Stand Up, NAO! Increasing the Reliability of Stand-Up Motions Through Error Compensation in Position Control

📄 arXiv: 2510.02129v1 📥 PDF

作者: Philip Reichenberg, Tim Laue

分类: cs.RO

发布日期: 2025-10-02

💡 一句话要点

针对NAO机器人，提出基于误差补偿的站立运动可靠性提升方案

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 人形机器人 NAO机器人 站立运动 误差补偿 机器人足球

📋 核心要点

  1. 人形机器人足球赛中，机器人自主站立是关键能力，现有方法在关节位置误差较大时容易失败。
  2. 通过特殊运动释放卡住肢体，并利用其他关节补偿误差，提升站立动作的鲁棒性。
  3. 该方案在NAO机器人上验证，并被多个团队采用，在比赛视频分析中表现出较高的成功率。

📝 摘要（中文）

本文介绍了针对NAO机器人的站立运动方案。在人形机器人足球比赛中，自主站立能力至关重要。该方案自2019年起经过六年多的评估和改进。我们认为站立失败的主要原因是执行的关节位置存在较大误差。通过执行特殊运动来释放卡住的肢体（如手臂），或通过其他关节补偿较大的误差，我们显著提高了站立程序的整体成功率。本文提出的运动也被标准平台联赛中的其他几个团队使用，并在多个比赛的视频分析中显示，他们也获得了类似的成功率。

🔬 方法详解

问题定义：NAO机器人在站立过程中，由于各种因素（例如，初始姿态不准确、外部干扰、关节摩擦等）会导致实际执行的关节位置与期望位置存在较大偏差。这些偏差累积起来，会导致机器人无法顺利完成站立动作，甚至可能导致摔倒。现有方法对于解决这类误差的鲁棒性不足，导致站立成功率较低。

核心思路：本文的核心思路是通过误差补偿来提高站立动作的可靠性。具体来说，当检测到某些关节被卡住（例如手臂）时，执行特定的“解卡”动作。此外，当检测到关节位置存在较大误差时，通过调整其他关节的位置来补偿这些误差，从而使机器人的重心能够顺利转移到站立所需的姿态。

技术框架：该站立运动方案包含以下几个主要阶段：1. 初始姿态检测：检测机器人当前的姿态，判断需要执行哪个方向的站立动作（例如，向前、向后、向左、向右）。2. 解卡动作：如果检测到某些肢体（例如手臂）被卡住，则执行特定的解卡动作，使其恢复到自由状态。3. 误差补偿：根据实际的关节位置与期望位置之间的偏差，调整其他关节的位置，以补偿这些误差。4. 站立动作执行：执行预定义的站立动作序列，使机器人逐渐站立起来。5. 平衡控制：在站立过程中，不断调整关节位置，以保持机器人的平衡。

关键创新：该方法最重要的创新点在于其误差补偿机制。传统的站立动作通常依赖于精确的关节控制，对误差非常敏感。而本文提出的方法通过主动检测和补偿误差，大大提高了站立动作的鲁棒性。此外，针对特定情况（例如手臂被卡住）设计的解卡动作也提高了站立的成功率。

关键设计：具体的误差补偿策略和解卡动作是该方法的关键设计。误差补偿策略可能涉及到PID控制、力矩控制等技术，需要根据NAO机器人的具体动力学特性进行调整。解卡动作的设计需要考虑到机器人的关节活动范围和安全性，避免造成不必要的损伤。此外，站立动作序列的设计也需要进行优化，以保证站立过程的平稳和高效。

📊 实验亮点

该方案显著提高了NAO机器人的站立成功率。虽然论文中没有给出具体的量化数据，但强调了该方案被多个团队采用，并在比赛视频分析中显示出相似的成功率。这表明该方案具有良好的通用性和实用性，能够有效地解决实际应用中遇到的站立问题。

🎯 应用场景

该研究成果可广泛应用于人形机器人领域，尤其是在需要机器人具备自主站立能力的场景中，例如机器人足球、服务机器人、救援机器人等。通过提高站立动作的可靠性，可以增强机器人的自主性和适应性，使其能够更好地完成各种任务。此外，该方法也可以推广到其他类型的机器人，例如四足机器人、轮式机器人等。

📄 摘要（原文）

Stand-up motions are an indispensable part of humanoid robot soccer. A robot incapable of standing up by itself is removed from the game for some time. In this paper, we present our stand-up motions for the NAO robot. Our approach dates back to 2019 and has been evaluated and slightly expanded over the past six years. We claim that the main reason for failed stand-up attempts are large errors in the executed joint positions. By addressing such problems by either executing special motions to free up stuck limbs such as the arms, or by compensating large errors with other joints, we significantly increased the overall success rate of our stand-up routine. The motions presented in this paper are also used by several other teams in the Standard Platform League, which thereby achieve similar success rates, as shown in an analysis of videos from multiple tournaments.