Способ реализации адаптации робота к изменениям режима контактного взаимодействия с использованием глубоких полносвязных нейронных сетей

Цель исследования. Данная работа посвящена проблеме использования предикторов реакций в системе управления двуногими шагающими роботами. Главным преимуществом использования предикторов является возможность исключения неизвестных сил реакций из уравнений динамики и, следовательно, из постановок задач управления роботом, основанных на модели. Также обсуждается дополнительное преимущество предикторной постановки задач управления, а именно возможность ее использования для прогнозирования изменений режимов контактного взаимодействия, таких как проскальзывание или отрыв от опорной поверхности.

Методы. В работе используются следующие методы: метод динамики многомассовых систем необходим для разработки математической модели поведения шагающего робота и описания его контактного взаимодействия с опорной поверхностью, метод нейронных сетей используется для разработки предиктора, позволяющего предсказывать значения реакций между стопой робота и поверхностью.

Результаты. В статье показано, что имеет место связь между частотами гармонических составляющих движений робота (отношением р этих частот в эксперименте и обучающей выборке) и качеством работы предиктора реакций опорной поверхности. Это указывает на важность использования репрезентативного спектра частот движений шагающих роботов при формировании обучающей выборки и на плохую обобщаемость предиктора по отношению к частоте движений.

Заключение. В статье изучен вопрос использования предиктора реакций для выявления возможности изменения режима контактного взаимодействия, основанный на измерении расхождений между локаль-ными линеаризациями для различных дискретных шагов. Полученные в данной работе результаты найдут применение при разработке системы управления движением двуногого шагающего робота, позволяющей устройству адаптироваться к параметрам опорной поверхности, по которой происходит движение.

1. Valkyrie: Nasa's first bipedal humanoid robot / N.A. Radford, P. Strawser, K. Hambuchen, J. S. Mehling, W. K. Verdeyen, A. S. Donnan, ... R. Berka // J. of Field Robotics. 2015. Vol. 32(3). P. 397-419.

2. Savin S., Jatsun S., Vorochaeva L. Trajectory generation for a walking in-pipe robot moving through spatially curved pipes // MATEC Web of Conf. EDP Sciences. 2017. Vol. 113. P. 1-5.

3. Development on walking robot for underwater inspection / J. Akizono, M. Iwasaki, T. Nemoto, O. Asakura // Advanced Robotics. 1989. P. 652-663.

4. Vukobratović M., Borovac B. Zero-moment point—thirty five years of its life // Intern. J. of humanoid robotics. 2004. Vol. 1(01). P. 157-173.

5. Biped walking pattern generation by using preview control of zero-moment point / S. Kajita, F. Kanehiro, K. Kaneko, K. Fujiwara, K. Harada, K. Yokoi, H. Hirukawa // Robotics and Automation: Proc. IEEE Intern. Conf. 2003. Vol. 2. P. 1620-1626.

6. Caron S., Pham Q.-C., Nakamura Y. Stability of surface contacts for humanoid robots: Closed-form formulae of the contact wrench cone for rectangular support areas // ICRA: Proc. IEEE Intern. Conf. on Robotics and Automation. Seattle, WA, USA, 2015. P. 5107-5112.

7. Levine S., Wagener N., Abbeel P. Learning contact-rich manipulation skills with guided policy search // ICRA: Proc. IEEE Intern. Conf. on Robotics and Automation. Seattle, WA, USA, 2015. arXiv preprint arXiv:1501.05611.

8. Sim-to-real: Learning agile locomotion for quadruped robots / J. Tan, T. Zhang, E. Coumans, A. Iscen, Y. Bai, D. Hafner, V. Vanhoucke // arXiv preprint arXiv:1804.10332. 2018.

9. Savin S., Khusainov R., Klimchik A. Admissible region ZMP trajectory generation for bipedal robots walking over uneven terrain // Zavalishin's Readings: Proc. 14th Intern. Conf. on Electromechanics and Robotics. Springer, Singapore, 2020. P. 125-136.

10. Savin S. Neural Network-Based Reaction Estimator for Walking Robots // RusAutoCon: Proc. IEEE Intern. Russian Automation Conf. Sochi, Russia, 2018. P. 1-6.

11. Aghili F. A unified approach for inverse and direct dynamics of constrained multibody systems based on linear projection operator: applications to control and simulation // IEEE Transactions on Robotics. 2005. Vol. 21(5). P. 834-849.

12. Laine F., Tomlin C. Efficient Computation of Feedback Control for Constrained Systems // arXiv preprint arXiv:1807.00794. 2018.