Transformable Wheel Disturbance Torque Estimation for Stair Descent and Impedance Control for Impact Force Mitigation

Abstract

In this paper, we present a compliance control strategy to mitigate the impact force applied to the wheels of a 2-DOF, 6-bar parallel mechanism during stair descent. Wheels with these mechanisms are modular wheels that can be used for the driving platform of mobile service robots that can smoothly drive on flat ground, stairs, and obstacles. The STEP-mini developed as a mechanism was actually manufactured and an obstacle climbing experiment was conducted, and a simplified mechanism, stair climbing path planning study, and dynamic analysis were conducted. In this study, we propose a controller that prevents wheel damage and balance collapse of STEP-mini by tuning the impedance filter in real time through external force estimation using a disturbance torque observer in STEP-mini in a stair descent situation. We present the impact force mitigation performance and the reliability of the disturbance torque observer in the parallel mechanism constituting this wheel, and finally present the result of the controller gain tuning according to the phase and the impact force reduction performance in the actual experiment by classifying the descent of the stairs by phase.|본 연구에서는 가변 임피던스 제어(Variable Impedance control) 제어 이론을 기반으로 2 자유도 병렬 메커니즘에 단계 기반 준수 제어를 적용하여 충격력 완화를 위한 실용적인 제어 방법을 소개합니다. 기존 연구에서 수행한 다양한 동적 분석 외에도 실제 로봇 제어를 위해 유효하지 않은 출력 말단부에 대한 변수를 추출해 메타데이터로 사용하였다. 이 제어기의 핵심은 충격력 완화뿐만 아니라 계단의 지속적인 하강을 위해 STEP-mini 의 계단 하강 단계를 기반으로 지속적인 게인 튜닝을 통해 다형상 바퀴의 형상 회복에 대한 추가적인 위치 제어 보상을 추가하여 계단의 모든 단에서 동일한 움직임을 보이도록 설계했다는 것이다. 추후에는 이런 방법으로 일회성으로 작용하는 충격력 완화 효과와 로봇의 지속적인 움직임 사이에서의 최적점을 도출할 수 있다. 충격력 완화 성능과 바퀴의 형상 회복의 신뢰성을 실험을 통해 검증하였다. 향후 연구로는 이를 바탕으로 로봇의 계단 내리막에서 균형 유지와 충격력 감소를 동시에 제어하기 위한 최적의 경로 제어 및 모델 기반 예측 제어(MPC)를 수행할 계획이다.