Real-time Optimal Landing Control of the MIT Mini Cheetah

Autori: Se Hwan Jeon, Sangbae Kim, Donghyun Kim · ICRA 2022

Licenze

• Open access
• Articolo: CC BY 4.0

Tutto ciò che segue si basa sull'articolo completo secondo la sua licenza CC BY 4.0; la figura è riportata citando gli autori.

In breve

Un controllore di atterraggio risolve di nuovo un'ottimizzazione della traiettoria a contatto implicito mentre il quadrupede cade, con un avvio a caldo (warm start) fornito da una rete neurale, e poi la insegue con il controllo del corpo intero al contatto con il suolo.

Perché è importante

I robot con zampe mandati su terreni accidentati o non presidiati devono sopravvivere senza danni a cadute pianificate e impreviste. L'articolo mostra che un'ottimizzazione a contatto implicito può essere resa abbastanza veloce da scegliere al volo i contatti di atterraggio a partire da diversi orientamenti e velocità.

Problema

Il controllo di impedenza può stabilizzare un quadrupede dopo piccole cadute ma fallisce a velocità più alte o con una forte inclinazione del corpo, e non sceglie la postura di atterraggio, le posizioni di contatto né l'ordine dei contatti. Esistono metodi di ottimizzazione della traiettoria che ottimizzano i tempi dei contatti, ma sono stati troppo lenti per funzionare in tempo reale.

Soluzione proposta

Mentre è in volo, il robot risolve ripetutamente un'ottimizzazione non lineare della traiettoria su un modello a corpo rigido singolo con vincoli di complementarità di contatto senza strisciamento, così l'ordine e i tempi dei contatti risultano dalla risoluzione invece che da una sequenza fissa. Le velocità dei giunti sono eliminate dalle variabili di decisione, viene penalizzato solo lo stato terminale, i limiti a scatola dei piedi scalano con la velocità del corpo e una piccola rete neurale fornisce l'avvio a caldo. Al contatto con il suolo, rilevato dalle velocità degli encoder dei giunti, un controllore del corpo intero QP a 500 Hz insegue la soluzione più recente.

Idee chiave

• Limitare i vincoli di complementarità di contatto al contatto senza strisciamento dà una convergenza più coerente e più rapida rispetto al modello completo di strisciamento di Coulomb
• Penalizzare solo lo stato terminale ha migliorato la velocità di risoluzione e talvolta la qualità della soluzione; costi di percorso su forze o stati producevano traiettorie con le ginocchia che penetravano nel suolo o con forze prima del contatto
• Impostare l'altezza iniziale in modo che il contatto con il suolo sia sempre atteso dopo il primo passo temporale rende il controllore indipendente dall'altezza globale del robot dal suolo
• L'angolo di contatto del piede era correlato alla direzione della velocità del centro di massa, quindi sono stati aggiunti limiti cinematici a scatola scalati con la velocità per favorire la convergenza
• Il recupero è molto più sensibile al rollio e alla velocità laterale che al beccheggio e alla velocità in avanti, poiché un solo motore ab/ad per zampa contrasta il rollio

Risultati principali

• Ha recuperato da una caduta in orizzontale di 8 m in simulazione, corrispondente a una velocità verticale di circa -12 m/s
• In simulazione ha recuperato da velocità angolari da -0,5 a 0,5 rad/s, velocità orizzontali da -1,5 a 1,5 m/s, beccheggio da -π/3 a π/3 e rollio da -π/6 a π/6
• Atterraggi su hardware da cadute in orizzontale fino a 2 m, con il robot lasciato cadere a mano
• L'avvio a caldo con rete neurale ha dato accelerazioni di circa 5-10× nel tempo di risoluzione rispetto all'ottimizzazione con avvio a freddo e con avvio a caldo in due fasi
• La frequenza di risoluzione è indicata come circa 10 Hz nell'introduzione e come 5-8 Hz con l'overhead di MATLAB nei risultati sulle prestazioni in tempo reale
• Rete di avvio a caldo addestrata su circa 1500 traiettorie ottimizzate; in simulazione l'alto errore di inseguimento all'impatto si azzera entro i primi 0,1 s

Limiti

• La stima dello stato in volo derivava fortemente, quindi su hardware le condizioni di caduta sono state impostate nel codice invece che misurate
• Le cadute con beccheggio, rollio o velocità laterale significativi non sono state testate su hardware per evitare di danneggiare il robot
• Le forze d'impatto e le variazioni istantanee di velocità al contatto con il suolo sono ignorate, e gli autori dicono che gli impatti ad alta velocità richiedono ulteriori studi
• La robustezza agli errori nelle condizioni di caduta e le prestazioni su terreno irregolare non sono ancora caratterizzate
• Gli autori affermano che servono aggiornamenti del processore e della scheda di alimentazione per risolvere il problema in modo completamente autonomo dal cavo e a bordo

Impatto sul settore

Finalista del premio ICRA 2022 Outstanding Dynamics and Control Paper, con 8 citazioni. L'articolo non dichiara un rilascio di codice o dati.

Abstract

L'atterraggio dei quadrupedi è un processo complesso che comporta grandi impatti e transizioni di contatto elaborate, ed è un comportamento di recupero cruciale osservato in molti animali. Questo lavoro presenta un controllore di atterraggio ottimo in tempo reale che non richiede sequenze di contatto prestabilite. Il controllore determina le posture ottimali di contatto con il suolo e i profili delle forze di reazione ed è in grado di recuperare da varie configurazioni di caduta. La piattaforma quadrupede usata, il MIT Mini Cheetah, ha recuperato in sicurezza da cadute fino a 8 m in simulazione, oltre che da una gamma di orientamenti e velocità planari. Il controllore è stato testato anche su hardware, recuperando con successo da cadute fino a 2 m.

Link

• arXiv 2110.02799: https://arxiv.org/abs/2110.02799
• DOI 10.48550/arXiv.2110.02799: https://doi.org/10.48550/arXiv.2110.02799
• PDF: https://arxiv.org/pdf/2110.02799v1