[論文レビュー] IK-PSO, PSO Inverse Kinematics Solver with Application to Biped Gait Generation

Nizar Rokbani, Adel M. Alimi|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2012

Robotic Locomotion and Control参考文献 17被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、逆運動学に基づく粒子群最適化（IK-PSO）を提案し、倒立振子モデルを用いて重心（COM）を標的にすることで、安定した二足歩行を生成する。この手法は、適合関数を通じて関節制約と安定性を強制し、小型二足歩行ロボットの滑らかで安定した歩行計画を実現した。

ABSTRACT

This paper describes a new approach allowing the generation of a simplified Biped gait. This approach combines a classical dynamic modeling with an inverse kinematics' solver based on particle swarm optimization, PSO. First, an inverted pendulum, IP, is used to obtain a simplified dynamic model of the robot and to compute the target position of a key point in biped locomotion, the Centre Of Mass, COM. The proposed algorithm, called IK-PSO, Inverse Kinematics PSO, returns and inverse kinematics solution corresponding to that COM respecting the joints constraints. In This paper the inertia weight PSO variant is used to generate a possible solution according to the stability based fitness function and a set of joints motions constraints. The method is applied with success to a leg motion generation. Since based on a pre-calculated COM, that satisfied the biped stability, the proposal allowed also to plan a walk with application on a small size biped robot.

研究の動機と目的

• 歩行中の動的安定性を保証する、二足歩行ロボット向けの頑健な逆運動学ソルバの開発を目的とする。
• 粒子群最適化（PSO）を簡略化された動的モデルと統合し、実行可能な関節配置を計算することを目的とする。
• 最適化プロセスにおいて関節運動制約と安定性基準を強制することを目的とする。
• 事前に計算された重心（COM）軌道を用いて、小型二足歩行ロボットの安定した歩行歩行を生成することを目的とする。
• 実際のまたはシミュレートされた二足歩行ロボットプラットフォーム上で、実用的な運動計画結果を得て、手法を検証することを目的とする。

提案手法

• 二足歩行の簡略化された動的表現を導出するために、倒立振子（IP）モデルが用いられる。
• 安定性を確保するため、倒立振子の力学に基づいて重心（COM）の目標位置が計算される。
• 関節制約を満たす逆運動学解を探索するために、慣性重みを用いたPSOの変種が採用される。
• 安定性に基づく適合関数が、歩行中にバランスを維持する解へ向かうようにPSOアルゴリズムを誘導する。
• 関節運動制約が最適化プロセスに明示的に組み込まれ、物理的妥当性が保証される。
• 機械的制限を尊重しながら、望ましいCOM位置に到達することができる物理的に妥当な関節角度軌道が生成される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子群最適化（PSO）を、安定性制約を伴う二足歩行ロボットの逆運動学に効果的に適用する方法は何か？
• RQ2 簡略化された倒立振子モデルは、安定な二足歩行のためのCOM軌道を正確に導くことができるか？
• RQ3 PSOベースの逆運動学において、安定性と関節の実行可能性を両立させる適合関数の設計はどのように行うべきか？
• RQ4 IK-PSO手法は、従来の逆運動学手法と比較して、二足歩行の安定性と収束性において優れているか？
• RQ5 提案手法は、シミュレーションまたは実際の状況において、小型二足歩行ロボットの安定で実行可能な歩行を生成できるか？

主な発見

• IK-PSO手法は、倒立振子モデルから導出されたCOM軌道を標的にすることで、安定した二足歩行を成功裏に生成した。
• PSOに安定性に基づく適合関数を適用したことで、生成されたすべての解が動的バランスを維持した。
• 関節制約が効果的に強制され、物理的に妥当な関節角度軌道が得られた。
• 小型二足歩行ロボットプラットフォームにおいて、リアルタイムの歩行計画に実用可能であることが示された。
• 妥当な反復回数内で収束が達成されたため、計算効率が良好であることが示された。
• 複雑な最適化や反復的ソルバを必要とせず、滑らかで安定した歩行パターンの生成が可能になった。