[로봇 논문 리뷰] Mini Cheetah: A Platform for Pushing the Limits of Dynamic Quadruped Control

• 제목: Mini Cheetah: A Platform for Pushing the Limits of Dynamic Quadruped Control
• 소속기관: Massachusetts Institute of Technology (MIT)
• 출판연도: 2019
• DOI/식별자: 978-1-5386-6027-0/19 (IEEE)
• 학회/출처: 2019 International Conference on Robotics and Automation (ICRA)
• 저자: Benjamin Katz¹, Jared Di Carlo², Sangbae Kim¹

Ⅰ. 논문 내용 요약

[Abstract]
 미니 치타는 소형 저비용의 robust한 4족 보행 로봇 플랫좀이다. 족형 로봇 제어의 신속한 개발을 목적으로 만들어졌다.  로봇은 커스텀 backdrivable 모듈형 엑추에이터를 사용하고, 이를 통해 high-bandwith force control, high force, density, robustness to impacts를 구현한다. 0.3m 높이에 9kg 무게인 Mini Cheetah는 혼자서 운용할 수 있게 만들어 졌다.
 이 논문에서는 해당 로봇으로 dynamic trot, trot-run, bounding, pronking gaits를 2.45m/s Convex Model-Predictive Control(cMPC)를 이용해 구현했다. 추가로 offline nonlinear optimization을 이용한 궤적 생성으로 360도 백플립을 구현했다.

1. Introduction

 미니 치타는 그 자체로도 다양한 용도를 가지고 있지만, 개발의 가장 큰 동기는 다리형(보행) 로봇을 위한 제어 시스템의 빠른 개발을 가능하게 하는 것이다.

 

 저비용의 쉽고 안전한 실험이 목표인 다른 4족 보행 로봇은 여러개 이미 존재한다. 그러나 저마다의 한계점 또한 가지고 있다. 로봇의 전신인 Super Mini Cheetah와 Minitaur 모두 높은 backdrivable actuator로 robust하고 proprioception을 통해 지면반력(ground reaction force)를 제어할 수 있다. 하지만 다리당 자유도가 2개 뿐이다. 또한 이들 다리에 사용된 대칭형 5-bar mechanism은 부피를 많이 차지하고 동작 범위를 제한한다.

 

  EPFL의 Cheetah cub는 다리당 2개의 위치제어 서보모터를 사용하여, 보행 주기 동안 에너지를 저장하고 방출하기 위한 스프링을 사용한다. Bosotn Dynamcis의 Little Dog 로봇은 다리당 3 자유도를 가지고 있고 동작 범위도 넓지만, 상대적으로 속도가 느리고 위치제어 방식이라 지면반력을 제어할 수 없다.

 

 미니 치타는 기존 로봇들에 비해 크게 향상된 성능을 가져서 극도로 동적인 실험과 4족보행 로봇 성능의 한계를 넓히는데 기여했다.

 

2. Design

 미니 치타에 적용된 기계 설계/액추에이션 방식은 MIT Cheetah3와 많은 부분이 겹친다. 미니 치타는 모든 자유도에서 넓은 동작 범위, 낮은 관성의 다리, backdrivable 액췌에이터를 특징으로 하고 토크/힘 센서나 직렬 탄성 요소(ex. SEA) 없이도 작동한다. 

1) Modular Actuators

 미니 치타는 모든 자유도에 동일한 모율형 액추에이터를 사용한다. 유사한 접근방식이 ANYmal에서도 사용되었는데 , 여기에서는 직렬 탄성(series-elastic) 방식의 ANYdrive 액추에이터를 사용했다.

 

 각 자유도에 동일하고 독립적인 액추에이터를 사용하는 것이 로봇 설계를 단순화하고, 로봇의 수리 및 개조를 요이하게 하며, 동일한 부품 수가 많아 비용을 낮춘다.

 

 액추에이터의 설계와 성능은 다음 3) Modular Actuators에서 자세하게 다룬다.

 

2) Mechanical Design

 로봇의 4개의 다리는 모두 동일하고, 다리의 질량과 관성을 최소화하면서 동작 범위를 최대화하도록 설계되었다. 각 액추에이터들은 내부에 충분한 베이렁이 있어서 3개의 자유도를 별도의 지지 구조물 없이 직렬로 연결 가능하다. 별도 지지물이 있었다면 무게를 늘리고 동작범위를 제한했을 것이다.

 

 관성 모멘트를 최소화하기 위해, 고관절(hip)과 무릎 모터는 고관절 위치에 동축(co-axially)으로 배치되어 있다.

 토크는 Gate Poly Chain belt transmission을 통해 무릎 관절로 전달되며 벨트는 추가로 1.55:1의 증속(gear-up)을 제공한다.

 

 Cheetah 3의 롤러체인 방식 무릎 전동장치와 유사하게, 이 벨트는 완전히 펴진 상태 기준 ± 155도의 동작범위를 허용하며 무릎이 앞을 향한 자세(knee-forward)와 (knee-backward) 모두에서 작동할 수 있다. belt transmission은 30Hz의 벨트와 액추에이터의 공진(resonance)를 유발해서 토크 제어 대역폭을 실제로 감소시킨다. 벨트의 탄성(compliance)이 보행 성능에 영향을 주는 것을 관찰하지는 못했지만, 필요하다면 밸트 폭을 늘려 강성을 개선할 수 있고, 이는 로봇의 무게나 크기에 불이익을 주지 않는다.

 

외전/내전(abduction/adductoin, ab/ad) 관절은 ±120도, 고관절(hip)은 ±270도(전선 길이에 의해 제한됨) 그리고 무릎 관절은 ±155도 회전할 수 있다. 아래 그림을 참고하자.

 이러한 동작 점위 덕분에 로봇은 전진, 후진, 뒤집힌 상태에서도 동일하게 작동할 수 있으며, 좁은 틈을 통과하기 위해 몸을 90도 회전할 수 도 있고, 다리 길이보다 높은 장애물도 오를 수 있다. 완전히 접힌 자세(수직방향으로 힘을 내기 가장 안좋은 자세)에서 각 다리는 최대 150N(체중의 1.7배)의 피크 힘과 60N(체중의 0.7배) 이상의 지속적인 수직 힘을 낼 수 있다. 이는 이 로봇의 자기 체중만큼의 payload를 감당할 수 있음을 시사한다.

 

 고유수용감각 기반 힘 제어(proprioceptive force control)을 향상 시키는 것 외에도 낮은 limb inertia와 relected acuator inertia가 로봇이 매우 빠른 다리 스윙을 할 수 있게 해준다. 다리는 고과절(hip)과 외전/내전(ab/ad) 관절에서 1700 rad/s²의 각가속도를 낼 수 있고, 무릎 관절에서는 5000 rad/s²각가속도를 낼 수 있다. 이는 무릎 모터만 사용했을 때 발끝에서 875 m/s², 즉 89G에 해당하는 선형가속도에 상응한다.

 

 로봇 몸체는 경량 알루미늄 판재로 만들어진 모노크크 구조(sheet aluminum monocoque)이며, 이 안에 배터리, logic power supply, VN-100 IMU, 무선 수신기, 제어용 컴퓨터가 내장되어 있다.

 

3) Electronics and Computing

보행 제어 및 기타 상위 레벨 제어  :  쿼드코어 Intel Atom CPU와 4GB RAM을 탑재한 저전력 싱글보드 컴퓨터인 UP Board에서 실행됨, 유사 실시간(sudo-realtime) 동작을 위해 CONFIG_PREEMPT_RT 패치가 적용된 리눅스를 사용함.

 

상위 레벨 통신 및 데이터 로깅 : LCM(Lightweight Communication and Marshaling)로 이루어짐.

 

배터리 : 무선 전동공구용 상용 24V,120Wh 리튬이온 배터리로 전원을 공급 받음. 높은 내구성, BMS 내장, 쉬운 충전과 빠른 배터리 교체가 가능함. 로직 회로와 컴퓨터도 동일한 전원을 공급받음. 다만, 배터리 전압을 낮추고 power electronics와 컴퓨터 사이에 전기적으로 절연(isolation)을 제공하는 절연형 DC-DC 컨버터를 사용함.

 

 필요에 따라(ex. 비전 정보 처리) 추가 연산장치 탑재가 가능하며 LCM 덕분에 추가적인 센서 데이터를 쉽게 통합할 수 있음

 

 컴퓨터는 커스텀 제작된 4개 채널의 CAN 버스 인터페이스를 통해 12개의 액추에이터와 통신함.

 

 제어, 상태추정, 액추에이터 통신 루프는 1kHZ로 동작하지만 보행 제어는 일반적으로 매 루프마다 실행되지는 않음. 제어 코드와 시뮬레이션 환경은 Cheetah3 로봇과 대부분 공유되고, 덕분에 두 로봇 간에 제어전략을 쉽게 이전가능함.

3. Modular Actuators

 미니 치타는 12개의 동일한 저비용모듈형 액추에이터로 구동된다. 이 액추에이터들은 MIT Cheetah 로봇 시리즈의 액추에이션 패러다임을 기반으로 설계되었으며, 높은 토크 밀도를 가진 전기모터를 저감속비(low-ratio) 변속기와 결합함으로써, 높은 토크 밀도와 백드라이버빌리티, 그리고 고유수용감각(proprioception)을 통한 고대역폭 힘 제어를 동시에 달성한다. 소량 생산 기준으로 비용은 개당 약300달러 정도이다.

1) Design

 MIT Cheetah는 토크 밀도에 최적화된 커스텀 설계 전기모터를 사용하는 반면, 이 액추에이터(Mini Cheetah용)는 원래 RC 드론이나 비행기용으로 설계된 모터를 사용하는데, 이 모터들은 대량으로 생산되어 매우 저렴하다.

 

 이 모터들은 6:1 비율의 단일단 유성기어 감속기, 위치 센서와 관절 레벨 제어 기능이 내장된 모터 컨트롤러, 다리를 액추에이터에 직접 장착할 수 있도록 상당한 모멘트 하중을 견디는 기계적 인터페이스, 그리고 배선을 단순화하기 위한 데이지체인(daisy-chain) 방식의 전원·통신 라인과 긴밀하게 통합되어 있다. 사용된 전기모터는 iFlight ex-8이며, 이는 Minitaur에 사용된 T-Motor U8과 기하학적 구조(geometry)가 동일하지만, 비용은 훨씬 저렴하다(본 연구에서는 스테이터 하우징과 베어링을 제외하고 개당 66달러). 이 모터가 선택된 이유는 40.5mm에 달하는 큰 에어갭 반경(airgap radius), 8.2mm의 적층 길이(stack length), 그리고 많은 극쌍(pole-pair) 수 때문인데, 이 특성들이 이 모터를 상용(기성품) 모터치고 특히 높은 토크 밀도를 갖게 만든다.

 

 액추에이터의 축 방향 길이를 최소화하기 위해, 유성기어 세트는 스테이터(고정자) 중심 안쪽에 배치되었다.

유성기어(planet gear)의 니들 롤러 베어링을 지지하는 경화(hardened) 핀들은 액추에이터의 출력단을 관통해 연장되며, 출력단에 위치를 잡아주는 동시에 토크를 전달하는 역할을 한다. 이 유성기어 변속기는 전부 Misumi사의 기성품(stock) 기어를 사용하며, 그 결과 출력단에서 약 0.3도의 백래시(backlash)가 발생한다. 많은 로봇공학 응용 분야에서는 높은 위치 정확도가 요구되고, 따라서 낮은 백래시를 가진 변속기가 필요하지만, MIT Cheetah 로봇들을 통한 우리의 연구 경험상 백래시가 다리 보행(legged locomotion)에서 특별히 중요한 요소는 아니라는 것을 확인했다.

 

 로터(rotor) 뒤쪽에는 자기 인코더(magnetic encoder) IC가 내장된 커스텀 모터 컨트롤러가 위치한다. 이 모터 컨트롤러는 24V 정격 동작, 연속전류 30A, 피크전류 40A를 기준으로 설계되었다. 이 컨트롤러는 40kHz의 루프 주기로 모터 전류의 계자 지향 제어(field oriented control, FOC)를 수행하며, 최대 4.5kHz의 폐루프(closed-loop) 대역폭을 가지고, 필요하다면 위치 제어와 속도 제어도 수행할 수 있다. 이 컨트롤러는 토크, 위치, 속도, 게인(gain) 명령을 수신하며, CAN 버스를 통해 위치, 속도, 추정 토크값을 액추에이터 개수당 최대 4kHz의 속도로 반환한다. Mini Cheetah처럼 자유도가 많은 로봇의 경우, 통신 속도를 높게 유지하기 위해 여러 개의 CAN 네트워크를 사용할 수 있다. Mini Cheetah의 경우, 다리당 하나의 네트워크가 사용되며, 이를 통해 모든 관절과 제어 컴퓨터 사이의 통신이 1kHz로 이루어질 수 있다.