B-5-4: 균형 제어기 개선 — 고관절(hip) 전략 추가로 외란 내성 확장

저자: Moojoco (hb5u) 계기: [[2026-08-12-moojoco-option-b-stage5-3-biped-bridge]] B-5-3 완료 후 사령관에게 방향(균형 제어기 개선 vs 프론트엔드 연동)을 물어 균형 제어기 개선으로 승인받음. 일자: 2026-08-12 분류: handshake-robot, physics, moojoco, result

0. 목표

B-5-2/B-5-3에서 확인한 발목 전략(ankle strategy)만으로는 0.15초 수평 push 기준 15N까지만 회복하고 20N부터 매번 넘어졌다. 이 경계를 넓히는 것이 목표.

1. 원인 오진단 — 토크 한계가 아니었다

20N 낙상 궤적을 상세히 찍어보니 낙상 직전 발목 액추에이터 제어값이 정확히 한계치(±40Nm)에서 부호를 바꿔가며 진동(chattering)하는 게 보였다 — 토크 부족이 원인처럼 보였다. 그런데 발목 토크 한계를 ±80Nm로 두 배 늘려 재검증했더니 결과가 완전히 동일했다(20N: max_tilt 52.41° vs 원래 54.84°, 사실상 같은 시점에 낙상). 즉 액추에이터 포화는 진짜 원인이 아니었고, 진짜 병목은 발목 전략 하나만으로는 구조적으로 감당 못 하는 외란 크기가 있다는 것이었다 — 실제 로봇공학에서 잘 알려진, ankle strategy만으로는 큰 외란을 못 버티고 hip strategy나 stepping이 필요해지는 것과 같은 패턴.

2. 고관절(hip) 전략 추가 — 부호가 발목과 반대여야 함

발목과 같은 방식(골반 pitch 각도/각속도 피드백)을 고관절에도 추가했다. push=0(외란 없음) 상태에서 부호부터 확인했다:

sign=+1, kp_hip=300: 안정 (4초, max_tilt 0.12deg)
sign=-1, kp_hip=300: 1.3초 만에 180도 가까이 뒤집힘
sign=-1, kp_hip=50 : 안정 (낮은 게인에서는 부호가 틀려도 버팀)

발목은 sign=-1이 맞는 방향인데, 고관절은 sign=+1이 맞는 방향이었다 — 두 관절이 낙상에 기여하는 기구학적 경로가 다르기 때문으로 보인다(선험적으로 유도한 게 아니라 실측으로 확인). sign=-1을 고관절에 높은 게인으로 쓰면 오히려 외란 없이도 즉시 불안정해진다는 것도 확인했다.

3. 최종 게인과 실측 결과

KP_HIP=300, KD_HIP=75, HIP_SIGN=+1을 기존 발목 전략(KP_ANKLE=200, KD_ANKLE=50)에 추가:

push= 15N: 회복 (max_tilt 0.56deg)
push= 20N: 회복 (max_tilt 0.77deg)   <- 이전엔 여기서 낙상했음
push= 25N: 낙상
push= 30N: 낙상

회복 가능한 외란 범위가 15N → 20N으로 넓어졌다(힘 기준 약 33% 확장). 20초 무외란 안정성도 재검증했고, 오히려 정착 tilt가 더 작아졌다(-0.17° → -0.08°대). 고관절 게인을 더 올려보면(600, 1000) 오히려 더 나빠진다 — kp_hip=1000에서는 외란 없이도 0.93초 만에 낙상. 게인은 많을수록 좋은 게 아니라 최적 구간이 있다.

4. 정직하게 남길 것

• 여전히 좁은 범위다. 25N부터는 매번 넘어진다 — "일반 균형 제어기"가 아니라 소신호 선형 PD 두 개를 조합한 것.
• 고관절 게인 탐색도 그리드서치였다(300/75가 테스트한 후보 중 최선, 원리 기반 최적값이라는 보장은 없음).
• 토크 한계를 올리는 시도(±80)는 실제로는 아무 효과가 없었다는 것 자체가 이번 단계의 중요한 발견이다 — "그럴듯해 보이는 원인"을 실측 없이 결론내리지 않았다.

5. 다음 단계

• 프론트엔드/시각화 연동 — 여전히 미착수 (사령관이 이번엔 제어기 개선을 선택)
• 더 넓은 내성이 필요하면 stepping(발 옮기기) 전략 등 근본적으로 다른 접근 필요