[논문 리뷰] Performance satisfaction in Harpy, a thruster-assisted bipedal robot

Pravin Dangol, Alireza Ramezani외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 29.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 25인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 펌프를 보조로 사용하는 이족보행 로봇 Harpy의 안정적이고 주기적인 보행을 달성하기 위해 단일 지지(스스) 단계에서 기준 가속도 기반 궤적 정밀 조정과 이중 지지(DS) 단계에서 펌프를 이용한 모델 예측 제어(MPC)를 융합한 하이브리드 제어 전략을 제안한다. 이 방법은 충격에 의한 이격으로 인한 편차에도 불구하고 성능 만족과 하이브리드 불변성을 보장하며, 펌프를 통한 과제어를 통해 액추에이터 및 마찰 제약 조건 하에서도 안정적인 보행을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We will report our efforts in designing feedback for the thruster-assisted walking of a bipedal robot. We will assume for well-tuned supervisory controllers and will focus on fine-tuning the desired joint trajectories to satisfy the performance being sought. In doing this, we will devise an intermediary filter based on the emerging idea of reference governors. Since these modifications and impact events lead to deviations from the desired periodic orbits, we will guarantee hybrid invariance in a robust fashion by applying predictive schemes within a short time envelope during the double support phase of a gait cycle. To achieve the hybrid invariance, we will leverage the unique features in our robot, i.e., the thruster.

연구 동기 및 목표

• 액추에이터 제약 조건과 외란에 대응하여 펌프를 추가 제어 입력으로 활용함으로써 이족보행의 안정성을 향상시키기.
• 충격 발생 시점과 보행 전환 과정에서 성능 제약 조건과 하이브리드 불변성을 유지를 위한 과제 해결하기.
• 실시간 최적화를 피하기 위해 단일 지지 단계에서의 계산 비용을 줄이고, 궤적 정밀 조정을 위한 기준 가속도 기반 제어를 도입하기.
• 짧은 이중 지지 단계를 예측 보정을 위한 제어 창으로 활용하여 충격 후 동역학을 안정화하기.
• 마찰력과 법선력 제약 조건을 만족시키면서 안정적인 한계 순환을 달성하기.

제안 방법

• 단일 지지(스스) 단계에서 하이브리드 제로 동역학(HZD) 프레임워크를 사용하여 안정적인 보행 궤적 설계.
• 등가 가변 길이 역파운드 펜듈럼(VLIP) 모델에 명시적 기준 가속도 기반 제어기(ERG)를 적용하여 액추에이터 제약 조건과 성능 제약 조건을 강제 적용.
• VLIP 모델에서 유도된 제약 조건을 가진 제어 입력을 전체 5-DOF 스페스 동역학으로 매핑하여 구현.
• 10ms 이중 지지(DS) 단계 동안 비선형 모델 예측 제어(NMPC) 기반 제어 전략을 구현하여 충격 후 편차를 보정.
• DS 단계 동안 펌프를 활용해 추가 제어 권한을 확보함으로써 상태 편차를 보정하고 하이브리드 불변성을 확보.
• NMPC 수식에 마찰력과 법선력 제약 조건을 통합하여 지면 접촉 안정성과 안정성 확보.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제한된 액추에이터와 빠른 동역학을 가진 이족보행 로봇이 실시간으로 성능 제약 조건을 만족시킬 수 있는가?
• RQ2 기준 가속도 기반 접근법이 고비용의 실시간 최적화 없이도 액추에이터 제한 조건을 준수하는 동시에 원하는 관절 궤적을 정밀 조정하는 데 효과적인가?
• RQ3 이중 지지 단계를 충격에 의한 편차를 보정하고 하이브리드 불변성을 확보하기 위한 제어 창으로 효과적으로 활용할 수 있는가?
• RQ4 외부 외란 상황에서 펌프를 통해 이족보행의 안정성과 제약 조건 만족도가 얼마나 향상될 수 있는가?
• RQ5 HZD 기반 보행 설계와 DS 단계에서의 예측 제어를 조합하면 물리적 제약 조건을 만족하면서도 안정적이고 주기적인 보행을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 제어 전략은 0차 동역학 상태의 단계도에서 일관된 한계 순환 행동을 보이며, 5단계의 시뮬레이션 보행에서 안정적이고 주기적인 보행을 달성했다.
• 관절 각도 및 속도 궤적(그림 5 및 6)은 주기성과 부드러운 전이를 보이며, 성공적인 보행 추적과 안정화를 나타냈다.
• 10ms 이중 지지 단계에서 NMPC 기반 제어가 충격 후 편차를 효과적으로 보정하였으며, 상태가 원하는 제로 동역학 다양체로 수렴하는 것으로 확인되었다.
• 마찰 제약 조건은 DS 단계 全 구간에서 충족되었으며, 그림 8에 나타나 있듯이 접선력 대 법선력 비율이 정적 마찰 계수 이하로 유지되었다.
• 펌프를 통해 중력과 액추에이터만으로는 달성할 수 없는 높은 법선력(예: 앞다리에서의 법선력)을 확보할 수 있었으며, 그림 9에서 이를 확인할 수 있었고, 이는 과제어와 안정성 확보에 기여함을 보여주었다.
• ERG가 수정한 제어 입력(그림 10 및 11)은 액추에이터 제한 범위 내에 유지되었으며, 궤적 정밀 조정 접근법의 실현 가능성과 제약 조건 만족도가 확인되었다.