본 논문에서는 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 로봇의 정적 계단 보행 시 계단과의 충돌 제약이 없는 효율적인 걸음새 궤적 생성 방법을 제안한다. 우선 4족 로봇의 순기구학 및 역기구학 모델을 각기 대수학적 방법과 기하학적 방법으로 유도한다. 제안한 방법에서는 보행 시작 위치에서 수직 상승 후 사인 파형의 계단 보행 궤적을 생성하고, 계단과의 충돌을 피하기 위한 보행 궤적의 계수를 설정한다. 또한 안정적인 계단 보행을 위한 걸음새 순서를 결정한다. 마지막으로, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 제안한 계단 보행 방법의 효용성 및 실제 적용 가능성을 검증한다.
본 논문에서는 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 로봇의 정적 계단 보행 시 계단과의 충돌 제약이 없는 효율적인 걸음새 궤적 생성 방법을 제안한다. 우선 4족 로봇의 순기구학 및 역기구학 모델을 각기 대수학적 방법과 기하학적 방법으로 유도한다. 제안한 방법에서는 보행 시작 위치에서 수직 상승 후 사인 파형의 계단 보행 궤적을 생성하고, 계단과의 충돌을 피하기 위한 보행 궤적의 계수를 설정한다. 또한 안정적인 계단 보행을 위한 걸음새 순서를 결정한다. 마지막으로, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 제안한 계단 보행 방법의 효용성 및 실제 적용 가능성을 검증한다.
In this paper, we propose an efficient gait trajectory generation method for the static stair climbing of a quadruped robot with mechanism of insectile legs, which has no collision with staris. First, we derive the kinematic and inverse models of a quadruped robot using the algebraic and geometrical...
In this paper, we propose an efficient gait trajectory generation method for the static stair climbing of a quadruped robot with mechanism of insectile legs, which has no collision with staris. First, we derive the kinematic and inverse models of a quadruped robot using the algebraic and geometrical methods, respectively. In the proposed method, we generate the stair locomotion trajectory of a sine wave after lifting a leg from the start position, and then determine the coefficient of the generated trajectory to avoid the collision with stairs. In addition, we make the gait sequence for the stable stair locomotion. Finally, we verify the effectiveness and applicability of the proposed stair locomotion method through computer simulations.
In this paper, we propose an efficient gait trajectory generation method for the static stair climbing of a quadruped robot with mechanism of insectile legs, which has no collision with staris. First, we derive the kinematic and inverse models of a quadruped robot using the algebraic and geometrical methods, respectively. In the proposed method, we generate the stair locomotion trajectory of a sine wave after lifting a leg from the start position, and then determine the coefficient of the generated trajectory to avoid the collision with stairs. In addition, we make the gait sequence for the stable stair locomotion. Finally, we verify the effectiveness and applicability of the proposed stair locomotion method through computer simulations.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 로봇의 정적 계단 보행 시 계단과의 충돌 제약이 없는 효율적인 걸음새 궤적 생성 방법을 제안한다. 우선 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 로봇의 순기구학 및 역기구학 모델을 각기 대수학적 방법과 기하학적 방법을 사용하여 유도한다.
4족 로봇의 계단 보행에서 계단 및 로봇 요소들을 파라미터로 정하고, 이들과 보행 시작 및 종료 위치를 이용하여 계단과 충돌이 없는 걸음새 궤적 생성 방법을 제안하며, 4족 로봇의 안정적인 계단 보행을 위한 걸음새 순서를 결정한다. 마지막으로, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 제안한 계단 보행 방법의 효용성 및 실제 적용 가능성을 검증하고자 한다.
본 논문에서는 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 보행 로봇의 계단 보행 걸음새 생성 방법을 제안하였다. 우선 4족 로봇의 기구학 모델을 유도하였고, 계단 보행을 위한 로봇 요소와 계단 요소를 정의하였으며, 계단 보행 궤적 생성을 위한 요소들을 가정하였다.
가설 설정
또한 4족 로봇의 보행은 계단 보행을 고려하여 물결 걸음새(wave gait)가 아니며 계단 보행에서의 낮은 안정도를 증가시키기 위해 로봇의 다리 배치를 사다리꼴로 한다[5]. 로봇의 몸체는 별도의 피치(pitch)와 롤(roll) 운동이 없는 등속도 운동으로 가정한다. 이 때 몸체의 움직임은 계단 너비 W와 계단 높이 H로 구성된 계단 경사각 Φ에 의해 주어지는 궤도 Ts와 d만큼 떨어진 평행하는 궤도 TH를 따라 움직이고 몸체의 무게 중심도 궤도 TH로 이동한다고 가정한다.
몸 궤적 Th는 몸이 움직이는 궤적으로서, 계단 빗면 Ts와 거리 d만큼 떨어져 평행을 이루고 있는 궤적이라 가정한다. 보폭 S는 안정된 계단 보행을 위한 중요한 요소로서, 앞다리와 뒷다리 사이에 간섭이 발생하지 않기 위해서 보폭 S는 몸체 길이 BL보다 작아야 한다.
본 논문에서는 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 보행 로봇의 계단 보행 걸음새 생성 방법을 제안하였다. 우선 4족 로봇의 기구학 모델을 유도하였고, 계단 보행을 위한 로봇 요소와 계단 요소를 정의하였으며, 계단 보행 궤적 생성을 위한 요소들을 가정하였다. 제안한 방법에서는 정의한 요소들을 이용하여 다리 길이, 다리와 지면과의 보행 각도, 계단 크기, 계단 보행에서의 보행 시작 및 종료 위치 등과 계단과의 상호 작용을 기하학적 방법을 사용하여 해석하였고, 이를 기반으로 4족 로봇의 계단 보행 걸음새 궤적을 생성하였다.
로봇의 몸체는 별도의 피치(pitch)와 롤(roll) 운동이 없는 등속도 운동으로 가정한다. 이 때 몸체의 움직임은 계단 너비 W와 계단 높이 H로 구성된 계단 경사각 Φ에 의해 주어지는 궤도 Ts와 d만큼 떨어진 평행하는 궤도 TH를 따라 움직이고 몸체의 무게 중심도 궤도 TH로 이동한다고 가정한다.
제안 방법
우선 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 로봇의 순기구학 및 역기구학 모델을 각기 대수학적 방법과 기하학적 방법을 사용하여 유도한다. 4족 로봇의 계단 보행에서 계단 및 로봇 요소들을 파라미터로 정하고, 이들과 보행 시작 및 종료 위치를 이용하여 계단과 충돌이 없는 걸음새 궤적 생성 방법을 제안하며, 4족 로봇의 안정적인 계단 보행을 위한 걸음새 순서를 결정한다. 마지막으로, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 제안한 계단 보행 방법의 효용성 및 실제 적용 가능성을 검증하고자 한다.
제안한 방법에서는 정의한 요소들을 이용하여 다리 길이, 다리와 지면과의 보행 각도, 계단 크기, 계단 보행에서의 보행 시작 및 종료 위치 등과 계단과의 상호 작용을 기하학적 방법을 사용하여 해석하였고, 이를 기반으로 4족 로봇의 계단 보행 걸음새 궤적을 생성하였다. 또한, 생성한 궤적이 계단과의 충돌을 회피하기 위한 변수를 구하였으며, 4족 로봇의 안정적인 계단 보행을 위한 걸음새 순서를 결정하였다. 마지막으로, 시뮬레이션을 통해 제안한 방법에 의해 생성된 계단 보행 궤적이 계단과의 충돌 없이 보행함을 확인하였다.
본 논문에서 제안한 계단 보행 방법을 요약하면, 평지에서의 보행 궤적을 이용하여 보행 시작 지점에서 임의의 높이 H╱2만큼 수직 상승하고 계단 높이와 보행 종료 위치 P2를 이용하여 사인 파형의 스케일링 변수 sw를 구해 계단과 충돌하지 않는 효율적인 계단 보행 궤적을 생성한다. 또한 다리 간의 충돌 회피와 안정도를 고려해 계단 보행 순서를 결정한다.
본 논문에서는 평지에서의 보행 구조, 정의된 로봇 요소 및 계단 요소를 이용한 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 로봇이 계단과 충돌하지 않는 계단 보행 궤적을 제안한다.
따라서 본 논문에서는 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 로봇의 정적 계단 보행 시 계단과의 충돌 제약이 없는 효율적인 걸음새 궤적 생성 방법을 제안한다. 우선 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 로봇의 순기구학 및 역기구학 모델을 각기 대수학적 방법과 기하학적 방법을 사용하여 유도한다. 4족 로봇의 계단 보행에서 계단 및 로봇 요소들을 파라미터로 정하고, 이들과 보행 시작 및 종료 위치를 이용하여 계단과 충돌이 없는 걸음새 궤적 생성 방법을 제안하며, 4족 로봇의 안정적인 계단 보행을 위한 걸음새 순서를 결정한다.
우선 4족 로봇의 기구학 모델을 유도하였고, 계단 보행을 위한 로봇 요소와 계단 요소를 정의하였으며, 계단 보행 궤적 생성을 위한 요소들을 가정하였다. 제안한 방법에서는 정의한 요소들을 이용하여 다리 길이, 다리와 지면과의 보행 각도, 계단 크기, 계단 보행에서의 보행 시작 및 종료 위치 등과 계단과의 상호 작용을 기하학적 방법을 사용하여 해석하였고, 이를 기반으로 4족 로봇의 계단 보행 걸음새 궤적을 생성하였다. 또한, 생성한 궤적이 계단과의 충돌을 회피하기 위한 변수를 구하였으며, 4족 로봇의 안정적인 계단 보행을 위한 걸음새 순서를 결정하였다.
대상 데이터
본 논문에서는 3 자유도 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 로봇을 고려한다. 우선 4족 로봇의 기구학 모델을 유도하고, 4족 보행 로봇의 보폭, 계단 파라미터, 계단 보행의 제한 조건 등에 대해 서술한다.
데이터처리
본 논문에서 제안한 방법의 효용성 검증을 위해 MATLAB을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 우선, 다리 길이는 각각 l1 = 5 [mm] , l2 = 100 [mm], l3 = 100 [mm] 으로 설정하였고, 계단 너비 W와 계단 높이 H는 다리 길이 l2, l3의 크기를 기준으로 임의로 각기 계단 너비 W = 40 [mm] , 계단 높이 H = 40 [mm] 로 설정하였다.
성능/효과
만 각각 25 [mm], 150 [mm]으로 변경하여 추가 시뮬레이션을 수행하였으며, 시뮬레이션 결과는 각기 그림 9와 10과 같다. 그림의 결과들로부터, 제안한 방법에 의해 성생된 계단 보행 궤적은 스윙 궤적처럼 계단 보행 시 다리 길이에 관계없이 정적 계단 보행을 수행함을 확인할 수 있었다.
또한, 생성한 궤적이 계단과의 충돌을 회피하기 위한 변수를 구하였으며, 4족 로봇의 안정적인 계단 보행을 위한 걸음새 순서를 결정하였다. 마지막으로, 시뮬레이션을 통해 제안한 방법에 의해 생성된 계단 보행 궤적이 계단과의 충돌 없이 보행함을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
평지 보행 궤적 생성 방법을 서술한 이유는?
4족 로봇의 계단 보행 궤적 생성 방법을 제안하기 전, 일반적인 평지 보행 궤적을 계단 보행에 적용하기 위해서 평지 보행 궤적 생성 방법을 서술한다.
보행을 위한 이동 로봇연구의 대표적인 연구사례는?
또한 이와 같은 상황에서 이동 로봇이 작업을 수행하기 위해서는 계단과 같은 비평탄 지형에서의 보행이 필수적이므로 다양한 형태의 이동 로봇의 계단 보행이 발표되었다[3-9]. 대표적인 연구 사례로는 마이크로소프트의 키넥트(kinect)를 사용한 로봇[3], 다리와 바퀴를 동시에 사용한 혼합형 구조인 HIT-HYBTOR[5], 특수한 바퀴를 사용한 IMPASS[6] 와 Loper[7], 2 자유도 다리를 갖는 Quattroped[10] 등이 있다. 이들 중에 4족 로봇인 Quattroped는 계단 보행을 위해 2 자유도 다리의 스윙(swing) 궤적을 사용하는데, 생성된 궤적은 특성상 계단과 충돌하지 않지만 전력 소비가 높으며 일반적인 4족 로봇[11]에는 적용할 수 없다.
이동로봇의 생성한 궤적이 계단과의 충돌을 회피하기 위해 무엇을 구하였나?
제안한 방법에서는 정의한 요소들을 이용하여 다리 길이, 다리와 지면과의 보행 각도, 계단 크기, 계단 보행에서의 보행 시작 및 종료 위치 등과 계단과의 상호 작용을 기하학적 방법을 사용하여 해석하였고, 이를 기반으로 4족 로봇의 계단 보행 걸음새 궤적을 생성하였다. 또한, 생성한 궤적이 계단과의 충돌을 회피하기 위한 변수를 구하였으며, 4족 로봇의 안정적인 계단 보행을 위한 걸음새 순서를 결정하였다. 마지막으로, 시뮬레이션을 통해 제안한 방법에 의해 생성된 계단 보행 궤적이 계단과의 충돌 없이 보행함을 확인하였다.
참고문헌 (12)
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