[論文レビュー] Online Dynamic Motion Planning and Control for Wheeled Biped Robots

Songyan Xin, Sethu Vijayakumar|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2020

Robotic Locomotion and Control参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ローリング用のハイブリッドCart-Linear Inverted Pendulum Model (Cart-LIPM) と、歩行移行用のアンダーアクチュエートドLIPMを用いて、車輪脚二足歩行ロボットのオンライン動的運動計画と制御の新規フレームワークを提示する。この手法により、モデル予測制御と逆運動学を介したリアルタイム全体運動生成が可能となり、初めてシミュレーションで障害物を越える動的ハイブリッド歩行を実現した。

ABSTRACT

Wheeled-legged robots combine the efficiency of wheeled robots when driving on suitably flat surfaces and versatility of legged robots when stepping over or around obstacles. This paper introduces a planning and control framework to realise dynamic locomotion for wheeled biped robots. We propose the Cart-Linear Inverted Pendulum Model (Cart-LIPM) as a template model for the rolling motion and the under-actuated LIPM for contact changes while walking. The generated motion is then tracked by an inverse dynamic whole-body controller which coordinates all joints, including the wheels. The framework has a hierarchical structure and is implemented in a model predictive control (MPC) fashion. To validate the proposed approach for hybrid motion generation, two scenarios involving different types of obstacles are designed in simulation. To the best of our knowledge, this is the first time that such online dynamic hybrid locomotion has been demonstrated on wheeled biped robots.

研究の動機と目的

• 複雑な環境を走破する車輪脚二足歩行ロボットの動的でオンラインの運動計画を可能にする。
• 車輪走行と脚部歩行移行をリアルタイムで統合する課題に取り組む。
• ローリングとステッピング運動をシームレスに統合する階層的制御フレームワークを開発する。
• シミュレーションを用いて多様な障害物シナリオでフレームワークを検証する。

提案手法

• 安定したローリング運動をモデル化するため、Cart-Linear Inverted Pendulum Model (Cart-LIPM) を提示する。
• 歩行中の接触移行をモデル化・制御するため、アンダーアクチュエートドLIPMの変種を導入する。
• オンライン軌道生成のため、階層的モデル予測制御（MPC）フレームワークを採用する。
• 全関節（車輪を含む）の同期を図るため、逆運動学的全身コントローラーを用いる。
• 地形および障害物状況に応じて、ローリングモードとステッピングモードを切り替えるハイブリッド運動生成戦略を設計する。
• 多様な障害物タイプの下での耐性を検証するため、シミュレーションにフレームワークを実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 車輪脚二足歩行ロボットは、効率的なローリングと障害物を越えるための機敏なステッピングをどのように統合した動的歩行を達成できるか？
• RQ2 ローリングと脚部歩行の間の移行中に、安定的かつ適応的な運動計画を可能にする制御モデルは何か？
• RQ3 完全駆動の車輪脚二足歩行ロボットに対して、MPCと逆運動学を用いたオンラインでリアルタイムの運動計画を効果的に達成できるか？
• RQ4 シミュレーションにおける変動する障害物配置下で、ハイブリッド運動生成フレームワークはどのように性能を発揮するか？
• RQ5 車輪と脚部の制御を統合した一元的制御アーキテクチャにおいて、ローリングとステッピング行動の統合は実現可能か？

主な発見

• 提示されたフレームワークは、シミュレーションにおいて車輪脚二足歩行ロボットのオンライン動的運動計画と制御を成功裏に実現した。
• Cart-LIPMとアンダーアクチュエートドLIPMモデルは、ローリングおよび接触移行のダイナミクスを効果的に捉えている。
• 階層的MPCベースのコントローラーは、ローリングおよびステッピングの両フェーズで安定的かつ高精度な運動追従を達成した。
• 本システムは、ギャップや高さのある障害物を含む多様な障害物タイプの走破において、優れた耐性を示した。
• 著者らの知る限り、本研究は、車輪脚二足歩行ロボットにおけるオンライン動的ハイブリッド歩行の初の実証である。
• 逆運動学による車輪と脚部の制御統合により、全身運動の連携が確保された。