[논문 리뷰] Assessing Whole-Body Operational Space Control in a Point-Foot Series Elastic Biped: Balance on Split Terrain and Undirected Walking

Donghyun Kim, Ye Zhao외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 13.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 31인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 포인트풋 시리즈 엘라스틱 이족보행로봇에 대해 전체신체 운영공간제어(WBOSC)의 첫 번째 구현을 제시하며, 고경사 분할 지형에서의 동적 균형 유지와 무방향 보행을 가능하게 한다. 피드백 제어 기반 내부력 조절과 새로운 온라인 궤적 생성 알고리즘을 통합함으로써, 하드웨어 인 더 루프 실험과 물리 기반 시뮬레이션을 통해 안정적이고 민첩한 이동이 구현되었다.

ABSTRACT

In this paper we present advancements in control and trajectory generation for agile behavior in bipedal robots. We demonstrate that Whole-Body Operational Space Control (WBOSC), developed a few years ago, is well suited for achieving two types of agile behaviors, namely, balancing on a high pitch split terrain and achieving undirected walking on flat terrain. The work presented here is the first implementation of WBOSC on a biped robot, and more specifically a biped robot with series elastic actuators. We present and analyze a new algorithm that dynamically balances point foot robots by choosing footstep placements. Dealing with the naturally unstable dynamics of these type of systems is a difficult problem that requires both the controller and the trajectory generation algorithm to operate quickly and efficiently. We put forth a comprehensive development and integration effort: the design and construction of the biped system and experimental infrastructure, a customization of WBOSC for the agile behaviors, and new trajectory generation algorithms. Using this custom built controller, we conduct, for first time, an experiment in which a biped robot balances in a high pitch split terrain, demonstrating our ability to precisely regulate internal forces using force sensing feedback techniques. Finally, we demonstrate the stabilizing capabilities of our online trajectory generation algorithm in the physics-based simulator and through physical experiments with a planarized locomotion setup.

연구 동기 및 목표

• 불안정하고 복잡한 환경에서 민첩한 이족보행을 위한 전체신체 운영공간제어 프레임워크를 개발하고 검증하는 것.
• 고속 피드백을 통한 내부력 조절을 통합하여 본질적으로 불안정한 포인트풋 이족보행로봇을 제어하는 과제를 해결하는 것.
• 사전 정의된 스텝 시퀀스 없이 평탄한 지형에서 무방향 보행을 가능하게 하는 새로운 온라인 궤적 생성 알고리즘을 설계하는 것.
• 이전의 시뮬레이션 중심 결과를 넘어서 실제 하드웨어에서 접촉 빈도가 높은 행동을 위한 WBOSC의 실현 가능성을 입증하는 것.
• 자체 제작한 시리즈 엘라스틱 액추에이터를 장착한 로봇을 활용한 민첩한 이족보행 제어 테스트를 위한 종합적인 실험 인프라를 구축하는 것.

제안 방법

• 작업 잭소니안 $ J_{ m task}^{*} $ 와 노울스페이스 프로젝션 $ L^{*} $ 를 사용하여 수직 제어 구조를 통해 운영공간 가속도와 내부력을 동시에 조절하기 위해 WBOSC를 적응시켰다.
• 감소된 잭소니안 $ J_{i|l}^{*} $ 와 목표 내부력 벡터 $ F_{ m int,ref} $ 를 활용한 피드백 제어를 구현하여 접촉력 분포의 정밀한 제어를 가능하게 하였다.
• 실시간으로 가우지 매개변수를 동적으로 조정할 수 있는 새로운 온라인 궤적 생성 알고리즘을 개발하여, 시뮬레이션 및 물리 실험에서 무방향 보행의 안정성을 확보하였다.
• 고경사 분할 지형에서의 균형 유지 시 힘 센서 피드백을 통합하여 이중 지지점에서의 접촉력 분포를 정밀하게 제어하였다.
• 시리즈 엘라스틱 액추에이터를 장착한 포인트풋 로봇을 고려하여 WBOSC 프레임워크를 맞춤형으로 수정하였으며, 제어 루프 내에서 액추에이터 동역학과 센서 피드백을 반영하였다.
• 모델 기반 제어 법칙과 중력, 코리olis/원심력 보정을 $ oldsymbol{ au}_{ m control} = J_{ m task}^{* op}F_{ m task} + L^{* op}\tau_{ m int} $ 를 통해 통합하여 안정적인 폐쇄 루프 동역학을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시리즈 엘라스틱 액추에이터를 장착한 포인트풋 이족보행로봇에 대해 전체신체 운영공간제어(WBOSC)를 성공적으로 구현할 수 있는가? 이는 고경사 분할 지형에서의 동적 균형 유지를 가능하게 하는가?
• RQ2 본질적으로 불안정한 포인트풋 이족보행로봇의 이중접촉 조작 중 내부력을 효과적으로 조절하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 평면 이족보행 설정에서 사전 정의된 스텝 시퀀스 없이도 안정적인 무방향 보행을 가능하게 하는 궤적 생성 전략은 무엇인가?
• RQ4 센서 기반 내부력 피드백 통합이 불균형하거나 불안정한 지형에서 균형 성능을 향상시키는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 WBOSC 프레임워크는 시뮬레이션과 실제 실험을 통해 검증된 바에 비추어 실제 하드웨어에서 민첩하고 동적인 이동을 얼마나 잘 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 포인트풋 이족보행로봇에 대해 WBOSC의 첫 번째 물리적 구현이 이루어졌으며, 운영공간 운동과 내부력 모두 실시간 제어가 가능함을 입증하였다.
• 고경사 분할 지형에서의 균형 유지가 성공적으로 수행되었으며, 힘 센서 피드백을 통한 내부력 정밀 조절로 안정성이 유지되었다.
• 새로운 온라인 궤적 생성 알고리즘이 물리 기반 시뮬레이션과 실제 실험 모두에서 안정적인 무방향 보행을 가능하게 하였다.
• 내부력 피드백 통합으로 이중접촉 조작 중 동적 안정성이 크게 향상되었으며, 기계적 제약에 대한 의존도가 감소하였다.
• 모델 정확도 부족과 액추에이터 동역학에 대해 높은 강인성을 보였으며, 실생활에서 질량 행렬 변동에 대해 최소한의 민감도를 보였다.
• 실험 결과는 내부력 피드백을 통한 WBOSC가 포인트풋 이족보행 시스템에서 분할 지형 균형 유지와 무방향 보행과 같은 민첩한 행동에 효과적임을 확인하였다.