[논문 리뷰] Design and Implementation of a Three-Link Brachiation Robot with Optimal Control Based Trajectory Tracking Controller

Shuo Yang, Zhaoyuan Gu외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 12.

Robotic Locomotion and Control인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 에너지 효율적이고 안정적인 바 중에서의 브라키에이션을 위해 최적의 스윙 계획을 위한 반복 선형 제곱형 규칙(Iterative Linear Quadratic Regulator, iLQR) 기반의 궤적 추적 제어기와, 강건한 추적을 위한 계단식 PID/입력-출력 선형화 제어기를 갖춘 삼링크 브라키에이션 로봇을 제시한다. 다양한 간격의 막대를 넘는 데서 에너지 효율적이고 안정적인 브라키에이션을 달성하였으며, iLQR 지도 설계로 제어 비용을 2640에서 1.14로 감소시켜 0.3m 간격의 균일한 거리 실험에서 100% 성공률를 달성하였다.

ABSTRACT

This paper reports the design and implementation of a three-link brachiation robot. The robot is able to travel along horizontal monkey bars using continuous arm swings. We build a full order dynamics model for the robot and formulate each cycle of robot swing motion as an optimal control problem. The iterative Linear Quadratic Regulator (iLQR) algorithm is used to find the optimal control strategy during one swing. We select suitable robot design parameters by comparing the cost of robot motion generated by the iLQR algorithm for different robot designs. In particular, using this approach we show the importance of having a body link and low inertia arms for efficient brachiation. Further, we propose a trajectory tracking controller that combines a cascaded PID controller and an input-output linearization controller to enable the robot to track desired trajectory precisely and reject external disturbance during brachiation. Experiments on the simulated robot and the real robot demonstrate that the robot can robustly swing between monkey bars with same or different spacing of handholds.

연구 동기 및 목표

• 고릴라 바 사이에서 연속적이고 동적인 흔들림을 수행할 수 있는 삼링크 브라키에이션 로봇의 설계 및 구현
• 브라키에이션에서 에너지 효율적인 궤적 생성을 위한 iLQR 기반 최적 제어 전략 개발
• 비구동 관절과 외부 교란을 처리할 수 있는 강건한 궤적 추적 제어기 설계
• 로봇 파라미터 선택을 안내하기 위해 최적 제어 비용을 지표로 사용하는 설계 방법론 수립
• 다양한 막대 간격에서 시뮬레이션 및 실제 하드웨어를 통한 시스템 검증

제안 방법

• 두 개의 구동 관절과 하나의 비구동 관절을 갖는 삼링크 브라키에이션 로봇의 전체 차수 역학 모델 수립
• 각 브라키에이션 스윙을 iLQR 알고리즘을 사용해 풀이하는 최적 제어 문제로 간주
• iLQR 비용 함수를 로봇 파라미터 평가 및 최적화를 위한 설계 지표로 활용(팔의 질량 및 몸통 존재 여부 포함)
• 종단 기구 운동을 안정화하기 위해 PID 제어와 입력-출력 선형화를 조합한 계단식 궤적 추적 제어기 설계
• STM32F427 마이컴을 사용해 모터 엔코더와 자이로스코프(IME)를 통한 실시간 상태 추정 구현
• 노트북에서 궤적 생성을 수행하고 MATLAB GUI를 통해 블루투스를 통해 로봇에 전달

실험 결과

연구 질문

• RQ1 iLQR를 통한 최적 제어는 삼링크 로봇의 저에너지, 안정적인 브라키에이션 궤적 생성에 어떻게 활용될 수 있는가?
• RQ2 특히 몸통 질량과 팔 관성 모멘트와 같은 로봇 설계 파라미터 중에서 브라키에이션에서 에너지 효율성을 극대화하는 것은 무엇인가?
• RQ3 PID와 입력-출력 선형화를 조합한 하이브리드 제어기는 비구동 역학적 특성에도 불구하고 강건한 궤적 추적을 가능하게 하는가?
• RQ4 다른 간격의 막대를 넘는 동안 로봇의 궤적 추적 성능은 어떠한가?
• RQ5 iLQR 비용 함수는 로봇 설계 최적화를 위한 신뢰할 수 있는 지표로 얼마나 유용한가?

주요 결과

• iLQR 기반 궤적 생성으로 최적 제어 비용이 초기 2640(제어 입력 없음)에서 0.4m 간격의 막대를 넘는 데서 1.14로 감소하였다.
• 균일한 0.3m 간격의 막대를 넘는 20회의 시험에서 로봇은 100% 성공률를 기록하여 강건성과 반복 가능성을 입증하였다.
• iLQR 비용을 활용한 설계 최적화 결과, 더 가벼운 팔과 몸통 링크가 에너지 소비를 크게 감소시킴을 확인하였으며, 팔의 질량은 총 질량의 13.3%로 생물학적 급진형 곰팡이 데이터와 유사하였다.
• 제안된 궤적 추적 제어기는 실제 실행 중에도 정확한 목표 관절 궤적 추적을 성공적으로 유지하였고, 외부 교란에 대한 저항력도 확보하였다.
• 다른 간격의 막대 사이에서 연속적인 흔들림을 성공적으로 수행하여 제어기의 적응 능력을 검증하였다.
• iLQR 비용을 지표로 사용하는 설계 방법론은 특히 낮은 관성 모멘트의 팔과 뚜렷한 몸통 링크를 선호하는 물리적 설계 결정을 안내하는 데 효과적이었다.