Modeling and Numerical Analysis of Kangaroo Lower Body based on Constrained Dynamics of Hybrid Serial-Parallel Floating-Base Systems

📄 arXiv: 2312.04161v2 📥 PDF

作者: Enrico Mingo Hoffman, Andrea Curti, Narcis Miguel, Sai Kishor Kothakota, Alberto Molina, Adria Roig, Luca Marchionni

分类: cs.RO

发布日期: 2023-12-07 (更新: 2024-02-22)

💡 一句话要点

针对袋鼠机器人下肢，提出基于混合串并联浮动基座系统的约束动力学建模与数值分析方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 人形机器人 串并联机构 约束动力学 浮动基座系统 动力学建模 数值分析 机器人控制

📋 核心要点

  1. 现有双足机器人腿部执行器分布不合理，导致整体质量分布不佳，影响运动性能。
  2. 论文提出一种基于约束动力学的建模方法，用于分析具有串并联混合结构的浮动基座系统，优化质量分布。
  3. 通过仿真和初步实验验证了袋鼠机器人在惯性和角动量方面的改进，优于TALOS机器人。

📝 摘要（中文）

本文提出了袋鼠机器人下肢原型的建模与数值分析方法，该机器人是由PAL Robotics开发和制造的新型双足人形机器人。袋鼠机器人采用高功率线性电动执行器，并结合独特的串并联混合链，将所有腿部执行器定位在机器人底座附近，以改善整体质量分布。为了对这种复杂的非线性机构进行建模和分析，我们采用了一种约束公式，并将其扩展到考虑与环境接触的浮动基座系统。通过与PAL Robotics设计的另一款人形双足机器人TALOS进行比较，展示了在足部等效笛卡尔惯性和质心角动量方面取得的显著改进。最后，本文包括通过仿真进行的数值实验以及在实际袋鼠机器人平台上进行的初步测试。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决人形机器人下肢执行器布局对整体质量分布和运动性能的影响问题。传统人形机器人腿部执行器分散在腿部各关节，导致惯性较大，运动控制复杂。袋鼠机器人采用了一种新型的串并联混合结构，将执行器集中在基座附近，但这种复杂结构的动力学建模和分析具有挑战性。

核心思路：论文的核心思路是利用约束动力学方法对袋鼠机器人的下肢进行建模和分析。通过将串并联机构视为一个受约束的多体系统，可以有效地处理其复杂的运动学和动力学关系。同时，考虑到机器人与环境的接触，将约束公式扩展到浮动基座系统，从而实现对机器人运动的精确仿真和控制。

技术框架：论文的技术框架主要包括以下几个步骤：1) 建立袋鼠机器人下肢的几何模型，包括连杆长度、关节角度等参数；2) 基于约束动力学理论，推导机器人的运动学和动力学方程；3) 将方程扩展到浮动基座系统，考虑机器人与地面的接触约束；4) 利用数值方法求解方程，进行仿真分析；5) 在实际机器人平台上进行初步实验，验证模型的准确性。

关键创新：论文的关键创新在于将约束动力学方法应用于具有串并联混合结构的浮动基座机器人。传统的动力学建模方法难以处理这种复杂结构的约束关系，而约束动力学方法能够有效地解决这个问题。此外，论文还针对浮动基座系统对约束公式进行了扩展，使其能够处理机器人与环境的接触问题。

关键设计：论文的关键设计包括：1) 采用Lagrange乘子法处理约束条件，避免了直接求解约束力；2) 使用高效的数值积分算法求解动力学方程，保证了仿真的精度和效率；3) 通过与TALOS机器人的对比，验证了袋鼠机器人在惯性和角动量方面的优势。

📊 实验亮点

论文通过仿真和实验验证了袋鼠机器人在足部等效笛卡尔惯性和质心角动量方面优于TALOS机器人。具体而言，袋鼠机器人的足部等效笛卡尔惯性显著降低，这意味着其足部运动更加灵活，能够更快地调整姿态。同时，质心角动量的降低有助于提高机器人的平衡性和稳定性。这些结果表明，袋鼠机器人的新型结构设计在提高运动性能方面具有显著优势。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于新型人形机器人的设计与控制，尤其适用于需要高动态性能和精确运动控制的场合，例如：复杂地形下的行走、高负重搬运、以及需要快速响应的运动任务。此外，该方法也可推广到其他具有类似串并联结构的机器人系统，例如并联机床、医疗机器人等。

📄 摘要（原文）

This paper presents the modeling and numerical analysis of the Kangaroo lower body prototype, a novel bipedal humanoid robot developed and manufactured by PAL Robotics. Kangaroo features high-power linear electric actuators combined with unique serial-parallel hybrid chains, which allow for the positioning of all the leg actuators near the base of the robot in order to improve the overall mass distribution. To model and analyze such complex nonlinear mechanisms, we employ a constrained formulation that is extended to account for floating-base systems in contact with the environment. A comparison is made to demonstrate the significant improvements achieved with TALOS, another humanoid bipedal robot designed by PAL Robotics, in terms of equivalent Cartesian inertia at the feet and centroidal angular momentum. Finally, the paper includes numerical experiments conducted through simulation and preliminary tests performed on the actual Kangaroo platform.