Safety-critical Control of Quadrupedal Robots with Rolling Arms for Autonomous Inspection of Complex Environments

📄 arXiv: 2312.07778v1 📥 PDF

作者: Jaemin Lee, Jeeseop Kim, Wyatt Ubellacker, Tamas G. Molnar, Aaron D. Ames

分类: cs.RO

发布日期: 2023-12-12

备注: 7 pages, 8 figures

💡 一句话要点

针对复杂环境巡检，提出基于滚动臂的四足机器人安全控制框架

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱二：RL算法与架构 (RL & Architecture)

关键词: 四足机器人 滚动臂 安全关键控制 控制障碍函数 自主巡检 复杂环境 运动规划

📋 核心要点

  1. 现有四足机器人在复杂环境（如精馏塔）中巡检时，面临运动规划和安全控制的挑战，尤其是在多层结构间过渡时。
  2. 该论文提出了一种安全关键控制框架，结合滚动臂，通过轨迹生成、落脚点重规划和控制障碍函数，确保机器人安全运动。
  3. 实验结果表明，配备滚动臂的四足机器人能够成功地在塔盘结构的不同层之间自主导航和过渡，验证了框架的有效性。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种安全关键控制框架，专为配备滚动臂的四足机器人设计，尤其是在复杂、多层环境中执行自主机器人巡检等运动任务时。本研究考虑了在精馏塔中操作四足机器人，在塔盘上运动以及使用滚动臂在这些塔盘之间过渡的问题。为了解决这个问题，我们的框架包含以下关键要素：1) 用于在塔盘之间无缝过渡的轨迹生成；2) 在被认为不安全的区域进行落脚点重新规划；3) 包含控制障碍函数（Control Barrier Functions）的安全关键控制；4) 基于安全等级的步态转换；5) 低层控制器。我们包含这些组件的综合框架能够实现跨多层的自主和安全运动。我们结合了降阶和全身模型来确保安全，集成了安全关键控制和落脚点重新规划方法。我们通过实际实验验证了我们提出的框架的有效性，实验涉及配备滚动臂的四足机器人，成功地在塔盘结构内的不同层之间导航和过渡。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决四足机器人在复杂多层环境（例如精馏塔）中进行自主巡检时面临的安全运动和层间过渡问题。现有方法在处理此类复杂环境时，难以保证运动的安全性和平稳性，尤其是在落脚点选择和步态转换方面存在挑战。

核心思路：论文的核心思路是将安全关键控制与运动规划相结合，利用滚动臂辅助机器人进行层间过渡。通过控制障碍函数（CBF）确保机器人在运动过程中的安全性，并结合落脚点重规划来应对不安全区域。

技术框架：该框架包含以下几个主要模块：1) 轨迹生成模块，用于规划塔盘之间的过渡轨迹；2) 落脚点重规划模块，用于在不安全区域调整落脚点；3) 安全关键控制模块，利用控制障碍函数确保安全性；4) 步态转换模块，根据安全等级调整步态；5) 低层控制器，用于执行控制指令。整体流程是先生成过渡轨迹，然后进行落脚点规划，再通过安全关键控制和步态转换实现安全运动。

关键创新：该论文的关键创新在于将滚动臂集成到四足机器人的控制框架中，并利用控制障碍函数实现安全关键控制。此外，结合了降阶和全身模型，在保证计算效率的同时，提高了安全性。

关键设计：控制障碍函数的设计是关键。论文可能采用了零阶或高阶控制障碍函数，并需要仔细选择CBF的参数，以平衡安全性和性能。落脚点重规划算法也需要考虑地形的复杂性和机器人的运动学约束。

📊 实验亮点

实验结果表明，该框架能够使配备滚动臂的四足机器人成功地在精馏塔结构的不同层之间进行自主导航和过渡。虽然论文中没有给出具体的性能数据，但实验验证了该框架在复杂环境下的可行性和有效性，为四足机器人在工业巡检领域的应用奠定了基础。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于石油化工、电力、建筑等行业的复杂环境巡检，例如在精馏塔、管道、高层建筑等场景中进行自主检测和维护。通过提高巡检效率和安全性，降低人工成本和风险，具有重要的实际应用价值和商业前景。

📄 摘要（原文）

This paper presents a safety-critical control framework tailored for quadruped robots equipped with a roller arm, particularly when performing locomotive tasks such as autonomous robotic inspection in complex, multi-tiered environments. In this study, we consider the problem of operating a quadrupedal robot in distillation columns, locomoting on column trays and transitioning between these trays with a roller arm. To address this problem, our framework encompasses the following key elements: 1) Trajectory generation for seamless transitions between columns, 2) Foothold re-planning in regions deemed unsafe, 3) Safety-critical control incorporating control barrier functions, 4) Gait transitions based on safety levels, and 5) A low-level controller. Our comprehensive framework, comprising these components, enables autonomous and safe locomotion across multiple layers. We incorporate reduced-order and full-body models to ensure safety, integrating safety-critical control and footstep re-planning approaches. We validate the effectiveness of our proposed framework through practical experiments involving a quadruped robot equipped with a roller arm, successfully navigating and transitioning between different levels within the column tray structure.