[논문]폐쇄 기구형 다리의 조향가능 4족 보행 로봇 시스템

임승철; 정해성

doi:10.22634/ksme-a.2000.24.1.118

폐쇄 기구형 다리의 조향가능 4족 보행 로봇 시스템
A Steerable Quadruped Walking Robotic System with Legs of a Closed-Chain Mechanism 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.24 no.1 = no.173, 2000년, pp.118 - 123

임승철 , 정해성

Abstract ▼ AI-Helper

Most quadruped walking robots under current research are individually controlling every joint ic make them step or walk according to an integrated strategy. Such methods are characterized by at least one pair of an actuator and a sensor installed per each 'oint so that the robots weigh execssively and move inefficiently in terms of energy expenditure. In addition, the task of controlling all the joints simultaneously is quite complex and prone to destabilize the robot motion. These respects keep the existing walking robots away from realistic applications such as transportation even if they have potentially, outstanding adaptability to swamps or uneven terrains as opposed to wheeled vehicles. So, this paper presents a new conceptual quadruped robot developed to walk and steer only with a minimal number of actuators owing to a closed-chain mechanism. To prove its actual performance including the adaptability to various types of terrains. experiments are done with the mammal-type prototype. And. it is also shown that the same concept can be easily extended to carry out different gait forms. for instance, that of spiders only with minor modifications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이상의 연구결과를 바탕으로, 향후에는 대응력이 부족한 험지등에서도 보행 가능하도록 약간의 자유도가 추가된 폐쇄 기구와 이를 실시간으로 변형시킬 수 있는 제어기 설계에 대한 연구로 발전시키고자 한다.
이에 착안하여 본 논문에서는 현재 4족 보행을 위해 사용되고 있는 다수의 작동기를 폐쇄 기구로 대체한, 일체형 조향가능 4족 보행 로봇 기구를 제안하고자 한다. 이러한 신 개념의 4족 보행 시스템은 당초에 포유류의 보행형태를 기본으로 구성하여 걸음새와 보행형태에 따른 특징 등을 제시하였으나(1) 동 개념을 응용하면 다양한 동물, 일례로 거미형의 4족보행 시스템도 쉽게 구성될 수 있음을 보였다.

제안 방법

Photo. 1에 보인 포유류형의 시작품을 제작 해발 옮김 형태를 시뮬레이션과 비교해 보고 보행 및 조향 실험을 해 보았다. 실제 모델에선 네 다리의 보행을 위한 작동기로서 한 개의 직류 모터가 사용되었고 조향을 위하여 두 개의 솔레노이드가 사용되었다.
본 논문에서 제안하는 조향 시스템은 다리 각각이 조향을 위해 독립적으로 움직이는 시스템°) 이 아닌 어깨의 움직임에 의한 일체적 조향 시스템을 채택하고 있다. 본 보행 시스템은 네 다리로 형성되는 걸음새를 단일 모터와 기계적인 메커니즘으로 구현하였기 때문에 보행주기를 안정시킬 수 있고 조향시에도 이러한 타이밍 특징이 이용된다.
앞에서 제안한 4족 보행 시스템은 포유류의 보행 형태를 기본으로 설계되었다. 그러나 폐쇄 기구는 링크의 길이를 변화시켜 다양한 보행 궤도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 그 기구를 몸체에 접합시키는 방식에 따라 여러가지 보행 형태를 표현할 수 있다.
제안된 4족 보행형 로봇은 4족 동물의 보행과 동일한 네 단계로 이루어진 발옮김 형태를 갖는다. Fig.
2와 같은 6절'.폐쇄 기구 시스템을 설계하였다.

대상 데이터

1에 보인 포유류형의 시작품을 제작 해발 옮김 형태를 시뮬레이션과 비교해 보고 보행 및 조향 실험을 해 보았다. 실제 모델에선 네 다리의 보행을 위한 작동기로서 한 개의 직류 모터가 사용되었고 조향을 위하여 두 개의 솔레노이드가 사용되었다. 또한 추가로 제작된 거미형 시작품으로도 보행실험을 해 보았다.
1은 구상된 기구 모델을 바탕으로 2절에서 밝힌 제원의 다리를 갖도록 제작된 시작품으로 포유류의 형태를 기본으로 취하였다. 참고로 네 발간의 로봇 폭 3 , 길이 I , 그리고 로봇의 키 는 각각 21, 40, 20 cm이며 전체 중량은 2.56 Kg이다. 또한 보행운동의 변화 없이 다만 보행 시 의 완충효과만을 위하여 스프링형 서 스펜션과 발 그리고 발다닥에 고무패드가 추가되었다.

성능/효과

7과 같이 거의 좌우 대칭인 발옮김 형태을 갖도록 링크 길이가 설계되어 매우 안정한 보행효과를 얻을 수 있었다. 또한 구조적 특징으로 인하여 보행폭에 비하여 보행 높이가 크지 않아 포유류 형태보다 에너지 소비가 적고 롤링이나 피칭이 감소되어 더욱 우월한 걸음새를 보였다.
특히, 다수의 작동기와 다수의 마이크로 프로세서 제어기를 계층 구조로 채용하는 기존방식의 보행 로봇에 비하여 보행 시나 정지시의 안정성이 두드러지고 보행속도를 제어하기가 용이함을 알 수 있었다. 또한 모래밭, 보통 수준의 불규칙 지형 및 경사면 등에 대한대응력, 발옮김 형태의 다양화 용이성도 확인할 수 있었다.
또한 제안된 4족보행 로봇은 감속 기어뿐만 아니라 폐쇄 기구 구조로 인하여 구성 링크 자체의 강도에 의해 각 무게가 지탱되므로 대용량의 하중에 견딜 수 있고 제어기 구조가 간소화되어 치명적인 시스템 오류 등에도 강인하다.
제안하고자 한다. 이러한 신 개념의 4족 보행 시스템은 당초에 포유류의 보행형태를 기본으로 구성하여 걸음새와 보행형태에 따른 특징 등을 제시하였으나(1) 동 개념을 응용하면 다양한 동물, 일례로 거미형의 4족보행 시스템도 쉽게 구성될 수 있음을 보였다.
이론적 설계와 보행실험을 통해 본 논문에서 제안한 새로운 개념의 4족 보행로봇은 충분한 보행과 조향 효과를 보였다. 특히, 다수의 작동기와 다수의 마이크로 프로세서 제어기를 계층 구조로 채용하는 기존방식의 보행 로봇에 비하여 보행 시나 정지시의 안정성이 두드러지고 보행속도를 제어하기가 용이함을 알 수 있었다.
조향 효과를 보였다. 특히, 다수의 작동기와 다수의 마이크로 프로세서 제어기를 계층 구조로 채용하는 기존방식의 보행 로봇에 비하여 보행 시나 정지시의 안정성이 두드러지고 보행속도를 제어하기가 용이함을 알 수 있었다. 또한 모래밭, 보통 수준의 불규칙 지형 및 경사면 등에 대한대응력, 발옮김 형태의 다양화 용이성도 확인할 수 있었다.

후속연구

존재한다.(4) 이 형태는 일반 보행시에 주기적이고 연속적으로 나타나는 것을 볼 수 있는데 이러한 운동을 폐쇄 기구형 다리 등을 채용한 기계요소로 대체할 수 있다면 최소 개수의 작동기와 간소화된 제어기 구조로 안정된 4족 보행 시스템을 구현할 수 있다. 그 경우, 4족 보행이 갖는 불규칙 지형에 대한 적응력과 더불어 바퀴 달린 차량이 고른 지형에서 갖는 뛰어난 이동성, 대규모 운송능력, 소수의 작동기 사용으로 얻어지는 경제성, 속도의 가변이나 조향의 용이성, 그리고 에너지 효율의 향상을 기대할 수 있다.

참고문헌 (8)

Sukhatme, G. S., 1997, 'The Design and Control of a Prototype Quadruped Microrover,' Autonomous Robots, Vol. 4, No.2, pp. 211-220

상세보기
Tomokazu, H., and Kazuo, Y., 1992, 'Control of the Variable-Structure-Type Locomotive Robot.,' JSME International Journal, Vol. 35, No.4, pp. 601-603
MacDonald, W. S., and Grupen, R.A., 1997, 'Building Walking Gaits for Irregular Terrain from Basis Controllers,' Proceedings of the IEEE Conference on Robotics and Automation, Albuquerque, NM
Grieve, D., 1968, 'Gait Patterns and the Speed of Walking,' Biomedical Engineering, pp. 119-122
임승철, 정해성, '작동기의 수를 최소화한 조향가능 4족 보행 로봇 시스템의 설계,' 한국자동제어학술회의 논문집, 제2권, pp. 1560-1563
Kimbrell, J. T., 1991, Kinematics Analysis and Synthesis, McGraw-Hill, Inc.
Emura, T. and Arakawa, A., 1991, 'Attitude Control of a Quadruped Robot during Two Legs Supporting,' International Conference on Advanced Robotics, Pisa, Italy
Ding, Y. and Scharf, E., 1994, 'Deadlock Avoidance for a Quadruped with Free Gait,' IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol. 1, San Diego, CA, pp. 143-148

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