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

许可协议

• 开放获取
• 论文: CC BY 4.0

以下内容均依据论文全文，按其 CC BY 4.0 许可协议使用；其中的图已注明作者。

一句话总结

离线轨迹优化，使用单刚体动力学加上每个可转向轮一个独轮车模型，为 CENTAURO 机器人规划轮式行驶、步行和混合步态。

为何重要

一个框架在所有实验中保持代价权重不变，就以很少的编写工作量，在真实机器人上生成了纯腿式、纯轮式和混合运动。对接触中的足施加的轮速代价，起到在类汽车行为与步行行为之间进行调节的作用，对任何为轮腿式平台规划运动的人来说都是一个有用的调节手段。

问题

轮腿式机器人可以将轮式行驶的速度与稳定性同腿式运动的地形能力结合起来，但针对它们的规划器很少。早期方法在行驶和迈步之间切换，先于质心优化落脚点，忽略角动量或事先固定质心的竖直轨迹，或者面向带不可转向轮的机器人。

提出的方法

机器人用单刚体动力学建模，并为每条腿加入一个独轮车模型加以扩展，因此每个轮子都有一个笛卡尔位置和一个转向角，并且必须满足纯滚动、无侧向滑移的约束。一个离线最优控制问题包含接触、足部工作空间、转向限位、摩擦锥和边界约束，以及对加速度、目标距离、接触力变化、足部落点、轮速和转向速率的加权代价，该问题通过正交配点法进行转录，并用 CasADi 和 Ipopt 求解。规划出的笛卡尔参考通过 CartesI/O 和 OpenSoT 分层逆运动学库在 CENTAURO 上跟踪。

关键见解

• 在单刚体动力学中为每条腿加入一个独轮车模型，可以表示可转向轮及其非完整滚动约束，同时保持模型规模较小。
• 由于滚动的轮子相对地面的瞬时滑移速度为零，接触力可以用与腿式运动中相同的线性化摩擦锥来约束。
• 简化模型无法表示的关节限位，用一个围绕每只足相对质心的名义位置的长方体工作空间来近似。
• 施加在接触中的足上时，轮速代价项可覆盖从类汽车行驶到纯步行之间的行为。
• 最终质心位置交给代价函数处理而非作为硬约束，因为硬性的目标约束会使优化在未预料的情况下失败。

主要结果

• 腿式：时域 10 s，计算 19.0 s，37 次迭代；以 8 步到达前方 70 cm 处的目标（仅在随附视频中展示）。
• 轮式：时域 15 s，计算 20.0 s，21 次迭代；目标位于前方 100 cm、左侧 60 cm，基座逆时针旋转 90°。
• 混合前进：时域 10 s，计算 98.0 s，60 次迭代；目标距离 200 cm。
• 混合 go&back：时域 16 s，表 I 中列出的计算时间为 63.0 且没有单位，170 次迭代；基座旋转 90°，目标在中途切换回原点。
• 所有规划均在一台 Intel Core i7 1.8 GHz 笔记本电脑上用一组固定的代价权重（γacc = γspeed = 1，γgoal = 10，γforce = 5·10⁻⁴，γfeet = 20，γyaw = 1.5）计算，并在真实的 CENTAURO 机器人上执行。

局限

• 优化离线运行，对 10 到 16 s 的时域需要 19 到 98 s；作者将缩短计算时间以实现 MPC 列为未来工作。
• 步态序列（一种爬行步态）由人工设定；自动生成步态序列和优化抬腿阶段时长留待未来工作。
• 规划器中没有整合传感器；作者将传感器整合（例如用于跨越沟隙）列为未来工作。
• 简化模型假设连杆为刚性、点接触、全身惯量恒定且关节速度产生的动量可忽略，无法直接考虑关节限位，并且其运动学约束只使用基座偏航角，这适用于较平坦的地面。
• 硬件验证通过快照和视频展示；论文没有给出真实机器人上测得的跟踪误差、速度或能耗数据。

对领域的影响

入围 Humanoids 2020 最佳口头报告论文奖。论文没有发布代码或数据；其流程构建在 CasADi、开源求解器 Ipopt、XBotCore、CartesI/O 和 OpenSoT 之上。

摘要

本文针对带可转向轮的轮腿式四足机器人的混合运动策略生成问题，提出了一种轨迹优化方法。为此，我们采用了传统的单刚体动力学，并为每条腿加入一个独轮车模型加以扩展，从而方便地纳入非完整滚动约束。所提出的方法能够以极少的用户工作量生成混合运动策略，以及纯轮式行驶和纯腿式运动。所提方法的有效性已在人形四足机器人 CENTAURO 上通过实验得到验证，实验中使用一个分层逆运动学引擎来跟踪规划出的运动。

链接

• 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