Humanoid Robot Co-Design: Coupling Hardware Design with Gait Generation via Hybrid Zero Dynamics

要約

ロボット設計パラメータの選択は、多くの場合、コントローラのパフォーマンス、つまり結果として生じるロボットの機能と連動しているため、困難な場合があります。
これにより、ロボットの設計と手動によるその機能の評価を繰り返す、時間と費用がかかるプロセスが発生します。
これは二足歩行ロボットにとって特に困難であり、基礎となる非線形およびハイブリッドダイナミクスのため、システムの動作を評価することが難しい場合があります。
したがって、二足歩行ロボットの設計プロセスを合理化し、その性能を最大化するために、この論文では、人型ロボットとそれに関連する歩行の共同設計のための体系的なフレームワークを提示します。
この目的を達成するために、動的歩行歩容の生成に正式なアプローチを提供するハイブリッド ゼロ ダイナミック (HZD) 歩容生成のフレームワークを活用します。
この論文の主な新規性は、ロボットのアクチュエータに関連する仮想制約と、設計対象のロボットの関連パラメータをコード化する設計仮想制約の両方を考慮することです。
これらの仮想制約は、指定されたコスト関数を最小化する安定した歩行歩行を見つけながら同時に設計パラメーターを決定する HZD 最適化問題で結合されます。
提案されたアプローチは、新しい人型ロボット ADAM の設計を通じて実証されます。ADAM では、エネルギー効率の高い二足歩行を実現するために、その大腿部と脛が共同設計されています。

要約(オリジナル)

Selecting robot design parameters can be challenging since these parameters are often coupled with the performance of the controller and, therefore, the resulting capabilities of the robot. This leads to a time-consuming and often expensive process whereby one iterates between designing the robot and manually evaluating its capabilities. This is particularly challenging for bipedal robots, where it can be difficult to evaluate the behavior of the system due to the underlying nonlinear and hybrid dynamics. Thus, in an effort to streamline the design process of bipedal robots, and maximize their performance, this paper presents a systematic framework for the co-design of humanoid robots and their associated walking gaits. To this end, we leverage the framework of hybrid zero dynamic (HZD) gait generation, which gives a formal approach to the generation of dynamic walking gaits. The key novelty of this paper is to consider both virtual constraints associated with the actuators of the robot, coupled with design virtual constraints that encode the associated parameters of the robot to be designed. These virtual constraints are combined in an HZD optimization problem which simultaneously determines the design parameters while finding a stable walking gait that minimizes a given cost function. The proposed approach is demonstrated through the design of a novel humanoid robot, ADAM, wherein its thigh and shin are co-designed so as to yield energy efficient bipedal locomotion.

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