[논문 리뷰] Efficient Anytime CLF Reactive Planning System for a Bipedal Robot on Undulating Terrain

Jiunn-Kai Huang, Jessy W. Grizzle|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 15.

Robotic Path Planning Algorithms참고 문헌 56인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 비정형 지형에서 이착지 보행 로봇을 위한 반응형 계획 시스템을 제안한다. 5 Hz의 anytime RRT* 계획기와 전방향 제어 리아프노프 함수(CL)를 조합하여 부드럽고 실시간으로 운동을 제어한다. 이 시스템은 경로 추적을 방향성 벡터장으로 대체함으로써 파도치는 실내 및 실외 지형에서 안정적이고 연속적인 이동을 가능하게 하였으며, 20 DoF를 갖는 Cassie Blue에서 성공적으로 검증되었다.

ABSTRACT

We propose and experimentally demonstrate a reactive planning system for bipedal robots on unexplored, challenging terrains. The system consists of a low-frequency planning thread (5 Hz) to find an asymptotically optimal path and a high-frequency reactive thread (300 Hz) to accommodate robot deviation. The planning thread includes: a multi-layer local map to compute traversability for the robot on the terrain; an anytime omnidirectional Control Lyapunov Function (CLF) for use with a Rapidly Exploring Random Tree Star (RRT*) that generates a vector field for specifying motion between nodes; a sub-goal finder when the final goal is outside of the current map; and a finite-state machine to handle high-level mission decisions. The system also includes a reactive thread to obviate the non-smooth motions that arise with traditional RRT* algorithms when performing path following. The reactive thread copes with robot deviation while eliminating non-smooth motions via a vector field (defined by a closed-loop feedback policy) that provides real-time control commands to the robot's gait controller as a function of instantaneous robot pose. The system is evaluated on various challenging outdoor terrains and cluttered indoor scenes in both simulation and experiment on Cassie Blue, a bipedal robot with 20 degrees of freedom. All implementations are coded in C++ with the Robot Operating System (ROS) and are available at https://github.com/UMich-BipedLab/CLF_reactive_planning_system.

연구 동기 및 목표

• 기존의 RRT*-기반 경로 추적에서 발생하는 급격한 전환으로 인한 비연속적인 운동을 해결한다.
• 초기에는 로봇의 국소 지ap에 포함되지 않는 먼 목표지점을 갖는 탐색되지 않은 도전적인 지형에서의 자율 주행을 가능하게 한다.
• 로봇의 이탈과 동적 환경의 불확실성에도 불구하고 연속적이고 안정적인 운동을 보장하는 반응형 제어 전략을 개발한다.
• 교차로에서의 회전과 같은 고수준 임무 결정을 위한 유한 상태 기계를 통합한다.
• 이론적 운동 계획과 실제 물리적 이착지 보행 로봇의 구현 사이의 격차를 메운다. 이는 액추에이터 및 센서 제약이 존재하는 환경에서 이루어진다.

제안 방법

• 실시간으로 지형의 이동 가능성을 계산하기 위해 다층적이고 로봇 중심의 국소 지도(2.5D 격자)를 구현한다.
• 이상적으로 최적의 경로로 햖당 수렴하는 데 도움이 되는 닫힌 형태의 해를 갖는 전방향 제어 리아프노프 함수(CL)를 설계한다.
• CLF를 RRT*의 조향 함수로 사용하며, 이중 보행 로봇의 횡방향 이동 비용을 고려한 CLF 다양체 위의 거리 척도를 적용한다.
• 워밍스타트 메커니즘 도입: 이전 최적 경로를 브랜치로 유지하고 첫 번째 도달하지 못한 웨이포인트를 고정하여 계획 업데이트 간의 연속성을 확보한다.
• 순간적인 로봇 자세를 기반으로 실시간 제어 명령을 생성하기 위해 300 Hz의 고주파 반응 스레드를 사용하는 피드백 제어 정책을 구현한다.
• 교차로에서의 하위 목표 선택 및 회전 행동과 같은 고수준 결정을 관리하기 위해 유한 상태 기계를 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 운동 계획 시스템이 경로 전환 시 급격한 가속도나 방향 전환 없이 이착지 보행 로봇에서 부드럽고 연속적인 이동을 보장할 수 있는가?
• RQ2 로봇의 국소 지도에 초기에 포함되지 않는 먼 목표지를 갖는 계획 시스템이 안정성과 최적성 유지와 함께 어떻게 작동할 수 있는가?
• RQ3 비대칭 보행 비용(예: 횡방향 이동 비용이 높음)을 갖는 이착지 보행 로봇에서 전방향 보행을 위한 제어 리아프노프 함수(CL)를 설계할 수 있는가?
• RQ4 5 Hz 간격으로 재계획을 수행할 때 반응형 계획 시스템이 연속성을 유지하고 '걷기-정지' 행동을 방지할 수 있는가?
• RQ5 CLF 기반 피드백을 갖는 하이브리드 계획-반응 시스템이 실제 비정형 지형에서 얼마나 견고하고 자율적인 주행을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 계획 업데이트 간에 도달하지 못한 첫 번째 웨이포인트를 유지함으로써 Cassie Blue에서 '걷기-정지' 운동을 성공적으로 제거하였으며, CLF 벡터장의 연속성을 보장하였다.
• 이 시스템은 Cassie Blue에서 10개의 도전적인 실외 지형과 혼잡한 실내 환경에서 완전한 자율 주행을 가능하게 하였으며, 파도치는 표면과 다층 건물 복도를 포함한 환경에서 성공적으로 작동하였다.
• 닫힌 형태의 CLF와 CLF 다양체 위의 거리 척도를 사용함으로써 로봇의 본질적인 보행 제약(예: 횡방향 이동 비용이 높음)을 고려하면서도 효율적이고 점점 최적화되는 경로 생성이 가능하였다.
• 300 Hz에서 작동하는 반응 스레드는 실시간 피드백 제어를 제공하여, RRT*-기반 계획기에서 흔히 발생하는 웨이포인트 전환에 의해 유도되는 비연속적인 운동을 제거하였다.
• 유한 상태 기계의 통합은 교차로에서의 회전과 같은 고수준 결정을 견고하게 처리할 수 있도록 하여 임무 수준의 자율성을 향상시켰다.
• 이 시스템은 시뮬레이션과 하드웨어 모두에서 검증되었으며, 모든 코드와 결과는 https://github.com/UMich-BipedLab/CLF_reactive_planning_system 에 공개되어 있다.