Unwieldy Object Delivery with Nonholonomic Mobile Base: A Stable Pushing Approach

要約

この論文は、非ホロノミック移動ロボットによる押し操作の問題を扱います。
押すことは、ロボットが掴むことができない扱いにくい物体を動かすことを可能にする基本的なスキルです。
我々は、再位置決め動作の消耗を避けるために、ロボットと物体との間の堅い接触を維持する安定した押し方を提案する。
非ホロノミックロボットが安定した押し込みを実現するには、点接触ではなく線接触が必要であることを証明しました。
また、ロボットの安定押し制約と非ホロノミック制約が簡潔な線形運動制約として簡略化できることも示します。
その後、非線形モデル予測制御 (NMPC) を使用して、プッシュ計画問題を制約付き最適化問題として定式化できます。
実験によると、当社の NMPC ベースのプランナーは、効率の点でリアクティブなプッシュ戦略を上回り、ロボットの移動距離を 23.8\%、時間を 77.4\% 削減しました。
さらに、私たちの方法では、線形時変 (LTV) MPC アプローチよりもハイパーパラメーターと決定変数が 4 つ少なくて済むため、実装が容易になります。
提案された方法を検証するために、異なる摩擦条件下で 2 台の差動駆動ロボット、ハスキーとボクサーを使用して実際の実験が実行されます。

要約(オリジナル)

This paper addresses the problem of pushing manipulation with nonholonomic mobile robots. Pushing is a fundamental skill that enables robots to move unwieldy objects that cannot be grasped. We propose a stable pushing method that maintains stiff contact between the robot and the object to avoid consuming repositioning actions. We prove that a line contact, rather than a single point contact, is necessary for nonholonomic robots to achieve stable pushing. We also show that the stable pushing constraint and the nonholonomic constraint of the robot can be simplified as a concise linear motion constraint. Then the pushing planning problem can be formulated as a constrained optimization problem using nonlinear model predictive control (NMPC). According to the experiments, our NMPC-based planner outperforms a reactive pushing strategy in terms of efficiency, reducing the robot’s traveled distance by 23.8\% and time by 77.4\%. Furthermore, our method requires four fewer hyperparameters and decision variables than the Linear Time-Varying (LTV) MPC approach, making it easier to implement. Real-world experiments are carried out to validate the proposed method with two differential-drive robots, Husky and Boxer, under different friction conditions.

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