[논문 리뷰] Balance of Humanoid robot in Multi-contact and Sliding Scenarios

Saeid Samadi, Stéphane Caron외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 30.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고정 접촉과 슬라이딩 접촉을 모두 포함하는 다중 접촉 시나리오에서 인간형 로봇의 균형을 유지하기 위해 정수형 프로그래밍 기반 방법을 제안한다. 접촉력과 슬라이딩 운동을 고려한 중심질량 지지 영역(CSA)을 계산하고, 와이어 분포 및 작업 제약 조건을 고려해 중심질량(CoM) 위치를 최적화함으로써, HRP-4 로봇에서 안정적인 밀기 및 닦기 작업을 가능하게 하며, 정확한 힘 추적과 동적 안정성을 달성한다.

ABSTRACT

This study deals with the balance of humanoid or multi-legged robots in a multi-contact setting where a chosen subset of contacts is undergoing desired sliding-task motions. One method to keep balance is to hold the center-of-mass (CoM) within an admissible convex area. This area should be calculated based on the contact positions and forces. We introduce a methodology to compute this CoM support area (CSA) for multiple fixed and sliding contacts. To select the most appropriate CoM position inside CSA, we account for (i) constraints of multiple fixed and sliding contacts, (ii) desired wrench distribution for contacts, and (iii) desired position of CoM (eventually dictated by other tasks). These are formulated as a quadratic programming optimization problem. We illustrate our approach with pushing against a wall and wiping and conducted experiments using the HRP-4 humanoid robot.

연구 동기 및 목표

• 슬라이딩 접촉을 포함하는 다중 접촉 상호작용 중 인간형 로봇의 동적 균형을 유지하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 중심질량(CoM) 지지 영역(CSA) 기반 기존 균형 기준을 고정 및 슬라이딩 접촉 모두에 확장하기 위해.
• CoM 위치 최적화를 접촉 토크 분포 및 작업 특화 제약 조건과 통합하여 안정성을 향상시키기 위해.
• HRP-4 인간형 로봇을 사용하여 밀기 및 닦기 작업에서 실험적으로 방법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 논문은 뉴턴-오일러 역학 및 중력 토크 균형에서 유도된 고정 및 슬라이딩 접촉 제약 조건을 포함하는 중심질량 지지 영역(CSA)을 수식화한다.
• 중력 관성 토크 원뿔(GIWC)을 사용하여 평형 조건을 모델링하고, 접촉력과 위치를 기반으로 중심질량(CoM) 위치의 수평 투영을 유도한다.
• 접촉력 한계, 원하는 토크 분포 및 작업 특화 중심질량 목표를 고려해 중심질량(CoM) 위치를 CSA 내에서 최적화하기 위해 중심질량 정수형 프로그래밍(QP)을 사용한다.
• 컨트롤러는 접촉력 추적을 위한 적응 제어를 통합하며, 안정성을 유지하기 위해 QP를 통해 동적으로 중심질량(CoM) 조정을 계산한다.
• 접촉 작업 중 양발 간 무게 분포를 조절하기 위해 발바닥 힘 차이 제어를 적용한다.
• 역운동역학을 사용하여 최적화된 중심질량(CoM) 궤적과 접촉력을 실현하는 로봇 구성을 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정 및 슬라이딩 접촉을 모두 가진 인간형 로봇에 대해 중심질량 지지 영역(CSA)은 어떻게 계산할 수 있는가?
• RQ2 접촉력 제약 조건과 작업 목표를 만족시키면서 CSA 내에서 중심질량(CoM)을 최적으로 위치시킬 수 있는가?
• RQ3 제안된 방법은 밀기 및 닦기와 같은 슬라이딩 접촉 작업 중 균형을 유지하고 정확한 힘 추적을 달성할 수 있는가?
• RQ4 고정 중심질량(CoM) 설정에 비해 동적 중심질량(CoM) 조정은 힘 추적 성능을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 계산된 지지 영역(CSA) 내에서 중심질량(CoM)을 동적으로 조정함으로써 슬라이딩 접촉 작업 중에도 로봇의 균형을 성공적으로 유지한다.
• 벽을 밀기 실험에서, 로봇은 정상력 추적을 60 N까지 안정적으로 달성했으며, 고정 중심질량(baseline) 기준은 20 N을 초과하지 못했다.
• 힘 증가 시 중심질량(CoM) 궤적이 앞으로 이동하고, 힘 감소 시에는 뒤로 이동함으로써, 접촉력 요구에 대한 적응적인 신체 구성이 이루어짐을 보여주었다.
• 닦기 작업 중, 정상력은 16초째에 초기 일시적 오차 후 목표값 30 N으로 수렴하여 강력한 힘 제어 성능을 나타냈다.
• 컨트롤러는 고정 및 슬라이딩 접촉 모드 모두에서 안정적인 운영을 가능하게 하였으며, HRP-4 로봇에서 복잡한 작업을 성공적으로 수행하였다.
• 온라인에서 접촉 마찰 계수 추정 및 고정 모드와 슬라이딩 모드 간 전환은 향후 연구 과제로 남아 있다.