[논문]인체근육 구조 인간형 로봇의 모델링 및 구현

오지헌; 이병주

인체근육 구조 인간형 로봇의 모델링 및 구현
Modeling and Development of Human-Muscle Type Humanoid 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.24 no.2 = no.191, 2007년, pp.64 - 72

오지헌 (한양대학교 전자컴퓨터공학부) , 이병주 (한양대학교 전자컴퓨터공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Many human-body motions such as walking, running, jumping, etc. require a significant amount of power. To achieve a high power-to-weight ratio of the humanoid robot system, this paper proposes a new design of the bio-mimetic leg mechanism resembling musculoskeletal system of the human body. The hip joints of the system considered here are powered by 5 human-like bi-and mono-articular muscles, and the joints of knee and ankle are redundantly actuated by both bi-articular muscles and joint actuators. The kinematics for the leg mechanism is derived and a kinematic index to measure force transmission ratio is introduced. It is demonstrated through simulation that incorporation of redundant muscles into the leg mechanism enhances the power of the mechanism approximately 2 times of the minimum actuation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 여유구동으로 구현된 근골격 구조의 새로운 생체모방형 보행로봇의 구조를 제안했다. 제안한 구조에서 사용된 쌍관절 근육은 보행로봇의 힘 전달 능력을 향상시키는데 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다.
해석한 사례가 미미하다. 본 논문은 이러한 노력의 일환으로 여유구동을 이용한 생체모방 형태의 보행로봇과 이러한 구조의 이점을 소개하고자 한다. 인간의 관절들은 뼈와 뼈 사이에 붙어있는 근육의 수축에 의해 구동이 된다.
세 번째, 근육형 액츄에이터가 실제의 근육 처럼단방향 구동인 경우를 고려해 보자. 단방향 선형 액츄에이터는 텐던 메커니즘(Fig.
이 절에서는 양방향과 단반향 근육 액츄에이터들의 구동력에 대하여 조사한다. 양방향 선형액츄에이터는 수축과 이완 모두 가능하나, 단반향 선형 액츄에이터는 인간 근육과 같이 단지 수축만이 가능하다.

가설 설정

첫째, 두 다리 시스템이 여섯 개의 관절 액츄에이터에 의해서만 동작한다고 가정하자. 이러한 조건 아래, Fig.

제안 방법

관절 근육들로 구성되어 있다. 그러나 본 논문에서 제안하는 모델에서는 구조를 단순화하기 위해 발목과 무릎의 단일 관절 근육들을 회전형 액츄에이터로 대체하였다. 일반적으로 무릎 관절이 다른 관절에 비해 높은 힘을 요구한다는 것은 알려져 있다.
따라서, 무릎 관절에 더 큰 힘을 전달하기 위해 세 개의 쌍관절 근육들을 무릎 주변에 위치를 시켰다. 그리하여 본 논문에서 제안한 다리 구조는 총 7 개의 체인들로 구성이 되었으며 (부록), 체인 0 을 제외한 나머지 체인들은 1 개의 능동 선형 관절 (active linear joint) 과 5개의 수동 회전 관절(passive revolute joint)들로 구성되어 있다.
일반적으로 무릎 관절이 다른 관절에 비해 높은 힘을 요구한다는 것은 알려져 있다. 따라서, 무릎 관절에 더 큰 힘을 전달하기 위해 세 개의 쌍관절 근육들을 무릎 주변에 위치를 시켰다. 그리하여 본 논문에서 제안한 다리 구조는 총 7 개의 체인들로 구성이 되었으며 (부록), 체인 0 을 제외한 나머지 체인들은 1 개의 능동 선형 관절 (active linear joint) 과 5개의 수동 회전 관절(passive revolute joint)들로 구성되어 있다.
Takita 4는 ball screw 로 구현된 선형 액츄에이터를 제안했고, 공룡 모양의 보행로봇에서 3 자유도를 구성하기 위해 2개의 선형 액츄에이터를 이용하였다. 또한 Sellaouti, 는 선형 액츄에이터로 구동되는 3 자유도 병렬형 보행로봇을 제안했다. 소병록7 은 큰 가반하중을 얻기 위해 볼스크루를 적용한 선형 액츄에이터와 여유구동을 적용한 힙 구조를 제안하였다.
또한 Sellaouti, 는 선형 액츄에이터로 구동되는 3 자유도 병렬형 보행로봇을 제안했다. 소병록7 은 큰 가반하중을 얻기 위해 볼스크루를 적용한 선형 액츄에이터와 여유구동을 적용한 힙 구조를 제안하였다. Hemami8는 근육형 액츄에이터를 사용한 five link sagittal 보행로봇을 소개했다.

대상 데이터

소병록7 은 큰 가반하중을 얻기 위해 볼스크루를 적용한 선형 액츄에이터와 여유구동을 적용한 힙 구조를 제안하였다. Hemami8는 근육형 액츄에이터를 사용한 five link sagittal 보행로봇을 소개했다. Spagele9은 근골격 구조를 갖는 시스템의 동역학(dynamic) 최적화 문제를 풀기 위한 방법을 소개했다.
Morisawa1,2는 각각의 다리를 6 자유도 병렬형 구조를 사용하는 3D 보행로봇을 제안했고, 직렬형 구조와 병렬형 구조의 보행로봇을 비교하였다. Sugahara, 는 각각의 다리 에 총 12 선형 액츄에이터로 구현된 보행로봇을 소개하였다. Takita 4는 ball screw 로 구현된 선형 액츄에이터를 제안했고, 공룡 모양의 보행로봇에서 3 자유도를 구성하기 위해 2개의 선형 액츄에이터를 이용하였다.

이론/모형

방식을 사용한다. 구체적인 방법론은 Freeman and Tesar 6 을 참고하길 바란다. 다음에서는 G 는 1차 기구학적 영향계수를 나타내고 윗첨자와 아래첨자는 각각 종속변수와 독립변수를 나타낸다.
구동인 경우를 고려해 보자. 단방향 선형 액츄에이터는 텐던 메커니즘(Fig. 12)을 사용하여 구현을 한다. 텐던은 단지 수축만 가능하고 이완은 되지 않기 때문어), 수축하는 힘의 값은 항상 양수이다.
단방향 액츄에이터로 구동이 되는 다리 기구의 입력 힘과 토크 벡터를 계산하기 위해 다음과 같이 순차적 자승 프로그래밍(sequential quadratic programming : QP) 알고리즘을 사용한다.
본 논문에서는 일반화된 달랑베르 원리(Generalized Principle of D'Alembert) 와 기구학적 영향계수 방법을 혼합한 벡터 표현으로 나타낸 모델링 방식을 사용한다. 구체적인 방법론은 Freeman and Tesar 6 을 참고하길 바란다.

성능/효과

결과적으로 제안한 근육형 다리 모델에서 최대 요구되는 힘은 세 개의 쌍관절 근육을 추가함으로써 최소구동 모드일 때에 비해 두 배의 힘 전달비를 구현할 수 있음을 살펴볼 수 있었다.
이러한 특징은 쌍골격 구조로 인한 병렬형 구조가 직렬형 구조와 비교했을 때 힘 전달 특성이 더 향상되었다는 것을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있었다. 그리고 그 결과는 여유구동으로 동작할 때의 힘 전달비는 최소 구동 모드에 비해 두 배 정도 향상되는 것을 살펴볼 수 있었다.
이러한 여유구동을 이용하는 구조는 보행로봇의 힘 전달비를 향상시키기 위해서 사용한다. 본 논문에서 제안한 골반과 무릎에 3개의 쌍관절 근육을 사용하는 여유구동의 다리 구조는 일반 직렬형 구조보다 거의 2 배 정도 힘을 향상시킬 수 있었다.
9(a)에서 각각 볼 수 있다. 이 결과들을 통해 근육 액츄에이터의 힘은 작아지고 관절 토크는 한계를 넘지 않는 범위에서 재분배되는 것을 관찰할 수 있다.
제안한 구조에서 사용된 쌍관절 근육은 보행로봇의 힘 전달 능력을 향상시키는데 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 특징은 쌍골격 구조로 인한 병렬형 구조가 직렬형 구조와 비교했을 때 힘 전달 특성이 더 향상되었다는 것을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있었다. 그리고 그 결과는 여유구동으로 동작할 때의 힘 전달비는 최소 구동 모드에 비해 두 배 정도 향상되는 것을 살펴볼 수 있었다.
제안한 구조에서 사용된 쌍관절 근육은 보행로봇의 힘 전달 능력을 향상시키는데 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 특징은 쌍골격 구조로 인한 병렬형 구조가 직렬형 구조와 비교했을 때 힘 전달 특성이 더 향상되었다는 것을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있었다.

후속연구

향후에는 제안한 보행로봇 구조를 이용하여 빨리 걷기, 뛰기, 계단 오르기 등의 높은 힘을 요구하는 실험을 수행할 예정이다.

참고문헌 (11)

Morisawa, M., Yakoh, T., Murakami, T. and Ohnishi, K., 'An approach to biped robot with parallel mechanism,' Proceedings 6th International Workshop on Advanced Motion Control, pp. 537-541, 2000
Morisawa, M., Fujimoto, Y., Murakami, T. and Ohnishi, K., 'A walking pattern generation for biped robot with parallel mechanism by considering contact force,' Proceedings on IEEE 27th Annual Conference, IECON '01, Industrial Electronics Society, pp. 2184-2189, 2001
Sugahara, Y., Tatsuro, E., Lim, H.O. and Takanishi, A., 'Design of a battery-powered multi-purpose bipedal locomotor with parallel mechanism,' Proc. of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System, pp. 2658-2663, 2002
Takita, K., Hodoshima, R. and Hirose, S., 'Fundamental Mechanism of Dinosaur-like Robot TITRUS-II Utilizing Coupled Drive,' Proc. of the IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 1670-1675, 2000
Sellaouti, R., Konno, A. and Ouezdou, F.B., 'Design of a 3DOFs Parallel Actuated Mechanism for a Biped Hip Joint,' Proc. of the IEEE International Conference on Intelligent Robotics and Automation, pp.1161-1166, 2002
Freeman, R.A. and Tesar, D., 'Dynamic modeling of serial and parallel mechanisms/robotic systems, Part I-Methodology, Part II-Applications,' Proceedings on 20th ASME Biennial Mechanisms Conference, Trends and Development in Mechanisms, Machines and Robotics, DE-Vol. 15-3, pp. 7-27, 1988
So, B. R., Yi, B. J., Kim, W. K., Oh, S. R., Park, J. I. and Kim, Y.S., 'Design of a Redundantly Actuated Leg Mechanism,' Proc. of the IEEE International Conference on Intelligent Robotics and Automation, pp. 4348-4353, 2003
Hemami, H. and Dinneen, J., 'A marionette-based control strategy for stable movement,' IEEE Transactions in Biomedical Engineering, Vol. 40, No. 10, pp. 541-548, 1993

상세보기
Spagele, T., Kistner, A. and Gollhofer, A., 'A multi-phase optimal control technique for the simulation of a human vertical jump,' Journal of Biomechanics, pp. 87-91, 1999

상세보기
Hirose, S. and Ma, S., 'Coupled Tendon-driven Multijoint Manipulator,' Proc. of the IEEE International Conference on Intelligent Robotics and Automation, pp. 1268-1275, 1991
Massie, T. and Stalisbury, K., 'PHANTOM Haptic Interface: A Device for Probing Virtual Objects,' ASME Journal of Dynamic System and Control, pp. 295-299, 1994

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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