[논문]2족 보행로봇을 위한 여유자유도 궤적 생성

연제성; 박종현

doi:10.3795/ksme-a.2009.33.10.1014

2족 보행로봇을 위한 여유자유도 궤적 생성
Redundancy Trajectory Generation for Biped Robot Manipulators 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.33 no.10 = no.289, 2009년, pp.1014 - 1022

Abstract ▼ AI-Helper

A biped robot in locomotion can be regarded to be kinetically redundant in that the link-chain from its foot on the ground to its swing foot has more degrees of freedom that needed to realize stable bipedal locomotion. This paper proposes a new method to generate a trajectory for bipedal locomotion based on this redundancy, which directly generates a locomotion trajectory at the joint level unlike some other methods such as LIPM (linear inverted-pendulum mode) and GCIPM (gravity-compensated inverted-pendulum mode), each of which generates a trajectory of the center of gravity or the hip link under the assumption of the dominance of the hip-link inertia before generating the trajectory of the whole links at the joint level. For the stability of the trajectory generated in the proposed method, a stability condition based on the ZMP (zero-moment point) is used as a constraint as well as other kinetic constraints for bipedal motions. A 6-DOF biped robot is used to show how a stable locomotion trajectory can be generated in the sagittal plane by the proposed method and to demonstrate the feasibility of the proposed method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

즉 본 논문에서 제안한 여유자유도 궤적 생성 방법을 이용하면 개성적이고 실용적인 보행 궤적을 생성할 수 있다. 이러한 알고리즘을 개발하기 위해 본 논문에서는 보행에 반드시 필요한 변수를 결정하고 안정성을 보장할 수 있도록 ZMP 개념을 이용하여 여유자유도 궤적을 생성하였다. 또한 반복적인 모션이 특징인 보행로봇의 특성상 로봇 속도를 변수로 추가하여 안정적인 궤적을 얻을 수 있었다.

가설 설정

(5) 두발 지지상태에 대한 연구로 로봇의 안정 성은 고려하지는 않았다. Ryoichi Shima 등은 로봇 몸체의 일정한 속도와 로봇 허리의 일정한 높이를 유지하도록 이족 로봇의 발에 여유 자유도를 추가하였다.
인간형 2족 보행로봇의 보행 궤적을 설계하는 데 있어 한 두 개의 질점으로 가정하여 궤적을 생성하는 기존의 방식으로는 비슷한 질량의 로봇은 비슷한 보행을 해야 했다. 또한 로봇의 속도를 변화시키기 위해서는 많은 조건들이 필요했다.
로봇의 한발은 지면에 고정되고 나머지 한발은 앞으로 나가기 위해 지면 위에서 움직이고 있다. 지면으로부터 로봇의 스윙하는 발과 로봇의 몸체의 궤적을 생성하기 위해 지지하는 발이 지면에 고정되었다고 가정하였고, 또한 로봇의 상체는 하나의 링크로 표현하였다. Fig.

제안 방법

9 m를 유지하도록 하였다. 그리고 몸체는 지면과 수직하도록, 스윙하는 발의 각도는 지면과 평행하도록 하였다. x_zmp는 지지하는 발의 뒤에서 앞으로 자연스럽게 움직일 수 있도록 사인함수로 주었다.
이 내용은 로봇의 추종 변수 r_d1으로 이용된다. 로봇의 보폭은 0.3 m, 스윙하는 발의 높이는 0.03 m, 그리고 로봇의 허리 높이는 0.9 m를 유지하도록 하였다. 그리고 몸체는 지면과 수직하도록, 스윙하는 발의 각도는 지면과 평행하도록 하였다.
유동수 외 3명은 모바일 로봇과 같은 수평운동을 하는 물체 및 지면에 고정되어 있는 인간형 로봇을 여유자유도 매니퓰레이터로 해석하였다. 로봇이 걷는 동작을 수행하지는 않지만 로봇의 안정성을 위한 ZMP를 고려하고 조작성을 최대화 하는 알고리즘을 제안하였다.⁽⁷⁾
본 논문에서 제안한 보행로봇을 위한 여유자유도 궤적 생성 법의 가·감속에 대한 성능을 확인하기 위하여 로봇의 궤적은 정지 상태에서 출발하고, 운동 상태에서 다시 정지하는 총 5스텝의 궤적으로 선택하였다.
본 논문에서 제한한 방법을 통해 얻어진 보행로봇의 궤적을 시뮬레이션 하기위해 MATLAB의 Simulink를 이용하였다. Fig.
본 논문에서는 로봇이 걷기위해 주어져야 할 최소한의 조건과 안정성을 만족하도록 여유자유도 개념을 이용하여 궤적을 생성하게 된다. 로봇의 보행을 위해서 제어해야하는 변수는 식 (2)처럼 5개지만 로봇은 6개의 입력을 갖고 있기 때문에 2족 보행로봇은 여유자유도 시스템이 된다.
본 논문에서는 인간형 로봇의 궤적을 생성하기 위해 기존의 로봇 몸체 기준 양다리 개별적 궤적 설계가 아닌 지지발 기준의 궤적 생성 방법으로 여유자유도를 이용하였다. 제안한 여유자유도 궤 적생성 방식을 이용하면 로봇의 동역학 방정식과 ZMP 방정식을 이용하기 때문에 로봇의 질량을 하나 혹은 둘로 가정할 필요도 없고 반복조건 또 한 필요하지 않기 때문에 가감속이 자유롭다.
LIPM이나 GCIPM의 경우는 ZMP의 위치가 발의 중심에 위치하도록 하고 궤적을 생성하지만 이렇게 생성된 궤적은 로봇 몸체의 모션에 속도 변화가 큰 부자연스러운 궤적을 생성하게 된다. 본 논문에서는 자연스러운 모션을 얻기 위해 ZMP가 발바닥 중심을 기준으로 발 뒤에서 앞쪽으로 자연스럽게 0.2 m 움직이게 된다. Fig.
로봇의 보행을 위해서 제어해야하는 변수는 식 (2)처럼 5개지만 로봇은 6개의 입력을 갖고 있기 때문에 2족 보행로봇은 여유자유도 시스템이 된다. 여유자유도 시스템을 해석하기 위해 최소한의 변수 r₁뿐만 아니라 ZMP까지 고려하여 로봇의 안정적인 보행궤적을 생성할 것이다.

대상 데이터

Table 1은 로봇의 물리적 파라미터를 보여주고 있다. 로봇의 정강이와 허벅지 링크의 길이는 0.5 m이고 발 링크의 길이는 0.2 m, 그리고 상체 링크 또한 0.5 m의 길이를 갖는다. 로봇의 무게는 3가지 경우에 대하여 정리되어 있다.
여유자유도 궤적 생성을 위한 로봇의 구조는 Fig. 1과 같이 6 DOF의 평면형 보행로봇이다. 로봇의 한발은 지면에 고정되고 나머지 한발은 앞으로 나가기 위해 지면 위에서 움직이고 있다.
로봇의 무게는 3가지 경우에 대하여 정리되어 있다. 첫 번째 경우에 대하여 설명하면 다리 링크가 각각 5 kg이며 발 링크는 2 kg, 그리고 몸체는 20 kg으로 총 44 kg의 무게를 갖는다. 두 번째 경우는 64 kg 그리고 세 번째 경우에는 32 kg 이다.

이론/모형

즉, 지지하고 있는 다리의 발에 지면으로부터 작용하는 힘의 모멘트 중심이 발바닥의 안정영역에 들어오면 로봇은 넘어지지 않고 안정적인 보행을 한 것으로 본다. 여유자유도 궤적을 생성함에 있어서도 로봇의 안정성을 확보하기 위해 ZMP 개념을 이용하였다. 여유자유도 궤적 생성에서 이용한 ZMP는 지면으로부터 작용하는 힘으로부터 얻은 ZMP가 아니고 로봇의 모션에 의해 얻어진 값이다.

성능/효과

4의 (b)에서 보여주고 있다. 결과에서 보여주듯이 제시한 방법에 의한 여유자유도를 이용한 보행로봇의 궤적 생성 법은 ZMP에 대한 feedback 정보를 반영하여 궤적을 생성하기 때문에 지면이 기울어진 경우에도 안정적인 보행을 위한 궤적을 생성할 수 있다.
5와 달리 로봇의 몸체가 진행방향으로 자연스럽게 움직이고 있는 것을 확인 할 수 있다. 또한 로봇이 정지 상태에서 걷기 시작 하거나 혹은 로봇이 걷다가 정지하는 경우에도 자연스럽게 궤적이 생성된다는 것을 확인 할 수 있다. 다시 말해서 본 논문에서 제안한 여유자유도를 이용한 궤적 생성 방법은 LIPM이나 GCIPM 처럼 보행주기 양단에 위치 및 속도의 연속조건을 만족시킬 필요가 없다.
이러한 알고리즘을 개발하기 위해 본 논문에서는 보행에 반드시 필요한 변수를 결정하고 안정성을 보장할 수 있도록 ZMP 개념을 이용하여 여유자유도 궤적을 생성하였다. 또한 반복적인 모션이 특징인 보행로봇의 특성상 로봇 속도를 변수로 추가하여 안정적인 궤적을 얻을 수 있었다. 앞으로는 3자유도로 이론을 확장하여 인간형 로봇이 보다 자유롭고 개성적인 보행을 할 수 있도록 연구를 진행할 것이다.
8은 로봇의 진행방향으로의 ZMP를 보여주고 있다. 비록 전반적인 경향이 계획한 ZMP 궤적을 추종하고 있지만 가속도가 크게 변해서 결과적으로 ZMP 궤적에 채터링 현상이 발생하고 있는 것을 확인 할 수 있다. 연속적인 걸음을 위한 조건 벡터 r₂의 대입 전 결과인 Fig.
본 논문에서는 인간형 로봇의 궤적을 생성하기 위해 기존의 로봇 몸체 기준 양다리 개별적 궤적 설계가 아닌 지지발 기준의 궤적 생성 방법으로 여유자유도를 이용하였다. 제안한 여유자유도 궤 적생성 방식을 이용하면 로봇의 동역학 방정식과 ZMP 방정식을 이용하기 때문에 로봇의 질량을 하나 혹은 둘로 가정할 필요도 없고 반복조건 또 한 필요하지 않기 때문에 가감속이 자유롭다. 그리고 잉여자유도 궤적 생성 방식은 로봇의 물리적 특성에 따라서 조건에 맞는 궤적이 생성되므로 개성적인 궤적을 얻게 된다.
하지만 본 연구에서 제안한 궤적생성 방법을 이용하면 로봇의 질량, 무게중심, 링크길이 등 물리적인 특성에 따라 적합하고 안정적인 궤적이 로봇마다 다르게 생성되며, 또한 복잡한 조건 없 이 로봇의 속도 변화도 가능하다. 즉 본 논문에서 제안한 여유자유도 궤적 생성 방법을 이용하면 개성적이고 실용적인 보행 궤적을 생성할 수 있다. 이러한 알고리즘을 개발하기 위해 본 논문에서는 보행에 반드시 필요한 변수를 결정하고 안정성을 보장할 수 있도록 ZMP 개념을 이용하여 여유자유도 궤적을 생성하였다.
즉 본 논문에서 제안한 여유자유도 궤적 생성방식을 이용하면 안정적 인가·감속 운동을 실행할 수 있을 뿐만 아니라 로봇의 물리적 특성에 따라 개성적인 보행궤적을 생성할 수 있다.
또한 로봇의 속도를 변화시키기 위해서는 많은 조건들이 필요했다. 하지만 본 연구에서 제안한 궤적생성 방법을 이용하면 로봇의 질량, 무게중심, 링크길이 등 물리적인 특성에 따라 적합하고 안정적인 궤적이 로봇마다 다르게 생성되며, 또한 복잡한 조건 없 이 로봇의 속도 변화도 가능하다. 즉 본 논문에서 제안한 여유자유도 궤적 생성 방법을 이용하면 개성적이고 실용적인 보행 궤적을 생성할 수 있다.

후속연구

또한 로봇이 정지 상태에서 걷기 시작 하거나 혹은 로봇이 걷다가 정지하는 경우에도 자연스럽게 궤적이 생성된다는 것을 확인 할 수 있다. 다시 말해서 본 논문에서 제안한 여유자유도를 이용한 궤적 생성 방법은 LIPM이나 GCIPM 처럼 보행주기 양단에 위치 및 속도의 연속조건을 만족시킬 필요가 없다.
또한 반복적인 모션이 특징인 보행로봇의 특성상 로봇 속도를 변수로 추가하여 안정적인 궤적을 얻을 수 있었다. 앞으로는 3자유도로 이론을 확장하여 인간형 로봇이 보다 자유롭고 개성적인 보행을 할 수 있도록 연구를 진행할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보행 로봇의 궤적을 생성하기 위한 기존의 연구는 어떻게 해석하는 것이 대부분인가?	로봇의 한 발 끝으로부터 다른 한 발 끝을 다 자유도의 여유자유도 시스템으로 해석하는 것이 로봇의 몸 전체를 이용한 접근방식이다. 하지만 보행 로봇의 궤적을 생성하기 위한 기존의 연구는 역기구학을 쉽게 풀기위해 로봇 몸체를 기준으로 양 다리를 분리하여 해석하는 경우가 대부분이다.
	다 링크 구조의 대표적인 시스템은 무엇인가?	보행로봇은 다 링크 구조의 대표적인 시스템이다. 3 차원의 공간에서 인간의 모션을 흉내 내기 위해 각 발은 보통 6개의 자유도를 갖는다.
	보행로봇이 3 차원의 공간에서 인간의 모션을 흉내 내기 위해 각 발은 보통 몇 개의 자유도를 갖는가?	보행로봇은 다 링크 구조의 대표적인 시스템이다. 3 차원의 공간에서 인간의 모션을 흉내 내기 위해 각 발은 보통 6개의 자유도를 갖는다. 물론 특별히 제한된 모션을 위해 자유도를 더 적게 만들기도 하고 때로는 더 많은 자유도를 통해 Singular를 극복하고 무릎을 편 보행을 실행하기도 한다.

참고문헌 (12)

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Park, J. H. and Kwon, O., 2001, 'Reflex Control of Biped Robot Locomotion on a Slippery Surface,' IEEE Int. Conf. on Robotics & Automation, pp. 4134-4139
Yeon, J. S., Kwon, O. and Park, J. H., 2006, 'Trajectory Generation and Dynamic Control of Planar Biped Robots with Curved Soles,' Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 20, No. 5, pp. 602-611

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Park, J. H., 2001, 'Impedance Control of Biped Locomotion,' IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 17, No. 6, pp. 870-882

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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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