Robust Locomotion on Legged Robots through Planning on Motion Primitive Graphs
作者: Wyatt Ubellacker, Aaron D. Ames · ICRA 2023
授權條款
- 開放取用
- 論文: CC BY 4.0
以下內容皆依據論文全文，依其 CC BY 4.0 授權條款使用；圖表已標示作者。
一句話摘要
把每個控制器建模為一個具有安全吸引區域的運動基元，讓一種 RRT 式的搜尋能在 A1 四足機器人上線上找出恢復序列，耗時不到 50 ms。
為何重要
這個圖的規模隨基元數量及其參數成長，而不是隨系統動力學成長；而且只要每個基元的控制器符合定義，此方法並不在乎它是如何建構的。在硬體上，同一個搜尋程序就能從踢擊、拉腿、不平地面與跌倒中恢復，而不必為每種狀況撰寫轉換規則。
問題
機器人自主性常透過序列、狀態機或圖搜尋把各種行為（運動基元）串接起來，但判斷何時在動態基元之間切換才安全，通常仰賴針對特定轉換的分析或經驗法則。作者早期的研究只處理離散基元與離線搜尋，因此限制了它在干擾發生當下即時反應的用途。
提出的方法
每個運動基元由其連續參數、設定點、控制律、吸引區域、安全集合與安全吸引區域來定義。運動基元轉移函數在狀態位於該基元的安全吸引區域內時，把狀態映射到基元的設定點，否則原封不動地傳回該狀態；把這些函數串接起來，就形成一個離散與連續混合的圖，由一種受 RRT 啟發的演算法線上搜尋，接著以帶限制條件的梯度下降調整參數與時序，並修剪掉不必要的節點。
關鍵見解
- 以每個基元的安全吸引區域作為其進入條件，就把「這次轉換安全嗎？」變成檢查目前狀態是否位於某個集合之中。
- 指數穩定性保證存在一個最短持續時間，之後狀態與設定點的差距會落在很小的 ε 以內，這說明了把基元抽象為從狀態到設定點的映射是合理的。
- 隨機化搜尋適合這種圖，因為轉移函數是非凸的，而離散搜尋隨基元數量、參數集合與狀態維度增加，擴展性很差。
- 安全吸引區域先以線性化控制器的 Lyapunov 分析保守地估計，再透過硬體測試逐步擴大，直到涵蓋正常運作狀態。
主要結果
- 圖搜尋通常耗時不到 50 ms，在機上的 Intel NUC（i7-10710U，16 GB RAM）上與 1 kHz 控制迴路並行、非同步執行。
- 從馬達未驅動的靜止狀態開始，規劃器依序執行 Lie、Stand（h = 0.2 m）與 Walk（h = 0.25 m，vx = 0.2 m/s）。
- Stand（h = 0.25 m）期間的踢擊：小踢擊不需要轉換，中等踢擊經由 Lie 轉換，較大的踢擊則先經由原地踏步，再回到 Stand。
- 行走時拉腿：後腿被抓住時機器人維持在 Land，放開後完成重新規劃的序列並恢復行走。
- 在沒有感知、且行走基元假設地面平坦的情況下走過鬆動、不平的石塊：機器人緩慢前進，在干擾發生時經由 Lie、Stand 與 Land 重新規劃。
- 從約 0.5 m 高處被拋下：機器人在空中時執行 Land，接著規劃器經由 Lie 與 Stand 轉換回 Walk。
限制
- 機率式搜尋忽略了問題中的額外結構；作者計畫利用這些結構來改善結果。
- 沒有感知：障礙物與變化的環境沒有被明確建模，且行走基元假設地形平坦，因此在鬆動石塊上前進緩慢。
- 安全吸引區域是由線性化 Lyapunov 分析與硬體測試得到的保守估計，而非精確的集合。
- 結果以圖與影片呈現，沒有成功率統計，且只在一台機器人上使用四個實驗基元（Lie、Stand、Walk、Land）。
對領域的影響
獲得 ICRA 2023 傑出學生論文獎，並入圍 ICRA 2023 傑出行走運動論文獎決選，被引用 17 次。作者發布了實驗的補充影片；論文沒有說明是否釋出程式碼。
摘要
機器人系統的功能需求，經常要求在干擾或不確定環境的影響下完成各種任務或行為。動態機器人（例如多旋翼機、機動車輛與腿式平台）的自主性正受到愈來愈多的關注。在這類情況中，干擾與環境條件可能大幅影響個別動態行為（稱為「運動基元」）能否成功執行。儘管如此，透過切換到合適的運動基元並經由它們進行轉換，就能達到強健性。本文提出這樣一種方法：給出運動基元動力學的一種抽象，以及對應的「運動基元轉移函數」。以此為基礎，建構出一個離散與連續混合的「運動基元圖」，並詳細說明一種能線上搜尋此圖的演算法。其成果是一個能在動態系統上實現整體強健性的框架。這在一台四足機器人上針對一組運動基元進行了實驗展示，該機器人承受了各種環境干擾與刻意施加的干擾。
連結
- arXiv 2209.07503: https://arxiv.org/abs/2209.07503
- DOI 10.1109/ICRA48891.2023.10160672: https://doi.org/10.1109/ICRA48891.2023.10160672
- PDF: https://arxiv.org/pdf/2209.07503v1