Versatile, Robust, and Explosive Locomotion with Rigid and Articulated Compliant Quadrupeds
作者: Jiatao Ding, Peiyu Yang, Fabio Boekel, Jens Kober, Wei Pan, Matteo Saveriano, Cosimo Della Santina
分类: cs.RO
发布日期: 2025-04-17
备注: 20 pages, 25 figures
💡 一句话要点
提出基于柔顺四足机器人的通用运动规划与控制框架，实现高动态、鲁棒性运动
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 四足机器人 柔顺机构 运动规划 轨迹优化 鲁棒控制 模板模型 动态运动
📋 核心要点
- 现有四足机器人难以兼顾高动态运动与对不确定性的鲁棒性，尤其是在引入并联柔顺性后控制更加复杂。
- 提出一种基于双腿驱动弹簧负载倒立摆的降阶模板模型，显式建模并联柔顺性，解耦弹簧效应与电机驱动。
- 实验表明，该方法能生成多种动态运动，并联弹性显著提升爆发性运动性能和对动态不确定性的鲁棒性。
📝 摘要（中文）
在动态不确定性下，实现通用且爆发性的运动是一个极具挑战的任务。在四足机器人设计中引入并联柔顺性被认为可以增强运动性能，然而，这也使得控制任务更加困难。本文旨在通过提出一个通用的模板模型，并建立一个高效的运动规划和控制流程来解决这一挑战。首先，我们提出了一个降阶模板模型——带有躯干旋转的双腿驱动弹簧负载倒立摆，该模型通过将弹簧效应与主动电机驱动解耦，显式地模拟了并联柔顺性。利用该模板模型，通过双层轨迹优化生成了多种杂技运动，如弹跳、青蛙跳和跳跃转向，其中考虑了无奇异的身体旋转表示。结合线性无奇异跟踪控制器，实现了增强的四足运动。与现有模板模型的比较表明，我们的模型具有更高的准确性和泛化性。刚性四足机器人和新设计的柔顺四足机器人的硬件实验表明：i) 该模板模型能够生成通用的动态运动；ii) 并联弹性增强了爆发性运动。例如，最大弹跳距离、跳跃转向偏航角和青蛙跳距离分别至少增加了25%、15%和25%；iii) 并联弹性提高了对动态不确定性的鲁棒性，包括建模误差和外部干扰。例如，对于鲁棒的青蛙跳，允许的支撑面高度变化增加了100%。
🔬 方法详解
问题定义：现有四足机器人难以在实现高动态运动的同时，保持对建模误差和外部扰动的鲁棒性。特别是在引入并联柔顺性以增强运动性能后，控制难度进一步增加。现有的模板模型在精度和泛化性方面存在局限性，难以生成复杂多样的运动。
核心思路：论文的核心思路是提出一个能够显式建模并联柔顺性的降阶模板模型，即带有躯干旋转的双腿驱动弹簧负载倒立摆。通过将弹簧效应与主动电机驱动解耦，简化了控制问题，并允许更精确地规划和控制机器人的运动。这种设计使得机器人能够更好地利用柔顺性来增强爆发性运动和提高鲁棒性。
技术框架：该方法包含以下主要模块： 1. 模板模型构建：建立带有躯干旋转的双腿驱动弹簧负载倒立摆模型，显式建模并联柔顺性。 2. 轨迹优化：采用双层轨迹优化方法，生成弹跳、青蛙跳、跳跃转向等多种杂技运动轨迹，并考虑无奇异的身体旋转表示。 3. 运动控制：设计线性无奇异跟踪控制器，用于跟踪优化后的轨迹，实现对四足机器人的精确控制。 4. 硬件实验：在刚性和柔顺四足机器人上进行实验验证，评估模型的性能和鲁棒性。
关键创新：该论文的关键创新在于提出了一个能够显式建模并联柔顺性的降阶模板模型。与现有的模板模型相比，该模型具有更高的精度和泛化性，能够生成更复杂多样的运动。此外，该方法还考虑了无奇异的身体旋转表示，避免了控制过程中的奇异性问题。
关键设计： * 模板模型：双腿驱动弹簧负载倒立摆模型，包含躯干旋转自由度，显式建模并联柔顺性。 * 轨迹优化：双层优化结构，上层优化粗略轨迹，下层优化精细轨迹，目标函数包含运动平滑性、能量消耗等。 * 控制器：线性无奇异跟踪控制器，基于模板模型的线性化，实现对机器人状态的精确跟踪。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该方法能够显著提升四足机器人的运动性能。例如，在柔顺四足机器人上，最大弹跳距离增加了至少25%，跳跃转向偏航角增加了至少15%，青蛙跳距离增加了至少25%。此外，该方法还显著提高了机器人对动态不确定性的鲁棒性，例如，对于鲁棒的青蛙跳，允许的支撑面高度变化增加了100%。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于搜救、侦察、物流等领域，尤其是在复杂地形或动态环境中。通过提高四足机器人的运动能力和鲁棒性，使其能够更好地适应各种任务需求。未来，该方法有望推广到其他类型的机器人，例如双足机器人和多足机器人，从而推动整个机器人领域的发展。
📄 摘要（原文）
Achieving versatile and explosive motion with robustness against dynamic uncertainties is a challenging task. Introducing parallel compliance in quadrupedal design is deemed to enhance locomotion performance, which, however, makes the control task even harder. This work aims to address this challenge by proposing a general template model and establishing an efficient motion planning and control pipeline. To start, we propose a reduced-order template model-the dual-legged actuated spring-loaded inverted pendulum with trunk rotation-which explicitly models parallel compliance by decoupling spring effects from active motor actuation. With this template model, versatile acrobatic motions, such as pronking, froggy jumping, and hop-turn, are generated by a dual-layer trajectory optimization, where the singularity-free body rotation representation is taken into consideration. Integrated with a linear singularity-free tracking controller, enhanced quadrupedal locomotion is achieved. Comparisons with the existing template model reveal the improved accuracy and generalization of our model. Hardware experiments with a rigid quadruped and a newly designed compliant quadruped demonstrate that i) the template model enables generating versatile dynamic motion; ii) parallel elasticity enhances explosive motion. For example, the maximal pronking distance, hop-turn yaw angle, and froggy jumping distance increase at least by 25%, 15% and 25%, respectively; iii) parallel elasticity improves the robustness against dynamic uncertainties, including modelling errors and external disturbances. For example, the allowable support surface height variation increases by 100% for robust froggy jumping.