[論文レビュー] Underactuated Motion Planning and Control for Jumping with Wheeled-Bipedal Robots

Hua Chen, Bingheng Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2020

Robotic Locomotion and Control参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、新しい車輪付きスプリング・ロード・インバーテッド・ペンデュラム（W-SLIP）モデルを用いて、車輪付き二足歩行ロボットのジャンプにおける階層的運動計画と制御フレームワークを提案する。微分平坦性に類似した性質を活用し、ステンス段階とフライト段階のための二次計画（QP）を定式化するとともに、摂動観測器に基づく複合制御器を統合し、正確な軌道追従を実現した。これにより、さまざまな条件（高さの変化、傾斜地への着地など）において、シミュレーション上での成功したジャンプが可能になった。

ABSTRACT

This paper studies jumping for wheeled-bipedal robots, a motion that takes full advantage of the benefits from the hybrid wheeled and legged design features. A comprehensive hierarchical scheme for motion planning and control of jumping with wheeled-bipedal robots is developed. Underactuation of the wheeled-bipedal dynamics is the main difficulty to be addressed, especially in the planning problem. To tackle this issue, a novel wheeled-spring-loaded inverted pendulum (W-SLIP) model is proposed to characterize the essential dynamics of wheeled-bipedal robots during jumping. Relying on a differential-flatness-like property of the W-SLIP model, a tractable quadratic programming based solution is devised for planning jumping motions for wheeled-bipedal robots. Combined with a kinematic planning scheme accounting for the flight phase motion, a complete planning scheme for the W-SLIP model is developed. To enable accurate tracking of the planned trajectories, a linear quadratic regulator based wheel controller and a task-space whole-body controller for the other joints are blended through disturbance observers. The overall planning and control scheme is validated using V-REP simulations of a prototype wheeled-bipedal robot.

研究の動機と目的

• アンダーアクチュエートな車輪付き二足歩行ロボットにおける敏捷な運動のための包括的な計画と制御戦略の不足に対処すること。
• ジャンプ時のフライト段階とステンス段階の遷移を統合的に扱える統一された運動計画フレームワークを開発すること。
• 車輪付き二足歩行ロボットのステンス段階におけるアンダーアクチュエートなダイナミクスが引き起こす課題を克服すること。
• モデル-アクチュエータの不一致や外部摂動があっても、高精度な軌道追従を実現すること。
• さまざまなジャンプシナリオ（傾斜地への着地を含む）において、シミュレートされた車輪付き二足歩行ロボット上でフレームワークを検証すること。

提案手法

• ジャンプ中の車輪付き二足歩行ロボットの主要なダイナミクスを捉えるために、車輪付きスプリング・ロード・インバーテッド・ペンデュラム（W-SLIP）モデルを導入する。
• W-SLIPモデルに見られる微分平坦性に類似した性質を活用し、ステンス段階のための扱いやすい二次計画（QP）に基づく運動計画を可能にする。
• フライト段階の計画には、W-SLIPの運動学的モデルを用い、別のQP定式化により滑らかな遷移を保証する。
• 線形二次調節器（LQR）によるホイール制御と、他の関節のタスク空間全体体制御器を統合した、摂動観測器に基づく複合制御器を設計する。
• 着地時にステンス段階計画を開始するためのスイッチング論理を、ホイール速度に基づいて実装する。
• SUSTech Nezhaロボットを用いて、10 HzのサンプリングレートでV-REPシミュレーションを用いて、フレームワーク全体を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンダーアクチュエートなダイナミクスを、車輪付き二足歩行ロボットのジャンプ運動計画に効果的にモデル化するにはどうすればよいか？
• RQ2 W-SLIPモデルに見られる微分平坦性に類似した性質が、二次計画による効率的かつ扱いやすい軌道計画を可能にするか？
• RQ3 フライト段階の運動をステンス段階の計画と連携させることで、安定した離陸と着地を確保するにはどうすればよいか？
• RQ4 摂動観測器を内蔵した複合制御器は、モデルの不正確さがあっても、計画された軌道を正確に追従できるか？
• RQ5 本フレームワークのロバストネスと性能範囲は、初期速度や所望のジャンプ高さの変化に対してどの程度保たれるか？

主な発見

• 提案されたW-SLIPモデルは、ジャンプ中の車輪付き二足歩行ロボットの本質的ダイナミクスを的確に捉えており、効果的な計画を可能にした。
• QPに基づく計画法は、状態空間において広い吸引域をカバーしており、傾き角、傾き速度、脚長さの変化率がすべて高い場合にのみ失敗する。
• SUSTech Nezhaロボットにおけるシミュレーションでは、重心の頂点高さが0.8 mから1.4 mの範囲で所望のジャンプが成功した。
• 初期前進速度が0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/sの各状況でも成功したジャンプが達成され、速度変動に対してもロバストであることが確認された。
• 5°の傾斜面でのジャンプも成功し、不整地への適応性が示された。
• 実際の頂点高さは所望値よりわずかに低かった（例：所望1.4 m、実測はそれ以下）。これは、W-SLIPモデルと完全な多リンクロボットモデルとの間の不一致に起因するとされた。