Optimal Control for Clutched-Elastic Robots: A Contact-Implicit Approach

要約

本質的に弾性のあるロボットは、さまざまな特性において剛直なロボットを上回ります。
位置エネルギーを一時的に保存し、その後それを運動エネルギーに変換することにより、弾性ロボットは限られたモーター出力でも非常にダイナミックな動作が可能です。
しかし、このエネルギーの貯蔵と放出のメカニズムの時間依存性は、依然として弾性ロボットの制御における大きな課題の 1 つです。
考えられる改善策は、ドライブトレインにロック要素 (つまり、クラッチやブレーキ) を導入することです。
これにより、エネルギー伝達のタイミングを正確に制御できる、いわゆるクラッチ弾性ロボット (CER) という新しいクラスのロボットが誕生します。
CER の領域で一般的な課題は、クラッチ シーケンスの自動検出です。
複雑さのため、多くのメソッドは依然として事前定義されたモードに依存しています。
この論文では、制御入力とクラッチ シーケンスの両方を同時に最適化するように設計された新しい接触暗示スキームを紹介します。
目的関数のペナルティにより、不必要なクラッチ移行が確実に防止されます。
我々は、新しく提案したクラッチベースの双剛性アクチュエータ (BSA) を 2 つ備えた二重振り子で、提案した方法の有効性を実験的に実証します。

要約(オリジナル)

Intrinsically elastic robots surpass their rigid counterparts in a range of different characteristics. By temporarily storing potential energy and subsequently converting it to kinetic energy, elastic robots are capable of highly dynamic motions even with limited motor power. However, the time-dependency of this energy storage and release mechanism remains one of the major challenges in controlling elastic robots. A possible remedy is the introduction of locking elements (i.e. clutches and brakes) in the drive train. This gives rise to a new class of robots, so-called clutched-elastic robots (CER), with which it is possible to precisely control the energy-transfer timing. A prevalent challenge in the realm of CERs is the automatic discovery of clutch sequences. Due to complexity, many methods still rely on pre-defined modes. In this paper, we introduce a novel contact-implicit scheme designed to optimize both control input and clutch sequence simultaneously. A penalty in the objective function ensures the prevention of unnecessary clutch transitions. We empirically demonstrate the effectiveness of our proposed method on a double pendulum equipped with two of our newly proposed clutch-based Bi-Stiffness Actuators (BSA).

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