Topology-Based MPC for Automatic Footstep Placement and Contact Surface Selection

要約

足跡計画への最先端のアプローチは、リアルタイムで接触面を選択する組み合わせ問題を解決する際に、低次ダイナミクスを想定しています。
ただし、計算効率と引き換えに、これらのアプローチは関節のトルク制限と四肢のダイナミクスを無視します。
この作業では、~\gls{mpc} が全身の動き、トルク コマンド、足音の配置、および接触面をリアルタイムで同時に計画できるようにするトポロジ ベースのアプローチを提示することで、これらの制限に対処します。
ロボットの足が接触面の内側にあるかどうかを判断するには、トポロジーから巻き数の概念を借ります。
次に、この巻き数とポテンシャル フィールドを使用して、接触面ペナルティ関数を作成します。
このペナルティ関数を使用することにより、~\gls{mpc} は、近くにあるすべての候補サーフェスから接触サーフェスを選択し、その中の足音の配置を決定できます。
足音の配置と接触面の選択において、関節トルク制限と手足のダイナミクスを含む全身ダイナミクスを考慮することの影響を示すことにより、アプローチの利点を示します。
さらに、~\gls{mpc} スキームでのトポロジ ベースのアプローチの展開の実現可能性を検証し、一連の実験およびシミュレーション試行を通じてその潜在的な機能を調査します。

要約(オリジナル)

State-of-the-art approaches to footstep planning assume reduced-order dynamics when solving the combinatorial problem of selecting contact surfaces in real time. However, in exchange for computational efficiency, these approaches ignore joint torque limits and limb dynamics. In this work, we address these limitations by presenting a topology-based approach that enables~\gls{mpc} to simultaneously plan full-body motions, torque commands, footstep placements, and contact surfaces in real time. To determine if a robot’s foot is inside a contact surface, we borrow the winding number concept from topology. We then use this winding number and potential field to create a contact-surface penalty function. By using this penalty function,~\gls{mpc} can select a contact surface from all candidate surfaces in the vicinity and determine footstep placements within it. We demonstrate the benefits of our approach by showing the impact of considering full-body dynamics, which includes joint torque limits and limb dynamics, on the selection of footstep placements and contact surfaces. Furthermore, we validate the feasibility of deploying our topology-based approach in an~\gls{mpc} scheme and explore its potential capabilities through a series of experimental and simulation trials.

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