[논문 리뷰] Stanford Pupper: A Low-Cost Agile Quadruped Robot for Benchmarking and Education

Nathan Kau|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 02.

Robotic Locomotion and Control인용 수 6

한 줄 요약

Stanford Pupper는 접근성 있고 재현 가능한 다리 달린 로봇 연구를 위한 오픈소스이자 저비용의 4족 보행 로봇으로, 토크 제어가 가능한 브러시리스 모터를 탑재하고 총 제작 비용은 2000달러 이하입니다. 표준화된 스프린트 및 스카매블 작업을 통해 재현 가능한 벤치마크 평가를 가능하게 하며, 다양한 기관에서 별도로 제작된 단위들 간에 일관된 동적 보행 성능을 달성하는 데_REFERENCE 컨트롤러를 구현하고 있습니다.

ABSTRACT

We present Stanford Pupper, an easily-replicated open source quadruped robot designed specifically as a benchmark platform for legged robotics research. The robot features torque-controllable brushless motors with high specific power that enable testing of impedance and torque-based machine learning and optimization control approaches. Pupper can be built from the ground up in under 8 hours for a total cost under $2000, with all components either easily purchased or 3D printed. To rigorously compare control approaches, we introduce two benchmarks, Sprint and Scramble with a leader board maintained by Stanford Student Robotics. These benchmarks test high-speed dynamic locomotion capability, and robustness to unstructured terrain. We provide a reference controller with dynamic, omnidirectional gaits that serves as a baseline for comparison. Reproducibility is demonstrated across multiple institutions with robots made independently. All material is available at https://stanfordstudentrobotics.org/quadruped-benchmark.

연구 동기 및 목표

• 다리 달린 로봇 연구를 위한 접근성 있고 재현 가능하며 고성능의 하드웨어 플랫폼 부족 문제를 해결하기 위해.
• 저비용 오픈소스 설계를 통해 학습 및 최적화 기반 제어 방법의 광범위한 도입을 가능하게 하기 위해.
• 기관 간 공정하고 반복 가능한 제어 알고리즘 비교를 위한 표준화된 벤치마크(Sprint 및 Scramble)를 수립하기 위해.
• 고등학교 및 학부생들이 민첩하고 토크 제어가 가능한 4족 로봇을 제작하고 실험할 수 있도록 교육적 환원 활동을 지원하기 위해.
• 투명하고 토크 제어가 가능한 액추에이터를 사용하여 정확한 물리 모델링을 구현함으로써 시뮬레이션에서 실제 환경으로의 전이 가능성 확보를 위해.

제안 방법

• 로봇은 정밀한 토크 추적을 가능하게 하기 위해 통합된 전류 제어 기능을 갖춘 12개의 고특성 출력 브러시리스 DC 모터를 사용하며, 정확한 시뮬레이션-현실 전이를 가능하게 합니다.
• 모든 기계적 부품은 3D 프린팅 또는 오프더섀프 부품을 사용하여 비용 절감과 신속한 복제를 가능하게 합니다.
• 기준 컨트롤러는 발자국 궤적 생성기와 함께 작업 공간 인터런스 제어를 구현하여 동적이고 전방위적 보행을 생성합니다.
• 스프린트 벤치마크는 5미터 거리에서의 최대 전진 속도를 측정합니다; 스카매블은 두 개의 장애물을 넘는 데 걸리는 시간을 측정합니다.
• 스탠퍼드 스타던트 로보틱스에서 운영하는 중앙집중식 벤치마크 플랫폼이 랭킹을 유지하고 일관된 평가 프로토콜을 보장합니다.
• 스탠퍼드, MIT, 워체스터 공과대학에서 별도로 제작된 세 대의 Pupper 단위를 통해 재현 가능성 검증을 수행했습니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용 오픈소스 4족 로봇이 Anymal 및 MIT Cheetah 3와 같은 고성능 플랫폼과 비교해 유사한 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 토크 제어가 가능한 브러시리스 모터 시스템이 다리 달린 로봇 제어에서 신뢰할 수 있는 시뮬레이션-현실 전이를 얼마나 잘 실현할 수 있는가?
• RQ3 표준화된 벤치마크(Sprint 및 Scramble)가 별도로 제작된 로봇 간에 일관되고 재현 가능한 성능 비교를 가능하게 하는가?
• RQ4 기본 컨트롤러의 성능은 실제 지형에서 별도로 조립된 여러 대의 Pupper 로봇 간에 어떻게 변화하는가?
• RQ5 저비용 오픈소스 플랫폼이 교육적 환원 활동과 학생 주도의 로봇 연구를 효과적으로 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 기본 컨트롤러는 평탄한 지면에서 안정적인 전진 속도 0.8 m/s, 횡방향 속도 0.4 m/s, 회전 속도 2.5 rad/s를 달성했습니다.
• 스프린트 벤치마크는 세 대의 별도로 제작된 Pupper 로봇에서 평균 점수 0.66을 기록했으며, 표준편차는 0.025였습니다.
• 스카매블 벤치마크는 한 대의 로봇에서 다수의 시험을 거쳐 평균 시간 34.6초, 표준편차 4.3초를 기록했습니다.
• 세 대의 별도로 제작된 Pupper 로봇 모두 낮은 상대 오차 범위 내에서 반복 가능한 벤치마크 점수를 보이며 높은 재현성 확인했습니다.
• 모든 로봇은 자갈, 젖은 지면, 눈, 기울어진 잔디 등 다양한 비정형 지형에서 동적 보행을 성공적으로 수행했으며, 예상치 못한 낙하 상황에서도 회복력 있는 성능를 보였습니다.
• 스프린트 벤치마크 기간 동안 세 대의 로봇 간 전기 전력 소비가 매우 유사하여 기계적 및 제어 시스템의 신뢰성 높은 성능을 입증했습니다.