[논문 리뷰] An Efficient Paradigm for Feasibility Guarantees in Legged Locomotion

Michele Focchi, Michele Focchi외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 16.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 39인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 중심질량(CoM) 및 몸체 궤적을 생성하기 위한 효율적인 프레임워크를 제안하며, 동적 균형, 관절 토크 한계, 운동학적 한계를 동시에 보장하는 개선된 타당 영역을 도입한다. 이 방법은 도달 가능한 영역 계산과 2차원 타당 영역을 조합하여 실시간 제약 인식 궤적 계획을 가능하게 하며, HyQ 및 Aliengo 로봇에서 검증되었으며 운동학적 위반 수를 크게 감소시키고 추적 성능을 향상시켰다.

ABSTRACT

Developing feasible body trajectories for legged systems on arbitrary terrains is a challenging task. In this paper, we present a paradigm that allows to design feasible Center of Mass (CoM) and body trajectories in an efficient manner. In our previous work [1], we introduced the notion of the 2D feasible region, where static balance and the satisfaction of joint torque limits were guaranteed, whenever the projection of the CoM lied inside the proposed admissible region. In this work we propose a general formulation of the improved feasible region that guarantees dynamic balance alongside the satisfaction of both joint-torque and kinematic limits in an efficient manner. To incorporate the feasibility of the kinematic limits, we introduce an algorithm that computes the reachable region of the CoM. Furthermore, we propose an efficient planning strategy that utilizes the improved feasible region to design feasible CoM and body orientation trajectories. Finally, we validate the capabilities of the improved feasible region and the effectiveness of the proposed planning strategy, using simulations and experiments on the 90 kg Hydraulically actuated Quadruped (HyQ) and the 21 kg Aliengo robots.

연구 동기 및 목표

• 비구조적 지형에서 다리 달린 로봇의 타당한 중심질량(CoM) 및 몸체 궤적을 생성하면서 동적 균형, 관절 토크, 운동학적 제약 조건을 모두 준수하는 문제를 해결한다.
• 이전의 최적화 기반 방법이 관절/운동학적 한계를 忽시하거나 이를 포함할 경우 높은 계산 비용을 유발하는 한계를 극복한다.
• 고차원 최적화 문제를 실시간으로 풀지 않고도 궤적의 타당성을 보장하기 위해 기하학적 구조(타당 영역 및 도달 가능한 영역)를 활용하는 계산 효율적인 계획 전략을 개발한다.
• 전체 신체 제어 프레임워크에 개선된 타당 영역을 통합하여 실시간 제약 인식 보행 계획을 가능하게 한다.
• 두 종류의 다른 4족 보행 로봇(HyQ 및 Aliengo)에서 시뮬레이션 및 실제 실험을 통해 방법을 검증하여 강인성과 타당성 보장을 입증한다.

제안 방법

• 중심질량의 도달 가능한 영역을 역운동학과 관절 위치 제약 조건을 통해 계산하고, 중심질량의 도달 가능한 영역과 중심질량의 동적 균형 영역(중심질량 역학 기반)을 교차시켜 개선된 타당 영역을 정의한다.
• 관절 운동학적 제약 조건 하에서 중심질량의 도달 가능한 영역을 효율적으로 계산하기 위한 알고리즘을 도입하며, 점진적 투영과 다각형 오프셋 기법을 사용한다.
• 모든 제약 조건(마찰, 관절 토크, 운동학적 제약)을 만족하기 위해 중심질량 투영이 있어야 하는 수평 평면 상의 2차원 영역으로 개선된 타당 영역을 수식화한다.
• 중심질량 기반의 애핀 스케일링을 사용하여 타당 영역의 크기를 다양한 안전 마진에 맞게 조정함으로써 다양한 로봇 크기에 대한 확장성을 확보한다.
• 보행 스케줄링, 발자국 계획, 자세 궤적 생성을 포함한 전체 신체 운동 계획 파이프라인에 개선된 타당 영역을 통합한다.
• 피드백 제어와 외란 관측기( disturbance observers)를 사용하여 HyQ(90 kg) 및 Aliengo(21 kg)에서 시뮬레이션 및 실제 실험 모두에 계획 전략을 적용하고 추적 성능 유지를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 다리 달린 로봇 궤적 계획에서 동적 균형, 관절 토크 한계, 관절 운동학적 한계를 저비용 계산으로 동시에 보장할 수 있는가?
• RQ2 관절 위치 제약 조건 하에서 중심질량의 도달 가능한 영역을 효율적으로 계산할 수 있는가? 이를 통해 실시간 타당성 검증이 가능해지는가?
• RQ3 타당 영역과 도달 가능한 영역의 교차가 각각을 별도로 사용할 때보다 궤적 계획에 어떤 개선을 이끌어내는가?
• RQ4 중심질량 기반 스케일링과 다각형 오프셋 기법 간의 스케일링 방법이 타당 영역의 보수성과 계산 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 계획 전략은 실제 다리 달린 보행에서 운동학적 제약 위반을 얼마나 줄이고 중심질량 추적 성능을 향상시키는가?

주요 결과

• 동적 균형 영역과 도달 가능한 영역의 교차로 구성된 개선된 타당 영역은 마찰, 관절 토크, 운동학적 제약 조건을 하나의 2차원 기하학적 구조로 효과적으로 통합하였다.
• Aliengo에서의 실험 결과, 표준 계획 전략(SP)은 내림길에서 무릎 관절 충돌을 유발했지만, 타당성 계획 전략(FP)은 모든 위반을 피했으며 운동학적 제약 위반을 100% 감소시켰다.
• HyQ에서 x방향 중심질량 위치 추적 성능은 FP 전략에서 크게 향상되었으며, 제약 위반으로 인한 성능 저하 없이 안정적인 추적을 달성했다. 반면 SP 전략은 추적 오차를 보였다.
• 중심질량 기반 스케일링 방법은 평균 0.005 ms의 계산 시간을 기록하여 다각형 오프셋 기법(5 ms)에 비해 매우 효율적이었으며, 同시에 스케일된 영역이 원래 타당 영역 내에 유지됨을 보장했다.
• 0.49 m 중심질량 높이에서 HyQ의 도달 가능한 영역은 실제 중심질량 작업 영역과 밀도 높은 일치를 보였으며, 도달 가능한 영역 계산의 정확성을 검증했다.
• 이 프레임워크는 HyQ 및 Aliengo에서 실시간 보행을 성공적으로 구현하였으며, 경사로와 불규칙한 지면과 같은 도전적인 지형에서도 강인성을 입증하였고, 완전한 타당성 보장을 제공했다.