[논문 리뷰] Underactuated Motion Planning and Control for Jumping with Wheeled-Bipedal Robots

Hua Chen, Bingheng Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 11.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 31인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 휠드-스프링로드 인verted 펜듈럼(W-SLIP) 모델을 도입하여 휠드-바이페이달 로봇의 점프 동작을 위한 계층적 운동 계획 및 제어 프레임워크를 제안한다. 미분 평탄성 유사 성질을 활용하여 지면 단계와 비행 단계의 계획을 위한 이차형식 프로그래밍(QP)을 수립하고, 외란 관측기 기반 복합 제어기를 통합하여 정밀한 궤적 추적을 실현함으로써, 다양한 조건(다양한 높이, 경사진 착지 등)에서 성공적인 시뮬레이션 기반 점프를 가능하게 한다.

ABSTRACT

This paper studies jumping for wheeled-bipedal robots, a motion that takes full advantage of the benefits from the hybrid wheeled and legged design features. A comprehensive hierarchical scheme for motion planning and control of jumping with wheeled-bipedal robots is developed. Underactuation of the wheeled-bipedal dynamics is the main difficulty to be addressed, especially in the planning problem. To tackle this issue, a novel wheeled-spring-loaded inverted pendulum (W-SLIP) model is proposed to characterize the essential dynamics of wheeled-bipedal robots during jumping. Relying on a differential-flatness-like property of the W-SLIP model, a tractable quadratic programming based solution is devised for planning jumping motions for wheeled-bipedal robots. Combined with a kinematic planning scheme accounting for the flight phase motion, a complete planning scheme for the W-SLIP model is developed. To enable accurate tracking of the planned trajectories, a linear quadratic regulator based wheel controller and a task-space whole-body controller for the other joints are blended through disturbance observers. The overall planning and control scheme is validated using V-REP simulations of a prototype wheeled-bipedal robot.

연구 동기 및 목표

• 자기 조절 불가능한 휠드-바이페이달 로봇에서 민첩한 동작을 위한 종합적인 계획 및 제어 전략의 부족을 해결하기 위해.
• 점프 중 비행 단계와 지면 단계 간 전이를 처리할 수 있는 통합된 운동 계획 프레임워크를 개발하기 위해.
• 휠드-바이페이달 로봇의 지면 단계에서 발생하는 자기 조절 불가능한 동역학적 특성에 의해 발생하는 과제를 극복하기 위해.
• 모델-액추에이터 불일치 및 외란이 존재하는 상황에서도 고정밀 궤적 추적을 가능하게 하기 위해.
• 기본적인 점프 시나리오 외에도 경사진 착지 포함 다양한 점프 시나리오에서 시뮬레이션된 휠드-바이페이달 로봇을 대상으로 프레임워크를 검증하기 위해.

제안 방법

• 점프 중 휠드-바이페이달 로봇의 핵심 역학을 포착하기 위해 휠드-스프링로드 인verted 펜듈럼(W-SLIP) 모델을 도입한다.
• W-SLIP 모델의 미분 평탄성 유사 성질을 활용하여 지면 단계에 대한 이차형식 프로그래밍(QP) 기반의 계획을 가능하게 한다.
• 비행 단계 계획을 위해 W-SLIP의 운동학적 모델을 사용하여 또 다른 QP 수식을 적용하여 부드러운 전이를 보장한다.
• 휠 제어를 위한 선형 제곱형규칙(LQR)과 나머지 관절을 위한 작업공간 전체 몸통 제어기를 조합한 외란 관측기 기반 복합 제어기를 설계한다.
• 착지 시 휠 속도를 기반으로 한 스위칭 논리를 구현하여 지면 단계 계획을 유도한다.
• SUSTech Nezha 로봇을 대상으로 10 Hz 샘플링 주기로 V-REP 시뮬레이션을 통해 전체 프레임워크를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기 조절 불가능한 휠드-바이페이달 로봇의 역학적 특성을 점프 운동 계획에 효과적으로 모델링할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 W-SLIP 모델 내에 존재하는 미분 평탄성 유사 성질이 이차형식 프로그래밍을 통한 효율적이고 실현 가능한 궤적 계획을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 비행 단계의 운동 계획은 지면 단계 계획과 어떻게 통합되어 안정적인 이륙과 착지를 보장할 수 있는가?
• RQ4 외란 관측기를 포함한 복합 제어기가 모델 정확도 부족으로 인한 오차가 존재하는 상황에서도 계획된 궤적을 정확히 추적할 수 있는가?
• RQ5 제안된 프레임워크는 다양한 초기 속도와 목표 점프 높이에 대해 얼마나 강건하고 성능가변 범위가 넓은가?

주요 결과

• 제안된 W-SLIP 모델은 점프 중 휠드-바이페이달 로봇의 핵심 역학을 효과적으로 포착하여 계획에 유용하게 기여한다.
• QP 기반 계획 방식은 상태 공간 내 광범위한 안정 영역을 커버하며, 기울기 각도, 기울기 속도, 다리 길이 변화율이 모두 높을 경우에만 실패하는 경향이 있다.
• SUSTech Nezha 로봇에 대한 시뮬레이션 결과, 중심질량 최고점 높이가 0.8 m에서 1.4 m 사이의 목표값을 갖는 점프가 성공적으로 수행되었다.
• 초기 전진 속도가 0.5 m/s, 1.0 m/s, 1.5 m/s일 경우에도 성공적인 점프가 이루어져 속도 변화에 대한 강건성을 확인하였다.
• 5° 경사면에서의 성공적인 점프가 달성되어, 비균일한 지면 조건에 대한 프레임워크의 강건성을 입증하였다.
• 실제로 달성된 최고점 높이는 목표값보다 약간 낮게 나타났다(예: 목표 1.4 m, 실제 낮음), 이는 W-SLIP 모델과 전체 다관절 로봇 모델 간의 불일치에서 기인한다.