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문제 정의
- 그리고 로봇의 이족 보행 동작에서 무릎 관절과 골반 관절 모터가 소모하는 전류를 측정하여 전류의 최대값과 보행하는 동안 소모하는 전류량을 비교하여 동적인 상태에서도 제안한 방법의 충격 흡수와 중력보상 효과를 확인하였다. 또한 충격 흡수와 중력 보상 효과를 통해 제안한 설계 기법의 에너지 사용의 효율성이 증가하는 것을 살펴보았다.
- 본 논문에서는 용수철의 복원력을 이용하여 충격 감소와 중력보상을 위한 이족보행로봇의 무릎 관절과 골반 관절 설계 방법을 제안하였다. 제안한 설계 방법의 효율성을 검증하기 위해서 먼저 정적인 상태에서 무릎을 굽힌 자세를 구현하여 평지에서 체중을 지지하는 상황과 하중이 부여된 상황, 경사면 위의 자세에서 무릎 관절 모터의 전류 측정 실험을 하였다.
- 본 논문에서는 이족보행로봇의 체중에 의해 무릎과 골반이 받는 충격을 감소시키고, 물건 운반 시 하중에 의해 무릎 관절이 받는 충격을 완화시켜 에너지 사용 효율성을 증가시킬 수 있는 무릎 및 골반 관절 설계 방법을 제안하였다. 실제 제작된 이족보행 로봇을 사용한 실험으로 제안된 설계 방법을 검증하였다.
제안 방법
- 정적인 상태에서 제안한 설계 방법을 적용했을 때 전류의 최대값 및 사용량을 고찰하여 충격 감소 및 중력 보상 효과를 검증하였다. 그리고 로봇의 이족 보행 동작에서 무릎 관절과 골반 관절 모터가 소모하는 전류를 측정하여 전류의 최대값과 보행하는 동안 소모하는 전류량을 비교하여 동적인 상태에서도 제안한 방법의 충격 흡수와 중력보상 효과를 확인하였다. 또한 충격 흡수와 중력 보상 효과를 통해 제안한 설계 기법의 에너지 사용의 효율성이 증가하는 것을 살펴보았다.
- 이족보행로봇의 관절을 이루는 구동기가 소비하는 전체 에너지 중에서 로봇 자체의 무게로 인해 소비하는 에너지의 비중이 하중을 옮길 때 필요한 에너지의 비중보다 높다[9]. 로봇 자체 무게 및 하중에 의한 중력 보상을 위해 다음의 그림 4와 같이 용수철을 이용하여 무릎 관절을 설계한다.
- 이족보행로봇의 기구부는 인간의 팔, 다리, 목 관절을 모방하여 그림 2와 같이 설계하였다. 로봇의 상체는 팔과 목으로 구성되며, 팔은 좌, 우 각각 5자유도를 가지고, 목은 2자유도를 설계하였다. 하체는 좌, 우 각각 6개의 모터를 사용하여 골반 3자유도, 무릎 1자유도, 발목 2자유도를 가진다.
- 주제어기는 리눅스 기반의 임베디드 보드를 사용하여 전체 동작과, 모션 제어기를 제어한다. 모션 제어기는 Cortex-M3 계열 마이크로컨트롤러 보드이며, 기구학을 계산하여 모터들을 실시간으로 제어하고, 모터 위치와 센서 모듈에서 받은 데이터들을 처리한다.
- 본 논문에서 제안한 골반 관절 구조를 적용하여 골반 모터의 충격 감소와 에너지 감소 효과를 관찰하였다. 그림 16과 그림 17은 로봇이 보행할 때 Y축을 움직이는 왼쪽 및 오른쪽 골반 관절 모터가 소모하는 전류를 나타낸 그래프이다.
- 본 논문에서 제안한 무릎 관절과 골반 관절 설계를 적용한 이족로봇을 사용하여 보행 실험을 하였다. 제안한 설계 방법을 적용하여 실험을 통해 로봇이 보행하는 동안 무릎과 골반 관절의 충격을 줄이고, 구동기가 소모하는 에너지의 감소에 대해 확인한다.
- 이족로봇의 좌표계는 로봇의 앞뒤 방향을 X축, 좌우 방향을 Y축, 상하 방향을 Z축으로 설정하여 그림 3과 같은 세 가지 형태의 모션을 기본 동작으로 구성하였으며, 각 동작별로 골반, 무릎, 발목의 각도는 역기구학을 통해 계산하였다. 본 논문에서는 그림 3의 모션을 조합하여 실험에 사용될 동작 및 보행 동작을 구현하였다.
- 본 논문에서는 용수철을 사용하여 중력을 보상하고 상하 방향의 충격을 흡수할 수 있도록 다음 그림 5와 같이 무릎 관절을 설계하였다. 와이어를 이용해 용수철이 고정된 위치에서 길이만 변할 수 있는 형태로 제작하였다.
- 본 논문은 제안한 설계 방법의 효율성을 증명하기 위해 평지 위에서 무릎 굽히기 자세를 취한 동작과 무릎 굽힌 자세에 하중이 실린 동작, 경사면에서 무릎 굽힌 동작, 마지막으로 이족 보행동작 등의 4가지 동작에서 소비에너지 측정 실험을 하였다. 에너지 소모량을 측정하기 위해 각 상황에서 무릎 관절 구동기의 전류 값을 측정하고 분석하였다.
- 본 논문은 제안한 설계 방법의 효율성을 증명하기 위해 평지 위에서 무릎 굽히기 자세를 취한 동작과 무릎 굽힌 자세에 하중이 실린 동작, 경사면에서 무릎 굽힌 동작, 마지막으로 이족 보행동작 등의 4가지 동작에서 소비에너지 측정 실험을 하였다. 에너지 소모량을 측정하기 위해 각 상황에서 무릎 관절 구동기의 전류 값을 측정하고 분석하였다.
- 본 논문에서는 용수철을 사용하여 중력을 보상하고 상하 방향의 충격을 흡수할 수 있도록 다음 그림 5와 같이 무릎 관절을 설계하였다. 와이어를 이용해 용수철이 고정된 위치에서 길이만 변할 수 있는 형태로 제작하였다. 제안한 방법은 로봇이 무릎을 굽히면 용수철이 무릎 관절 구동기가 사용하는 토크의 방향과 동일한 방향으로 복원력을 만들어 무릎 관절 구동기의 토크를 감소시킨다.
- 하모닉 드라이브를 사용하지 않으면, 골반 관절 구동기의 축이 다리 무게의 증가를 버티지 못하고 휘어져서 발이 디뎌야 할 곳에 디디지 못해 보행의 안정성을 감소시키거나 로봇의 낙상을 일으킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 다음의 그림 6과 같이 용수철을 사용한 골반 관절의 설계 방법을 제안하였다. 골반 프레임과 정강이 프레임에 고리를 만들어 용수철을 고정시키면 용수철이 중력으로 인해 골반 관절 구동기의 축이 로봇의 안쪽으로 휘는 것을 방지한다.
- 이족로봇의 좌표계는 로봇의 앞뒤 방향을 X축, 좌우 방향을 Y축, 상하 방향을 Z축으로 설정하여 그림 3과 같은 세 가지 형태의 모션을 기본 동작으로 구성하였으며, 각 동작별로 골반, 무릎, 발목의 각도는 역기구학을 통해 계산하였다. 본 논문에서는 그림 3의 모션을 조합하여 실험에 사용될 동작 및 보행 동작을 구현하였다.
- 제안한 설계 방법의 효율성을 검증하기 위해서 먼저 정적인 상태에서 무릎을 굽힌 자세를 구현하여 평지에서 체중을 지지하는 상황과 하중이 부여된 상황, 경사면 위의 자세에서 무릎 관절 모터의 전류 측정 실험을 하였다. 정적인 상태에서 제안한 설계 방법을 적용했을 때 전류의 최대값 및 사용량을 고찰하여 충격 감소 및 중력 보상 효과를 검증하였다. 그리고 로봇의 이족 보행 동작에서 무릎 관절과 골반 관절 모터가 소모하는 전류를 측정하여 전류의 최대값과 보행하는 동안 소모하는 전류량을 비교하여 동적인 상태에서도 제안한 방법의 충격 흡수와 중력보상 효과를 확인하였다.
- 와이어를 이용해 용수철이 고정된 위치에서 길이만 변할 수 있는 형태로 제작하였다. 제안한 방법은 로봇이 무릎을 굽히면 용수철이 무릎 관절 구동기가 사용하는 토크의 방향과 동일한 방향으로 복원력을 만들어 무릎 관절 구동기의 토크를 감소시킨다. 또한 중력 방향의 무게에 대해 무릎관절 구동기가 지지해야 할 토크를 용수철이 보상함으로써 중력을 보상하고, 구동기로 전해지는 충격을 감소시킴과 동시에 파손 가능성을 낮추며, 전력 소모를 낮추어 에너지 사용 효율성을 증가시킨다.
- 그림 12와 그림 13은 로봇이 경사면에서 무릎을 굽힌 동작일 때 왼쪽 및 오른쪽 무릎 관절 모터의 전류 값의 변화를 나타낸다. 제안한 설계 방법은 들려 있던 로봇 발을 지면으로 내릴 때 발바닥과 지면의 접촉으로 생기는 충격을 감소시키는 것을 보여준다. 그리고 로봇 발이 지면에 착지한 후 안정된 상태일 때 전류를 적게 소모하고 변화량도 감소시켜 경사면에서도 정적인 상태의 안정성을 향상시키는 것을 보여준다.
- 본 논문에서 제안한 무릎 관절과 골반 관절 설계를 적용한 이족로봇을 사용하여 보행 실험을 하였다. 제안한 설계 방법을 적용하여 실험을 통해 로봇이 보행하는 동안 무릎과 골반 관절의 충격을 줄이고, 구동기가 소모하는 에너지의 감소에 대해 확인한다. 그림 14와 그림 15는 이족로봇이 보행할 때 무릎 관절 모터가 소모하는 전류 변화를 나타낸 그래프이다.
- 본 논문에서는 용수철의 복원력을 이용하여 충격 감소와 중력보상을 위한 이족보행로봇의 무릎 관절과 골반 관절 설계 방법을 제안하였다. 제안한 설계 방법의 효율성을 검증하기 위해서 먼저 정적인 상태에서 무릎을 굽힌 자세를 구현하여 평지에서 체중을 지지하는 상황과 하중이 부여된 상황, 경사면 위의 자세에서 무릎 관절 모터의 전류 측정 실험을 하였다. 정적인 상태에서 제안한 설계 방법을 적용했을 때 전류의 최대값 및 사용량을 고찰하여 충격 감소 및 중력 보상 효과를 검증하였다.
대상 데이터
- 이족보행로봇은 그림 1과 같이 주제어기, 모션 제어기, 24개의 DC모터와 센서 모듈로 구성된다. 주제어기는 리눅스 기반의 임베디드 보드를 사용하여 전체 동작과, 모션 제어기를 제어한다.
- 하체는 좌, 우 각각 6개의 모터를 사용하여 골반 3자유도, 무릎 1자유도, 발목 2자유도를 가진다. 제작한 로봇의 높이는 약 68cm이고, 전체 로봇의 무게는 4.84kg이다.
데이터처리
- 본 논문에서는 이족보행로봇의 체중에 의해 무릎과 골반이 받는 충격을 감소시키고, 물건 운반 시 하중에 의해 무릎 관절이 받는 충격을 완화시켜 에너지 사용 효율성을 증가시킬 수 있는 무릎 및 골반 관절 설계 방법을 제안하였다. 실제 제작된 이족보행 로봇을 사용한 실험으로 제안된 설계 방법을 검증하였다.
성능/효과
- 이족보행로봇의 여러 가지 자세에서 각 관절의 모터 각도는 일반적으로 좌우 대칭이다. 그러나 로봇에 내장된 부품의 무게, 왼팔과 오른팔의 위치 차이, 바닥 환경, 하체를 이루고 있는 관절모터의 내부 상태, 하중이 실렸을 때는 고르지 못한 하중 배치 등에 실험 환경에 따라 비대칭을 이루게 되어 좌우 모터의 전류값은 동일하지 않으며, 오른쪽 모터들의 에너지 소모량이 많은 것을 실험 결과를 통해 알 수 있었다.
- 제안한 설계 방법은 들려 있던 로봇 발을 지면으로 내릴 때 발바닥과 지면의 접촉으로 생기는 충격을 감소시키는 것을 보여준다. 그리고 로봇 발이 지면에 착지한 후 안정된 상태일 때 전류를 적게 소모하고 변화량도 감소시켜 경사면에서도 정적인 상태의 안정성을 향상시키는 것을 보여준다.
- 용수철을 사용한 제안된 설계 방법이 공중에 있던 로봇 발을 지면으로 내리면서 발바닥과 지면의 접촉으로 생기는 충격과 상체에 하중이 실리면서 생기는 충격을 감소시키는 것을 그래프의 피크 값의 감소를 통해 보여 준다. 또한 로봇발이 지면에 착지한 후부터 안정된 상태일 때도 전체적으로 전류가 적게 소모되는 것을 확인한다.
- 제안한 방법은 로봇이 무릎을 굽히면 용수철이 무릎 관절 구동기가 사용하는 토크의 방향과 동일한 방향으로 복원력을 만들어 무릎 관절 구동기의 토크를 감소시킨다. 또한 중력 방향의 무게에 대해 무릎관절 구동기가 지지해야 할 토크를 용수철이 보상함으로써 중력을 보상하고, 구동기로 전해지는 충격을 감소시킴과 동시에 파손 가능성을 낮추며, 전력 소모를 낮추어 에너지 사용 효율성을 증가시킨다.
- 그림 14와 그림 15는 이족로봇이 보행할 때 무릎 관절 모터가 소모하는 전류 변화를 나타낸 그래프이다. 사용되는 최대 전류값은 설계가 적용되지 않았을 때가 가장 크고, 무릎 관절과 골반 관절 설계가 같이 적용되었을 때가 가장 적은 것을 보여준다. 설계 방법에 따른 왼쪽 및 오른쪽 무릎 모터가 네 주기(4 cycle)동안 소모한 전류의 평균은 표 1과 같다.
- 설계 방법에 따른 왼쪽 및 오른쪽 무릎 모터가 네 주기(4 cycle)동안 소모한 전류의 평균은 표 1과 같다. 이족로봇의 보행 실험을 통해 제안한 설계를 적용한 무릎 관절 모터가 전류를 더 적게 소비하는 것을 확인하였다.
- 설계 방법에 따른 왼쪽 및 오른쪽 골반 모터의 네 주기(4 cycle)동안 소모한 전류의 평균은 표 2과 같다. 이족로봇이 보행할 때 제안한 골반 설계 방법을 통해 골반 모터의 에너지 소모량을 줄일 수 있다.
- 그림 16과 그림 17은 로봇이 보행할 때 Y축을 움직이는 왼쪽 및 오른쪽 골반 관절 모터가 소모하는 전류를 나타낸 그래프이다. 제안한 골반 관절 설계를 적용하여 골반 모터가 소모하는 전류의 최대값이 적어지는 것을 볼 수 있다. 설계 방법에 따른 왼쪽 및 오른쪽 골반 모터의 네 주기(4 cycle)동안 소모한 전류의 평균은 표 2과 같다.
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