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轮式双足机器人跳跃的高度控制与最优扭矩规划

文章摘要

本文研究了轮式双足机器人的精确跳跃高度控制,提出了一种新型轮式双足跳跃动力学模型(W-JBD)和基于贝叶斯优化的扭矩规划方法(BOTP),在仿真中实现了82.3%的高度误差降低和26.9%的能耗节省,为实际机器人应用提供了可行方案。

来源arXiv Robotics作者: Yulun Zhuang, Yuan Xu, Binxin Huang, Mandan Chao, Guowei Shi, Xin Yang, Kuangen Zhang, Chenglong Fu
轮式双足机器人跳跃的高度控制与最优扭矩规划
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轮式双足机器人结合了轮式移动和双足跳跃的优势,能够在复杂地形中灵活运动,但其跳跃高度控制是一个极具挑战性的问题。跳跃过程中涉及欠驱动、非线性动力学、瞬时冲击等多种复杂因素,使得精确控制高度非常困难。在实际应用中,为了确保安全,机器人往往采用过高的跳跃高度,但这会导致电机损耗增加、地面反作用力增大以及能量消耗上升,限制了机器人的效率和续航能力。

针对这一难题,研究团队提出了一种新型轮式双足跳跃动力学模型(W-JBD)。该模型基于物理原理推导,能够实现精确的高度控制,但在实际机器人应用中存在一个关键缺陷:其生成的扭矩曲线存在剧烈的阶跃变化,无法直接应用于真实硬件,因为真实的电机和传动系统难以承受这种突变。为了解决这个问题,研究人员进一步提出了基于贝叶斯优化的扭矩规划方法(BOTP)。

BOTP方法不需要精确的动力学模型,而是通过少量实验采样,利用贝叶斯优化算法在搜索空间中寻找最优的扭矩曲线。该方法以W-JBD模型提供的扭矩曲线作为初始搜索范围,能够快速收敛,平均仅需40次迭代即可得到优化结果。在Webots仿真平台上进行的实验表明,BOTP方法将跳跃高度误差降低了82.3%,同时能量消耗减少了26.9%,并且生成的扭矩曲线连续平滑,适合实际硬件。

这项研究的创新之处在于将动力学模型与数据驱动优化相结合,既利用模型提供的先验知识缩小搜索空间,又通过贝叶斯优化避免了对精确模型的依赖。该方法为轮式双足机器人的精确高度控制提供了实用的解决方案,有望在搜救、勘探和城市侦察等需要精确跳跃能力的场景中得到应用。未来的工作将集中在真实机器人上的实验验证,以及进一步优化算法以减少实验次数。

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要点

  • 轮式双足机器人跳跃高度控制因欠驱动、非线性等因素而复杂,常过度跳跃以确保安全。
  • 提出W-JBD模型实现精确高度控制,但扭矩突变不适合实际机器人。
  • 提出BOTP方法,无需精确模型即可在平均40次迭代内收敛,优化扭矩曲线。
  • BOTP减少82.3%高度误差和26.9%能耗,仿真验证有效。

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