초과 사지를 활용한 휴머노이드 보행을 위한 계층적 프레임워크

A Hierarchical Framework for Humanoid Locomotion with Supernumerary Limbs

November 25, 2025

저자: Bowen Zhi

cs.AI

초록

인간형 로봇에 초보조 지체(Supernumerary Limbs, SLs)를 통합하는 것은 동적 교란을 유발하여 중대한 안정성 문제를 제기합니다. 본 논문은 SL을 장착한 인간형 로봇의 이동 안정성을 향상시키기 위한 새로운 계층적 제어 구조를 설계하여 이 문제를 해결합니다. 이 프레임워크의 핵심은 학습 기반 이동과 모델 기반 밸런싱을 결합한 분리 전략입니다. 저수준 구성 요소는 모방 학습 및 커리큘럼 학습을 통해 Unitree H1 인간형 로봇의 보행 걸음새로 구성됩니다. 고수준 구성 요소는 동적 밸런싱을 위해 SL을 능동적으로 활용합니다. 시스템의 효과는 물리 기반 시뮬레이션에서 세 가지 조건(무장비 인간형 로봇의 기준 걸음새(기준 보행), 정적 SL 탑재량 상태(정적 탑재량), 능동 동적 밸런싱 제어기 상태(동적 밸런싱)) 하에 평가되었습니다. 평가 결과, 동적 밸런싱 제어기가 안정성을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 정적 탑재량 조건과 비교 시, 밸런싱 전략은 기준에 더 가까운 걸음새 패턴을 보였으며 무게중심(CoM) 궤적의 동적 시간 왜곡(DTW) 거리를 47% 감소시켰습니다. 또한 밸런싱 제어기는 보행 주기 내 재안정화를 개선하고 지면 반력(GRF)의 보조 위상 패턴을 더욱 조화롭게 달성했습니다. 결과는 분리된 계층적 설계가 SL의 질량과 운동으로부터 발생하는 내부 동적 교란을 효과적으로 완화하여 기능적 지체를 장착한 인간형 로봇의 안정된 이동을 가능하게 함을 입증합니다. 코드 및 동영상은 다음에서 확인할 수 있습니다: https://github.com/heyzbw/HuSLs.

English

The integration of Supernumerary Limbs (SLs) on humanoid robots poses a significant stability challenge due to the dynamic perturbations they introduce. This thesis addresses this issue by designing a novel hierarchical control architecture to improve humanoid locomotion stability with SLs. The core of this framework is a decoupled strategy that combines learning-based locomotion with model-based balancing. The low-level component consists of a walking gait for a Unitree H1 humanoid through imitation learning and curriculum learning. The high-level component actively utilizes the SLs for dynamic balancing. The effectiveness of the system is evaluated in a physics-based simulation under three conditions: baseline gait for an unladen humanoid (baseline walking), walking with a static SL payload (static payload), and walking with the active dynamic balancing controller (dynamic balancing). Our evaluation shows that the dynamic balancing controller improves stability. Compared to the static payload condition, the balancing strategy yields a gait pattern closer to the baseline and decreases the Dynamic Time Warping (DTW) distance of the CoM trajectory by 47\%. The balancing controller also improves the re-stabilization within gait cycles and achieves a more coordinated anti-phase pattern of Ground Reaction Forces (GRF). The results demonstrate that a decoupled, hierarchical design can effectively mitigate the internal dynamic disturbances arising from the mass and movement of the SLs, enabling stable locomotion for humanoids equipped with functional limbs. Code and videos are available here: https://github.com/heyzbw/HuSLs.