Trajectory Optimization for 3D Shape-Changing Robots with Differential Mobile Base

弹道 移动机器人 计算机科学 机器人 差速器(机械装置) 非完整系统 运动规划 控制理论(社会学) 轨迹优化 差异进化 基础(拓扑) 工程类 人工智能 数学 航空航天工程 物理 天文 数学分析 控制(管理)
作者
M. Zhang,Chao Xu,Fei Gao,Yanjun Cao
标识
DOI:10.1109/icra48891.2023.10160911
摘要

Service robots have attracted extensive attention due to specially designed functions, such as mobile manipulators or robots with extra structures. For robots that have changing shapes, autonomous navigation in the real world presents new challenges. In this paper, we propose a trajectory optimization method for differential-drive mobile robots with controllable changing shapes in dense 3D environments. We model the whole-body trajectory as a polynomial trajectory that satisfies the nonholonomic dynamics of the base and dynamics of the extra joints. These constraints are converted into soft constraints, and an activation function for dense sampling is applied to avoid nonlinear mutations. In addition, we guarantee the safety of full shape by limiting the system's distance from obstacles. To comprehensively simulate a large extent of height and width changes, we designed a novel Shape-Changing Robot with a Differential Base (SCR-DB). Our global trajectory optimization gives a smooth and collision-free trajectory for SCR-DB at a low computational cost. We present vast simulations and real-world experiments to validate our performance, including coupled whole-body and independent differential-driven vehicle motion planning.
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