[論文レビュー] Performance satisfaction in Harpy, a thruster-assisted bipedal robot

Pravin Dangol, Alireza Ramezani+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2020

Robotic Locomotion and Control参考文献 25被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、ハリュープ（Harpy）と呼ばれるスラスターベースの二足歩行ロボットに対して、単脚支持（SS）段階におけるリファレンスガバナーベースの軌道最適化と、二脚支持（DS）段階におけるモデル予測制御（MPC）を組み合わせたハイブリッド制御戦略を提案する。この戦略により、衝撃によるずれに対しても性能要件を満たし、ハイブリッド不変性を確保することで、アクチュエータ制約および摩擦制約下でも安定した周期的歩行が可能になる。スラスターよりも過剰制御が実現される。

ABSTRACT

We will report our efforts in designing feedback for the thruster-assisted walking of a bipedal robot. We will assume for well-tuned supervisory controllers and will focus on fine-tuning the desired joint trajectories to satisfy the performance being sought. In doing this, we will devise an intermediary filter based on the emerging idea of reference governors. Since these modifications and impact events lead to deviations from the desired periodic orbits, we will guarantee hybrid invariance in a robust fashion by applying predictive schemes within a short time envelope during the double support phase of a gait cycle. To achieve the hybrid invariance, we will leverage the unique features in our robot, i.e., the thruster.

研究の動機と目的

• アクチュエータ制限と摂動に直面した際の二足歩行のロバスト性を、スラスターを追加の制御入力として活用することで向上させること。
• 衝撃イベントや歩行遷移中に、性能制約とハイブリッド不変性を維持する課題に対処すること。
• リアルタイム最適化を単脚支持段階で回避し、代わりにリファレンスガバナーを用いて軌道の微調整を行うことで、計算コストを低減すること。
• 短い二脚支持段階を、状態のずれを補正するための予測的制御ウィンドウとして活用し、衝撃後のダイナミクスを安定化させること。
• 摩擦および垂直力の接地接触制約を満たしつつ、安定した極限循環を達成すること。

提案手法

• 単脚支持（SS）段階におけるハイブリッドゼロダイナミクス（HZD）フレームワークを用いた安定歩行軌道の設計。
• 等価な可変長倒立振子（VLIP）モデルに明示的リファレンスガバナー（ERG）を適用し、アクチュエータ制限および性能制約を満たす。
• VLIPモデルから得られた制約付き制御入力を、完全な5自由度SSダイナミクスに再マッピングして実装。
• 10 msの二脚支持（DS）段階で非線形モデル予測制御（NMPC）を実装し、衝撃後のずれを補正。
• DS段階でスラスターを用いて追加の制御能力を提供し、状態のずれを補正し、ハイブリッド不変性を確保。
• NMPC定式化に摩擦および垂直力制約を組み込み、接地接触の安全性と安定性を保証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御入力が限られている二足歩行ロボットにおいて、高速なダイナミクスを有する状況で、性能制約をリアルタイムに満たす方法は何か？
• RQ2 リアルタイム最適化に依存せずに、リファレンスガバナーに基づく手法が、アクチュエータ制限を尊重するように所望の関節軌道を効果的に最適化できるか？
• RQ3 二脚支持段階を、衝撃によるずれを補正し、ハイブリッド不変性を確保するための制御ウィンドウとしてどのように活用できるか？
• RQ4 スラスターを用いることで、摂動下における二足歩行の安定性および制約満足度はどの程度向上するか？
• RQ5 HZDに基づく歩行設計とDSにおける予測制御を組み合わせることで、物理的制約を満たしつつ、安定で周期的な歩行を達成できるか？

主な発見

• 提案手法により、ゼロダイナミクス状態の位相図において一貫した極限循環行動を示す5ステップのシミュレーション歩行が安定して達成された。
• 関節角および速度軌道（図5および6）は周期的であり、滑らかな遷移を示しており、良好な歩行追従性と安定化が達成されたことが示された。
• 10 msの二脚支持段階におけるNMPCベースの制御により、衝撃後のずれが効果的に補正され、状態が所望のゼロダイナミクス多様体に収束した。
• 図8に示すように、DS段階全体で摩擦制約が完全に満たされており、接線力と垂直力の比が静止摩擦係数未満に保たれていた。
• 図9で確認されたように、スラスターにより重力とアクチュエータのみでは達成できない高い垂直力（特に前脚）が実現可能であり、過剰制御と安定性への貢献が示された。
• 図10および11に示すERG変更済み制御入力は、アクチュエータの制限内に収まっており、軌道最適化手法の実現可能性と制約満足度が確認された。