Optimization-based multi-contact motion planning for legged robots
Authors: Χατζηνικολαΐδης Ιορδάνης 
Published: August 2024

Για τα ρομπότ με πόδια, η δημιουργία δυναμικών και ευέλικτων κινήσεων είναι απαραίτητη για την αλληλεπίδραση με πολύπλοκα και συνεχώς μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα. Μέχρι στιγμής, τα ρομπότ που λειτουργούν αξιόπιστα σε ανώμαλα εδάφη παραμένουν ένας δύσκολος στόχος. Ωστόσο, η κύρια υπόσχεση της κίνησης με πόδια είναι να αντικαταστήσει την εκτέλεση επίπονων και κουραστικών εργασιών από τους ανθρώπους και τα ζώα, χωρίς να απαιτούνται αλλαγές στο περιβάλλον, όπως συμβαίνει για τα ρομπότ με ρόδες. Ένα απαραίτητο βήμα προς αυτόν τον στόχο είναι να εξοπλίσουμε τα ρομπότ με ικανότητες να λαμβάνουν υπόψη επαφές, αλλά αυτή η ικανότητα λείπει προς το παρόν. Μια σημαντική αιτία για αυτό είναι ότι τα φαινόμενα επαφής είναι εκ φύσεως μη ομαλά και μη κυρτά. Ως αποτέλεσμα, η διατύπωση και επίλυση προβλημάτων που περιλαμβάνουν επαφές δεν είναι εύκολη. Ο προγραμματισμός κίνησης με βάση τη βελτιστοποίηση αποτελεί ένα ισχυρό πρότυπο προς αυτήν την κατεύθυνση. Κατά συνέπεια, αυτή η διατριβή εξετάζει το πρόβλημα της δημιουργίας κινήσεων σε καταστάσεις πλούσιες σε επαφές. Συγκεκριμένα, παρουσιάζουμε διάφορες μεθόδους που υπολογίζουν δυναμικά και ευέλικτα σχέδια κίνησης χρησιμοποιώντας ολιστική βελτιστοποίησης βασισμένη σε τεχνικές βελτιστοποίησης τροχιών. Το πλεονέκτημα είναι ότι ο χρήστης χρειάζεται να παρέχει μόνο μια περιγραφή υψηλού επιπέδου της δράσης με τη μορφή μιας συνάρτησης στόχου. Στη συνέχεια, οι μέθοδοι παράγουν ένα λεπτομερές σχέδιο κίνησης—που περιλαμβάνει τοποθεσίες επαφών, χρονισμούς, μοτίβα βάδισης—και επιτυγχάνει βέλτιστα την επιλεγμένη δράση. Αρχικά, υποθέτουμε ότι ένα τέτοιο σχέδιο κίνησης είναι διαθέσιμο και διερευνούμε το σχετικό πρόβλημα ελέγχου. Το πρόβλημα είναι να παρακολουθείται ένα ονομαστικό σχέδιο κίνησης όσο το δυνατόν πιο πιστά, υπό την επίδραση εξωτερικών διαταραχών, υπολογίζοντας σήματα ελέγχου για το ρομπότ. Έτσι, αυτό το στάδιο συνήθως ακολουθεί το στάδιο προγραμματισμού κίνησης. Επιπλέον, αυτή η διατριβή παρουσιάζει μεθόδους που δεν απαιτούν απαραίτητα ξεχωριστό στάδιο ελέγχου, υπολογίζοντας αυτόματα τη δομή του ελεγκτή. Στη συνέχεια, προχωρούμε στα κύρια μέρη αυτής της διατριβής. Πρώτον, υποθέτοντας μια προκαθορισμένη ακολουθία επαφών, διατυπώνουμε μια μέθοδο βελτιστοποίησης τροχιάς που θυμίζει υβριδικές προσεγγίσεις. Ο πυρήνας της είναι ένας υψηλής ακρίβειας ολοκληρωτής, που επιτρέπει αξιόπιστο μακροπρόθεσμο προγραμματισμό κίνησης, ενώ ικανοποιεί τόσο τη μεταφορική όσο και την περιστροφική δυναμική. Τον χρησιμοποιούμε για τον υπολογισμό σχεδίων κίνησης για ένα ρομπότ που κινείται σε ανώμαλα εδάφη με κενά και εμπόδια και εκτελεί εκρηκτικές κινήσεις, όπως μια τούμπα. Στη συνέχεια, παρέχουμε μια συζήτηση για το πώς να επεκτείνουμε τη μέθοδο όταν η ακολουθία επαφών δεν είναι προκαθορισμένη. Στο επόμενο κεφάλαιο, αυξάνουμε την πολυπλοκότητα του προβλήματος σε πολλά επίπεδα. Πρώτον, διατυπώνουμε το πρόβλημα σε επίπεδο αρθρώσεων, χρησιμοποιώντας πλήρη δυναμικά και κινηματικά μοντέλα. Δεύτερον, υιοθετούμε μια οπτική έμμεσων επαφών, δηλαδή οι αποφάσεις σχετικά με τις επαφές ορίζονται έμμεσα στη διατύπωση του προβλήματος αντί να ορίζονται άμεσα. Ως αποτέλεσμα, η προκαθορισμένη αλληλουχία των επαφών δεν απαιτείται, όπως η σειρά με την οποία τα πόδια έρχονται σε επαφή με το έδαφος για ένα τετράποδο ρομπότ και οι αντίστοιχοι χρονισμοί. Τέλος, επεκτείνουμε το κλασικό μοντέλο στερεάς επαφής σε επιφάνειες με μαλακές και ολισθηρές ιδιότητες. Αξιολογούμε ποσοτικά το προτεινόμενο πλαίσιο μας πραγματοποιώντας συγκρίσεις με το στερεό μοντέλο και ένα εναλλακτικό πλαίσιο έμμεσης επαφής. Επιπλέον, υπολογίζουμε σχέδια κίνησης για ένα τετράποδο ρομπότ πολλών βαθμών ελευθερίας σε μια ποικιλία εδαφών που αναδεικνύουν τις βελτιωμένες ιδιότητες. Στην τελική μελέτη, επεκτείνουμε τον κλασικό αλγόριθμο Διαφορικού Δυναμικού Προγραμματισμού για να χειριστούμε συστήματα που ορίζονται από έμμεση δυναμική. Αν και αυτό μπορεί να έχει ενδιαφέρον από μόνο του, η συγκεκριμένη εφαρμογή μας είναι ο υπολογισμός σχεδίων κίνησης σε περιβάλλοντα πλούσια σε επαφές. Σε σύγκριση με τη μέθοδο που παρουσιάστηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, αυτή η διατύπωση επιτρέπει επαφές με όλα τα μέρη του σώματος με βάση ένα προβλεπτικό μοντέλο, αν και με περιορισμένες δυνατότητες ανακάλυψης επαφών. Καταδεικνύουμε τις ιδιότητες της προτεινόμενης επέκτασής μας συγκρίνοντας έμμεσα και άμεσα μοντέλα και δημιουργώντας σχέδια κίνησης για ένα ρομπότ με ένα πόδι με πολλαπλές επαφές, τόσο για τη βελτιστοποίηση τροχιάς όσο και για τη ρύθμιση προβλεπτικού μοντέλου. Ολοκληρώνουμε αυτή τη διατριβή παρέχοντας πληροφορίες και περιορισμούς των προτεινόμενων μεθόδων, καθώς και πιθανές μελλοντικές κατευθύνσεις που μπορούν να βελτιώσουν και να επεκτείνουν πτυχές της παρουσιαζόμενης εργασίας.