Quadrupedal Locomotion Control On Inclined Surfaces Using Collocation Method

📄 arXiv: 2312.08621v1 📥 PDF

作者: Adarsh Salagame, Maria Gianello, Chenghao Wang, Kaushik Venkatesh, Shreyansh Pitroda, Rohit Rajput, Eric Sihite, Miriam Leeser, Alireza Ramezani

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2023-12-14

备注: arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:2306.00179

💡 一句话要点

利用搭配法实现四足机器人在倾斜表面上的运动控制

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 四足机器人 运动控制 倾斜表面 搭配法 降阶动力学 推进器 摩擦锥约束

📋 核心要点

  1. 现有四足机器人难以在陡峭斜坡上稳定行走，尤其是在摩擦力受限的情况下，是一个具有挑战性的问题。
  2. 该论文利用机器人上的推进器，并结合降阶动力学模型，通过搭配法快速求解最优控制动作，实现稳定行走。
  3. 实验结果表明，该方法能够使Husky Carbon四足机器人在高达45度的陡坡上行走，验证了方法的有效性。

📝 摘要（中文）

受Chukar鸟类翼辅助倾斜奔跑(WAIR)的启发，本文采用Husky Carbon四足机器人的高保真模型，使其能够在高达45度的陡坡上行走。Chukar鸟类利用翅膀产生的空气动力来控制地面接触力，从而穿越陡峭的斜坡甚至悬垂物。通过利用Husky上的推进器，我们采用了一种搭配方法来快速解决关节和推进器的动作。我们的方法使用Husky降阶动力学(HROM)的多项式近似，以快速有效地找到允许高坡行走而不违反摩擦锥条件的最优控制动作。

🔬 方法详解

问题定义：该论文旨在解决四足机器人在倾斜表面上稳定运动控制的问题，尤其是在高倾斜角度下，传统的控制方法难以保证机器人稳定性和满足摩擦锥约束。现有的方法可能计算复杂度高，难以实时控制，或者无法充分利用机器人自身的推进能力。

核心思路：论文的核心思路是利用机器人自身的推进器（thrusters）来辅助运动，并通过搭配法（collocation method）快速求解最优控制动作。通过推进器产生的力，可以有效地调整地面反作用力，从而提高机器人在倾斜表面上的稳定性。同时，利用降阶动力学模型（HROM）可以降低计算复杂度，提高控制效率。

技术框架：整体框架包括以下几个主要步骤：1) 建立Husky Carbon四足机器人的高保真模型；2) 推导机器人的降阶动力学模型（HROM）；3) 利用多项式近似HROM；4) 使用搭配法求解最优控制问题，优化目标包括关节和推进器的动作，约束条件包括摩擦锥约束和机器人动力学约束；5) 将求解得到的最优控制动作应用于实际机器人。

关键创新：该论文的关键创新在于将推进器与搭配法相结合，用于解决四足机器人在倾斜表面上的运动控制问题。传统的四足机器人控制方法主要依赖于关节力矩控制，而该论文通过引入推进器，增加了控制的自由度，从而提高了机器人在复杂环境下的适应性。此外，利用降阶动力学模型和搭配法，可以有效地降低计算复杂度，实现实时控制。

关键设计：在搭配法中，需要选择合适的多项式阶数和搭配点，以保证求解的精度和效率。摩擦锥约束是保证机器人稳定性的重要约束条件，需要仔细设计。降阶动力学模型的精度直接影响控制效果，需要在精度和计算复杂度之间进行权衡。推进器的位置和推力范围也需要根据实际情况进行优化。

📊 实验亮点

该论文通过实验验证了所提出的控制方法在Husky Carbon四足机器人上的有效性。实验结果表明，该方法能够使机器人在高达45度的陡坡上稳定行走，并且能够满足摩擦锥约束。与传统的控制方法相比，该方法能够显著提高机器人在倾斜表面上的运动性能。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于搜救、勘探等领域，使四足机器人能够在复杂地形（如山地、废墟）中稳定行走，完成特定任务。此外，该方法也可推广到其他类型的机器人，如多足机器人、人形机器人等，提高其在复杂环境下的适应性和运动能力。未来，结合视觉感知和环境建模，可以实现更智能、更自主的运动控制。

📄 摘要（原文）

Inspired by Chukars wing-assisted incline running (WAIR), in this work, we employ a high-fidelity model of our Husky Carbon quadrupedal-legged robot to walk over steep slopes of up to 45 degrees. Chukars use the aerodynamic forces generated by their flapping wings to manipulate ground contact forces and traverse steep slopes and even overhangs. By exploiting the thrusters on Husky, we employed a collocation approach to rapidly resolving the joint and thruster actions. Our approach uses a polynomial approximation of the reduced-order dynamics of Husky, called HROM, to quickly and efficiently find optimal control actions that permit high-slope walking without violating friction cone conditions.