Racing a Wheeled Quadruped: Active Load Transfer Mitigation via Model Predictive Control

기술 요약: 능동적 하중 전이 완화를 통한 바퀴 달린 사족 보행 로봇의 레이싱

문제 정의
바퀴 달린 사족 보행 로봇은 다리 기반의 적응성과 바퀴의 효율성을 독특하게 결합한 형태이지만, 고속 주행 시 복잡한 접촉 역학 및 16자유도로 인해 제어에 상당한 어려움이 따른다. 자율 주행 레이싱에서 차량은 측면 하중 전이가 유효 코너링 능력을 감소시키고 전복 위험을 높이는 동적 한계 근처에서 운행된다. 기존의 제어 방식은 주로 다리 보행 역학을 적용하거나 강체 섀시를 가정하며, 플랫폼 고유의 자유도를 활용하여 바디 롤(body roll)을 능동적으로 관리하는 데 실패한다. 능동적 롤 제어는 모터사이클이나 기울임형 차량(tilting vehicles)에서는 확립된 전략이지만, 레이싱 목적을 가진 바퀴 달린 사족 보행 로봇에서 입증된 적이 없으며, 스키드 조향(skid-steering) 방식의 바퀴 달린 사족 보행 로봇에 대한 전복 방지 효과 역시 실험적으로 검증된 바 없다.

방법론
본 논문은 Unitree Go2-W 플랫폼에서 측면 하중 전이를 관리하기 위해 모델 예측 제어(MPC)와 강화 학습(RL)을 통합한 계층적 제어 프레임-워크를 제안한다. 시스템은 세 가지 수준으로 작동한다:

1. 차량 모델링: 로봇은 능동적 롤 자유도가 추가된 동적 이륜차(dynamic bicycle) 모델로 모델링된다. 네 개의 바퀴는 등가 전륜 및 후륜 타이어로 묶이며, 다리 액추에이터는 능동 서스펜션 역할을 수행한다. 모델은 강체이며 일정한 기하학적 구조를 갖는다고 가정하며, 요(yaw)는 차동 휠 토크(스키드 조향)를 통해 생성되고, 롤(roll)은 비대칭 다리 신장을 통해 생성된다. 역학에는 평면 운동(사이드슬립, 요, 종방향 속도)과 측면 가속도에 의해 구동되는 디커플링된 롤 역학이 포함된다.
2. 오프라인 레이스라인 생성: 최적의 레이스라인은 트랙 경계와 차량 역학을 준수하면서 랩 타임을 최소화하는 유한 시간 최적 제어 문제(FTOCP)를 해결함으로써 오프라인에서 계산된다. 이는 위치, 헤딩, 속도에 대한 참조 궤적을 제공한다.
3. 온라인 MPC 플래너: 고수준 MPC는 레이스라인 참조를 추적한다. 비용 함수는 위치, 헤딩, 속도에 대한 항을 포함하며, 특히 하중 전이비(LTR)를 0으로 유도하기 위해 이를 명시적으로 페널티를 부여한다. MPC는 종방향 가속도($a_x$), 요 모멘트($M_\psi$), 롤 모멘트($M_\theta$)라는 세 가지 고수준 명령을 출력한다.
4. 저수준 RL 정책: 근사 근사화(domain randomization)를 사용한 PPO(Proximal Policy Optimization)를 통해 시뮬레이션에서 훈련된 강화 학습 정책은 고수준 MPC 명령을 16개의 개별 관절 목표값으로 매핑한다. 이 정책은 고도로 결합된 접촉 및 모터 역학을 처리하며, 추상적인 롤 모멘트 명령을 비대칭 다리 신장으로 변환하여 로봇이 회전 시 안쪽으로 기울어지게(bank) 만든다.

주요 기여
본 논문은 세 가지 주요 기여를 한다:

1. MPC 정식화: 바퀴 달린 사족 보행 로봇의 레이싱 성능에 특화되어, 능동적 롤 제어를 사용하여 하중 전이를 완화하는 새로운 제어 정식화를 제시한다.
2. 계층적 아키텍처: 오프라인 레이스라인 최적화, 참조 추적을 위한 온라인 MPC, 실행을 위한 관절 수준 RL을 결합한 완전한 제어 스택을 구축한다.
3. 하드웨어 검증: 제안된 방법이 스키드 조향 방식의 바퀴 달린 사족 보행 로봇에서 레이싱 목적의 능동적 롤 제어를 성공적으로 수행함을 실제 하드웨어 상에서 실험적으로 검증하였다.

실험 결과
Unitree Go2-W를 사용하여 실내 L자형 트랙에서 실험을 진행하였다. 제안된 능동 롤 컨트롤러("Tilt ON")를 롤 모멘트 명령이 0으로 고정된 베이스라인 컨트롤러("Tilt OFF")와 비교하였다. 주요 결과는 다음과 같다:

• 하중 전이 완화: 일치된 측면 가속도에서 능동 롤 제어는 평균 하중 전이비(LTR)를 최대 44%까지 감소시켰다.
• 성능 향상: 능동 롤 컨트롤러는 최단 랩 타임을 8.7%(10.96초에서 10.01초로) 개선하였고, 평균 랩 타임을 6.4% 단축시켰다.
• 동적 능력: 피크 측면 가속도 능력이 21.3% 증가하여, 베이스라인의 1.64 m/s² 대비 1.98 m/s²에 도달하였다.
• 안정성: 시스템은 비기울임형 베이스라인의 운용 범위를 넘어 견고한 고속 안정성을 유지하였으나, LTR 분포는 식별된 시스템 이득(gain)과 일치하는 약간의 과보상 현상을 보였다.

의의
본 논문은 바퀴 달린 사족 보행 로봇이 다리를 능동 서스펜션으로 취급함으로써 강체로서의 한계를 초월할 수 있음을 보여준다. 능동 롤 제어를 레이싱 프레임워크에 통합함으로써, 시스템은 하중 전이에 효과적으로 대응하여 타이어 그립을 보존하고 더 높은 코너링 속도를 가능하게 한다. 이 연구는 기울임형 차량에서 사용되는 차량 역학 전략과 레그 로봇 제어 사이의 간극을 메우며, 능동적인 바디 린(body lean)이 고속 자율 레이싱을 위한 바퀴 달린 사족 보행 플랫폼의 동적 성능을 향상시키는 유효하고 실질적인 전략임을 입증한다.