[論文レビュー] Central Pattern Generators for the control of robotic systems

Carlos García-Saura|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2015

Robotic Locomotion and Control参考文献 14被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、カップリングされた発振子を用いた生物にインspiredな中枢パターン生成器（CPG）コントローラーを提案し、ロボットシステムにおける頑健で適応的な歩行を実現する。Arduinoを搭載した3Dプリントされた六脚ロボットに実装されたCPGは、位相同期とパrameterチューニングにより、滑らかな歩行移行と摂動後の自己安定化を達成し、動的環境におけるリアルタイム適応性を示した。

ABSTRACT

Bio-inspired control of motion is an active field of research with many applications in real world tasks. In the case of robotic systems that need to exhibit oscillatory behaviour (i.e. locomotion of snake-type or legged robots), Central Pattern Generators (CPGs) are among the most versatile solutions. These controllers are often based on loosely-coupled oscillators similar to those found in the neural circuits of many animal species, and can be more robust to uncertainty (i.e. external perturbations) than traditional control approaches. This project provides an overview of the state-of-the-art in the field of CPGs, and in particular their applications within robotic systems. The project also tackles the implementation of a CPG-based controller in a small 3D-printed hexapod.

研究の動機と目的

• 中枢パターン生成器（CPGs）をロボット歩行に応用することで、頑健性と適応性の向上を検討すること。
• 3自由度を備えた低コストで3Dプリントされた六脚ロボットにCPGベースの制御システムを実装すること。
• 環境の摂動に対してCPGが安定した歩行を維持できるかを評価すること。
• 動的パrameter調整を用いて、異なる歩行様式間の滑らかな移行を実現できるかを調査すること。
• リアルタイムのロボット制御に適した簡素化された発振子モデルの実現可能性を評価すること。

提案手法

• CPGは、スパiking-バースト動態の効率的計算を可能にするRulkov写像に基づくカップリング非線形発振子でモデル化された。
• 半センター発振子構成が採用され、2つのニューロン間の相互抑制により反位相の周期的出力を生成した。
• カップリングパrameter（周波数、位相、振幅）は、時間刻み0.01秒でオイラー法を用いて解かれた微分方程式系により調整された。
• コントローラーは、左・右脚が逆位相で動作するトポロジカルに構造化されたネットワークを採用し、中央部は一方向に結合されて歩行の協調性を維持した。
• 滑らかな歩行移行は、カップリングパrameter（例：固有周波数）を急激に変更することで達成され、ネットワークの内在的安定性により再同期が促された。
• 感覚フィードバックはこの実装では統合されていないが、将来的な障害物回避のための統合を想定したフレームワークが設計された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カップリング発振子に基づく簡素化されたCPGモデルは、ロボットシステムにおける頑健でリアルタイムの歩行を可能にするか？
• RQ2 CPGコントローラーは、ランダムな環境的摂動後、どの程度効果的に歩行の安定性を維持できるか？
• RQ3 CPGネットワークにおける動的パrameter調整により、異なる歩行様式間の滑らかな移行を実現できるか？
• RQ4 発振子の固有周波数の差による位相ドリフトを、CPGネットワークはどの程度効果的に是正できるか？
• RQ5 適応性とレジリエンスの観点から、CPGベースの制御アプローチは、従来の集中型制御と比べてどの程度優れているか？

主な発見

• CPGコントローラーは、わずかな調整可能なパrameterのみを用いて、3Dプリントされた六脚ロボットが協調的で周期的な歩行を実現できた。
• システムはランダムな摂動に対して頑健であり、図12に示すように、数秒以内にCPGネットワークが自己安定化し、摂動からの回復を達成した。
• 位相同期により、発振子間の小さな周波数不一致がリアルタイムで是正され、長期的な位相ドリフトが防止された。
• カップリングパrameterを急激に変更することで、歩行様式間の滑らかな移行が達成され、ネットワークが自動的に新たな安定パターンに収束した。図13に図示した。
• 課題はあったが、この方法はリアルタイム制御において有効であった。オイラー法とRulkov写像モデルにより、組み込みハードウェア上での効率的計算が可能だった。
• CPGフレームワークは、将来的な感覚フィードバック統合のための強力な可能性を示しており、障害物回避や適応的ナビゲーション行動の実現に貢献する見込みである。