A Reactive and Efficient Walking Pattern Generator for Robust Bipedal Locomotion

Available possibilities to prevent a biped robot from falling down in the presence of severe disturbances are mainly Center of Pressure (CoP) modulation, step location and timing adjustment, and angular momentum regulation. In this paper, we aim at designing a walking pattern generator which employs an optimal combination of these tools to generate robust gaits. In this approach, first, the next step location and timing are decided consistent with the commanded walking velocity and based on the Divergent Component of Motion (DCM) measurement. This stage which is done by a very small-size Quadratic Program (QP) uses the Linear Inverted Pendulum Model (LIPM) dynamics to adapt the switching contact location and time. Then, consistent with the first stage, the LIPM with flywheel dynamics is used to regenerate the DCM and angular momentum trajectories at each control cycle. This is done by modulating the CoP and Centroidal Momentum Pivot (CMP) to realize a desired DCM at the end of current step. Simulation results show the merit of this reactive approach in generating robust and dynamically consistent walking patterns

On Time Optimization of Centroidal Momentum Dynamics

Recently, the centroidal momentum dynamics has received substantial attention to plan dynamically consistent motions for robots with arms and legs in multi-contact scenarios. However, it is also non convex which renders any optimization approach difficult and timing is usually kept fixed in most trajectory optimization techniques to not introduce additional non convexities to the problem. But this can limit the versatility of the algorithms. In our previous work, we proposed a convex relaxation of the problem that allowed to efficiently compute momentum trajectories and contact forces. However, our approach could not minimize a desired angular momentum objective which seriously limited its applicability. Noticing that the non-convexity introduced by the time variables is of similar nature as the centroidal dynamics one, we propose two convex relaxations to the problem based on trust regions and soft constraints. The resulting approaches can compute time-optimized dynamically consistent trajectories sufficiently fast to make the approach realtime capable. The performance of the algorithm is demonstrated in several multi-contact scenarios for a humanoid robot. In particular, we show that the proposed convex relaxation of the original problem finds solutions that are consistent with the original non-convex problem and illustrate how timing optimization allows to find motion plans that would be difficult to plan with fixed timing.Comment: 7 pages, 4 figures, ICRA 201

Humanoid gait generation for walk-to locomotion using single-stage MPC

We consider the problem of gait generation for a humanoid robot that must walk to an assigned Cartesian goal. As a first solution, we consider a rather straightforward adaptation of our previous work: An external block produces high-level velocities, which are then tracked by a double-stage intrinsically stable MPC scheme where the orientation of the footsteps is chosen before determining their location and the CoM trajectory. The second solution, which represents the main contribution of the paper, is conceptually different: no high-level velocity is generated, and footstep orientations are chosen at the same time of the other decision variables in a singlestage MPC. This is made possible by carefully redesigning the motion constraints so as to preserve linearity. Preliminary results on a simulated NAO confirm that the single-stage method outperforms the conventional double-stage scheme

Feasibility-Driven Step Timing Adaptation for Robust MPC-Based Gait Generation in Humanoids

The feasibility region of a Model Predictive Control (MPC) algorithm is the subset of the state space in which the constrained optimization problem to be solved is feasible. In our recent Intrinsically Stable MPC (IS-MPC) method for humanoid gait generation, feasibility means being able to satisfy the dynamic balance condition, the kinematic constraints on footsteps as well as an explicit stability condition. Here, we exploit the feasibility concept to build a step timing adapter that, at each control cycle, modifies the duration of the current step whenever a feasibility loss is imminent due, e.g., to an external perturbation. The proposed approach allows the IS-MPC algorithm to maintain its linearity and adds a negligible computational burden to the overall scheme. Simulations and experimental results where the robot is pushed while walking showcase the performance of the proposed approach

Automatic Gait Pattern Selection for Legged Robots

An important issue when synthesizing legged locomotion plans is the combinatorial complexity that arises from gait pattern selection. Though it can be defined manually, the gait pattern plays an important role in the feasibility and optimality of a motion with respect to a task. Replacing human intuition with an automatic and efficient approach for gait pattern selection would allow for more autonomous robots, responsive to task and environment changes. To this end, we propose the idea of building a map from task to gait pattern selection for given environment and performance objective. Indeed, we show that for a 2D half-cheetah model and a quadruped robot, a direct mapping between a given task and an optimal gait pattern can be established. We use supervised learning to capture the structure of this map in a form of gait regions. Furthermore, we propose to construct a warm-starting trajectory for each gait region. We empirically show that these warm-starting trajectories improve the convergence speed of our trajectory optimization problem up to 60 times when compared with random initial guesses. Finally, we conduct experimental trials on the ANYmal robot to validate our method.</p

Nonlinear Model Predictive Control for Motion Generation of Humanoids

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Entwicklung numerischer Methoden zur Bewegungserzeugung von humanoiden Robotern basierend auf nichtlinearer modell-prädiktiver Regelung. Ausgehend von der Modellierung der Humanoiden als komplexe Mehrkörpermodelle, die sowohl durch unilaterale Kontaktbedingungen beschränkt als auch durch die Formulierung unteraktuiert sind, wird die Bewegungserzeugung als Optimalsteuerungsproblem formuliert. In dieser Arbeit werden numerische Erweiterungen basierend auf den Prinzipien der Automatischen Differentiation für rekursive Algorithmen, die eine effiziente Auswertung der dynamischen Größen der oben genannten Mehrkörperformulierung erlauben, hergeleitet, sodass sowohl die nominellen Größen als auch deren ersten Ableitungen effizient ausgewertet werden können. Basierend auf diesen Ideen werden Erweiterungen für die Auswertung der Kontaktdynamik und der Berechnung des Kontaktimpulses vorgeschlagen. Die Echtzeitfähigkeit der Berechnung von Regelantworten hängt stark von der Komplexität der für die Bewegungerzeugung gewählten Mehrkörperformulierung und der zur Verfügung stehenden Rechenleistung ab. Um einen optimalen Trade-Off zu ermöglichen, untersucht diese Arbeit einerseits die mögliche Reduktion der Mehrkörperdynamik und andererseits werden maßgeschneiderte numerische Methoden entwickelt, um die Echtzeitfähigkeit der Regelung zu realisieren. Im Rahmen dieser Arbeit werden hierfür zwei reduzierte Modelle hergeleitet: eine nichtlineare Erweiterung des linearen inversen Pendelmodells sowie eine reduzierte Modellvariante basierend auf der centroidalen Mehrkörperdynamik. Ferner wird ein Regelaufbau zur GanzkörperBewegungserzeugung vorgestellt, deren Hauptbestandteil jeweils aus einem speziell diskretisierten Problem der nichtlinearen modell-prädiktiven Regelung sowie einer maßgeschneiderter Optimierungsmethode besteht. Die Echtzeitfähigkeit des Ansatzes wird durch Experimente mit den Robotern HRP-2 und HeiCub verifiziert. Diese Arbeit schlägt eine Methode der nichtlinear modell-prädiktiven Regelung vor, die trotz der Komplexität der vollen Mehrkörperformulierung eine Berechnung der Regelungsantwort in Echtzeit ermöglicht. Dies wird durch die geschickte Kombination von linearer und nichtlinearer modell-prädiktiver Regelung auf der aktuellen beziehungsweise der letzten Linearisierung des Problems in einer parallelen Regelstrategie realisiert. Experimente mit dem humanoiden Roboter Leo zeigen, dass, im Vergleich zur nominellen Strategie, erst durch den Einsatz dieser Methode eine Bewegungserzeugung auf dem Roboter möglich ist. Neben Methoden der modell-basierten Optimalsteuerung werden auch modell-freie Methoden des verstärkenden Lernens (Reinforcement Learning) für die Bewegungserzeugung untersucht, mit dem Fokus auf den schwierig zu modellierenden Modellunsicherheiten der Roboter. Im Rahmen dieser Arbeit werden eine allgemeine vergleichende Studie sowie Leistungskennzahlen entwickelt, die es erlauben, modell-basierte und -freie Methoden quantitativ bezüglich ihres Lösungsverhaltens zu vergleichen. Die Anwendung der Studie auf ein akademisches Beispiel zeigt Unterschiede und Kompromisse sowie Break-Even-Punkte zwischen den Problemformulierungen. Diese Arbeit schlägt basierend auf dieser Grundlage zwei mögliche Kombinationen vor, deren Eigenschaften bewiesen und in Simulation untersucht werden. Außerdem wird die besser abschneidende Variante auf dem humanoiden Roboter Leo implementiert und mit einem nominellen modell-basierten Regler verglichen

SL1M: Sparse L1-norm Minimization for contact planning on uneven terrain

International audienceOne of the main challenges of planning legged locomotion in complex environments is the combinatorial contact selection problem. Recent contributions propose to use integer variables to represent which contact surface is selected, and then to rely on modern mixed-integer (MI) optimization solvers to handle this combinatorial issue. To reduce the computational cost of MI, we exploit the sparsity properties of L1 norm minimization techniques to relax the contact planning problem into a feasibility linear program. Our approach accounts for kinematic reachability of the center of mass (COM) and of the contact effectors. We ensure the existence of a quasi-static COM trajectory by restricting our plan to quasi-flat contacts. For planning 10 steps with less than 10 potential contact surfaces for each phase, our approach is 50 to 100 times faster that its MI counterpart, which suggests potential applications for online contact re-planning. The method is demonstrated in simulation with the humanoid robots HRP-2 and Talos over various scenarios