超数肢を備えたヒューマノイドロコモーションの階層的フレームワーク

A Hierarchical Framework for Humanoid Locomotion with Supernumerary Limbs

November 25, 2025

著者: Bowen Zhi

cs.AI

要旨

ヒューマノイドロボットへの追加肢（SL）の統合は、動的な擾乱を引き起こすため、安定性に重大な課題をもたらす。本論文では、SLを備えたヒューマノイドの移動安定性を向上させる新しい階層型制御アーキテクチャを設計し、この問題に取り組む。この枠組みの核心は、学習ベースの移動とモデルベースのバランス制御を組み合わせた分離戦略である。低レベルコンポーネントは、模倣学習とカリキュラム学習によるUnitree H1ヒューマノイドの歩行ゲートで構成される。高レベルコンポーネントは、動的バランス制御のためにSLを積極的に利用する。システムの有効性は、物理ベースシミュレーションにおいて3条件（無負荷ヒューマノイドのベースライン歩行、静的なSLペイロードを搭載した歩行、動的バランス制御を適用した歩行）で評価した。評価結果は、動的バランス制御が安定性を向上させることを示す。静的ペイロード条件と比較して、バランス戦略はベースラインに近い歩行パターンを実現し、重心軌道のDynamic Time Warping（DTW）距離を47％削減した。また、バランス制御は歩行周期内での再安定化を改善し、地面反力（GRF）のより協調的な逆位相パターンを達成した。これらの結果は、分離された階層設計が、SLの質量と運動に起因する内部動的擾乱を効果的に緩和し、機能的な追加肢を備えたヒューマノイドの安定した移動を可能にすることを実証している。コードと動画は以下で公開されている：https://github.com/heyzbw/HuSLs。

English

The integration of Supernumerary Limbs (SLs) on humanoid robots poses a significant stability challenge due to the dynamic perturbations they introduce. This thesis addresses this issue by designing a novel hierarchical control architecture to improve humanoid locomotion stability with SLs. The core of this framework is a decoupled strategy that combines learning-based locomotion with model-based balancing. The low-level component consists of a walking gait for a Unitree H1 humanoid through imitation learning and curriculum learning. The high-level component actively utilizes the SLs for dynamic balancing. The effectiveness of the system is evaluated in a physics-based simulation under three conditions: baseline gait for an unladen humanoid (baseline walking), walking with a static SL payload (static payload), and walking with the active dynamic balancing controller (dynamic balancing). Our evaluation shows that the dynamic balancing controller improves stability. Compared to the static payload condition, the balancing strategy yields a gait pattern closer to the baseline and decreases the Dynamic Time Warping (DTW) distance of the CoM trajectory by 47\%. The balancing controller also improves the re-stabilization within gait cycles and achieves a more coordinated anti-phase pattern of Ground Reaction Forces (GRF). The results demonstrate that a decoupled, hierarchical design can effectively mitigate the internal dynamic disturbances arising from the mass and movement of the SLs, enabling stable locomotion for humanoids equipped with functional limbs. Code and videos are available here: https://github.com/heyzbw/HuSLs.