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

要約

この論文では、一般的かつ未知の垂直運動を伴う動的剛体表面 (DRS) 上でのロバストな四足歩行を可能にする階層制御フレームワークを紹介します。
このフレームワークの重要な新しさは、その上位層にあり、これは離散時間で安定化することが証明されている足音コントローラーです。
足音コントローラーの基礎は、低次元で DRS 移動中に重要なロボットのダイナミクスを正確に捕捉する新しいハイブリッド時変線形倒立振子 (HT-LIP) モデルです。
次に、一般的な未知の垂直 DRS 運動下で HT-LIP モデルの漸近安定性を確保するためのコントローラー設計を直接導くために、十分な安定性条件の新しいセットが導出されます。
さらに、足音コントローラーは、提案された HT-LIP モデルと安定性条件を組み込んだ、計算効率の高い 2 次プログラムとしてキャストされます。
中間層は、上位層によって生成された望ましい足跡位置を入力として受け取り、運動学的に実現可能な全身基準軌道を生成します。これは、下位層のトルク コントローラーによって正確に追跡されます。
Unitree Go1 四足歩行ロボットのハードウェア実験により、さまざまな未知の非周期的な垂直 DRS 運動や不確実性 (滑りやすい表面や凹凸のある表面、固体や液体の荷重、突然の押しなど) の下で提案されたフレームワークの堅牢性が確認されます。

要約(オリジナル)

This paper presents a hierarchical control framework that enables robust quadrupedal locomotion on a dynamic rigid surface (DRS) with general and unknown vertical motions. The key novelty of the framework lies in its higher layer, which is a discrete-time, provably stabilizing footstep controller. The basis of the footstep controller is a new hybrid, time-varying, linear inverted pendulum (HT-LIP) model that is low-dimensional and accurately captures the essential robot dynamics during DRS locomotion. A new set of sufficient stability conditions are then derived to directly guide the controller design for ensuring the asymptotic stability of the HT-LIP model under general, unknown, vertical DRS motions. Further, the footstep controller is cast as a computationally efficient quadratic program that incorporates the proposed HT-LIP model and stability conditions. The middle layer takes the desired footstep locations generated by the higher layer as input to produce kinematically feasible full-body reference trajectories, which are then accurately tracked by a lower-layer torque controller. Hardware experiments on a Unitree Go1 quadrupedal robot confirm the robustness of the proposed framework under various unknown, aperiodic, vertical DRS motions and uncertainties (e.g., slippery and uneven surfaces, solid and liquid loads, and sudden pushes).

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