Distributed Inverse Dynamics Control for Quadruped Robots using Geometric Optimization

要約

この論文では、既存のリアクティブ コントローラーの制限、つまり単純化された動的モデル、正確なフリクション コーン制約を処理できないこと、全身コントローラーの高い計算要件に対処する、四足ロボット用の分散逆動力学コントローラー (DIDC) を紹介します。
現在の方法では、摩擦制約を完全に無視するか、線形近似を使用するため、滑りや不安定性が生じる可能性がありますが、包括的な全身コントローラーには大量の計算リソースが必要です。
私たちのアプローチは完全な剛体ダイナミクスを使用し、新しい幾何最適化ベースのソルバーを通じて正確な摩擦円錐の制約を強制します。
DIDC は、物理的制約を満たし、ベース追跡目標と関節追跡目標の間の直交性を維持しながら、作動空間に投影することにより、作動空間と非作動空間に対応する必要な一般化力を組み合わせます。
実験による検証では、私たちのアプローチが足の滑りを軽減し、方向追跡を改善し、汎用の QP ベースの実装を備えた既存のリアクティブ コントローラーよりも少なくとも 2 倍高速に収束することが示されています。
このコントローラーは、さまざまな速度での安定した全方向速歩を可能にし、組み込みプロセッサーで効率的に実行しながら、同等の方法よりも消費電力を抑えます。

要約(オリジナル)

This paper presents a distributed inverse dynamics controller (DIDC) for quadruped robots that addresses the limitations of existing reactive controllers: simplified dynamical models, the inability to handle exact friction cone constraints, and the high computational requirements of whole-body controllers. Current methods either ignore friction constraints entirely or use linear approximations, leading to potential slip and instability, while comprehensive whole-body controllers demand significant computational resources. Our approach uses full rigid-body dynamics and enforces exact friction cone constraints through a novel geometric optimization-based solver. DIDC combines the required generalized forces corresponding to the actuated and unactuated spaces by projecting them onto the actuated space while satisfying the physical constraints and maintaining orthogonality between the base and joint tracking objectives. Experimental validation shows that our approach reduces foot slippage, improves orientation tracking, and converges at least two times faster than existing reactive controllers with generic QP-based implementations. The controller enables stable omnidirectional trotting at various speeds and consumes less power than comparable methods while running efficiently on embedded processors.

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