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輪式雙足機器人跳躍的高度控制與最優扭矩規劃

文章摘要

本文研究了輪式雙足機器人的精確跳躍高度控制,提出了一種新型輪式雙足跳躍動力學模型(W-JBD)和基於貝葉斯最佳化的扭矩規劃方法(BOTP),在模擬中實現了82.3%的高度誤差降低和26.9%的能耗節省,為實際機器人應用提供了可行方案。

來源arXiv Robotics作者: Yulun Zhuang, Yuan Xu, Binxin Huang, Mandan Chao, Guowei Shi, Xin Yang, Kuangen Zhang, Chenglong Fu
輪式雙足機器人跳躍的高度控制與最優扭矩規劃
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輪式雙足機器人結合了輪式移動和雙足跳躍的優勢,能夠在複雜地形中靈活運動,但其跳躍高度控制是一個極具挑戰性的問題。跳躍過程中涉及欠驅動、非線性動力學、瞬時衝擊等多種複雜因素,使得精確控制高度非常困難。在實際應用中,為了確保安全,機器人往往採用過高的跳躍高度,但這會導致電機損耗增加、地面反作用力增大以及能量消耗上升,限制了機器人的效率和續航能力。

針對這一難題,研究團隊提出了一種新型輪式雙足跳躍動力學模型(W-JBD)。該模型基於物理原理推導,能夠實現精確的高度控制,但在實際機器人應用中存在一個關鍵缺陷:其生成的扭矩曲線存在劇烈的階躍變化,無法直接應用於真實硬體,因為真實的電機和傳動系統難以承受這種突變。為了解決這個問題,研究人員進一步提出了基於貝葉斯最佳化的扭矩規劃方法(BOTP)。

BOTP方法不需要精確的動力學模型,而是透過少量實驗取樣,利用貝葉斯最佳化演算法在搜尋空間中尋找最優的扭矩曲線。該方法以W-JBD模型提供的扭矩曲線作為初始搜尋範圍,能夠快速收斂,平均僅需40次迭代即可得到最佳化結果。在Webots模擬平臺上進行的實驗表明,BOTP方法將跳躍高度誤差降低了82.3%,同時能量消耗減少了26.9%,並且生成的扭矩曲線連續平滑,適合實際硬體。

這項研究的創新之處在於將動力學模型與資料驅動最佳化相結合,既利用模型提供的先驗知識縮小搜尋空間,又透過貝葉斯最佳化避免了對精確模型的依賴。該方法為輪式雙足機器人的精確高度控制提供了實用的解決方案,有望在搜救、勘探和城市偵察等需要精確跳躍能力的場景中得到應用。未來的工作將集中在真實機器人上的實驗驗證,以及進一步最佳化演算法以減少實驗次數。

展開要點與分析

文章情報

工程師進階

要點

  • 輪式雙足機器人跳躍高度控制因欠驅動、非線性等因素而複雜,常過度跳躍以確保安全。
  • 提出W-JBD模型實現精確高度控制,但扭矩突變不適合實際機器人。
  • 提出BOTP方法,無需精確模型即可在平均40次迭代內收斂,最佳化扭矩曲線。
  • BOTP減少82.3%高度誤差和26.9%能耗,模擬驗證有效。

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