[논문]복합 바퀴-다리 이동형 로봇의 저전력 보행 기반 장애물 회피 알고리즘

정동혁; 이보훈; 김용태

doi:10.5391/jkiis.2012.22.4.448

복합 바퀴-다리 이동형 로봇의 저전력 보행 기반 장애물 회피 알고리즘
Obstacle Avoidance Algorithm of Hybrid Wheeled and Legged Mobile Robot Based on Low-Power Walking 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.22 no.4, 2012년, pp.448 - 453

정동혁 (한경대학교 전기전자제어전공학과) , 이보훈 (한경대학교 바이오.정보기술대학원) , 김용태 (한경대학교 전기전자제어전공학과)

초록
AI-Helper

최근 다양한 환경에서 지능형 로봇의 안정된 이동방법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 논문에서는 복합 바퀴-다리형 이동 로봇의 설계 방법을 제안하고, LRF(Laser Range Finder)센서를 이용한 복합 이동형 로봇의 저전력 보행 기반 장애물 회피 알고리즘을 제안하였다. 로봇의 자세 안정화와 소비에너지를 줄이기 위해 모터 전류값을 바탕으로 자세를 보정하여 저전력 보행 알고리즘을 구현하였고, 이를 기반으로 LRF센서를 이용한 장애물 회피 알고리즘을 제안하였다. 로봇의 각 다리에서 소비되는 전력을 고르게 분포시키게 자세를 보정하여 보행을 안정화시키고, 최단 경로로 장애물을 회피하여 이동함으로써 전체 소비 에너지를 감소시키며 보행 안정성을 향상하였다. 본 연구에서 제안한 방법들은 실제 복합 이동 로봇의 보행 및 장애물 회피 실험을 통해 성능을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

There are many researches to develop robots that improve its mobility to adapt in various uneven environments. In the paper, a hybrid wheeled and legged mobile robot is designed and a obstacle avoidance algorithm is proposed based on low power walking using LRF(Laser Range Finder). In order to stabilize the robot's motion and reduce energy consumption, we implement a low-power walking algorithm through comparison of the current value of each motors and correction of posture balance. A low-power obstacle avoidance algorithm is proposed by using LRF sensor. We improve walking stability by distributing power consumption and reduce energy consumption by selecting a shortest navigation path of the robot. The proposed methods are verified through walking and navigation experiments with the developed hybrid robot.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

4족 보행 로봇은 비평탄지형과 계단 같은 다양한 종류의 지면에서 뛰어난 적응력과 다족 로봇과 2족 로봇보다는 균형 유지와 보행이 효율적이다. 본 논문에서는 그림 4와 같은 4족 로봇의 기구학적 모델을 사용해 보행 로봇의 다리를 해석하였다 [4].
본 논문에서는 다양한 지형에서 이동가능한 복합 바퀴-다리 이동형 로봇을 설계하고, 저전력 보행 알고리즘을 제안하고 적용하여 실제 소비에너지가 감소하는 것을 실험을 통하여 검증하였다. 또한 장애물 회피 경로의 거리를 단축시키는 방법을 제안하여 전체적으로 소비되는 에너지가 감소되는 것을 보여 주었다.
본 논문에서는 이러한 문제점을 극복하기 위해 복합 바퀴-다리 이동로봇을 위한 저전력 보행 기반 장애물 회피 알고리즘을 제안하였다. 로봇이 보행시 에너지 감소를 위해 보행 초기 자세에서 각 다리 관절의 소비에너지를 비교하여 자세를 보정하고, 보행시 실시간으로 소비 에너지를 균일화함으로써 최적화된 자세로 저전력 보행을 구현하였다.
하지만 에너지의 효율성에 관한 연구는 많이 진행되고 있지 않다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하고자 저전력 보행 기반 장애물 회피 알고리즘을 구현하였다.

가설 설정

로봇이 선택한 경로를 통과 할 수 있는지 판단하는 방법은 다음의 그림 8과 같다. 본 연구에서는 로봇이 지나갈 수 있는 경로가 적어도 1개는 존재한다고 가정하였다. 로봇의 통과 경로를 찾기 위해 먼저 측정된 최대 길이 #값을 사용하여 좌우로 주변을 검사하여 LRF 센서의 오차 범위가 벗어나기 전까지의 길이들만을 모아 호를 만든다.

제안 방법

로봇이 저전력으로 자율 이동을 하기 위해서는 최적 경로를 생성하여야 한다. LRF센서로부터 주변 환경을 스캔하여 최단의 경로를 계산하고, 제안한 저전력 보행절차를 수행한다. 또한 최단 경로를 선택함으로써 로봇의 이동거리가 줄어들기 때문에 배터리의 사용 시간을 최대화 하였다.
그림 11은 바퀴 주행시와 4족보행시 LRF 센서 값을 사용해 주변 환경을 탐색하고, 지형에 따라 이동 가능한 로봇으로 형태를 변환하여 해당 지형을 극복하는 것을 보여준다. 다양한 환경에서 이동성 향상과 소비 에너지의 최소화 실험을 통해 성능을 확인하였다.
로봇 각 다리에 걸리는 무게가 비대칭적인 상태로 보행하게 되면, 단순 바퀴주행을 하는 경우에 비해 상대적으로 에너지의 사용이 많아지며, 불균형으로 인해 일부 모터에 토크가 많이 필요하다. 따라서 보행 준비 자세에서 모터의 전류값을 측정하여 각 다리의 전류값이 균일하도록 자세를 보정 하였다. 각 다리의 전류값이 균일화 되면 무게중심이 로봇의 중심으로 평형상태가 되고, 자세가 안정한 상태가 된다.
로봇이 보행시 에너지 감소를 위해 보행 초기 자세에서 각 다리 관절의 소비에너지를 비교하여 자세를 보정하고, 보행시 실시간으로 소비 에너지를 균일화함으로써 최적화된 자세로 저전력 보행을 구현하였다. 또한 저전력 보행 알고리즘을 기반으로 LRF센서를 사용한 저전력 보행 기반 장애물 회피 알고리즘을 제안한다. 먼저 로봇의 기본자세를 먼저 보정한 후에 각 다리의 전류값을 측정하여 자세 균형화를 이루며, 제안한 알고리즘을 실제 이동형 로봇에 적용하여 보행 실험을 통하여 성능을 검증하였다.
LRF센서로부터 주변 환경을 스캔하여 최단의 경로를 계산하고, 제안한 저전력 보행절차를 수행한다. 또한 최단 경로를 선택함으로써 로봇의 이동거리가 줄어들기 때문에 배터리의 사용 시간을 최대화 하였다.
본 논문에서는 이러한 문제점을 극복하기 위해 복합 바퀴-다리 이동로봇을 위한 저전력 보행 기반 장애물 회피 알고리즘을 제안하였다. 로봇이 보행시 에너지 감소를 위해 보행 초기 자세에서 각 다리 관절의 소비에너지를 비교하여 자세를 보정하고, 보행시 실시간으로 소비 에너지를 균일화함으로써 최적화된 자세로 저전력 보행을 구현하였다. 또한 저전력 보행 알고리즘을 기반으로 LRF센서를 사용한 저전력 보행 기반 장애물 회피 알고리즘을 제안한다.
또한 저전력 보행 알고리즘을 기반으로 LRF센서를 사용한 저전력 보행 기반 장애물 회피 알고리즘을 제안한다. 먼저 로봇의 기본자세를 먼저 보정한 후에 각 다리의 전류값을 측정하여 자세 균형화를 이루며, 제안한 알고리즘을 실제 이동형 로봇에 적용하여 보행 실험을 통하여 성능을 검증하였다.
전방향 이동이 가능한 4개의 바퀴와 5자유도의 다리로 변환이 가능한 이동형 로봇을 설계하였다. 바퀴 및 다리의 구동을 위하여 각각의 다리에 5개의 DC모터를 사용하고, 변화하는 주위환경을 실시간으로 인식하기 위하여 로봇의 전면에 LRF센서, PSD센서, CCD 카메라를 장착하였다. 전원 장치는 모터가 최대 토크를 낼 수 이도록 18.
본 논문에서 제안한 저전력 보행 방법의 성능을 확인하기 위해 실제 환경에서의 자율주행이 가능한 복합 이동형 로봇을 제작하여, 다양한 환경에서 실험을 통해 성능을 검증하였다. 그림 9는 복합 이동형 로봇이 바퀴 주행 자세에서 보행 준비 자세를 취하는 과정을 보여준다.
로봇이 보행을 하기 위해서는 보행 패턴을 생성해야 한다. 본 논문에서는 그림 5와 같이 3개의 다리가 땅에 접촉하도록 하여 RR(후방 우측), FR(전방 우측), RL(후방 좌측), FL(전방 좌측) 순서대로 발을 이동하면서 안정적인 기본 걸음새를 수행하도록 보행 패턴을 구현하였다.
제안된 알고리즘을 적용한 저전력 자세 보정 및 주행 실험의 결과는 다음의 그림 12와 그림 13과 같다. 소비 전력 측정 방법은 모터 전류센서를 이용 하여 5.11A까지 측정이 가능하도록 구성하였다. 전류 센서의 측정값은 10비트 A/D변환되어 얻어지며, 이 값을 다시 전류 값으로 변환하여 사용하였다.
복합 이동형 로봇의 기구 구성은 그림 2와 같다. 전방향 이동이 가능한 4개의 바퀴와 5자유도의 다리로 변환이 가능한 이동형 로봇을 설계하였다. 바퀴 및 다리의 구동을 위하여 각각의 다리에 5개의 DC모터를 사용하고, 변화하는 주위환경을 실시간으로 인식하기 위하여 로봇의 전면에 LRF센서, PSD센서, CCD 카메라를 장착하였다.

대상 데이터

주제어부는 리눅스 기반 임베디드 보드를 사용하며, 복합 이동형 로봇의 보행을 위한 운동 계획, 영상 처리, LRF센서의 데이터 처리를 수행한다. 모션제어부는 ATmega2561 보드를 사용하며, 20개의 DC모터를 실시간으로 제어한다. 다리관절에 사용되는 모터는 전류센서가 자체 내장되어 있어 각 다리의 전류를 측정이 가능하다.
i는 다리의 번호, j는 관절별 번호이다. 배터리를 포함한 로봇 본체의 무게는 6.8Kg이며, 로봇이 일어섰을 때의 높이 320mm, 폭은 60mm 로 설계하였다.
바퀴 및 다리의 구동을 위하여 각각의 다리에 5개의 DC모터를 사용하고, 변화하는 주위환경을 실시간으로 인식하기 위하여 로봇의 전면에 LRF센서, PSD센서, CCD 카메라를 장착하였다. 전원 장치는 모터가 최대 토크를 낼 수 이도록 18.5V, 3,200mA의 리튬 폴리머 배터리를 사용하였다. 또한 각 다리의 관절모터는 M_ij로 표현한다.

데이터처리

본 논문에서 제안한 최단 경로수립 알고리즘을 실제 실험으로 성능을 검증하였다. 그림 11은 바퀴 주행시와 4족보행시 LRF 센서 값을 사용해 주변 환경을 탐색하고, 지형에 따라 이동 가능한 로봇으로 형태를 변환하여 해당 지형을 극복하는 것을 보여준다.

성능/효과

본 논문에서는 다양한 지형에서 이동가능한 복합 바퀴-다리 이동형 로봇을 설계하고, 저전력 보행 알고리즘을 제안하고 적용하여 실제 소비에너지가 감소하는 것을 실험을 통하여 검증하였다. 또한 장애물 회피 경로의 거리를 단축시키는 방법을 제안하여 전체적으로 소비되는 에너지가 감소되는 것을 보여 주었다. 본 논문에서 제안한 방법은 고정되고 정적인 환경에서의 소비 에너지를 감소하는 기법이므로, 앞으로 다양한 지형의 환경에서 지형 인식을 통한 소비에너지를 감소하는 보행 생성 방법 및 지형 극복 방법을 연구할 계획이다.
694W 감소하였다. 또한, 배터리의 사용시간이 증가함을 실험을 통하여 확인하였다.
다음의 그림 10은 저전력 기반 장애물 회피 알고리즘을 사용해 로봇 주변의 임의 장애물들을 회피하는 실험 장면을 보여준다. 여러 회피경로 중 최단의 경로를 선택함으로써 이동 경로를 최소화 하는 것을 확인하였다.

후속연구

또한 장애물 회피 경로의 거리를 단축시키는 방법을 제안하여 전체적으로 소비되는 에너지가 감소되는 것을 보여 주었다. 본 논문에서 제안한 방법은 고정되고 정적인 환경에서의 소비 에너지를 감소하는 기법이므로, 앞으로 다양한 지형의 환경에서 지형 인식을 통한 소비에너지를 감소하는 보행 생성 방법 및 지형 극복 방법을 연구할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합 이동형 로봇의 기구 설계는 어떠한가?	복합 이동형 로봇의 기구 구성은 그림 2와 같다. 전방향 이동이 가능한 4개의 바퀴와 5자유도의 다리로 변환이 가능한 이동형 로봇을 설계하였다. 바퀴 및 다리의 구동을 위하여 각각의 다리에 5개의 DC모터를 사용하고, 변화하는 주위환경을 실시간으로 인식하기 위하여 로봇의 전면에 LRF센서, PSD센서, CCD 카메라를 장착하였다. 전원 장치는 모터가 최대 토크를 낼 수 이도록 18.5V, 3,200mA의 리튬 폴리머 배터리를 사용하였다. 또한 각 다리의 관절모터는 Mij로 표현한다. i는 다리의 번호, j는 관절별 번호이다. 배터리를 포함한 로봇 본체의 무게는 6.8Kg이며, 로봇이 일어섰을 때의 높이 320mm, 폭은 60mm 로 설계하였다.
	복합 다리-바퀴 이동 로봇의 장단점은?	복합 다리-바퀴 이동 로봇은 바퀴이동에서의 장점을 가지지만, 복합 이동형 로봇은 고차원 자유도를 가지므로 다른 이동형 로봇 보다 보행시 많은 에너지를 사용한다. 따라서 복합 이동형 로봇이 장기간 다양한 환경에서 작업을 수행하기 위해서는 소비 에너지 감소 기술과 에너지를 감소하는 장애물 극복 기술들의 연구가 요구 되고 있다.
	복합 바퀴-다리 로봇은 어떤 메커니즘으로 구성되어 있는가?	복합 바퀴-다리 로봇은 주변 환경에 따라 몸체를 변형하여 장애물을 피해 이동하는 메커니즘으로 구성되어 있다. 저전력 보행 절차를 적용한 장애물 회피 알고리즘은 다음 그림 7과 같다.

참고문헌 (9)

H. Igarashi, T. Machida, F. Harashima and M. Kakikura, "Free Gait for Quadruped Robot with Posture Control," 2006 9th IEEE International Workshop Advanced Motion Control , pp. 433-438, 2006.
정학상, 박상수, 최윤호, 박진배, "4족 보행 로봇의 모델링 및 시뮬레이션," 2009 대한전기학회 하계학술대회, pp. 1839-1840, 2009.
이수영, 홍예선, "4족 보행 로봇의 걸음새 안정화를 위한 몸체 임피던스 제어," 대한전기학회 논문지, 제49권, 5호, pp. 257-263, 2000.

원문보기 상세보기
김병호, "다족 로봇을 위한 효과적인 보행 패턴 분석," 한국지능시스템학회 논문지, 제19권, 5호, pp. 622-628, 2009.

원문보기 상세보기
이보훈, 박종한, 이창석, 김용태, "결합 가능한 복합 바퀴-다리 이동형 로봇에 관한 연구," 한국지능시스템학회 논문지, 제21권, 6호, pp. 692-697, 2012.
나두영, 노수희, 문형필, 정진우, 김용태, "모듈형 로봇의 자가 결합을 위한 퍼지 주행 제어 및 장애물 회피 제어," 한국지능시스템학회 논문지, 제19권, 4호, pp. 470-477, 2009.

원문보기 상세보기
L. Parker, "ALLIANCE: An architecture for fault tolerant multi-robot cooperation," IEEE transactions on Robotics and Automation, vol. 14, pp. 220-240, 1988.
A. Deshpande and J. Luntz, "Behaviors for physical cooperation between robots for mobility improvement," Autonomous Robots, vol. 23, pp. 259-274, 2007.

상세보기
이창석, 나두영, 김용태, "소비 에너지 분석을 통한 이족로봇의 저전력 보행 보정 기법," 한국지능시스템학회 논문지, 제20권, 6호, pp. 793-798, 2010.

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증