[논문 리뷰] Global Position Control on Underactuated Bipedal Robots: Step-to-step Dynamics Approximation for Step Planning

Xiaobin Xiong, Jenna Reher외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 11.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 41인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 3차원 비구동 이족 보행 로봇의 글로벌 위치 제어 프레임워크를 제안한다. 하이브리드-선형 역자기모형(H-LIP)을 사용한 단계 간 동역학 근사화를 기반으로 하며, H-LIP 모델에 대해 모델 예측 제어(MPC)를 수립하고, 로봇과 H-LIP 동역학 간 오차를 제어하여 오차를 유한한 범위 내에 유지함으로써 안정적인 동적 경로 추적과 장애물 회피, 외란 저항 기능을 실현한다. 이는 시뮬레이션 및 하드웨어 실험을 통해 캐시(robot)에서 검증되었다.

ABSTRACT

Global position control for underactuated bipedal walking is a challenging problem due to the lack of actuation on the feet of the robots. In this paper, we apply the Hybrid-Linear Inverted Pendulum (H-LIP) based stepping on 3D underactuated bipedal robots for global position control. The step-to-step (S2S) dynamics of the H-LIP walking approximates the actual S2S dynamics of the walking of the robot, where the step size is considered as the input. Thus the feedback controller based on the H-LIP approximately controls the robot to behave like the H-LIP, the differences between which stay in an error invariant set. Model Predictive Control (MPC) is applied to the H-LIP for global position control in 3D. The H-LIP stepping then generates desired step sizes for the robot to track. Moreover, turning behavior is integrated with the step planning. The proposed framework is verified on the 3D underactuated bipedal robot Cassie in simulation together with a proof-of-concept experiment.

연구 동기 및 목표

• 비구동 이족 보행 로봇의 글로벌 위치 제어를 가능하게 하여, 발의 비구동으로 인해 직접적으로 질량중심(COM) 제어가 불가능한 상황를 해결하기 위해.
• 복잡하거나 불확실한 환경에서 동적 보행을 안정화하면서 정밀한 경로 추적을 달성하는 데 도전하기 위해.
• 이론적 H-LIP 동역학과 실제 로봇 행동 간 격차를 메우는 실용적이고 실행 가능한 제어 프레임워크를 개발하기 위해.
• 실제 로봇에서 고속 동적 보행, 회전, 외란 저항이 가능한지의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 글로벌 경로 추적을 위해 H-LIP 모델에 기반한 모델 예측 제어(MPC)를 수립하여 목적지 단계 크기를 생성한다.
• 비구동 로봇의 실제 단계 간(S2S) 동역학을 근사하기 위해 H-LIP의 S2S 동역학을 사용하며, 모델 불일치를 유한한 외란으로 간주한다.
• 로봇의 수평 상태와 H-LIP 상태 간 오차를 외란 불변 집합 내에 유지하기 위해 피드백 제어기를 설계한다. 이로 인해 오차가 유한하게 유지됨을 보장한다.
• H-LIP 기반 단계 계획을 통해 로봇이 원하는 경로, 특히 곡선 및 장애물 회피 경로를 따라가도록 발 위치를 결정한다.
• 장애물 회피를 위해 MPC 수식에 2차 제약 조건을 추가하여 계산 효율성을 유지하면서도 QCQP로 변환한다.
• 실제 하드웨어 실험을 통해 개념 증명을 수행하여, 존재하는 저수준 제어기만으로도 시뮬레이션된 정사각형 경로를 캐시 로봇이 동적으로 일치하여 추적함을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 H-LIP 기반 단계 계획과 MPC를 통해 3차원 비구동 이족 보행 로봇에서 안정적인 동적 글로벌 위치 제어가 가능한가?
• RQ2 H-LIP와 실제 로봇 간의 모델 불일치를 어떻게 제한하여 신뢰할 수 있는 추적 성능을 확보할 수 있는가?
• RQ3 제안된 프레임워크는 고속 전방 회전 및 장애물 회피와 같은 복잡한 동작을 처리할 수 있는가?
• RQ4 시뮬레이션에서의 제어 성능이 실제 하드웨어로의 적용에서 얼마나 동적 일치성을 유지하는가?
• RQ5 외부 외란이 경로 추적에 미치는 영향은 무엇이며, 시스템은 이를 효과적으로 저항할 수 있는가?

주요 결과

• H-LIP 기반 MPC는 시뮬레이션에서 원형, 사인파, 정사각형, 심장 모양 등 복잡한 경로를 추적할 수 있도록 캐시 로봇의 단계 크기를 성공적으로 생성하였다.
• 그림 6에서 확인한 바와 같이, 로봇과 H-LIP 간의 추적 오차는 외란 불변 집합 E의 다각형 근사 범위 내에서 유한하게 유지되었다.
• 그림 7(a)에서 보듯이, 경로 추적을 유지하면서도 동적으로 발 위치를 조정함으로써 효과적인 장애물 회피 기능을 수행하였다.
• t=10 s에 200 N의 횡방향 외란이 가해진 후 로봇은 몇 초 내에 원래 경로로 복귀하여 내구성(안정성)을 입증하였다(그림 7b).
• 하드웨어 실험을 통해 동적 일치성이 확인되었으며, 캐시 로봇은 시뮬레이션된 정사각형 경로를 최소한의 드리프트로 추적하였고, 골반 위치와 머리 방향 속도가 시뮬레이션 프로파일과 밀도적으로 일치하였다(그림 8).
• 이 방법은 최대 45 deg/s의 회전 속도와 1 m/s 이상의 속도로 고속 동적 보행을 가능하게 하지만, 단계 크기가 액추에이터 토크 한계를 초과할 경우 추적 실패가 발생한다.