[論文レビュー] Bipedal locomotion using variable stiffness actuation

Ludo C. Visser, Stefano Stramigioli+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2017

Robotic Locomotion and Control参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、二足歩行ロボットのための可変剛性アクチュエーション（V-SLIP）制御戦略を提案する。これは古典的なばね付き倒立振子（SLIP）モデルを拡張し、制御可能な脚の剛性、スイング脚の動力学、および膝関節の駆動を含めるものである。モデルを段階的に洗練させるとともにフィードバック制御則を設計することで、エネルギー消費量（コスト・オブ・トランスポート）が0.34にまで低下し、人間の歩行と同等の水準に達する。これは、能動的剛性の適応がロボットの歩行におけるエネルギー効率と耐障害性を向上させることを示している。

ABSTRACT

Robust and energy-efficient bipedal locomotion in robotics is still a challenging topic. In order to address issues in this field, we can take inspiration from nature, by studying human locomotion. The Spring-Loaded Inverted Pendulum (SLIP) model has shown to be a good model for this purpose. However, the human musculoskeletal system enables us to actively modulate leg stiffness, for example when walking in rough terrain with irregular and unexpected height variations of the walking surface. This ability of varying leg stiffness is not considered in conventional SLIP-based models, and therefore this paper explores the potential role of active leg stiffness variation in bipedal locomotion. It is shown that the conceptual SLIP model can be iteratively extended to more closely resemble a realistic (i.e., non-ideal) walker, and that feedback control strategies can be designed that reproduce the SLIP behavior in these extended models. We show that these extended models realize a cost of transport comparable to human walking, which indicates that active leg stiffness variation plays an important role in human locomotion that was previously not captured by the SLIP model. The results of this study show that active leg stiffness adaptation is a promising approach for realizing more energy-efficient and robust bipedal walking robots.

研究の動機と目的

• 人間の脚の剛性変調を模倣することで、ロボットの二足歩行におけるエネルギー効率と耐障害性のギャップを埋めること。
• 古典的SLIPモデルに制御可能な剛性、スイング脚の動力学、および膝関節駆動を組み込むことで、生物学的妥当性を高めること。
• 徐々に複雑化するモデルにおいても、SLIPに類似した歩行を安定化させるフィードバック制御則を設計し、エネルギー効率を維持すること。
• コスト・オブ・トランスポートという指標を用いて、提案されたモデルのエネルギー的性能を評価すること。
• 能動的脚の剛性適応が、ロボットにおける人間並みの歩行性能を実現するための鍵要因であることを示すこと。

提案手法

• 研究は標準的なSLIPモデルから出発し、段階的に変動する剛性（V-SLIP）を導入し、次にスイング脚の動力学を追加し、最後に縮み込み可能な膝関節を統合する。
• 各モデル段階に対して、エネルギー成形とパassivityに基づく制御原理を用いて、SLIPに類似した歩行の漸近的安定性を保証するフィードバック制御戦略を開発する。
• 制御則は、ポート・ハミルトニアン形式とリー微分を用いて導出され、エネルギーのバランスと安定性を保証する。
• モデルのシミュレーションにおいて、エネルギーバランスとコスト・オブ・トランスポートの指標を用いて性能を評価する。
• コスト・オブ・トランスポートは、式 $ C = \frac{1}{m_{\text{total}}g_0\Delta x} \int_T |\langle u|y\rangle| \, dt $ を用いて計算され、エネルギー効率を定量化する。
• 各モデル拡張はシミュレーションにより検証され、複雑性が増すにもかかわらず制御効果は最小限に抑えられていることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可変脚剛性は、二足歩行ロボットの歩行における耐障害性とエネルギー効率を向上させ得るか？
• RQ2 スイング脚の動力学や膝関節駆動を含む機械的複雑性が増すモデルにおいて、フィードバック制御戦略はどのようにSLIPに類似した歩行を安定化させ得るか？
• RQ3 脚の能動的剛性変調は、二足歩行ロボットのコスト・オブ・トランスポートをどの程度低減するか？
• RQ4 スイング脚の動力学と脚の縮み込みの導入は、エネルギーバランスとシステム全体の性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 SLIPモデルに適用された制御戦略は、より現実的な二足歩行ロボットモデルに効果的に拡張可能か？ その際、安定性と効率が維持されるか？

主な発見

• 制御可能な剛性を有するV-SLIPモデルは、標準条件下でコスト・オブ・トランスポートが3×10⁻³に達し、ほぼ理想のエネルギー効率を示している。
• スイング脚の動力学を組み込むと、コスト・オブ・トランスポートは0.32に上昇し、機械的複雑性とエネルギーの交換が増加したことを反映している。
• 脚の縮み込み機構を追加すると、コスト・オブ・トランスポートはわずかに0.34に上昇するが、スイング脚の慣性が低減されるため、運動エネルギーの変動幅が小さくなる。
• 参照動力学と実際の動力学との不一致が存在しても、全エネルギー変動は小さく保たれ、制御効果が最小限でエネルギー効率が高いことを示している。
• 膝関節の縮み込みと可変剛性を備えた最終モデルは、コスト・オブ・トランスポートが人間の歩行と同等の範囲（0.34 vs. 一般的な人間の値）に達し、性能の類似性が強く示された。
• 制御戦略は、すべてのモデル段階で安定化を成功させ、機械的複雑性の増加に対しても高い耐性を示した。