[論文レビュー] Stability Constrained Mobile Manipulation Planning on Rough Terrain

Jiazhi Song, Inna Sharf|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Soil Mechanics and Vehicle Dynamics被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、粗い地形上を移動するモバイルマニピュレータのリアルタイム軌道計画フレームワークを提示する。このフレームワークは、ゼロモーメントポイント（ZMP）制約を用いて動的安定性を確保する。サンプリングベースの準静的計画法とウォームスタート付き非線形最適制御を組み合わせることで、安定性とグリップ力を確保しつつ、非構造的環境における産業用ロボットの効率的なオンライン計画を実現する。

ABSTRACT

This paper presents a framework that allows online dynamic-stability-constrained optimal trajectory planning of a mobile manipulator robot working on rough terrain. First, the kinematics model of a mobile manipulator robot, and the Zero Moment Point (ZMP) stability measure are presented as theoretical background. Then, a sampling-based quasi-static planning algorithm modified for stability guarantee and traction optimization in continuous dynamic motion is presented along with a mathematical proof. The robot's quasi-static path is then used as an initial guess to warm-start a nonlinear optimal control solver which may otherwise have difficulties finding a solution to the stability-constrained formulation efficiently. The performance and computational efficiency of the framework are demonstrated through an application to a simulated timber harvesting mobile manipulator machine working on varying terrain. The results demonstrate feasibility of online trajectory planning on varying terrain while satisfying the dynamic stability constraint.

研究の動機と目的

• 粗い変動する地形で作業するモバイルマニピュレータのリアルタイム、動的安定性制約付き軌道計画を可能にすること。
• 既存のモバイルマニピュレーション計画フレームワークにおける統合的安定性およびグリップ最適化の欠如に対処すること。
• ロギングや鉱業などの自律産業アプリケーションにおける安全性、生産性、エネルギー効率の向上。
• 安定性制約付き最適制御問題を解く際の計算課題を、ウォームスタート戦略を用いて克服すること。

提案手法

• ZMP安定性を保証するとともに、連続的動的運動中のグリップ最適化を図るように変更されたサンプリングベースの準静的計画法を提案する。
• ロボットが動的運動下でも立ち上がったままでいられるように、主にゼロモーメントポイント（ZMP）を安定性指標として用いる。
• 動的ZMPと静的ZMPの位置差の解析的上限を導出し、小さな加速度ではZMPのずれが小さくなることを証明する。
• 準静的計画法からの初期推定値を用いて非線形最適制御ソルバを効率的に収束させ、安定な動的軌道を求める。
• 関節運動、質量、慣性パラメータに基づいて、モバイルマニピュレータの運動学的モデルを用いてZMPを計算する。
• 最適制御ソルバの収束を加速するためのウォームスタート戦略を実装し、オンライン計画における計算時間を短縮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZMP安定性制約を課したサンプリングベースの計画法は、粗い地形上でのモバイルマニピュレーションの動的運動に適した初期軌道を生成できるか？
• RQ2 一般の運動入力下で、動的ZMPと静的ZMPのずれを解析的にどのように上限付けることができるか？
• RQ3 準静的パスを初期推定値として用いることで、非線形最適制御ソルバの収束速度にどのような影響を与えるか？
• RQ4 このフレームワークは、複雑で地形が変化する環境でもリアルタイム、安定性制約付きの軌道計画を可能にするか？
• RQ5 安定性制約なしの標準的最適制御手法と比較して、提案手法の性能および計算効率はどのように異なるか？

主な発見

• 本フレームワークは、粗い地形上でのモバイルマニピュレータのオンライン軌道計画を実現し、動的安定性制約を満たす。
• ZMPずれの解析的上限により、小さな加速度ではZMPのずれが比例的に小さくなることが示され、動的運動下での安定性が保証される。
• ウォームスタート戦略により、非線形最適制御ソルバの収束速度が顕著に向上し、リアルタイム性能が達成可能になる。
• 変化する地形においても、ZMPがサポート多角形内に保たれ、転倒や滑りが防止される。
• 木材採取用モバイルマニピュレータを用いたシミュレーション結果から、本手法の実現可能性と計算効率が確認された。
• フレームワークは前進および旋回運動を両方とも対応可能とし、ZMPずれが制限内に保たれるため、多様な動的条件下でも頑健であることが証明された。