单刚体动力学模型

把腿足机器人整机当成一个刚体、忽略腿部质量的简化动力学模型。

单刚体动力学模型是腿足机器人控制里最常用的简化模型之一：假设腿很轻，把整机当成一个有质量和转动惯量的刚体，只受重力和几只脚上的地面反作用力。状态通常取机身的位置、姿态、线速度和角速度（共 12 维），控制量是各脚的接触力。完整模型有几十个关节、方程高度非线性，SRBD 把它压缩成少数几个方程，便于实时优化。代表工作是 MIT 的 Di Carlo 等人 2018 年在 Cheetah 3 上做的凸 MPC：再假设姿态转角较小，把地面反作用力规划写成凸优化，以 20–30 Hz 的频率规划未来最多 0.5 秒，单次求解不到 1 毫秒；算出的力再交给全身控制或关节控制去执行。它比倒立摆模型多考虑了姿态和转动，但不管腿怎么摆。

例子MIT Cheetah 3 用单刚体凸 MPC 实现了站立、小跑、飞跑、四足齐跳（pronk）、跳跃步态（bound）、踱步、三足步态和三维疾驰，前进速度最高 3 m/s，全部用同一组增益和权重（Di Carlo 等，IROS 2018）。

也叫

单刚体模型、SRB 模型、SRBM、Single Rigid Body Model

相关

凸 MPC、模型预测控制、质心动力学、地面反作用力、全身控制、线性倒立摆模型

来源

Di Carlo et al., Dynamic Locomotion in the MIT Cheetah 3 Through Convex Model-Predictive Control (IROS 2018)
Lin et al., Learning Near-global-optimal Strategies for Hybrid Non-convex MPC of Single Rigid Body Locomotion (arXiv:2207.07846)
Kim et al., Highly Dynamic Quadruped Locomotion via Whole-Body Impulse Control and Model Predictive Control (arXiv:1909.06586)