부유 기반 로봇의 전신 임피던스 모델 예측 제어로 안전한 인간-로봇 상호작용 구현

한줄 요약

부유 기반 로봇이 인간과의 물리적 상호작용 중에도 균형을 유지하며 안전하게 동작하도록 하는 전신 임피던스 모델 예측 제어 방법.

풀어야 하는 문제

부유 기반 로봇(이족보행, 휴머노이드)은 접촉 제약 하에서 균형을 유지해야 하며, 인간과의 물리적 상호작용(pHRI) 시 외력에 강건해야 한다. 기존 전신 제어(WBC)는 전 관절 공간을 보행에 할당하거나 고정 이득 임피던스 피드백을 사용하여 지속적인 pHRI 힘 하에서 정상상태 오차가 누적되는 문제가 있다.

접근 방법

3계층 아키텍처를 제안한다: (1) 중심질량 모델 예측 제어(MPC)가 500ms 수평선에서 접촉력을 계획, (2) 우선순위 기반 WBC 계층이 접촉 일관 널 공간 투영을 통해 균형을 관절 토크로 변환, (3) 잔여 널 공간은 재퇴각 수평선 QP로 제어되며 칼만 필터로 pHRI 외란을 추정 및 보상한다. 접촉 일관 피드백 선형화를 통해 팔 끝단을 이중 적분기로 단순화하여 QP 비용을 오프라인에서 미리 계산하고 1kHz 이상 동작을 가능하게 한다. 공분산 인플레이션 프로토콜로 접촉 모드 전환 시 외란 추정치를 보존하며, 임피던스 등가 정리를 통해 무한 수평선 한계에서 고전적인 작업 공간 임피던스 법칙을 회복함을 증명한다.

결과·기여

17-DOF 이족보행 로봇과 Unitree G1 휴머노이드 시뮬레이션에서 제안 방법이 유효함을 검증했다. 주요 기여는 부유 기반 로봇에 대한 최초의 전신 임피던스 MPC 프레임워크, 접촉 모드 전환에도 강건한 외란 추정, 그리고 이론적 임피던스 등가성 증명이다.