[논문 리뷰] 3D Underactuated Bipedal Walking via H-LIP based Gait Synthesis and Stepping Stabilization

Xiaobin Xiong, Aaron D. Ames|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 23.

Robotic Locomotion and Control인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 캐시어 로봇에서 3차원 비구동형 이족보행을 합성하고 안정화하기 위해 하이브리드-선형 역경량판프레임워크(H-LIP)를 제안한다. 단계 간 역학을 선형 근사로 모델링하고 상태 피드백 보행 제어를 사용함으로써 정밀한 보폭 조절을 통해 강건하고 동적 보행을 달성하였으며, 시뮬레이션과 하드웨어에서 모두 검증되어 높은 유연성과 안정성을 입증하였다.

ABSTRACT

In this paper, we holistically present a Hybrid-Linear Inverted Pendulum (H-LIP) based approach for synthesizing and stabilizing 3D foot-underactuated bipedal walking, with an emphasis on thorough hardware realization. The H-LIP is proposed to capture the essential components of the underactuated and actuated part of the robotic walking. The robot walking gait is then directly synthesized based on the H-LIP. We comprehensively characterize the periodic orbits of the H-LIP and provably derive the stepping stabilization via its step-to-step (S2S) dynamics, which is then utilized to approximate the S2S dynamics of the horizontal state of the center of mass (COM) of the robotic walking. The approximation facilities a H-LIP based stepping controller to provide desired step sizes to stabilize the robotic walking. By realizing the desired step sizes, the robot achieves dynamic and stable walking. The approach is fully evaluated in both simulation and experiment on the 3D underactuated bipedal robot Cassie, which demonstrates dynamic walking behaviors with both high versatility and robustness.

연구 동기 및 목표

• 패스티브 풋을 지닌 제한된 구동력이 있는 로봇에서 동적이고 3차원 비구동형 이족보행을 안정화하는 데 도전하는 것.
• 비구동형 보행의 본질적인 역학을 포착하면서도 체계적인 보행 합성을 가능하게 하는 저차원적이고 해석적으로 접근 가능한 모델(H-LIP)을 개발하는 것.
• H-LIP의 단계 간 역학을 기반으로 한 보행 제어기를 설계하여 보폭 크기를 조절함으로써 로봇의 질량중심(CoM)을 안정화하는 것.
• 실제 3차원 비구동형 로봇 캐시어에서 실험적으로 접근법을 검증하여 강건하고 다양한 동적 보행을 구현하는 것.

제안 방법

• 단계 간 역학을 선형 근사로 모델링하고 보폭 크기를 제어 입력으로 사용하는 하이브리드-비구동형 간단화된 비구동형 이족보행 역학의 하이브리드-선형 역경량판프레임워크(H-LIP) 모델을 제안한다.
• 실제 로봇의 질량중심(CoM)의 단계 간(S2S) 역학을 근사하기 위해 H-LIP의 선형 S2S 역학을 유도한다.
• CoM 위치 및 속도 오차를 사용하여 목표 보폭 크기를 계산하는 상태 피드백 H-LIP 보행 제어기를 설계하여 안정화를 달성한다.
• 모델-로봇 간 차이를 유한한 외란으로 간주하여 S2S 근사에 기반해 불변 집합으로의 수렴을 보장한다.
• Bézier 다항식을 사용해 부드러운 발 및 CoM 운동 궤적을 생성하고, 관절 수준 제어기를 활용하여 캐시어 로봇에 H-LIP 기반 보행을 구현한다.
• 보폭이 약간 불규칙한 지형에서도 광범위한 시뮬레이션 및 하드웨어 실험을 통해 접근법을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간단화된 하이브리드 모델(H-LIP)이 3차원 비구동형 이족보행 로봇의 단계 간 역학을 정확하게 근사할 수 있는가?
• RQ2 H-LIP의 선형 S2S 역학 모델이 실제 로봇 시스템에 대해 증명 가능한 안정성 제어를 가능하게 하는가?
• RQ3 H-LIP 기반의 보폭 크기 조절이 실제 3차원 비구동형 로봇 캐시어에서 동적 보행을 얼마나 효과적으로 안정화하는가?
• RQ4 H-LIP 프레임워크는 거친 또는 평탄하지 않은 지형으로의 확장에 얼마나 적합한가?
• RQ5 기존의 HZD 또는 SLIP 기반 방법에 비해 H-LIP 접근법은 성능 및 안정성 면에서 얼마나 뛰어난가?

주요 결과

• H-LIP 모델은 보폭 크기를 제어 입력으로 사용하는 하이브리드-비구동형 간소화 형식을 통해 3차원 비구동형 이족보행의 본질적인 역학을 성공적으로 포착하였다.
• H-LIP의 선형 S2S 역학은 보폭 크기를 조절하여 로봇의 질량중심(CoM) 궤적을 안정화하는 증명 가능한 안정성 제어기를 제공한다.
• H-LIP 기반 접근법은 시뮬레이션과 하드웨어 모두에서 캐시어 로봇에서 강건하고 동적 보행을 가능하게 하여 높은 유연성과 안정성을 입증하였다.
• 모델-로봇 간 차이를 유한한 외란으로 간주함으로써 수렴이 불변 집합으로 보장되어 모델 불일치에도 불구하고 안정화를 달성하였다.
• 약간 불규칙한 지형에서도 검증되었으며, 향후 수직 CoM 제어를 통한 계단, 경사, 일반적인 거친 지형으로의 확장 가능성을 보여주었다.
• Bézier 다항식의 사용은 발과 CoM 운동에 대해 부드럽고 고정밀 궤적 추적을 가능하게 하여 안정적인 보행 실행을 지원한다.