基于非线性轮弹装载反向摆筒的跳跃控制模型:验证一台具有单个自由度腿的轮式双脚机器人
Jingsong Gao1, Hongzhe Jin1, Liang Gao1
1School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China.
Biomimetics (Basel, Switzerland)
|April 25, 2025
概括
这项研究介绍了轮式双脚机器人 (WBR) 的优化虚拟模型和轨迹规划,显著增加了跳跃高度和稳定性. 新方法确保实体机器人实时执行,克服了以前方法的局限性.
科学领域:
- 机器人技术 机器人技术 机器人技术
- 机械工程 机械工程
- 控制系统 控制系统
背景情况:
- 轮式双脚机器人 (WBR) 需要强大的跳跃能力,以在非结构化的环境中导航.
- 现有的WBR轨迹规划方法是计算密集的,并且由于高的联合输出需求,限制了实验验证.
- 与轨迹跟踪性能平衡计算负载仍然是WBR跳转控制的一个关键挑战.
研究的目的:
- 开发一个优化的虚拟模型,轨迹规划策略和控制方法,以提高WBR的跳跃高度和稳定性.
- 在物理机器人平台上实现跳跃轨迹的实时执行.
- 通过先进的跳跃能力来提高WBRs的环境适应性.
主要方法:
- 提出了一个非线性轮弹加载倒置摆形 (NW-SLIP) 模型用于虚拟轨迹规划,灵感来自人类跳跃.
- 采用二次编程 (QP) 和二分法来优化基于NW-SLIP模型衍生出的成本函数的跳跃轨迹.
- 将腿部静态模型与动力学模型集成在一起,将虚拟模型映射到关节空间,绕过复杂的动力学计算.
主要成果:
- 与使用NW-SLIP模型的线性弹模型相比,跳跃高度增加了3.4倍.
- 通过轨迹优化,最大跳跃高度增加了21.5%,同时峰值联合扭矩减少了14%.
- 在模拟和现实世界的实验中证明了改进的轨迹跟踪性能,跳跃一致性和稳定性.
结论:
- 拟议的NW-SLIP模型和优化策略显著提高了WBR跳跃性能.
- 开发的方法有效地平衡了计算负载和轨迹跟踪,促进了对物理机器人的实际实施.
- 经过验证的方法提供了一种可行和有效的解决方案,用于改善WBR在具有挑战性的地形上的导航.
