Vectorable Thrust Control for Multimodal Locomotion of Quadruped Robot SPIDAR

📄 arXiv: 2503.11551v1 📥 PDF

作者: Moju Zhao

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2025-03-14

备注: 16 Pages. Presented in International Symposium of Robotics Research (ISRR) 2024, Long Beach, USA

💡 一句话要点

SPIDAR四足机器人：面向多模态运动的可矢量推力控制

🎯 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: 四足机器人 矢量推力控制 多模态运动 气动干扰 爬行运动

📋 核心要点

  1. 现有四足机器人难以在陆地和空中进行灵活切换，SPIDAR旨在通过矢量旋翼实现多模态运动。
  2. 论文核心在于提出一种可矢量推力控制方法，避免特定关节配置下的旋翼气动干扰，并扩展到爬行运动。
  3. 实验验证了SPIDAR机器人进行复杂关节运动飞行和可重复爬行运动的可行性，证明了控制方法的有效性。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种新型四足机器人SPIDAR的可矢量推力控制方法，该机器人每个连杆都配备了矢量旋翼，从而实现不同的运动模式。首先，简要介绍了SPIDAR机器人独特的机械设计、动力学模型以及陆地/空中运动的基本控制框架。其次，提出了一种从空中运动基本控制框架衍生的可矢量推力控制方法。这种扩展的飞行控制的关键特性是能够在特定的关节配置下避免旋翼间的气动干扰。然后，针对一种特殊的陆地运动模式——爬行，提出了另一种扩展的推力控制方法和一种基本的步态策略，这种爬行运动需要同时抬起所有腿。最后，通过复杂的关节运动飞行和可重复的爬行运动的实验结果，验证了所提出的推力控制方法在不同运动模式下的可行性。

🔬 方法详解

问题定义：传统四足机器人通常只能在陆地上运动，或者需要复杂的机构才能实现空中运动。SPIDAR机器人旨在实现陆地和空中运动的无缝切换，但面临着旋翼之间气动干扰以及如何在不同运动模式下有效控制推力的问题。现有的控制方法难以同时兼顾多种运动模式，并且没有充分考虑旋翼之间的气动影响。

核心思路：本文的核心思路是设计一种可矢量推力控制方法，该方法能够根据机器人的关节配置动态调整每个旋翼的推力方向和大小，从而实现对机器人姿态和运动的精确控制。通过矢量推力，可以避免旋翼之间的气动干扰，并实现不同运动模式下的稳定运动。特别地，针对爬行运动，设计了一种特殊的步态策略，使得机器人能够在所有腿同时抬起的情况下保持平衡。

技术框架：SPIDAR机器人的整体控制框架包括以下几个主要模块：1) 动力学建模：建立机器人的精确动力学模型，用于预测机器人的运动状态。2) 姿态估计：使用传感器数据（如IMU）估计机器人的姿态。3) 推力分配：根据期望的姿态和运动状态，计算每个旋翼的推力大小和方向。4) 运动控制：通过PID控制器或其他控制算法，控制每个旋翼的转速和角度，从而实现期望的推力。针对爬行运动，还包括一个步态规划模块，用于生成合适的步态序列。

关键创新：本文最重要的技术创新点在于提出了一种可矢量推力控制方法，该方法能够有效地避免旋翼之间的气动干扰。与传统的固定推力方向的控制方法相比，该方法能够根据机器人的关节配置动态调整推力方向，从而提高控制精度和稳定性。此外，针对爬行运动提出的步态策略也是一个创新点，该策略使得机器人能够在所有腿同时抬起的情况下保持平衡。

关键设计：在推力分配模块中，需要考虑旋翼之间的气动干扰。本文通过建立气动干扰模型，并将其纳入推力分配的优化目标中，从而减少气动干扰的影响。此外，在爬行运动的步态规划中，需要仔细设计步态序列，以确保机器人在所有腿同时抬起的情况下能够保持平衡。这需要对机器人的动力学模型进行深入分析，并进行大量的实验验证。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，SPIDAR机器人能够成功地进行复杂的关节运动飞行和可重复的爬行运动。通过矢量推力控制，机器人能够在飞行过程中保持稳定的姿态，并且能够有效地避免旋翼之间的气动干扰。在爬行运动中，机器人能够按照预定的步态序列进行运动，并且能够在所有腿同时抬起的情况下保持平衡。这些实验结果验证了所提出的推力控制方法在不同运动模式下的可行性和有效性。

🎯 应用场景

SPIDAR机器人的可矢量推力控制方法具有广泛的应用前景，例如在复杂地形下的搜索救援、工业巡检、农业采摘等领域。该机器人能够灵活地在陆地和空中运动，从而适应不同的环境。此外，该方法还可以应用于其他类型的多旋翼机器人，提高其运动性能和适应性。未来，该技术有望在机器人领域发挥重要作用。

📄 摘要（原文）

In this paper, I present vectorable thrust control for different locomotion modes by a novel quadruped robot, SPIDAR, equipped with vectoring rotor in each link. First, the robot's unique mechanical design, the dynamics model, and the basic control framework for terrestrial/aerial locomotion are briefly introduced. Second, a vectorable thrust control method derived from the basic control framework for aerial locomotion is presented. A key feature of this extended flight control is its ability to avoid interrotor aerodynamics interference under specific joint configuration. Third, another extended thrust control method and a fundamental gait strategy is proposed for special terrestrial locomotion called crawling that requires all legs to be lifted at the same time. Finally, the experimental results of the flight with a complex joint motion and the repeatable crawling motion are explained, which demonstrate the feasibility of the proposed thrust control methods for different locomotion modes.