[논문]유연 다리 구조를 가진 로봇의 에너지 효율적 주행 제어

권오석; 최락현; 이동하

doi:10.7746/jkros.2012.7.2.076

유연 다리 구조를 가진 로봇의 에너지 효율적 주행 제어
Energy Efficient Locomotion Control of Compliant Legged Robot 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.7 no.2, 2012년, pp.76 - 82

권오석 (대구경북과학기술원) , 최락현 (대구경북과학기술원) , 이동하 (대구경북과학기술원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we aim to develop energy efficient walking and running robot with compliant leg. So, we propose the energy efficient locomotion control method. And, we experiment the proposed control method applying to the experimental robot with compliant leg. From the experiment, we look at whether...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

다리를 정역회전하면서 걷고 달리려면 회전하는 다리가 지면과 닿기 때문에 다리를 굽혀주거나 다리 길이를 조절해주는 구동기가 더 필요로 하게 된다. 본 로봇의 개발에는 구동기 수를 최소화하고자 하였다. 그리고, 본 로봇에 적용한 구동기는 모터는 maxon EC‐4pole 30(200W, 24V, nominal speed: 16200rpm, nominal torque: 114mNm)^[10]이고, 감속기는 maxon Planetary Gearhead GP 32 HP 33:1^[10]을 적용하였고, 양쪽 다리에 각각 적용하였다.
본 연구에서는 다리를 가진 동물이 걷고 달릴 때 에너지를 저장하고 복원하는 방식을 모방하여 에너지 효율적 걷기와 달리기를 할 수 있는 로봇을 개발하고자 하였고, 로봇의 다리 구조는 spring‐mass model과 같이 유연 다리 구조를 적용하였다.
이번 장에서는 2장에서 제시한 제어 방법을 적용하여 실험한 결과를 통하여, 2장에서 제시한 제어 방법이 유연 다리 구조를 가진 로봇이 에너지 효율적 걷기와 달리기를 할 수 있게 하는지 살펴보고자 한다.

가설 설정

81m/s²))를 나타낸다. 그리고, 다리의 질량은 0으로 가정한다. 본 논문에서는 위의 기호를 공통적으로 사용한다.
여기서, 다리 2가 지면과 닿는 지점은 xg2 =xd-l0sinθ0와 같이 얻을 수 있으며, yg2는 로봇이 평지에서 주행하는 것으로 가정하여 0로 둔다.

제안 방법

본 논문에서는 유연 다리 구조를 가진 로봇이 에너지 효율적 걷기 및 달리기를 할 수 있는 제어방법을 제안하였고, 제안한 제어방법을 실험용 로봇에 적용하여 실험을 수행하였다.

대상 데이터

본 로봇의 개발에는 구동기 수를 최소화하고자 하였다. 그리고, 본 로봇에 적용한 구동기는 모터는 maxon EC‐4pole 30(200W, 24V, nominal speed: 16200rpm, nominal torque: 114mNm)^[10]이고, 감속기는 maxon Planetary Gearhead GP 32 HP 33:1^[10]을 적용하였고, 양쪽 다리에 각각 적용하였다.

성능/효과

그림 8(b)로부터 대략 50초까지는 Vxd와 Vx의 평균값이 거의 같으며(이는 그림 8(a)의 이동 거리 기울기로도 알 수 있다.), 50초에서 55초 사이에서는 Vx의 평균값이 Vxd보다 조금 크며, 55초에서 대략 66초 사이에서는 Vxd보다 Vx의 평균값이 좀 더 크다. 그리고, 66초에서 71초 사이는 가속을 하는 구간이며, V_{x,apex,desired} 기준으로 걷기에서 달리기로 전이하는 전이 속도가 설정된 구간이 포함되는 구간이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	달리기는 일반적으로 어떤 방식으로 모델링을 하여왔는가?	걷기는 일반적으로 Inverted Pendulum으로 모델링하며, 달리기는 일반적으로 spring‐mass model로 모델링하여 왔다[1]. 한편 참고문헌[2]에서는 걷기도 springmass model로 모델링하는 것이 적합함을 보였다.
	유연 다리 구조를 가진 로봇의 에너지 효율적 주행 제어방법을 제안하고 실험용 로봇에 적용하여 실험한 결과는?	실험결과 걷기 및 달리기에서 에너지 효율성이 현재 발표된 세계 최고 수준의 다른 로봇과 비교하였을때 Cornell biped와는 아직 큰 차이가 있고, ARL monopod II에는 근접한 수준이다. 하지만, 3장에서도 언급한 바와 같이 Cornell biped는 특정 걸음 속도에서만 동작 가능하고, ARL monopod II는 달릴 수만 있고 걷기는 할 수 없는 제약을 가지고 있다. 이런 측면에서 볼 때, 본 저자들이 개발 중인 로봇은 정지상태에서부터 걷기, 걷기에서 달리기로의 전이, 그리고 달리기를 수행할 수 있는 로봇으로서 주행에 제약이 없으며, 또한 걷기 및 달리기에서 에너지 효율성 또한 높은 수준에 있다.
	유연 다리 구조를 가진 로봇이 에너지 효율적 걷기와 달리기를 할 수 있도록 하는 제어 방법은?	유연 다리 구조를 가진 로봇이 에너지 효율적 걷기와 달리기를 할 수 있도록 하는 제어 방법에는1) 주행 속도에 대한 self‐stable 영역내에서 touch down angle을 생성하고[2‐4], 2) 유연 다리 구조를 가진 로봇의 단순 모델인 spring‐mass model로부터 로봇의 원하는 경로를 생성하고, 이로부터 로봇 다리의 원하는 경로를 생성하여 적용한다. 이와 같이 함으로써, 등속 주행인 경우, 그리고 에너지 손실이 없는 경우에는, 로봇의 안정성을 유지하기 위한 에너지 소모가 없으며, 또한 이동에 필요한 에너지 소모가 없게 된다.

참고문헌 (10)

M. H. Dickinson, C. T. Farley, R. J. Full, M. A. R. Koehl, R. Kram and S. Lehman, "How Animals Move: An Integrative View", Science, Vol. 288, no. 5463, pp. 100-106, 2000.

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Geyer, H., Seyfarth, A., Blickhan, R., "Compliant leg behaviour explains basic dynamics of walking and running," Proc. R. Soc. B, 273, pp.2861-2867, 2006.

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Seyfarth, A., Geyer, H., Gunther, M., Blickhan, R.," A movement criterion for running," J.Biomech., 35, pp.649-655, 2002.

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J. Rummel and A. Seyfarth, "Stable Running with Segmented Legs", The International Journal of Robotics Research, vol. 27, no.8, pp. 919-934, 2008.

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S. Collins, A. Ruina, R. Tedrake, M. Wisse, "Efficient Bipedal Robots Based on Passive Dynamic Walkers", Science, Vol. 307, no. 5712, pp. 1082-1085, 2005.

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M. Ahmadi and M. Buehler, "The ARL Monopod 11 Running Robot: Control and Energetics", IEEE International Conference on Robotics & Automation, pp. 1689-1694, 1999.
A. Seyfarth, F. Iida, R. Tausch, M. Stelzer, O. von Stryk and A. Karguth, "Towards Bipedal Jogging as a Natural Result of Optimizing Walking Speed for Passively Compliant ThreeSegmented Legs", The International Journal of Robotics Research, Vol. 28, No. 2, pp. 257-265, 2009.

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권오석, 이동하, "유연 다리 구조를 가진 로봇의 에너지 효율적 걷기와 달리기", 2011 대한임베디드공학회 추계학술대회, pp. 8588, 2011.
J. Rummel, F. Iida, J. A. Smith and A. Seyfarth, "Enlarging Regions of Stable Running with Segmented Legs", IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.367-372, 2008.
maxon motor 2010/11

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