[논문]DRC 휴보의 4족 보행 제어

김정엽

doi:10.7735/ksmte.2015.24.5.548

DRC 휴보의 4족 보행 제어
Quadruped Walking Control of DRC-HUBO 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.24 no.5, 2015년, pp.548 - 552

김정엽 (Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science & Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we describe the quadruped walking-control algorithm of the complete full-size humanoid DARPA Robotics Challenge-HUBO (DRC-HUBO) robot. Although DRC-HUBO is a biped robot, we require a quadruped walking function using two legs and two arms to overcome uneven terrains in the DRC. We design a wave-type quadruped walking pattern as a feedforward control using several walking parameters, and we design zero moment point (ZMP) controllers to maintain stable walking using an inverted pendulum model and an observed-state feedback control scheme. In particular, we propose a switching algorithm for ZMP controllers using supporting value and weighting factors in order to maintain the ZMP control performance during foot switching. Finally, we verify the proposed algorithm by performing quadruped walking experiments using DRC-HUBO.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 DRC-휴보의 4족 보행 제어에 대해서 서술하였다. DRC-휴보는 기본적으로 2족 로봇이지만, 특별히 DARPA로 보틱스 챌린지를 위하여 4족 보행이 가능하도록 개발되었으며, 험지 보행을 위한 4족 보행 알고리즘을 본 논문에서 개발하였다. 우선, 여러 가지 보행 파라미터를 이용한 4족 보행 패턴을 설계하였고, 도립진자 모델을 이용하여 ZMP 제어기를 설계하였다.
본 논문에서는 DRC-휴보의 4족 보행 제어에 대해서 서술하였다. DRC-휴보는 기본적으로 2족 로봇이지만, 특별히 DARPA로 보틱스 챌린지를 위하여 4족 보행이 가능하도록 개발되었으며, 험지 보행을 위한 4족 보행 알고리즘을 본 논문에서 개발하였다.
이외에도, 다리의 진동 억제나 보행 패턴의 최적화를 위해 관절 위치나 걸음새 파라미터들도 수정된다. 본 논문에서는 자세제어에서 가장 비중이 높은 ZMP 제어기의 설계에 초점을 맞춰 서술하였다.
따라서, 위에서 설계된 3점 지지 ZMP 제어기와 4점 지지 ZMP 제어기가 지지 다리의 상황에 따라 자동적으로 스위칭되어야 한다. 본 논문에서는 지지 다리의 개수를 발과 손에 장착된 힘모멘트 센서로부터 계산하였다. 특히, 지지 다리 개수의 부드러운 변화를 위해 각 발에 대해 0~1까지 변하는 지지 수치를 Fig.
본 논문에서는 후쿠시마 원전 사고를 배경으로 시작된 세계 최대 재난 로봇대회인 DARPA 로보틱스 챌린지에서 험지 돌파 task를 위한 DRC(DARPA robotics challenge) -휴보(Fig. 1)의 4족 보행 제어에 대해서 연구하였다^[10]. 따라서, 이족 인간형 로봇인 DRC-휴보를 이용하여 4족 보행 패턴 생성 및 ZMP(zero moment point) 제어 알고리즘을 실험적으로 구현하였다.

제안 방법

4족 보행 패턴 설계를 위해 속도는 느리지만, 험지에서의 보행 안정성을 극대화 할 수 있는 wave 타입의 4족 보행 패턴을 제안하였다. wave 타입의 보행 패턴은 Fig.
다음으로 4족 보행 패턴을 설계하기 위한 10가지 보행 파라미터들을 Table 1과 같이 제안하였으며(Fig. 5 참조), 특히, delay ratio를 이용한 delay time의 계산으로부터 보행 속도를 손쉽게 제어할 수 있도록 하였다. 본 파라미터들을 이용하여 생성된 4족 보행 패턴 예시를 Fig.
기본적으로 미리 설계된 4족 보행 패턴이 생성되면 역기구학식으로부터 다리의 참조관절위치가 계산되고 PD 서보 제어기를 통하여 로봇의 관절 위치가 독립적으로 제어된다. 동시에 자세 제어를 위한 참조 ZMP 패턴이 생성되고, 각종 센서 피드백으로부터 ZMP 제어를 수행하기 위해 발과 골반중심의 위치를 실시간 수정한다. 이외에도, 다리의 진동 억제나 보행 패턴의 최적화를 위해 관절 위치나 걸음새 파라미터들도 수정된다.
1)의 4족 보행 제어에 대해서 연구하였다^[10]. 따라서, 이족 인간형 로봇인 DRC-휴보를 이용하여 4족 보행 패턴 생성 및 ZMP(zero moment point) 제어 알고리즘을 실험적으로 구현하였다.
로봇의 균형유지를 위해 4족 보행 ZMP 제어 알고리즘을 제안하였다. 우선, 4점 지지된 DRC-휴보를 Fig.
따라서, 발 착지 높이의 변화에 적극 대응 할 수 있도록 기준 보행 패턴을 온라인 상에서 수정해야 한다. 본 연구에서는 발 착지 경우를 이른 착지와 늦은 착지로 나눠서 고려하였다. 이른 착지는 착지가 정해진 시간보다 일찍 지면에 착지하게 되는 경우이며 발 착지 위치를 착지 순간의 위치로 수정하게 된다.
로봇의 균형유지를 위해 4족 보행 ZMP 제어 알고리즘을 제안하였다. 우선, 4점 지지된 DRC-휴보를 Fig. 8과 같이 스프링과 댐퍼가 장착된 도립진자로 모델링하였고, 정면에서 바라본 모델파라미터 K_s (=3,677.2 Nm/rad), l (=0.417 m)과 C (17 Nms/rad)를 실험적으로 구하였다. 따라서, 몸통의 Y축 수평 변위 입력 u와 Y축 ZMP 출력 y_ZMP 사이의 전달함수는 식 (1)과 같이 쓸 수 있다.
DRC-휴보는 기본적으로 2족 로봇이지만, 특별히 DARPA로 보틱스 챌린지를 위하여 4족 보행이 가능하도록 개발되었으며, 험지 보행을 위한 4족 보행 알고리즘을 본 논문에서 개발하였다. 우선, 여러 가지 보행 파라미터를 이용한 4족 보행 패턴을 설계하였고, 도립진자 모델을 이용하여 ZMP 제어기를 설계하였다. 특히, 지지 수치와 가중치를 이용한 ZMP 제어기 스위칭 알고리즘을 제안하였으며, 동역학 시뮬레이션과 트레드밀에서의 실제 보행 실험으로부터 제안된 4족 보행 제어 알고리즘을 성공적으로 검증하였다.
위의 수학적 모델을 이용하여 Fig. 9와 같이 Observed state feedback 제어 블록선도를 구축하였다. 그림에서 u_W.
제안된 보행 제어 알고리즘을 이용하여 우선 컴퓨터를 이용한 동역학 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이터로써 webots이라는 상용 동역학 시뮬레이터를 사용하였으며, Fig.
우선, 여러 가지 보행 파라미터를 이용한 4족 보행 패턴을 설계하였고, 도립진자 모델을 이용하여 ZMP 제어기를 설계하였다. 특히, 지지 수치와 가중치를 이용한 ZMP 제어기 스위칭 알고리즘을 제안하였으며, 동역학 시뮬레이션과 트레드밀에서의 실제 보행 실험으로부터 제안된 4족 보행 제어 알고리즘을 성공적으로 검증하였다.

대상 데이터

제안된 보행 제어 알고리즘을 이용하여 우선 컴퓨터를 이용한 동역학 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이터로써 webots이라는 상용 동역학 시뮬레이터를 사용하였으며, Fig. 13에 스냅샷을 첨부하였다. 또한, 트레드밀에서 4족 보행 실험을 수행하였으며, Fig.

성능/효과

참고로 보행속도는 50 mm/sec로 설정되었다. 시뮬레이션과 실험 스냅샷에서 알 수 있듯이 DCR-휴보의 4족 보행 제어를 성공적으로 수행하였으며, 제안된 보행 알고리즘 효용성을 실험적으로 검증할 수 있었다.

후속연구

그러나 4족 보행의 경우, 지지 다리 수치와 가중치에 따른 ZMP 제어기 스위칭이 추가 개발된 점이 대표적인 특징이라고 할 수 있다. 안타깝게도, 본 연구에서 개발된 DRC-휴보의 4족 보행은 실제 대회에서는 경사로에서 팔꿈치 관절의 용량 부족으로 사용이 불가하였으나, 향후 연구로써, 팔의 관절 용량을 대폭 늘리고, wave 타입의 보행 패턴 이외에도 여러 가지 타입의 보행 패턴을 시도할 계획이며, 3D 비젼 시스템을 이용한 험지 비젼 가이드 4족 보행 제어를 장기적인 연구과제로 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4족 보행의 장단점은 무엇인가?	최근, 이족 보행 로봇 이외에도 군사용 등의 목적으로 4족 보행 로봇의 개발이 미국을 중심으로 점차 수행되고 있다[7-9]. 4족 보행은 2족 보행에 비해 운동성과 속도는 낮지만, 험지에서의 보행 안정성 측면에서는 지지 영역이 더욱 넓어 장점이 더 높다. 따라서, 산악이나 재난 현장에서의 험지 이동이 필요한 상황에서는 4족 보행이 매우 효과적일 수 있다.
	wave 타입의 보행 패턴의 특징은 무엇인가?	wave 타입의 보행 패턴은 Fig. 4와 같이 발을 순차적으로 하나씩 옮기는 걸음새로써, 항상 3점 지지를 유지하기 때문에 안정성이 매우 높은 장점이 있다.
	족형 로봇은 어떻게 보행을 하는가?	2는 족형 로봇의 보행 알고리즘을 보여준다. 그림에서 보는 바와 같이, 보행 패턴이라는 미리 설계된 피드포워드 제어 입력과 자세안정화라는 센서 피드백제어 입력이 결합되어 최종적인 족형 보행을 수행하게 된다. 이러한 기본 구조를 고려하여 DRC-휴보의 보행 제어 알고리즘의 블록 선도를 Fig.

참고문헌 (11)

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상세보기
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Kim, J. Y., 2015, viewed 15 August 2015, Quadruped Walking of DRC HUBO, .

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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