[논문 리뷰] A Letter on Progress Made on Husky Carbon: A Legged-Aerial, Multi-modal Platform

Adarsh Salagame, Shoghair Manjikian외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 25.

Robotic Locomotion and Control인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다리로 걷기와 비행을 병행하는 다기능 이동 방식을 구현한 사지형 로봇 Husky Carbon를 제안한다. 로봇은 내장형 하모닉 드라이브, 브러시리스 DC 모터, 자이로스코프 및 인식 센서(IMU), Realsense T265 카메라를 탑재하여 자가 상태 추정(자기 감지 및 외부 감지)을 수행하며, 실험을 통해 안정적인 터널링 트로팅과 정밀한 관절 궤적 추적, 안정한 리미트 사이클 수렴을 달성하였다.

ABSTRACT

Animals, such as birds, widely use multi-modal locomotion by combining legged and aerial mobility with dominant inertial effects. The robotic biomimicry of this multi-modal locomotion feat can yield ultra-flexible systems in terms of their ability to negotiate their task spaces. The main objective of this paper is to discuss the challenges in achieving multi-modal locomotion, and to report our progress in developing our quadrupedal robot capable of multi-modal locomotion (legged and aerial locomotion), the Husky Carbon. We report the mechanical and electrical components utilized in our robot, in addition to the simulation and experimentation done to achieve our goal in developing a versatile multi-modal robotic platform.

연구 동기 및 목표

• 새들이 보이는 다기능 이동 방식을 모방하기 위해 다리로 걷기와 비행을 모두 구현할 수 있는 사지형 로봇을 개발하는 것.
• 엄격한 전력 및 적재 제약 조건 하에서 다리 이동과 비행 이동을 하나의 플랫폼에 효과적으로 통합하는 데 있어 기계적 및 제어적 도전 과제를 해결하는 것.
• 내장형 하모닉 드라이브와 최소한의 금속 부품을 사용하여 경량화하고 민첩성을 향상시킨 자가 유지 가능한 로봇을 설계하는 것.
• 자기 감지(IMU) 및 외부 감지(카메라) 통합 센서를 통한 개선된 상태 추정을 통해 안정적인 동적 이동을 달성하는 것.
• 측정 가능한 관절 추적 및 자세 안정성 지표를 확보한 터널링 트로팅 실험을 통해 제어 성능을 검증하는 것.

제안 방법

• 정밀한 관절 제어를 위해 3D 프린팅 구조물에 내장된 하모닉 드라이브(기어비: 30, 50, 100)와 홀 효과 인코더를 사용한다.
• 고토크, 저관성 작동을 가능하게 하는 브러시리스 DC 모터(T-motor, KV 400)를 다리 관절에 통합한다.
• 실시간 자세 피드백을 위한 차량 내 장착된 VectorNav VN-100 IMU와 Intel Realsense T265 추적 카메라를 통해 균형 유지 및 운동 계획을 수행한다.
• Speedgoat IO581 실시간 타겟 머신이 Simulink 모델을 실행하고, EtherCAT를 통해 Elmo 서보 드라이브와 인터페이스하여 고대역 모터 제어를 수행한다.
• 시험 환경의 풀리 시스템을 통해 터널링 테스트 중에 제어된 하중을 가하여 추진력의 일부를 시뮬레이션한다.
• 걷기 및 트로팅 실험 동안 자세 추정을 위한 시각 피드백을 제공하기 위해 AprilTag 마커를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 로봇 플랫폼이 다리 이동 및 비행 모드 간에 안정적이고 조율된 이동을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 엄격한 전력 및 적재 제약 조건 하에서 다리 이동과 비행 이동을 효과적으로 통합하기 위한 기계적 및 제어 전략은 무엇인가?
• RQ3 다양한 트로팅 동작 중에 자기 감지 및 외부 감지 센서가 올바른 자세 추정을 통해 오도메트리 드리프트를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 경량화되고 유연한 설계가 동적 운동 중 관절 궤적 추적 및 자세 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 내장된 센서와 피드백 제어를 통한 터널링, 정지 상태 트로팅에서 달성 가능한 성능 지표는 무엇인가?

주요 결과

• 그림 7에 나타낸 바와 같이, 네 번의 루프에 걸쳐 목표 관절 궤적을 정확하게 추적하며 안정적인 정지 상태 트로팅을 달성하였다.
• 그림 8의 자세 데이터는 내재된 관절 유연성에도 불구하고 최소한의 드리프트와 안정된 몸체 자세를 확인하였다.
• 그림 9의 단계 플롯은 안정적인 리미트 사이클 수렴을 보여주며, 보행 제어기의 강건성을 입증하였다.
• IMU와 Realsense T265 카메라의 통합으로 오도메트리 드리프트가 감소하여 동적 보행을 위한 신뢰할 수 있는 운동 계획이 가능해졌다.
• 3D 프린팅 구조물과 최소한의 금속 부품을 사용한 내장 설계가 질량 감소를 성공적으로 달성하면서도 구조적 강성을 유지하였다.
• 제어된 하중을 가한 터널링 테스트를 통해 부분 추진력 하에서도 동적 보행을 지원할 수 있음을 확인하였으며, 제어기 성능이 검증되었다.