Optimization-Based Quadrupedal Hybrid Wheeled-Legged Locomotion
作者: Italo Belli, Matteo Parigi Polverini, Arturo Laurenzi, Enrico Mingo Hoffman, Paolo Rocco, Nikolaos Tsagarakis · Humanoids 2020
授權條款
- 開放取用
- 論文: CC BY 4.0
以下內容皆依據論文全文，依其 CC BY 4.0 授權條款使用；圖表已標示作者。
一句話摘要
離線軌跡最佳化，以單剛體動力學加上每個可轉向輪一個單輪車模型，為 CENTAURO 機器人規劃輪式行駛、步行與混合步態。
為何重要
單一框架在所有實驗中維持相同的成本權重，就以很少的編寫工作量，在真實機器人上產生純腿式、純輪式與混合運動。施加在接觸中足部的輪速成本，可作為在類汽車行為與步行行為之間調整的元素，對任何為輪腿式平台規劃運動的人都是有用的調整手段。
問題
輪腿式機器人能把輪式行駛的速度與穩定性，結合腿式運動應付地形的能力，但針對它們的規劃器很少。早期方法在行駛與跨步之間切換、先於質心最佳化落腳點、忽略角動量或預先固定質心的垂直軌跡，或者以具不可轉向輪的機器人為對象。
提出的方法
機器人以單剛體動力學建模，並為每條腿加入一個單輪車模型加以擴充，因此每個輪子都有一個笛卡兒位置與一個轉向角，且必須滿足純滾動、無側向滑移的約束。一個離線最佳控制問題包含接觸、足部工作空間、轉向極限、摩擦錐與邊界約束，以及對加速度、目標距離、接觸力變化、落足位置、輪速與轉向速率的加權成本，該問題以正交配置法轉錄，並以 CasADi 與 Ipopt 求解。規劃出的笛卡兒參考透過 CartesI/O 與 OpenSoT 階層式逆運動學函式庫在 CENTAURO 上追蹤。
關鍵見解
- 在單剛體動力學中為每條腿加入一個單輪車模型，就能表示可轉向輪及其非完整滾動約束，同時讓模型保持精簡。
- 由於滾動中的輪子相對地面的瞬時滑移速度為零，接觸力可以用與腿式運動相同的線性化摩擦錐來限制。
- 簡化模型無法表示的關節極限，以一個圍繞每隻腳相對於質心之標稱位置的長方體工作空間來近似。
- 施加在接觸中的腳上時，輪速成本項可涵蓋從類汽車行駛到純步行之間的行為。
- 最終的質心位置交由成本函數處理，而不是設為硬約束，因為硬性的目標約束會讓最佳化在無法預見的情況下失敗。
主要結果
- 腿式：時域 10 s，計算 19.0 s，37 次迭代；以 8 步抵達前方 70 cm 的目標（僅在隨附影片中呈現）。
- 輪式：時域 15 s，計算 20.0 s，21 次迭代；目標位於前方 100 cm、左方 60 cm，基座逆時針旋轉 90°。
- 混合前進：時域 10 s，計算 98.0 s，60 次迭代；目標距離 200 cm。
- 混合 go&back：時域 16 s，表 I 列出的計算時間為 63.0 且未標單位，170 次迭代；基座旋轉 90°，目標在中途切換回原點。
- 所有規劃都在一台 Intel Core i7 1.8 GHz 筆記型電腦上，以一組固定的成本權重（γacc = γspeed = 1，γgoal = 10，γforce = 5·10⁻⁴，γfeet = 20，γyaw = 1.5）計算，並在真實的 CENTAURO 機器人上執行。
限制
- 最佳化以離線方式執行，對 10 到 16 s 的時域需要 19 到 98 s；作者將縮短計算時間以實現 MPC 列為未來的工作。
- 步態序列（一種爬行步態）由人工設定；自動產生步態序列與最佳化抬腿階段的時長留待未來研究。
- 規劃器中沒有整合感測器；作者將感測器整合（例如用於跨越溝隙）列為未來的工作。
- 簡化模型假設連桿為剛性、點接觸、全身慣量固定，且關節速度產生的動量可忽略，無法直接考慮關節極限，而且其運動學約束只使用基座的偏航角，適用於相當平坦的地面。
- 硬體驗證以快照與影片呈現；論文沒有提供真實機器人上量測到的追蹤誤差、速度或能耗數值。
對領域的影響
入圍 Humanoids 2020 最佳口頭論文獎。論文未釋出程式碼或資料；其流程建構在 CasADi、開源求解器 Ipopt、XBotCore、CartesI/O 與 OpenSoT 之上。
摘要
本文針對具可轉向輪的輪腿式四足機器人的混合運動策略生成問題，提出一種軌跡最佳化方法。為此，我們採用傳統的單剛體動力學，並為每條腿加入一個單輪車模型加以擴充，以便納入非完整的滾動約束。所提出的方法能以極少的使用者工作量，產生混合運動策略，以及純輪式行駛與純腿式運動。所提方法的有效性已在人形四足機器人 CENTAURO 上以實驗驗證，實驗中採用一個階層式逆運動學引擎來追蹤規劃出的運動。
連結
- arXiv 2107.07507: https://arxiv.org/abs/2107.07507
- DOI 10.1109/HUMANOIDS47582.2021.9555780: https://doi.org/10.1109/HUMANOIDS47582.2021.9555780
- PDF: https://arxiv.org/pdf/2107.07507v1