Versatile, Robust, and Explosive Locomotion with Rigid and Articulated Compliant Quadrupeds

要約

動的な不確実性に対して堅牢性を備えた汎用性の高い爆発的な動きを達成することは、困難な作業です。
Quadrupedal設計に並行コンプライアンスを導入することは、運動性能を向上させると見なされますが、これにより制御タスクがさらに難しくなります。
この作業の目的は、一般的なテンプレートモデルを提案し、効率的なモーション計画および制御パイプラインを確立することにより、この課題に対処することを目的としています。
開始するために、縮小されたテンプレートモデルを提案します。デュアルレッグされた作動されたスプリング装備された逆振り子をトランク回転した回転 – 活性運動の作動からスプリング効果を分離することにより、並列コンプライアンスを明示的にモデル化します。
このテンプレートモデルでは、プロンキング、フロギージャンプ、ホップターンなどの汎用性の高いアクロバティックな動きは、特異性のない体の回転表現が考慮される二重層の軌道最適化によって生成されます。
線形の特異性のない追跡コントローラーと統合された拡張された四角形の移動が達成されます。
既存のテンプレートモデルとの比較により、モデルの精度と一般化の改善が明らかになります。
硬い四足動物と新しく設計された準拠の四角形を使用したハードウェア実験は、i）テンプレートモデルが多用途の動的運動を生成できることを示しています。
ii）平行弾力性は爆発的な動きを強化します。
たとえば、最大の留置距離、ホップターンヨー角、フロッグジャンプ距離は、それぞれ少なくとも25％、15％、25％増加します。
iii）並列弾力性により、モデリングエラーや外乱など、動的な不確実性に対する堅牢性が向上します。
たとえば、許容されるサポート表面の高さの変動は、堅牢なフロッグジャンプのために100％増加します。

要約(オリジナル)

Achieving versatile and explosive motion with robustness against dynamic uncertainties is a challenging task. Introducing parallel compliance in quadrupedal design is deemed to enhance locomotion performance, which, however, makes the control task even harder. This work aims to address this challenge by proposing a general template model and establishing an efficient motion planning and control pipeline. To start, we propose a reduced-order template model-the dual-legged actuated spring-loaded inverted pendulum with trunk rotation-which explicitly models parallel compliance by decoupling spring effects from active motor actuation. With this template model, versatile acrobatic motions, such as pronking, froggy jumping, and hop-turn, are generated by a dual-layer trajectory optimization, where the singularity-free body rotation representation is taken into consideration. Integrated with a linear singularity-free tracking controller, enhanced quadrupedal locomotion is achieved. Comparisons with the existing template model reveal the improved accuracy and generalization of our model. Hardware experiments with a rigid quadruped and a newly designed compliant quadruped demonstrate that i) the template model enables generating versatile dynamic motion; ii) parallel elasticity enhances explosive motion. For example, the maximal pronking distance, hop-turn yaw angle, and froggy jumping distance increase at least by 25%, 15% and 25%, respectively; iii) parallel elasticity improves the robustness against dynamic uncertainties, including modelling errors and external disturbances. For example, the allowable support surface height variation increases by 100% for robust froggy jumping.

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