[논문]로봇 발의 접촉 반발력이 무릎 및 힙 관절에 미치는 영향

김병호

doi:10.5391/jkiis.2013.23.1.12

로봇 발의 접촉 반발력이 무릎 및 힙 관절에 미치는 영향
Contact Repulsion of Robotic Foot and Its Influence on Knee and Hip Joints 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.23 no.1, 2013년, pp.12 - 17

초록
AI-Helper

본 논문에서는 컴플라이언스 특성의 발을 갖는 이족 로봇의 다리 메커니즘을 제시한 후, 이족 로봇을 위한 전형적인 보행 패턴에서 발의 접촉 반발력과 이것이 무릎과 힙 관절에 미치는 영향을 고찰하고자 한다. 이러한 분석은 보행 로봇이 걸음 동작을 수행할때, 발의 물리적인 접촉력의 영향을 파악하는데 있어서 유용하고, 다리 메커니즘의 관절 사양을 결정하는데 활용될 수 있다. 결과적으로, 로봇 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성이 발의 접촉 반발력에 의해 영향을 받는 보행 다리 관절의토오크 특성을 완화시키는데 기여할 수 있음을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a model of bipedal leg mechanism with a compliant foot, and the contact repulsion of the foot for a typical walking pattern and its influence on the knee and hip joints of the leg will be analyzed. This analysis is useful for us to figure out the physical impact of the foot when a walking robot takes a step. Also it can be applied to determine the joint specification of the leg mechanism. As a result, it is shown that the compliance characteristics of a robotic foot can contribute to alleviate the joint torques of the leg affected by the contact repulsion of the foot.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 인간형 로봇의 원활한 동작 구현을 목표로 이족 로봇의 안정된 보행 문제를 다루고자 한다. 특히, 이족 로봇의 보행에 있어서 발의 접촉 반발력이 무릎 관절과 힙 관절에 미치는 영향에 대하여 고찰하고자 한다.
본 논문에서는 인간형 로봇의 원활한 동작 구현을 목표로 이족 로봇의 안정된 보행 문제를 다루고자 한다. 특히, 이족 로봇의 보행에 있어서 발의 접촉 반발력이 무릎 관절과 힙 관절에 미치는 영향에 대하여 고찰하고자 한다. 이러한 목적을 위하여 컴플라이언스 특성의 발을 갖는 로봇 다리 메커니즘을 제시하고, 이를 활용한 간단한 걸음 동작 패턴을 수행한다.

제안 방법

다음은 발목부에 가해진 힘 패턴에 대한 반작용력의 동향을 확인하기 위하여 컴플라이언스 특성을 갖는 발의 반작용력 특성을 파악하였다. 여기서는 완충 작용이 없는 경우(k=∞N/m)와 트러스의 변형 영역을 기반으로 k=700N/m, 그리고 k=525N/m인 경우에 대하여 고려하였다.
이러한 목적을 위하여 컴플라이언스 특성의 발을 갖는 로봇 다리 메커니즘을 제시하고, 이를 활용한 간단한 걸음 동작 패턴을 수행한다. 또한 발 메커니즘의 특성에 따라 보행시 나타나는 발의 접촉 반발력 패턴이 달라질 수 있을 뿐만 아니라 발바닥에서 발목, 다리의 각 관절로 전파되는 토오크 특성을 확인한다. 결과적으로, 로봇 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성이 발의 접촉 반발력에 의해 영향을 받는 보행 다리 관절의 토오크 특성을 완화시키는데 기여할 수 있음을 보인다.
본 논문에서는 컴플라이언스 특성을 갖도록 한 로봇 발과 이를 사용한 로봇의 다리 모델을 제시한 후, 보행 과정에서 유발되는 발의 접촉 반발력이 무릎 관절과 힙 관절에 미치는 영향을 분석하였다. 결과적으로, 로봇 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성에 따라 발의 접촉 반발력에 의해 무릎과 힙 관절에 가해지는 토오크 영향을 완화될 수 있음을 확인하였다.
본 장에서는 시뮬레이션을 통하여 2장에서 제시한 로봇 다리-발 메커니즘의 특성을 고찰한다. 여기서, 발 메커니즘에 사용된 스프링 장력이 로봇의 전체 부하에 적절히 대응할 수 있고, 하중이 걸리지 않게 되면, 초기 상태의 트러스 구조로 안정하게 복귀하는 상황을 고려한다.
본 장에서는 이족 로봇이 보행할 때, 발의 접촉 반발력이 다리 관절에 미치는 영향을 분석하기 위하여 컴플라이언스 특성의 발을 갖는 이족 로봇 다리 메커니즘을 제시한 후, 발의 접촉 반발력에 따른 무릎 관절과 힙 관절의 토오크 성분을 기술한다.
특히, 이족 로봇의 보행에 있어서 발의 접촉 반발력이 무릎 관절과 힙 관절에 미치는 영향에 대하여 고찰하고자 한다. 이러한 목적을 위하여 컴플라이언스 특성의 발을 갖는 로봇 다리 메커니즘을 제시하고, 이를 활용한 간단한 걸음 동작 패턴을 수행한다. 또한 발 메커니즘의 특성에 따라 보행시 나타나는 발의 접촉 반발력 패턴이 달라질 수 있을 뿐만 아니라 발바닥에서 발목, 다리의 각 관절로 전파되는 토오크 특성을 확인한다.
여기서, 발 메커니즘에 사용된 스프링 장력이 로봇의 전체 부하에 적절히 대응할 수 있고, 하중이 걸리지 않게 되면, 초기 상태의 트러스 구조로 안정하게 복귀하는 상황을 고려한다. 효과적인 보행 시뮬레이션을 위하여 그림 4에 제시된 로봇 다리-발 메커니즘의 힙 위치가 수직 방향으로만 변화할 때, 발목부에 가해진 힘 패턴에 대한 반작용력의 동향을 확인하고, 이것이 보행 상황에서 로봇다리의 무릎 관절과 힙 관절에 어떤 효과로 작용될 수 있는지를 분석하는데 중점을 두었다. 이를 위하여 설정된 로봇 다리 및 발의 기구적인 파라미터는 표 1과 같다.

대상 데이터

이족 로봇의 보행에 있어서 각 발의 접촉 반발력이 무릎과 힙 관절에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 본 논문에서는 그림 1(b)에 나타낸 오른쪽 다리(Leg 1)를 그림 4와 같이 모델링하였다. 여기서, 발 부분은 2.1장에서 기술한 로봇 발 모델을 사용하였다.

성능/효과

본 논문에서는 컴플라이언스 특성을 갖도록 한 로봇 발과 이를 사용한 로봇의 다리 모델을 제시한 후, 보행 과정에서 유발되는 발의 접촉 반발력이 무릎 관절과 힙 관절에 미치는 영향을 분석하였다. 결과적으로, 로봇 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성에 따라 발의 접촉 반발력에 의해 무릎과 힙 관절에 가해지는 토오크 영향을 완화될 수 있음을 확인하였다. 이러한 연구결과는 다리 관절의 피로 완화와 동작의 유연성을 개선하는데 활용될 수 있고, 로봇 발 및 다리의 효과적인 설계 [8]- [10]나 관절 구동기의 사양 결정에도 이용될 수 있다.
또한 발 메커니즘의 특성에 따라 보행시 나타나는 발의 접촉 반발력 패턴이 달라질 수 있을 뿐만 아니라 발바닥에서 발목, 다리의 각 관절로 전파되는 토오크 특성을 확인한다. 결과적으로, 로봇 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성이 발의 접촉 반발력에 의해 영향을 받는 보행 다리 관절의 토오크 특성을 완화시키는데 기여할 수 있음을 보인다.
그림 11은 그림 4에 제시된 로봇 다리가 4초 주기의 제자리걸음을 하는 경우, 발의 접촉 반발력에 의해 전파되는 무릎관절과 힙 관절의 토오크 특성을 나타낸다. 결과적으로, 로봇 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성이 커질수록 무릎과 힙 관절에 가해지는 토오크 영향이 감소될 수 있음을 확인할 수 있다.
결과적으로, 컴플라이언스 특성을 갖는 로봇 발을 이용하게 되면, 보행시 나타나는 발목의 충격과 무릎 및 힙 관절에 미치는 토오크 특성을 완화시킬 수 있기 때문에 궁극적으로 로봇 시스템의 보행 피로를 감소시키는 효과를 얻을 수 있다. 특히, 이러한 보행 피로를 줄이는 문제는 비평탄 지형이나 계단이 있는 상황에서의 안정된 보행에 큰 도움이 될 수 있다 [7].
특히, 디딤발 구간인 0∼2초와 4∼6초 구간에서 트러스에 의한 반작용력은 점차적으로 줄어드는 경향이고, 스프링에 의한 반작용력은 상대적으로 증가하게 되며, 발디딤이 해제된 상태인 2∼4초와 6∼8초 구간에서 트러스에 의한 반작용력은 없고, 스프링에 의한 반작용력은 점진적으로 줄어드는 상황을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보행 로봇은 어떻게 활용될 수 있는가?	보행 로봇(walking robot) [1]- [2]은 산업시스템을 위한 능동적인 작업자 또는 보조 시스템 역할로서 다양한 작업의 수행이 가능할 뿐만 아니라 다양한 기능성 신발의 편의성 시험을 위한 장치(test-bed)로도 활용이 기대된다. 그림 1(a)는 괄목할 만한 인간형 로봇 시스템 중의 하나이며, 이러한 로봇은 이족 보행의 관점에서 그림 1(b)와 같이 모델링할 수 있다.
	다리 절단 수술을 받은 사람들을 위한 발목-발 보철 매커니즘이 적절한 컴플라이언스 특성을 갖도록 설계하는 것이 이슈가 된 이유는?	최근에, 재활의공학 분야에서는 다리 절단 수술을 받은 사람들을 위한 발목-발 보철(ankle-foot prosthesis) 메커니즘에 관한 연구 [3]가 활발하게 진행되고 있는데, 효과적인 보행을 위하여 이러한 메커니즘이 적절한 컴플라이언스(compliance) 특성을 갖도록 설계하는 것이 중요한 이슈(issue)가 되고 있다. 왜냐하면, 이러한 메커니즘의 컴플라이언스 특성은 발과 다리 관절의 안정적인 동작이나 전체 로봇 시스템의 유연한 동작을 구현하는 것과 밀접한 연관이 있을 수 있기 때문이다. 그러나 이러한 문제에 대한 연구는 아직까지 많이 다루어지지 않고 있는 실정이다.
	보행 로봇의 안정적인 활용을 위해 보행에 따른 무릎과 힙 관절의 토오크 특성을 파악하는 것이 의미있다고 생각하는 이유는?	사람의 경우, 장시간 동안 보행을 하게 되면, 기본적으로 무릎 관절(knee joint)과 힙 관절(hip joint)에 피로를 느끼게 됨을 경험적으로 알 수 있다. 이러한 관점에서 볼 때, 보행에 따른 무릎과 힙 관절의 토오크 특성을 파악하는 것은 보행 로봇의 안정적인 활용의 관점에서 매우 의미가 있다.

참고문헌 (10)

Y. Sakagami, R. Watanabe, C. Aoyama, S. Matsunaga, N. Higaki, and K, Fujimura, "The intelligent ASIMO: system overview and integration," Proc. of IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 2478-2483, 2002.
Y. Ogura, H. Aikawa, K. Shimomura, H. Kondo, A. Morishima, H.-O. Lim, and A, Takanishi, "Development of a new humanoid robot, WABIAN-2," Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 2478-2483, 2002.
S. K. Au and H. M. Herr, "Powered ankle-foot prosthesis," IEEE Robotics & Automation Magazine, vol. 15, no. 3, pp. 52-59, 2008.

상세보기
B. -H. Kim, "Modeling and analysis of robotic foot mechanism based on truss structure," Jour. of Korean Institute of Intelligent Systems, vol. 22, no. 3, pp. 347- 352, 2012.

원문보기 상세보기
C. C. Norkin and P. K. Levangie, Joint structure & function, F.A. Davis Company, 1992.
A. D. Kuo, "Choosing your steps carefully," IEEE Robotics & Automation Magazine, pp. 18-29, June 2007.
Y.-T. Kim, S.-H. Noh, and H. J. Lee, "Walking and Stabilization Algorithm of Biped Robot on the Uneven Ground," Jour. of Korean Institute of Intelligent Systems, vol. 15, no. 1, pp. 59-64, 2005.

원문보기 상세보기
S.-W. Kim and D. H. Kim, "Design of Leg Length for a Legged Walking Robot Based on Theo Jansen Using PSO," Jour. of Korean Institute of Intelligent Systems, vol. 21, no. 5, pp. 660-666, 2011.

원문보기 상세보기
M. Davis, Foot Design for a Humanoid Robot, The University of Queensland, 2004.
J. Li, Q. Huang,W. Zhang, Z. Yu, and K. Li, "Flexible foot design for a humanoid," Proc. of IEEE Int. Conf. Automation and Logistics, pp. 1414-1419, 2008.

저자의 다른 논문 :

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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