[논문 리뷰] A Whole-Body Model Predictive Control Scheme Including External Contact Forces and CoM Height Variations

Reihaneh Mirjalili, Aghil Yousefi‐Koma외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 24.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 인간형 로봇을 위한 세 단계로 구성된 모델 예측 제어(MPC) 기반 제어 전략을 제안하며, 실시간으로 전신 운동, 중심질량(CoM) 높이 변화 및 외부 접촉력(예: 손 접촉)을 통합적으로 계획한다. 문제를 볼록 최적화 문제인 2차형식프로그램(QP)과 혼합정수 2차형식프로그램(MIQP)으로 분해함으로써, 불균형한 지형에서나 물체 조작 상황에서도 반응성 있고 물리적으로 타당한 전신 운동 제어를 가능하게 하여 기존 선형 역전자 펜듈럼 모델(LIPM)의 한계를 극복한다.

ABSTRACT

In this paper, we present an approach for generating a variety of whole-body motions for a humanoid robot. We extend the available Model Predictive Control (MPC) approaches for walking on flat terrain to plan for both vertical motion of the Center of Mass (CoM) and external contact forces consistent with a given task. The optimization problem is comprised of three stages, i. e. the CoM vertical motion, joint angles, and contact forces planning. The choice of external contact (e. g. hand contact with the object or environment) among all available locations and the appropriate time to reach and maintain a contact are all computed automatically within the algorithm. The presented algorithm benefits from the simplicity of the Linear Inverted Pendulum Model (LIPM), while it overcomes the common limitations of this model and enables us to generate a variety of whole-body motions through external contacts. Simulation and experimental implementation of several whole-body actions in multi-contact scenarios on a humanoid robot show the capability of the proposed algorithm.

연구 동기 및 목표

• 다라파 로봇 챌린지에서 관찰된 바와 같이, 동적 교란 상황에서 인간형 로봇이 반응성 있고 다중 접촉 운동 계획을 수행할 수 있도록 개선한다.
• 중심질량 높이가 일정하고 외부 접촉력이 없는 가정을 내포하는 기존 선형 역전자 펜듈럼 모델(LIPM)의 한계를 극복한다.
• 균형을 유지하고 임무를 수행하기 위해 손이나 다른 부위의 접촉 위치와 시기를 자동으로 선택할 수 있도록 한다.
• 복잡하고 동적인 환경에 적합한 계산 효율성이 높고 실시간 실행이 가능한 운동 생성 프레임워크를 개발한다.
• 고차원 비볼록 최적화 문제와 반응성 있는 저복잡도 계획자 간 격차를 해소하기 위해 문제를 볼록 부분문제로 분해한다.

제안 방법

• 전신 운동 계획 문제를 중심질량 수직 운동, 관절 궤적 계획, 접촉력/접촉 선택 계획의 세 단계로 분할하여 볼록 최적화 문제로 순차적으로 해결한다.
• 첫 번째 단계에서 2차형식프로그램(QP)을 사용하여 운동학적 제약 조건을 고려하면서도 안정성과 도달 가능성을 확보한 타당한 중심질량 높이 궤적을 생성한다.
• 두 번째 단계에서 ZMP(제로 모멘트 포인트) 및 운동학적 제약 조건을 만족시키면서 관절 각도와 전신 운동 궤적을 계산하기 위해 QP를 적용한다.
• 세 번째 단계에서는 혼합정수 2차형식프로그램(MIQP)을 활용하여 최적의 접촉 위치(예: 손 접촉)와 접촉력을 자동으로 선택한다.
• 접촉 시기 및 力 결정을 MPC 루프에 통합하여, 임무 요구사항과 안정성 요구에 따라 동적으로 접촉을 전환할 수 있도록 한다.
• 각 최적화 단계에서 ZMP 제약 조건과 물리적 제약 조건(예: 관절 각도, 도달 가능성)을 하드 제약 조건으로 통합하여 타당성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실시간 MPC 프레임워크가 인간형 로봇의 중심질량 높이 변화와 외부 접촉력을 동적 상황에서 자동으로 계획할 수 있는가?
• RQ2 다중 접촉 운동 계획의 계산 복잡도를 줄이면서도 일반성과 물리적 타당성을 유지할 수 있는가?
• RQ3 제안된 방법이 중심질량 높이가 일정하고 외부 접촉력이 없는 가정을 내포한 LIPM의 단순화된 가정을 어느 정도 극복할 수 있는가?
• RQ4 운동 실행 중에 로봇이 언제이고 어디서 접촉을 설정하거나 해제할지를 알고리즘적으로 자동으로 결정할 수 있는가(예: 손 접촉)?
• RQ5 중심질량 높이 제어 통합이 물체를 들어 올리거나 불균형한 지형을 이동하는 등의 임무 수행 능력을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 박스를 들어 올리는 시나리오에서 중심질량 높이 궤적이 운동학적 허용 범위 내에서 매끄럽고 물리적으로 타당하게 계획되었음을 입증하였다.
• 세 번째 단계의 MIQP는 최적의 접촉 위치와 힘을 자동으로 선택하여, 중심질량 운동이 ZMP 제약 조건을 위반할 경우에도 균형을 유지할 수 있도록 한다.
• 구멍을 통과하거나 큰 횡방향 단계를 밟는 다중 접촉 상황에서는 사전 설정 없이도 알고리즘이 자동으로 접촉 시기와 위치를 결정한다.
• 중심질량 높이와 접촉력의 동적 조정을 통해 불균형한 지형이나 물체 조작 상황에서도 안정적인 전신 운동 제어를 가능하게 한다.
• 볼록 QP와 MIQP로 문제를 분해함으로써 실시간 실행이 가능해졌으며, 각 단계가 제어 주기 주파수에서 효율적으로 해결된다.
• 관절 한계와 도달 가능성 제약 조건을 통합함으로써 알고리즘이 동적 임무 요구 조건 하에서도 비가역적인 운동을 방지하여 강건성을 확보한다.