[論文レビュー] Feedback Control of a Cassie Bipedal Robot: Walking, Standing, and Riding a Segway

Yukai Gong, Ross Hartley+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2018

Robotic Locomotion and Control参考文献 19被引用数 13

ひとこと要約

本論文では、仮想拘束とゲートライブラリ手法を用いて、雪、砂、炎の燃え盛る木々など多様な地形において安定した歩行、立ち上がり、シーゲイの運転を可能にする、Cassie二足歩行ロボット向けのオープンソースフィードバック制御器を提示する。制御器はフルオーダーの動的モデルとゲインスケジューリングされた仮想拘束を活用し、ステップの安定性を多様な地形で維持するが、立脚脚のトルクに依存せずにバランスを保つ。

ABSTRACT

The Cassie bipedal robot designed by Agility Robotics is providing academics a common platform for sharing and comparing algorithms for locomotion, perception, and navigation. This paper focuses on feedback control for standing and walking using the methods of virtual constraints and gait libraries. The designed controller was implemented six weeks after the robot arrived at the University of Michigan and allowed it to stand in place as well as walk over sidewalks, grass, snow, sand, and burning brush. The controller for standing also enables the robot to ride a Segway. A model of the Cassie robot has been placed on GitHub and the controller will also be made open source if the paper is accepted.

研究の動機と目的

• 複雑で現実的かつ多様な環境下でも安定した歩行を実現できる、強固でオープンソースのフィードバック制御器の開発。
• ラインフットと被動関節を有する、20自由度の過剰にアンダーアクチュエーテッドなロボットを、原理的制御手法で制御する課題への対処。
• 基本的な歩行を超えて、静止した立ち姿勢やシーゲイの運転といった動的タスクを実行できる制御能力の拡張。これは、救助活動に応用可能な関連性を持つ。
• 芝生、雪、砂、制御された炎の燃え盛る地域など、未舗装で多様な地形での制御器の有効性の実証。
• 研究コミュニティが再利用可能で文書化された制御フレームワークを提供し、拡張可能なものとする。

提案手法

• ゲートライブラリ手法を用いて、ロボットの現在の速度に基づいて仮想拘束をパラメータ化することで、周期的な歩行の連続体を生成する。
• 仮想拘束は、関節位置と角度に対するゲインスケジューリング付きPD制御器を介して実装され、高レベルの制御目標をアクチュエータ命令に変換する。
• Cassieのフル20自由度の動的モデルを用いて、エネルギー消費を最小化すると同時に、モータートルク、関節角、接地反力制限を満たす歩行を設計するためのパrameter最適化フレームワークを構築する。
• 足場の配置制御を通じて、重心（CoM）速度を近似的な積分器として安定化させ、フィードバックによる速度制御を可能にする。
• 立ち上がりとバランス制御では、CoM_xのための足のピッチ角と、CoM_yのための脚長差（ロール制御）を制御し、不安定なプラットフォーム（例：シーゲイ）上での振動を抑えるためにフィードバックゲインを低減する。
• 制御器はリアルタイムSimulinkで実装され、論文受容後にオープンソースとして公開される予定である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 20自由度の過剰にアンダーアクチュエーテッドな二足歩行ロボットに、ラインフットを有する状態で、立ち上がりと歩行を安定化させるフィードバック制御器をどのように設計できるか？
• RQ2 ゲートライブラリ手法は、物理的制約を満たしつつ、異なる速度で安定した歩行の連続体を効果的に生成できるか？
• RQ3 砂地、雪、炎の燃え盛る木々など、非常に変形しやすく不整地な地形を歩行する際、制御器はどのようにして安定性を維持するか？
• RQ4 同じ制御フレームワークを、プラットフォームからの直接の状態フィードバックが得られない状況でも、シーゲイの運転といった動的タスクに拡張できるか？
• RQ5 仮想拘束と関節位置に対するPD制御を用いることで、立脚脚のトルクに依存せずに、どれほど頑健な歩行が実現できるか？

主な発見

• 制御器により、Cassieは歩道、芝生、雪、砂、ワックス仕上げの床、制御された炎の燃え盛る地域で安定した歩行を実現し、多様で困難な地形における頑健性を実証した。
• 柔らかい砂地でも30°のピッチ角の状態で安定したバランスを維持したが、これは立脚脚トルクが存在しない状態でも歩行の安定性が損なわれないことを確認した。
• Cassieは歩道や芝生で約4 m/sの速度でシーゲイminiProを安定して運転したが、足のピッチ制御のフィードバックゲインを低減することで振動が抑制された。
• ロボットがミシガン大学に到着してから6週間以内に制御器が実装され、運用可能となった。これは迅速な展開と実用性を示している。
• フル動的モデルとゲート最適化プロセスにより、関節制限、モータートルク、接地反力制限を満たすエネルギー効率の良い歩行の設計が可能になった。
• 制御フレームワークは、分解可能なPD制御構造に成功して、ロボットのハードウェア上でリアルタイム実装が可能になった。