Robust Locomotion on Legged Robots through Planning on Motion Primitive Graphs

作者: Wyatt Ubellacker, Aaron D. Ames · ICRA 2023

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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

将每个控制器建模为一个具有安全吸引域的运动基元，使一种 RRT 式的搜索能够在 A1 四足机器人上在线找到恢复序列，耗时不到 50 ms。

为何重要

该图的规模随基元数量及其参数增长，而不是随系统动力学增长；并且只要每个基元的控制器满足定义，该方法并不关心它是如何构建的。在硬件上，同一个搜索过程即可实现从踢击、拉腿、不平地面和摔倒中恢复，而不需要为每种情况编写过渡规则。

问题

机器人自主性通常通过序列、状态机或图搜索将各种行为（运动基元）串联起来，但判断何时在动态基元之间切换是安全的，通常依赖于针对特定过渡的分析或启发式方法。作者早期的工作只处理离散基元和离线搜索，这限制了其在干扰发生时即时做出反应的用途。

提出的方法

每个运动基元由其连续参数、设定点、控制律、吸引域、安全集和安全吸引域定义。运动基元传递函数在状态位于基元的安全吸引域内时，将该状态映射到基元的设定点，否则原样返回该状态；将这些函数串联起来就形成一个离散与连续混合的图，由一种受 RRT 启发的算法在线搜索，之后用带约束的梯度下降调整参数和时序，并剪除不必要的节点。

关键见解

将每个基元的安全吸引域作为其进入条件，把“这次过渡安全吗？”转化为检查当前状态是否位于某个集合中。
指数稳定性保证了存在一个最短持续时间，在此之后状态与设定点的距离在一个很小的 ε 以内，这证明了可以将基元抽象为从状态到设定点的映射。
随机化搜索适合这种图，因为传递函数是非凸的，而离散搜索随基元数量、参数集合和状态维度的增加扩展性很差。
安全吸引域先通过对线性化控制器的 Lyapunov 分析保守地估计，然后通过硬件测试逐步扩大，直到覆盖正常运行状态。

主要结果

图搜索通常耗时不到 50 ms，在机载 Intel NUC（i7-10710U，16 GB RAM）上与 1 kHz 控制回路并行异步运行。
从电机未驱动的静止状态开始，规划器依次执行 Lie、Stand（h = 0.2 m）和 Walk（h = 0.25 m，vx = 0.2 m/s）。
Stand（h = 0.25 m）期间的踢击：小的踢击不需要过渡，中等踢击经由 Lie 过渡，较大的踢击先经由原地踏步再回到 Stand。
行走时拉腿：后腿被抓住时机器人保持在 Land，松开后完成重新规划的序列并恢复行走。
在没有感知、且行走基元假设地面平坦的情况下走过松散、不平的石块：机器人缓慢前进，在出现干扰时经由 Lie、Stand 和 Land 重新规划。
从约 0.5 m 高处抛下：机器人在空中时运行 Land，随后规划器经由 Lie 和 Stand 过渡回 Walk。

局限

概率性搜索忽略了问题中的额外结构；作者计划利用这些结构来改进结果。
没有感知：障碍物和变化的环境没有被显式建模，且行走基元假设地形平坦，因此在松散石块上前进缓慢。
安全吸引域是通过线性化 Lyapunov 分析和硬件测试得到的保守估计，而不是精确的集合。
结果以图和视频形式展示，没有成功率统计，在一台机器人上使用了四个实验基元（Lie、Stand、Walk、Land）。

对领域的影响

获得 ICRA 2023 杰出学生论文奖，并入围 ICRA 2023 杰出运动论文奖决选，被引用 17 次。作者发布了实验的补充视频；论文未说明是否发布代码。

摘要

机器人系统的功能需求通常要求在干扰或不确定环境的影响下完成各种任务或行为。动态机器人（如多旋翼飞行器、机动车辆和腿式平台）的自主性正受到越来越多的关注。在这里，干扰和环境条件可能会显著影响各个动态行为（称为“运动基元”）能否成功执行。尽管如此，通过切换到合适的运动基元并经由它们进行过渡，可以实现鲁棒性。本文提出了这样一种方法：给出运动基元动力学的一种抽象及相应的“运动基元传递函数”。在此基础上，构建了一个离散与连续混合的“运动基元图”，并详细介绍了一种能够在线搜索该图的算法。其结果是一个能够在动态系统上实现整体鲁棒性的框架。这在一台四足机器人上针对一组运动基元进行了实验演示，该机器人承受了各种环境干扰和人为施加的干扰。

链接

arXiv 2209.07503: https://arxiv.org/abs/2209.07503
DOI 10.1109/ICRA48891.2023.10160672: https://doi.org/10.1109/ICRA48891.2023.10160672
PDF: https://arxiv.org/pdf/2209.07503v1