[論文レビュー] Design and Implementation of a Three-Link Brachiation Robot with Optimal Control Based Trajectory Tracking Controller

Shuo Yang, Zhaoyuan Gu+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2019

Robotic Locomotion and Control被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、最適なスイング計画のための反復線形二次調節器（iLQR）に基づく軌道追跡制御と、ロバストな追従性を実現する段階的PID/入出力線形化制御を備えた三リンクブレーシエーションロボットを提示する。このロボットは、間隔が異なるバー間をエネルギー効率よく安定してブレーシエーションすることができ、iLQRによる設計により制御コストが2640から1.14に低下し、0.3mの等間隔試行で100%の成功を達成した。

ABSTRACT

This paper reports the design and implementation of a three-link brachiation robot. The robot is able to travel along horizontal monkey bars using continuous arm swings. We build a full order dynamics model for the robot and formulate each cycle of robot swing motion as an optimal control problem. The iterative Linear Quadratic Regulator (iLQR) algorithm is used to find the optimal control strategy during one swing. We select suitable robot design parameters by comparing the cost of robot motion generated by the iLQR algorithm for different robot designs. In particular, using this approach we show the importance of having a body link and low inertia arms for efficient brachiation. Further, we propose a trajectory tracking controller that combines a cascaded PID controller and an input-output linearization controller to enable the robot to track desired trajectory precisely and reject external disturbance during brachiation. Experiments on the simulated robot and the real robot demonstrate that the robot can robustly swing between monkey bars with same or different spacing of handholds.

研究の動機と目的

• マネーバーのバー間を連続的かつダイナミックにスイング可能な三リンクブレーシエーションロボットの設計と実装。
• ブレーシエーションにおけるエネルギー効率の良い軌道生成のためのiLQRを用いた最適制御戦略の開発。
• 非駆動関節と外部の摂動を扱えるロバストな軌道追跡制御の構築。
• ロボットのパラメータ選定を支援するための最適制御コストを指標とする設計手法の確立。
• 異なるバー間隔において、シミュレーションと実機ハードウェアの両方でシステムの検証。

提案手法

• 二つの駆動関節と一つの非駆動関節を有する三リンクブレーシエーションロボットの完全な高次元ダイナミクスを定式化した。
• 各ブレーシエーションスイングを、反復線形二次調節器（iLQR）アルゴリズムで解く最適制御問題として扱った。
• iLQRのコスト関数を、腕の質量やボディの有無を含むロボットパラメータの評価と最適化に用いる設計指標とした。
• エンドエフェクタの運動を安定化させるために、PID制御と入出力線形化を組み合わせた段階的軌道追跡制御器を設計した。
• STM32F427 MCU上でモーターエンコーダーとIMUを用いてリアルタイムの状態推定を実装した。
• ラップトップで軌道生成を実行し、MATLAB GUIを介してBluetooth経由でロボットに通信した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 iLQRによる最適制御は、三リンクロボットの低エネルギーで安定したブレーシエーション軌道をどのように生成できるか？
• RQ2 特にボディ質量と腕の慣性モーメントといったロボット設計パラメータは、ブレーシエーションにおけるエネルギー効率を最大化するためにどのように影響を与えるか？
• RQ3 PIDと入出力線形化を組み合わせたハイブリッド制御は、非駆動ダイナミクスが存在する状況でも、ロバストな軌道追跡を可能にするか？
• RQ4 バーの間隔が異なる場合、ロボットは軌道追従性をどのように維持するか？
• RQ5 iLQRコスト関数は、ロボット設計最適化のための信頼できる指標としてどの程度有効か？

主な発見

• iLQRベースの軌道生成により、0.4m間隔のバー間スイングにおける最適制御コストが、初期値の2640（制御入力なし）から1.14に低下した。
• 0.3mの等間隔バー間でのブレーシエーションにおいて、20回の試行すべてで100%の成功率を達成し、ロバスト性と再現性を示した。
• iLQRコストを用いた設計最適化により、軽量な腕とボディリンクがエネルギー消費を顕著に削減することが判明した。腕の質量は全質量の13.3%であり、生物学的ギバラのデータに近く、非常に効率的であった。
• 提案された軌道追跡制御器は、実環境での実行中に、望ましい関節軌道の正確な追従を達成し、外部の摂動に対しても効果的に耐性を示した。
• 異なる間隔のバー間で連続的なスイングを成功裏に実行し、制御器の適応性を実証した。
• iLQRコストを指標とする設計手法は、特に低慣性モーメントの腕と明確なボディリンクの導入を推奨する物理的設計意思決定を効果的に支援した。