[논문 리뷰] Feedback Control of a Cassie Bipedal Robot: Walking, Standing, and Riding a Segway

Yukai Gong, Ross Hartley외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 19.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 19인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 가상 제약 조건과 보행 라이브러리 접근법을 사용하여, 눈, 모래, 불타는 덤불을 포함한 다양한 지형에서 안정적인 보행, 정지, 세그웨이 주행을 가능하게 하는 개방소스 피드백 컨트롤러를 캐시에 이중보행 로봇에 제안한다. 컨트롤러는 전순도 동역학 모델링과 이득 스케줄링된 가상 제약 조건을 활용하여 다양한 지형에서 보행을 안정화시키며, 지지 발목 토크에 의존하지 않고도 균형을 유지한다.

ABSTRACT

The Cassie bipedal robot designed by Agility Robotics is providing academics a common platform for sharing and comparing algorithms for locomotion, perception, and navigation. This paper focuses on feedback control for standing and walking using the methods of virtual constraints and gait libraries. The designed controller was implemented six weeks after the robot arrived at the University of Michigan and allowed it to stand in place as well as walk over sidewalks, grass, snow, sand, and burning brush. The controller for standing also enables the robot to ride a Segway. A model of the Cassie robot has been placed on GitHub and the controller will also be made open source if the paper is accepted.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 실제 환경에서 안정적인 이동이 가능한 강력하고 개방소스 피드백 컨트롤러를 개발하는 것.
• 선형 발자국과 수동 관절을 가진 고도로 과제약된 20자유도 로봇을 원칙적인 제어 방법으로 제어하는 데 도전하는 것.
• 기본 보행을 넘어서 침묵한 정지와 세그웨이 주행과 같은 동적 작업을 가능하게 하여 구조 및 구조 구조 작업에 관련된 것.
• 잔디, 눈, 모래, 그리고 통제된 불태우기와 같은 다양한 비정형 지형에서 컨트롤러의 효과성을 입증하는 것.
• 로봇 공학 연구 커뮤니티에서 공유하고 확장할 수 있도록 재사용 가능하고 문서화된 제어 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 컨트롤러는 로봇의 현재 속도에 기반하여 가상 제약 조건을 매개변수화함으로써 연속적인 주기적 보행을 생성하는 보행 라이브러리 접근법을 사용한다.
• 가상 제약 조건은 관절 위치 및 각도에 대한 이득 스케줄링된 PD 제어기를 통해 구현되며, 고수준 제어 목표를 액추에이터 명령으로 변환한다.
• 캐시의 전체 20자유도 동역학 모델이 파라미터 최적화 프레임워크에 사용되어 에너지 소비를 최소화하면서도 모터 토크, 관절 각도, 지면 반력 제약 조건을 준수하는 보행을 설계한다.
• 발자국 위치 제어를 통해 중심질량(CoM) 속도를 근사 적분기로 안정화시켜 피드백을 통한 속도 조절을 가능하게 한다.
• 정지 및 균형을 위해, CoM_x는 발자국 기울기 각도를 조절하고, CoM_y는 레그 길이의 차이(롤 제어를 통해)를 조절하며, 불안정한 플랫폼인 세그웨이에서 진동을 억제하기 위해 피드백 이득을 감소시킨다.
• 컨트롤러는 실시간 시뮬린크에 구현되었으며, 논문 수락 후 개방소스로 공개될 예정이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고도로 과제약된 20자유도 이중보행 로봇에서 선형 발자국과 수동 관절을 가진 상태에서 정지 및 보행을 안정화하기 위한 피드백 컨트롤러를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 보행 라이브러리 접근법이 다양한 속도에서 물리적 제약 조건을 준수하면서도 안정적인 보행의 연속체를 효과적으로 생성할 수 있는가?
• RQ3 모래, 눈, 또는 불타는 덤불과 같이 매우 변형이 심하거나 불규칙한 지형에서 컨트롤러는 어떻게 안정성을 유지하는가?
• RQ4 동일한 제어 프레임워크를 사용하여 플랫폼의 직접 상태 피드백 없이도 세그웨이 주행과 같은 동적 작업을 확장할 수 있는가?
• RQ5 가상 제약 조건과 관절 위치에 대한 PD 제어가 지지 발목 토크에 의존하지 않고도 강건한 이동을 달성할 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 컨트롤러는 보도, 잔디, 눈, 모래, 왁스 처리된 바닥, 그리고 통제된 불태우기에서 안정적인 보행을 가능하게 하여 다양한 도전적인 지형에서의 강건성을 입증했다.
• 부드러운 모래에서 30도 기울기 상태에서도 안정적인 균형을 유지했으며, 이는 지지 발목 토크가 없더라도 보행 안정성이 손상되지 않는다는 것을 확인했다.
• 캐시는 보도와 잔디에서 약 4m/s 속도로 세그웨이 미니프로를 성공적으로 주행했으며, 발자국 기울기 제어의 피드백 이득을 감소시켜 진동을 억제했다.
• 로봇이 밀리컨 대학에 도착한 지 6주 만에 컨트롤러가 구현되고 작동함을 통해 빠른 구현과 실용성을 입증했다.
• 전체 동역학 모델과 보행 최적화 과정을 통해 관절 한계, 모터 토크, 지면 반력 제약 조건을 준수하는 에너지 효율적인 보행을 설계할 수 있었다.
• 제어 프레임워크는 성공적으로 분리된 PD 제어 구조로 변환되어 로봇 하드웨어에서 실시간으로 실행 가능해졌다.