[논문]이족 로봇 다리 관절의 일 특성 고찰

김병호

doi:10.5391/jkiis.2013.23.3.238

이족 로봇 다리 관절의 일 특성 고찰
Work Consideration of Leg Joints of Bipedal Robots 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.23 no.3, 2013년, pp.238 - 243

초록
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본 논문에서는 이족 보행 로봇을 위한 무릎 및 힙 관절의 일 특성을 분석하고자 한다. 이를 위하여 컴플라이언스 특성의 발을 갖는 이족 로봇 다리 메커니즘을 대상으로 전형적인 보행 패턴을 고려한다. 또한 딱딱한 지면과 접촉하는 로봇 발 공간으로부터 다리 관절 공간으로 전파되는 토오크 특성을 확인하고, 보행에 따라 관절 공간에 누적되는 일 특성을 제시한다. 결과적으로, 이러한 분석이이족 로봇의 보행에서 발과 지면의 물리적인 접촉에 의한 다리 메커니즘의 피로 정도를 파악하는데 있어서 유용하고, 적절한 신발 착용 등에 의한 로봇 발 공간에서의 컴플라이언스특성 개선에 활용될 수 있음을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper analyzes a virtual work of the knee and hip joints of bipedal walking robots. For the purpose, we consider a model of bipedal leg mechanism with a compliant foot and a typical walking pattern. We also check the torque characteristics at the joint space propagated from the space of the foot contacting a flat and stiff surface, and present the works accumulated at the joint space. As a result, it is shown that this analysis is useful for evaluating the fatigue of the leg mechanism by the physical walking contact between the foot and the surface, and it is applicable for improving the compliant characteristics at the foot space by employing a proper footgear.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 인간의 보행에 대한 관찰을 근거로 로봇 다리 메커니즘의 피로와 밀접한 관련이 있는 무릎(knee) 및 힙(hip) 관절의 일(work) 특성을 분석하고자 한다. 이러한 특성을 효과적으로 분석하기 위하여 컴플라이언스 특성의 발을 갖는 이족 로봇 다리 메커니즘을 대상으로 전형적인 보행 패턴을 고려한다.
본 논문에서는 컴플라이언스 특성의 발을 갖는 다리 모델을 사용하여 발에 작용되는 접촉 반발력에 따라 무릎 관절과 힙 관절에 누적되는 일에 대하여 분석하였다. 이를 위하여 보행 과정에서 유발되는 발의 접촉 반발력이 무릎 관절과 힙 관절에 미치는 토오크 특성과 일 특성을 파악하였다.

제안 방법

구체적으로, 발 메커니즘에 사용된 스프링의 장력은 로봇의 전체 부하에 적절히 대응할 수 있고, 하중이 걸리지 않는 경우, 초기 상태의 트러스 구조로 안정하게 복귀하는 상황을 고려하였다. 또한 그림 3에 제시된 로봇 다리-발 메커니즘의 힙 위치가 수직 방향으로만 변화할 때, 발목부에 가해진 힘 패턴에 대한 접촉 반발력의 동향을 확인하고, 이것으로 인한 로봇 다리의 무릎 관절과 힙 관절의 일이 어떤 패턴으로 누적되는지를 분석하는데 중점을 두었다.
이러한 특성을 효과적으로 분석하기 위하여 컴플라이언스 특성의 발을 갖는 이족 로봇 다리 메커니즘을 대상으로 전형적인 보행 패턴을 고려한다. 또한 딱딱한 지면과 접촉하는 로봇 발 공간으로부터 다리관절 공간으로 전파되는 토오크 특성을 파악하고, 보행에 따라 관절 공간에 누적되는 일 및 이에 따른 시스템적 영향을 고찰한다. 결과적으로, 이러한 분석이 이족 로봇의 보행에서 발과 지면의 물리적인 접촉에 의한 다리 메커니즘의 피로 정도를 파악하는데 있어서 유용하고, 적절한 신발 착용 등에 의한 로봇 발 공간에서의 컴플라이언스 특성 개선에 활용될 수 있음을 보인다.
본 시뮬레이션에서는 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성을 달리하면서 발목부에 가해진 힘 패턴에 대하여 발바닥에서 일어나는 접촉 반발력의 시스템적 영향을 확인하였다. 특히, 발 메커니즘의 완충 작용이 없는 경우(k=∞N/m)와 트러스의 변형 영역을 기반으로 k=700N/m, 그리고 k=525N/m인 경우에 대하여 고려하였다.
본 장에서는 2장에서 제시한 로봇 다리 및 발 시스템을 이용한 보행 시뮬레이션을 통하여 발의 접촉 반발력에 의해 누적되는 무릎과 힙 관절의 일 특성을 분석한다.
본 논문에서는 인간의 보행에 대한 관찰을 근거로 로봇 다리 메커니즘의 피로와 밀접한 관련이 있는 무릎(knee) 및 힙(hip) 관절의 일(work) 특성을 분석하고자 한다. 이러한 특성을 효과적으로 분석하기 위하여 컴플라이언스 특성의 발을 갖는 이족 로봇 다리 메커니즘을 대상으로 전형적인 보행 패턴을 고려한다. 또한 딱딱한 지면과 접촉하는 로봇 발 공간으로부터 다리관절 공간으로 전파되는 토오크 특성을 파악하고, 보행에 따라 관절 공간에 누적되는 일 및 이에 따른 시스템적 영향을 고찰한다.
본 장에서는 이족 로봇 다리 메커니즘의 무릎 및 힙 관절에 대한 일 특성에 관하여 기술한다. 이를 위하여 그림 1과 같은 이족 보행 모델을 사용하고, 사전 연구 [5]에서 제시된 그림 2와 같은 인간의 발과 이를 기반으로 모델링된 그림 3과 같은 다리 메커니즘을 사용하여 발의 접촉 반발력에 따른 무릎 관절과 힙 관절의 토오크 성분과 일 관계식을 기술한다.
본 논문에서는 컴플라이언스 특성의 발을 갖는 다리 모델을 사용하여 발에 작용되는 접촉 반발력에 따라 무릎 관절과 힙 관절에 누적되는 일에 대하여 분석하였다. 이를 위하여 보행 과정에서 유발되는 발의 접촉 반발력이 무릎 관절과 힙 관절에 미치는 토오크 특성과 일 특성을 파악하였다. 결과적으로, 사용된 로봇 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성에 따라 무릎 관절과 힙 관절에 누적되는 일을 줄일 수 있다는 것을 파악하였고, 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성을 적절히 설정함에 의해 보행 운동에 따른 다리 관절의 피로가 개선될 수 있음을 확인하였다.
특히, 발 메커니즘의 완충 작용이 없는 경우(k=∞N/m)와 트러스의 변형 영역을 기반으로 k=700N/m, 그리고 k=525N/m인 경우에 대하여 고려하였다.

성능/효과

먼저, 주어진 보행 동작에서 발의 접촉 반발력에 의해 전파되는 무릎 관절과 힙 관절의 토오크 특성은 그림 8에 제시하였다. 결과적으로, 로봇 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성이 커질수록 무릎과 힙 관절에 가해지는 토오크 영향이 감소되는 경향을 확인할 수 있다.
이를 위하여 보행 과정에서 유발되는 발의 접촉 반발력이 무릎 관절과 힙 관절에 미치는 토오크 특성과 일 특성을 파악하였다. 결과적으로, 사용된 로봇 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성에 따라 무릎 관절과 힙 관절에 누적되는 일을 줄일 수 있다는 것을 파악하였고, 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성을 적절히 설정함에 의해 보행 운동에 따른 다리 관절의 피로가 개선될 수 있음을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 다리 관절의 피로 완화와 동작의 유연성 개선 뿐만 아니라 로봇 다리 메커니즘의 효과적인 설계, 재활의공학적인 발 메커니즘 설계 및 다양한 기능성 신발의 편의성 제고에 기여할 수 있다.
이러한 관점에서 보면, 생활 체육이나 전문적인 스포츠 분야에서 신발의 적절한 선택은 좋은 운동 성과와 밀접한 관련이 있을 것으로 판단된다. 결과적으로, 컴플라이언스 특성을 갖는 로봇 발 메커니즘은 보행시 나타나는 발목의 충격과 무릎 및 힙 관절에 미치는 토오크 특성을 완화시킬 수 있기 때문에 이러한 메커니즘을 잘 이용하면, 각 관절에 가중되는 일과 전체 로봇 시스템의 보행 피로를 감소시키는 것이 가능하다고 판단된다. 특히, 이러한 보행 피로를 줄이는 문제는 비평탄 지형이나 계단이 있는 상황에서 의 안정된 보행 [12] [13]에 큰 도움이 될 수 있고, 스포츠 산업과 관련된 다양한 기능성 신발의 편의성 판단에 있어서 중요한 요소가 될 수 있다.
실제로, 무릎 관절의 운동량에 따라 누적되는 일의 증가는 무릎 관절과 힙 관절의 피로가 가중됨을 의미한다. 따라서 사용된 로봇 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성을 적절히 설정함에 의해 무릎 관절과 힙 관절의 피로가 개선될 수 있음을 파악할 수 있다. 사람의 보행에서도 이러한 경향은 경험적으로 알 수 있다.

후속연구

또한 딱딱한 지면과 접촉하는 로봇 발 공간으로부터 다리관절 공간으로 전파되는 토오크 특성을 파악하고, 보행에 따라 관절 공간에 누적되는 일 및 이에 따른 시스템적 영향을 고찰한다. 결과적으로, 이러한 분석이 이족 로봇의 보행에서 발과 지면의 물리적인 접촉에 의한 다리 메커니즘의 피로 정도를 파악하는데 있어서 유용하고, 적절한 신발 착용 등에 의한 로봇 발 공간에서의 컴플라이언스 특성 개선에 활용될 수 있음을 보인다.
그 동안 다양한 관점에서 연구가 많이 진행되어 온 보행 로봇(walking robot) [1]- [3]은 인간의 기능을 모사하기 위한 연구 플랫폼(platform)으로서 중요한 역할을 하고 있다. 이러한 로봇은 인간이 직접 수행하기에는 위험한 작업 영역뿐만 아니라 생산성 향상과 일관된 정밀도가 요구되는 산업시스템을 위한 능동적인 작업자나 보조 시스템 역할, 또는 인간 친화적인 다양한 작업의 수행에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 특히, Boston Dynamics사에서 개발하고 있는 PETMAN [3]의 경우, 괄목할 만한 수준의 보행 동작이 가능함을 보여주고 있다
결과적으로, 사용된 로봇 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성에 따라 무릎 관절과 힙 관절에 누적되는 일을 줄일 수 있다는 것을 파악하였고, 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성을 적절히 설정함에 의해 보행 운동에 따른 다리 관절의 피로가 개선될 수 있음을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 다리 관절의 피로 완화와 동작의 유연성 개선 뿐만 아니라 로봇 다리 메커니즘의 효과적인 설계, 재활의공학적인 발 메커니즘 설계 및 다양한 기능성 신발의 편의성 제고에 기여할 수 있다.
추가적으로, 로봇 발이 다양한 패턴으로 접촉할때, 메커니즘의 접촉력을 효과적으로 측정하는 방법과 다양한 보행 상황에 대한 고려 및 실험적인 연구가 필요 하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보행 로봇의 역할은?	그 동안 다양한 관점에서 연구가 많이 진행되어 온 보행 로봇(walking robot) [1]- [3]은 인간의 기능을 모사하기 위한 연구 플랫폼(platform)으로서 중요한 역할을 하고 있다. 이러한 로봇은 인간이 직접 수행하기에는 위험한 작업 영역뿐만 아니라 생산성 향상과 일관된 정밀도가 요구되는 산업시스템을 위한 능동적인 작업자나 보조 시스템 역할, 또는 인간 친화적인 다양한 작업의 수행에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 전망된다.
	보행 로봇이 활용될 수 있는 방안은?	그 동안 다양한 관점에서 연구가 많이 진행되어 온 보행 로봇(walking robot) [1]- [3]은 인간의 기능을 모사하기 위한 연구 플랫폼(platform)으로서 중요한 역할을 하고 있다. 이러한 로봇은 인간이 직접 수행하기에는 위험한 작업 영역뿐만 아니라 생산성 향상과 일관된 정밀도가 요구되는 산업시스템을 위한 능동적인 작업자나 보조 시스템 역할, 또는 인간 친화적인 다양한 작업의 수행에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 특히, Boston Dynamics사에서 개발하고 있는 PETMAN [3]의 경우, 괄목할 만한 수준의 보행 동작이 가능함을 보여주고 있다
	사람이 오래 보행을 지속하면 전반적인 신체의 피로감을 느끼는 이유는?	보행 문제와 관련하여 사람의 경우, 오랫동안 보행을 지속하게 되면 전반적인 신체의 피로감을 느낄 수 있는데, 이것은 무릎 관절이나 힙 관절 등의 다리 관절이 보행에 따라 점진적으로 피곤해지는 현상에 의해 기인한다는 사실을 경험적으로 알 수 있다. 물론 이러한시스템의 피로 현상은 기본적으로 시스템의 구조적인 특성과 보행 운동량에 의해 좌우될 수 있지만, 착용한 신발의 신축적인 특성에 따라 달라질 수 있을 것이다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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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
M. J, Powell, H. Zhao, and A. D. Ames, "Motion premitives for human-inspired bipedal robotic locomotion: walking and stair climbing," Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 543-549, 2012.

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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