A Differentiable Dynamic Modeling Approach to Integrated Motion Planning and Actuator Physical Design for Mobile Manipulators

要約

この論文では、効率的な動作計画とアクチュエータの物理設計を促進するために、モバイルマニピュレータの微分可能な動的モデリングを調査します。アクチュエータの設計は、物理的に意味のあるモータ幾何学パラメータによってパラメータ化されます。
これらのパラメータはマニピュレータのリンク質量、慣性、重心、トルク制約、角速度制約に影響を与え、動作計画や軌道追跡制御における制御権限に影響を与えます。
モーターの最大トルク/速度、および設計パラメーターがダイナミクスにどのように影響するかが分析的にモデル化され、微分可能で分析的なダイナミクス モデリングが容易になります。
さらに、提案された微分可能ダイナミクスとモーターのパラメータ化を使用して、統合された移動および操作の計画問題が直接コロケーション離散化で定式化されます。
このようなダイナミクスは、ベースとマニピュレーターの間の動的結合をキャプチャするために必要です。
数値実験では、最適化のスピードアップにおける微分可能ダイナミクスの有効性と、確立された逐次動作計画アプローチと比べてタスク完了時間とエネルギー消費における利点を実証しています。
最後に、この論文では、同時アクチュエータ設計と動作計画フレームワークを紹介し、共同設計問題に対して提案された微分可能モデリング アプローチを検証するための数値結果を提供します。

要約(オリジナル)

This paper investigates the differentiable dynamic modeling of mobile manipulators to facilitate efficient motion planning and physical design of actuators, where the actuator design is parameterized by physically meaningful motor geometry parameters. These parameters impact the manipulator’s link mass, inertia, center-of-mass, torque constraints, and angular velocity constraints, influencing control authority in motion planning and trajectory tracking control. A motor’s maximum torque/speed and how the design parameters affect the dynamics are modeled analytically, facilitating differentiable and analytical dynamic modeling. Additionally, an integrated locomotion and manipulation planning problem is formulated with direct collocation discretization, using the proposed differentiable dynamics and motor parameterization. Such dynamics are required to capture the dynamic coupling between the base and the manipulator. Numerical experiments demonstrate the effectiveness of differentiable dynamics in speeding up optimization and advantages in task completion time and energy consumption over established sequential motion planning approach. Finally, this paper introduces a simultaneous actuator design and motion planning framework, providing numerical results to validate the proposed differentiable modeling approach for co-design problems.

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