[論文レビュー] Cooperative Robot Control and Synchronization of Lagrangian Systems

Soon‐Jo Chung, Jean-Jacques Slotine|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2007

Nonlinear Dynamics and Pattern Formation被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、複数のラグランジュ系（ロボットやマニピュレータなど）を、分散型で拡散結合に基づく制御フレームワークによって、共通の軌道へグローバル指数的同期化することを提案する。計算負荷と通信要件を最小限に抑えた単純な追従制御則を適用することで、時間遅れ、部分的結合、適応制御の状況下でも安定な同期を実現し、従来の二重積分器モデルを超えて、高次非線形系へと拡張する。

ABSTRACT

This article presents a simple synchronization framework that can be directly applied to cooperative control of multi-agent systems and oscillation synchronization in robotic manipulation and teleoperation. A dynamical network of multiple Lagrangian systems is constructed by adding diffusive couplings to otherwise freely moving or flying robots. The proposed decentralized tracking control law synchronizes an arbitrary number of robots into a common trajectory with global exponential convergence. The proposed strategy is much simpler than earlier work in terms of both the computational load and the required signals. Furthermore, in contrast with prior work which used simple double integrator models, the proposed method permits highly nonlinear systems and is further extended to time-delayed communications, adaptive control, partial-joint coupling, and leader-follower networks.

研究の動機と目的

• 協調的ロボットタスクにおける複数のラグランジュ系を同期化するためのスケーラブルで計算効率の良い制御戦略を開発すること。
• 従来の方法が二重積分器モデルに依存していたり、複雑な通信や計算を要していたという制限を克服すること。
• 同期制御を非線形系、時間遅延付き通信、適応制御、部分的結合の状況へと拡張すること。
• すべてのエージェントがローカルな分散情報のみを用いて共通の軌道へグローバル指数的収束することを達成すること。
• 従来の手法と比較して、必要な信号数と計算オーバーヘッドを削減することで制御アーキテクチャを単純化すること。

提案手法

• 複数のラグランジュ系を拡散結合によって結合することで、動的ネットワークを構築し、独立したエージェントを同期化されたシステムに変換する。
• 各ロボットを共通の参照軌道へ向かって駆動するための分散型追従制御則を設計し、ローカル状態情報のみを用いる。
• 制御則により、エージェント数に依存せずに同期誤差がグローバル指数的にゼロに収束することを保証する。
• 遅延に強い安定性解析を組み込むことで、通信遅延を伴う状況に対してもフレームワークを拡張する。
• ラグランジュ力学におけるパrametric不確実性に対応するため、適応制御部を統合する。
• 特定の自由度のみが通信可能である部分的結合をサポートし、通信負荷を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通信量と計算負荷を最小限に抑えた単純な分散制御則が、複数のラグランジュ系をグローバル指数的に同期化できるか。
• RQ2 本手法は、従来の手法と比較して、エージェント間通信における時間遅れに対してどのように性能を発揮するか。
• RQ3 本フレームワークは、非線形ロボット系における適応制御とパrametric不確実性をどの程度まで扱えるか。
• RQ4 部分的ジョイントや限られた通信リンクしか利用できない状況でも、同期が維持可能か。
• RQ5 スケーラビリティとロバストネスの観点から、本手法の拡散結合フレームワークは、従来の手法と比較してどのように性能を発揮するか。

主な発見

• 提案された制御則により、すべてのエージェントが共通の軌道へグローバル指数的収束し、安定的かつ高速な同期が実現される。
• 従来の複雑な協調プロトコルに依存する手法と比較して、計算負荷と通信信号数を顕著に低減する。
• 通信遅延に対しても安定性を損なわず、現実のネットワーキング環境におけるロバストネスを示す。
• 適応制御部により、パrametric不確実性や時間変動する系パラメータがある状況でも、効果的な同期が可能となる。
• 部分的ジョイント結合は実現可能であり、同期を維持しながら通信帯域を削減しつつ性能を保持できる。
• 本手法は二重積分器モデルを越えて、完全な非線形ラグランジュ系へと拡張可能であり、実世界のロボット系への応用範囲を広げる。