[논문 리뷰] Online Dynamic Motion Planning and Control for Wheeled Biped Robots

Songyan Xin, Sethu Vijayakumar|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 07.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 휠드 바이피드 로봇을 위한 새로운 온라인 동적 운동 계획 및 제어 프레임워크를 제안한다. 이는 굴림 동작에 대해 하이브리드 카트-선형 역전형 막대 모델(Cart-LIPM)을, 보행 전환에 대해 부족구동 LIPM을 사용한다. 이 방법은 모델 예측 제어와 역운동역학을 통해 실시간 전체 관절 운동 생성을 가능하게 하여, 시뮬레이션에서 처음으로 장애물을 넘는 동적 하이브리드 이동을 성공적으로 구현한다.

ABSTRACT

Wheeled-legged robots combine the efficiency of wheeled robots when driving on suitably flat surfaces and versatility of legged robots when stepping over or around obstacles. This paper introduces a planning and control framework to realise dynamic locomotion for wheeled biped robots. We propose the Cart-Linear Inverted Pendulum Model (Cart-LIPM) as a template model for the rolling motion and the under-actuated LIPM for contact changes while walking. The generated motion is then tracked by an inverse dynamic whole-body controller which coordinates all joints, including the wheels. The framework has a hierarchical structure and is implemented in a model predictive control (MPC) fashion. To validate the proposed approach for hybrid motion generation, two scenarios involving different types of obstacles are designed in simulation. To the best of our knowledge, this is the first time that such online dynamic hybrid locomotion has been demonstrated on wheeled biped robots.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 환경을 이동하는 휠드 바이피드 로봇을 위한 동적이고 온라인 운동 계획을 가능하게 하기 위해.
• 실시간으로 휠드 이동과 다리 보행 전환을 조율하는 도전 과제를 해결하기 위해.
• 굴림과 걷기 동작을 원활하게 통합하는 계층적 제어 프레임워크를 개발하기 위해.
• 다양한 장애물 시나리오를 시뮬레이션을 통해 프레임워크의 유효성 검증하기 위해.

제안 방법

• 안정적인 굴림 동작를 위한 템플릿으로 카트-선형 역전형 막대 모델(Cart-LIPM)을 제안한다.
• 보행 중 접촉 전환을 모델링하고 제어하기 위해 부족구동 LIPM 변종을 도입한다.
• 온라인 궤적 생성을 위한 계층적 모델 예측 제어(MPC) 프레임워크를 활용한다.
• 모든 관절, 특히 휠과의 제어를 정밀한 운동 추적을 위해 역운동역학 기반 전체 관절 제어기를 사용한다.
• 지형 및 장애물 조건에 따라 굴림 모드와 걷기 모드를 전환하는 하이브리드 운동 생성 전략을 설계한다.
• 다양한 유형의 장애물에서의 내구성 테스트를 위해 시뮬레이션 환경에 프레임워크를 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 휠드 바이피드 로봇은 어떻게 효율적인 굴림과 장애물을 넘는 민첩한 걷기 동작을 결합한 동적 이동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 굴림과 다리 보행 간 전환 시 안정적이고 적응 가능한 운동 계획을 위한 제어 모델은 무엇인가?
• RQ3 완전 구동형 휠드 바이피드 로봇에서 MPC와 역운동역학을 사용해 온라인 실시간 운동 계획을 효과적으로 달성할 수 있는가?
• RQ4 시뮬레이션에서 다양한 장애물 구성 조건에서 하이브리드 운동 생성 프레임워크는 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 휠드 바이피드 로봇에서 굴림과 걷기 행동을 통합된 제어 아키텍처에 통합하는 데 실현 가능성이 있는가?

주요 결과

• 제안된 프레임워크는 시뮬레이션에서 휠드 바이피드 로봇의 온라인 동적 운동 계획 및 제어를 성공적으로 구현한다.
• 카트-LIPM 및 부족구동 LIPM 모델은 굴림 및 접촉 전환 역학을 효과적으로 모사한다.
• 계층적 MPC 기반 제어기가 굴림 및 걷기 단계 모두에서 안정적이고 정확한 운동 추적을 달성한다.
• 시스템은 간격과 올라간 장애물과 같은 다양한 장애물 유형을 탐지하고 통과하는 데 뛰어난 성능을 보였다.
• 저자들의 지식으로는 이는 휠드 바이피드 로봇에서 온라인 동적 하이브리드 이동을 처음으로 구현한 사례이다.
• 역운동역학을 통한 휠과 다리 제어의 통합은 조율된 전체 관절 운동을 보장한다.