[논문]빠른 보행이 가능한 6족 로봇

서현세; 성영휘

doi:10.5370/kiee.2013.62.4.536

빠른 보행이 가능한 6족 로봇
A Hexapod Robot that can Walk Fast 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.62 no.4, 2013년, pp.536 - 543

서현세 ((주)i3system) , 성영휘 (국립 금오공과대학교 전자공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a new type of hexapod robot that can walk fast. Most of the conventional hexapod robots are either rectangular type of hexagonal type. Those robots have drawbacks in the speed and stability of walking. The proposed robot has six legs, one fore leg, one hind leg, two left legs and two right legs. The proposed robot forms relatively wide supporting polygons along the walking direction, so it can walk very fast stably. We implemented the proposed hexapod robot and showed the feasibility of the robot by 3+3 walking experiment and 2+4 walking experiment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 새로운 형태의 6족 보행 로봇을 제안하였고 로봇의 기구학적 해석을 수행하였다. 제안된 로봇은 몸체 중심점에 대칭인 위치에 6개의 다리를 갖는 형태로 전후 다리 1개씩과 좌우 다리를 2개씩 가지고 있다.
이러한 형태의 6족 보행 로봇들은 사람들에게 익숙하여 외관상 자연스러우나 보행의 안정성, 보행의 속도 등 보행의 관점에서는 비효율적인 측면이 많다. 본 논문에서는 안정되고 빠른 보행이 가능하도록 기존의 6족 보행 로봇들과는 다른 형태의 다리 부착 위치를 갖는 로봇을 제안한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.

제안 방법

로봇의 관절 구동부로는 로보티즈사에서 제조한 감속기, 제어기, 구동기 및 네트워크 기능 등을 일체형으로 구성하여 하나의 모듈로 제작된 다이나믹셀인 RX-64를 사용하였다. 6족 보행 로봇의 주 제어기로는 보행패턴을 실시간으로 생성하고 다수의 관절 구동부를 신속하고 정확하게 제어하기 위해서 고속으로 소수점연산이 가능해야 하므로 부동소숫점 연산이 가능한 TI사의 32bit MCU인 TMS320F28335를 사용하였으며 CPU타이머 인터럽트를 사용하여 5ms의 샘플링 주기를 만들었다. 또한 초음파 센서 적외선 센서 등과 같은 센서들의 데이터 값을 읽고 10ms의 주기로 주제어기로 전송하는 보조 제어기로는 Atmel사의 Atmega 128을 사용하였고 비젼 센서 데이터 처리 및 스마트 폰과의 인터페이스를 위해서 호스트 PC를 사용하였다.
다양한 보폭에 대해서 실험을 수행하였고 로봇이 안정되게 보행할 수 있는 최소 보행 주기는 0.4초로 3+3 보행의 경우와 비교해서는 낮은 속도이다. 이는 주기 0.
이와 같은 형태의 로봇들은 사람들에게 익숙하여 외관상 자연스러우나 보행의 안정성, 보행의 속도 등 보행의 관점에서는 비효율적인 측면이 있다. 다음 절에서는 자연계에는 존재하지 않는 형태이나 전진, 후진 보행의 안정성과 속도 측면에서 효율적인 로봇을 제안한다.
첫 번째로 3+3 보행 실험을 수행하였다. 보행의 한 주기는 초기에 최대값인 0.8초로 설정한 후 한 주기가 끝날 때마다 단계적으로 감소시켜 나가며 최소 0.2초로 설정하여 로봇의 보행 속도를 가속시키며 실험하였다. 3+3 보행 실험에 대한 파라미터는 표 2에 나타내었다.
모든 다리의 보폭은 최대 8cm로 설정하여 실험하였으며, 로봇이 다리를 들어 올리는 최고 높이는 6cm이다. 보행의 한 주기는 초기에 최대값인 0.8초로 설정한 후 한 주기가 끝날 때마다 단계적으로 감소시켜 나가며 최소 0.4초로 설정하여 로봇의 보행 속도를 가속시키며 실험하였다. 2+4 보행 실험에 대한 파라미터는 표 3에 나타내었다.
월드좌표계를 중심으로 하는 방법은 좌표계 사이의 변환 계산이 많기 때문에 시간이 많이 걸린다. 여기에서는 로봇의 경로를 실시간으로 생성하기 위하여 로봇 몸체를 중심으로 각 다리들의 경로를 설정하는 방법을 사용한다.
제안된 6족 보행 로봇은 한 다리에 4자유도를 가져 직진 보행뿐만 아니라 좌, 우, 회전 보행을 수행할 수 있다. 그림 7의 (a)는 6족 보행 로봇의 다리 부착 위치를 나타내고 있다.
본 논문에서는 새로운 형태의 6족 보행 로봇을 제안하였고 로봇의 기구학적 해석을 수행하였다. 제안된 로봇은 몸체 중심점에 대칭인 위치에 6개의 다리를 갖는 형태로 전후 다리 1개씩과 좌우 다리를 2개씩 가지고 있다. 제안된 로봇은 기존의 6족 보행 로봇에 비하여 로봇 진행 방향으로의지지다각형이 넓게 형성되는 특징을 가지고 있어서 빠른 보행이 가능한 장점이 있다.
다만 2+4 보행의 경우에는 보행 방향 외의 방향으로의 외란에는 취약한 단점이 있었다. 제안된 로봇의 효용성을 보이기 위하여 다리부 24개, 머리부 2개 총 26개의 관절로 구성된 6족 보행 로봇을 제작하여 다양한 보행 파라미터에 대하여 보행 실험을 수행하여 검증하였다. 추후 연구로는 발바닥에 센서를 부착한 후 보행 시 감지되는 센서 데이터를 기반으로 한 비평탄 지역 보행 및 다양한 지능형 동작을 수행하도록 할 예정이다.

대상 데이터

로봇의 관절 구동부로는 로보티즈사에서 제조한 감속기, 제어기, 구동기 및 네트워크 기능 등을 일체형으로 구성하여 하나의 모듈로 제작된 다이나믹셀인 RX-64를 사용하였다. 6족 보행 로봇의 주 제어기로는 보행패턴을 실시간으로 생성하고 다수의 관절 구동부를 신속하고 정확하게 제어하기 위해서 고속으로 소수점연산이 가능해야 하므로 부동소숫점 연산이 가능한 TI사의 32bit MCU인 TMS320F28335를 사용하였으며 CPU타이머 인터럽트를 사용하여 5ms의 샘플링 주기를 만들었다.

성능/효과

즉 로봇은 스윙다리인 앞다리와, 좌, 우측 뒷다리를 들어 올려 다리를 전진시키고, 지지다리인 좌, 우측 앞다리와 뒷다리를 뒤로 이동시켜 로봇의 몸체를 앞으로 이동시키는 단계이다. 다양한 보폭에 대하여 실험을 진행하였으며, 모든 경우에 최대 속도인 보행 주기 0.2초에서도 안정성을 유지하며 이동할 수 있었다.
그림 3에 나타낸 기존의 로봇 구조에서는 임의의 2개의 다리가 지지다리가 될 때 로봇의 진행 방향으로 지지다각형이 형성되지 않는다. 따라서 기존의 로봇들은 2개의 다리를 이동시킬 때에는 2+2+2 보행을 해야 하지만 제안된 로봇은 앞다리와 뒷다리가 로봇 진행 방향으로 지지다각형을 형성할 수 있기 때문에 1, 4번 다리를 한 쌍으로 하고 나머지 다리들을 한 쌍으로 하는 보행이 가능하다. 즉 기존의 6족 보행로봇들에 비해서 보행 주기를 짧게 만들 수 있어서 보행 속도를 높일 수 있다.
제안된 6족 보행 로봇은 정적 보행임에도 불구하고 세 개의 다리를 교대로 이동시키는 3+3 보행과 2개의 다리와 4개의 다리를 교대로 이동시키는 2+4 보행을 할 수 있다. 첫 번째로 제안된 로봇이 3+3 보행을 수행할 시의 지지다각형의 변화는 그림 5와 같다.
제안된 로봇은 몸체 중심점에 대칭인 위치에 6개의 다리를 갖는 형태로 전후 다리 1개씩과 좌우 다리를 2개씩 가지고 있다. 제안된 로봇은 기존의 6족 보행 로봇에 비하여 로봇 진행 방향으로의지지다각형이 넓게 형성되는 특징을 가지고 있어서 빠른 보행이 가능한 장점이 있다.
제안된 로봇은 세 개의 다리를 교대로 이동하는 3+3 보행뿐만 아니라 기존의 6족 보행 로봇에서는 불가능하였던 보행 방식 즉 전후 다리 2개와 좌우 다리 4개를 교대로 이동하는 2+4 보행도 가능하여 다양한 보행 운동이 가능하다. 다만 2+4 보행의 경우에는 보행 방향 외의 방향으로의 외란에는 취약한 단점이 있었다.
4초 이하에서는 그림 6에 표시된 바와 같이 로봇의 1, 4 번 다리인 앞다리와 뒷다리가 지지다각형을 형성할 때 로봇 진행 방향에 수직인 방향으로는 지지다각형의 넓이가 작아서 로봇의 동적인 특성이 영향을 미쳐서 로봇 무게 중심이 지지다각형을 벗어나기 때문이다. 하지만 2.2절에 기술한 바와 같이 2번의 스윙동작만으로 보행 주기를 마칠 수 있어서 기존의 6족 로봇에 비해서는 빠른 보행이 가능하였다.

후속연구

제안된 로봇의 효용성을 보이기 위하여 다리부 24개, 머리부 2개 총 26개의 관절로 구성된 6족 보행 로봇을 제작하여 다양한 보행 파라미터에 대하여 보행 실험을 수행하여 검증하였다. 추후 연구로는 발바닥에 센서를 부착한 후 보행 시 감지되는 센서 데이터를 기반으로 한 비평탄 지역 보행 및 다양한 지능형 동작을 수행하도록 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2+4 보행 형태 6족 보행 로봇의 단점은?	제안된 로봇은 세 개의 다리를 교대로 이동하는 3+3 보행뿐만 아니라 기존의 6족 보행 로봇에서는 불가능하였던 보행 방식 즉 전후 다리 2개와 좌우 다리 4개를 교대로 이동하는 2+4 보행도 가능하여 다양한 보행 운동이 가능하다. 다만 2+4 보행의 경우에는 보행 방향 외의 방향으로의 외란에는 취약한 단점이 있었다. 제안된 로봇의 효용성을 보이기 위하여 다리부 24개, 머리부 2개 총 26개의 관절로 구성된 6족 보행 로봇을 제작하여 다양한 보행 파라미터에 대하여 보행 실험을 수행하여 검증하였다.
	2족 보행 로봇의 장단점은?	현재까지 연구된 보행 로봇은 대부분 2족, 4족 또는 6족 보행 로봇이다. 2족 보행 로봇은 사람과 같은 형태의 보행을 하며 사람 중심적인 환경에서 잘 동작할 수 있는 장점이 있으나 보행의 안정성을 유지하기가 어려운 단점이 있다. 4족 보행 로봇은 6족 보행 로봇에 비해 하드웨어가 간단하지만 내고장성, 보행 안정성, 보행 속도 측면에서는 6족 보행 로봇이 4족 보행 로봇에 비해 뛰어나다[3].
	보행 로봇의 특징은?	로봇에 이동 기능을 부여하기 위하여 다양한 연구들이 진행되었으며 대표적인 것들은 바퀴형, 트랙형, 보행형 또는 혼합형의 기계적인 구조[1]를 갖는다. 이 중 보행 로봇은 바퀴형 또는 트랙형 로봇에 비해 비평탄 지형에서의 이동성과 이동 속도, 전력의 사용 등에 있어서 유리하다[2]. 현재까지 연구된 보행 로봇은 대부분 2족, 4족 또는 6족 보행 로봇이다.

참고문헌 (13)

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P. Gonzalez de Sanos, J. A. Cobano, E. Garcia, J. Estremera and M. A. Armada, " A six-legged robot-based system for humanitarian demining mission," Mechatronics 17, pp.417-430, 2007.

상세보기
J. M. Porta and E. Celaya, "Reactive free-gait generation to follow arbitrary trajectories with a hexapod robot," Robotics and Autonomous Systems, 47, pp.187-201, 2004

상세보기
Sangmu Lee and Sanghoon Kim, "Intelligent hexapod mobile robot using image processing and sensor fusion", Journal of Institute of Control, Robotics, and Systems, Vol. 15, No. 4, pp. 365 - 371, 2009

원문보기 상세보기
Qing-Jiu Huang and Kenzo Nonami, " Humanitarian mine detecting six-leegged walking robot and hybrid neuro walking control with position/force control," Mechatronics 13, pp.773-790, 2002. pp.305-310, 2008
J. Currie, M. Beckerleg, J. collins, "Software evolution of a hexapod robot walking gait," 15th International Conf. on Mechatronics and Vision in Practice (M2VIP08), Auckland, New-Zealand.
Z. Y. Wang, X. L. Ding, and A. Rovetta, "Analysis of typical locomotion of a symmetric hexapod robot," Robotica(2010), Vol. 28, pp.893-907, 2010.
Young Whee Sung, Hyeon Se Seo, "A study on an intelligent quadruped robot," KISPS Autumn conference 2010, pp.470-473, 2010.
William A. Lewinger and Roger D. Quiinn, "A hexspod walkis over irregular terrain using a controller adpted from an insect's nervous system," The 2010 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 3368-3391, October 18-22, 2010.
Xiaochuan Zhao, Qingsheng Luo, and Baoling Han, "Research on the real time obstacle avoidance control technology of biologically inspired hexapod robot," Proceedings of the 7th World Congress on Intelligent Control and Automation, June 25-27, 2008
SungHo Park, Introduction to Walking Robot, 2008
Xingji Duan, Weihai Chen, Shouqian Yu, and Jingmeng Liu, "Tripod gaits palnning and kinematics analysis of a hexapod robot," IEEE Int. Conf. on control and automation, Christchurch, New Zealand, pp. 1850-1855, 2009

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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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