[논문]유전 알고리즘을 이용한 4족 로봇의 계단 보행 방법

변재오; 최윤호

doi:10.13067/jkiecs.2015.10.9.1039

유전 알고리즘을 이용한 4족 로봇의 계단 보행 방법
Stair Locomotion Method of Quadruped Robot Using Genetic Algorithm 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.10 no.9, 2015년, pp.1039 - 1048

변재오 (경기대학교 전자공학과) , 최윤호 (경기대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 로봇의 효율적인 계단 보행을 위해 유전 알고리즘(Genetic Algorithm: GA)에 기반한 계단 보행 방법을 제안한다. 제안한 방법에서는 우선 계단 보행을 위한 요소와 도달 영역을 정의한다. 또한 GA 수행을 위한 유전자와 적합도 함수를 설정하고, GA를 이용하여 최소 이동 거리와 최적 에너지 안정도 여유(Energy Stability Margin: ESM)을 갖는 4족 로봇의 착지 지점을 탐색하여 걸음새 궤적을 생성한다. 마지막으로, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 본 논문에서 제안한 계단 보행 방법의 효용성 및 우수성을 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an efficient stair locomotion method for a quadruped robot with mechanism of insectile legs using genetic algorithm(GA). In the proposed method, we first define the factors and the reachable region for the stair locomotion. In addition, we set the gene and the fitness function for GA and generate the gait trajectory by searching the landing position of a quadruped robot, which has the minimun distance of movement and the optimal energy stability margin(ESM). Finally, we verify the effectiveness and superiority of the proposed stair locomotion method through the computer simulations.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 4족 로봇의 기존 계단 보행 방법의 문제점을 해결하기 위해 GA를 이용하여 착지 지점을 탐색하여 계단 보행 궤적 생성함으로써 곤충형 구조를 갖는 4족 로봇의 효율적인 계단 보행 방법을 제안한다. 제안한 방법에서는 우선 계단 보행을 위한 요소와 도달 영역을 정의한다.
또한 GA 수행을 위한 유전자와 적합도 함수를 설정하고, GA를 이용 하여 최소 이동 거리와 최적 에너지 안정도 여유 (Energy Stability Margin: ESM)을 갖는 4족 로봇의 착지 지점을 탐색하여 걸음새 궤적을 생성한다. 마지 막으로, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 본 논문에서 제안한 계단 보행 방법의 효용성 및 우수성을 검증하고자 한다.
본 논문에서는 GA 기반 계단 보행 궤적을 생성함으로써 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 로봇의 효율적인 계단 보행을 제안하였다. 제안한 방법에서는 계단 보행을 위한 계단 보행 요소와 도달 영역을 정의하였고, GA 수행을 통해 최소 이동 거리와 최적의 ESM 을 갖는 4족 로봇의 착지 지점을 탐색하여 계단 보행 궤적을 생성하였다.
본 논문에서는 GA를 통해 최적의 ESM을 갖는 4족 로봇의 착지 지점을 탐색하여 계단 보행 궤적을 생성함으로써 4족 로봇의 효율적인 계단 보행 알고리 즘을 제안한다.

가설 설정

무게 중심점 CG를 투영한 점을 점 O_b로 하 좌표계를 설정하고 축 X_b, Y_b, Z_b를 설정한다. 지지 경계선 중 하나를 선분 q라고 하고 점 CG로부터 선분 q와 가장 가까운 점을 점 P라고 가정하자. 선분 q를 가지는 단위 벡터 #는 #와 #의 내적으로 구할 수 있다.

제안 방법

GA 연산은 한 다리마다 수행하였으며 표 1에서의 x₁의 경우 4족 로봇의 좌측 다리인 다리 2와 4의 범위값으로 GA 연산에 사용되었으며 x₂ 의 경우 4족 로봇의 우측 다리인 다리 1과 3의 범위값으로 GA 연산에 사용 되었다. 4족 로봇의 기본 자세에서 다리 1과 2가 위치하는 계단의 y축 도달 영역 R_y를 y₁ , 그 윗 계단의 R_y를 y₂이라고 하여 기본 자세에서 첫 한 주기에 대한 모의 실험을 수행하였다.
다음으로, 4족 로봇의 계단 보행에서의 보행 궤적 생성 방법을 제안한다. 기본적으로 보행 궤적 생성에는 시작점, 끝점 그리고 속도가 중요한데 계단 보행의 경우에는 안정도가 가장 중요하기에 시작점과 끝점을 중심으로 서술한다.
따라서 본 논문에서는 곤충형 다리 구조를 갖는 4 족 로봇의 계단 보행에 있어서 GA 연산을 통하여 도달 영역 내에서 최적의 ESM을 탐색하고 그 x,y좌표 값을 구함으로써 4족 로봇의 계단 보행에 있어서 최적의 발끝 위치와 그에 따른 최적의 안정도와 보폭을 자동으로 결정할 수 있게 된다.
하지만 단순하게 x,y 좌표값 상승에 따라 ESM값이 높아진다는 것은 큰 문제이다. 따라서 이를 해결하기 위해 4족 로봇의 기본 자세의 발 좌표를 기준으로 로봇의 보폭과 계단의 높이 만큼 이동하는 계단 보행의 x,y 좌표의 이론값을 설정하고 이 설정한 이론값의 ESL과 GA로 구한 좌표 값들의 ESL 값을 비교하여 높이에 대한 영향을 받으 면서도 x,y 좌표에 의한 영향을 줄이고자 한다. 이방식은 적합도 함수에 ESL만을 사용한 경우 나타나는 계단 가장 자리로의 x,y 좌표 생성에 의한 로봇 자세의 무너짐도 방지할 수 있다.
제안한 방법에서는 우선 계단 보행을 위한 요소와 도달 영역을 정의한다. 또한 GA 수행을 위한 유전자와 적합도 함수를 설정하고, GA를 이용 하여 최소 이동 거리와 최적 에너지 안정도 여유 (Energy Stability Margin: ESM)을 갖는 4족 로봇의 착지 지점을 탐색하여 걸음새 궤적을 생성한다. 마지 막으로, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 본 논문에서 제안한 계단 보행 방법의 효용성 및 우수성을 검증하고자 한다.
본 모의 실험에서는 제안한 곤충형 4족 로봇의 GA 기반 계단 보행 궤적 생성의 효용성 및 우수성을 MATLAB을 이용한 모의 실험을 통해 검증하였다. 본 모의 실험에 사용한 4족 로봇의 다리 길이는 l₁ = 20[mm], l₂ = 100[mm], l₃ = 100[mm]으로 계단의 크기는 w = 40 [mm], h = 40[mm]으로 계단 폭은 150[mm]로 설정하였다.
이제 계단에서의 낮은 안정도를 GA를 통해 최적화 하기 위해 GA의 유전자를 설정한다. 유전자의 염색 체는 로봇 요소와 계단 요소들을 안정도와 로봇의 계단 보행 궤적, 3.
본 논문에서는 GA 기반 계단 보행 궤적을 생성함으로써 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 로봇의 효율적인 계단 보행을 제안하였다. 제안한 방법에서는 계단 보행을 위한 계단 보행 요소와 도달 영역을 정의하였고, GA 수행을 통해 최소 이동 거리와 최적의 ESM 을 갖는 4족 로봇의 착지 지점을 탐색하여 계단 보행 궤적을 생성하였다. 한편 제안한 방법의 효용성 및 우수성을 모의 실험을 통해 기존 방법과 비교함으로써 검증하였다.
따라서 본 논문에서는 4족 로봇의 기존 계단 보행 방법의 문제점을 해결하기 위해 GA를 이용하여 착지 지점을 탐색하여 계단 보행 궤적 생성함으로써 곤충형 구조를 갖는 4족 로봇의 효율적인 계단 보행 방법을 제안한다. 제안한 방법에서는 우선 계단 보행을 위한 요소와 도달 영역을 정의한다. 또한 GA 수행을 위한 유전자와 적합도 함수를 설정하고, GA를 이용 하여 최소 이동 거리와 최적 에너지 안정도 여유 (Energy Stability Margin: ESM)을 갖는 4족 로봇의 착지 지점을 탐색하여 걸음새 궤적을 생성한다.
한편, GA의 세대 수와 집단 크기를 높임으로써 유전자의 시작 시의 유전자의 다양성을 확보하였다. 해의 범위는 계단의 x, y축으로 z축의 경우는 계단 보행 특성상 고정 값을 가지므로 제외하였고, 계단 폭과 너비를 이용하여 3.

대상 데이터

본 논문에서는 효율적인 계단 보행을 위해 그림 1 과 같은 3 자유도의 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 로봇을 선정하여 모델링한다.
본 모의 실험에서는 제안한 곤충형 4족 로봇의 GA 기반 계단 보행 궤적 생성의 효용성 및 우수성을 MATLAB을 이용한 모의 실험을 통해 검증하였다. 본 모의 실험에 사용한 4족 로봇의 다리 길이는 l₁ = 20[mm], l₂ = 100[mm], l₃ = 100[mm]으로 계단의 크기는 w = 40 [mm], h = 40[mm]으로 계단 폭은 150[mm]로 설정하였다. 또한 GA를 수행 하기 위한 GA 파라미터들은 표 4-1과 같이 설정하였으며, 재생산은 룰렛-휠(roulette wheel) 방법을 사용하였다.

데이터처리

제안한 방법에서는 계단 보행을 위한 계단 보행 요소와 도달 영역을 정의하였고, GA 수행을 통해 최소 이동 거리와 최적의 ESM 을 갖는 4족 로봇의 착지 지점을 탐색하여 계단 보행 궤적을 생성하였다. 한편 제안한 방법의 효용성 및 우수성을 모의 실험을 통해 기존 방법과 비교함으로써 검증하였다.

이론/모형

본 모의 실험에 사용한 4족 로봇의 다리 길이는 l₁ = 20[mm], l₂ = 100[mm], l₃ = 100[mm]으로 계단의 크기는 w = 40 [mm], h = 40[mm]으로 계단 폭은 150[mm]로 설정하였다. 또한 GA를 수행 하기 위한 GA 파라미터들은 표 4-1과 같이 설정하였으며, 재생산은 룰렛-휠(roulette wheel) 방법을 사용하였다.
GA에서 적합도 함수는 GA의 방향성과 성능을 결정하는 중요한 요인이다. 본 논문에서는 적합도 함수는 안정도 판별법인 ESM을 사용하고 최소 이동거리를 고려하여 식 (13)과 같이 설정한다.

성능/효과

본 모의 실험에서는 GA를 사용한 4족 로봇의 걸음마다의 x, y 좌표와 이들 좌표로 구성되는 적합도 함수를 나타내었고 기존 방법에 의한 계단 보행의 ESM값과 제안한 방법에 의한 계단 보행의 ESM 값을 비교함으로써 본 논문에서 제안한 방법의 효용성및 우수성을 검증하였다.
아랫 부분은 GA 연산에서 적합도 함수가 가장 좋을 때의 x, y 좌표 값들로 각각의 좌표 값들이 수렴함을 확인할수 있었다. 본 모의 실험은 먼저 GA를 통하여 먼저 적합도 함수가 실시하여 가장 좋은 값에 해당하는 x, y 좌표 값을 찾고 적용하여 다음 다리의 계단 보행 시의 ESM 값을 더욱 좋게 하여 안정도를 향상하였다. 그림 8을 보면 적합도 함수의 결과 값 중 좋은값은 늦어도 30세대 정도에서 수렴을 하고 평균값은 150세대 정도에서 수렴함을 확인할 수 있다.
각각의 그림들의윗 부분은 최소화 시킨 적합도 함수의 평균값과 가장 좋은 값으로 낮을수록 좋은 결과를 나타낸다. 아랫 부분은 GA 연산에서 적합도 함수가 가장 좋을 때의 x, y 좌표 값들로 각각의 좌표 값들이 수렴함을 확인할수 있었다. 본 모의 실험은 먼저 GA를 통하여 먼저 적합도 함수가 실시하여 가장 좋은 값에 해당하는 x, y 좌표 값을 찾고 적용하여 다음 다리의 계단 보행 시의 ESM 값을 더욱 좋게 하여 안정도를 향상하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2족 로봇이 단점은 무엇인가?	또한 다족 로봇의 계단 보행에 관한 연구는 다음과 같다. 2족 로봇의 경우, 영 모멘트 점(zero moment point)과 2족 로봇의 구조 등을 이용한 계단 보행 알고리즘 등이 제안되었으나[6], 일반적으로 2족 로봇은 계단 보행 시 다른 다족 로봇에 비해 안정도가 낮은 단점을 가진다. 4족 로봇의 경우, 마이크로소프트 사의 키넥트(kinect) 센서를 이용한 계단 보행 알고리즘 [7], 스윙 궤적의 다리를 사용하여 계단을 보행하는 알고리즘[8] 및 곤충형 다리 구조를 이용한 계단 보행 알고리즘[9] 등이 제안되었으나, 센서 데이터의 처리 시간, 생성된 스윙궤적의 높은 전력 소비 및 착지 지점에 대한 제한성 등의 문제점을 가진다.
	4족 로봇과 관련하여 제안된 알고리즘으로 무엇들이 있는가?	2족 로봇의 경우, 영 모멘트 점(zero moment point)과 2족 로봇의 구조 등을 이용한 계단 보행 알고리즘 등이 제안되었으나[6], 일반적으로 2족 로봇은 계단 보행 시 다른 다족 로봇에 비해 안정도가 낮은 단점을 가진다. 4족 로봇의 경우, 마이크로소프트 사의 키넥트(kinect) 센서를 이용한 계단 보행 알고리즘 [7], 스윙 궤적의 다리를 사용하여 계단을 보행하는 알고리즘[8] 및 곤충형 다리 구조를 이용한 계단 보행 알고리즘[9] 등이 제안되었으나, 센서 데이터의 처리 시간, 생성된 스윙궤적의 높은 전력 소비 및 착지 지점에 대한 제한성 등의 문제점을 가진다.
	혼합형 이동 로봇의 단점은 무엇인가?	이러한 혼합형 이동 로봇의 계단 보행에 관한 대표적 연구로는 4족 로봇의 다리 옆에 바퀴를 추가로 장착한 HIT-HYBTOR[2]과 몸체에 큰 바퀴를 달아 계단 보행을 하는 로봇[3], 반원 형태의 특수한 다리를 사용한 RHex 로봇[4] 및 다리와 바퀴를 동시에 사용한 로봇[5] 등이 있다. 이러한 혼합형 구조의 경우 안정적인 계단 보행을 위해 바퀴 및 트랙등과 같은 특수한 이동 장치에 의존하기에 로봇 구조의 제한성을 가진다.

참고문헌 (11)

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E. Lee, "A Study on the intelligent walking algorithm of a biped walking robot," University of Hankyong, M. S. Thesis, 2004.
Y. Choi, D. Kim, and K. Kim, "GA Based Locomotion Method for Quadruped Robot with Waist Joint to Walk on the Slop," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 8, no. 11, 2013, pp. 1665-1673.

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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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