[논문 리뷰] Optimisation of Body-ground Contact for Augmenting Whole-Body Loco-manipulation of Quadruped Robots

Wouter Wolfslag, Christopher McGreavy외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 24.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 30인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 다각형 로봇에 고정식 쐐기를 장착하여 신체-지면 접촉을 제어 가능하게 하여 내구성과 조작 능력을 향상시킨다. 계층적 2차 프ogramming 제어기와 빠른 SUF(Smallest Unrejectable Force) 근사치를 사용함으로써, 외부 간섭에 대한 저항 능력이 최대 35% 향상되고, 장애물 제거 및 이중팔 조작과 같은 새로운 작업이 가능해지며, 실시간 성능을 확보한 하드웨어에서 검증되었다.

ABSTRACT

Legged robots have great potential to perform loco-manipulation tasks, yet it is challenging to keep the robot balanced while it interacts with the environment. In this paper we study the use of additional contact points for maximising the robustness of loco-manipulation motions. Specifically, body-ground contact is studied for enhancing robustness and manipulation capabilities of quadrupedal robots. We propose to equip the robot with prongs: small legs rigidly attached to the body which ensure body-ground contact occurs in controllable point-contacts. The effect of these prongs on robustness is quantified by computing the Smallest Unrejectable Force (SUF), a measure of robustness related to Feasible Wrench Polytopes. We apply the SUF to assess the robustness of the system, and propose an effective approximation of the SUF that can be computed at near-real-time speed. We design a hierarchical quadratic programming based whole-body controller that controls stable interaction when the prongs are in contact with the ground. This novel concept of using prongs and the resulting control framework are all implemented on hardware to validate the effectiveness of the increased robustness and newly enabled loco-manipulation tasks, such as obstacle clearance and manipulation of a large object.

연구 동기 및 목표

• 전체 신체 운동-조작 작업 중 다각형 로봇의 내구성과 조작 능력을 향상시키기.
• 조작 중 외부 간섭에 의해 균형과 안정성이 위협받을 때, 추가적인 제어 가능한 접촉점을 도입하여 균형을 유지하는 문제를 해결하기.
• 몸통 기반의 쐐기 접촉을 처리할 수 있는 제어 프레임워크를 개발하여, 다리가 조작을 위해 자유로워지도록 안정적인 상호작용을 가능하게 하기.
• 신체-지면 접촉의 이점을 수량화하고 최적화하기 위해 Smallest Unrejectable Force(SUF) 지표를 사용하기.
• 하드웨어 플랫폼에서 실험적으로 접근법을 검증하여, 밀림에 대한 저항 능력 향상과 새로운 조작 작업을 입증하기.

제안 방법

• 지면에 알려진 제어 가능한 점 접촉을 가능하게 하기 위해 다각형 로봇에 고정식 쐐기를 장착하여 몸통 기반 지지 구조를 확보하기.
• 쐐기 접촉이 발생할 경우 제약 조건이 있는 운동을 관리하기 위해 계층적 2차 프로그래밍(QP)-기반 전체 신체 제어기를 사용하기.
• 실시간으로 간섭 저항 능력을 수량화하기 위해 Smallest Unrejectable Force(SUF)의 빠르고 계산 가능한 근사치를 도입하기.
• 최대 내구성을 확보하기 위해 위치, 길이, 조작 가능성 등을 고려해 쐐기 설계를 최적화하기.
• 구동력 제한과 상호작용 제약 조건 하에서 내구성을 평가하기 위해 SUF를 적용하고, SUF 최대화를 위한 준선형 프로그램 설정을 사용하기.
• 밀림 저항, 장애물 제거, 이중팔 상자 들기 등의 작업을 수행하며 하드웨어에서 프레임워크를 검증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 추가적인 신체-지면 접촉이 외부 간섭 하에서 다각형 로봇의 운동-조작 능력 내구성에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 SUF로 측정했을 때 간섭 저항 능력을 최대화하기 위해 쐐기의 최적 설계(위치, 길이)는 어떻게 되는가?
• RQ3 전체 신체 제어기가 쐐기-지면 상호작용과 같은 종단 효과기 외의 접촉을 어떻게 다뤄야 하는가?
• RQ4 SUF 지표를 제어 및 계획에 근접 실시간으로 사용하기 위해 효율적으로 근사화할 수 있는가?
• RQ5 쐐기를 통해 다리가 신체 지지에서 해방될 경우 어떤 새로운 조작 능력이 나타나는가?

주요 결과

• 쐐기의 추가로 SUF 측정 결과, 외부 간섭에 대한 저항 능력이 최대 35% 향상되며, 쐐기 길이와 무관하게 성립한다.
• 쐐기 기반 시스템은 기존의 다각형 로봇가 수행할 수 없는 장애물 제거 작업을 가능하게 하며, 균형을 유지하기 위해 네 다리를 모두 사용해야 하는 제약를 해소한다.
• 쐐기에 몸통을 내려놓고 다리를 조작에 사용함으로써 로봇은 상자를 들어 올리는 이중팔 조작 작업을 성공적으로 수행한다.
• 쐐기가 접촉할 경우 무릎 모터 토크가 크게 감소하여, 동일한 구동력 제한 조건에서도 더 높은 간섭 저항 능력을 확보할 수 있다.
• 제안된 SUF 근사치는 실시간 내구성 평가를 가능하게 하여 근접 실시간 제어 및 최적화를 지원한다.
• 하드웨어 실험을 통해 쐐기 시스템이 내구성을 향상시키고 새로운 조작 작업을 가능하게 함을 확인하였으며, 결과는 보조 영상에 기록되어 있다.