[論文レビュー] Global Position Control on Underactuated Bipedal Robots: Step-to-step Dynamics Approximation for Step Planning

Xiaobin Xiong, Jenna Reher+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2020

Robotic Locomotion and Control参考文献 41被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、3次元のアンダアクチュエートな二足歩行ロボットにおけるグローバルな位置制御フレームワークを、ハイブリッド線形逆ピンドル（H-LIP）のステップ・ツー・ステップ（S2S）ダイナミクス近似を用いて提示する。H-LIPモデル上にモデル予測制御（MPC）を定式化し、ロボットとH-LIPダイナミクスの間の誤差をフィードバック制御で拘束することで、障害物回避および外乱抑制を実現する安定な動的パス追従が可能となり、シミュレーションおよびハードウェア実験においてCassieロボットで検証された。

ABSTRACT

Global position control for underactuated bipedal walking is a challenging problem due to the lack of actuation on the feet of the robots. In this paper, we apply the Hybrid-Linear Inverted Pendulum (H-LIP) based stepping on 3D underactuated bipedal robots for global position control. The step-to-step (S2S) dynamics of the H-LIP walking approximates the actual S2S dynamics of the walking of the robot, where the step size is considered as the input. Thus the feedback controller based on the H-LIP approximately controls the robot to behave like the H-LIP, the differences between which stay in an error invariant set. Model Predictive Control (MPC) is applied to the H-LIP for global position control in 3D. The H-LIP stepping then generates desired step sizes for the robot to track. Moreover, turning behavior is integrated with the step planning. The proposed framework is verified on the 3D underactuated bipedal robot Cassie in simulation together with a proof-of-concept experiment.

研究の動機と目的

• 足部のアンダアクチュエーションにより直接COM制御が不可能な3次元アンダアクチュエートな二足歩行ロボットにおけるグローバル位置制御を可能にすること。
• 複雑な環境や不確実性のある条件下でも、動的歩行を安定化させつつ正確なパスフォローリングを達成する課題に対処すること。
• 理論的H-LIPダイナミクスと実際のロボット挙動の間のギャップを埋める実用的で実装可能な制御フレームワークを開発すること。
• 実機上での高精度な動的高速歩行、旋回および外乱抑制の実現可能性を検証すること。

提案手法

• グローバルパス追従のための所望のステップサイズを生成するために、ハイブリッド線形逆ピンドル（H-LIP）モデル上にモデル予測制御（MPC）を定式化する。
• アンダアクチュエートロボットの実際のS2Sダイナミクスを近似するために、H-LIPのS2Sダイナミクスが用いられ、モデル誤差は有界外乱として扱われる。
• ロボットの水平状態とH-LIP状態の間の誤差を、外乱不変集合内に保つようにフィードバックコントローラーを設計し、有界な追従誤差を保証する。
• H-LIPに基づくステップ計画により、曲線や障害物回避を含む所望のパスに従うための足場配置が生成される。
• 障害物回避はMPC定式化に二次的制約を追加することで実現され、計算効率を保ちながらQCQPに変換される。
• 概念実証のハードウェア実験により、既存の低レベルコントローラーを用いてCassieロボットがシミュレートされた正方形パスを追従し、動的整合性が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H-LIPに基づくステップ計画とMPCを用いることで、3次元アンダアクチュエートな二足歩行ロボットにおいて安定した動的グローバル位置制御が可能か？
• RQ2 H-LIPと実ロボットとの間のモデル誤差をどのように有界化し、信頼性の高い追従を保証できるか？
• RQ3 提案されたフレームワークは、高精度な旋回や障害物回避といった複雑な運動を処理できるか？
• RQ4 シミュレーションでの制御性能は、実ハードウェアにおいてどの程度動的整合性を保っているか？
• RQ5 外部外乱がパス追従に与える影響は何か？また、システムはその外乱を効果的に抑制できるか？

主な発見

• H-LIPに基づくMPCは、シミュレーションにおいて円、正弦波、正方形、心臓型などの複雑なパスをCassieロボットが追従可能であることを示した。
• 図6で確認されたように、ロボットとH-LIP間の追従誤差は、外乱不変集合Eの多面体近似内に有界に保たれた。
• 図7(a)に示すように、パス追従を維持しながら動的かつ適応的に足場配置を調整することで、効果的な障害物回避が実現された。
• t=10 sに200 Nの横方向外乱が印加されたが、ロボットは数秒で元のパスに戻り、耐障害性が確認された（図7b）。
• ハードウェア実験により動的整合性が確認された：Cassieはシミュレートされた正方形パスを最小限のずれで追従し、骨盤位置とヘディング速度がシミュレーションプロファイルとよく一致した（図8）。
• 本手法により、1 m/sを超える速度で、最大45 deg/sの旋回速度を実現する高速な動的歩行が可能となったが、ステップサイズがアクチュエータトルク制限を超えると追従不能となった。