论文标题：Dynamic motion of quadrupedal robots on challenging terrain: a kinodynamic optimization approach

期刊： Frontiers of Mechanical Engineering

作者：Qi LI, Lei DING, Xin LUO

发表时间：15 Jun 2024

DOI：10.1007/s11465-024-0791-5

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本篇研究论文发表于《Frontiers of Mechanical Engineering》2024年19卷第3期，题为“Dynamic motion of quadrupedal robots on challenging terrain: a kinodynamic optimization approach”。本文提出了一种基于运动-动力学优化的运动规划与控制方法（KinDynOpt），旨在解决四足机器人在复杂地形（如陡坡、高台阶）上的动态运动问题。研究将运动规划问题转化为优化问题，把四足机器人在复杂地形上的运动规划视为躯干运动轨迹、接触力和立足点位置的协同规划问题，以生成平滑且节能的运动。通过建立简化的机器人动力学模型，设置包含终端成本和中间成本的复合目标函数，并考虑运动学、接触、地形等多种约束条件，构建了非线性规划问题求解框架。基于优化得到的离散状态和控制变量，利用多项式插值生成连续的参考轨迹，并设计摆动框架规划摆动轨迹，以确保与地形有足够的离地间隙。为准确执行规划运动，开发了全身控制器，通过运动学全身控制器计算关节位置、速度和加速度命令，再由逆动力学控制器结合关节空间PD控制器生成最终的关节扭矩命令。研究通过仿真和实验对所提方法进行验证，在四足机器人A1上进行了跨越陡坡和攀爬高台阶等测试。结果表明，该方法能使机器人成功穿越30°斜坡和43%的名义腿长高台阶，且保持动态小跑步态的节律，在能量效率和运动稳定性方面表现出色。未来，研究团队将致力于实现该规划方法的在线应用，主要途径是减少优化计算时间，如利用优化问题的稀疏性特点或采用改进的初始化策略。

关键词

四足机器人；动力学规划；非线性优化；具有挑战性的地形；全身控制

引用

Qi LI（李琦）, Lei DING（丁磊）, Xin LUO（罗欣）. Dynamic motion of quadrupedal robots on challenging terrain: a kinodynamic optimization approach. Front. Mech. Eng., 2024, 19(3): 20

https://doi.org/10.1007/s11465-024-0791-5

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作者简介

罗欣教授科研团队立足于华中科技大学机械科学与工程学院和数字制造装备与技术国家重点实验室，长期专注于智能移动机器人、高性能足式机器人仿生设计与智能控制领域， 研究方向涵盖仿生运动主动柔顺控制，具有较强抗冲击和越障能力的双足、四足系列腿足式仿生移动机器人平台，人-机器人-环境交互作用与协同作业机理、复杂现场多维度多模态感知描述。一直倡导将前沿性应用研究成果与我国国防与公共社会安全和国家重大需求紧密相连。

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