[論文レビュー] Task-Space Consensus of Networked Robotic Systems: Separation and Manipulability

Hanlei Wang, Yongchun Xie|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2017

Distributed Control Multi-Agent Systems被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、ジョイント速度に依存する観測器と分散型の運動学的パラメータ適応則を用いて、タスク空間速度の測定を必要とせずにタスク空間の一致を達成する、ネットワーキングロボットシステム向けの観測器ベースの適応制御器を提案する。主な貢献は、一致均衡の調整可能性の尺度としての操縦性（manipulability）の形式的定式化および、運動学的・動力学的制御ループの分離の実証であり、これにより閉ループ低レベル制御を備えた産業用ロボットへの適用が可能になる。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the task-space consensus problem for multiple robotic systems with both the uncertain kinematics and dynamics and address two main issues, i.e., the separation of the kinematic and dynamic loops in the case of no task-space velocity measurement and the quantification of the manipulability of the system. We propose an observer-based adaptive controller to achieve the manipulable consensus without relying on the measurement of task-space velocities, and also formalize the concept of manipulability to quantify the degree of adjustability of the consensus value. The proposed adaptive controller employs a new distributed observer that does not rely on the joint velocity and a new kinematic parameter adaptation law with a distributed adaptive kinematic regressor matrix that is driven by both the observation and consensus errors. In addition, it is shown that the proposed controller has the separation property, which yields an adaptive kinematic controller that is applicable to most industrial/commercial robots. The performance of the proposed observer-based adaptive schemes is shown by numerical simulations.

研究の動機と目的

• 運動学的・動力学的不確実性を有するネットワーキングロボットシステムにおけるタスク空間の一致問題に取り組む。
• 実際にはノイズが多く発生しうるタスク空間速度の測定に依存しないようにする。
• 一致均衡の調整可能性の度合いとしての操縦性の概念を形式的に定式化・定量化する。
• システムの不確実性が存在する中で、運動学的および動力学的制御ループの分離を達成する。
• 提案された制御器が、閉ループ低レベル制御を備えた産業用／商業用ロボットに適用可能であることを保証する。

提案手法

• ジョイント速度ではなく、ジョイント参照速度のみに依存する、新しい分散型観測器を設計する。
• 観測誤差および一致誤差の両方に駆動される、分散型の適応運動学的回帰行列を構築する。
• 運動学的パラメータの適応則を導入し、ロボットの運動学的不確実性が存在しても収束を保証する。
• タスク空間速度フィードバックを用いないまま、運動学的および動力学的サブシステムの分離を達成する適応制御器を採用する。
• 産業用ロボットの挙動を模倣するために低レベルでPI速度制御器を用い、積分作用が一致均衡に影響を与える。
• シミュレーションにおいてジョイントおよびタスク空間状態に測定ノイズを注入することで、システムのロバストネスを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タスク空間速度の測定を必要とせずに、ネットワーキングロボットシステムでタスク空間の一致を達成する方法は何か？
• RQ2 不確実なネットワーキングロボットシステムの文脈において、操縦性の形式的定義は何か？
• RQ3 運動学的および動力学的制御ループを、一致および適応性を保持する形で分離できるか？
• RQ4 運動学的制御器のゲインと低レベルPI制御器のゲインが、一致均衡の調整能力にどのように共同で影響を与えるか？
• RQ5 本提案制御器は、ジョイントおよびタスク空間状態における測定ノイズに対して、どの程度ロバストであるか？

主な発見

• 提案された観測器ベースの適応制御器は、運動学的および動力学的不確実性が存在する中でも、タスク空間速度の測定を必要とせずにタスク空間の一致を達成する。
• 運動学的および動力学的制御ループの分離が達成され、閉ループ低レベル制御を備えたロボットへの適用が可能になる。
• システムの操縦性が形式的に定式化され、外部力による一致均衡の増分への無限大のゲインが、強い操縦性を示し、有限の制御努力で任意の調整が可能であることが示された。
• 低レベルでPI制御器を用いた場合、積分ゲインが有効な際の一致位置は2.3762（K̄I = 10.0I2）であるが、積分作用を除去すると約2.59に増加し、K̄Iが均衡調整に与える影響が明確に示された。
• ジョイント位置（σ = 0.002 rad）、ジョイント速度（σ = 0.005 rad/s）、タスク空間位置（σ = 0.01 m）に正規分布ノイズを注入したシミュレーションにより、運動学的制御器の測定ノイズに対するロバストネスが確認された。
• 数値シミュレーションにより、オープントルクおよびクローズドコントローラアーキテクチャの両方で、提案手法の有効性が確認され、理論的主張が妥当であることが検証された。