[논문 리뷰] Stair Climbing Stabilization of the HRP-4 Humanoid Robot using Whole-body Admittance Control

Stéphane Caron, Abderrahmane Kheddar외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 19.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 43인용 수 142

한 줄 요약

이 논문은 HRP-4 인간형 로봇에서 동적 계단 오르기의 안정성을 높이기 위해 종말점 전략과 질량중심(CoM) 전략을 결합한 전신 허용도 제어기를 제안한다. DCM 피드백 제어와 2차 계획법 기반의 토크 분배를 통해 산업 환경에서 18.5cm 높이의 계단을 안정적이고 실시간으로 오를 수 있도록 하였으며, 제어기는 오픈소스 소프트웨어로 공개되었다.

ABSTRACT

We consider dynamic stair climbing with the HRP-4 humanoid robot as part of an Airbus manufacturing use-case demonstrator. We share experimental knowledge gathered so as to achieve this task, which HRP-4 had never been challenged to before. In particular, we extend walkingstabilization based on linear inverted pendulum tracking by quadratic programming-based wrench distribution and a whole-body admittance controller that applies both end-effector and CoM strategies. While existing stabilizers tend to use either one or the other, our experience suggests that the combination of these two approaches improves tracking performance. We demonstrate this solution in an on-site experiment where HRP-4 climbs an industrial staircase with 18.5 cm high steps, and release our walking controller as open source software.

연구 동기 및 목표

• . HRP-4 인간형 로봇이 산업 환경에서 견고한 동적 계단 오르기를 가능하게 하는 것이 목적이다.
• . 기존 안정화 기법은 일반적으로 종말점 제어 전략이나 질량중심 제어 전략 중 하나만 사용하지만, 둘 다 사용하지 않아 도전적인 계단에서 성능이 제한된다.
• . 종말점 전략과 질량중심 전략을 전신 허용도 제어기를 통해 통합함으로써 추적 성능과 안정성을 향상시키는 것이 목적이다.
• . 연구 목적은 이 제어기를 실제 산업 환경에서, 특히 에어부스(Airbus) 공장에서 구현하는 것이다.
• . 논문은 실험적 지식을 공유하고 보다 넓은 연구 목적을 위해 보행 제어기를 오픈소스로 제공하고자 한다.

제안 방법

• . 제어기는 보행 패턴의 이탈에 따라 필요한 접촉 토크를 계산하기 위해 운동의 분리 성분(DCM) 피드백 제어를 사용한다.
• . 2차 계획법(QP) 솔버를 통해 필요한 토크를 로봇의 접촉점들에 분배하여 안정성과 타당성을 확보한다.
• . 전신 허용도 제어는 종말점 전략과 질량중심 전략을 동시에 적용하여 접촉력과 운동을 조절한다.
• . 시스템은 칼만 필터와 정방향 운동학을 활용하여 관성측정장치(IMU)와 관절 인코더 데이터로부터 유동 기준 상태를 추정하기 위해 DCM 관측기를 사용한다.
• . 보행 패턴은 사전 정의된 발자국 위치를 기반으로 선형 모델 예측 제어(MPC)를 통해 생성되며, ZMP 이격도, 질량중심 속도 오차, 급격한 가속도를 최소화한다.
• . 제어기는 QLD QP 솔버를 사용하여 실시간으로 구현되었으며, 100ms의 샘플링 주기와 0.3 ± 0.1ms의 해법 시간을 기록했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 종말점 전략과 질량중심 전략을 전신 허용도 제어기에서 동시에 사용하면, 각 전략을 별도로 사용할 때보다 계단 오르기 성능이 향상되는가?
• RQ2 . 제안된 제어기는 비정형적인 산업 환경에서 18.5cm 높이의 계단을 안정적이고 동적으로 오를 수 있는가?
• RQ3 . DCM 피드백과 QP 기반의 토크 분배 통합이 동적 보행 실행 중 내구성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 . 실제 인간형 로봇에 적용할 때 전력 소모와 기계적 제약과 같은 주요 실용적 과제는 무엇인가?
• RQ5 . 발목의 비모델링된 유연성과 같은 미모델링된 동역학이 존재하더라도 제어기를 효과적으로 튜닝할 수 있는가?

주요 결과

• . HRP-4 인간형 로봇은 에어부스 샹노아르 공장에서 안전 로프 없이 2주간 현장 테스트를 거쳐 18.5cm 높이의 계단을 안정적으로 오르는 데 성공하였다.
• . 종말점 전략과 질량중심 전략을 통합한 전신 허용도 제어기의 조합은 각 전략를 별도로 사용했을 때보다 추적 성능을 크게 향상시켰다.
• . QLD 솔버를 사용한 QP 기반의 토크 분배는 0.3 ± 0.1ms 내에 해결되어 100ms 샘플링 주기에서 실시간 제어를 가능하게 하였다.
• . 계단 오르기 중 로봇은 최대 13A의 전류를 소모하고, 추정된 최대 전력 소모는 약 750W에 이르렀다.
• . 기계적 제약로 인해 오른발 단일 발로 계단을 오르는 것은 실패했지만, 왼발로는 성공적으로 수행되었다.
• . 제어기는 시뮬레이션과 실제 실험을 통해 코어노이드 동역학 시뮬레이터를 사용하여 검증되었으며, 이는 빠른 개발과 테스트에 필수적이었다.