[论文解读] Stability Constrained Mobile Manipulation Planning on Rough Terrain

Jiazhi Song, Inna Sharf|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Soil Mechanics and Vehicle Dynamics被引用 5

一句话总结

本文提出了一种面向粗糙地形移动操作臂的实时轨迹规划框架，通过零力矩点（ZMP）约束实现动态稳定。通过结合基于采样的准静态规划与热启动非线性最优控制，该方法在确保稳定性和牵引力的同时，实现了工业机器人在非结构化环境中高效在线规划。

ABSTRACT

This paper presents a framework that allows online dynamic-stability-constrained optimal trajectory planning of a mobile manipulator robot working on rough terrain. First, the kinematics model of a mobile manipulator robot, and the Zero Moment Point (ZMP) stability measure are presented as theoretical background. Then, a sampling-based quasi-static planning algorithm modified for stability guarantee and traction optimization in continuous dynamic motion is presented along with a mathematical proof. The robot's quasi-static path is then used as an initial guess to warm-start a nonlinear optimal control solver which may otherwise have difficulties finding a solution to the stability-constrained formulation efficiently. The performance and computational efficiency of the framework are demonstrated through an application to a simulated timber harvesting mobile manipulator machine working on varying terrain. The results demonstrate feasibility of online trajectory planning on varying terrain while satisfying the dynamic stability constraint.

研究动机与目标

• 实现移动操作臂在粗糙、地形多变环境下的实时动态稳定性约束轨迹规划。
• 解决现有移动操作规划框架中稳定性与牵引力优化缺乏集成的问题。
• 提升自主工业应用（如采伐与采矿）中的安全性、生产效率与能效。
• 通过热启动策略克服求解稳定性约束最优控制问题的计算挑战。

提出的方法

• 提出一种基于采样的准静态规划算法，经修改后可保证ZMP稳定性并优化连续动态运动中的牵引力。
• 以零力矩点（ZMP）为主要稳定性指标，确保机器人在动态运动中保持直立。
• 推导出动态ZMP与静态ZMP位置之间偏差的解析边界，证明小加速度导致小ZMP偏移。
• 采用非线性最优控制求解器，并以准静态规划器提供的初始猜测值作为输入，高效收敛至稳定动态轨迹。
• 应用移动操作臂的运动学模型，基于关节运动、质量与惯性参数计算ZMP。
• 实施热启动策略，加速最优控制求解器的收敛，降低在线规划的计算时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于采样且带有ZMP稳定性约束的规划器能否为粗糙地形上的动态移动操作生成可行的初始轨迹？
• RQ2 在一般运动输入下，动态ZMP相对于静态ZMP的偏差能否实现解析边界？
• RQ3 以准静态路径作为初始猜测对非线性最优控制求解器的收敛速度有何影响？
• RQ4 该框架能否在复杂多变地形环境中实现实时稳定性约束轨迹规划？
• RQ5 与无稳定性约束的标准最优控制方法相比，所提方法在性能与计算效率方面表现如何？

主要发现

• 该框架实现了在粗糙地形上移动操作臂的在线轨迹规划，同时满足动态稳定性约束。
• ZMP偏差的解析边界表明，小加速度导致成比例的小ZMP偏移，确保了动态运动下的稳定性。
• 热启动策略显著提升了非线性最优控制求解器的收敛速度，实现了实时性能。
• 该方法在不同地形条件下均成功将ZMP保持在支撑多边形内，防止倾覆与滑移。
• 在林业采伐移动操作臂上的仿真结果验证了该方法的可行性与计算效率。
• 该框架支持前进与转向运动，且ZMP偏移保持在限定范围内，证明了其在多样化动态条件下的鲁棒性。