본 논문에서는 보행 로봇의 자세 안정화 및 동적 걸음새를 구현하였다. 10개의 RC서보모터가 로봇 관절에 사용되었고, 각 로봇의 관절은 어떤 걸음새 동작에도 충분히 움직일 수 있게 하였다. 각 관절 궤적은 3차 스플라인 보간법에 의해 생성되며, 궤적의 안정성은 로봇 모델링에 의한 ZMP(Zero Moment Point)를 이용하여 입증하였다. 또한 복잡한 구조와 표현을 피하기 위해 각 가속도를 이용한 ZMP방법을 구현 하였고, 로봇의 안정 상태를 측정하기 위해 기울기 센서와 자이로 센서가 사용되었다. 10개의 서보모터 제어, 궤적 생성, ZMP 보상, 센서 측정 등 과 같은 대부분의 계산 과정은 DSP에서 이루어지며, PC에서는 단순히 로봇의 상태, 데이터 처리 등의 모니터링에 이용하였다.
본 논문에서는 보행 로봇의 자세 안정화 및 동적 걸음새를 구현하였다. 10개의 RC 서보모터가 로봇 관절에 사용되었고, 각 로봇의 관절은 어떤 걸음새 동작에도 충분히 움직일 수 있게 하였다. 각 관절 궤적은 3차 스플라인 보간법에 의해 생성되며, 궤적의 안정성은 로봇 모델링에 의한 ZMP(Zero Moment Point)를 이용하여 입증하였다. 또한 복잡한 구조와 표현을 피하기 위해 각 가속도를 이용한 ZMP방법을 구현 하였고, 로봇의 안정 상태를 측정하기 위해 기울기 센서와 자이로 센서가 사용되었다. 10개의 서보모터 제어, 궤적 생성, ZMP 보상, 센서 측정 등 과 같은 대부분의 계산 과정은 DSP에서 이루어지며, PC에서는 단순히 로봇의 상태, 데이터 처리 등의 모니터링에 이용하였다.
In this paper, we embodied posture-stabilization and dynamic gait in a walking robot. 10 RC servo motors are used to operate joints. And the joints have enough moving ranges suitable in any walking pattern. Each joint trajectory is generated by cubic spline interpolation method and the stability of ...
In this paper, we embodied posture-stabilization and dynamic gait in a walking robot. 10 RC servo motors are used to operate joints. And the joints have enough moving ranges suitable in any walking pattern. Each joint trajectory is generated by cubic spline interpolation method and the stability of the trajectory is verified by using Zero Moment Point from the robot modeling. To avoid complex structure and expression, Zero Moment Point of the biped robot used angular acceleration is suggested. To measure the stability of the biped robot, Tilt sensor and gyro sensor are used. Finally, Personal Computer is used computer monitoring and data processing. Most of computation, such as 10 RC servo motor control, joint trajectory generating, ZMP compensation, sense measuring, etc, was used Digital Signal Processor.
In this paper, we embodied posture-stabilization and dynamic gait in a walking robot. 10 RC servo motors are used to operate joints. And the joints have enough moving ranges suitable in any walking pattern. Each joint trajectory is generated by cubic spline interpolation method and the stability of the trajectory is verified by using Zero Moment Point from the robot modeling. To avoid complex structure and expression, Zero Moment Point of the biped robot used angular acceleration is suggested. To measure the stability of the biped robot, Tilt sensor and gyro sensor are used. Finally, Personal Computer is used computer monitoring and data processing. Most of computation, such as 10 RC servo motor control, joint trajectory generating, ZMP compensation, sense measuring, etc, was used Digital Signal Processor.
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문제 정의
단점으로는 여러 개의 FSR을 발바닥 구조에 맞게 배치해야 하고, 압력센서인 FSR을 발의 구조에서 동일한 압력을 주어야 함으로 구성과 제작에 어려움이 따른다. 이런 FSR의 단점을 개선하기 위한 한 가지 방안으로서 가속도를 이용한 ZMP 보상을 제안한다.
가설 설정
중력, 마찰력, 외부환경 요소 등으로 볼 수 있다. 로봇에 작용하는 힘을 다른 요소는 영향을 미치지 않는 다고 가정하고, 중력만을 고려 할 때 로봇의 양발에 있는 무게중심을 적절히 이동하면 보행 시 로봇은 넘어지지 않고 이동할 수 있다.
로봇의 각부는 허벅지, 종아리, 발목으로 되어 있고, 각각의 joint 에는 서보모터가 엑츄에이터로 사용되며, 각 부의 무게는 중심에 있다고 가정하였고, x방향을 로봇의 진행방향으로 보았다.
제안 방법
FSR센서를 이용한 로봇의 단점, 즉 로봇 발바닥 구조의 복잡성과 여러 개의 FSR을 사용할 때 감도 오차 그리고 발바닥이 지면에 닿아야만 측정가능 등에 대한 개선의 한 방안으로 가속도를 이용한 ZMP 보상 방법을 적용하였다.
FSR을 이용한 로봇의 구조의 단점을 개선하기 위한 방안으로 가속도를 이용한 ZMP 보상 방법을 이용하였으며, 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 그리고 로봇 스스로 움직이는 개념으로 컴퓨터에서는 모니터링과 시뮬레이션을 실행 하였고, 로봇 움직임에 대한 연산 과정은 DSP를 이용하였다.
실제 실험에서 각속도 센서와 각 센서를 사용하여 구했기 때문에 그램에서와 같은 결과는 얻지 못하고 센서 측정 시 잡음으로 인하여 이상적인 ZMP의 값에서 흔들리는 값을 얻을 수 있었다. 그러므로 보상과정에서 여러 개의 값을 평균하여 사용하였다.
그러므로 본 논문에서는 계산 량을 줄이고, 모든 부분에 대하여 모멘트를 계산한 경우와 비슷한 결과를 도출하기 위하여 FSR을 이용한 방법의 결과를 기준으로 비교하고 가장 영향이 많은 머리 부분의 각속도와 가속도를 측정하여 ZMP에 적용하였다.
로봇의 다리 구조는 Hip joint에서 1 자유도를 뺀 총 10 자유도이며, 3차 스플라인 보간법을 이용하여 궤적을 생성하였고 그 궤적을 이용하여 로봇의 걸음새를 구현하였다. 기울기 센서와 각속도 센서를 이용하여 기본적인 자세 제어와 ZMP 보상을 하였다.
5kg 정도의 소형 로봇 이다. 로봇의 다리 구조는 Hip joint에서 1 자유도를 뺀 총 10 자유도이며, 3차 스플라인 보간법을 이용하여 궤적을 생성하였고 그 궤적을 이용하여 로봇의 걸음새를 구현하였다. 기울기 센서와 각속도 센서를 이용하여 기본적인 자세 제어와 ZMP 보상을 하였다.
실험의 순서는 먼저 궤적 생성 후 보상이 없는 경우에 대한 실험을 하였고 다음으로 기울기 센서에 의한 각 보상, 마지막으로 각속도를 이용한 ZMP 보상을 적용하였다. 보행 시 보폭을 5cm, 한걸음 걷는 시간을 약 2초 정도로 고정 하여 위의 경우에 대한 실험을 하였다.
본 논문에서는 로봇의 궤적생성, 모터의 각도 및 속도제어, 보상 알고리즘 등을 모두 DSP를 이용하여 구현 하였으며 컴퓨터는 모니터링과 시뮬레이션에 사용하였다. 인간의 다른 지시가 없어도 로봇 스스로 행동하는 로봇의 그 첫 단계로 하나의 DSP를 이용한 로봇으로 구성 하였다.
실험은 보상이 없는 경우, 기울기 센서를 이용한 자세제어, 각속도 보상을 이용한 보행의 3가지 경우에 대하여 실행하였다. 실험 결과의 비교는 먼저 x, y축의 각도 변화를 조사하고 그때 발생한 ZMP를 이용하여 보행 시 안정도를 판별하였다. 각속도 보상을 이용한 보행은 앞의 두 경우 보다 개선되었고, 이는 측정된 ZMP의 변화 그래프에서 확인할 수 있다.
실험은 보상이 없는 경우, 기울기 센서를 이용한 자세제어, 각속도 보상을 이용한 보행의 3가지 경우에 대하여 실행하였다. 실험 결과의 비교는 먼저 x, y축의 각도 변화를 조사하고 그때 발생한 ZMP를 이용하여 보행 시 안정도를 판별하였다.
실험의 순서는 먼저 궤적 생성 후 보상이 없는 경우에 대한 실험을 하였고 다음으로 기울기 센서에 의한 각 보상, 마지막으로 각속도를 이용한 ZMP 보상을 적용하였다. 보행 시 보폭을 5cm, 한걸음 걷는 시간을 약 2초 정도로 고정 하여 위의 경우에 대한 실험을 하였다.
본 논문에서는 로봇의 궤적생성, 모터의 각도 및 속도제어, 보상 알고리즘 등을 모두 DSP를 이용하여 구현 하였으며 컴퓨터는 모니터링과 시뮬레이션에 사용하였다. 인간의 다른 지시가 없어도 로봇 스스로 행동하는 로봇의 그 첫 단계로 하나의 DSP를 이용한 로봇으로 구성 하였다.
대상 데이터
10 자유도로 구성한 로봇의 경우 정면과 측면에 대한 움직임은 가능하나 방향전환은 불가능하다. 그러므로 논문에서는 방향전환을 배제하고 기타 요소의 간섭을 없앤 보행의 안정성을 판단하기 위해 그림 1과 같은 간단한 구조의 로봇을 사용하였다.
본 논문에서 사용 되어진 로봇은 Hip joint에서 1자유도를 뺀 총 10 자유도를 가지는 로봇을 구성하여 실험을 하였다. 10 자유도로 구성한 로봇의 경우 정면과 측면에 대한 움직임은 가능하나 방향전환은 불가능하다.
본 논문에서 사용된 로봇은 높이 30cm 무게 약 1.5kg 정도의 소형 로봇 이다. 로봇의 다리 구조는 Hip joint에서 1 자유도를 뺀 총 10 자유도이며, 3차 스플라인 보간법을 이용하여 궤적을 생성하였고 그 궤적을 이용하여 로봇의 걸음새를 구현하였다.
이론/모형
FSR을 이용한 로봇의 구조의 단점을 개선하기 위한 방안으로 가속도를 이용한 ZMP 보상 방법을 이용하였으며, 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 그리고 로봇 스스로 움직이는 개념으로 컴퓨터에서는 모니터링과 시뮬레이션을 실행 하였고, 로봇 움직임에 대한 연산 과정은 DSP를 이용하였다.
성능/효과
또한 센싱 과정에서 DSP의 레지스터를 이용하여 센서 값을 읽을 때는 범위를 크게 하고, 적용 할 때는 범위를 줄여서 잡음에 대한 오차를 줄였다.
FSR을 대신하여 자이로 센서와 기울기 센서를 실험에 사용하였다. 보행 로봇의 궤적생성방법으로 3차 스플라인 보간법을 이용하였고 보행 시 골반의 높이는 일정하게 유지하였다.
그림 3은 한 주기 보폭에 대한 이상적인 ZMP와 x축과 y축의 계획상의 ZMP를 도식화 한 것이다. 실제 실험에서 각속도 센서와 각 센서를 사용하여 구했기 때문에 그램에서와 같은 결과는 얻지 못하고 센서 측정 시 잡음으로 인하여 이상적인 ZMP의 값에서 흔들리는 값을 얻을 수 있었다. 그러므로 보상과정에서 여러 개의 값을 평균하여 사용하였다.
후속연구
각속도 보상을 이용한 보행은 앞의 두 경우 보다 개선되었고, 이는 측정된 ZMP의 변화 그래프에서 확인할 수 있다. 또한 이것은 서론에서 제안한 FSR을 이용한 보상방법의 단점에 대해 한 가지의 대안으로 사용될 수 있음을 보여준다.
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