[论文解读] Modeling of a Quadruped Robot with Spine Joints and Full-Dynamics Simulation Environment Construction

Ömer Kemal Adak, Beste Bahçeci+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2022

Robotic Locomotion and Control被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于20自由度四足机器人（配备主动脊柱关节）的全动力学仿真环境，采用拉格朗日力学实现精确的运动学与动力学建模。该仿真基于优化的MATLAB/Simulink平台，采用基于非线性LCP的接触模型，实现了高保真度、可实时使用的动力学仿真，显著提升了传统弹簧阻尼模型在精度与稳定性方面的表现。

ABSTRACT

This paper presents modeling and simulation of a spined quadruped robot. Extended literature survey is employed and spine joints researches of the quadruped robots are classified. Most of the researchers execute simplified quadruped robot models in their simulations. This survey reveals the need for the full-body spined quadruped simulation environment. First, the kinematics and dynamics modeling of the active spined quadruped robot is obtained. Since quadruped robots are floating-base robots, all derivations are performed with respect to an inertial frame. The motion equations are acquired by the Lagrangian approach. The simulation environment is constructed in the MATLAB/Simulink platform, considering its rich library, powerful solvers, and suitable and resilient environment in integrating controllers. The computation speed of the simulation environment is increased by using optimized MATLAB functions. Precise and accurate contact model is utilized in the simulation environment. We foreseen that the provided full-dynamics simulation environment will be helpful for further spine joint studies on the quadruped robot field.

研究动机与目标

• 解决现有文献中缺乏针对脊柱四足机器人全动力学仿真环境的问题。
• 为具有2自由度主动脊柱关节的20自由度浮动基座四足机器人建立精确的运动学与动力学模型。
• 在MATLAB/Simulink中构建高性能仿真环境，支持实时控制器集成与优化的数值计算。
• 通过用非线性LCP基接触模型替代传统弹簧阻尼接触模型，提升仿真的精度与稳定性。
• 为未来研究脊柱关节在步态效率、稳定性及动态行走中的作用提供支持。

提出的方法

• 基于惯性参考系，采用拉格朗日方法推导运动学与动力学方程，考虑机器人的浮动基座特性。
• 对所有具有不可忽略质量的机器人部件进行建模，包括腿部（占总质量的25%），以确保动力学的真实性。
• 在MATLAB/Simulink中通过优化函数实现全机器人动力学，提升计算速度与仿真效率。
• 开发一种基于互补性的非线性接触模型，采用线性互补问题（LCP）公式，精确模拟足部与地面接触时的法向与切向力。
• 通过非线性优化方法建立接触冲量与速度之间的关系，即使在无法获得精确解时也能收敛至合理解。
• 将接触模型集成至仿真环境中，实现稳定、精确且真实的足地交互动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 主动脊柱关节的引入如何影响四足机器人在不同步态下的动态性能与能量效率？
• RQ2 与简化模型相比，全身体动力学建模（特别是非无质量腿部）对行走仿真精度有何影响？
• RQ3 在足式机器人仿真中，非线性LCP基接触模型相较于传统弹簧阻尼模型，如何提升仿真稳定性和精度？
• RQ4 在复杂、高自由度机器人动力学仿真中，经过优化的MATLAB/Simulink实现能在多大程度上保持实时性能？
• RQ5 脊柱运动在提升步幅长度、速度与动态四足行走步态控制方面发挥何种作用？

主要发现

• 仿真环境成功基于拉格朗日动力学建模了具有主动2自由度脊柱关节的20自由度四足机器人，支持全身体运动分析。
• 引入非无质量腿部显著提升了动力学保真度，因为腿部约占机器人总质量的25%。
• 使用优化的MATLAB/Simulink函数显著提升了计算速度，支持高效且可扩展的实时控制器测试仿真。
• 非线性LCP基接触模型实现了高精度与高稳定性，即使在无法计算精确解时也能收敛至合理解。
• 该接触模型通过标量参数x_N与x_T的统一公式，有效捕捉了法向力与切向力，包括滑移状态。
• 该仿真框架为未来脊柱辅助行走的研究提供了稳健、精确且高效的平台，尤其在动态步态性能与能量效率方面。