Modeling and In-flight Torso Attitude Stabilization of a Jumping Quadruped

📄 arXiv: 2409.14567v2 📥 PDF

作者: Michail Papadakis, Jørgen Anker Olsen, Ioannis Poulakakis, Kostas Alexis

分类: cs.RO

发布日期: 2024-09-22 (更新: 2024-10-12)

备注: 16 pages, 10 figures, to appear at the International Symposium of Robotics Research (ISRR) 2024. Paper site: https://michalispapadakis.github.io/mpc_olympus/

💡 一句话要点

针对低重力跳跃四足机器人，提出基于NMPC的躯干姿态稳定控制方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 四足机器人 跳跃运动 姿态控制 非线性模型预测控制 低重力环境

📋 核心要点

  1. 现有跳跃机器人在低重力环境下难以实现精确的姿态控制，尤其是在执行敏捷动作时，容易发生碰撞。
  2. 论文提出一种分层控制架构，利用非线性模型预测控制（NMPC）和扭矩分配策略，实现躯干姿态稳定和无碰撞的腿部运动。
  3. 仿真结果表明，该控制器能够快速稳定横滚、俯仰和偏航方向的旋转，实验验证了其稳定恒定和变化姿态参考的能力。

📝 摘要（中文）

本文研究了低重力环境下跳跃四足机器人的建模和姿态控制问题。首先，提出了一种凸分解程序，用于为执行敏捷动作的四足机器人生成高精度、低成本的碰撞几何体。然后，研究了一种分层控制架构，将躯干姿态跟踪与相应无碰撞的腿部运动生成分离开来。控制器的两个层都采用了非线性模型预测控制器（NMPC）。为了计算必要的腿部运动，采用了一种扭矩分配策略，该策略利用系统的对称性来避免自碰撞并简化相应的NMPC。为了在线规划周期性轨迹，还使用了一种基于有限状态机（FSM）的权重切换策略。所提出的控制器首先在仿真中进行评估，在仿真中，横滚、俯仰和偏航方向上的90度旋转分别在6.3秒、2.4秒和5.5秒内稳定。控制器的性能通过稳定恒定和变化的姿态参考值得到了进一步的实验验证。总而言之，这项工作为开发用于跳跃腿式系统的高级基于模型的姿态控制器提供了一个框架。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决低重力环境下跳跃四足机器人的姿态控制问题，尤其是在执行敏捷运动时，如何保证躯干姿态的稳定性和避免腿部与自身的碰撞。现有方法在处理复杂运动和低重力环境时，难以实现高精度和鲁棒性的姿态控制，并且计算成本较高。

核心思路：论文的核心思路是将姿态控制问题分解为躯干姿态跟踪和腿部运动生成两个层次。通过分层控制，可以简化控制器的设计和优化过程，并利用NMPC实现对非线性系统的高精度控制。同时，利用系统的对称性进行扭矩分配，避免自碰撞，降低计算复杂度。

技术框架：整体架构是一个分层控制系统。第一层是躯干姿态控制器，使用NMPC跟踪期望的躯干姿态。第二层是腿部运动生成器，也使用NMPC，根据躯干姿态控制器的输出，生成无碰撞的腿部运动轨迹。扭矩分配模块将腿部运动转化为关节力矩。此外，使用基于FSM的权重切换策略来在线规划周期性轨迹。

关键创新：论文的关键创新在于：1) 提出了一种基于凸分解的碰撞几何体生成方法，能够高效地生成高精度的机器人碰撞模型；2) 设计了一种分层NMPC控制架构，将姿态控制和腿部运动生成解耦，简化了控制器的设计；3) 利用系统的对称性进行扭矩分配，避免自碰撞，降低了计算复杂度。

关键设计：在NMPC设计中，需要仔细选择状态变量、控制输入、预测时域、代价函数等参数。代价函数通常包含姿态跟踪误差、控制输入惩罚项和碰撞避免项。基于FSM的权重切换策略用于调整不同状态下的控制目标和约束条件。凸分解算法的具体参数设置会影响碰撞模型的精度和计算成本。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

仿真结果表明，所提出的控制器能够在6.3秒内稳定横滚方向90度旋转，在2.4秒内稳定俯仰方向90度旋转，在5.5秒内稳定偏航方向90度旋转。实验结果验证了控制器在稳定恒定和变化姿态参考方面的有效性，表明该方法具有良好的姿态控制性能。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于空间探索、灾难救援等领域。在低重力或复杂地形环境下，跳跃四足机器人能够执行侦察、搜救等任务。该姿态控制方法可以提高机器人的运动稳定性和任务执行效率，使其能够更好地适应恶劣环境。

📄 摘要（原文）

This paper addresses the modeling and attitude control of jumping quadrupeds in low-gravity environments. First, a convex decomposition procedure is presented to generate high-accuracy and low-cost collision geometries for quadrupeds performing agile maneuvers. A hierarchical control architecture is then investigated, separating torso orientation tracking from the generation of suitable, collision-free, corresponding leg motions. Nonlinear Model Predictive Controllers (NMPCs) are utilized in both layers of the controller. To compute the necessary leg motions, a torque allocation strategy is employed that leverages the symmetries of the system to avoid self-collisions and simplify the respective NMPC. To plan periodic trajectories online, a Finite State Machine (FSM)-based weight switching strategy is also used. The proposed controller is first evaluated in simulation, where 90 degree rotations in roll, pitch, and yaw are stabilized in 6.3, 2.4, and 5.5 seconds, respectively. The performance of the controller is further experimentally demonstrated by stabilizing constant and changing orientation references. Overall, this work provides a framework for the development of advanced model-based attitude controllers for jumping legged systems.