[論文レビュー] Balance of Humanoid robot in Multi-contact and Sliding Scenarios

Saeid Samadi, Stéphane Caron+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2019

Robotic Locomotion and Control参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、固定接触およびスライディング接触を含むマルチコンタクト状況下におけるヒューマノイドロボットのバランスを維持するための二次計画法に基づく手法を提案する。接触力とスライディング運動を考慮した重心支持領域（CSA）を計算し、トルク分布およびタスク制約のもとで重心（CoM）位置を最適化することで、HRP-4 ロボットにおける安定な押し出しおよび拭き取りタスクを実現し、正確な力追従性と動的安定性を達成した。

ABSTRACT

This study deals with the balance of humanoid or multi-legged robots in a multi-contact setting where a chosen subset of contacts is undergoing desired sliding-task motions. One method to keep balance is to hold the center-of-mass (CoM) within an admissible convex area. This area should be calculated based on the contact positions and forces. We introduce a methodology to compute this CoM support area (CSA) for multiple fixed and sliding contacts. To select the most appropriate CoM position inside CSA, we account for (i) constraints of multiple fixed and sliding contacts, (ii) desired wrench distribution for contacts, and (iii) desired position of CoM (eventually dictated by other tasks). These are formulated as a quadratic programming optimization problem. We illustrate our approach with pushing against a wall and wiping and conducted experiments using the HRP-4 humanoid robot.

研究の動機と目的

• スライディング接触を含むマルチコンタクト相互作用下におけるヒューマノイドロボットの動的バランスを維持する課題に対処すること。
• 重心（CoM）支持領域（CSA）に基づく従来のバランス基準を、固定接触およびスライディング接触の両方を含むように拡張すること。
• 接触トルク分布およびタスク固有の制約を満たしつつ、CoM位置の最適化を統合することで安定性を向上させること。
• HRP-4 ヒューマノイドロボットを用いて、押し出しおよび拭き取りタスクにおいて実験的に手法を検証すること。

提案手法

• 本稿では、ニュートン・オイラー力学および重力トルクバランスに基づいて導出された、固定接触およびスライディング接触制約を組み込んだ重心支持領域（CSA）を定式化する。
• 重力慣性トルクコーン（GIWC）を用いて平衡状態をモデル化し、接触力および接触位置に基づいた重心位置の水平投影を導出する。
• 重心位置を接触力制限、所望のトルク分布、およびタスク固有のCoMターゲットを満たす制約のもとで最適化するための重心的二次計画（QP）を用いる。
• 制御器は接触力追従のためのアドミittance制御を統合し、安定性を維持するための動的CoM調整をQPにより計算する。
• 接触タスク中における両足間の重量分布を制御するため、足部力差制御を適用する。
• 最適化されたCoM軌道および接触力を実現するロボットの構成を生成するために逆運動学を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定接触およびスライディング接触を有するヒューマノイドロボットのための重心支持領域（CSA）をどのように計算できるか？
• RQ2 接触力制約およびタスク目的を満たしつつ、CSA 内で重心（CoM）を最適に配置する方法は何か？
• RQ3 提案手法は、押し出しや拭き取りなどのスライディング接触タスクにおいて、バランスを維持し、正確な力追従性を達成できるか？
• RQ4 固定CoM設定と比較して、動的CoM調整は力追従性能をどのように向上させるか？

主な発見

• 提案手法は、計算された支持領域（CSA）内での動的CoM調整により、スライディング接触タスク中におけるロボットのバランスを成功裏に維持した。
• 壁に向かって押す実験では、ロボットは最大60 Nの安定な法線力追従を達成したが、固定CoMベースラインでは20 Nを超過できなかった。
• 力増加時には重心軌道が前方に移動し、力減少時には後方へ移動するという傾向が観察され、接触力要求に応じた適応的ボディ構成が示された。
• 拭き取りタスクでは、16秒目における一時的な過渡誤差の後、法線力が30 Nのターゲットに収束した。これは、強固な力制御を示している。
• 制御器は、固定接触モードおよびスライディング接触モードの両方で安定した動作を可能にした。HRP-4 ロボット上で複雑なタスクが正常に実行された。
• 接触摩擦のオンライン推定および固定接触モードとスライディング接触モードとの間の遷移制御は、今後の課題として残っている。