[논문]사족보행 로봇의 개발을 위한 생체모방적 접근

강태훈; 송현섭; 최혁렬

doi:10.5302/j.icros.2006.12.4.307

사족보행 로봇의 개발을 위한 생체모방적 접근
Biologically Inspired Approach for the Development of Quadruped Walking Robot 원문보기

제어·자동화·시스템공학 논문지 = Journal of control, automation and systems engineering, v.12 no.4, 2006년, pp.307 - 314

강태훈 (성균관대학교 기계공학부) , 송현섭 (성균관대학교 기계공학부) , 최혁렬 (성균관대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we present a comprehensive study for the development of quadruped walking robot. To understand the walking posture of a tetrapod animal, we begin with a careful observation on the skeletal system of tertapod animals. From taking a side view of their skeletal system, it is noted that their fore limbs and hind limbs perform characteristic roles during walking. Moreover, the widths of footprints and energy efficiency in walking have a close relationship through taking a front view of their walking posture. According to these observations, we present a control method where the kinematical solutions are not necessary because we develop a new rhythmic gait pattern for the quadruped walking robot. Though the proposed control method and rhythmic pattern are simple, they can provide the suitable motion planning for the robot since the resultant movement is based on the animal's movements. The validity of the proposed idea is demonstrated through dynamic simulations.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

특히, 보행 중 나타나는 사족보행 동물의 특이한 보행 자세를 분석함으로써 에너지 효율과 보행자세에 대한 상관관계를 얻을 수 있게 된다. 결론적으로 앞에서 언급한 동물의 기구학적 구조에 대한 이해와 보행 에너지 효율에 대한 분석을 통하여, 본 논문에서는 간단하면서도 효과적인 보행이 가능한 제어 전략을 소개한다.
본 논문에서, 사족보행 로봇 개발을 위한 다양한 관찰에대한 분석이 소개되었다. 지행류 포유동물의 보행을 이해하기 위하여, 우리는 그들의 보행 자세와 골격 체계를 분석하였고, 동물의 보행패턴으로부터 이끌어낸 주기적인 패턴을기초로 하는 파형 발생기를 제안하였다.
여기서, 지행류 포유 동물의 다리는 다양한 환경에서의 뛰어난 적응력뿐만 아니라, 다양한 보행이 가능한 구조로 되어 있다. 본 논문에서는 사족보행 로봇의 보행 자세를 효과적으로 개발하기 위하여 개나 고양이와 같은 지행류 포유 동물에 대하여 논문의 초점을 맞주도록 한다.
본 논문에서는, 생체모방학에 근거한 사족보행 로봇의 .설계 및 개발에 관하여 논의한다.
.설계 및 개발에 관하여 논의한다. 사족보행 동물의 기구학적 구조를 면밀히 관찰함으로써 앞발(fore limb)과 뒷발(hind limb) 이 보행 중에 갖는 독특한 기능에 대하여 이해할 수 있다.
이러한 독특한 현상은 지금까지 보고되었던 사족보행 로봇의 연구 결과와는 매우 상이한 것이다[2, 3]. 즉, 동물들이 보행 중에너지 소비를 최소화하고 최소의 힘 또는 토크로 자신의 몸을 제어하기 위하여 이러한 독특한 보행 자세를 유지하는 것이다.

가설 설정

그림 2. (a)측면에서 본 애완용 개, (b)보행중 앞과 뒤 다리는 서로 다른 역할을 한다.

제안 방법

본 논문에서 분석되고 제안된 것들에 대한 타당성을 검증하기 위하여 사족보행 로봇에 대한 동적 시뮬레이션(dynamic simulation)을 수행하였다. 사용된 시뮬레이터는 ODE(Open Dynamic Er昭ne)를 기반으로 하며, 이것은 다양한 강체 거동에 대한 시뮬레이션을 구현 할 수 있도록 구성되어 있다[24].
본 논문에서 제안되는 보행패턴 제어기는 그림 8에서 보이는 것처럼 문턱값 검줄기(threshold value detector)에 따라 Exceeding Loop 과 Non-exceeding Loop^\ 제어구조를 갖는다. Exceeding Loop이 활성화 되는 경우는, 외부에서 입력되는 두가지 감각 수용기들(자이로스코5, 경사계, 힘 센서, 토크 센서)이 문턱값 검출기에 정의되어 있는 한계치를 넘게 되면문턱값 검줄기는 extensor# 자극하는 Stimulator를 활성화시켜 Exceeding L。여)를 형성한다.
본 논문에서는 보행 동물의 독특힌 보행자세를 이해하기위하여 다음과 같이 역진자 모델을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다.
전자는 주로 기계적 하중(mechanical load)을 즉정하는데사용되는 반면, 후자는 그들은 몸의 위치와 움직임을 인식할 수 있고, 근육과 힘줄 그리고 다른 기관의 신경끝부분에 위치한다. 본 논문에서는 앞으로 제안될 보행 패턴 제어기의 설계에 있어서, 앞서서 언급된 동물의 보행패턴, 보행자세, 아울러, 제안된 파형 발생기 및 감각 수용기를 복합적으로 사용하여, 사족보행 로봇에 적합한 제어기를 제안한다.
McCulloch와 Pitts의 뉴런모델 Leaky Integrator 뉴런모델 Malsuoka의 뉴런 모델 등은 대표적인 뉴런모델들이다. 아울러, 로봇 연구자들은 사족보행 로봇의 적절한 보행 제어를 위하여, 뉴런모델을 보행 로봇에 적용하였고, 다양한 형태의 제어 전략을 제시하였다[3, 7, 8]. 그러나, 이러한 뉴런 형태의 제어기들이 동물의 움직임을 부분적으로 설명할 수 있다 하더라도 로봇 시스템에 사용 되는 뉴런모델은 실제동물의 거동을 모방하기에는 매우 부족한 것이 사실이다.
이러한 특징을 다음과 같이 간단한 시뮬레이션으로 증명 될 수 있다. 우리는 이러한 특징을 이해하기 위하여 하나의 점 질량(point mass)에 질량이 없는 두 개의 가상 링크 (massless two link)를 가지고 있는 모델을 고려하였다. 그림 5 에서 질량 m은 지면과의 접촉점 A 또는 B가 지면에 닿는순간 길이 r 을 갖는 링크로 연결된다.
분석이 소개되었다. 지행류 포유동물의 보행을 이해하기 위하여, 우리는 그들의 보행 자세와 골격 체계를 분석하였고, 동물의 보행패턴으로부터 이끌어낸 주기적인 패턴을기초로 하는 파형 발생기를 제안하였다. 이것은 간단한 수학적 계산만으로도 적절한 보행제어기를 설계할 수 있는 파형발생기로써 역할을 충분히 하였다.
근거를 둔 것들이다. 첫 번째 방법은 CPG와 같이 뉴런들의 신호 체계 및 데이터 전송방식을 모방하는 것이고, 다른 하나는 동물의 보행 자체를 흉내 내는 것이다. 특히 CPG 는 기구학적 또는 동역학적 풀이와 같은 어떤 수학적 계산이필요로 하지 않기 때문에 많은 로봇 연구자들의 관심의 대상으로 여겨져 왔다.
사족보행 동물의 기구학적 구조를 면밀히 관찰함으로써 앞발(fore limb)과 뒷발(hind limb) 이 보행 중에 갖는 독특한 기능에 대하여 이해할 수 있다. 특히, 보행 중 나타나는 사족보행 동물의 특이한 보행 자세를 분석함으로써 에너지 효율과 보행자세에 대한 상관관계를 얻을 수 있게 된다. 결론적으로 앞에서 언급한 동물의 기구학적 구조에 대한 이해와 보행 에너지 효율에 대한 분석을 통하여, 본 논문에서는 간단하면서도 효과적인 보행이 가능한 제어 전략을 소개한다.
그림 8. 파형 발생기, 자극기, 문턱값 검출기, PD 제어기로 구성된 제안된 제어기.

대상 데이터

8. The proposed controller consists of four parts including an oscillator, stimulatory part, threshold detector, and PD controller.
시뮬레이션이 수행된 환경은 그림 10과 같이 아무런 장애물이 없는 평지환경, 오르막과 내리막이 있는 장애물 환경, 3cm의 장애물이 50cm 간격으로 놓여있는 환경, 그리고, 울퉁불퉁한 지면을 갖는 복잡한 지형 등 4가지가 사용되었다.

이론/모형

사족 보행 로봇의 모델은 그림 9와 같다. 다리 구조는 지행류 포유동물의 그것을 모방하였으며, 다리의 길이는 앞에서 언급한 Manipulability 이론으로부터 결정되었다. 특히, 앞다리는 어깨관절(A), 무릎관절(B) 그리고 쇄골관절(G)을 포함한 3자유도를 가지고 있다.
결코 쉬운 일이 아니다. 본 논문에서는 실제 동물의 거동을 정확히 모사하기 위하여 Bezier cuwe를 사용하였고[28], 파형 발생기i 번째 다리, j 번째 관절)를 구성하였다. 이러한 작업은 CPG와 같은 파형 발생기를 사용하기 위하여 소비되는 시간과는 비교 할 수 없을 만큼 빠르고 다양한 형태의 보행 패턴을 생성 할 수 있다는 장점이 있다.
수행하였다. 사용된 시뮬레이터는 ODE(Open Dynamic Er昭ne)를 기반으로 하며, 이것은 다양한 강체 거동에 대한 시뮬레이션을 구현 할 수 있도록 구성되어 있다[24]. 사족 보행 로봇의 모델은 그림 9와 같다.
우리는 앞과 뒷다리가 각각 지지하는 힘 (supporting fbrce) 과추진하는 힘(propulsive fbrce)을 생성해 내는 이러한 특징들을 명확하게 증명하기 위하여 Manipulating-force ellipsoid 이론을 사용하였다[19].
제안된 로봇의 보행 자세와 제어기의 성능을 비교하기 위하여, 보행 효율(locomotion energetic)을 즉정하는 방법 중 비저항(specific resistarmce)를 이용하였다[25, 26].

성능/효과

아울러, 동일한 지면 반발력이 작용 할 경우 발폭이 좁을수록 몸통이 한쪽 방향으로.넘어지는 것을 쉽게 또는 작은 힘으로막을 수 있다는 결론을 얻을 수 있다. 이러한 결과는 지행류포유동물은 보행 중에 그들 자신의 몸을 최대한 작은 에너지를 가지고 제어하려고 발폭을 좁게 사용한다는 것을 의미한다.
그림 11은 다양한 환경에서 비저항의 변화를 보여준다. 이로부터, Exceeding Loop의 효율이 Non-exceeding 의 것보다 높다는 것을 알 수 있으며, 한가지 특이한 점은 보행 초기에 에너지 효율이 매우 좋지 않다는 것을 알 수 있다. 그러나, 시간이 경과할수록 로봇은 스스로가 환경에 적응하며, 에너지 효율은 일정 범위에서 유지된다.

후속연구

만약, 이와 같은 방법을 사용하여 보행 로봇의 제어 시스템을 구성하기를 원한다면, 뉴런 모델에서 사용되는 수 많은 변수 결정은 엄청난 시행착오를 통해서만 얻을 수 있다는 것을 알아야만 하며, 시스템의 변수들의 일반화 또한 거의 불가능하다는 것을 고려하여야 할 것이다. 아울러, 보다 높은 수준의 제어 알고리듬을 구성하기 위해서는 뉴런의 화학적 상관 관계에 얽힌 많은 문제들을 해결해야만 할 것이다. 즉, 앞서 언급한 것처럼 보행동물의 보행 및 거동을 몇몇의 뉴런으로 표현한다는 것 자체가 어려운 것이기 때문이다.
여기에서, 보행 중 한 주기 동안 SW와 SP의 비율은 보행 속도 보다는 보행 형태에 따라 크게 구분 된다는 것을 알 수있다. 이것은 보다 자연스러운 보행 보행패턴을 결정짓기 위한 중요한 설계요소로 활용 가능한 결과이며, 사족보행 로봇의 보행패턴을 일반화 할 수 있는 기준이 될 것이다.
직관적인 관찰은 그 무엇보다도 중요하다. 특히 동물의보행 패턴(pattern)과 다리의 움직임과 같은 동물의 움직임을특징적으로 관찰 할 수 있다면, 로봇 개발을 위한 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이다. 다시 말해서, 우리가 뉴런간의 의사소통에 대한 이해를 시도하지 않고 동물의 운동 형상을 결정할 수 있다면, 우리는 쉽게 사족보행 로봇의 효과적인 보행방식을 결정 할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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