Optimization-Based Quadrupedal Hybrid Wheeled-Legged Locomotion
著者: Italo Belli, Matteo Parigi Polverini, Arturo Laurenzi, Enrico Mingo Hoffman, Paolo Rocco, Nikolaos Tsagarakis · Humanoids 2020
ライセンス
- オープンアクセス
- 論文: CC BY 4.0
以下の内容はすべて、論文のライセンス（CC BY 4.0）に従い論文全文に基づいています。図は著者のクレジットを付けて掲載しています。
要約
単一剛体ダイナミクスに操舵可能な車輪ごとのユニサイクルモデルを加えたオフライン軌道最適化により、CENTAURO ロボットの車輪走行、歩行、混合歩容を計画する。
重要な理由
1 つのフレームワークで、すべての実験でコストの重みを一定に保ったまま、少ない作成の手間で、実機上で純粋な脚移動、純粋な車輪移動、ハイブリッドな動作を生成した。接地中の足に対する車輪速度コストは、車のような挙動と歩行の挙動の間を調整する要素として働き、車輪脚型プラットフォームの動作を計画する人にとって有用な調整手段となる。
課題
車輪脚型ロボットは、車輪走行の速さと安定性を脚移動の地形対応能力と組み合わせられるが、そのためのプランナはほとんどなかった。以前の手法は、走行と歩行を切り替える、重心より先に足場を最適化する、角運動量を無視するか重心の鉛直軌道を事前に固定する、あるいは操舵できない車輪を持つロボットを対象としていた。
提案手法
ロボットは、各脚のユニサイクルモデルで拡張した単一剛体ダイナミクスでモデル化される。各車輪はデカルト位置と操舵角を持ち、純粋な転がりかつ横滑りなしの拘束を満たさなければならない。接触、足の作業空間、操舵の制限、摩擦円錐、境界の各制約と、加速度、ゴールまでの距離、接触力の変化、足の配置、車輪速度、操舵速度に対する重み付きコストを持つオフラインの最適制御問題を、直交コロケーションで離散化し、CasADi と Ipopt で解く。計画されたデカルト空間の参照は、CartesI/O と OpenSoT 階層的逆運動学ライブラリを通じて CENTAURO 上で追従される。
主な知見
- 単一剛体ダイナミクスに各脚のユニサイクルモデルを加えることで、モデルを小さく保ちながら、操舵可能な車輪とその非ホロノミックな転がり拘束を表現できる。
- 転がる車輪は地面に対する瞬間的な滑り速度がゼロであるため、接触力は脚移動と同じ線形化された摩擦円錐で制限できる。
- 縮約モデルでは表現できない関節可動域は、重心に対する各足の公称位置のまわりの直方体の作業空間で近似される。
- 接地中の足に適用すると、車輪速度コスト項は車のような走行から純粋な歩行までの挙動にわたる。
- 最終的な重心位置はハード制約ではなくコスト関数に委ねられている。ハードなゴール制約では、予期しない状況で最適化が失敗したためである。
主な結果
- 脚移動：ホライズン 10 s、計算 19.0 s、37 反復。前方 70 cm のゴールに 8 歩で到達（付属の動画でのみ示されている）。
- 車輪移動：ホライズン 15 s、計算 20.0 s、21 反復。ゴールは前方 100 cm、左 60 cm で、ベースを反時計回りに 90° 回転。
- ハイブリッド前進：ホライズン 10 s、計算 98.0 s、60 反復。ゴールは 200 cm 先。
- ハイブリッド go&back：ホライズン 16 s、計算時間は表 I に単位なしで 63.0 と記載、170 反復。ベースを 90° 回転させ、途中でゴールを原点に切り替える。
- すべての計画は Intel Core i7 1.8 GHz のノート PC で、固定された 1 組のコストの重み（γacc = γspeed = 1、γgoal = 10、γforce = 5·10⁻⁴、γfeet = 20、γyaw = 1.5）を用いて計算され、実機の CENTAURO ロボットで実行された。
制限事項
- 最適化はオフラインで実行され、10 から 16 s のホライズンに 19 から 98 s かかる。著者らは、MPC を可能にするための計算時間の短縮を今後の課題に挙げている。
- 歩容シーケンス（クロール歩容）は手動で設定される。歩容シーケンスの自動生成と遊脚期の長さの最適化は今後の課題とされている。
- プランナにはセンサが統合されていない。著者らはセンサの統合（例えば溝の横断のため）を今後の課題に挙げている。
- 縮約モデルは、剛体リンク、点接触、一定の全身慣性、関節速度による運動量が無視できることを仮定しており、関節可動域を直接考慮できず、その運動学的制約はベースのヨー角のみを用いるため、比較的平坦な地面に適している。
- ハードウェアでの検証はスナップショットと動画で示されている。論文は実機での追従誤差、速度、エネルギーの測定値を示していない。
分野への影響
Humanoids 2020 Best Oral Paper Award のファイナリスト。論文はコードやデータを公開していない。パイプラインは CasADi、オープンソースのソルバ Ipopt、XBotCore、CartesI/O、OpenSoT の上に構築されている。
概要
本論文は、操舵可能な車輪を持つ車輪脚型四脚ロボットのハイブリッド移動戦略の動作生成問題に対する軌道最適化手法を提示する。そのために、従来の単一剛体ダイナミクスを採用し、各脚にユニサイクルモデルを加えることで拡張し、非ホロノミックな転がり拘束を簡便に組み込んだ。提案手法は、ユーザの手間を最小限にして、ハイブリッド移動戦略に加え、純粋な車輪走行と脚移動を生成できる。提案手法の有効性は、計画された動作を追従するために階層的逆運動学エンジンを用い、ヒューマノイド型四脚ロボット CENTAURO で実験的に検証された。
リンク
- arXiv 2107.07507: https://arxiv.org/abs/2107.07507
- DOI 10.1109/HUMANOIDS47582.2021.9555780: https://doi.org/10.1109/HUMANOIDS47582.2021.9555780
- PDF: https://arxiv.org/pdf/2107.07507v1