[논문 리뷰] Angular Momentum about the Contact Point for Control of Bipedal Locomotion: Validation in a LIP-based Controller

Yukai Gong, Jessy W. Grizzle|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 25.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 36인용 수 32

한 줄 요약

논문은 Linear Inverted Pendulum (LIP) 모델을 접점 지점의 각 모멘텀 관점에서 재정식화하고 이를 이용해 3D 양족 보행에서 발 위치 제어에 활용하며, Cassie Blue에서 빠른 보행, 회전, 교란 제거, 거친 지형 주행 시연으로 검증된다.

ABSTRACT

In the control of bipedal locomotion, linear velocity of the center of mass has been widely accepted as a primary variable for summarizing a robot's state vector. The ubiquitous massless-legged linear inverted pendulum (LIP) model is based on it. In this paper, we argue that angular momentum about the contact point has several properties that make it superior to linear velocity for feedback control. So as not to confuse the benefits of angular momentum with any other control design decisions, we first reformulate the standard LIP controller in terms of angular momentum. We then implement the resulting feedback controller on the 20 degree-of-freedom bipedal robot, Cassie Blue, where each leg accounts for nearly one-third of the robot's total mass of 35~Kg. Under this controller, the robot achieves fast walking, rapid turning while walking, large disturbance rejection, and locomotion on rough terrain. The reasoning developed in the paper is applicable to other control design philosophies, whether they be Hybrid Zero Dynamics or Reinforcement Learning.

연구 동기 및 목표

• Center-of-mass 속도와 비교했을 때 접점 지점의 각 모멘텀이 이족 보행 제어 변수로 더 우수하다는 주장을 제시한다.
• 접점 지점 주위의 각 모멘텀으로 LIP 모델을 재정의하고 한 걸음 ahead 예측의 개선을 시연한다.
• 각 모멘텀을 기반으로 보행 안정화를 위한 발 위치 규칙을 개발한다.
• 많은 질량 분포를 가진 비질량이 아닌 다리의 Cassie Blue와 같은 현실적 3D 이족 보행 체계에서 컨트롤러를 시연한다.

제안 방법

• 접점 지점에서 COM 속도(v^x_CoM) 대신 L^y를 사용하도록 LIP 역학을 재정의한다.
• L^y의 한 걸음 ahead 예측을 해도(v^x_CoM 예측과 비교) 닳은 형식으로 도출한다.
• 다음 스텝의 끝에서의 끝-스텝 예측을 사용하여 L^y를 목표로 하는 발 위치 법칙을 도출한다.
• 측면 제어와 회전을 위해 des(L^x, L^y)을 조정하는 3D 확장 방법을 제시한다.
• Cassie Blue에 IMU/EKF 추정, L^y에 대한 칼만 필터, 관여 관절에 매핑하기 위한 역 기구학을 포함한 실용적 센서 융합 컨트롤러를 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 접점 지점의 각 모멘텀이 현실 로봇의 COM 속도보다 단계 간 예측이 더 신뢰할 수 있는가?
• RQ2 끝 스텝 각도 모멘텀을 기반으로 한 발 위치 전략이 무거운 비질량 없는 다리 로봇에서 3D 동적 보행을 안정화하고 가능하게 하는가?
• RQ3 실제 로봇에서 LIP 기반 각 모멘텀 컨트롤러를 센싱 및 작동 제약 하에 구현하는 방법은 무엇인가?
• RQ4 Cassie Blue에서 LIP 기반 각 모멘텀 컨트롤러 하의 회전 및 거친 지형 보행이 가능한가?

주요 결과

• 실제 로봇 Rabbit 및 Cassie에서 L^y의 끝-스텝 예측이 v^x_CoM 예측보다 더 신뢰할 수 있어 제어 정확도가 향상된다.
• L^y des(T_{k+1}^{-})를 기반으로 한 발 위치 공식은 안정적인 스텝 계획을 가능하게 하며 3D 보행과 회전을 지원한다.
• Cassie Blue는 LIP 기반 각 모멘텀 컨트롤러 하에서 직선 보행을 최대 2.1 m/s, 대각 보행은 1 m/s로 달성한다.
• 빠른 회전(예: 90도 회전)과 전방 방향의 강인한 교란 제거를 가능하게 한다.
• 비질량 없는 다리가 아니고 대략 32–35 kg 로봇에서도 작동하며 이상적인 LIP 가정 밖의 적용 가능성을 보여준다.
• 실용적 구현 세부 정보로는 IMU/EKF 상태 추정, L^y에 대한 칼만 필터, 그리고 관여 관절에 매핑하기 위한 반복적 역 기구학이 포함된다.