[논문 리뷰] The Penn Jerboa: A Platform for Exploring Parallel Composition of Templates

Avik De, Daniel E. Koditschek|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 18.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 37인용 수 31

한 줄 요약

펜 제르보는 12自由도의 수동적 유연성 있는 尾を持つ 双腳로, 네 개의 분리된 1自由도 제어기의 병렬 조합을 통해 동적 이동을 가능하게 한다. 수직, 전후, 기울기, 형태 제어 템플릿에 독립적인 피드백 법칙을 적용함으로써, 플랫폼은 안정적인 꼬리 에너지 기반 평면 점프를 달성하며, 실험적 검증을 통해 여러 물리적 구성에서 일관된 한계 순환과 고정된 템플릿 역학을 보였다.

ABSTRACT

We have built a 12DOF, passive-compliant legged, tailed biped actuated by four brushless DC motors. We anticipate that this machine will achieve varied modes of quasistatic and dynamic balance, enabling a broad range of locomotion tasks including sitting, standing, walking, hopping, running, turning, leaping, and more. Achieving this diversity of behavior with a single under-actuated body, requires a correspondingly diverse array of controllers, motivating our interest in compositional techniques that promote mixing and reuse of a relatively few base constituents to achieve a combinatorially growing array of available choices. Here we report on the development of one important example of such a behavioral programming method, the construction of a novel monopedal sagittal plane hopping gait through parallel composition of four decoupled 1DOF base controllers. For this example behavior, the legs are locked in phase and the body is fastened to a boom to restrict motion to the sagittal plane. The platform's locomotion is powered by the hip motor that adjusts leg touchdown angle in flight and balance in stance, along with a tail motor that adjusts body shape in flight and drives energy into the passive leg shank spring during stance. The motor control signals arise from the application in parallel of four simple, completely decoupled 1DOF feedback laws that provably stabilize in isolation four corresponding 1DOF abstract reference plants. Each of these abstract 1DOF closed loop dynamics represents some simple but crucial specific component of the locomotion task at hand. We present a partial proof of correctness for this parallel composition of template reference systems along with data from the physical platform suggesting these templates are anchored as evidenced by the correspondence of their characteristic motions with a suitably transformed image of traces from the physical platform.

연구 동기 및 목표

• 구성 기반 템플릿 설계를 통해 부족한 제어가 가능한 다리 로봇을 위한 모듈형이고 확장 가능한 제어 프레임워크를 개발하기 위해.
• 단일 부족한 제어 플랫폼에서 점프, 점프, 회전과 같은 다양한 이동 행동을 제어기 조합을 통해 가능하게 하기 위해.
• 추상화된 1自由도 기준 식물용 단순한 분리된 제어기들이 병렬로 조합되어 안정적인 고수준 이동 행동을 유도할 수 있는지 검증하기 위해.
• 제약된 물리 실험을 통해 추상 제어 템플릿을 물리적 로봇 역학에 실제로 고정시키기 위해.
• 병렬 조합된 이동 템플릿의 안정성에 대한 공식적 검증 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 플랫폼은 네 개의 독립된 1自由도 피드백 법칙을 사용하며, 각각 수직 운동, 전후 속도, 기울기, 몸체 형태를 나타내는 핵심 이동 구성 요소를 나타내는 추상 기준 식물을 안정화한다.
• 각 제어기는 물리 시스템에 병렬로 적용되며, 제어 법칙 간에 결합이 없어 모듈형 설계와 재사용이 가능하다.
• 템플릿 고정을 테스트하기 위해 로봇은 세 가지 구성으로 물리적으로 제약된다: 꼬리가 있는 수직 점프어, 꼬리가 있는 점질량 점프어, 완전히 해제된 꼬리가 있는 평면 점프어.
• 제어 아키텍처는 물리적 제약에 영향을 받지 않으며, 오직 네 개의 제어기 출력의 외적 곱을 통해 모터 신호를 생성한다.
• 하이브리드 제로 역학에 기반한 프레임워크를 사용하여 시스템을 모델링하며, 템플릿은 전체 시스템 역학의 안정적 불변 부분다양체로 정의된다.
• 안정성은 병렬 조합의 부분적 정당성 증명을 통해 분석되며, 물리적 점프에서의 경험적 데이터로 지지된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 부족한 제어 로봇이 단순하고 분리된 1自由도 제어기의 조합을 통해 다양한 동적 이동 행동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 로봇이 물리적으로 다양한 구성으로 제약될 때, 추상적인 1自由도 제어 템플릿이 물리적 시스템 역학에 여전히 고정되는가?
• RQ3 독립적이고 증명된 안정성 있는 제어기들의 병렬 조합이 안정적인 고수준 이동 행동, 예를 들어 꼬리 에너지 기반 점프를 유도하는 데에 충분한가?
• RQ4 추상 템플릿의 특성 운동이 물리 실험에서 변환된 트레이스와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 이러한 구성 기반 제어 프레임워크는 실제 세계의 완벽하게 모델링되지 않은 시스템에서 실용적인 한계가 무엇인가?

주요 결과

• 꼬리가 있는 점질량 점프어 구성에서, 로봇은 20보 이상의 안정적인 전진 점프를 제어 속도로 달성했으며, 공간 제약 이외에는 제한 없이 작동했다.
• 완전히 해제된 시스템은 실패 전 약 10보 정도 점프했으며, 주로 질량 중심의 정렬 오류로 인해 설계 가정을 위반했기 때문이다.
• 경험적 데이터는 세 가지 제약된 구성 모두에서 일관된 수직 한계 순환을 보였으며, 안정적인 착지 지속 시간과 거의 일정한 정상 높이를 나타냈다.
• 허리 각도 역학은 착지 기간 동안 약 일정한 가속도를 보였으며 ($\ddot{\theta}_1 \approx 0$), 이는 모델의 가정을 지지했다.
• 형태 좌표는 착지 기간에 불안정해졌고, 비행 기간에 안정화되었으며, 꼬리 기반 에너지 주입의 설계 목표와 일치했다.
• 기울기 편향은 크기가 작았고 이론적 예측과 일치하여 몸체 자세의 효과적인 안정화가 이루어졌음을 나타냈다.