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이중 병렬형 다리 구조를 가진 2족보행로봇의 보행제어

Locomotion Control of Biped Robots with Serially-Linked Parallel Legs

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.6=no.297, 2010년, pp.683 - 693  

윤정한 (한양대학교 기계공학부) ,  박종현 (한양대학교 기계공학부)

초록
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본 논문은 2족 보행로봇을 위한 새로운 병렬메카니즘을 제안하고 있다. 각 다리는 3자유도를 갖는 병렬 플랫폼 2개가 시리얼로 연결되어 있는데, 허벅지와 정갱이 역할을 한다. 이 제안된 로봇을 위한 보행 궤적은 보행평면상에서는 중력보상역진자모드를 사용하여 구하였고, 횡방향으로는 역진자모드를 사용하여 구하였다. 지면으로부터의 반발력을 시뮬레이션하기 위해 발바닥 밑에 6자유도의 패드를 사용하였다. 제안된 메카니즘과 보행제어의 효율성은 SimMechanics를 이용한 12자유도 병렬 2족보행로봇의 시뮬레이션을 통해 입증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we propose a new parallel mechanism for the legs of biped robots and the control of the robot's locomotion. A leg consists of two 3-DOF parallel platforms linked serially: one is an orientation platform for a thigh and the other is the 3-DOF asymmetric parallel platform for the shank....

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 운반할 수 있는 하중에 제한이 있는 시리얼 구조형 보행 로봇의 단점을 보완하기 위해 3자유도 병렬형 플랫폼 2개를 직렬로 연결하여 이중으로 구성한 6자유도의 다리를 갖는 2족 보행 로봇을 제안하고 설계하였다. 이 로봇의 특징은 큰 하중의 물체를 지지하는 병렬형 구조에도 불구하고 2개의 병렬 구조의 연결부인 무릎을 갖는 구조를 갖고 있어, 보행하면서 발을 스윙할 때 자연스럽게 무릎을 굽힐 수 있기 때문에 인간의 보행처럼 자연스러운 보행 구현이 가능하다는 것이다.
  • 본 논문에서는 인간의 보행 보조 기구나 운송수단으로써의 역할을 수행할 수 있도록 강건한 2족 보행 로봇의 설계 및 제어 방법을 제안하고 있다. 즉 본 연구의 목적은 기존의 로봇이 가지고 있는 시리얼 링크 구조와 달리 각 다리의 관절과 링크를 병렬형 구조로 연결한 강건한 총 12자유도의 2족 보행 로봇들을 설계 및 제작하는 것이며.
  • 본 논문에서는 인간의 보행 보조 기구나 운송수단으로써의 역할을 수행할 수 있도록 강건한 2족 보행 로봇의 설계 및 제어 방법을 제안하고 있다. 즉 본 연구의 목적은 기존의 로봇이 가지고 있는 시리얼 링크 구조와 달리 각 다리의 관절과 링크를 병렬형 구조로 연결한 강건한 총 12자유도의 2족 보행 로봇들을 설계 및 제작하는 것이며. 이 로봇이 안정성을 유지하면서 보행할 수 있도록 하기 위해서 중력 보상 역진자 모드를 기반으로 만들어진 보행 궤적(10,11)을 병렬형 구조의 무릎과 발에 맞춰 사용함을 제안하고 있다.

가설 설정

  • 중력 보상 역진자 모드는 한 개의 질량으로 로봇을 모델링하는 역진자 모드를 이용한 모델에서의 부정확성 및 이로 인한 안정성의 손상을 줄이면서도 비교적 단순하게 미분방적식을 이용하여 로봇의 궤적을 구할 수 있도록 로봇을 몸체와 스윙(swing)하는 다리 부분, 즉 두 개의 질량으로 모델링하는 방식이다. 물론, 몸체를 지지하는 발은 고정되어 있기 때문에 지지하는 발의 질량 효과는 무시할 수 있다는 가정을 사용한다. 이에 따라, 로봇의 엉덩이 부위와 스윙하는 다리/발을 각 하나의 질점으로 모델을 설정하였으며, 스윙하는 다리의 무게를 제외한 로봇의 전체 질량이 로봇의 엉덩이 링크에 집중되어 있는 것으로 가정하였다.
  • 한편, 측면 방향으로는 스윙하는 다리의 효과가 진행방향 보다 미미하기 때문에 전체 질량을 엉덩이 링크에 하나의 집중질량으로 가정하여 스윙하는 동안 ZMP가 발 안에 머무를 수 있도록 유도하기 위해 역진자 모드를 사용하였다. 이는 보행방향의 중력 보상역진자 모드의 2질량 모델대신에 1개의 질량을 사용하여 다리의 움직임을 무시하고 보행축 좌우로 안정적으로 스윙하기 위해 ZMP에 회전스프링이 위치한다는 가정하에 궤적을 구한다. 좌우 방향의 움직임이 작기 때문에 단순하게 보행축에 있는 선형 스프링에 의해 질량이 좌우 진동하는 것으로 모델링 할 수도 있다.
  • 물론, 몸체를 지지하는 발은 고정되어 있기 때문에 지지하는 발의 질량 효과는 무시할 수 있다는 가정을 사용한다. 이에 따라, 로봇의 엉덩이 부위와 스윙하는 다리/발을 각 하나의 질점으로 모델을 설정하였으며, 스윙하는 다리의 무게를 제외한 로봇의 전체 질량이 로봇의 엉덩이 링크에 집중되어 있는 것으로 가정하였다. Fig.
  • 는 패드의 두께이다. 이와 같은 비선형 패드가 발바닥의 전후좌후 모서리부분에 설치되었다고 가정하였으며, 따라서 지면으로부터 발바닥에 작용하는 GRF(ground reaction force)는 각 발바닥의 모서리의 패드에서 발생하는 힘의 합력으로 결정된다. 시뮬레이션에 사용된 패드 모델의 파라미터는 Table 2에 나타내었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
시리얼 형태의 링크의 설계에서 요구되는 것은 무엇인가? 기존의 2족보행 로봇은 시리얼 링크로 구성되는데 시리얼 형태의 링크는 그것을 움직이는 액추에이터에 걸리는 부하를 줄이기 위해 마그네슘 등의 가벼운 링크 재질의 재료가 사용되거나 특수가공으로 제작된 링크가 적용되는 등 여러 가지 복잡한 설계가 요구된다.(1~4) 이러한 시리얼 링크 구조의 특성으로 인해 요구되는 재료의 경량화나 모터 크기의 증가는 2족 보행 로봇의 생산 비용을 높이며, 동시에 2족 보행 로봇이 다룰 수 있는 부하에 많은 제약을 가져온다.
2족 보행 로봇의 연구의 궁극적 목표는 무엇인가? 2족 보행 로봇의 연구의 궁극적인 목표는 인간이 만들어 놓은 인공적인 환경 속에서 인간과 더불어 살아갈 수 있는 능력을 가진 로봇을 만드는 것이다. 인간의 노동력을 대체하고 인간에게 서비스와 편의를 제공하는 수단으로써의 2족 보행로봇에 대한 연구의 필요성이 제기된다.
6자유도의 다리를 갖는 2족 보행 로봇의 특징은 무엇인가? 본 논문에서는 운반할 수 있는 하중에 제한이 있는 시리얼 구조형 보행 로봇의 단점을 보완하기 위해 3자유도 병렬형 플랫폼 2개를 직렬로 연결하여 이중으로 구성한 6자유도의 다리를 갖는 2족 보행 로봇을 제안하고 설계하였다. 이 로봇의 특징은 큰 하중의 물체를 지지하는 병렬형 구조에도 불구하고 2개의 병렬 구조의 연결부인 무릎을 갖는 구조를 갖고 있어, 보행하면서 발을 스윙할 때 자연스럽게 무릎을 굽힐 수 있기 때문에 인간의 보행처럼 자연스러운 보행 구현이 가능하다는 것이다. 이 로봇의 기구학적인 관절 변수는 로봇의 보행 동작이 쉽게 이루어 질 수 있도록 기구학적 분석을 통해 최적하게 결정하였다.
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참고문헌 (16)

  1. Hirai, K., 1997, “Current and Future Perspective of Honda Humanoid Robot,” Proc. of IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 500-508. 

  2. Kaneko, K., et al., 2002, “Design of Prototype Humanoid Robotics Platform for HRP,” Proc. of IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 2431-2436. 

  3. Kanehira, N., et al., 2002, “Design and Experiment of Advanced Leg Module (HRP-2L) for Humanoid Robot (HRP-2) Development,” Proc. of IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 2455-2460. 

  4. Kaneko, K., et al., 2004, “Humanoid Robot HRP-2,” Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 1083-1090. 

  5. Morisawa, M., Yakoh, T., Murakami, T. and Ohnishi, K., 2000, “An Approach to Biped Robot with Parallel Mechanism,” Proc. of Int. Workshop on Advance Motion Control, pp. 537-541. 

  6. Morisawa, M., Yakoh, T., Murakami, T. and Ohnishi, K., 2000, “A Comparison Study between Parallel and Serial Linked Structures in Biped Robot System,” Proc. of Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society, pp. 2614-2617. 

  7. Sellaouti, R., Konno, A. and Ouezdou, F. B., 2002, “Design of a 3 DOFs Parallel Actuated Mechanism for Biped Hip Joint,” Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 1161-1166. 

  8. Sugahara, Y., Endo, T., Lim, H. O. and Takanishi, A., 2002, “Design of a Battery-powered Multi-purpose Bipedal Locomotor with Parallel Mechanism,” Proc. of IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 2658-2663. 

  9. Sugahara, Y., Endo, T., Lim, H. O. and Takanishi, A., 2003, “Realization of Stable Dynamic Walking by a Parrallel Bipedal Locomotor on Uneven Terrain Using a Virtual Compliance Control,”Proc. of IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 595-600. 

  10. Park, J. H. and Kim, K. D., 1998, “Biped Robot Walking Using Gravity-Compensated inverted Pendulum Mode and Computed-Torque Control,” Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 3528-3533. 

  11. Kim, K. D. and Park, J. H., 1999, "Biped Robot Locomotion and Control Using Gravity-Compensated Inverted Pendulum Mode," Trans. Of the KSME A, Vol. 23, No. 2, pp. 209-216. 

  12. Hogan, N., 1985, Impedance control: an approach to manipulation: Part I-III, ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 107, pp. 1-24. 

  13. Park, J. H., 2001, “Impedance Control of Biped Locomotion,” IEEE Tr. On Robotics and Automation, Vol. 17, No. 6, pp. 870-882. 

  14. Kwon, O. and Park, J. H., 2009, “Asymmetric Trajectory Generation and Impedance Control for Running of Biped Robots,” Autonomous Robots, Vol. 26, No. 1, pp. 47-78. 

  15. Joshi, S. and Tsai, L.W., 2003, “A Comparison Study of Two 3-DOF Parallel Manipulators: One with Three and the Other with Four Supporting Legs,” IEEE Trans. on Robotics and Automation, Vol. 19, No. 2, pp. 200-209. 

  16. Tsai, L. W., 1999, Robot Analysis: The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators, John Wiley & Sons. 

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