[論文レビュー] Highly Dynamic Quadruped Locomotion via Whole-Body Impulse Control and Model Predictive Control

Donghyun Kim, Jared Di Carlo+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2019

Robotic Locomotion and Control参考文献 21被引用数 216

ひとこと要約

ハイブリッドMPCと全身インパルス制御(WBIC)フレームワークは、空中相を伴う高度にダイナミックな四足歩行を実現し、MIT Mini-Cheetahでテストされて3.7 m/sの走行と複数の歩法を達成した。

ABSTRACT

Dynamic legged locomotion is a challenging topic because of the lack of established control schemes which can handle aerial phases, short stance times, and high-speed leg swings. In this paper, we propose a controller combining whole-body control (WBC) and model predictive control (MPC). In our framework, MPC finds an optimal reaction force profile over a longer time horizon with a simple model, and WBC computes joint torque, position, and velocity commands based on the reaction forces computed from MPC. Unlike existing WBCs, which attempt to track commanded body trajectories, our controller is focused more on the reaction force command, which allows it to accomplish high speed dynamic locomotion with aerial phases. The newly devised WBC is integrated with MPC and tested on the Mini-Cheetah quadruped robot. To demonstrate the robustness and versatility, the controller is tested on six different gaits in a number of different environments, including outdoors and on a treadmill, reaching a top speed of 3.7 m/s.

研究の動機と目的

• 空中相と短い支持期を伴う高度にダイナミックな四足歩行のための多用途な制御スキームを開発する。
• 高レベルの歩法スケジューラと足場計画を変更することで歩法間の切替を可能にする。
• 未作動性と地面接触力を扱うために、モデル予測制御と全身インパルス制御器を統合する。
• 多様な地形と歩法にわたり、実機での堅牢性と多様性を示す。

提案手法

• 質量点モデルを用いて歩法サイクル全体にわたる最適な地上反力プロファイルを計算するために、モデル予測制御(MPC)を用いる。
• MPCの力を高周波の関節位置・速度・トルク指令へ翻訳する全身インパルス制御(WBIC)を開発する。
• 計算可能な最適化のために動力学を単純化して凸MPCを定式化し、WBICには全身ダイナミクスモデルを維持する。
• WBIC内で零空間射影に基づく優先度付きタスク実行を用い、体幹安定化と振り脚制御を行う。
• 接触制約と摩擦円を尊重しつつ、反力と浮遊基底加速度を調整するためにQPを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二層のMPC-WBIC制御フレームワークは、四足歩行ロボットで空中相を伴う高度にダイナミックな走行を達成し持続できるか？
• RQ2 MPCが提供する反力をWBICの目標として用いることは、MPC計算のCoM軌跡を追跡することと比較してどうか？
• RQ3 タスク固有の調整なしに、現実のハードウェアで複数の歩法と地形に対応できるか？
• RQ4 Mini-Cheetahハードウェア上で統合制御器が達成できるスループットと安定性はどれくらいか？
• RQ5 WBICのQPで浮遊基底ダイナミクスを緩和したとき、飛行フェーズ中の性能にどのような影響があるか？

主な発見

• Mini-Cheetahで最高速度3.7 m/sを達成、観測された最大4 m/sだが安定性の限界は3.7 m/s。
• 屋外およびトレッドミル環境で6種の歩法で頑健性を示した。
• MPCは30 Hz、WBICは500 Hzでオンボード計算機上で動作し、高周波フィードバックを可能にする。
• WBICは、飛行と不足作動性に対処するために、CoM軌跡よりもMPC由来の反力を主に追跡する。
• 高速度走行時には関節速度とトルクがアクチュエータの制限近くまで達するなど、ハードウェア能力を最大限活用した制御器。