[논문]오프로드 환경에서 효율적인 6족 로봇 보행 시스템 개발

김준우; 이기원; 이석규

doi:10.5302/j.icros.2013.13.1936

오프로드 환경에서 효율적인 6족 로봇 보행 시스템 개발
Development of an Effective Walking System for a Hexapod Robot on Uneven Terrain 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.19 no.12, 2013년, pp.1152 - 1159

김준우 (영남대학교 전기공학과) , 이기원 (영남대학교 전기공학과) , 이석규 (영남대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes an effective walking system for a hexapod robot on uneven terrain. To overcome the deficiencies of two-pair walking systems, which are effective on even terrain, the use of only three legs changes the steps required for movement. The proposed system receives feedback data from switches attached to the bottom of the legs and gyro sensor to carry out stable walking using the Bezier curve algorithm. From the coordinates of the Bezier curve, which guarantees the circular motion of legs, the motor's angle value can be obtained using inverse kinematics. The angle values are sent to each motor though RS-485 communication. If a switch is pushed by the surface during navigation in the Bezier curve pattern, the robot is designed to change its circular course. Through the changed course, each leg can be located on an optimal surface and the wobble phenomenon is reduced by using a normal vector algorithm. The simulation and experiment results show the efficiency of the proposed algorithm.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 기존의 3족 보행법이 아닌, 개별다리 보행법과 센서 피드백 값을 이용한 제어 알고리즘을 접목시켜 효율적인 보행 시스템을 제안한다. 본 시스템에서 로봇의 발바닥 면에 스위치를 설치하여, 오프로드 지면에 다리의 끝점이 닿는 순간을 감지하도록 설계하였다.
본 논문에서는 오프로드 환경에서 6족 로봇 보행 시 발생 되는 기울어짐 현상으로 인하여 발생되는 비효율적인 보행의 문제점을 개선하고자 다음과 같은 시뮬레이션 테스트를 수행하였다. 베지어 곡선을 이용한 보행 경로는 모션을 부드럽게 만들며, 어느 정도 안정적인 보행을 가능하게 한다.

제안 방법

본 논문에서 제안하는 6족 로봇 보행 시스템의 효율성을 검증하기 위하여 3개의 요철 구간을 이용하여 실험하였다. 6개 다리의 끝점에 위치한 스위치 데이터를 피드백 받아 불규칙적인 지면의 높이에 맞추어 각 다리의 끝점을 최적의 위치에 닿도록 한다. 또한 베지어 커브를 이용한 원호 걸음으로 부드러운 모션 동작을 수행하도록 하였으며, 지면으로부터 발생되는 로봇의 기울어짐 현상을 자이로 센서를 이용하여 평행을 유지하도록 보정한다.
이와 같은 방법으로 로봇은 개별적으로 6개 다리의 끝점을 최적의 지면 높이에 위치시킬 수 있다. 다리를 지면에 위치 시키는 순간 발생되는 충격을 감소시키고, 원호 걸음의 모션을 부드럽게 하기 위하여, 현재 모터의 각도 값을 이용한 PD 속도 제어를 보행 연산과 함께 처리한다. 또한 오프로드 환경에서 로봇의 기울어짐을 현상을 보안하기 위하여, ATmega8로 부터 전송된 자이로 센서 값을 이용한 실시간 기울기보정을 수행한다.
6개 다리의 끝점에 위치한 스위치 데이터를 피드백 받아 불규칙적인 지면의 높이에 맞추어 각 다리의 끝점을 최적의 위치에 닿도록 한다. 또한 베지어 커브를 이용한 원호 걸음으로 부드러운 모션 동작을 수행하도록 하였으며, 지면으로부터 발생되는 로봇의 기울어짐 현상을 자이로 센서를 이용하여 평행을 유지하도록 보정한다. 그림 20는 요철구간을 이동하는 로봇의 모습이다.
본 시스템에서 로봇의 발바닥 면에 스위치를 설치하여, 오프로드 지면에 다리의 끝점이 닿는 순간을 감지하도록 설계하였다. 또한 실제 곤충과 흡사한 보행을 하기 위하여, 베지어 곡선(Bezier curve)과 PD 제어(Proportional-Derivative control)를 보행 모션에 적용하였다. 오프로드 지면에 상태에 따라 발생되는 로봇의 기울어짐 현상은 스위치를 이용한 피드백 데이터와 현재 모터의 각도 값, 자이로 센서 데이터를 이용하여 보행의 평행을 유지한다.
다리를 지면에 위치 시키는 순간 발생되는 충격을 감소시키고, 원호 걸음의 모션을 부드럽게 하기 위하여, 현재 모터의 각도 값을 이용한 PD 속도 제어를 보행 연산과 함께 처리한다. 또한 오프로드 환경에서 로봇의 기울어짐을 현상을 보안하기 위하여, ATmega8로 부터 전송된 자이로 센서 값을 이용한 실시간 기울기보정을 수행한다.
본 논문에서 제안한 6족 로봇 보행 시스템의 효율성을 검증하기 위하여 오프로드 실험환경을 구축하였다. 오프로드 지면의 효과를 나타내기 위하여, 3개의 요철구간을 8cm간격을 유지하며 위치시킨다.
본 논문에서는 기존의 3족 보행법이 아닌, 개별다리 보행법과 센서 피드백 값을 이용한 제어 알고리즘을 접목시켜 효율적인 보행 시스템을 제안한다. 본 시스템에서 로봇의 발바닥 면에 스위치를 설치하여, 오프로드 지면에 다리의 끝점이 닿는 순간을 감지하도록 설계하였다. 또한 실제 곤충과 흡사한 보행을 하기 위하여, 베지어 곡선(Bezier curve)과 PD 제어(Proportional-Derivative control)를 보행 모션에 적용하였다.
각각의 요철구간은 4단계의 불규칙 적인 높이를 가지도록 제작 되었다. 컴퓨터와 통신을 하기 위해 구성된 블루투스는 그 통신에 장애를 받지 않는 지역에서 테스트를 진행하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사용된 로봇의 DSP의 기종은 TMS320F 28335이며, 주로 연산처리를 위해 사용되었다.
본 논문에서 제안하는 6족 로봇 보행 시스템의 효율성을 검증하기 위하여 3개의 요철 구간을 이용하여 실험하였다. 6개 다리의 끝점에 위치한 스위치 데이터를 피드백 받아 불규칙적인 지면의 높이에 맞추어 각 다리의 끝점을 최적의 위치에 닿도록 한다.
본 실험은 3개의 요철 구간을 이용하여, 오프로드 지면의 재현하여 실험하였다. 모의실험 결과를 비교하면, 3축 보행은 평지에서는 안정적인 보행을 수행하지만, 오프로드 환경에서는 불규칙적인 지면의 높이에 따라 다리의 높이 제어가 불가능함으로 로봇 보행 시 발생되는 기울어짐 현상이 그대로 보행에 영향을 준다.

성능/효과

그림 14는 roll 데이터의 변화 곡선을 나타낸다. 로봇의 기울어짐에 따라 평행을 유지하기 위해 자세제어가 이루어지며, 그림 14와 같이 자이로 센서의 기울기 값이 평행에 수렴하는 것을 확인할 수 있다.
본 실험은 3개의 요철 구간을 이용하여, 오프로드 지면의 재현하여 실험하였다. 모의실험 결과를 비교하면, 3축 보행은 평지에서는 안정적인 보행을 수행하지만, 오프로드 환경에서는 불규칙적인 지면의 높이에 따라 다리의 높이 제어가 불가능함으로 로봇 보행 시 발생되는 기울어짐 현상이 그대로 보행에 영향을 준다. 본 논문에서는 다리를 개별적으로 움직이는 보행법과 센서 피드백 데이터를 이용한 제어 알고리즘을 접목하여 오프로드 환경에서의 보행을 더 안정화시킬 수 있으며, 제안하는 보행 시스템의 우수함을 확인할 수 있다.
이러한 현상으로 로봇은 수평 보행을 할 수 없으며, 기울기 정도에 따라 보행이 불가능 해지거나 로봇이 뒤집어지는 현상이 발생한다. 문제점을 해결하기 위하여 자이로 센서를 이용한 로봇의 평행제어를 원호 걸음에 적용하였으며, 그림 13과 같이 기울어진 지면에서 6족 로봇이 평행을 유지하며 보행을 수행하는 것을 확인 할 수 있다.
그림 21(a)는 3개의 축이 동시에 지면에 닿는 보행 시스템의 기울기 변화폭 그래프이며, (b)는 개별 다리 보행 시스템 적용 시 기울기의 그래프이다. 본 논문에서 제안하는 보행 시스템이 오프로드 환경에서 로봇의 기울어짐 현상을 더 효과적으로 안정화시키는 것을 확인 할 수 있다.
모의실험 결과를 비교하면, 3축 보행은 평지에서는 안정적인 보행을 수행하지만, 오프로드 환경에서는 불규칙적인 지면의 높이에 따라 다리의 높이 제어가 불가능함으로 로봇 보행 시 발생되는 기울어짐 현상이 그대로 보행에 영향을 준다. 본 논문에서는 다리를 개별적으로 움직이는 보행법과 센서 피드백 데이터를 이용한 제어 알고리즘을 접목하여 오프로드 환경에서의 보행을 더 안정화시킬 수 있으며, 제안하는 보행 시스템의 우수함을 확인할 수 있다.
본 시스템에서 자이로 센서를 이용하여 보행 시 발생되는 로봇의 기울어짐 현상을 감소시킨다.
그림 16은 로봇의 스위치 피드백 데이터에 따라 변화되는 실제 모터의 위치 값을 이용하여 나타낸 지면의 시뮬레이션 모습이다. 시뮬레이션 지형과 로봇이 이동한 구간의 모습과 유사함을 확인 할 수 있으며, 오프로드 지면의 높이에 따라 유동적으로 로봇의 끝점의 높이를 조절되어 보행이 이루어짐을 확인 할 수 있다.

후속연구

향후 더 안정적인 보행을 위해 로봇이 착지하는 지면을 미리 스캔하여 지면의 변화를 읽어 보행에 최적화 시킨다면 조금 더 정확하고 안정적인 보행이 가능할 것이라 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탐사로봇이란?	탐사로봇이란 인간이 근접하기 힘든 환경에 접근하여 자원, 환경, 상태 등을 조사하는 로봇이다. 로봇이 처음 접하는 환경 속에서 자신의 위치를 인지하고, 주변을 정확하게 탐색하기 위해서는 높은 지능이 필요하지만, 탐사로봇의 지능만큼 중요한 부분을 차지하는 것은 이동성이다.
	탐사로봇의 지능만큼 중요한 부분을 차지하는 것은?	탐사로봇이란 인간이 근접하기 힘든 환경에 접근하여 자원, 환경, 상태 등을 조사하는 로봇이다. 로봇이 처음 접하는 환경 속에서 자신의 위치를 인지하고, 주변을 정확하게 탐색하기 위해서는 높은 지능이 필요하지만, 탐사로봇의 지능만큼 중요한 부분을 차지하는 것은 이동성이다. 실제 대부분의 지면은 불규칙적인 모양을 하고 있으며, 얼마나 효과적으로 이동하느냐에 따라서 탐사로봇의 임무수행능력이 결정된다.
	4족 보행 로봇 비교해서 6족 로봇의 단점은?	4족 보행 로봇은 2족 보행 로봇보다, 보행 속도가 빠르고 안정성도 높은 특징을 가진다[5]. 4족 로봇에 비해 6족 로봇은 더 높은 안정성 때문에 빠른 보행이 가능 하지만, 기계적으로 구현되는 보행 메카니즘의 패턴이 일정하기 때문에 낮은 적응능력으로 인하여, 효과적인 보행을 구현하는데 한계를 가지고 있다.

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상세보기
D. M. Bourge, Physics for Game Developers, OReilly, Nov. 2011.
D. Metaxax and D. Terzopoulos, "Dynamic 3D models with local and global deformations:deformable superquadrics," Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEE Transactions, vol. 13, no. 7, pp. 703-714, Jul. 1991.

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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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