[論文レビュー] Optimisation of Body-ground Contact for Augmenting Whole-Body Loco-manipulation of Quadruped Robots

Wouter Wolfslag, Christopher McGreavy+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2020

Robotic Locomotion and Control参考文献 30被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、四足歩行ロボットに剛性の突起を装備させることで、体と地面の接触を制御可能にし、耐障害性と操作能力を向上させる手法を提案する。階層的二次計画法（QP）に基づく制御と高速なSU（最小拒否力）近似を用いることで、外部からの摂動に対する耐性が最大35％向上し、障害物越えや二腕操作といった新たなタスクが可能になる。実機での実験により、リアルタイム性能が確認された。

ABSTRACT

Legged robots have great potential to perform loco-manipulation tasks, yet it is challenging to keep the robot balanced while it interacts with the environment. In this paper we study the use of additional contact points for maximising the robustness of loco-manipulation motions. Specifically, body-ground contact is studied for enhancing robustness and manipulation capabilities of quadrupedal robots. We propose to equip the robot with prongs: small legs rigidly attached to the body which ensure body-ground contact occurs in controllable point-contacts. The effect of these prongs on robustness is quantified by computing the Smallest Unrejectable Force (SUF), a measure of robustness related to Feasible Wrench Polytopes. We apply the SUF to assess the robustness of the system, and propose an effective approximation of the SUF that can be computed at near-real-time speed. We design a hierarchical quadratic programming based whole-body controller that controls stable interaction when the prongs are in contact with the ground. This novel concept of using prongs and the resulting control framework are all implemented on hardware to validate the effectiveness of the increased robustness and newly enabled loco-manipulation tasks, such as obstacle clearance and manipulation of a large object.

研究の動機と目的

• 全身の歩行・操作タスクにおける四足歩行ロボットの耐障害性と操作能力を向上させること。
• 操作中に外部からの摂動が加わる状況下でもバランスと安定性を維持する課題に、追加の制御可能接触点を導入することで対処すること。
• 体幹部の突起と地面の接触を扱える制御フレームワークを開発し、脚を操作に使用できる安定した相互作用を実現すること。
• 最小拒否力（SUF）という指標を用いて、体と地面の接触の利点を定量化・最適化すること。
• 実機プラットフォームを用いた実験的検証により、押しつぶされにくさの向上と新たな操作タスクの実現を示すこと。

提案手法

• 地面との接触点を明確に制御できる剛性の突起を四足歩行ロボットに装備し、体幹部による支持を可能にする。
• 突起が接地している際の制約付き運動を管理するため、階層的二次計画法（QP）に基づく全身制御器を用いる。
• リアルタイムで摂動耐性能力を定量化できる、高速で計算可能な最小拒否力（SUF）の近似を導入する。
• 配置、長さ、操作性を考慮し、最大の耐障害性を実現するための突起設計をSUFを指標として最適化する。
• SUFを用いてアクチュエータの制限と相互作用制約下での耐障害性を評価し、SUF最大化のための半正定値計画法の定式化を適用する。
• 障害物越え、押しつぶされ耐性、二腕ボックス持ち上げなどのタスクを実機で実行し、フレームワークを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 追加の体と地面の接触は、外部摂動下における四足歩行ロボットの全身の歩行・操作タスクにおける耐障害性をどのように向上させるか？
• RQ2 SUFで測定した摂動耐性を最大にするために、突起の最適な設計（配置、長さ）は何か？
• RQ3 全身制御器は、エンドエフェクタ以外の接触（例：突起と地面の接触）をどのように管理できるか？
• RQ4 SUF指標を、制御および計画に近似リアルタイムで使用可能にできるか？
• RQ5 脚が体を支える役割を果たさないことで、どのような新たな操作能力が実現可能になるか？

主な発見

• 突起の追加により、SUFで測定した摂動耐性が最大35％向上したが、これは突起の長さに依存しない。
• 突起を用いたシステムにより、通常の四足歩行ロボットではすべての脚をバランスに使用する必要があるため不可能な障害物越えタスクが可能になった。
• 体を突起に下ろすことにより、脚を操作に使用し、ボックスを二腕で持ち上げるような操作を成功させた。
• 突起が接地している間は、膝関節のモータトルクが顕著に低下し、同じアクチュエータ制限下でもより高い摂動耐性が実現できた。
• 提案されたSUF近似により、リアルタイムでの耐障害性評価が可能となり、近似リアルタイムの制御および最適化を支援した。
• 実機実験により、突起システムが耐障害性を向上させるとともに、新たな操作タスクを実現することが確認された。結果は補足動画に記録されている。