HT-LIP Model based Robust Control of Quadrupedal Robot Locomotion under Unknown Vertical Ground Motion

📄 arXiv: 2403.16262v1 📥 PDF

作者: Amir Iqbal, Sushant Veer, Christopher Niezrecki, Yan Gu

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2024-03-24

💡 一句话要点

提出HT-LIP模型以解决四足机器人在未知垂直地面运动下的稳健控制问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 四足机器人 动态控制 稳健性 HT-LIP模型 步态控制 机器人运动 不确定性 二次规划

📋 核心要点

  1. 现有的四足机器人控制方法在动态和未知的地面运动下表现不佳，难以保证稳定性和适应性。
  2. 本文提出了一种基于HT-LIP模型的分层控制框架，设计了高层步态控制器以应对未知的垂直地面运动。
  3. 通过在Unitree Go1机器人上的实验，验证了该框架在各种复杂地面条件下的稳健性，表现出优越的适应能力。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种分层控制框架，使四足机器人能够在动态刚性表面（DRS）上进行稳健的运动，适应一般且未知的垂直运动。该框架的创新点在于其高层次的离散时间、可证明稳定的步态控制器，基于一种新的混合时变线性倒立摆（HT-LIP）模型，该模型低维且准确捕捉了DRS运动中的机器人动态。文中推导了一组新的充分稳定性条件，以指导控制器设计，确保HT-LIP模型在一般未知的垂直DRS运动下的渐近稳定性。此外，步态控制器被构建为一个计算高效的二次规划，结合了HT-LIP模型和稳定性条件。通过在Unitree Go1四足机器人上的硬件实验，验证了该框架在各种未知、非周期性垂直DRS运动和不确定性下的稳健性。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决四足机器人在动态刚性表面（DRS）上进行稳健运动时面临的未知垂直运动问题。现有方法在应对复杂和不确定的地面条件时，往往无法保证机器人的稳定性和灵活性。

核心思路：论文提出的核心思路是构建一个分层控制框架，其中高层使用HT-LIP模型作为基础，设计出一个可证明稳定的步态控制器，以适应未知的垂直运动。通过这种设计，能够有效捕捉机器人在DRS运动中的动态特性。

技术框架：整体架构分为三个层次：高层步态控制器负责生成步态位置；中层根据步态位置生成全身运动轨迹；低层则通过扭矩控制器精确跟踪这些轨迹。每一层都相互配合，以确保机器人的稳定运动。

关键创新：最重要的技术创新在于提出了HT-LIP模型及其相应的稳定性条件，这些条件直接指导了控制器的设计，确保了在未知垂直DRS运动下的渐近稳定性。这一创新与传统方法相比，显著提高了机器人的适应能力。

关键设计：在设计中，步态控制器被构建为一个计算高效的二次规划问题，结合了HT-LIP模型和稳定性条件。此外，控制器的参数设置和损失函数设计也经过精心调整，以确保在各种不确定性下的稳健性。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，所提出的控制框架在面对各种未知、非周期性垂直DRS运动时，能够保持机器人的稳定性和灵活性。具体而言，Unitree Go1机器人在滑动、不平坦的表面以及突发推力下均表现出优越的稳健性，验证了框架的有效性。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括救援机器人、探测机器人以及任何需要在不平坦或动态环境中移动的四足机器人。其实际价值在于提升机器人在复杂环境中的适应能力，未来可能对机器人自主导航和操作任务产生深远影响。

📄 摘要（原文）

This paper presents a hierarchical control framework that enables robust quadrupedal locomotion on a dynamic rigid surface (DRS) with general and unknown vertical motions. The key novelty of the framework lies in its higher layer, which is a discrete-time, provably stabilizing footstep controller. The basis of the footstep controller is a new hybrid, time-varying, linear inverted pendulum (HT-LIP) model that is low-dimensional and accurately captures the essential robot dynamics during DRS locomotion. A new set of sufficient stability conditions are then derived to directly guide the controller design for ensuring the asymptotic stability of the HT-LIP model under general, unknown, vertical DRS motions. Further, the footstep controller is cast as a computationally efficient quadratic program that incorporates the proposed HT-LIP model and stability conditions. The middle layer takes the desired footstep locations generated by the higher layer as input to produce kinematically feasible full-body reference trajectories, which are then accurately tracked by a lower-layer torque controller. Hardware experiments on a Unitree Go1 quadrupedal robot confirm the robustness of the proposed framework under various unknown, aperiodic, vertical DRS motions and uncertainties (e.g., slippery and uneven surfaces, solid and liquid loads, and sudden pushes).