[논문]6 족 해저보행로봇을 위한 정적 보행 알고리즘 설계

유승열; 전봉환; 심형원

doi:10.3795/ksme-a.2014.38.9.989

6 족 해저보행로봇을 위한 정적 보행 알고리즘 설계
Design of Static Gait Algorithm for Hexapod Subsea Walking Robot: Crabster 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.9, 2014년, pp.989 - 997

유승열 (선박해양플랜트연구소) , 전봉환 (선박해양플랜트연구소) , 심형원 (선박해양플랜트연구소)

초록
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본 논문에서는 6 족 다관절 해저로봇 크랩스터를 위한 정적 보행 알고리즘 설계 방법에 대하여 기술하였다. 정적 보행 알고리즘 설계를 위해 보행계획 벡터와 다리쌍 벡터의 개념을 도입하여 6 족 로봇 보행기법 설계의 편의성과 확장성을 확보하고, 이를 이용하여 수중환경이나 탐사조건에 따라 운용할 수 있는 여섯 가지 정적 보행기법을 설계하였다. 그리고, 공통 제어변수를 사용하여 각 보행 간 자유로운 연동과 자세제어와의 복합보행을 수행할 수 있도록 하였다. 설계된 여섯 가지 정적 보행기법은 시뮬레이션을 통하여 확인하였고, 크랩스터에 적용하여 보행기법 간 연동성과 복합보행 기능 등을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we describe a design method for the static walking algorithm of a subsea hexapod robot called Crabster (CR200). To design the gait algorithms of a hexapod robot, we propose a design method that uses a gait schedule vector and leg pair vector to secure convenience and expandability. Several walking algorithms are designed that are capable of being applied to CR200 according to the underwater environment and explorative conditions. In addition, gait transition is freely performed between algorithms by applying common control parameters to them. The gait algorithms designed using the proposed method are simulated using MATLAB and validated against the results of experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 수심 200 미터급 다관절 복합이동 해저로봇 크랩스터의 강조류 악시계 환경에서 운용하기 위한 보행 기법 중 주기적 정적 보행 기법의 설계에 대하여 기술하였다. 주기적 정적 보행 기법을 설계하기 위하여 좌표계 시스템을 정의하고 각 다리의 공통 보행 패턴을 설계하여, 이를 이용하는 6가지 보행기법을 구현하였다.
하지만, 모두 육상로봇에 대한 연구들이며, 보행기법 설계가 복잡하여 새로운 보행기법의 추가나 변경이 어려웠다. 본 논문에서는 이러한 기존 보행기법 설계의 단점을 극복하기 위하여 보행계획 벡터와 다리쌍 벡터의 개념을 도입하였다. 이 방법은 각 다리에 인덱스를 부여하고 이를 이용한 보행계획 벡터와 동시에 구동하는 다리 인덱스를 표현하는 다리쌍 벡터를 조합하여 보행기법의 설계가 단순한 보행계획 벡터 변경을 통해 가능하도록 한 것이다.
본 연구에서는 CR200 을 강조류 악시계 환경에서 운용하기 위한 보행기법 중 주기적 정적 보행에 대하여 기술하고자 한다. CR200 은 여섯 개의 다리를 가지고 있기 때문에, 2 족, 4 족 로봇과는 달리 보행기법이 다양하고 상대적으로 높은 보행 안정성을 확보할 수 있지만, 많은 다리를 제어해야 하기 때문에 보행기법의 설계가 복잡하다.

제안 방법

8 은 이 중 Roll-Pitch-Yaw 의 시뮬레이션을 나타낸다. CR200 의 자세제어 중 Roll- Pitch-Yaw 제어는 회전 중심 좌표계를 중심으로 몸체를 회전시키는데, Fig. 8 의 시뮬레이션에서는 회전 중심 좌표계를 몸체 중심 좌표계와 일치 시킨 후 자세제어를 수행하였다. 그림에서 볼 수 있듯이 각각 x, y, z 축에 대하여 몸체가 회전되는 것을 알 수 있으며, 이는 수중탐사 중 탐사센서의 자유도를 확장시키는 역할을 할 것이다.
CR200 의 정적 보행은 불연속 5 점지지 보행 외에도 다섯 개의 보행기법을 추가적으로 구현하였다. 앞에서 언급했듯이, 5 점 지지 보행을 제외한 3 점, 4 점 지지 보행은 두 개 혹은 세 개의 다리를 동시에 제어해야 하기 때문에 L_pair 가 5 점 지지 보행과는 다르게 설계되어야 하며, 3 점과 4 점 지지 보행의 다리쌍 벡터 L_pair 는 식 (7)과 같다.
CR200 의 정적 보행의 설계는 보행 다이어그램을 이용하여 수행한다. Fig.
보행기법의 설계 및 구현 보행계획 벡터와 다리쌍 벡터의 개념을 도입하여 보행기법 설계 및 구현의 편의성과 확장성을 개선하였다. 또한 공통 제어변수의 공유를 통해 보행 알고리즘 간 전이가 원활하게 이루어지도록 하였으며 자세제어와 보행을 동시에 수행하는 복합보행을 구현하였다. 본 논문에서 설계된 각 보행기법들은 시뮬레이션을 통해 확인하였고, 실험을 통해 검증하였다.
고정 좌표계는 전체 좌표계의 기준 좌표계로서 CR200 이동의 기준좌표가 되며, 몸체 중심 좌표계는 CR200 이 보행할 때 몸체의 기준 좌표를 나타내며, 회전 중심 좌표계는 CR200 의 자세제어 시 몸체가 회전하는 기준좌표계가 된다. 몸체 중심 좌표계는 CR200 의 몸체에 고정되어 있지만, 회전 중심 좌표계는 원점을 이동시켜 몸체 회전의 중심을 바꿔 수중 작업의 효율성을 높일 수 있도록 하였다. 다리의 각 발 끝점은 몸체 중심 좌표계로부터 순기구학과 역기구학을 통해 발끝점 좌표와 각 관절의 각도를 구할 수 있다.
다시 t₄ ~ t₆동안 4, 2, 6 번의 다리가 차례로 이동한 후 마지막 t₇ 에서 몸체가 움직임으로서 전체 보행한 주기가 마무리 된다. 보행 설계의 편의성을 위하여 각 다리마다 번호를 부여하여(좌측다리 : 1, 2, 3; 우측다리 : 4, 5, 6) 다리의 제어순서를 의미하는 인덱스 조합 벡터인 다리쌍 벡터 L_pair 를 정의하고, 이를 이용하여 전체 보행의 순서를 조율하는 보행계획 벡터 S^lin 를 구성하였다. S^lin 의 요소는 직선보행의 단계, 즉 L_pair 의 행을 나타내며, 몸체 이동의 단계는 다리쌍 벡터의 마지막 행 번호의 다음 번호로 정의하고, 다리 제어 계획과는 별도로 제어한다.
보행 시 CR200 의 무게중심의 이동을 최소화하기 위하여 다리의 이동은 왼쪽과 오른쪽을 교대로 수행하였다. 보행 계획을 수립한 후에는 각 다리의 이동 방법과 보폭을 결정해야 한다.
또한 공통 제어변수의 공유를 통해 보행 알고리즘 간 전이가 원활하게 이루어지도록 하였으며 자세제어와 보행을 동시에 수행하는 복합보행을 구현하였다. 본 논문에서 설계된 각 보행기법들은 시뮬레이션을 통해 확인하였고, 실험을 통해 검증하였다. 본 논문에서 설계, 구현된 보행 알고리즘은 보행계획 요소당 수행주기를 2초로 하여 전체 보행주기가 불연속 5 점지지 보행의 경우 16초로 매우 느리지만, 이는 수행주기를 작게 하면 속도는 개선될 수 있으며 연속 3 점지지 보행의 경우 보행 속도는 4배 빠르게 운용할 수 있다.
식 (16)을 이용하여 CR200 의 보행 및 자세 제어를 위한 몸체 중심에서의 다리 끝 위치를 구할 수 있으며, 역기구학을 이용하여 보행 및 자세 제어에 필요한 각 다리의 관절각을 구할 수 있는데, 본 논문에서는 Fig. 4 와 같은 수치해석적 역기구학 방법을 도입하여 관절각을 산출하였다.
하지만, 해저 지형의 맵핑 작업이 끝나지형정보를 파악하고 있는 경우에는 빠른 보행기법이 탐사에 도움이 될 것이므로, 빠른 보행으로 기법 전이가 유기적으로 이루어져야 하며, 필요시 자세제어도 함께 이루어져야 할 것이다. 이를 위해 본 논문에서는 각 보행기법 간 제어변수 공유를 통해 전이성을 확보하였다. Fig.
이 방법은 각 다리에 인덱스를 부여하고 이를 이용한 보행계획 벡터와 동시에 구동하는 다리 인덱스를 표현하는 다리쌍 벡터를 조합하여 보행기법의 설계가 단순한 보행계획 벡터 변경을 통해 가능하도록 한 것이다. 이를 통해 6 족 로봇의 보행 알고리즘 설계의 편의성과 확장성을 확보하였고, 공통제어변수를 사용하여 각 알고리즘간 자연스러운 전이가 이루어질 수 있도록 하였으며, 자세제어와 연동하여 해저에서의 탐사자유도를 높이는 복합보행을 수행할 수 있도록 하였다. 이러한 방법으로 설계된 CR200 의 보행기법을 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.
본 논문에서는 수심 200 미터급 다관절 복합이동 해저로봇 크랩스터의 강조류 악시계 환경에서 운용하기 위한 보행 기법 중 주기적 정적 보행 기법의 설계에 대하여 기술하였다. 주기적 정적 보행 기법을 설계하기 위하여 좌표계 시스템을 정의하고 각 다리의 공통 보행 패턴을 설계하여, 이를 이용하는 6가지 보행기법을 구현하였다.

데이터처리

이를 통해 6 족 로봇의 보행 알고리즘 설계의 편의성과 확장성을 확보하였고, 공통제어변수를 사용하여 각 알고리즘간 자연스러운 전이가 이루어질 수 있도록 하였으며, 자세제어와 연동하여 해저에서의 탐사자유도를 높이는 복합보행을 수행할 수 있도록 하였다. 이러한 방법으로 설계된 CR200 의 보행기법을 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.

이론/모형

본 논문에서는 CR200 의 정적 보행 알고리즘을 검증하기 위하여 MATLAB 을 이용한 시뮬레이션 을 수행하였다. Fig.

성능/효과

보행기법의 설계 및 구현 보행계획 벡터와 다리쌍 벡터의 개념을 도입하여 보행기법 설계 및 구현의 편의성과 확장성을 개선하였다. 또한 공통 제어변수의 공유를 통해 보행 알고리즘 간 전이가 원활하게 이루어지도록 하였으며 자세제어와 보행을 동시에 수행하는 복합보행을 구현하였다.
본 논문에서 설계된 각 보행기법들은 시뮬레이션을 통해 확인하였고, 실험을 통해 검증하였다. 본 논문에서 설계, 구현된 보행 알고리즘은 보행계획 요소당 수행주기를 2초로 하여 전체 보행주기가 불연속 5 점지지 보행의 경우 16초로 매우 느리지만, 이는 수행주기를 작게 하면 속도는 개선될 수 있으며 연속 3 점지지 보행의 경우 보행 속도는 4배 빠르게 운용할 수 있다. 또한 해저 운용 시 해저면의 상황을 정확하게 판단할 수 없는 경우 동적 보행보다 정적 보행을 수행하는 것이 운용 안정성 측면에서 이점이 많기 때문에 현재 정적 보행을 적용하였으며, 추후 부분적으로 동적보행을 적용하여 운용할 계획이다.
CR200 의 운용은 원격제어실의 파일럿 PC 를 통해 수행되는데, 파일럿 PC 를 통해 보행 알고리즘이 선택되면, 파일럿의 조이스틱 입력에 따라서 직선보행과 회전보행, 자세제어가 수행된다. 선택된 보행이 종료되면 공통변수들을 공유하여 다른 보행기법이 선택되어도 연속적으로 보행을 수행할 수 있도록 하여 실제 운용환경에서 효율적으로 적용할 수 있도록 하였다.
6 은 설계된 불연속 5 점지지 보행의 전진보행 시뮬레이션 모습을 나타낸다. 시뮬레이션 결과에서 설계된 순서대로 다리의 제어가 이루어지는 것을 알 수 있으며, 1, 5, 3 번 다리의 이동 후 몸체의 이동이 이루어지고 4, 2, 6 번 다리의 이동 후 다시 몸체의 이동이 이루어져 8 개의 단계로 불연속5 점 지지 보행이 구성되어 있음을 알 수 있다. CR200 의 정적 보행은 제어 변수 공유를 통해 여러가지 보행기법 간 전이가 자유롭게 이루어 질 수 있다.

후속연구

본 논문에서 설계, 구현된 보행 알고리즘은 보행계획 요소당 수행주기를 2초로 하여 전체 보행주기가 불연속 5 점지지 보행의 경우 16초로 매우 느리지만, 이는 수행주기를 작게 하면 속도는 개선될 수 있으며 연속 3 점지지 보행의 경우 보행 속도는 4배 빠르게 운용할 수 있다. 또한 해저 운용 시 해저면의 상황을 정확하게 판단할 수 없는 경우 동적 보행보다 정적 보행을 수행하는 것이 운용 안정성 측면에서 이점이 많기 때문에 현재 정적 보행을 적용하였으며, 추후 부분적으로 동적보행을 적용하여 운용할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CR200의 장단점은?	본 연구에서는 CR200 을 강조류 악시계 환경에서 운용하기 위한 보행기법 중 주기적 정적 보행에 대하여 기술하고자 한다. CR200 은 여섯 개의 다리를 가지고 있기 때문에, 2 족, 4 족 로봇과는 달리 보행기법이 다양하고 상대적으로 높은 보행 안정성을 확보할 수 있지만, 많은 다리를 제어해야 하기 때문에 보행기법의 설계가 복잡하다. CR200 의 보행 방법은 아래와 같이 크게 연속 보행과 불연속 보행으로 나눌 수 있고 각각 3 점, 4 점5 점 지지 보행으로 다시 구분된다.
	수중로봇은 어디에 필요한 장비인가?	최근 해양 자원에 대한 관심이 증가하는 가운데 해양 장비에 대한 필요성도 함께 대두되고 있다. 여러 가지 해양 장비 중 수중로봇은 해양 탐사 및 자원 개발에 있어서 반드시 필요한 장비이다.
	스크류 형태의 추진기의 장단점은?	현재까지 개발되어 운용되고 있는 수중로봇은 대부분 스크류 형태의 추진기를 이용하여 이동하며 탐사를 진행하고 있다.(1~4) 스크류 형태의 구동기를 이용하면 운용속도 측면에서 커다란 이점이 있지만 강한 조류가 있는 수중환경에서는 정확한 위치제어가어려울 뿐 아니라 운용속도 측면에서의 장점도 사라지게 된다. 이러한 단점을 극복하기 위한 대안 중 하나가 크랩스터(CR200)와 같은 다리를 이용한 수중 보행로봇이다.

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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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