[論文レビュー] Rapid Bipedal Gait Design Using C-FROST with Illustration on a Cassie-series Robot.

Ayonga Hereid, Omar Harib+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Robotic Locomotion and Control被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、FROSTのためのオープンソースC++インタフェースC-FROSTを紹介し、自由度を低減せずに全自由度の歩行を迅速に直接コロケーション最適化可能にする。マルチスレーディングとコリオリ項の省略を活用することで、20自由度のCassieシリーズロボットにおいて高速で高精度の歩行設計を実現。数値シミュレーションおよび物理実験により検証された。

ABSTRACT

One of the big attractions of low-dimensional models for gait design has been the ability to compute solutions rapidly, whereas one of their drawbacks has been the difficulty in mapping the solutions back to the target robot. This paper presents a set of tools for rapidly determining solutions for humanoids without removing or lumping degrees of freedom. The main tools are: (1) C-FROST, an open-source C++ interface for FROST, a direct collocation optimization tool; (2) multi-threading; and (3) following the lead of the manipulator community, removing the Coriolis terms in the model. The results will be illustrated on a 20-DoF floating-base model for a Cassie-series bipedal robot through numerical calculations and physical experiments.

研究の動機と目的

• 低次元モデルの解を高自由度ヒューマノイドロボットに再マッピングする課題に対処すること。
• 複雑なロボットにおける全自由度の歩行最適化における計算ボトルネックを克服すること。
• ロボットの動力学や自由度を単純化せずに、迅速かつ高精度の歩行設計を可能にすること。
• 理論的最適化と実世界の二足歩行ロボットへの実装のギャップを埋めること。
• 20自由度のフローティングベースロボット上でリアルタイム対応の歩行合成が可能かどうかを示すこと。

提案手法

• FROST（直接コロケーション最適化ツール）を高速化するオープンソースC++インタフェースC-FROSTを実装すること。
• 最適化プロセスを並列化するためにマルチスレーディングを活用し、計算時間を顕著に短縮すること。
• 最適化問題の単純化を図るために動力学モデルからコリオリ項を除外しつつ、本質的な動力学を保持すること。
• 最適化された歩行解を20自由度のフローティングベースのCassieシリーズロボットモデルに適用すること。
• 物理実験の前に、数値シミュレーションを実施し、歩行の安定性と性能を検証すること。
• 実際のCassieロボット上で物理実験を実施し、生成された歩行の実用的妥当性を示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全自由度の歩行最適化を十分に高速化することで、実世界の二足歩行ロボットに実用的になるか？
• RQ2 コリオリ項を省略することで、得られる歩行の正確性および安定性にどの程度の影響が生じるか？
• RQ3 マルチスレーディングおよびC-FROSTは、複雑なロボットシステムにおける直接コロケーションの性能をどの程度向上できるか？
• RQ4 最適化された歩行が実際に20自由度のCassieシリーズロボット上で成功裏に転送・実行可能か？
• RQ5 高自由度の歩行設計において、モデルの単純化と解の忠実度のトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• C-FROSTは、自由度を低減せずに全自由度の二足歩行ロボットの迅速かつ高精度な歩行最適化を可能にする。
• コリオリ項の削除により、計算負荷が顕著に低減される一方で、安定的かつ実行可能な歩行が維持される。
• マルチスレーディングにより最適化プロセスが顕著に高速化され、リアルタイム歩行設計が現実可能になる。
• 最適化された歩行は、物理的Cassieシリーズロボット上で成功裏に実装・実行された。
• 数値シミュレーションおよび物理実験により、生成された歩行の安定性と実用性が確認された。
• 本手法は、複雑な高自由度ヒューマノイドシステムへの直接コロケーション法の応用に実現可能な道筋を示している。