[논문 리뷰] A Modular Framework to Generate Robust Biped Locomotion: From Planning to Control

Mohammadreza Kasaei, Ali Ahmadi외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 17.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 36인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 허리와 다리 역학을 포괄하는 삼질량 역학 모델을 사용하여 안정적인 이착지 보행을 위한 모듈러이고 모델 기반의 프레임워크를 제안한다. 계층적 기준 경로 계획과 선형 모델 예측 제어(MPC)를 통합하여, 전방위 보행에서 13% 향상된 성능, 50% 높은 힘 저항 능력(150N 대 100N), 그리고 기존 기준 모델이 완전히 실패한 불규칙한 지형에서도 완전한 성공을 달성하였다.

ABSTRACT

Biped robots are inherently unstable because of their complex kinematics as well as dynamics. Despite the many research efforts in developing biped locomotion, the performance of biped locomotion is still far from the expectations. This paper proposes a model-based framework to generate stable biped locomotion. The core of this framework is an abstract dynamics model which is composed of three masses to consider the dynamics of stance leg, torso and swing leg for minimizing the tracking problems. According to this dynamics model, we propose a modular walking reference trajectories planner which takes into account obstacles to plan all the references. Moreover, this dynamics model is used to formulate the controller as a Model Predictive Control (MPC) scheme which can consider some constraints in the states of the system, inputs, outputs and also mixed input-output. The performance and the robustness of the proposed framework are validated by performing several numerical simulations using MATLAB. Moreover, the framework is deployed on a simulated torque-controlled humanoid to verify its performance and robustness. The simulation results show that the proposed framework is capable of generating biped locomotion robustly.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 역학과 기하학적 운동학으로 인해 지속적으로 발생하는 이착지 인간형 로봇 보행의 불안정성 문제를 해결한다.
• 샘플 복잡도가 높은 시도-오류 또는 강화 학습에 의존하는 모델 자유형 접근 방식의 한계를 극복한다.
• 실시간 제어를 위한 정확한 모델과 계산의 단순성을 균형 잡은 확장 가능하고 모듈러한 프레임워크를 개발한다.
• 통합된 계획 및 제어를 통해 외부 간섭과 복잡한 환경에서도 안정적인 보행을 가능하게 한다.
• 전방위 보행, 외부 힘 저항, 불규칙한 지형 주행에서 기존 기준 모델 대비 성능 향상을 달성한다.

제안 방법

• 허리, 지지 다리, 흔들림 다리를 표현하는 제약된 수직 운동을 가진 삼질량 추상 역학 모델을 제안한다.
• ZMP(제로 모멘트 포인트) 개념을 사용하여 삼질량 모델을 선형 상태공간 시스템으로 변환하여 MPC 수식에 활용한다.
• 세 단계로 구성된 계층적 기준 경로 계획기 설계: 경로/발자국 계획, ZMP/허리/흔들림 경로 생성, 제어기 특화 경로 계획.
• 상태, 입력, 출력, 혼합 입력-출력 변수에 대한 제약 조건을 포함한 선형 모델 예측 제어(MPC)를 사용하여 실시간 최적화를 수행한다.
• 성능 검증을 위해 ODE 기반 시뮬레이터를 사용하여 토크 제어 인간형 로봇(COMAN)에 프레임워크를 구현한다.
• MATLAB 시뮬레이션과 비교 테스트를 통해 외부 간섭, 불규칙한 지형, 동적 명령에 대한 저항성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간소화되었지만 정확한 역학 모델은 인간형 로봇의 이착지 보행 안정성에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 단일 질량 모델에 비해 허리와 다리 역학을 제어 모델에 통합할 경우 안정성과 성능 향상에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 모듈러하고 계층적인 계획 및 제어 프레임워크는 전방위 보행과 간섭 저항에서 기존 기준 모델을 초월할 수 있는가?
• RQ4 제안된 MPC 기반 제어기는 제약 조건을 어떻게 처리하고 외부 간섭 상황에서도 안정성을 유지하는가?
• RQ5 기존 제어기가 실패하는 불규칙한 지형에서 이 프레임워크의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 프레임워크는 전방위 보행에서 기준 모델 대비 13% 향상된 성능을 보였으며, 최대 스케일 인자 1.16(기준 모델은 1.03)를 기록하였다.
• 프레임워크는 외부 힘에 대한 저항 능력이 50% 높아, 기준 모델의 100N 대비 최대 150N까지 견딜 수 있었다.
• 프레임워크는 작은, 중간, 큰 타일로 구성된 세 가지 불규칙한 지형 시나리오를 모두 성공적으로 통과했으며, 기준 모델은 모든 케이스에서 완전히 실패하고 넘어졌다.
• 시뮬레이션 결과는 허리와 다리의 역학을 모델링함으로써 안정성과 보행 속도가 크게 향상됨을 확인하였다.
• 기존의 실시간 조정이 필요한 접근 방식과 달리, 프레임워크는 플래너 파rameter의 온라인 조정 없이도 안정성을 유지하였다.
• 제약 조건이 있는 최적화를 포함한 선형 MPC 수식은 선형성을 유지하면서도 효과적인 실시간 제어를 가능하게 하였다.