和控制。

MARLO已经可以在户外行走，团队正在努力改进控制算法，使得它可以在斜坡甚至不平坦的路面上行走。

  结果  

• 加速控制器开发  “学生们不再需要手写代码，而是用模型编写算法，这些程序变得非常容易理解。”Grizzle 教授说。
• 专注于更高阶的目标 “相比于花费时间在代码的编写和调试上，我可以更好地关注我的算法，因为我有了适合需求的工具”
• 该方法已经被其他院所采用 “当同行的其他研究人员看到我们可以直接用MATLAB/Simulink 编程，并在一个实时控制器当中实现的时候，他们表现的非常兴奋，”Grizzle教授说，“我们目前使用的这种方法正在被密歇根大学的其他院系，以及其他高校的机器人研究实验室采用，包括麻省理工学院和俄勒冈州立大学”