[論文レビュー] Maximising Manipulability During Resolved-Rate Motion Control.

Jesse Haviland, Peter Corke|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2020

Robotic Mechanisms and Dynamics参考文献 16被引用数 5

ひとこと要約

この論文では、制約付き二次計画法内で操縦能ヤコビアンを活用することで、同時に望ましいエンドエフェクタ速度を達成するとともに操縦能を最大化する、冗長な直列アームマニピュレータ向けの新規の解決速度制御アルゴリズムを提案する。この手法により、特異点付近でのロボットの機敏性が向上し、制御効率を最小限に抑えながら操縦能を最適化する関節速度を生成する。

ABSTRACT

Resolved-rate motion control of redundant serial-link manipulators is commonly achieved using the Moore-Penrose pseudoinverse in which the norm of the control input is minimized. However, as kinematic singularities are a significant issue for robotic manipulators, we propose a Manipulability Motion Controller which chooses joint velocities which will also increase the manipulability of the robot. The manipulability measure has a complex non-linear relationship with the robot's joint configuration and in this paper we derive the manipulability Jacobian which directly relates joint velocities to the rate of change of manipulability. Furthermore, we use the manipulability Jacobian within a constrained quadratic program to create an improved resolved-rate motion controller for redundant robots. The resulting real-time controller provides joint velocities which achieve a desired Cartesian end-effector velocity while also maximising the robot's manipulability. We illustrate and verify our control scheme on several popular serial-link manipulators and provide an open-source library which implements our controller (available at this http URL).

研究の動機と目的

• 冗長な直列リンクマニピュレータにおける運動学的特異点の課題に対処し、運動制御中に操縦能を向上させること。
• 望ましいエンドエフェクタ速度を達成するとともに操縦能を向上させる制御戦略を開発すること。
• 関節速度と操縦能の変化率との間の数学的関係を導出し、リアルタイム制御に活用すること。
• 運動追従性と操縦能向上の両方を最適化する制約付き二次計画法に基づく制御器を実装および検証すること。

提案手法

• 関節速度から操縦能の変化率をマッピングするマトリクスである操縦能ヤコビアンを導出する。
• 制御入力のノルムを最小化するとともに操縦能増幅を最大化する制約付き二次計画問題を定式化する。
• 解決速度制御フレームワークに操縦能ヤコビアンを統合し、操縦能を向上させる関節速度解を優先する。
• 最適化問題をリアルタイムに解き、エンドエフェクタの運動と操縦能の両方の目的を満たす関節速度を生成する。
• 比較のためのベースラインとしてモール・ペンローズの一般化逆行列を用いる。
• 公開用のオープンソースライブラリをリリースし、研究の再現性および既存のロボットシステムへの統合を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冗長ロボットの解決速度制御において、どのようにして操縦能を明示的に最大化できるか？
• RQ2 関節速度と操縦能の変化率との間の解析的関係は何か？
• RQ3 制約付き二次計画法は、エンドエフェクタの追従運動と操縦能向上の両方を効果的にバランスできるか？
• RQ4 特異点付近において、提案された制御器は標準の一般化逆行列ベースの手法と比較してどのように性能を発揮するか？
• RQ5 リアルタイム制御に操縦能最大化を統合する計算上の実行可能性は何か？

主な発見

• 提案された制御器は、リアルタイムに望ましいカーテシアン座標のエンドエフェクタ運動を達成するとともに、操縦能を向上させる関節速度を効果的に生成した。
• 操縦能ヤコビアンにより、操縦能の変化率に対する精密な制御が可能となり、直接的な最適化目標が得られた。
• 標準の一般化逆行列手法がしばしば失敗または機敏性が著しく低下する特異点付近でも、制御器は優れた性能を示した。
• オープンソース実装により、再現性が確保され、既存のロボットシステムへの統合が可能になった。
• 複数の直列リンクマニピュレータを用いた定量的評価により、運動追従性の妥協を伴わず、操縦能が向上したことが確認された。