[논문 리뷰] IK-PSO, PSO Inverse Kinematics Solver with Application to Biped Gait Generation

Nizar Rokbani, Adel M. Alimi|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 08.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 17인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 이중보행 로봇의 안정적인 보행을 위해 중심질량(COM)을 목표로 하는 역운동역학 솔버인 IK-PSO를 제안한다. 이는 역경량pendulum 모델을 기반으로 하며, 입자군집최적화(PSO) 기반의 방법으로 안정성과 관절 제약 조건을 동시에 만족시킨다. 이로 인해 소형 이중보행 로봇의 부드럽고 안정적인 보행 계획이 가능해진다.

ABSTRACT

This paper describes a new approach allowing the generation of a simplified Biped gait. This approach combines a classical dynamic modeling with an inverse kinematics' solver based on particle swarm optimization, PSO. First, an inverted pendulum, IP, is used to obtain a simplified dynamic model of the robot and to compute the target position of a key point in biped locomotion, the Centre Of Mass, COM. The proposed algorithm, called IK-PSO, Inverse Kinematics PSO, returns and inverse kinematics solution corresponding to that COM respecting the joints constraints. In This paper the inertia weight PSO variant is used to generate a possible solution according to the stability based fitness function and a set of joints motions constraints. The method is applied with success to a leg motion generation. Since based on a pre-calculated COM, that satisfied the biped stability, the proposal allowed also to plan a walk with application on a small size biped robot.

연구 동기 및 목표

• 보행 중 동적 안정성을 보장하는 견고한 이중보행 로봇 역운동역학 솔버를 개발하기 위해.
• 단순화된 동적 모델과 입자군집최적화(PSO)를 통합하여 실현 가능한 관절 구성을 계산하기 위해.
• 최적화 과정에서 관절 운동 제약 조건과 안정성 기준을 강제하기 위해.
• 사전에 계산된 중심질량 궤적을 기반으로 소형 이중보행 로봇을 위한 안정적인 보행 궤적을 생성하기 위해.
• 실제 또는 시뮬레이션된 이중보행 로봇 플랫폼에서 실용적인 운동 계획 결과를 확보하기 위해 방법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 이중보행 보행의 단순화된 동적 표현을 유도하기 위해 역경량pendulum(IP) 모델을 사용한다.
• 안정성을 확보하기 위해 역경량pendulum 역학 기반으로 중심질량(COM)의 목표 위치를 계산한다.
• 관절 제약 조건을 만족하는 역운동역학 해를 찾기 위해 관성 가중치를 적용한 PSO 변종을 사용한다.
• 보행 중 균형을 유지할 수 있도록 안정성 기반의 적합도 함수가 PSO 알고리즘을 이끌어낸다.
• 물리적 실현 가능성을 확보하기 위해 관절 운동 제약 조건을 최적화 과정에 명시적으로 통합한다.
• 기계적 한계를 준수하면서도 원하는 COM 위치를 달성할 수 있는 실현 가능한 관절 각도 궤적을 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입자군집최적화(PSO)는 어떻게 이중보행 로봇의 안정성 제약 조건을 만족시키는 역운동역학 문제를 효과적으로 해결할 수 있는가?
• RQ2 단순화된 역경량pendulum 모델은 안정적인 이중보행 보행을 위한 중심질량 궤적을 정확하게 안내할 수 있는가?
• RQ3 PSO 기반 역운동역학에서 안정성과 관절 실현 가능성을 동시에 확보하기 위한 적합도 함수 설계는 어떻게 이루어져야 하는가?
• RQ4 전통적인 역운동역학 접근 방식과 비교할 때 IK-PSO 방법은 이중보행 보행의 안정성과 수렴성 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 제안된 방법은 시뮬레이션 또는 실제 환경에서 소형 이중보행 로봇을 위한 안정적이고 실현 가능한 보행을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• IK-PSO 방법은 역경량pendulum 모델에서 유도된 중심질량 궤적을 목표로 삼아 안정적인 이중보행 보행을 성공적으로 생성하였다.
• PSO에 안정성 기반의 적합도 함수를 도입함으로써 모든 생성된 해가 동적 균형을 유지함을 보장하였다.
• 관절 제약 조건이 효과적으로 이행되어 물리적으로 실현 가능한 관절 각도 궤적이 도출되었다.
• 이 방법은 소형 이중보행 로봇 플랫폼에서 실시간 보행 계획에 대해 실현 가능성을 입증하였다.
• 합리적인 반복 횟수 내에 수렴함을 보여주어 계산 효율성을 입증하였다.
• 복잡한 최적화나 반복적 해법이 필요 없이 부드럽고 안정적인 보행 패tern을 생성할 수 있었다.