ICRA2017에 나온humanoid robot 관련 연구 동향

2017. 08. 23.

이이수

융합과학기술대학원

서울대학교

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토크 제어 기반의 휴머노이드 로봇 전신 제어- DYROS RED 개발- 전신 제어기 구현- 균형 제어기 개발- 보행 제어기 개발 중

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목차

ICRA 2017 에서 Humanoid 연구 종합

연구 별 요약

결론

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발표 연구: 총 27편

ICRA 2017 - Humanoid 연구 편수

Session Name 발표 수

Humanoid Robots1 8Humanoid Robots2 8Humanoid Robots3 8

Planning 1Actuation, Locomotion, Grasping 1

Sensor Fusion and Control 1

소속 발표 수

USA 5

Germany 5

Japan 4

Italy 3

UK 2

Iran 2

Korea 1

Switzerland 1

France 1

Australia 1

China 1

Netherlands 1

키워드별 분류 발표 수

Walking & Balancing 13Planning 6

Control Approach 5State Estimation 3

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Walking & Balancing - 13편– 이족 로봇의 균형 유지와 보행 성능 개선을 위한 방법

• Trajectory Generation and Control for Walking – 6편• Analysis – 4편• Learning – 1편• Implementation – 1편

Planning – 6편– 다양한 목적의 Motion, Path 계획

• Whole-body Motion Planning – 2편• Path Planning – 2편• Multi-Contact Planning – 1편

Control Approach – 5편– 주로 특수한 상황을 위한 제어를 위한 연구

• Dynamics considered Control – 3편• Inverse Kinematics – 1편• Fall-down Control – 1편

State Estimation – 3편–로봇의 정확한 상태를 예측

• Collision Identification – 1편• Localization – 1편• Kinematics and Ground Contact Estimation – 1편

ICRA 2017 - Humanoid 연구 KEYWORD

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Walking & Balancing• Trajectory Generation and Control for Walking• Analysis• Learning• Implementation

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Walking & Balancing- Trajectory Generation and Control for Walking

• A Study of Nonlinear Forward Models for Dynamic WalkingYangwei You, Chengxu Zhou, Zhibin Li, Nikos Tsagarakis

Nonlinear-model을 이용하여 보행하기 위한 관절 경로 계산

è Supporting foot이 base인 4자유도 robot model 이용

è Nonlinear model의 거동 예측 위해 simulation 기법 사용

è 무릎이 일자로 펴지는 동작 구현

è 간략화한 model보다 정확한 보행 경로 생성 가능함이 장점

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Walking & Balancing- Trajectory Generation and Control for Walking

• Control Walking Speed by Approximate-kinetic-model-based Self-adaptive Control on UnderactuatedCompass-like Bipedal WalkerXuan Xiao, Ou Ma and Fumihiko Asano

• Invariant Funnels for Underactuated Dynamic Walking Robots: New Phase Variable and Experimental ValidationJustin Z. Tang, A. Mounir Boudali and Ian R. Manchester

Compass gait dynamic walker에 관한 연구è passive walking robot의 변형으로 actuator를 사용하여 dynamic walking 제어

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Walking & Balancing- Trajectory Generation and Control for Walking

• Robust Bipedal Locomotion Control Based on Model Predictive Control and Divergent Component of MotionMilad Shaee-Ashtiani,1 Aghil Youse-Koma,1 and Masoud Shariat-Panahi

è DCM (Divergent Component of Motion)과 MPC (Model Predictive Control)를 결합한 trajectory generator에 angular momentum 제어를 추가

è Angular momentum은 whole-body motion으로 제어

è CoP 제어, Step 조정, angular momentum 제어로 외란에 강한 보행 구현 가능

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Walking & Balancing- Trajectory Generation and Control for Walking

• Robust Walking by Resolved Viscoelasticity Control Explicitly Considering Structure-Variability of a HumanoidKo Yamamoto

CoM의 점탄성을 관절의 점탄성으로 분해하는 방법

è CoM의 stiffness와 damping control을 할 때, 관절 제어에필요한 stiffness와 damping을 계산

è Operational space control과 유사하나 차이가 있음task acceleration à joint torque

vs.task stiffness and damping à joint stiffness & damping

è stiffness와 damping제어가 되어 외란에 유연

è Closed system에서 분해하도록 확장한 연구

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Walking & Balancing- Analysis

• Dynamic Manipulability of the Center of Mass: A Tool to Study, Analyse and Measure Physical Ability of

Robots

Morteza Azad, Jan Babiˇc and Michael Mistry

è Joint torque limit & Joint acceleration limit을 고려한 CoM의 가속도 특성 해석 방법 제안

• Influence of compliance modulation on human locomotion

Yue Hu, Katja Mombaur

è 인간 보행시 관절 탄성의 변화를 계산

è 로봇 보행에 적합한 관절 탄성 계수 탐색에 도움이 될 것 (특히 variable stiffness actuator)

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Walking & Balancing- Analysis

• Stability Regions for Standing Balance of Biped Humanoid Robots

Jung Hoon Kim, Jongwoo Lee and Yonghwan Oh

è LIPM을 이용한 stability region 분석

• The Energetic Benefit of Robotic Gait Selection - A Case Study on the Robot RAMone –

Nils Smit-Anseeuw, Rodney Gleason, Ram Vasudevan, and C. David Remy

è Energy efficient motion을 optimal control로 생성

è 네 가지 gain pattern으로 보행 속도별 energy 효율 분석

è 저속에서는 ballistic walking, 고속에서는 spring-mass model이 효율적

è 무릎을 뒤로 굽히고 속도에 따른 보행 방식 전환 방식이 가장 효율적 (259%)

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Walking & Balancing- Learning

• Supervised Learning for Stabilizing Underactuated Bipedal Robot Locomotion, with Outdoor Experiments on the Wave FieldXingye Da, Ross Hartley, and Jessy W. Grizzle

Supervised learning을 이용한 보행ü 불균일한 지면-불규칙적인 보행 수행을 목적으로 control policy 구성ü Optimization으로 constraints 고려된 data set 구성ü Machine learning으로 control parameter 결정ü 6DOF 로봇 (MARLO) 실험 - 0.5 m/sec, 22deg 경사 보행 가능

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Walking & Balancing- Implementation

• Experimental Evaluation of Deadbeat Running on the ATRIAS BipedWilliam Martin, Albert Wu, Hartmut Geyer

달리기 동작의 제어 (flight stance 포함)ü SMM (Spring Mass Model) 사용 CoM 경로 & Deadbeat angle (발 각도) 결정ü Step당 0.2 m/sec 의 속도 변화까지 속도 tracking 가능ü 그 이상의 속도 변화 & 6~15cm의 지면 높이 변화 시 tracking은 잘 못하나 running은 유지

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Walking & Balancing

• 대부분의 연구에서 불균일 지형 보행이 기본 전제가 됨

• 시뮬레이션만 이용한 연구가 많았음 (13편 중 4편만 실험 수행)

• 상체를 포함한 full humanoid를 이용한 보행 연구 하나뿐

• 널리 쓰이는 보행 방법에 관한 연구가 적음

• 2D planer를 이용한 walking 연구가 상대적으로 많았음.

• 독특한 로봇 보행 방법이 많이 소개됨

- Discussion

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Planning• Motion Planning• Collision Evasion Arm Motion Planning • Contact Planning

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Planning- Whole-body Planning

보행 중 manipulation planningfootstep & whole-body motion planning• Footstep and Motion Planning in Semi-unstructured

Environments Using Randomized Possibility GraphsMichael X. Grey, Aaron D. Ames, C. Karen Liu

• Humanoid Whole-Body Planning for Loco-Manipulation TasksPaolo Ferrari, Marco Cognetti, Giuseppe Oriolo

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Planning- Path Planning

추격자 회피를 위한 path planning• Real-Time Pursuit-Evasion with Humanoid Robots

Marco Cognetti et. al

장애물 회피 path planning• Context-Driven Movement Primitive Adaptation

Daniel Wilbers, Rudolf Lioutikov, Jan Peters

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Planning

• Dynamic Multi-contact Transitions for Humanoid Robots using Divergent Component of MotionGeorge Mesesan et. al.

균형 유지를 위한 multi-contact planning

- Multi-Contact Planning

고정되지 않은 물체 위에서의 동작 planning• Online Estimation of Object–Environment Constraints for

Planning of Humanoid Motion on a Movable ObjectShunichi Nozawa et. al

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Planning

• 다양한 종류의 planning 연구가 소개됨

• 이동을 위한 path planning 뿐만 아니라, whole-body motion planning과contact dynamics를 고려한 planning 등 고차원의 planning 연구가 많음

• 기존 방법보다 빠르게 결과를 얻는 것도 주요 목표 중 하나. 하지만 아직도 대체적으로 긴 연산 시간이 필요함.

- Discussion

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Control Approach• Dynamics considered Control• Inverse Kinematics• Fall-down Control

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Control Approach- Dynamics considered Control

• Angular Momentum Compensation in Yaw Direction using Upper Body based on Human RunningT. Otani et. al

상체 이용 (Yaw) angular momentum 보상• Control of Humanoid Robot Motions with Impacts:

Numerical Experiments with Reference Spreading ControlMark Rijnen et.al

Impact 발생시 로봇 안정화를 위한 제어

Passivity-based Controller + Hybrid Zero Dynamics• Passivity-based Control of Underactuated Biped Robots within

Hybrid Zero Dynamics ApproachHamid Sadeghian et. al.

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Control Approach- Inverse Kinematics

최적화를 이용한 IK Solver 개발• Singularity-tolerant inverse kinematics for bipedal robots:

An efficient use of computational power to reduce energy consumptionSalman Faraji and Auke Jan Ijspeert

• QP-based Adaptive-Gains Compliance Control in Humanoid FallsVincent Samy, Karim Bouyarmane, and Abderrahmane Kheddar

- Fall-down Control

안전하게 넘어지기 위한 제어

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Control Approach

• 특수한 목적을 가진 제어기에 관한 연구 위주

• IK solver는 일반적인 사용이 가능할 것으로 생각되나 연산 속도 문제로500Hz 이상의 실시간 제어에서는 사용은 아직 어려움

- Discussion

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State Estimation• Collision Identification• Localization• Kinematics and Ground Contact Estimation

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State Estimation

• Collision Detection, Isolation and Identification for HumanoidsJonathan Vorndamme, Moritz Schappler and Sami Haddadin

- Collision Identification

외력으로 작용하는 충돌 위치/크기 예측

• Overlap-based ICP Tuning for Robust Localization of a Humanoid RobotSimona Nobili, Raluca Scona, Marco Caravagna, Maurice Fallon

- Localization

Laser 기반 현재 로봇의 위치 탐색

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State Estimation- Kinematics and Ground Contact Estimation

IMU를 이용하여 사람의 Kinematics와 접촉중인 지면 예측• Real-time inertial lower body kinematics and ground contact

estimation at anatomical foot points for agile human locomotionMarkus Miezal, Bertram Taetz and Gabriele Bleser

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State Estimation

• Floating base robot에 있어 가장 중요한 분야 중 하나

• 상대적으로 가장 적게 발표된 분야

• 관절, CoM 상태에 관한 estimation이 항상 주요 issue 였으나 이번 ICRA에서는 다루지 않음

- Discussion

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Conclusion

• ICRA2017에서 발표된 휴머노이드 관련 연구 종합 정리함

• 관련 연구 중 보행과 연관된 연구가 가장 많았음

• 기술적 특이 사항Ø 많은 수의 연구가 multi-body dynamics eq.를 활용함Ø 최적화의 활용이 많았음Ø Machine learning을 활용한 연구는 둘 뿐이었음

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감사합니다!