[논문 리뷰] Feedback Control of the Pusher-Slider System: A Story of Hybrid and Underactuated Contact Dynamics

Francois R. Hogan, Alberto Rodríguez|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 24.

Robot Manipulation and Learning인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 모델 예측 제어(MPC)와 정수 프로그래밍을 조합하여 하이브리드 접촉 동역학과 마찰 원추 제약 조건을 다루는 실시간 피드백 제어기를 제안한다. 가족 모드(FOM) 방법은 온라인 최적화를 가속화하여 산업용 로봇 암에서 안정적인 궤적 추적과 실시간 재계획이 가능하게 하며, 시뮬레이션과 실험을 통해 10mm 미만의 추적 정확도를 입증하였다.

ABSTRACT

This paper investigates real-time control strategies for dynamical systems that involve frictional contact interactions. Hybridness and underactuation are key characteristics of these systems that complicate the design of feedback controllers. In this research, we examine and test a novel feedback controller design on a planar pushing system, where the purpose is to control the motion of a sliding object on a flat surface using a point robotic pusher. The pusher-slider is a simple dynamical system that retains many of the challenges that are typical of robotic manipulation tasks. Our results show that a model predictive control approach used in tandem with integer programming offers a powerful solution to capture the dynamic constraints associated with the friction cone as well as the hybrid nature of the contact. In order to achieve real-time control, simplifications are proposed to speed up the integer program. The concept of Family of Modes (FOM) is introduced to solve an online convex optimization problem by selecting a set of contact mode schedules that spans a large set of dynamic behaviors that can occur during the prediction horizon. The controller design is applied to stabilize the motion of a sliding object about a nominal trajectory, and to re-plan its trajectory in real-time to follow a moving target. We validate the controller design through numerical simulations and experimental results on an industrial ABB IRB 120 robotic arm.

연구 동기 및 목표

• 현재 시스템에서 주로 오픈 루프로 작동하는 마찰 접촉을 수반하는 로봇 조작을 위한 일반적인 피드백 제어 방법론을 개발하는 것.
• 접촉이 풍부한 조작에서 발생하는 하이브리드 동역학(접촉 모드 간 불연속적 전이)과 과도한 자유도(마찰 원추 제약 조건)의 과제를 해결하는 것.
• 가족 모드(FOM) 프레임워크를 통해 혼합 정수 프로그래밍의 해를 가속화하여 실시간 제어를 가능하게 하는 것.
• 단일 접촉점만을 사용하여 노말 궤적 주변에서 운동을 안정화하고, 이동하는 목표를 실시간으로 추적하기 위해 재계획을 수행하는 것.
• 고정밀 운동 추적 성능을 확보하기 위해 실제 산업용 로봇 암에서 제어기를 검증하는 것.

제안 방법

• 밀이-슬라이더 시스템을 분리, 고착, 다방향 슬라이딩과 같은 명확한 접촉 모드를 가진 하이브리드이고 과도한 자유도가 있는 동역학 시스템으로 수식화한다.
• 유한 예측 수평선을 가진 모델 예측 제어(MPC)를 사용하여 마찰 원추 제약 조건을 만족시키면서 제어 입력을 최적화한다.
• 혼합 정수 2차 프로그래밍(MIQP)을 사용하여 이산적 접촉 모드 전이를 명시적으로 모델링하고 마찰 원추 제약 조건을 강제한다.
• 가족 모드(FOM) 프레임워크를 도입하여 핵심 모드 순서를 사전에 식별함으로써, 대표적인 접촉 모드 스케줄링 세트에 대한 볼록 최적화 문제를 풀어 온라인 계산 부담을 감소시킨다.
• 각 시간 단계에서 예측 수평선을 재초기화하고, 현재 상태와 목표 위치에 기반하여 노말 궤적을 업데이트한다.
• ABB IRB 120 로봇 암에서 피드백 제어를 위한 실시간 자세 피드백을 제공하기 위해 Vicon 운동 추적 시스템을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 접촉 동역학과 과도한 자유도를 수반하는 로봇 조작 시스템에 대해 효과적인 피드백 제어를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 혼합 정수 프로그래밍이 마찰 원추 제약 조건과 접촉 모드 전이를 모델링하는 데 있어 실시간 MPC에서 효율적으로 사용될 수 있는가?
• RQ3 복잡한 접촉 동역학을 가진 시스템에서 실시간 제어를 위한 온라인 최적화를 어떻게 가속화할 수 있는가?
• RQ4 가족 모드(FOM) 접근법이 물리적 제약 조건이 존재하는 실제 로봇 밀기 작업에 일반화될 수 있는가?
• RQ5 단일 접촉점으로 인한 밀이가 얼마나 높은 수준의 실시간 안정성과 궤적 재계획을 통해 슬라이딩 물체를 제어할 수 있는가?

주요 결과

• FOM 방법은 혼합 정수 프로그래밍을 사용한 실시간 MPC의 계산 부담을 성공적으로 감소시켜 산업용 로봇 암에서의 실시간 구현을 가능하게 하였다.
• 제어기는 시뮬레이션과 실험 모두에서 10mm 미만의 추적 오차로 슬라이더의 운동을 노말 궤적 주변에서 안정화시켰다.
• 시스템은 연속적으로 세 개의 이동 목표를 성공적으로 추적하였으며, 각 목표 위치로의 수렴 오차가 0.01m 이내로 이루어졌다.
• 제어기는 직관적인 제어 전략을 선택한다—물체를 회전시키기 위해 슬라이딩을 선호하고, 직선으로 밀기 위해 고착 상태로 전환함으로써 인간의 조작 행동을 모방한다.
• 모델링되지 않은 동역학(예: 제어 지연, 마찰 불확실성)이 존재하더라도 피드백 제어기는 강건성을 유지하며 시스템을 목표 궤적으로 유도한다.
• FOM 접근법은 다중 접촉점 또는 외재적 기민성(예: 손 안에서의 조작)을 수반하는 더 복잡한 조작 작업으로의 확장이 가능하며, 이는 손 안에서의 조작 가능성을 보여준다.