[论文解读] Online Dynamic Motion Planning and Control for Wheeled Biped Robots

Songyan Xin, Sethu Vijayakumar|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2020

Robotic Locomotion and Control参考文献 24被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的在线动态运动规划与控制框架，针对轮式双足机器人，采用混合Cart-线性倒立摆模型（Cart-LIPM）实现滚动，以及欠驱动LIPM实现步态转换。该方法通过模型预测控制与反向动力学实现全肢体实时运动生成，首次在仿真中成功演示了跨越障碍物的动态混合行走。

ABSTRACT

Wheeled-legged robots combine the efficiency of wheeled robots when driving on suitably flat surfaces and versatility of legged robots when stepping over or around obstacles. This paper introduces a planning and control framework to realise dynamic locomotion for wheeled biped robots. We propose the Cart-Linear Inverted Pendulum Model (Cart-LIPM) as a template model for the rolling motion and the under-actuated LIPM for contact changes while walking. The generated motion is then tracked by an inverse dynamic whole-body controller which coordinates all joints, including the wheels. The framework has a hierarchical structure and is implemented in a model predictive control (MPC) fashion. To validate the proposed approach for hybrid motion generation, two scenarios involving different types of obstacles are designed in simulation. To the best of our knowledge, this is the first time that such online dynamic hybrid locomotion has been demonstrated on wheeled biped robots.

研究动机与目标

• 实现轮式双足机器人在复杂环境中动态、在线的运动规划。
• 解决在实时条件下协调轮式行走与腿部步态转换的挑战。
• 开发一种分层控制框架，无缝整合滚动与步态运动。
• 通过仿真在多种障碍物场景下验证该框架。

提出的方法

• 提出Cart-线性倒立摆模型（Cart-LIPM）作为稳定滚动运动的模板。
• 引入一种欠驱动LIPM变体，用于建模和控制行走过程中的接触过渡。
• 采用分层模型预测控制（MPC）框架实现在线轨迹生成。
• 使用反向动力学全肢体控制器协调所有关节（包括轮子），实现精确运动跟踪。
• 设计一种混合运动生成策略，根据地形与障碍物条件在滚动与步态模式间切换。
• 在仿真中实现该框架，以测试其在多种障碍物类型下的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 轮式双足机器人如何实现结合高效滚动与敏捷越障步态的动态行走？
• RQ2 何种控制模型可实现在滚动与腿部步态之间转换时的稳定与自适应运动规划？
• RQ3 能否通过MPC与反向动力学在全驱动轮式双足机器人上有效实现在线实时运动规划？
• RQ4 该混合运动生成框架在仿真中面对不同障碍物配置时表现如何？
• RQ5 在统一控制架构中集成滚动与步态行为的可行性如何？

主要发现

• 所提出的框架在仿真中成功实现了轮式双足机器人的在线动态运动规划与控制。
• Cart-LIPM与欠驱动LIPM模型有效捕捉了滚动与接触过渡的动力学特性。
• 分层MPC控制器在滚动与步态阶段均实现了稳定且精确的运动跟踪。
• 系统在穿越多种障碍物类型（包括缝隙与高起障碍物）时表现出鲁棒性能。
• 据作者所知，这是首次在轮式双足机器人上实现在线动态混合行走的演示。
• 通过反向动力学实现的轮子与腿部控制集成，确保了全肢体运动的协调性。