[論文レビュー] The Penn Jerboa: A Platform for Exploring Parallel Composition of Templates

Avik De, Daniel E. Koditschek|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2015

Robotic Locomotion and Control参考文献 37被引用数 31

ひとこと要約

ペン・ジェロウアは、12自由度の被動的コンプライアンスを持つ尾を備えた二足歩行ロボットであり、4つの独立した1自由度（1DOF）制御器の並列構成により動的歩行を実現する。垂直方向、前後方向、ピッチ、形状制御のテンプレートにそれぞれ独立したフィードバック則を適用することで、安定した尾駆動型平面跳躍が達成され、実験的検証により複数の物理的構成において一貫した極小循環とアンカーテンプレートダイナミクスが確認された。

ABSTRACT

We have built a 12DOF, passive-compliant legged, tailed biped actuated by four brushless DC motors. We anticipate that this machine will achieve varied modes of quasistatic and dynamic balance, enabling a broad range of locomotion tasks including sitting, standing, walking, hopping, running, turning, leaping, and more. Achieving this diversity of behavior with a single under-actuated body, requires a correspondingly diverse array of controllers, motivating our interest in compositional techniques that promote mixing and reuse of a relatively few base constituents to achieve a combinatorially growing array of available choices. Here we report on the development of one important example of such a behavioral programming method, the construction of a novel monopedal sagittal plane hopping gait through parallel composition of four decoupled 1DOF base controllers. For this example behavior, the legs are locked in phase and the body is fastened to a boom to restrict motion to the sagittal plane. The platform's locomotion is powered by the hip motor that adjusts leg touchdown angle in flight and balance in stance, along with a tail motor that adjusts body shape in flight and drives energy into the passive leg shank spring during stance. The motor control signals arise from the application in parallel of four simple, completely decoupled 1DOF feedback laws that provably stabilize in isolation four corresponding 1DOF abstract reference plants. Each of these abstract 1DOF closed loop dynamics represents some simple but crucial specific component of the locomotion task at hand. We present a partial proof of correctness for this parallel composition of template reference systems along with data from the physical platform suggesting these templates are anchored as evidenced by the correspondence of their characteristic motions with a suitably transformed image of traces from the physical platform.

研究の動機と目的

• コンpositions型テンプレートベース設計を用いて、アンダーアクチュエーテッド脚部ロボットのためのモジュラーでスケーラブルな制御フレームワークを開発すること。
• 同一のアンダーアクチュエーテッドプラットフォーム上で、跳躍、飛躍、旋回などの多様な歩行行動を制御器の組み合わせによって実現すること。
• 抽象的1自由度（1DOF）参照プラントの単純で独立した制御器が並列に組み合わされると、安定した高次元の歩行行動が得られることを実証すること。
• 制限付きの物理実験を通じて、抽象的制御テンプレートを物理的ロボットダイナミクスに実験的にアンカーリングすること。
• 並列構成された歩行テンプレートの安定性に関する形式的検証の基盤を確立すること。

提案手法

• プラットフォームは4つの独立した1自由度（1DOF）フィードバック則を用い、それぞれがコアな歩行コンponentを表す抽象的参照プラント（垂直運動、前後速度、ピッチ、ボディ形状）を安定化する。
• 各制御器は物理系に並列に適用され、制御則間に結合がないため、モジュラー設計と再利用が可能である。
• テンプレートアンカーリングの検証のために、ロボットを3つの構成で物理的に制約した：尾を備えた垂直跳躍型、尾を備えた点質量型跳躍型、完全に解放された尾付き平面跳躍型。
• 制御アーキテクチャは物理的制約に依存せず、4つの制御器出力の外積に基づいてモータ信号を生成する。
• ハイブリッドゼロダイナミクスにインspiredなフレームワークを用いてシステムをモデル化し、テンプレートは全システムダイナミクスの吸引不変部分多様体として定義される。
• 安定性は、並列構成の部分的正しさの証明と、物理的跳躍からの実験的データによって裏付けられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一のアンダーアクチュエーテッドロボットが、単純で独立した1自由度（1DOF）制御器の組み合わせによって、多様な動的歩行行動を達成できるか？
• RQ2 ロボットが異なる構成で物理的に制約された場合、抽象的1自由度（1DOF）制御テンプレートが物理的システムダイナミクスに保持されるか？
• RQ3 独立的かつ証明可能に安定な制御器の並列構成が、尾駆動型跳躍のような安定した高次元の歩行行動を生み出すのに十分か？
• RQ4 抽象的テンプレートの特徴的な運動と、物理実験からの変換されたトレースとの相関関係は何か？
• RQ5 このようなコンポジショナル制御フレームワークは、現実世界の不完全にモデル化されたシステムにおいて、実用的な限界は何か？

主な発見

• 尾を備えた点質量型跳躍型の構成では、20ストライド以上にわたり、制御された速度で安定した前進跳躍が達成されたが、空間的制限により制限された。
• 完全に解放されたシステムでは、約10ストライドの跳躍後に失敗したが、主に重心のずれが設計仮定を破ったことが原因であった。
• 実験的データは、3つの制約付き構成すべてで一貫した垂直極小循環を示し、安定したステイントタイムとほぼ一定の頂点高さを確認した。
• ヒップ角度のダイナミクスは、ステイントタイムで概ね一定の加速度（$\ddot{\theta}_1 \approx 0$）を示し、モデルの仮定を支持した。
• 形状座標はステイントタイムで不安定化し、フライトタイムで安定化したが、これは尾駆動型エネルギー注入の設計目的と整合的であった。
• ピッチのずれは大きさが小さく、理論的予測と一致しており、ボディ姿勢の有効な安定化が確認された。