RAMP: Reaction-Aware Motion Planning of Multi-Legged Robots for Locomotion in Microgravity

저자: Warley F. R. Ribeiro, Kentaro Uno, Masazumi Imai, Koki Murase, Kazuya Yoshida · ICRA 2023

라이선스

• 오픈 액세스
• 논문: CC BY 4.0

아래 내용은 모두 논문의 라이선스(CC BY 4.0)에 따라 논문 전문을 바탕으로 하며, 그림에는 저자를 표기했습니다.

요약

미소중력에서 그리퍼를 가진 다리 로봇을 위한 모션 플래너로, 스윙 다리 궤적을 설계하고 몸체를 움직여 스윙 운동량을 흡수함으로써 그리퍼를 떼어 내는 반력을 줄인다.

중요한 이유

파지하는 발을 가진 다리 로봇은 소행성과 우주 정거장용으로 제안되는데, 그곳에서는 도약이 제어되지 않고 추진제 기반 비행은 제한적이다. RAMP는 마찰 추정 없이 그리퍼 인장력을 낮추는 계획 수준의 방법을 제공하며, 조정 가능한 분배 계수는 특이 구성을 피할 수 있는, 무반력 제어에 대한 저반력 대안을 제공한다.

문제

미소중력에서 다리 로봇의 그리퍼를 표면에서 떼어 낼 수 있는 유일한 힘은 로봇 자신의 움직임에서 비롯되므로, 동적 보행은 분리와 로봇 상실의 위험을 안는다. 준정적 보행은 이를 피하지만 임무 시간 제한에 비해 너무 느리고, 마찰 기반 순응 제어는 임무 전에는 얻을 수 없는 마찰 데이터가 필요하며, 무반력 제어는 단일 접촉에서만 시연되었고 로봇을 특이 자세로 몰아갈 수 있다.

제안 방법

RAMP는 Low-Reaction Swing Trajectory와 Whole-Body Swing Momentum Distribution을 결합한다. 전자는 스텝 높이에 도달하면서 최대 운동량 변화를 최소화하도록 계수를 최적화한 7차 베지어 스윙 경로다. 후자는 지지 그리퍼를 속도 0으로 유지하면서 스윙 운동량의 비율 α를 상쇄하는 베이스 속도를 계산한다. α = 0.5는 부분 분배(RAMP-PMD), α = 1은 완전 분배(RAMP-FMD)를 준다.

핵심 통찰

• 미소중력에서 그리퍼를 잡아당기는 힘은 오직 로봇 자신의 움직임에서 비롯되므로, 로봇의 운동량 변화를 최소화하면 분리 위험이 직접 줄어든다.
• 스윙 궤적만 최적화하면 반력은 줄지만 충분하지 않다. 스윙 운동량을 베이스와 지지 다리로 분배하는 것도 필요하다.
• 스윙 운동량을 완전히 상쇄하면(α = 1) 관성이 작은 로봇이 특이점에 빠질 수 있으므로, 분배 계수는 로봇의 관성, 속도, 조작성에 맞게 조정해야 한다.
• 저반력 스윙 궤적은 부분적으로 스윙하는 다리를 몸체에 더 가깝게 가져와 그 관성을 낮춤으로써 반력을 줄인다.

주요 결과

• 거친 소행성 표면(10⁻⁶ G, 그리퍼 유지력 0.9 N)에서 Hubrobo와 유사한 사족 로봇의 시뮬레이션: 베이스라인 계획은 분리되어 로봇이 몇 걸음 후 떠내려갔다.
• 같은 시뮬레이션에서 RAMP-PMD(α = 0.5)는 그리퍼 힘 한계를 넘지 않고 40 cm 전진한 반면, RAMP-FMD(α = 1)는 베이스를 너무 멀리 움직여 특이 구성에 빠졌다.
• 한 다리를 판에 고정한 양팔 공기 부상 로봇에서 RAMP-FMD는 최대 지면 반력과 모멘트를 베이스라인의 40%로 줄였다(최대 60% 감소).
• 평균 힘과 모멘트는 분배 계수에 따라 베이스라인 평균의 60%에서 25% 사이로 떨어졌다(최대 75% 감소).
• 공기 부상 시험에서 몸체 자세는 부분 운동량 분배 시 11°, 완전 분배 시 21° 변했으며, 관성이 더 큰 이 로봇에서는 특이점 문제가 없었다.

한계

• 로봇이 흡수할 수 있는 것보다 많은 운동량을 분배하지 않도록 분배 계수를 로봇마다 조정해야 한다. 완전 분배는 시뮬레이션에서 특이점을 일으켰다.
• 공기 부상 로봇은 연속 보행을 할 수 없으므로 물리 시험은 평면적이며 한 걸음만 다룬다. 한 다리가 판에 볼트로 고정되어 있어 실제 분리는 하드웨어에서 시험되지 않았다.
• 사족 보행 결과는 표면 강성과 감쇠를 가정한 순응 점 접촉 모델을 사용한 시뮬레이션에서만 얻었다.
• 실험을 위한 궤적과 역기구학은 오프라인으로 계산되었다.

분야에 미친 영향

ICRA 2023 Outstanding Locomotion Paper 상 최종 후보에 올랐으며, 인용 수는 7회다. 논문과 함께 공개된 코드, 데이터, 하드웨어 설계는 없다.

초록

미소중력에서의 로봇 이동성은 인류의 우주 활용과 탐사를 확대하는 데 필요하다. 생체 모방 다족 로봇은 안전하고 정밀한 이동을 위한 가능한 해결책이다. 그러나 미소중력에서 로봇의 동적 움직임은 과도한 운동 반력으로 인한 그리퍼 분리 때문에 실패로 이어질 수 있다. 우리는 미소중력에서의 이동 안전성을 높이기 위해 새로운 Reaction-Aware Motion Planning(RAMP)을 제안하며, 이는 로봇의 운동량 변화를 줄여 지형 표면과의 접촉을 잃을 위험을 낮춘다. RAMP는 Low-Reaction Swing Trajectory(LRST)로 스윙 운동량을 최소화하는 동시에 이 운동량을 몸 전체로 분배하여, 지지 그리퍼의 속도를 0으로 보장하고 운동 반력을 최소화한다. 우리는 제안한 접근법을 동역학 시뮬레이션으로 검증하며, 이는 RAMP가 지지 그리퍼의 분리 없이 안전한 동작을 생성하여 로봇이 지정된 위치에 도달할 수 있음을 보여 준다. 나아가 공기 부상 시스템을 사용한 실험으로 RAMP를 검증하여, 반력의 유의미한 감소와 미소중력에서의 향상된 이동성을 입증한다.

링크

• arXiv 2301.07996: https://arxiv.org/abs/2301.07996
• DOI 10.1109/ICRA48891.2023.10161185: https://doi.org/10.1109/ICRA48891.2023.10161185
• PDF: https://arxiv.org/pdf/2301.07996v1