[논문 리뷰] Bruce -- Design and Development of a Dynamic Hexapod Robot

Ryan Steindl, Thomas Molnar외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 01.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 17인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 거친 비정형 지하 지형을 자율 주행할 수 있도록 설계된 동적 운동을 하는 6족 보행 로봇 Bruce를 제시한다. Apptronik 선형 시리즈 탄성 액추에이터와 80% 3D 프린팅 구조 부품를 사용해 제작되었으며, 중심 패tern 생성기(CPG)와 작업 프레임 임피던스 제어를 통해 다리 조율을 구현하여 평탄한 지면에서 0.5 m/s, 잔해, 풀, 암석에서 0.3 m/s의 안정적인 운동 성능을 달성했으며, DARPA SubT 챌린지 터널 서킷에서 성공적으로 운영되었다.

ABSTRACT

This paper introduces Bruce, the CSIRO Dynamic Hexapod Robot capable of autonomous, dynamic locomotion over difficult terrain. This robot is built around Apptronik linear series elastic actuators, and went from design to deployment in under a year by using approximately 80\% 3D printed structural (joints and link) parts. The robot has so far demonstrated rough terrain traversal over grass, rocks and rubble at 0.3m/s, and flat-ground speeds up to 0.5m/s. This was achieved with a simple controller, inspired by RHex, with a central pattern generator, task-frame impedance control for individual legs and no foot contact detection. The robot is designed to move at up to 1.0m/s on flat ground with appropriate control, and was deployed into the the DARPA SubT Challenge Tunnel circuit event in August 2019.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 지하 환경에서 자율 탐색이 가능한 내구성 있고 빠르며 동적 안정성을 확보한 6족 보행 로봇 개발.
• 평탄한 지면에서 고속 동적 운동을 가능하게 하면서도 거친 비정형 지형에서도 안정성과 유연성을 유지하는 것.
• 3D 프린팅을 광범위하게 활용하고 표준 부품을 사용함으로써 하드웨어 복잡성과 개발 시간을 최소화하는 것.
• 발자국 감지 기능 없이 피드포워드 제어와 임피던스 튜닝만으로도 자율 운동을 가능하게 하는 것.
• 실제 지하 환경 조건, 특히 DARPA SubT 챌린지 터널 서킷을 통해 플랫폼의 검증을 수행하는 것.

제안 방법

• 로봇은 중심 패턴 생성기(CPG)를 활용해 트라이포드 보행 패턴의 리듬적 운동 패턴을 생성한다.
• 각 다리는 선형 시리즈 탄성 액추에이터(SEA)를 사용한 작업 프레임 임피던스 제어를 통해 탄성과 동적 반응성을 확보한다.
• 생물학적 6족 동물의 스프링-매스 역학을 모방하기 위해 저중심 구조와 고대역 다리 제어를 강조한다.
• 앞서 나아가는 속도와 발자국 적응 능력을 극대화하기 위해 최적화된 링크 길이를 갖춘 직선형 다리 구성 구조를 채택한다.
• 주 전자기기와 전원을 수납하는 중심 몸체는 80%의 구조 부품를 3D 프린팅하여 제작하여 비용 절감과 빠른 프로토타이핑를 달성한다.
• 실시간으로 라이다와 자이로스코프의 융합을 통해 EKF 필터를 사용한 온보드 SLAM 시스템을 통해 몸체 자세를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6족 로봇이 평탄한 지면에서 고속 동적 운동을 수행하면서도 거친 지형에서 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 발자국 감지 기능 없이도 CPG 기반 제어 전략과 작업 프레임 임피던스 제어가 안정적이고 접촉 없이 운동을 가능하게 하는가?
• RQ3 다리 임피던스 튜닝과 동적 모델링이 높은 속도에서의 속도 추적 성능과 시스템 안정성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 저비용 3D 프린팅 6족 로봇 플랫폼이 실제 지하 환경에서 전문적인 다리 보행 로봇과 비교해 유사한 성능을 낼 수 있는가?
• RQ5 임피던스 제어 대역폭과 동적 모델링의 정확도 부족으로 인해 이론적 최대 속도에 도달하지 못하는 주요 제약 요소는 무엇인가?

주요 결과

• Bruce는 통제된 시험에서 평탄한 지면에서 최고 0.5 m/s의 속도를 기록했으며, 잔해, 풀, 암석에서 0.3 m/s의 안정된 운동이 확인되었다.
• 로봇은 DARPA SubT 챌린지 자격 시험 코스를 성공적으로 완주하여 혼합 지형 25 m를 자율 주행했다.
• 터널 서킷 이벤트 동안 Bruce는 실험적 연구 광산 내 15 m를 평균 0.283 m/s의 속도로 보행하다가 기계적 고장으로 인해 정지했다.
• 보행 사이클 동안 몸체 높이의 편차가 피크 투 피크 기준 0.02–0.03 m 이내로 유지되어 접촉 감지 없이도 효과적인 피드포워드 보정이 이루어졌음을 시사한다.
• 0.5 m/s에서의 속도 추적은 낮은 다리 스프링 강성과 높은 스텝 주파수에서의 끝단 궤적 추적 부족으로 인해 심한 진동을 보였다.
• 0.75 Hz의 스텝 주파수에서는 다리 임피던스와의 공진으로 인해 횡방향 진동이 발생했으나, 1.0 Hz에서의 운용은 개선된 안정성을 보였다.