[論文レビュー] Humanoid Control Under Interchangeable Fixed and Sliding Unilateral Contacts

Saeid Samadi, Julien Roux+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2021

Robotic Locomotion and Control参考文献 42被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、非同一面多接触状況下における固定接触とスライディング接触の間で滑らかに切り替えられるリアルタイムの全身制御フレームワークを提示する。重心（CoM）位置と力の分配をチェビシェフ中心に基づく二次計画法として定式化することで、バランス領域の高価な事前計算を回避し、遷移中も能動的で動的平衡を維持する。HRP-4を用いた実験で、複雑なタスクにおける力追従性と接触モード切り替えが確認された。

ABSTRACT

In this letter, we propose a whole-body control strategy for humanoid robots in multi-contact settings that enables switching between fixed and sliding contacts under active balance. We compute, in real-time, a safe center-of-mass position and wrench distribution of the contact points based on the Chebyshev center. Our solution is formulated as a quadratic programming problem without a priori computation of balance regions. We assess our approach with experiments highlighting switches between fixed and sliding contact modes in multi-contact configurations. A humanoid robot demonstrates such contact interchanges from fully-fixed to multi-sliding and also shuffling of the foot. The scenarios illustrate the performance of our control scheme in achieving the desired forces, CoM position attractor, and planned trajectories while actively maintaining balance.

研究の動機と目的

• 非同一面多接触構成下で、固定接触とスライディング接触の間を遷移する際のヒューマノイドロボットの動的バランスを維持する課題に対処すること。
• GIWC や CoM-サポートポリトープなどの従来のバランス領域手法の計算負荷を克服し、それらの事前計算を回避すること。
• 固定接触とスライディング接触の両方が、力タスクと動的バランスの両方に能動的に寄与できるようにし、狭いまたは複雑な環境下でのロボットの機敏性を向上させること。
• ユーザー定義の接触モード切り替え（接触の解除と再確立を含む）をサポートするリアルタイム制御フレームワークを開発すること。
• スライディング運動中に動的摩擦係数を適応的に更新するオンライン摩擦推定を統合し、力追従性と安定性を向上させること。

提案手法

• チェビシェフ中心を用いて安全な重心（CoM）位置と接触力分配を計算する二次計画法（QP）として、全身制御問題を単一の最適化問題として定式化する。
• スライディングおよび固定接触フェーズ中、エンドエフェクタおよび足の希望の軌道と法線力追従を実現するため、タスク空間における全身アドミittance制御を用いる。
• 法線力がしきい値を超えた場合にのみ動的摩擦係数を更新するオンライン摩擦推定アルゴリズムを実装し、スライディング中における耐障害性を向上させる。
• チェビシェフ中心を用いて、外部の力の作用と摩擦円錐制約のもとで安定性を保証する、重心の最大のロバスト領域を定義する。
• GIWC やサポートポリトープなどの複雑なバランス領域の明示的計算を避ける代わりに、リアルタイムでロバストな重心と力分配解を直接最適化する。
• mc_rtc リアルタイム制御フレームワークに本手法を統合し、QP の平均計算時間が 0.2 ms、全パイプラインが 1 ms にまで短縮された。これは mc_rtc フレームワークの 5 ms 制御周期を大幅に満たしている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒューマノイドロボットは、非同一面多接触構成下で、固定接触とスライディング接触の間を遷移する際、どのようにして動的バランスを維持できるか？
• RQ2 GIWC や CoM-サポートポリトープなどの計算コストの高いバランス領域計算を、リアルタイム制御において、単一で高速な最適化定式化が代替可能か？
• RQ3 スライディング接触を、被動的または外部の不具合と見なすのではなく、力タスクとバランスの両方の目的に能動的に活用できる範囲はどの程度か？
• RQ4 オンライン摩擦推定は、長時間にわたるスライディング運動中、力追従性と安定性をどのように向上させるか？
• RQ5 固定接触とスライディング接触モードのオンデマンド切り替えを可能にする統合的制御フレームワークは、複雑な多接触シナリオにおいて、どの程度の性能を示すか？

主な発見

• 提示されたチェビシェフ中心に基づく QP 定式化により、バランス領域の事前構築を必要とせず、安全な重心位置と力分配のリアルタイム計算が可能となり、計算負荷が低減された。
• 本システムは、HRP-4 ヒューマノイドロボット上で、固定接触からマルチスライディングへの遷移、および足のシャッフル動作を含む、接触モードの切り替えを成功裏に実証した。
• 共通拭き作業中のエンドエフェクタの力追従性は、右手指の目標値 10 N および左手指の目標値 15 N を達成し、環境の不確実性によるわずかな差異が生じたが、概ね正確な法線力制御が実現された。
• 傾斜面での左足のシャッフル運動は、安定した法線力追従性とともに成功裏に実行され、方向転換に起因する振動が観測された。力および重心（CoM）軌道データにより、その妥当性が裏付けられた。
• チェビシェフ QP の平均計算時間は 0.2 ms、全制御フレームワークでは 1 ms であり、両者とも mc_rtc フレームワークの 5 ms リアルタイム制御周期を大幅に満たしている。
• オンライン摩擦推定により、スライディング中における動的摩擦係数が適応的に更新され、初期推定値から収束する様子が図 9 に示された。これにより、接触遷移時の耐障害性が向上した。