[논문 리뷰] Robust Bipedal Locomotion Control Based on Model Predictive Control and Divergent Component of Motion

Milad Shafiee, Aghil Yousefi‐Koma외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 28.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 17인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 중심압력(CoP) 조작, 스텝 조정, 중심운동량피봇(cmp) 조절을 통합하여 안정적인 이족보행을 가능하게 하는 통합된 모델 예측 제어(MPC) 프레임워크를 제안한다. 시간에 따라 변하는 운동분리성분(DCM)을 활용함으로써, 비균일한 지면에서의 외란 저항 능력이 향상되고, 극한의 밀치기 상황에서도 최신 기술보다 뛰어난 성능을 보이며, 시뮬레이션 결과 횡방향 및 전방 방향으로 각각 최대 260 N 및 220 N의 밀치기 상황에서도 복구함을 입증하였다.

ABSTRACT

In this paper, previous works on the Model Predictive Control (MPC) and the Divergent Component of Motion (DCM) for bipedal walking control are extended. To this end, we employ a single MPC which uses a combination of Center of Pressure (CoP) manipulation, step adjustment, and Centroidal Moment Pivot (CMP) modulation to design a robust walking controller. Furthermore, we exploit the concept of time-varying DCM to generalize our walking controller for walking in uneven surfaces. Using our scheme, a general and robust walking controller is designed which can be implemented on robots with different control authorities, for walking on various environments, e.g. uneven terrains or surfaces with a very limited feasible area for stepping. The effectiveness of the proposed approach is verified through simulations on different scenarios and comparison to the state of the art.

연구 동기 및 목표

• 다양한 환경과 외란을 다룰 수 있는 통합적이고 안정적이며 유연한 보행 제어기를 개발한다.
• 기존의 CoP 또는 스텝 배치에만 의존하는 DCM 기반 MPC 제어기의 한계를 보완하기 위해, 다중 제어 입력을 통합한다.
• 스텝 조정이 불가능한 상황(예: 작은 또는 불안정한 접촉 표면)에서도 효과적인 외란 저항 능력을 확보한다.
• 보행 중 중심질량(CoM) 높이의 변화를 고려하여 DCM 기반 제어를 확장함으로써 궤적의 매끄러움과 안정성을 향상시킨다.
• 최신 기술의 MPC 및 DCM 기반 제어기와 비교해 외란 저항 능력과 액추에이터 효율성 측면에서 뛰어난 성능을 입증한다.

제안 방법

• CoP 위치, 스텝 위치, CMP(중심운동량)를 동시에 제어할 수 있는 단일 MPC 프레임워크를 수립하여 안정적인 보행 패턴을 생성한다.
• 비균일 지면에서의 보행 중 중심질량의 수직 높이 변화를 모델링하기 위해 시간에 따라 변하는 운동분리성분(DCM)을 도입한다.
• DCM 동역학을 활용해 향후 중심질량 행동을 예측하고, MPC 최적화 문제 내 안정성 제약 조건을 강제한다.
• ZMP(제로 모멘트 포인트) 및 지지 다각형 경계에 대한 부등식 제약 조건을 통합하여 물리적 실현 가능성을 확보한다.
• 스텝 조정이 불가능한 상황에서 균형 복구를 위해 CMP 조절을 제어 입력으로 도입한다.
• DCM 높이 조정을 위한 역시간 적분 방법을 대체하여, 궤적 불연속성을 방지하기 위해 직접적인 시간에 따라 변하는 DCM 수식을 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 MPC 프레임워크가 중심압력 조작, 스텝 조정, CMP 조절을 효과적으로 통합하여 이족보행의 외란 저항 능력을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 고정된 높이의 DCM 모델에 비해 시간에 따라 변하는 DCM을 사용할 경우, 비균일 지면에서의 제어 성능 향상 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 스텝 조정이 불가능한 상황에서 CMP 조절이 균형 복구 능력에 상당한 기여를 할 수 있는가?
• RQ4 기존의 MPC 기반 DCM 제어기와 비교해 본다면, 제안된 방법은 최대 복구 가능한 외란 크기 측면에서 어떤 성능을 보이는가?
• RQ5 역시간 적분을 피하는 것이 DCM 궤적의 매끄러움과 수치적 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 제어기는 횡방향 및 전방 방향으로 각각 최대 260 N 및 220 N의 힘을 받는 상황에서도 성공적으로 복구되었으며, 최신 기술의 140 N 및 200 N의 한계를 크게 초월하였다 [17, 5].
• 스텝 조정 거리가 짧아졌는데, 전진 4.8 cm, 외측 0.05 cm로, [17, 5]에서 제약된 5.5 cm 및 0.1 cm의 한계를 초과하지 않아 액추에이터 포화를 방지하였다.
• CMP 조절을 통해 스텝 조정이 불가능한 상황에서도 균형 복구가 가능했으며, 중심압력이 발 가장자리에 유지된 상태에서 90 N·m/s의 중심운동량을 생성하였다.
• 시간에 따라 변하는 DCM 수식은 다수의 예측 스텝이 필요한 상황에서 발생하는 역시간 적분 방법의 DCM 궤적 불연속성을 제거하였다.
• 시뮬레이션 결과, 비균일 지면 및 제한된 스텝 영역을 포함한 다양한 상황에서도 제어기가 안정성과 실현 가능성을 유지함을 입증하였다.
• 통합된 MPC 프레임워크는 최신 기술 대비 뛰어난 안정성과 인간과 유사한 외란 반응을 보이며, 발목, 허리, 스텝 전략을 하나의 제어 아키텍처 안에서 효과적으로 통합하였다.