[論文レビュー] Multi-contact Walking Pattern Generation based on Model Preview Control of 3D COM Accelerations

Stéphane Caron, Abderrahmane Kheddar|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2016

Robotic Locomotion and Control参考文献 21被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、3次元重心加速度（COM）の予測制御を用いたリアルタイムなマルチコンタクト歩行パターン生成手法を提示する。摩擦円錐を双対的な2次元点として再定式化することで、O(n log n)時間で接触安定性制約を凸包を用いて計算し、動的で不整な地形におけるロボット走破のためのモデル予測制御における効率的な軌道全体の安定性検証を可能にする。HRP-4ヒューマノイドロボット上で実装された。

ABSTRACT

We present a multi-contact walking pattern generator based on preview-control of the 3D acceleration of the center of mass (COM). A key point in the design of our algorithm is the calculation of contact-stability constraints. Thanks to a mathematical observation on the algebraic nature of the frictional wrench cone, we show that the 3D volume of feasible COM accelerations is a always a downward-pointing cone. We reduce its computation to a convex hull of (dual) 2D points, for which optimal O(n log n) algorithms are readily available. This reformulation brings a significant speedup compared to previous methods, which allows us to compute time-varying contact-stability criteria fast enough for the control loop. Next, we propose a conservative trajectory-wide contact-stability criterion, which can be derived from COM-acceleration volumes at marginal cost and directly applied in a model-predictive controller. We finally implement this pipeline and exemplify it with the HRP-4 humanoid model in multi-contact dynamically walking scenarios.

研究の動機と目的

• 複雑で不整な地形を複数の接触点を伴って移動するヒューマノイドロボットのためのリアルタイム歩行パターン生成手法を開発すること。
• 摩擦制約下での3次元可能なCOM加速度体積を計算する際の計算ボトルネックを解消すること。
• 予測制御を用いて、動的でマルチコンタクトな状況における軌道全体の接触安定性検証を可能にすること。
• この手法をリアルタイムなモデル予測制御フレームワークに統合し、頑健なリアルタイム走破を実現すること。
• 本手法をHRP-4ヒューマノイドロボットに適用し、斜めの階段や航空機のモックアップなど挑戦的なシナリオで検証すること。

提案手法

• 本手法は、3次元の摩擦円錐を接触法線に垂直な平面内の双対的な2次元点の集合に再定式化する。
• これらの双対点の凸包として、可能なCOM加速度体積を計算し、3次元円錐の計算をO(n log n)時間の凸包問題に還元する。
• 得られる3次元の可能なCOM加速度円錐は常に上向きを向いており、予測時間窓全体で効率的に交差させることができる。
• 予測時間窓全体におけるCOM加速度円錐の交差から、保守的な軌道全体の接触安定性基準を導出する。
• この手法は、優先順位付き二次計画法により関節速度を生成するモデル予測制御パイプラインに統合される。
• アルゴリズムは、複雑な歩行タスクのシミュレーションを用いてHRP-4ヒューマノイドロボット上で実装・検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 摩擦制約下での3次元可能なCOM加速度体積を、マルチコンタクト走破においてリアルタイムに効率的に計算するにはどうすればよいか？
• RQ2 摩擦円錐の代数的構造を活用することで、接触安定性解析の計算複雑度を低減できるか？
• RQ3 時間変化するCOM加速度制約から、軌道全体の接触安定性基準をどのように導出できるか？
• RQ4 この手法を、不整な地形における動的歩行のためのリアルタイムなモデル予測制御フレームワークに統合できるか？
• RQ5 本手法は、斜めの階段や不規則に配置されたタイルのような複雑なマルチコンタクトシナリオで、どのように性能を発揮するか？

主な発見

• 摩擦制約下での3次元可能なCOM加速度体積は、常に上向きを向いた円錐であるため、幾何的解析が容易になる。
• この円錐の計算は、双対点の2次元凸包に還元され、O(n log n)の複雑度を達成し、リアルタイム評価が可能になる。
• 本手法により、予測時間窓全体におけるCOM加速度円錐の効率的交差が可能となり、保守的で軌道全体の接触安定性基準が得られる。
• 本手法により、複雑な地形、特にランダムに傾いたステップを持つ斜めの円形階段で、安定した動的歩行が実現された。
• HRP-4ヒューマノイドロボットは、不整で取り外し可能なタイルが敷かれたA350航空機のモックアップと26段の斜め階段を、全時間ステップで接触安定性が確認された状態で成功裏に走破した。
• すべてのソースコードが公開されており、再現性の確保と将来のロボット制御システムへの統合を支援する。