Versatile Telescopic-Wheeled-Legged Locomotion of Tachyon 3 via Full-Centroidal Nonlinear Model Predictive Control

📄 arXiv: 2312.08668v1 📥 PDF

作者: Sotaro Katayama, Noriaki Takasugi, Mitsuhisa Kaneko, Masaya Kinoshita

分类: cs.RO

发布日期: 2023-12-14

备注: 8 pages, 9 figures

💡 一句话要点

提出基于全质心非线性模型预测控制的Tachyon 3多地形伸缩轮腿运动方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 轮腿机器人 非线性模型预测控制 全质心动力学 复杂地形导航 机器人运动规划

📋 核心要点

  1. 传统方法难以应对Tachyon 3独特的伸缩轮腿结构带来的复杂运动学和动力学挑战，尤其是在复杂地形下的控制。
  2. 论文采用全质心非线性模型预测控制（NMPC），结合专用约束，精确捕捉Tachyon 3的运动学和动力学特性，实现多功能运动。
  3. 通过仿真和硬件实验，验证了所提方法在结构化地形下生成平滑、动态运动的能力，展示了其在复杂环境中的适应性。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种非线性模型预测控制（NMPC）方法，用于实现伸缩轮腿机器人Tachyon 3的多功能运动生成。Tachyon 3独特的硬件结构给控制和运动规划带来了挑战。我们应用了全质心NMPC公式，并结合专用约束，以精确捕捉Tachyon 3的运动学和动力学特性。我们开发了一个控制流程，包括一个内部状态积分器，以便将NMPC应用于Tachyon 3，其执行器采用高增益位置控制器。我们对Tachyon 3在结构化地形上的感知运动进行了仿真和硬件实验，结果表明，该方法能够在严格的物理和环境约束下实现平滑和动态的运动生成。

🔬 方法详解

问题定义：Tachyon 3 是一种具有伸缩轮腿结构的机器人，其运动控制面临着独特的挑战。传统的控制方法难以精确建模其复杂的运动学和动力学特性，尤其是在崎岖或结构化地形上，难以实现平稳和动态的运动。因此，需要一种能够充分考虑机器人自身特性，并能适应复杂环境的控制方法。

核心思路：本文的核心思路是利用全质心非线性模型预测控制（NMPC）来解决Tachyon 3的运动控制问题。全质心模型能够更准确地描述机器人的动力学行为，而非线性模型预测控制则能够处理复杂的约束和非线性系统。通过结合两者，可以实现对Tachyon 3在复杂地形上的精确控制。

技术框架：该控制框架包含以下几个主要模块：首先，建立Tachyon 3的全质心动力学模型，并加入针对其伸缩轮腿结构的专用约束。其次，设计非线性模型预测控制器，以优化机器人的运动轨迹和控制输入。为了将NMPC应用于实际的Tachyon 3机器人，该框架还包含一个内部状态积分器，用于估计机器人的当前状态。最后，通过高增益位置控制器驱动机器人的执行器，实现期望的运动。

关键创新：该方法最重要的创新点在于将全质心NMPC应用于伸缩轮腿机器人Tachyon 3。与传统的基于简化模型的控制方法相比，全质心模型能够更准确地描述机器人的动力学行为，从而提高控制精度和鲁棒性。此外，该方法还针对Tachyon 3的特殊结构设计了专用约束，进一步提高了控制性能。

关键设计：在NMPC的设计中，需要仔细选择目标函数和约束条件。目标函数通常包括跟踪误差、控制输入和能量消耗等项。约束条件则包括机器人的运动学约束、动力学约束、环境约束和安全约束等。此外，还需要选择合适的优化算法来求解NMPC问题。论文中使用了高增益位置控制器，这有助于提高控制的响应速度和精度。具体参数设置未知。

📊 实验亮点

论文通过仿真和硬件实验验证了所提方法的有效性。实验结果表明，该方法能够在结构化地形上生成平滑和动态的运动，并且能够有效地应对物理和环境约束。具体的性能数据和对比基线未知，但实验结果表明该方法具有良好的实际应用潜力。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于复杂地形下的机器人导航、搜索救援、工业巡检等领域。Tachyon 3 独特的伸缩轮腿结构使其能够在狭窄空间和崎岖地形中灵活移动，结合先进的控制算法，能够有效提升机器人在复杂环境中的作业能力。未来，该技术有望应用于更广泛的机器人平台，推动机器人技术在各行业的应用。

📄 摘要（原文）

This paper presents a nonlinear model predictive control (NMPC) toward versatile motion generation for the telescopic-wheeled-legged robot Tachyon 3, the unique hardware structure of which poses challenges in control and motion planning. We apply the full-centroidal NMPC formulation with dedicated constraints that can capture the accurate kinematics and dynamics of Tachyon 3. We have developed a control pipeline that includes an internal state integrator to apply NMPC to Tachyon 3, the actuators of which employ high-gain position-controllers. We conducted simulation and hardware experiments on the perceptive locomotion of Tachyon 3 over structured terrains and demonstrated that the proposed method can achieve smooth and dynamic motion generation under harsh physical and environmental constraints.