基于离子驱动软型四足机器人 locomotion 的动态建模与 MPC 控制

本文提出了 SLOT（Soft Legged Omnidirectional Tetrapod，软足型全向四足机器人），一种采用 3D 打印 TPU 腿部且仅由四个执行器驱动的离子驱动软型四足机器人，用以研究基于物理的建模和控制以实现刚性四足 locomotion。每条腿采用离散 Cosserat 杆理论进行可形变连续体建模，以捕捉大幅度弯曲变形、分布弹性、离子驱动以及地面接触相互作用。引入模块化的整体身体建模框架，在该框架中，弹性腿动力学通过施加于刚性胸腔的物理一致反力来表示，从而提供了连续体软型肢体与刚性体 locomotion 动力学之间的可扩展接口。该表述允许在不牺牲物理保真度的前提下实现高效的整体身体仿真和实时控制。将所提模型嵌入凸型模型预测控制框架，该框架在 0.495 秒的预测时域内优化地面反力，并通过物理感知的力-角关系将其映射到离子驱动。得到的控制器在各种扰动下均实现渐近稳定。该框架在物理原型上进行了爬行和行走步态的实验验证，中心位移轨迹的均方根误差小于 5 毫米，精度高。这些结果表明，本文的方法为将连续体软型腿集成到基于模型的 locomotion 控制中提供了一种通用方法，推动了软型四足机器人可扩展且可复用的建模和控制方法的发展。