[论文解读] Highly Dynamic Quadruped Locomotion via Whole-Body Impulse Control and Model Predictive Control

Donghyun Kim, Jared Di Carlo+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2019

Robotic Locomotion and Control参考文献 21被引用 216

一句话总结

一个混合 MPC 与 Whole-Body Impulse Control (WBIC) 框架实现高度动态的四足运动，包含空中相位，在 MIT Mini-Cheetah 上测试，达到 3.7 m/s 的奔跑速度和多种步态。

ABSTRACT

Dynamic legged locomotion is a challenging topic because of the lack of established control schemes which can handle aerial phases, short stance times, and high-speed leg swings. In this paper, we propose a controller combining whole-body control (WBC) and model predictive control (MPC). In our framework, MPC finds an optimal reaction force profile over a longer time horizon with a simple model, and WBC computes joint torque, position, and velocity commands based on the reaction forces computed from MPC. Unlike existing WBCs, which attempt to track commanded body trajectories, our controller is focused more on the reaction force command, which allows it to accomplish high speed dynamic locomotion with aerial phases. The newly devised WBC is integrated with MPC and tested on the Mini-Cheetah quadruped robot. To demonstrate the robustness and versatility, the controller is tested on six different gaits in a number of different environments, including outdoors and on a treadmill, reaching a top speed of 3.7 m/s.

研究动机与目标

• 开发一种多功能控制方案，用于具备空中相位和短站立时间的高度动态四足运动。
• 通过改变高级步态调度器和落脚规划，实现步态之间的切换。
• 将模型预测控制与全身冲击控制器整合，以处理欠驱动与地面接触力。
• 在真实硬件上展示在多样地形和步态下的鲁棒性与通用性。

提出的方法

• 使用模型预测控制（MPC）基于简化质量模型，在一个步态周期内计算最优地面反作用力剖面。
• 开发全身冲击控制（WBIC），将 MPC 的力转化为高频关节位置、速度和扭矩指令。
• 通过简化动力学以实现可处理的优化，将其作为凸 MPC，并在 WBIC 中保留全身动力学模型。
• 在 WBIC 中采用基于零空间投影的优先任务执行，用于身体稳定和摆动脚控制。
• 使用二次规划（QP）在满足接触约束和摩擦圆锥的同时对反作用力和漂浮基加速度进行细化。

实验结果

研究问题

• RQ1 两个层级的 MPC-WBIC 控制框架是否能够在四足机器人上实现并维持带有空中相位的高度动态奔跑？
• RQ2 在 WBIC 中将 MPC 提供的反作用力作为目标，与跟踪 MPC 计算的质心 (CoM) 轨迹相比，有何差异？
• RQ3 该方法是否能够在真实硬件上处理多种步态和地形，而无需针对特定任务的调优？
• RQ4 在 Mini-Cheetah 硬件上，集成控制器可达到的吞吐量和稳定性是多少？
• RQ5 在 WBIC 的 QP 中放宽漂浮基动力学对飞行阶段性能有何影响？

主要发现

• 在 Mini-Cheetah 上实现了最高奔跑速度 3.7 m/s，观测到最大 4 m/s 但稳定性极限在 3.7 m/s。
• 在户外和跑步机环境中展示了六种不同步态的鲁棒性。
• MPC 在板载计算机上以 30 Hz 运行，WBIC 以 500 Hz 运行，从而实现高频反馈。
• WBIC 主要跟踪 MPC 推导的反作用力而非 CoM 轨迹，以应对飞行和欠驱动。
• 控制器充分利用硬件能力，在高速奔跑期间，关节速度和扭矩接近驱动器极限。