[논문]이족 로봇의 무게 중심 수평 위치 고속 이동을 위한 실시간 힘 제어 기법

이이수; 박재흥

doi:10.7746/jkros.2016.11.3.183

이족 로봇의 무게 중심 수평 위치 고속 이동을 위한 실시간 힘 제어 기법
Real-Time Force Control of Biped Robot to Generate High-Speed Horizontal Motion of Center of Mass 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.11 no.3, 2016년, pp.183 - 192

이이수 (Graduate School of Convergence Science and Technology, Seoul National University) , 박재흥 (Graduate School of Convergence Science and Technology, Seoul National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Generating motion of center of mass for biped robots is a challenging issue since biped robots can easily lose balance due to limited contact area between foot and ground. In this paper, we propose force control method to generate high-speed motion of the center of mass for horizontal direction without losing balancing condition. Contact consistent multi-body dynamics of the robot is used to calculate force for horizontal direction of the center of mass considering balance. The calculated force is applied for acceleration or deceleration of the center of mass to generate high speed motion. The linear inverted pendulum model is used to estimate motion of the center of mass and the estimated motion is used to select either maximum or minimum force to stop at goal position. The proposed method is verified by experiments using 12-DOF torque controlled human sized legged robot.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하지만 이러한 보행 방법들은 CoP가 주요 제어 대상이므로 원하는 임의의 CoM의 목적지에 도달하게 하는 것은 어렵다. 만약 CoM이 목적지로 고속 이동 하도록 제어 가능하다면 보행 외에도 자세 제어를 위한 CoM의 위치 제어 등 일반적인 상황에서도 활용이 가능하므로, 본 연구에서는 활용 가능한 최대의 가속/감속도를 사용한 CoM의 고속 이동을 위한 방법을 제안한다.
본 연구는 CoM이 최단 시간에 목적지에 도달하도록 하기 위하여 발생 가능한 최대 크기의 가속도와 감속도만 사용하여 이동하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 이족 로봇의 CoM의 가속/감속도 중 로봇의 균형 유지 조건에 해당하는 CoP 조건과 마찰력 조건을 모두 만족하는 최대 크기의 값을 사용한다.
본 연구에서 고속으로 CoM을 이동하여 원하는 위치에 도달 후 정지 할 수 있도록 하기 위하여 처음에는 목표 위치로 도달할 수 있는 힘을 내기 위한 최대 크기의 CoP를 사용하여 가속을 하고, 현재 CoM 위치와 속도 정보를 바탕으로 선형역진자 모형을 사용해서 감속하기 위한 최대 크기의 CoP로 전환해야 하는지에 대한 여부를 실시간으로 판단한다. 만약 감속을 위한 CoP로의 전환이 결정되었다면 실제 CoM이 정지할 때까지 감속을 위한 CoP를 사용한다.
본 연구에서는 CoM의 수평 방향 고속 이동을 위한힘 제어 방법을 제안하였다. 고속 이동을 위하여 항상 최대 또는 최소의 CoP를 사용하여 균형을 잃지 않으면서도 큰 크기의 가속도를 얻었다.

가설 설정

에서의 제어 대상의 자코비안 행렬이다. 본 연구에서 J₁은 CoM의 x, y방향 성분이 각각 1행과 2행을 구성하도록 하였다고 가정한다. F₁은 J₁에 의해 제어되는 대상에 요구되는 2×1크기의 힘 벡터로 x, y방향에 대한 무게 중심에서의 힘을 의미한다.
제안한 방법을 사용하여 앞뒤 방향에 해당하는 x방향 제어와, 좌우 방향에 해당하는 y방향 제어를 각각 따로 수행하였다. 양 발 지지 상황에 대한 실험이며 지지면은 Fig. 4의 주황색 점선과 같이 양 발을 둘러싼 직사각형으로 가정하였으며 안전 마진이 적용된 직사각형의 범위 l_x = 0.1(m), l_y = 0.19(m)가 되고 좌표계는 직사각형의 중앙에 위치한다. 실제 실험 시 l_x와 l_y는 안전을 위한 마진을 두고 실제 발의 크기보다 작게 설정했고, 마진을 포함한 직사각형의 범위는 l_x = 0.

제안 방법

로봇 전신 동역학을 사용할 경우 선형역진자 모형을 사용한 방법보다 정확하게 CoP와 CoM의 관계를 계산할 수 있고, 이를 바탕으로 전신 제어기로 원하는 크기의 CoP를 생성할 수 있는 장점이 있는데 전신 동역학을 고려한 CoP 예측 값의 정확성은^[9]의 실험에서도 확인할 수 있다. 따라서 접촉을 고려한 부유형 기저 로봇의 작업 공간 힘 제어가 가능한 전신 제어기^[15]를 바탕으로 원하는 CoP를 생성하기 위한 CoM 수평 방향 힘 제어 기법을 정리한다. 3장과 같이 지지발의 중심에 위치한 직교 좌표계를 전역 좌표계로 사용하였다.
본 연구에서 제안한 방법으로 목표 위치를 연속적으로 바꿔서 CoM이 좌우 왕복 운동을 하도록 하여 이족 로봇의 제자리 보행 동작 생성에도 응용할 수 있는데 이를 실험으로 확인했다. 지지면은 5.
여기서는 각 방향 별 CoM의 목표 위치 x_goal, y_goal가 정해졌다면 목표 위치에서 CoM이 정지하도록 제어하는 방법을 제안한다. 이를 위해 목표 위치로의 가속 단계, CoP 전환을 통해 가속에서 감속 단계로의 전환 단계, 감속을 통해 정지하는 감속 단계로 나누게 된다.
고속 이동을 위하여 항상 최대 또는 최소의 CoP를 사용하여 균형을 잃지 않으면서도 큰 크기의 가속도를 얻었다. 이를 위하여 선형역진자 모형을 CoM 거동 예측 모형으로 사용하여 요구 CoP 값을 최대로 할 것인지 최소로 할 것인지 결정하였다. 다물체동역학을 바탕으로 한 로봇의 전신 동역학을 고려하여 원하는 CoP를 생성하는 CoM 힘 제어를 하였기 접촉력에 대한 피드백 제어가 없었음에도 비교적 정확하게 원하는 CoP 생성을 할 수 있었다.
본 연구는 CoM이 최단 시간에 목적지에 도달하도록 하기 위하여 발생 가능한 최대 크기의 가속도와 감속도만 사용하여 이동하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 이족 로봇의 CoM의 가속/감속도 중 로봇의 균형 유지 조건에 해당하는 CoP 조건과 마찰력 조건을 모두 만족하는 최대 크기의 값을 사용한다. 이는 주어진 조건 속에서 가장 빨리 원하는 위치로 이동 후 정지하는 것으로, 생성 가능한 최고 속도로 목적지로 이동하는 것과 같으며 이를 본 논문에서는 고속 이동이라고 한다.
본 연구에서는 역할에 따라서 두 가지 동역학 모형이 사용하는데, 원하는 CoP를 생성하기 위한 CoM의 힘을 계산하기 위해서 접촉을 고려한 로봇의 전신 다물체동역학을 사용하고, 시간의 흐름에 따른 CoM의 상태를 예측하기 위해서 선형역진자 모형을 사용한다. 접촉을 고려한 로봇의 전신 다물체동역학을 사용할 경우 순간에 대해서 비교적 정확한 관계를 계산할 수 있기 때문에 원하는 CoP를 생성할 수 있는 CoM의 가속도를 계산할 수 있으므로 본 연구에서 원하는 CoP가 정해 졌을 때, 전신 다물체동역학을 사용하여 필요한 CoM의 가속도를 계산 후 힘 제어에 사용한다. 하지만 이 방법은 시간의 흐름에 따른 변화를 예측하기 어렵다는 단점이 있다.
제안한 방법을 사용하여 앞뒤 방향에 해당하는 x방향 제어와, 좌우 방향에 해당하는 y방향 제어를 각각 따로 수행하였다. 양 발 지지 상황에 대한 실험이며 지지면은 Fig.
1장의 실험과 동일하다. 제자리 보행 실험을 위하여 -0.05 (m)와 0.05(m) 지점을 목표로 반복하여 이동하도록 하였으며, CoM이 한쪽 목적지에 도달하여 정지하면 목적지를 곧바로 바꾸는 방식으로 두 지점을 왕복하도록 하였다. 제자리 보행 동작 중 발은 수평 방향으로의 동작 없이 수직 방향으로 약 0.
선형역진자 모형은 선형 2차 미분 방정식 형태로 CoM의 수평 방향 동작과 접촉 모멘트 사이의 관계를 표현하므로 시간에 따른 CoM의 움직임을 예측할 수 있는 장점이 있으므로 예측 모형으로 선형역진자 모형을 사용한다. 하지만 수직 방향 동작을 구속시키고, CoM 수평 동작 외 로봇의 다른 동작들은 반영되지 않으며, 지면에 대한 수평 방향 접촉 힘을 고려하지 않아 마찰력 조건을 반영할 수 없으므로 본 연구에서도 CoM의 수평 동작만 생성하고, CoP 조건만 고려한 최대 가속/감속도를 계산한다.

대상 데이터

따라서 접촉을 고려한 부유형 기저 로봇의 작업 공간 힘 제어가 가능한 전신 제어기^[15]를 바탕으로 원하는 CoP를 생성하기 위한 CoM 수평 방향 힘 제어 기법을 정리한다. 3장과 같이 지지발의 중심에 위치한 직교 좌표계를 전역 좌표계로 사용하였다.
19(m)가 되고 좌표계는 직사각형의 중앙에 위치한다. 실제 실험 시 l_x와 l_y는 안전을 위한 마진을 두고 실제 발의 크기보다 작게 설정했고, 마진을 포함한 직사각형의 범위는 l_x = 0.15(m), l_y = 0.3(m)로 전체 면적의 약 30% 면적이 마진으로 적용되었다. Γ₂에서 제어한 대상은 CoM의 수직 높이, 상체 몸통의 3축 회전 방향이며 모두 초기값을 유지하도록 F₂ = A₂k_px_e를 적용하여 비례 제어기로 제어하였다.
제안한 연구 내용이 실제 로봇에서 사용이 가능한지 검증하기 위하여 12 자유도의 토크 제어가 가능한 이족 로봇 Dyros Red (Fig. 4)^[16]를 사용하여 실험하였다. 로봇의 높이는 약 1.

이론/모형

본 연구에서는 역할에 따라서 두 가지 동역학 모형이 사용하는데, 원하는 CoP를 생성하기 위한 CoM의 힘을 계산하기 위해서 접촉을 고려한 로봇의 전신 다물체동역학을 사용하고, 시간의 흐름에 따른 CoM의 상태를 예측하기 위해서 선형역진자 모형을 사용한다. 접촉을 고려한 로봇의 전신 다물체동역학을 사용할 경우 순간에 대해서 비교적 정확한 관계를 계산할 수 있기 때문에 원하는 CoP를 생성할 수 있는 CoM의 가속도를 계산할 수 있으므로 본 연구에서 원하는 CoP가 정해 졌을 때, 전신 다물체동역학을 사용하여 필요한 CoM의 가속도를 계산 후 힘 제어에 사용한다.
CoM의 위치를 제어할 때, 원하는 위치에서 CoM이 정지하기 위해서는 가속 후 감속으로 전환해야 하며, 전환 시점에 대한 예측이 필요하다. 선형역진자 모형은 선형 2차 미분 방정식 형태로 CoM의 수평 방향 동작과 접촉 모멘트 사이의 관계를 표현하므로 시간에 따른 CoM의 움직임을 예측할 수 있는 장점이 있으므로 예측 모형으로 선형역진자 모형을 사용한다. 하지만 수직 방향 동작을 구속시키고, CoM 수평 동작 외 로봇의 다른 동작들은 반영되지 않으며, 지면에 대한 수평 방향 접촉 힘을 고려하지 않아 마찰력 조건을 반영할 수 없으므로 본 연구에서도 CoM의 수평 동작만 생성하고, CoP 조건만 고려한 최대 가속/감속도를 계산한다.

성능/효과

다물체동역학을 바탕으로 한 로봇의 전신 동역학을 고려하여 원하는 CoP를 생성하는 CoM 힘 제어를 하였기 접촉력에 대한 피드백 제어가 없었음에도 비교적 정확하게 원하는 CoP 생성을 할 수 있었다. 그리고 제안한 방법은 실제 이족 로봇으로 실험하여 검증하였으며 단순 CoM의 고속 이동 외에도 제자리 걸음을 위한 CoM 위치 제어에도 활용이 가능함을 보였다. 선형역진자 모형의 사용으로 인한 한계는 추후 더 정밀한 예측 모형 개발을 통해 개선해야 할 부분으로 생각된다.
이를 위하여 선형역진자 모형을 CoM 거동 예측 모형으로 사용하여 요구 CoP 값을 최대로 할 것인지 최소로 할 것인지 결정하였다. 다물체동역학을 바탕으로 한 로봇의 전신 동역학을 고려하여 원하는 CoP를 생성하는 CoM 힘 제어를 하였기 접촉력에 대한 피드백 제어가 없었음에도 비교적 정확하게 원하는 CoP 생성을 할 수 있었다. 그리고 제안한 방법은 실제 이족 로봇으로 실험하여 검증하였으며 단순 CoM의 고속 이동 외에도 제자리 걸음을 위한 CoM 위치 제어에도 활용이 가능함을 보였다.
1장에서의 실험 결과와 유사한 경향을 보인다. 실험 결과들을 통해서 지면 접촉 발이 일정한 상황뿐만 아니라 접촉 면이 변하는 상황에서도 제안한 방법을 적용하여 연속적인 목적지 변화가 가능함을 보이고 검증하였다.

후속연구

그리고 제안한 방법은 실제 이족 로봇으로 실험하여 검증하였으며 단순 CoM의 고속 이동 외에도 제자리 걸음을 위한 CoM 위치 제어에도 활용이 가능함을 보였다. 선형역진자 모형의 사용으로 인한 한계는 추후 더 정밀한 예측 모형 개발을 통해 개선해야 할 부분으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이족 로봇의 실용화가 어려운 대표적인 원인은 무엇인가?	하지만 많은 연구 개발의 노력에도 불구하고 이족 로봇의 실용화는 아직 어려운 상황이다. 이족 로봇의 실용화가 어려운 이유는 여러가지가 있지만, 무엇보다 부유형 기저(Floating base) 로봇으로서 고정되지 않고 변동되는 지면 접촉 상태를 가지고 있기 때문에 균형 조건을 고려한 제어가 필요하다는 점이 이족 보행 연구가 어려운 대표적인 원인이다. 따라서 고속의 동작 중에도 균형 유지가 가능한 동작 생성 방법이 중요한 기술 중 하나로 여겨진다.
	CoP 전환을 하는 순간은 언제인가?	CoP 전환을 하는 순간은 가속을 멈추고 감속을 시작해야 하는 때이다. 감속을 시작하는 시간은 CoP 전환 후 감속을 했을 때 원하는 목표 위치에서 CoM이 정지할 수 있을 것으로 예측되는 순간이어야 한다.
	시간에 따른 CoM 운동 상태와 CoP간의 관계를 선형역진자 모형을 사용하여 예측하여 주어진 CoP 경로를 따르도록 할 수 있는 CoM 경로를 생성하는 방법의 한계는 무엇인가?	CoM에 큰 가속도가 필요한 대표적인 고속 이동 사례가 이족 로봇의 보행인데, 일반적으로 보행에서는 고속으로 이동하면서 넘어지지 않기 위하여 CoP를 제어하는 한편 시간에 따른 CoM 운동 상태와 CoP간의 관계를 선형역진자(Linear Inverted Pendulum Model) 모형을 사용하여 예측하여 주어진 CoP 경로를 따르도록 할 수 있는 CoM 경로를 생성한다[13,14]. 하지만 이러한 보행 방법들은 CoP가 주요 제어 대상이므로 원하는 임의의 CoM의 목적지에 도달하게 하는 것은 어렵다. 만약 CoM이 목적지로 고속 이동 하도록 제어 가능하다면 보행 외에도 자세 제어를 위한 CoM의 위치 제어 등 일반적인 상황에서도 활용이 가능하므로, 본 연구에서는 활용 가능한 최대의 가속/감속도를 사용한 CoM의 고속 이동을 위한 방법을 제안한다.

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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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