Dynamic Modeling and Attitude Control of a Reaction-Wheel-Based Low-Gravity Bipedal Hopper
作者: Shriram Hari, M Venkata Sai Nikhil, R Prasanth Kumar
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2026-03-11
备注: Preprint. Under review
💡 一句话要点
提出基于反作用轮的低重力双足跳跃机器人姿态动态建模与控制方法
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 双足机器人 跳跃运动 低重力环境 姿态控制 反作用轮 动力学建模 月球探测
📋 核心要点
- 低重力环境下的机器人跳跃运动面临姿态不稳定的挑战，现有方法难以有效抑制空中姿态偏差。
- 该论文提出利用反作用轮进行姿态控制，通过动量交换来稳定飞行姿态，并建立了降阶动力学模型。
- 仿真结果表明，该方法能显著降低空中姿态偏差，实现稳定着陆，并降低了执行器的饱和度。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种基于反作用轮的欠驱动双足跳跃机器人，用于在月球和近地小行星等低重力天体上实现运动。由于接触力减小和空中飞行时间延长，低重力环境对机器人运动提出了独特的挑战。该机器人利用内部反作用轮来调节弹道飞行阶段的姿态。系统被建模为陀螺仪，从而能够分析躯干旋转和反作用轮动量之间的动态耦合。运动周期包括三个阶段：腿部驱动的推进跳跃、通过主动动量交换控制器实现的中空姿态稳定以及减震着陆。开发了一个降阶模型来捕获躯干旋转和反作用轮动力学之间的关键耦合。在基于MuJoCo的月球重力条件下（g = 1.625 m/s^2）的仿真结果表明，反作用轮控制器的激活将空中角偏差峰值降低了65%以上，并将着陆时的姿态误差限制在3.5度以内。此外，每个跳跃周期的执行器饱和度降低，确保了足够的控制权限。总体而言，该方法显著减轻了飞行中的姿态偏移，并实现了稳定直立的着陆，为不规则的地球外地形上的运动提供了一种实用且控制高效的解决方案。
🔬 方法详解
问题定义：在低重力环境下，双足跳跃机器人由于推力不对称和不均匀地形的相互作用，容易产生飞行中的姿态不稳定问题。现有的控制方法难以有效抑制这种不稳定性，导致着陆失败或能量效率降低。
核心思路：论文的核心思路是利用反作用轮（Reaction Wheel）产生可控的力矩，通过动量交换来调节机器人在空中的姿态。通过主动控制反作用轮的转动，可以抵消外部干扰力矩，从而稳定躯干的姿态。
技术框架：该方法将运动周期分为三个阶段：推进跳跃阶段（leg-driven propulsive jump）、空中姿态稳定阶段（mid-air attitude stabilization）和减震着陆阶段（shock-absorbing landing）。在空中姿态稳定阶段，利用反作用轮控制器进行姿态调节。整个系统被建模为一个陀螺仪，考虑了躯干旋转和反作用轮动量之间的动态耦合。
关键创新：该方法最重要的创新点在于将反作用轮应用于低重力双足跳跃机器人的姿态控制，并建立了相应的动力学模型。通过主动控制反作用轮，实现了对空中姿态的有效稳定，这与传统的被动稳定方法有本质区别。此外，论文还提出了一个降阶模型，简化了计算复杂度，同时保留了关键的动力学特性。
关键设计：论文设计了一个主动动量交换控制器，用于控制反作用轮的转动。控制器的具体形式未知，但目标是最小化空中姿态偏差。此外，论文还针对月球重力环境（g = 1.625 m/s^2）进行了仿真实验，验证了该方法的有效性。降阶模型的具体形式也未知，但其目的是捕获躯干旋转和反作用轮动力学之间的关键耦合。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
在MuJoCo仿真环境下，该方法在月球重力条件下进行了验证。实验结果表明，激活反作用轮控制器后，空中角偏差峰值降低了65%以上，着陆时的姿态误差被限制在3.5度以内。此外，每个跳跃周期的执行器饱和度也得到了降低，保证了控制器的有效性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于月球、火星等低重力星球表面的探测任务，例如地形勘测、资源勘探和科学实验。该方法能够提高机器人在复杂地形下的运动能力和任务执行效率，降低任务风险，并为未来的行星探索提供一种可靠的运动解决方案。
📄 摘要（原文）
Planetary bodies characterized by low gravitational acceleration, such as the Moon and near-Earth asteroids, impose unique locomotion constraints due to diminished contact forces and extended airborne intervals. Among traversal strategies, hopping locomotion offers high energy efficiency but is prone to mid-flight attitude instability caused by asymmetric thrust generation and uneven terrain interactions. This paper presents an underactuated bipedal hopping robot that employs an internal reaction wheel to regulate body posture during the ballistic flight phase. The system is modeled as a gyrostat, enabling analysis of the dynamic coupling between torso rotation and reaction wheel momentum. The locomotion cycle comprises three phases: a leg-driven propulsive jump, mid-air attitude stabilization via an active momentum exchange controller, and a shock-absorbing landing. A reduced-order model is developed to capture the critical coupling between torso rotation and reaction wheel dynamics. The proposed framework is evaluated in MuJoCo-based simulations under lunar gravity conditions (g = 1.625 m/s^2). Results demonstrate that activation of the reaction wheel controller reduces peak mid-air angular deviation by more than 65% and constrains landing attitude error to within 3.5 degrees at touchdown. Additionally, actuator saturation per hop cycle is reduced, ensuring sufficient control authority. Overall, the approach significantly mitigates in-flight attitude excursions and enables consistent upright landings, providing a practical and control-efficient solution for locomotion on irregular extraterrestrial terrains.