[論文レビュー] ZMP support areas for multi-contact mobility under frictional constraints

Stéphane Caron, Quang‐Cuong Pham+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2015

Robotic Locomotion and Control被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、摩擦および非同一面接触制約下での多接触ヒューマノイド歩行のための一般化されたZMPサポート領域を導入する。2つの幾何的構成——有効な接触力に対応するための「フルサポート領域」と、線形ピサールモード制約下での「ピサールサポート領域」——を提案し、安定な全身制御とHRP-4が壁への手のひら接触を伴う複雑な多接触シナリオを成功裏にシミュレートすることを可能にする。

ABSTRACT

We propose a method for checking and enforcing multi-contact stability based on the Zero-tilting Moment Point (ZMP). The key to our development is the generalization of ZMP support areas to take into account (a) frictional constraints and (b) multiple non-coplanar contacts. We introduce and investigate two kinds of ZMP support areas. First, we characterize and provide a fast geometric construction for the support area generated by valid contact forces, with no other constraint on the robot motion. We call this set the full support area. Next, we consider the control of humanoid robots using the Linear Pendulum Mode (LPM). We observe that the constraints stemming from the LPM induce a shrinking of the support area, even for walking on horizontal floors. We propose an algorithm to compute the new area, which we call pendular support area. We show that, in the LPM, having the ZMP in the pendular support area is a necessary and sufficient condition for contact stability. Based on these developments, we implement a whole-body controller and generate feasible multi-contact motions where an HRP-4 humanoid locomotes in challenging multi-contact scenarios.

研究の動機と目的

• 古典的ZMP理論の限界に対処する。同理論は同一面接触を仮定しており、摩擦を無視する。
• 摩擦および非同一面接触面を考慮したZMPサポート領域を計算する幾何的フレームワークを開発する。
• 線形ピサールモード（LPM）を導入し、角運動量と重心（COM）の制御による安定領域の縮小をモデル化するためのピサールサポート領域を提唱する。
• 任意の多接触環境、特に複雑な地形においても、安定な全身制御と運動計画を可能にする。
• HRP-4が手のひらを壁につけた大歩行を実行するシミュレーションを通じて、手法の有効性を実証する。

提案手法

• 摩擦制約下で有効な接触わrenchが生成するすべてのZMPを含む、フルサポート領域を定義。高速な幾何的構成により計算される。
• 凸最適化と円錐射影を用い、6次元接触わrench円錐の2次元非線形射影としてフルサポート領域を計算する。
• ロボットの運動を線形化するための線形ピサールモード（LPM）を導入。COM高さと角運動量を固定し、ZMP領域を制約する。
• フルサポート領域の計算にLPM等式制約を組み込み、安定領域を縮小することでピサールサポート領域を導出する。
• ZMPを重心上部の仮想平面で制御するリアルタイム安定性基準としてピサールサポート領域を用いた全身コントローラーを実装する。
• 優先順位付きタスク（接触、COM、関節制限、角運動量）を備えた微分IKトラッカーと、検証用のcontact_stability ROSパッケージを活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的ZMPサポート領域は、非同一面接触および摩擦制約を扱うためにどのように一般化できるか？
• RQ2 線形ピサールモード（LPM）は、水平な床面でもZMPサポート領域のサイズおよび形状にどのような影響を与えるか？
• RQ3 幾何的に計算されたピサールサポート領域は、LPM下での接触安定性に対して必要かつ十分な条件として機能できるか？
• RQ4 多接触シナリオにおけるリアルタイム制御のために、フルおよびピサールサポート領域を効率的に計算する方法は何か？
• RQ5 これらのサポート領域は、複雑な多接触歩行タスクにおける安定性と実行可能性をどの程度向上できるか？

主な発見

• フルサポート領域は、摩擦制約下で有効な接触力が生成するすべてのZMPを含む幾何的構成であり、従来のCWC射影よりも高速に計算可能である。
• LPM制約により、水平な床面でもピサールサポート領域はフルサポート領域よりも厳密に小さくなり、LPM下での接触安定性に対して必要かつ十分である。
• 提案手法は、多数の接触配置においてcddと同等の性能を示すが、三重接触ケースでは若干の遅延が観察された。
• ピサールサポート領域を基準とした全身コントローラーは、大歩行と壁への手のひら接触を伴う困難なシナリオにおいて、HRP-4ヒューマノイドロボットの安定した多接触運動を成功裏に生成した。
• LPMにより4つの運動量成分を固定することで、制御問題の次元削減が事前に可能となり、全6次元運動量制御から2次元ZMP制御に簡略化できる。
• 接触計画と制御のスケーラブルなフレームワークを提供する。サポート領域は安定性指標として機能し、階層的制御設計を可能にする。