[논문 리뷰] Humanoid Control Under Interchangeable Fixed and Sliding Unilateral Contacts

Saeid Samadi, Julien Roux외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 04.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 42인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 비공면 다중접촉 상황에서 고정 및 슬라이딩 단일 접촉 간의 원활한 전환을 가능하게 하는 인간형 로봇을 위한 실시간 전신 제어 프레임워크를 제안한다. 중심질량(CoM) 위치와 외력 분포를 체비셰프 중심 기반의 2차 계획법으로 공식화함으로써, 균형 영역의 고비용 사전 계산을 피하고 전환 중에도 능동적 동적 균형을 확보한다. 이는 HRP-4에서 힘 추적 및 복잡한 작업에서의 접촉 모드 전환을 통해 입증되었다.

ABSTRACT

In this letter, we propose a whole-body control strategy for humanoid robots in multi-contact settings that enables switching between fixed and sliding contacts under active balance. We compute, in real-time, a safe center-of-mass position and wrench distribution of the contact points based on the Chebyshev center. Our solution is formulated as a quadratic programming problem without a priori computation of balance regions. We assess our approach with experiments highlighting switches between fixed and sliding contact modes in multi-contact configurations. A humanoid robot demonstrates such contact interchanges from fully-fixed to multi-sliding and also shuffling of the foot. The scenarios illustrate the performance of our control scheme in achieving the desired forces, CoM position attractor, and planned trajectories while actively maintaining balance.

연구 동기 및 목표

• 비공면 다중접촉 구성에서 고정 및 슬라이딩 접촉 간 전환 중에도 동적 균형을 유지하는 데 도전하는 문제를 해결한다.
• GIWC나 CoM-지지 다면체와 같은 전통적 균형 영역 방법의 계산 부담을 줄이기 위해 사전 계산을 피함으로써 이를 극복한다.
• 모든 접촉—고정 및 슬라이딩—이 힘 작업과 동적 균형에 공동 기여하도록 하여, 좁거나 복잡한 환경에서의 로봇 민첩성을 향상시킨다.
• 사용자가 정의한 접촉 모드 간의 실시간 전환을 지원하는 제어 프레임워크를 개발한다. 이는 접촉 제거 및 재설립을 포함한다.
• 슬라이딩 운동 중 동적 마찰 계수를 적응적으로 갱신하기 위해 온라인 마찰 추정을 통합하여 힘 추적 및 안정성 향상에 기여한다.

제안 방법

• 체비셰프 중심을 사용하여 안전한 CoM 위치와 접촉 외력 분포를 계산하는 1개의 2차 계획법(QP) 최적화로 전신 제어 문제를 공식화한다.
• 슬라이딩 및 고정 접촉 단계 동안 종단기구와 발의 목표 궤적 및 정규력 추적을 위해 작업공간 전신 유연성 제어를 사용한다.
• 정규력이 임계값을 초과할 때만 동적 마찰 계수를 갱신하는 온라인 마찰 추정 알고리즘을 구현하여 슬라이딩 중 안정성 향상에 기여한다.
• 체비셰프 중심을 사용하여 외부 외력과 마찰 원뿔 제약 조건 하에서 안정성을 보장하는 CoM에 대한 최대 안정 영역을 정의한다.
• 실시간으로 안정적인 CoM 및 외력 해를 직접 최적화함으로써, GIWC나 지지 다면체와 같은 복잡한 균형 영역의 명시적 계산을 피한다.
• mc_rtc 실시간 제어 프레임워크에 이 방법을 통합하여 QP의 평균 계산 시간이 0.2 ms이고 전체 파이프라인은 1 ms로, 5 ms 제어 주기 이내에 잘 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비공면 다중접촉 구성에서 고정 및 슬라이딩 단일 접촉 간 전환 중 인간형 로봇이 어떻게 동적 균형을 유지할 수 있는가?
• RQ2 실시간 제어에서 계산 비용이 많이 드는 균형 영역 계산(GIWC나 CoM-지지 다면체 등)을 대체할 수 있는 단일이고 빠른 최적화 공식화가 가능한가?
• RQ3 슬라이딩 접촉이 수동적 또는 외부 간섭으로 간주되는 것과는 달리, 힘 작업과 균형에 능동적으로 기여할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 온라인 마찰 추정은 장시간 슬라이딩 운동 중 힘 추적 및 안정성 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 복잡한 다중접촉 상황에서 고정 및 슬라이딩 접촉 모드 간의 수요에 따라 전환이 가능한 통합 제어 프레임워크의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 체비셰프 중심 기반 QP 공식화는 균형 영역의 사전 구축 없이 실시간으로 안전한 CoM 위치와 외력 분포를 계산할 수 있게 하여 계산 오버헤드를 감소시킨다.
• 시스템은 HRP-4 인간형 로봇에서 고정에서 다중 슬라이딩으로의 전환, 발 쇄기 동작 등 고정 및 슬라이딩 접촉 모드 간 전환을 성공적으로 시연하였다.
• 공동 닦기 작업 중 종단기구의 힘 추적은 오른손의 목표값 10 N과 왼손의 목표값 15 N을 정확하게 제어하였으며, 환경적 불확실성으로 인한 미세한 차이가 존재하였다.
• 경사면에서 왼쪽 발의 쇄기 운동은 안정적인 정규력 추적을 보였으며, 방향 전환에 의해 발생하는 진동이 관찰되었고, 힘 및 CoM 궤적 데이터로 확인되었다.
• 체비셰프 QP의 평균 계산 시간은 0.2 ms이며, 전체 제어 프레임워크는 1 ms로, 모두 mc_rtc 프레임워크의 5 ms 실시간 제어 주기 이내에 잘 맞춘다.
• 온라인 마찰 추정은 슬라이딩 중 동적 마찰 계수를 성공적으로 적응적으로 갱신했으며, 그림 9에 나타난 바와 같이 초기 추정값에서 수렴하는 경향을 보였고, 접촉 전환 중 안정성 향상에 기여하였다.