Computational Foundation for Planner-in-the-Loop Multi-Contact Whole-Body Control of Humanoid Robots

運動計画をフィードバックループに含むヒューマノイドロボットの多点接触全身制御のための計算基盤

Stéphane Caron. Defended on January 25, 2016 at the University of Tokyo (東京大学).

Thesis committee

  • Yoshihiko Nakamura, Professor at the University of Tokyo (Chair)
  • Isao Shimoyama, Professor at the University of Tokyo (Examiner)
  • Masayuki Inaba, Professor at the University of Tokyo (Examiner)
  • Yasuo Kuniyoshi, Professor at the University of Tokyo (Examiner)
  • Wataru Takano, Professor at the University of Tokyo (Examiner)
  • Jean-Paul Laumond, Directeur de recherches at LAAS-CNRS (Examiner)

Abstract

In this thesis, we explore the questions of motion planning and control for humanoid robots with the aim to integrate motion planning in a fast control loop. Our contributions towards this goal revolve around three axes: kinodynamic decoupling, force-space curtailment, and dimensional reduction of the control space. In the first one, we decouple the kinematic and dynamic components of the planning problem by an original integration with time-optimal control methods. This approach allows us to keep planning in a geometric space, the benefits of which we demonstrate both empirically and through theoretical proofs. In the second axis, we focus on the contact aspects of planning. To avoid slippage or other contact losses, planners usually consider a large number of contact forces and their associated Coulomb friction cones. We show how this redundant representation can be reduced to contact wrenches, unique to each contacting articulation, and propose the first analytical derivation of the associated frictional wrench cone for rectangular contact surfaces. We then connect these developments to the gravito-inertial wrench for whole-body motion planning. However, we note that using wrenches for planning leads to challenging open questions such as the interpolation of the non-holonomic angular momentum. We attack this problem with a paradigm shift: rather than controlling wrenches, we generalize the notion of ZMP (point where the tangential component of the gravito-inertial moment vanishes) to that of "ZMP of a wrench". We then propose efficient algorithms to compute the associated support areas, and show how to use these tools to generate locomoting trajectories from simplified dynamics model such as the Linear Pendulum, even in arbitrary multi-contact scenarios. This reduction of the control space rounds the third and last axis of the computational foundations advanced by this thesis. We demonstrate the applicability of each by simulations and empirical experiments on the HRP-4 humanoid robot.

Humanoid making a long stride using foot and hand contacts

Résumé

Cette thèse explore les questions de la planification et du contrôle du mouvement pour les robots humanoïdes, en se donnant pour objectif de jeter les bases calculatoires qui permettront d'inclure cette première dans une boucle de contrôle haute-fréquence. Ces bases se répartissent en trois axes : découplage kinodynamique, réduction de l'espace des forces, et réduction de l'espace de contrôle. Dans le premier, nous séparons les composantes géométrique et dynamique du problème de planification par des méthodes issues de la paramétrisation en temps optimal. Cette approche permet de maintenir un espace de planification purement géométrique, dont nous démontrons l'intérêt à la fois empiriquement et par des preuves théoriques. Nous nous concentrons ensuite sur l'aspect continger (Relatif au contact ; du latin contingo pour toucher, saisir.) de la planification humanoïde. La nécessité d'éviter les pertes de contact oblige généralement les planificateurs à considérer un grand nombre de forces de contact associées à des cônes de frottements de Coulomb. Nous montrons comment réduire cette représentation redondante à des torseurs de contact, uniques pour chaque articulation, et proposons la première dérivation analytique du cônes de frottement torsoriel pour les surfaces de contact rectangulaires. Nous connectons ensuite ce développement au cône du torseur gravito-inertiel pour la planification corps complet. Nous remarquons toutefois que l'utilisation de torseurs pour cette tâche pose des questions difficiles telles que l'interpolation du moment angulaire, qui est une grandeur non-holonome. Nous y répondons par un changement de paradigme : plutôt que d'utiliser ces torseurs directement, nous introduisons une généralisation de la notion du ZMP (point d'annulation de la composante tangentielle du moment gravito-inertiel) à des torseurs généraux. Nous proposons ensuite des méthodes efficaces pour calculer la zone de support du ZMP généralisée, et montrons comment celles-ci peuvent être utilisées générer des trajectoires locomotrices à partir de modèles dynamiques simplifiés tels que le pendule linéaire. Cette réduction de l'espace de contrôle à l'aide de modèle simplifiés constitue le troisième et dernier axe des bases calculatoires avancées par cette thèse. Nous démontrons l'applicabilité de l'ensemble de ces propositions par des simulations et expériences sur le robot humanoïde HRP-4.

Content

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BibTeX

@phdthesis{caron2016thesis,
  title = {Computational Foundation for Planner-in-the-Loop Multi-Contact Whole-Body Control of Humanoid Robots},
  author = {Caron, St{\'e}phane},
  school = {The University of Tokyo},
  year = {2016},
  month = {January},
  url = {https://scaron.info/papers/thesis.pdf},
}

Revision history

  • March 10, 2017: thanks to Sylvain Miossec for spotting an interpretation mistake on page 82
  • February 1, 2016
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