[论文解读] Underactuated Motion Planning and Control for Jumping with Wheeled-Bipedal Robots

Hua Chen, Bingheng Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2020

Robotic Locomotion and Control参考文献 31被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于轮式双足机器人跳跃的分层运动规划与控制框架，采用了一种新型的轮式弹簧驱动倒立摆（W-SLIP）模型。借助类似微分平坦性的特性，该方法为支撑相和飞行相制定了二次规划（QP）问题，并集成了基于扰动观测器的复合控制器以实现精确的轨迹跟踪，从而在多种条件下（包括不同跳跃高度和斜坡着陆）成功实现了基于仿真的跳跃。

ABSTRACT

This paper studies jumping for wheeled-bipedal robots, a motion that takes full advantage of the benefits from the hybrid wheeled and legged design features. A comprehensive hierarchical scheme for motion planning and control of jumping with wheeled-bipedal robots is developed. Underactuation of the wheeled-bipedal dynamics is the main difficulty to be addressed, especially in the planning problem. To tackle this issue, a novel wheeled-spring-loaded inverted pendulum (W-SLIP) model is proposed to characterize the essential dynamics of wheeled-bipedal robots during jumping. Relying on a differential-flatness-like property of the W-SLIP model, a tractable quadratic programming based solution is devised for planning jumping motions for wheeled-bipedal robots. Combined with a kinematic planning scheme accounting for the flight phase motion, a complete planning scheme for the W-SLIP model is developed. To enable accurate tracking of the planned trajectories, a linear quadratic regulator based wheel controller and a task-space whole-body controller for the other joints are blended through disturbance observers. The overall planning and control scheme is validated using V-REP simulations of a prototype wheeled-bipedal robot.

研究动机与目标

• 为解决欠驱动轮式双足机器人在敏捷运动中缺乏全面的规划与控制策略的问题。
• 开发一种统一的运动规划框架，以处理跳跃过程中飞行相与支撑相之间的过渡。
• 克服轮式双足机器人在支撑相中由欠驱动动力学带来的挑战。
• 在存在模型-执行器差异与外部扰动的情况下，实现高精度的轨迹跟踪。
• 在模拟的轮式双足机器人上对所提框架进行验证，涵盖多种跳跃场景，包括斜坡着陆。

提出的方法

• 引入轮式弹簧驱动倒立摆（W-SLIP）模型，以捕捉轮式双足机器人在跳跃过程中的关键动力学特性。
• 利用W-SLIP模型的类似微分平坦性的特性，实现支撑相的可计算二次规划（QP）运动规划。
• 采用W-SLIP的运动学模型，通过另一项QP公式化方法对飞行相进行规划，以确保过渡平滑。
• 设计一种基于扰动观测器的复合控制器，结合线性二次调节器（LQR）用于轮子控制，以及任务空间全臂控制器用于其他关节。
• 基于轮子速度设计切换逻辑，以在着陆时触发支撑相规划。
• 在SUSTech Nezha机器人上，使用V-REP仿真对整个框架进行验证，采样频率为10 Hz。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效建模轮式双足机器人的欠驱动动力学，以支持跳跃运动规划？
• RQ2 W-SLIP模型中的类似微分平坦性特性是否能够通过二次规划实现高效且可计算的轨迹规划？
• RQ3 如何协调飞行相与支撑相的规划，以确保稳定的起飞与着陆？
• RQ4 基于扰动观测器的复合控制器是否能够在模型不准确的情况下实现对规划轨迹的精确跟踪？
• RQ5 所提框架在不同初始速度与期望跳跃高度下的鲁棒性与性能范围如何？

主要发现

• 所提出的W-SLIP模型成功捕捉了轮式双足机器人跳跃过程中的关键动力学特性，支持有效规划。
• 基于QP的规划方案在状态空间中覆盖了广泛的吸引域，仅在倾斜角、倾斜速率与腿长变化率均较高时出现失败。
• 在SUSTech Nezha机器人上的仿真结果表明，实现了期望质心最高点高度在0.8 m至1.4 m之间的成功跳跃。
• 框架支持初始前向速度为0.5 m/s、1.0 m/s与1.5 m/s的跳跃，证实了对速度变化的鲁棒性。
• 成功实现了在5°倾斜坡面上的跳跃，证明了该框架对非平坦地形的鲁棒性。
• 实际达到的最高点高度略低于期望值（例如，期望1.4 m，实际较低），归因于W-SLIP模型与完整多连杆机器人模型之间的差异。