Locomotion Multi-corps : Structure du problème et résolution efficace

Multi-body Locomotion : Problem Structure and Efficient Resolution

• Auteur / Autrice : Rohan Budhiraja
• Direction : Nicolas Mansard, Olivier Stasse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Adrien Escande
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Mansard, Olivier Stasse, Katja Mombaur, Serena Ivaldi, Jerome Bolte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Adrien Escande, Katja Mombaur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robotique

Mots clés libres

Robotique

Optimisation

Dynamique multicorps

Robotics

Motion Planning

Non-linear optimization

Multi-body Dynamics

Résumé

Le problème de locomotion en robotique s'écrit généralement comme un problème d'optimisation de grande taille. Ce problème présente de nombreuses propriétés indésirables, telles qu'une grande dimensionnalité, des fonctions de coûts non-linéaires et non-convexes, des contraintes non-linéaires, etc. Ces caractéristiques diverses rendent larésolution directe difficile. Une approche classique consiste à simplifier l'optimisation numérique en résolvant desmodèles réduits, construits de manière heuristiques. En conséquence, ces modèles ont un domaine de validité réduit et sont difficiles à étendre. Notre travail explore une approche qui tente de résoudre ce problème de locomotion général, tout en exploitant pleinement sa structure pour obtention d'une solution efficace et réalisable. Notre objectif est de fournir une résolution efficace grâce à l'utilisation appropriée de la structure du problème. Pour cela, nous avons généralisé l'utilisation des modèles réduits classiques en locomotion dans une formulation qui permet de résoudre exactement leproblème initial. Notre contribution consiste en une méthode pour la génération de mouvements dynamiques pour le corps complet de l'humanoïde, par l'utilisation de méthode de descente alternée. Le problème complet est séparé en (i) sa partie centroidale, fortement contrainte et instable et résolue par un SQP à tir multiple, et (ii) sa partie lagrangienne, plusstable mais de grande dimension, résolue par Programmation Dynamique Différentielle (DDP) afin d'exploiter la parcimonie du problème. Une implémentation efficace du DDP 1 permet d'obtenir des performances permettant la mise en oeuvres! ur le robot réel, et une utilisation des contraintes de faisabilité ("proxy") permet d'assurer la faisabilité des modèlesréduits. Nos concepts ont été validés empiriquement en calculant et appliquants différents mouvements dynamiques pour le robot humanoïde HRP-2.

The locomotion problem in robotics is usually written as a large optimization problem. This problem has many undesirable properties, such as large dimensionality, non-linear and non-convex cos! functions, nonlinear constraints, and so on. These diverse features make direct resolution difficult. A classic approach is to simplify numerical optimization by solving reduced models, built heuristically. As a result, these models have a reduced area of validity and are difficult to extend. Our work explores an approach thal attempts to solve this problem of general locomotion, while fully exploiting itsstructure to obtain an effective and feasible solution. Our goal is to provide effective resolution through the proper use of the problem structure. For this, we have generalized the use of traditional models in locomotion in a formulation th at can solve exactly the initial problem. Our contribution consists of a method for the generation of dynamic movements forthe whole body of the humanoid, by the use of alternating direction method of multipliers. The complete problem is separated into (i) its centroidal part, which is highly constrained and unstable, and is solved by a multiple-shooting SQP, and (ii) its Lagrangian part, which is more stable but larger, and is solved by Differentiai Dynamic Programming (DDP). An efficient implementation of the DDP makes it possible to obtain performances allowing the implementation on the real robot, and a use of the feasibility const! raints ("proxy") makes it possible to en sure the feasibility of the reduced models.Our concepts have been validated empirically by calculating and applying different dynamic motions for the humanoid robot HRP-2, and to the robot Pyrene in simulation.