Whole-body Multi-contact Motion Control for Humanoid Robots Based on Distributed Tactile Sensors

Motivation

• Known: 기존 연구는 손과 발 등 extremities에서의 다중 접촉 모션 제어를 다루었으며, 촉각 센서는 주로 human interaction이나 object manipulation 작업에 활용되었다.
• Gap: position-controlled 휴머노이드 로봇이 실시간 촉각 피드백을 통해 중간 영역(forearm 등)에서의 동적 접촉 모션을 실현한 사례가 부재했다.
• Why: 휴머노이드 로봇이 좁은 환경에서 안정적으로 작업하려면 전신 영역의 접촉을 활용한 robust 모션이 필수적이며, 이를 통해 disturbance와 environmental error에 대한 안정성을 높일 수 있다.
• Approach: 기존 다중 접촉 제어 프레임워크를 확장하여 distributed tactile sensor로부터 측정한 contact polygon과 contact wrench를 이용해 centroidal motion control과 limb motion control을 강화했다.

Achievement

Fig. 4. RHP Kaleido with distributed tactile sensors mounted on one forearm

• 분산 촉각 센서 기반 접촉 다각형 온라인 업데이트: 실측 contact polygon과 predefined polygon의 차이를 감지하여 real-time으로 접촉 영역을 보정하여 balance control 안정성을 향상
• MPC 기반 향상된 centroidal 계획: Newton-Euler equation 기반의 nonlinear discrete system을 MPC로 제어하며 tactile feedback을 통해 wrench distribution 최적화
• 실시간 dampening 제어: 촉각 센서의 contact wrench 측정을 피드백으로 활용하여 disturbance와 environmental error에 대한 robustness 증가
• 실제 휴머노이드 로봇 검증: RHP Kaleido를 통해 forearm contact로 전진 stepping, thigh contact로 앉은 자세 balancing 등 다양한 전신 다중 접촉 모션 실현

How

Fig. 1. Control system for whole-body multi-contact motion in a humanoid robot.

• Deformable sheet-shaped distributed tactile sensor를 로봇 limb 표면에 장착하여 robot body shape 변형 최소화
• Contact wrench를 friction pyramid의 ridge vector와 scale factor λ로 표현하여 centroidal 상태 제어 입력으로 활용
• MPC를 통해 centroidal motion을 제어하되, contact polygon 정보로부터 moment 생성 가능 범위를 동적으로 결정
• Limb motion control에서 inverse kinematics와 함께 tactile feedback 기반의 compliance control 적용
• Simulation으로 제어법의 안정성을 검증한 후 real-world 실험 수행

Originality

• Position-controlled 휴머노이드 로봇에서 실시간 촉각 센서 피드백을 통한 동적 중간 영역 접촉의 첫 실현
• Distributed tactile sensor로부터 contact polygon을 온라인으로 측정하고 이를 centroidal control에 반영하는 새로운 통합 제어 방식
• 기존 extremity-only 다중 접촉 제어 프레임워크를 whole-body contact로 일반화한 확장

Limitation & Further Study

• Contact sequence의 시간, 위치, 영역이 사전에 결정되어야 하므로 fully autonomous planning은 미실현
• Distributed tactile sensor의 calibration과 spatial map construction 과정이 필요하며 센서 마모에 따른 성능 저하 가능성
• Real-world 실험이 RHP Kaleido 단일 로봇으로만 검증되어 다른 휴머노이드 플랫폼으로의 일반화 가능성 미확인
• 고속 동적 모션에서의 센서 응답 지연과 friction coefficient 변화에 대한 robustness 분석 부족
• 후속 연구로 tactile sensor 기반의 global motion planner 개발과 다양한 로봇 플랫폼 적용 필요

Evaluation

총평: 본 논문은 distributed tactile sensor를 활용하여 휴머노이드 로봇의 전신 다중 접촉 모션을 처음으로 실현한 의미 있는 연구로, 방법론과 검증이 체계적이나 autonomous planning 미흡이 제한적이다.