[论文解读] A Letter on Progress Made on Husky Carbon: A Legged-Aerial, Multi-modal Platform

Adarsh Salagame, Shoghair Manjikian+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2022

Robotic Locomotion and Control被引用 5

一句话总结

本文提出 Husky Carbon，一种四足机器人，具备结合步行与飞行的多模态运动能力。该机器人集成了嵌入式谐波减速器、无刷直流电机、IMU 和 Realsense T265 摄像头，实现本体感知与外部感知的状态估计，在实验中实现了稳定的系绳慢跑，具备精确的关节轨迹跟踪能力，并收敛至稳定的极限环。

ABSTRACT

Animals, such as birds, widely use multi-modal locomotion by combining legged and aerial mobility with dominant inertial effects. The robotic biomimicry of this multi-modal locomotion feat can yield ultra-flexible systems in terms of their ability to negotiate their task spaces. The main objective of this paper is to discuss the challenges in achieving multi-modal locomotion, and to report our progress in developing our quadrupedal robot capable of multi-modal locomotion (legged and aerial locomotion), the Husky Carbon. We report the mechanical and electrical components utilized in our robot, in addition to the simulation and experimentation done to achieve our goal in developing a versatile multi-modal robotic platform.

研究动机与目标

• 开发一种可实现腿式与飞行运动的四足机器人，模拟鸟类所展现的多模态移动能力。
• 解决在单个平台中集成腿式与飞行移动所面临的机械与控制挑战，尤其在严格的功耗与有效载荷限制下。
• 设计一种轻量化、自持运行的机器人，采用嵌入式谐波减速器与最少的金属部件，以降低质量并提升敏捷性。
• 通过集成本体感知（IMU）与外部感知（摄像头）传感，实现更优的状态估计，从而实现稳定的动态运动。
• 通过系绳慢跑实验验证控制器性能，实现可测量的关节跟踪与姿态稳定性。

提出的方法

• 机器人采用3D打印结构，集成嵌入式谐波减速器（齿轮比：30、50、100）与霍尔效应编码器，实现精确的关节控制。
• 在腿部关节中集成无刷直流电机（T-motor，KV 400），实现高扭矩、低惯量的驱动。
• 机载 VectorNav VN-100 IMU 与 Intel Realsense T265 追踪摄像头提供实时姿态反馈，用于平衡控制与运动规划。
• 使用 Speedgoat IO581 实时目标机运行 Simulink 模型，并通过 EtherCAT 与 Elmo 伺服驱动器通信，实现高带宽电机控制。
• 测试场地中设置滑轮系统，可在系绳测试中施加受控载荷，以模拟推进器提供的部分推力。
• 使用 AprilTag 标记在步行与慢跑实验中提供视觉反馈，用于姿态估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使单一机器人平台在腿式与飞行模式之间实现稳定、协调的运动？
• RQ2 在严格的功耗与有效载荷限制下，哪些机械与控制策略可实现腿式与飞行移动的有效集成？
• RQ3 本体感知与外部感知传感在多大程度上可减少动态慢跑过程中航位推算的漂移？
• RQ4 机器人轻量化、柔顺的设计在动态运动过程中对关节轨迹跟踪与姿态稳定性有何影响？
• RQ5 在集成传感与反馈控制的系绳原地慢跑中，可实现哪些性能指标？

主要发现

• 如图 7 所示，机器人在四次循环中实现了稳定的原地慢跑，且对目标关节轨迹的跟踪精度高。
• 图 8 中的姿态数据表明，尽管存在关节柔性，仍实现了极小的漂移与稳定的身体姿态。
• 图 9 中的相图显示系统收敛至稳定的极限环，证实了步态控制器的鲁棒性。
• IMU 与 Realsense T265 摄像头的集成有效减少了航位推算漂移，为动态步态的可靠运动规划提供了支持。
• 采用 3D 打印结构与最少金属部件的嵌入式设计，成功降低了质量，同时保持了结构完整性。
• 通过受控载荷的系绳测试验证了平台在部分推进条件下的动态步态承载能力，进一步证实了控制器性能。