[論文レビュー] Identification of Legged Locomotion via Model-Based and Data-Driven Approaches

İsmail Uyanık|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2017

Robotic Locomotion and Control参考文献 82被引用数 5

ひとこと要約

本学位論文は、モデルベースとデータ駆動の両方のアプローチを組み合わせたハイブリッドなシステム同定フレームワークを、脚部走破動力学に提案する。物理的一足飛びロボット上でのばね-質量モデルのパラメトリック同定を実施し、周波数ドメイン手法を用いて線形時変化周期的（LTP）システム理論に基づく入出力モデルを導出する。さらに、リフトとツスチン変換を用いたLTP状態空間モデルの部分空間同定を提案し、脚部ロボットの動的特性の正確な予測と直感的な表現を可能にする。

ABSTRACT

In the first part of this thesis, we present our efforts on experimental validation of the predictive performance of mechanics-based mathematical models on a physical one-legged hopping robot platform. We extend upon a recently proposed approximate analytical solution developed for the lossy spring--mass models for a real robotic system and perform a parametric system identification to carefully identify the system parameters in the proposed model. We also present our assessments on the predictive performance of the proposed approximate analytical solution on our one-legged hopping robot data. The second part considers estimating state space models of legged locomotion using input--output data. To accomplish this, we first propose a state space identification method to estimate time periodic state and input matrices of a hybrid LTP system under full state measurement assumption. We then release this assumption and proceed with subspace identification methods to estimate LTP state space realizations for unknown stable LTP systems. We utilize bilinear (Tustin) transformation and frequency domain lifting methods to generalize our solutions to different LTP system models. Our results provide a basis towards identification of state space models for legged locomotion.

研究の動機と目的

• 物理的一足飛び飛びロボット上での機械的ばね-質量モデルに適したパラメトリックシステム同定手法の開発と検証。
• 安定な周期軌道（極限円周）まわりの線形化から導出された線形時変化周期的（LTP）システム表現を用いて、脚部走破動力学の入出力モデルを同定すること。
• 全状態測定および部分状態測定の両条件下で、部分空間同定技術を用いて脚部走破動力学の時変周期的状態空間モデルを同定すること。
• バイリニア（ツスチン）変換および周波数ドメインリフトを用いて、LTPシステムモデルの異なる表現への一般化を図ること。
• 今後の研究において、実験的検証とコントローラ-プラント分離を活用し、生物学的およびロボット系の脚部走破動力学へのシステム同定の実用的応用を可能にすること。

提案手法

• 連続的状態軌道と不連続ベクトル場を有するハイブリッドLTPシステムに対して、全状態測定と既知のスイッチング時刻を仮定したパラメトリックシステム同定フレームワークを提案する。
• 損失を含むばね-質量モデル（SLIP）の近似解析解を用いて、物理的一足飛び飛びロボットの動的特性を予測し、パラメトリックフィッティングと交差検証により検証する。
• 安定な周期的軌道（極限円周）まわりの脚部走破動力学のハイブリッドダイナミクスを線形化し、LTPシステム表現を獲得する。
• LTPシステムの周波数ドメイン解析および同定技術を適用し、調和伝達関数（入出力モデル）を推定する。
• LTPシステムを等価な離散時間LTIシステムに変換するため、周波数ドメインリフト法とバイリニア（ツスチン）変換を用いる。
• リフトされたLTI表現からLTPシステムのフーリエ級数係数を回復する最適化ベースの変換を導入し、時変周期的状態空間モデルの再構成を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ばね-反転倒立pendulum（SLIP）モデルの近似解析解は、ばね剛性や初期条件が異なる条件下でも、物理的一足飛び飛びロボットの動的特性を十分に正確に予測できるか？
• RQ2 線形時変化周期的（LTP）システム理論と周波数ドメイン同定手法を用いることで、脚部走破動力学の入出力モデルをどの程度正確に同定できるか？
• RQ3 部分状態測定が可能な状況下でも、部分空間同定技術を用いて脚部走破動力学系の時変周期的状態空間モデルを同定できるか？
• RQ4 ツスチン変換や周波数ドメインリフトなどの変換技術を用いて、LTPシステム表現を異なるシステムモデルに一般化できるか？
• RQ5 最適化ベースのフーリエ合成を用いて、周波数ドメインの入出力データから直感的で時変周期的な状態空間実現を再構成する方法の実現可能性と正確さはいかほどか？

主な発見

• 損失を含むSLIPモデルの近似解析解は、異なる脚部ばねおよび初期条件の下で、物理的一足飛び飛びロボットの動的特性を十分に正確に予測できることを、パラメトリック同定と交差検証により検証した。
• 安定な極限円周まわりの線形化から得られたLTPシステム表現は、周波数ドメイン入出力モデリングに効果的であり、シミュレーション結果から優れた予測性能が示された。
• 提案された部分空間同定法は、リフトとツスチン変換を活用することで、部分状態測定下でも周波数ドメイン入出力データからLTP状態空間実現を的確に同定できた。
• リフトされたLTIドメインにおけるフーリエ級数係数回復のための最適化ベースの変換により、時変周期的状態行列および入力行列の正確な再構成が可能となり、フロケ変換を施したLTP実現が得られた。
• 本フレームワークにより、既知のLTPシステムに対するフロケ変換の同定が可能となり、脚部走破動力学の周期的ダイナミクスをより解釈可能な形で分析・表現する道筋が示された。
• 本研究の結果は、今後の実験的検証および生物学的システムへの応用の基盤を築いた。特に、動物走破動力学におけるプラントとコントローラの動的特性の分離的同定が可能となる。