[論文レビュー] 3D Underactuated Bipedal Walking via H-LIP based Gait Synthesis and Stepping Stabilization

Xiaobin Xiong, Aaron D. Ames|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2021

Robotic Locomotion and Control被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、Cassieロボット上で3次元の非作動的二足歩行を合成および安定化するためのハイブリッド線形逆ピンドルム（H-LIP）フレームワークを提示する。ステップ間ダイナミクスを線形近似としてモデル化し、状態フィードバックステッピング制御を用いることで、正確なステップサイズ制御を通じて、高い包括性と安定性を有するロバストな動的歩行を実現した。シミュレーションおよび実機での検証が行われた。

ABSTRACT

In this paper, we holistically present a Hybrid-Linear Inverted Pendulum (H-LIP) based approach for synthesizing and stabilizing 3D foot-underactuated bipedal walking, with an emphasis on thorough hardware realization. The H-LIP is proposed to capture the essential components of the underactuated and actuated part of the robotic walking. The robot walking gait is then directly synthesized based on the H-LIP. We comprehensively characterize the periodic orbits of the H-LIP and provably derive the stepping stabilization via its step-to-step (S2S) dynamics, which is then utilized to approximate the S2S dynamics of the horizontal state of the center of mass (COM) of the robotic walking. The approximation facilities a H-LIP based stepping controller to provide desired step sizes to stabilize the robotic walking. By realizing the desired step sizes, the robot achieves dynamic and stable walking. The approach is fully evaluated in both simulation and experiment on the 3D underactuated bipedal robot Cassie, which demonstrates dynamic walking behaviors with both high versatility and robustness.

研究の動機と目的

• 被動な足と制限された駆動を有するロボットにおける動的で3次元的な非作動的二足歩行の安定化という課題に取り組むこと。
• 非作動的歩行の本質的ダイナミクスを捉えつつ、体系的な歩行生成を可能にする低次元で解析的に取り扱いやすいモデル（H-LIP）を開発すること。
• H-LIPのステップ間ダイナミクスに基づくステッピング制御器を設計し、ステップサイズの制御によってロボットの重心（COM）を安定化させること。
• 実機のCassieロボット上でアプローチを実験的に検証し、ロバストで包括的な動的歩行を示すこと。

提案手法

• ステップサイズを制御入力とするハイブリッドで被動的作動の簡易化モデルとして、ハイブリッド線形逆ピンドルム（H-LIP）モデルを提案する。
• 実際のロボットの重心（COM）のステップ間（S2S）ダイナミクスを近似するため、H-LIPの線形S2Sダイナミクスを導出する。
• COM位置および速度の誤差を用いて、安定化のための所望のステップサイズを計算する状態フィードバックH-LIPステッピング制御器を設計する。
• モデルとロボットの差異を有界な摂動とみなすことで、S2S近似を用いて不変集合への収束を保証する。
• 関節レベルの制御器を用いてCassieロボット上にH-LIPに基づく歩行を実装し、滑らかな足およびCOM運動を実現するため、Bézier多項式を用いて軌道を生成する。
• 広範なシミュレーションおよび実機実験を通じてアプローチを検証し、やや不整な地形上での歩行も含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 簡略化されたハイブリッドモデル（H-LIP）は、3次元非作動的二足歩行ロボットのステップ間ダイナミクスを正確に近似できるか？
• RQ2 H-LIPの線形S2Sダイナミクスモデルは、実際のロボットシステムに対して、証明可能に安定化するステッピング制御を可能にするか？
• RQ3 H-LIPに基づくステップサイズ制御は、実際の3次元非作動的ロボット（Cassie）上で動的歩行をどれほど効果的に安定化できるか？
• RQ4 H-LIPフレームワークは、粗いあるいは平坦でない地形へどの程度拡張可能か？
• RQ5 H-LIPアプローチは、非作動的歩行に用いられる既存のHZDやSLIPベースの手法と比較して、性能およびロバスト性においてどのように優れているか？

主な発見

• H-LIPモデルは、ステップサイズを制御入力とするハイブリッドで被動的作動の定式化により、3次元非作動的二足歩行の本質的ダイナミクスを効果的に捉えている。
• H-LIPの線形S2Sダイナミクスは、ロボットの重心（COM）軌道を安定化させるために、ステップサイズを制御する証明可能に安定化するステッピング制御器を提供する。
• H-LIPに基づくアプローチは、シミュレーションおよび実機の両方でCassieロボット上でロバストで動的歩行を実現し、高い包括性と安定性を示した。
• モデルとロボットの差異を有界な摂動とみなすことにより、不変集合への収束を保証し、モデル誤差に対しても安定化を達成した。
• やや不整な地形上でも検証されたが、さらなる垂直方向COM制御により、階段、勾配、一般の粗い地形への応用の可能性を示した。
• Bézier多項式の使用により、足およびCOM運動の滑らかで高精度な軌道追従が可能となり、安定な歩行実行を支援した。