[論文レビュー] Observability in Inertial Parameter Identification.

Patrick M. Wensing, Günter Niemeyer+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2017

Robotic Mechanisms and Dynamics参考文献 42被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、関節をまたがる慣性的移動として不検出可能なパラメータ変化を解釈する新しい視点を用いて、アーチレートドロボットの慣性パラメータの可観測性を特定するO(N)時間計算量のアルゴリズムを提示する。指数的パラメータ化と線形可観測性解析を活用することで、非記号的かつ証明可能な識別が可能となり、オープンチェーンの運動学的木構造に対して効率的なアルゴリズムが得られる。併せてMATLABコードも提供されている。

ABSTRACT

We present an algorithm to characterize the space of identifiable inertial parameters in system identification of an articulated robot. The algorithm can be applied to general open-chain kinematic trees ranging from industrial manipulators to legged robots. It is the first solution for this case that is provably correct and does not rely on symbolic techniques. The high-level operation of the algorithm is based on a key observation: Undetectable changes in inertial parameters can be interpreted as sequences of inertial transfers across the joints. Drawing on the exponential parameterization of rigid-body kinematics, undetectable inertial transfers are analyzed in terms of linear observability. This analysis can be applied recursively, and lends an overall complexity of $O(N)$ to characterize parameter identifiability for a system of N bodies. Matlab source code for the new algorithm is provided.

研究の動機と目的

• アーチレートドロボットの慣性パラメータがシステム同定においてどの程度同定可能であるかを特定する課題に取り組む。
• 記号的計算に依存しない手法を開発し、産業用マニピュレーターや脚付きロボットのような複雑なシステムへの広範な適用可能性を確保する。
• 一般のオープンチェーン運動学的木構造における同定可能な慣性パラメータの空間を、証明可能な正しさを伴って特徴付ける。
• N体系において可観測パラメータを特定するための、O(N)時間計算量の効率的で再帰的なアルゴリズムを提供する。

提案手法

• アルゴリズムは、運動学的木構造内で関節をまたがる慣性的移動として、不検出可能な慣性パラメータの変化を解釈する。
• 剛体運動学の指数的パラメータ化を用いて、これらの移動を線形可観測性の観点からモデル化・分析する。
• 解析を運動学的木構造を再帰的にスキャンすることで実行し、可観測パラメータ空間の効率的計算を可能にする。
• 記号的変換を避けるために、線形代数を用いてパラメータ変化の可観測性を評価する。
• アルゴリズムはチェーンに従って各ボディを順次処理し、可観測性制約を段階的に構築する構造となっている。
• 実用的応用および手法の検証を可能にするために、MATLAB実装が提供されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アーチレートドロボットのどの慣性パラメータが、動的測定からのみ同定可能であるか？
• RQ2 オープンチェーン系において、不検出可能なパラメータ変化の空間を体系的に特徴付ける方法は何か？
• RQ3 一般の運動学的木構造における慣性パラメータ可観測性を特定するための計算量はどの程度か？
• RQ4 この問題に対して、記号的でないが証明可能な手法を開発できるか？
• RQ5 関節間の慣性的移動を用いて、再帰的かつスケーラブルな方法で可観測性を分析できるか？

主な発見

• 提案されたアルゴリズムは、N体系において慣性パラメータの同定可能性を特定する際、O(N)の時間計算量を達成する。
• 記号的技術に依存せず、証明可能な正しさを伴って可観測慣性パラメータを特徴付ける。
• 不検出可能なパラメータ変化は、関節をまたがる慣性的移動の系列として完全に特徴付けられる。
• これらの移動の線形可観測性に基づく解析により、効率的な再帰的計算が可能になる。
• アルゴリズムは、産業用マニピュレーターおよび脚付きロボットを含む一般のオープンチェーン運動学的木構造に適用可能である。
• 完全なMATLAB実装が提供されており、即時の応用および再現性が保証される。