Robuste Steuerung der Fortbewegung eines vierb??inigen Roboters auf einer unbekannten, dynamischen Oberfl??che basierend auf einem HT-LIP-Modell

Keskeiset käsitteet

Ein hierarchisches Steuerungskonzept, das eine robuste vierb??inige Fortbewegung auf einer dynamischen, starren Oberfl??che mit allgemeiner und unbekannter vertikaler Bewegung erm??glicht. Der Schl??sselaspekt ist ein neues, diskret-zeitliches, provably stabilisierendes Fußsteuerungskonzept, das auf einem hybriden, zeitvarianten, linearen invertierten Pendel (HT-LIP)-Modell basiert.

Tiivistelmä

Dieser Artikel pr??sentiert ein hierarchisches Steuerungskonzept, das eine robuste vierb??inige Fortbewegung auf einer dynamischen, starren Oberfl??che (DRS) mit allgemeiner und unbekannter vertikaler Bewegung erm??glicht.
Der Schl??sselaspekt des Konzepts ist die obere Ebene, die ein diskret-zeitliches, provably stabilisierendes Fußsteuerungskonzept umfasst. Die Basis dieses Fußsteuerungskonzepts ist ein neues, hybrides, zeitvariantes, lineares invertiertes Pendel (HT-LIP)-Modell, das niedrigdimensional ist und die wesentliche Roboterdynamik w??hrend der DRS-Fortbewegung genau erfasst.
Es werden neue, hinreichende Stabilitätsbedingungen abgeleitet, um die Entwurfsentscheidungen des Steuerungskonzepts direkt zu leiten und so die asymptotische Stabilität des HT-LIP-Modells unter allgemeinen, unbekannten, vertikalen DRS-Bewegungen sicherzustellen. Das Fußsteuerungskonzept wird als ein recheneffizientes Quadratisches Programm (QP) formuliert, das das vorgeschlagene HT-LIP-Modell und die Stabilitätsbedingungen einbezieht.
Die mittlere Ebene übersetzt die von der oberen Ebene generierten gewünschten Fußpositionen in kinematisch realisierbare Gesamtkörpertrajektorien, die dann von der unteren Ebene genau nachgeführt werden.
Hardwareexperimente mit einem Unitree Go1 Vierbeinerroboter bestätigen die Robustheit des vorgeschlagenen Konzepts unter verschiedenen unbekannten, aperiodischen, vertikalen DRS-Bewegungen und Unsicherheiten (z.B. rutschige und unebene Oberflächen, feste und flüssige Lasten, plötzliche Stöße).

Tilastot

Die maximale vertikale Beschleunigung der Oberfläche beträgt etwa 3,5 m/s².
Die maximale horizontale Beschleunigung der Oberfläche beträgt etwa 2,6 m/s².
Die unbekannte feste Last beträgt 36% der Robotermasse.
Die unbekannte flüssige Last beträgt 32% der Robotermasse.
Die maximale Höhe der unebenen Oberfläche beträgt 10 cm.
Die Stöße induzieren einen Richtungsfehler von 30° direkt nach dem Stoß.

Lainaukset

"Ein hierarchisches Steuerungskonzept, das eine robuste vierb??inige Fortbewegung auf einer dynamischen, starren Oberfl??che mit allgemeiner und unbekannter vertikaler Bewegung erm??glicht."
"Der Schl??sselaspekt des Konzepts ist die obere Ebene, die ein diskret-zeitliches, provably stabilisierendes Fußsteuerungskonzept umfasst."
"Es werden neue, hinreichende Stabilitätsbedingungen abgeleitet, um die Entwurfsentscheidungen des Steuerungskonzepts direkt zu leiten und so die asymptotische Stabilität des HT-LIP-Modells unter allgemeinen, unbekannten, vertikalen DRS-Bewegungen sicherzustellen."

Tärkeimmät oivallukset

HT-LIP Model based Robust Control of Quadrupedal Robot Locomotion under Unknown Vertical Ground Motion

by Amir Iqbal,S... klo arxiv.org 03-26-2024

https://arxiv.org/pdf/2403.16262.pdf

Syvällisempiä Kysymyksiä

Wie könnte das vorgeschlagene Konzept erweitert werden, um auch horizontale Bewegungen der dynamischen Oberfläche zu berücksichtigen?

Um auch horizontale Bewegungen der dynamischen Oberfläche zu berücksichtigen, könnte das vorgeschlagene Konzept durch die Integration eines zusätzlichen Modells erweitert werden. Ein mögliches Vorgehen wäre die Entwicklung eines erweiterten hybriden Modells, das sowohl vertikale als auch horizontale Bewegungen der Oberfläche berücksichtigt. Dieses erweiterte Modell könnte dann in die Fußschrittsteuerung integriert werden, um die Stabilität und Robustheit des Systems unter Berücksichtigung von sowohl vertikalen als auch horizontalen Bewegungen zu gewährleisten. Darüber hinaus könnten spezifische Stabilitätsbedingungen und Kontrollstrategien entwickelt werden, um die Auswirkungen horizontaler Bewegungen auf die Quadrupedalroboter-Lokomotion zu berücksichtigen und zu kompensieren.

Welche zusätzlichen Herausforderungen ergeben sich, wenn das Konzept auf andere Roboterplattformen als den Vierbeiner angewendet werden soll?

Bei der Anwendung des Konzepts auf andere Roboterplattformen als den Vierbeiner ergeben sich zusätzliche Herausforderungen, die berücksichtigt werden müssen. Einige dieser Herausforderungen könnten sein:

Kinematische Unterschiede: Andere Roboterplattformen können unterschiedliche Kinematiken und Dynamiken aufweisen, was Anpassungen an das Kontrollkonzept erfordert, um die spezifischen Eigenschaften des jeweiligen Roboters zu berücksichtigen.

Anzahl der Freiheitsgrade: Roboter mit unterschiedlichen Anzahlen von Freiheitsgraden erfordern möglicherweise eine Neukonfiguration der Kontrollstrategie, um die spezifischen Bewegungsmöglichkeiten des Roboters optimal zu nutzen.

Sensorik und Aktorik: Unterschiedliche Roboterplattformen können über verschiedene Sensor- und Aktorsysteme verfügen, was die Integration und Kalibrierung dieser Systeme in das Kontrollkonzept erschweren kann.

Gewicht und Größe: Die Größe und das Gewicht des Roboters können die Stabilität und Dynamik der Bewegungen beeinflussen, was möglicherweise Anpassungen an der Kontrollstrategie erfordert, um eine robuste und stabile Lokomotion zu gewährleisten.

Wie könnte das Konzept angepasst werden, um die Robustheit gegenüber Unsicherheiten in der Schätzung der Oberflächenbewegung weiter zu verbessern?

Um die Robustheit gegenüber Unsicherheiten in der Schätzung der Oberflächenbewegung weiter zu verbessern, könnten folgende Anpassungen am Konzept vorgenommen werden:

Adaptive Schätzverfahren: Die Implementierung adaptiver Schätzverfahren, die sich an verändernde Oberflächenbewegungen anpassen können, könnte die Genauigkeit der Schätzung verbessern und die Robustheit des Systems erhöhen.

Fusion von Sensordaten: Durch die Fusion von Daten aus verschiedenen Sensoren, wie z.B. Inertialsensoren, Kameras und Drucksensoren, kann eine genauere Schätzung der Oberflächenbewegung erreicht werden, was die Robustheit des Systems verbessern würde.

Redundante Sensoren: Die Integration redundanter Sensoren zur Schätzung der Oberflächenbewegung könnte dazu beitragen, Ausfälle oder Ungenauigkeiten in einzelnen Sensoren zu kompensieren und die Zuverlässigkeit der Schätzung zu erhöhen.

Robuste Regelungsalgorithmen: Die Verwendung von robusten Regelungsalgorithmen, die auf Unsicherheiten und Störungen reagieren können, könnte die Leistung des Systems bei ungenauen Schätzungen der Oberflächenbewegung verbessern und die Stabilität während der Lokomotion gewährleisten.