[논문 리뷰] Multi-contact Walking Pattern Generation based on Model Preview Control of 3D COM Accelerations

Stéphane Caron, Abderrahmane Kheddar|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 29.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 21인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 3차원 질량중심(COM) 가속도의 프리뷰 제어를 사용하여 실시간 다중 접촉 보행 패턴 생성기를 제안한다. 마찰 원뿔을 이중 2차원 점으로 재구성함으로써, O(n log n) 시간 내에 볼록 다각형을 통한 접촉 안정성 제약 조건을 계산하여, HRP-4 인간형 로봇이 불규칙한 지면에서 동적 보행을 위한 모델 예측 제어에서 전역 경로 안정성 검사를 효율적으로 수행할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

We present a multi-contact walking pattern generator based on preview-control of the 3D acceleration of the center of mass (COM). A key point in the design of our algorithm is the calculation of contact-stability constraints. Thanks to a mathematical observation on the algebraic nature of the frictional wrench cone, we show that the 3D volume of feasible COM accelerations is a always a downward-pointing cone. We reduce its computation to a convex hull of (dual) 2D points, for which optimal O(n log n) algorithms are readily available. This reformulation brings a significant speedup compared to previous methods, which allows us to compute time-varying contact-stability criteria fast enough for the control loop. Next, we propose a conservative trajectory-wide contact-stability criterion, which can be derived from COM-acceleration volumes at marginal cost and directly applied in a model-predictive controller. We finally implement this pipeline and exemplify it with the HRP-4 humanoid model in multi-contact dynamically walking scenarios.

연구 동기 및 목표

• 복잡하고 불규칙한 지면에서 다수의 접촉을 가진 인간형 로봇이 보행할 수 있는 실시간 보행 패턴 생성기를 개발하는 것.
• 마찰 제약 조건 하에서 3차원 가능 COM 가속도 부피를 계산하는 데 발생하는 계산 병목 현상을 해결하는 것.
• 시간에 따라 변화하는 COM 가속도 제약 조건에서 시간 전역 접촉 안정성 기준을 유도하는 것.
• 실시간 동적 보행을 위한 견고한 보행 제어를 위해 이 방법을 모델 예측 제어 프레임워크에 통합하는 것.
• 슬로프가 있는 계단과 항공기 모의 구조물 등 도전적인 시나리오에서 HRP-4 인간형 로봇을 대상으로 방법을 검증하는 것.

제안 방법

• 이 방법은 접촉 법선에 수직인 평면 내에서 3차원 마찰 원뿔을 이중 2차원 점의 집합으로 재구성한다.
• 이러한 이중 점들의 볼록 다각형으로 가능한 COM 가속도 부피를 계산함으로써, 3차원 원뿔 계산 문제를 O(n log n) 볼록 다각형 문제로 환원한다.
• 결과적으로 유도된 3차원 가능한 COM 가속도 원뿔은 항상 위를 향하고 있으며, 프리뷰 시간 창 동안 효율적으로 교차 가능하다.
• 프리뷰 창 전역에서 COM 가속도 원뿔의 교차를 통해 보수적인 전역 경로 접촉 안정성 기준을 도출한다.
• 이 알고리즘은 우선순위가 부여된 2차 프로그래밍을 통해 관절 속도를 생성하는 모델 예측 제어 파이프라인에 통합된다.
• 이 방법은 복잡한 보행 작업 시뮬레이션을 통해 HRP-4 인간형 로봇을 대상으로 구현 및 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 접촉 보행을 위한 실시간으로 3차원 마찰 제약 조건 하에서 가능한 COM 가속도 부피를 어떻게 효율적으로 계산할 수 있는가?
• RQ2 마찰 원뿔의 대수적 구조를 활용하여 접촉 안정성 분석의 계산 복잡도를 낮출 수 있는가?
• RQ3 시간에 따라 변화하는 COM 가속도 제약 조건에서 시간 전역 접촉 안정성 기준을 어떻게 도출할 수 있는가?
• RQ4 이 방법을 불규칙한 지면에서의 실시간 모델 예측 제어 프레임워크에 통합할 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 기울기 있는 계단이나 비정규적으로 배치된 타일과 같은 도전적인 다중 접촉 시나리오에서 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 마찰 제약 조건 하에서 가능한 3차원 COM 가속도 부피는 항상 위를 향한 원뿔이 되며, 이는 기하학적 분석을 효율적으로 가능하게 한다.
• 이 원뿔의 계산은 이중 점들의 2차원 볼록 다각형으로 환원되어 O(n log n) 복잡도를 달성하며 실시간 평가가 가능해진다.
• 이 방법은 프리뷰 시간 창 동안 COM 가속도 원뿔의 효율적 교차를 가능하게 하여 보수적인 전역 경로 접촉 안정성 기준을 도출한다.
• 이 접근법은 복잡한 지형, 특히 무작위로 기울인 계단이 있는 기울기 있는 원형 계단에서도 안정적인 동적 보행 운동을 가능하게 한다.
• HRP-4 인간형 로봇은 불규칙하고 제거 가능한 타일이 있는 3D A350 항공기 모의 구조물과 26단계의 기울기 있는 계단을 성공적으로 통과하였으며, 모든 시간 단계에서 접촉 안정성이 검증되었다.
• 모든 소스 코드는 공개되어 있어 재현성과 향후 로봇 제어 시스템에의 통합을 지원한다.