Conjugate momentum based thruster force estimate in dynamic multimodal robot

📄 arXiv: 2411.14596v1 📥 PDF

作者: Shreyansh Pitroda, Eric Sihite, Taoran Liu, Kaushik Venkatesh Krishnamurthy, Chenghao Wang, Adarsh Salagame, Reza Nemovi, Alireza Ramezani, Morteza Gharib

分类: cs.RO

发布日期: 2024-11-21

备注: Submitted to ACC 2025. arXiv admin note: text overlap with arXiv:2411.12968

💡 一句话要点

提出基于共轭动量的推力器力估计方法，用于动态多模态机器人Harpy的推力辅助步态。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱九：具身大模型 (Embodied Foundation Models)

关键词: 多模态机器人 推力器力估计 共轭动量 动态运动 Harpy机器人

📋 核心要点

  1. 多模态机器人（如Harpy）结合腿部和推力器运动，但现有推力台架方法难以在实际工况下准确估计推力器力。
  2. 论文提出基于共轭动量的推力器力估计器，利用机器人动量变化来反推推力器力，无需依赖预先标定的推力模型。
  3. 通过数值模拟验证了该估计器在已知和未知地形信息下的有效性，为推力辅助步态控制提供了可靠的力估计。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种基于动量的推力器力估计方法，用于解决多模态机器人系统中推力器力估计的问题。该系统结合了推力器和腿部运动，例如先进的Harpy平台，以实现动态运动。准确的推力器力估计至关重要。虽然可以使用推力台架来表征推力器力，但通常不考虑电池电压等工作条件。本文推导了一种共轭动量推力器力估计器，并在数值模拟器上实现，该模拟器使用推力器力来执行推力辅助行走。文中展示了在已知和未知地形信息下的估计结果。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决多模态机器人，特别是结合腿部和推力器的机器人（如Harpy）在动态运动过程中，准确估计推力器力的问题。传统的推力台架标定方法无法充分考虑实际工作条件，例如电池电压变化对推力的影响，导致估计精度下降。因此，需要一种能够在实际运动中实时估计推力器力的方法。

核心思路：论文的核心思路是利用动量守恒定律，通过测量机器人的整体动量变化，反推出推力器产生的力。这种方法不需要预先标定推力器模型，而是直接从运动数据中估计力，从而能够适应不同的工作条件和环境。论文进一步引入“共轭动量”的概念，以提高估计的准确性和鲁棒性。

技术框架：该方法主要包含以下几个步骤：1) 测量机器人的状态，包括位置、速度、姿态等；2) 计算机器人的整体动量；3) 计算动量的变化率；4) 利用动量守恒定律，将动量变化率与推力器力联系起来；5) 求解方程，估计推力器力。整个框架依赖于精确的状态估计和动量计算。

关键创新：论文的关键创新在于提出了基于“共轭动量”的推力器力估计方法。与传统的动量估计方法相比，共轭动量能够更好地处理机器人运动中的约束和非完整性，从而提高估计的准确性和鲁棒性。此外，该方法不需要预先标定推力器模型，能够适应不同的工作条件。

关键设计：论文中涉及的关键设计包括：1) 共轭动量的具体定义和计算方法；2) 动量守恒方程的建立和求解；3) 状态估计器的设计，用于提供准确的机器人状态信息；4) 针对未知地形的处理方法，例如使用滤波器或自适应算法来估计地形信息。

🖼️ 关键图片

fig_0
fig_1
fig_2

📊 实验亮点

论文通过数值模拟验证了所提出的共轭动量推力器力估计方法的有效性。结果表明，即使在未知地形的情况下，该方法也能够准确地估计推力器力，从而实现稳定的推力辅助行走。具体的性能数据（例如估计误差、收敛速度等）在摘要中未提及，属于未知信息。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于各种多模态机器人，例如腿-轮混合机器人、腿-飞行混合机器人等。准确的推力器力估计对于实现机器人的稳定控制、高效运动和复杂任务至关重要。此外，该方法还可以应用于其他需要力估计的场景，例如人机协作、外骨骼机器人等，具有广泛的应用前景。

📄 摘要（原文）

In a multi-modal system which combines thruster and legged locomotion such our state-of-the-art Harpy platform to perform dynamic locomotion. Therefore, it is very important to have a proper estimate of Thruster force. Harpy is a bipedal robot capable of legged-aerial locomotion using its legs and thrusters attached to its main frame. we can characterize thruster force using a thrust stand but it generally does not account for working conditions such as battery voltage. In this study, we present a momentum-based thruster force estimator. One of the key information required to estimate is terrain information. we show estimation results with and without terrain knowledge. In this work, we derive a conjugate momentum thruster force estimator and implement it on a numerical simulator that uses thruster force to perform thruster-assisted walking.