Floating-base manipulation on zero-perturbation manifolds

要約

フローティングベースシステムで高度な器用さの動作計画を達成するには、アームの動作によって引き起こされるベースダイナミクスを注意深く扱う必要があります。
一般に、腕の動きから直接生じるベースにかかる力やトルク (例: 低レイノルズ環境での腕の抗力や高レイノルズ環境での腕の運動量など) により、作業中に固定ベース フレームを確立することは大きな課題です。
理論的には、スラスターを使用して車両の姿勢を調整できますが、原因が作動不足、モデリングの不正確さ、最適ではない制御パラメーター、または電力不足によるものであっても、正確なタスクを実行するために安定した姿勢を確立するには不十分であることがよくあります。
ベースに摂動がゼロになるようにアームの動きを計画することで、スラスタに高帯域幅の摂動補正をあまり行わないよう求めるソリューションを提案します。
浮遊ベースのダイナミクスを関節速度のパフィアン制約として表すことにより、モーション プランナーを非ホロノミックな高速探索ランダム ツリー (RRT) としてキャストできます。
これらの制約は、マニピュレータがゼロ摂動多様体 (内部配置空間の接線空間の部分空間に存在する) 上を移動するようにガイドします。
この表現 (\textit{摂動マップ} と呼ばれる) を呼び出すために、ベースの本体速度 (摂動) が関節定義の関節速度の線形マッピングであると仮定し、この仮定が現実的である状況 (水中、空中、
および軌道環境）。
この研究の核となる洞察は、フローティングベースの摂動がジョイント速度に関してアフィン構造を持っている場合、サンプルベースのモーションプランナー (特に非ホロノミック RRT) の使用を可能にする運動学的低減のクラスをシステムに提供するということです。
これにより、障害物の多い環境における自由度の高いシステムの、自明ではない力学を伴う浮体式基地システムであっても、迅速な探査連動型の動作計画が可能になることを示します。

要約(オリジナル)

To achieve high-dexterity motion planning on floating-base systems, the base dynamics induced by arm motions must be treated carefully. In general, it is a significant challenge to establish a fixed-base frame during tasking due to forces and torques on the base that arise directly from arm motions (e.g. arm drag in low Reynolds environments and arm momentum in high Reynolds environments). While thrusters can in theory be used to regulate the vehicle pose, it is often insufficient to establish a stable pose for precise tasking, whether the cause be due to underactuation, modeling inaccuracy, suboptimal control parameters, or insufficient power. We propose a solution that asks the thrusters to do less high bandwidth perturbation correction by planning arm motions that induce zero perturbation on the base. We are able to cast our motion planner as a nonholonomic rapidly-exploring random tree (RRT) by representing the floating-base dynamics as pfaffian constraints on joint velocity. These constraints guide the manipulators to move on zero-perturbation manifolds (which inhabit a subspace of the tangent space of the internal configuration space). To invoke this representation (termed a \textit{perturbation map}) we assume the body velocity (perturbation) of the base to be a joint-defined linear mapping of joint velocity and describe situations where this assumption is realistic (including underwater, aerial, and orbital environments). The core insight of this work is that when perturbation of the floating-base has affine structure with respect to joint velocity, it provides the system a class of kinematic reduction that permits the use of sample-based motion planners (specifically a nonholonomic RRT). We show that this allows rapid, exploration-geared motion planning for high degree of freedom systems in obstacle rich environments, even on floating-base systems with nontrivial dynamics.

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