[논문]에너지 효율적인 인간 크기 4족 보행 로봇의 설계와 검증

염호연; 배준범

doi:10.7746/jkros.2018.13.2.086

[국내논문] 에너지 효율적인 인간 크기 4족 보행 로봇의 설계와 검증
Design Principles and Validation of a Human-sized Quadruped Robot Leg for High Energy Efficiency 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.13 no.2, 2018년, pp.86 - 91

염호연 (UNIST) , (UNIST) , 배준범 (Mechanical Engineering, UNIST)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents about design efforts of a human-sized quadruped robot leg for high energy efficiency, and verifications. One of the representative index of the energy efficiency is the Cost of Transport (COT), but increased in the energy or work done is not calculated in COT. In this reason, the input to the output energy efficiency should be also considered as a very important term. By designing the robot with customized motor housing, small rotational inertia, and low gear ratio to reduce friction, high energy efficiency was achieved. Squatting motion of one leg was performed and simulation results were compared to the experimental results for validation. The developed 50 kg robot can lift the weight up to 200 kg, and during squatting, it showed high energy efficiency. The robot showed 71% input to output energy efficiency in positive work. Peak current during squatting only appears to be 0.3 A.

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AI 본문요약
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문제 정의

하지만, 높은 기어비로 인한 마찰 등의 손실과, 스프링의 고정된 기계적 특성 때문에 넓은 범위의 속도에서 최적화된 스프링을 찾을 수 없다는 점이 단점이다. 본 연구에서는 이러한 기존 로봇들의 단점을 극복하고자 낮은 기어비를 통해 얻어지는 적은 마찰 등의 장점과, 최적화된 모터의 overhang을 찾아내어 모터에서 비롯된 손실을 최대한 줄이고자 하였다.
이에 따라서 로봇의 다리 크기는 인간의 하반신과 비슷한 700 mm로 설계되었다. 또한, 인간의 역할을 대신하기 위해 [7,8]과 같은 다양한 매니퓰레이터 중, 직관적이고 빠른 로봇의 작업을 위해 [9]에서 개발된 인간의 움직임을 따라 움직이는 약 20 kg 의 매니퓰레이터를 장착하고자 하였다. 목표한 크기의 프레임과 컨트롤러, 모터의 무게를 고려하여 로봇이 가질 수 있는 최대 무게를 80 kg으로 제한하였다.
. 개발하고자 하는 4족 보행 로봇 또한 속도에 따라서 보행 패턴을 최소 trot까지 바꿀 수 있는 것을 목표로 하고 있다. 개가 trot할 때, 몸무게의 약 두 배의 충격력이 각 다리에 전해지는데^[11], 이 연구를 바탕으로, 80 kg 로봇이 trot할 때, 엉덩이와 무릎 관절에 필요한 토크를 약 150 Nm로계산하였다.

제안 방법

개발하고자 하는 4족 보행 로봇 또한 속도에 따라서 보행 패턴을 최소 trot까지 바꿀 수 있는 것을 목표로 하고 있다. 개가 trot할 때, 몸무게의 약 두 배의 충격력이 각 다리에 전해지는데^[11], 이 연구를 바탕으로, 80 kg 로봇이 trot할 때, 엉덩이와 무릎 관절에 필요한 토크를 약 150 Nm로계산하였다. 또한, 빠르고 안정적인 trot을 위해서 6 rad/s의 각속도를 목표로 설계하였다.
개가 trot할 때, 몸무게의 약 두 배의 충격력이 각 다리에 전해지는데^[11], 이 연구를 바탕으로, 80 kg 로봇이 trot할 때, 엉덩이와 무릎 관절에 필요한 토크를 약 150 Nm로계산하였다. 또한, 빠르고 안정적인 trot을 위해서 6 rad/s의 각속도를 목표로 설계하였다. [Fig 2a] 는 3D 설계 모델과, 설계 원리를 보여준다.
보행 로봇의 설계에서 모터의 위치를 고려하였을 때, 지면에서의 충격이 모터의 축 방향의 충격보다 반경 방향으로 더 크게 전해지기 때문에, 9 개의 다리가 고정자로부터 회전자를 일정한 틈을 유지하며 잡아주는 역할을 하도록 하였다. Housing의 무게를 최소화하기 위해 3D 프린터를 사용하여 제작하였다.
비록 FEM 등의 시뮬레이션 분석을 통하여 최적의 overhang 값을 결정하는 것이 가능하나^[19], 실제 시스템과 시뮬레이션 사이의 차이가 존재한다. 무엇보다 3D 프린터 분해능의 한계로, 제작된 housing이 0.2 mm 이하의 단위로 정밀하지 않기 때문에, 여러 가지 overhang으로 제작된 프레임을 토대로 최적의 overhang을 실험적으로 구하였다.
모터가 움직이기 시작하는 구동 토크(본 실험에서는 정격 토크의 0.7%) 를 진폭으로 하여, 다양한 주기의 sinusoidal 입력을 주었을 때, 100 번의 주기동안 모터가 구동에 실패한 횟수를 측정하였다. 실험의 결과는 [Table 1]에 정리되어 있다.
에너지의 손실을 최소화하는 것도 중요하지만, 특정 동작을 수행할 때에 필요한 일의 양을 감소시키는 것 또한 에너지 소비를 줄이기 위한 방법이다. 이를 위해서 많은 로봇들은 경량화에 신경을 쓰고 있는데, 본 연구에서는 다리 구조의 경량화 뿐 아니라 모터를 모두 엉덩이 관절에 위치시켜서 회전 관성을 감소시켰다. 무릎 관절의 동력 전달은 타이밍 벨트를 통해서 이루어진다.
제작된 로봇 다리는 [Fig. 4a]와 같이 실험 플랫폼 위에 아무 무게도 올려놓지 않은 것부터 15 kg의 무게까지 다양한 무게를 얹은 채로 스쿼트 실험을 하였다. 스쿼트는 20 mm 높이를 0.
시스템의 전압은 약 48V로 고정되어 있으며, 외부 전원에서 시스템으로 유입된 총 전류를 측정하여 식 (2)과 같이 시스템의 효율을 계산할 수 있었다. 이 때, 로봇이 준 토크인 t와 각 관절의 각속도 w는 서로 같은 방향일 경우만 고려하여 양의 일만을 계산하였다. 이를 바탕으로 계산된 4족보행 로봇 다리의 에너지 효율은 약 71% 이다.
개발된 로봇이 에너지 효율이 높게 나온 이유로는 첫째로, 모터 housing을 직접 제작한 것이다. 최적화된 overhang 값을 실험적으로 찾음으로써 일반적인 상용모터에 비하여 좋은 성능을 가지고 있다.
최적화된 overhang 값을 실험적으로 찾음으로써 일반적인 상용모터에 비하여 좋은 성능을 가지고 있다. 두번째로, 작은 기어비를 사용하여 마찰로 인한 손실을 크게 감소시켰다. 마지막으로, 회전 관성이 매우 작도록 엉덩이와 무릎 모터를 모두 엉덩이 관절에 위치시킨 것이다.
이러한 이유로 본 연구에서는 모터 housing을 직접 제작하여 모터 효율의 감소를 최소화하였다. 보행 로봇의 설계에서 모터의 위치를 고려하였을 때, 지면에서의 충격이 모터의 축 방향의 충격보다 반경 방향으로 더 크게 전해지기 때문에, 9 개의 다리가 고정자로부터 회전자를 일정한 틈을 유지하며 잡아주는 역할을 하도록 하였다. Housing의 무게를 최소화하기 위해 3D 프린터를 사용하여 제작하였다.
반면에, [4] 에서는 series elastic actuator를 사용 하여 위치 제어를 통해서 힘 제어가 가능하도록 설계하였으며, [3] 에서는 작은 마찰 등으로 제어의 투명성이 장점인 것을 살려, PD 제어만을 이용하여 가상의 스프링처럼 다리를 제어하였다. 본 연구에서는 Self-learning Robust Neural network based nonlinear controller (SRNN)^[22]를 사용하여 로봇 다리를 위치 제어하였다. SRNN은 실시간으로 gain을 수정해 가며 환경 변화를 인지하면서도 강인한 성능을 보여줄 수 있다.

대상 데이터

인간의 역할을 대신하는 로봇을 개발하기 위해서는 작업 공간이 인간과 비슷해야 한다. 이에 따라서 로봇의 다리 크기는 인간의 하반신과 비슷한 700 mm로 설계되었다. 또한, 인간의 역할을 대신하기 위해 [7,8]과 같은 다양한 매니퓰레이터 중, 직관적이고 빠른 로봇의 작업을 위해 [9]에서 개발된 인간의 움직임을 따라 움직이는 약 20 kg 의 매니퓰레이터를 장착하고자 하였다.
본 연구에서는, 4족 보행 로봇의 다리를 frameless BLDC 모터 (MF0150010, Alliedmotion^[16]) 를 사용하여 제작하였다. 해당 모터는 최대 17.
실험의 결과는 [Table 1]에 정리되어 있다. 여러 길이의 upper overhang으로 제작된 프레임 중, 모터의 구동 실패 횟수가 가장 최소인 2.8 mm의 upper overhang을 가지는 프레임을 선택하여 다리를 제작하였다.

데이터처리

실험 결과의 검증을 위해 시뮬레이션의 결과와 비교하였다. 이 때, 시뮬레이션 [Fig.

성능/효과

모터의 지속성을 높이기 위해서 안전계수는 중요하지만, 이것은 모터를 무겁게 할 뿐 아니라 회전 관성의 증가로 토크 전달률까지 감소시킨다. 이러한 이유로 본 연구에서는 모터 housing을 직접 제작하여 모터 효율의 감소를 최소화하였다. 보행 로봇의 설계에서 모터의 위치를 고려하였을 때, 지면에서의 충격이 모터의 축 방향의 충격보다 반경 방향으로 더 크게 전해지기 때문에, 9 개의 다리가 고정자로부터 회전자를 일정한 틈을 유지하며 잡아주는 역할을 하도록 하였다.
5 cm 떨어져 있다. 둘째로, 다리는 정격 토크의 단 1.5% (2.8 Nm)만의 토크로 움직일 수 있는데, 모터의 구동 토크가 0.7% 인 것을 고려한다면, 이는 다리의 마찰이 매우 작음을 의미한다. 마지막으로, 강인 제어를 통해 제어 오차는 [Fig.
이 때, 로봇이 준 토크인 t와 각 관절의 각속도 w는 서로 같은 방향일 경우만 고려하여 양의 일만을 계산하였다. 이를 바탕으로 계산된 4족보행 로봇 다리의 에너지 효율은 약 71% 이다. [Fig.
이러한 작은 회전 관성은 다리를 쉽게 움직일 수 있도록 한다. 이를 통해 개발된 로봇의 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였으며, 그 결과는 로봇이 에너지 효율적인 것을 나타내고 있다. 계산된 에너지 효율은 약 71% 이며, 개발된 다리를 바탕으로 [Fig.
이를 통해 개발된 로봇의 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였으며, 그 결과는 로봇이 에너지 효율적인 것을 나타내고 있다. 계산된 에너지 효율은 약 71% 이며, 개발된 다리를 바탕으로 [Fig. 8]의 4족 보행 로봇을 제작할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	생체역학과 이동형 로봇 등에서 가장 널리 쓰이는 에너지 효율의 지표는 무엇인가?	생체역학과 이동형 로봇 등에서 가장 널리 쓰이는 에너지 효율의 지표는 Cost of Transport (COT) 인데, 이는 특정 무게가 특정 속도로 갈 때의 에너지 소모를 나타낸 것이다 (COT=P/mgV, P는 입력 파워, m은 시스템의 총 질량, g는 중력 가속도, V는 시스템의 속력). COT는 특정 거리를 주행할 때에 필요한 일의 양을 계산하기에 매우 유용한 지표이다.
	StarlETH의 단점은 무엇인가?	StarlETH은 Series Elastic Actuator (SEA)의 사용으로 스프링의 특성을 이용해, 다리에 가해진 충격 에너지를 재사용하여 효율이 높다[4]. 하지만, 높은 기어비로 인한 마찰 등의 손실과, 스프링의 고정된 기계적 특성 때문에 넓은 범위의 속도에서 최적화된 스프링을 찾을 수 없다는 점이 단점이다. 본 연구에서는 이러한 기존 로봇들의 단점을 극복하고자 낮은 기어비를 통해 얻어지는 적은 마찰 등의 장점과, 최적화된 모터의 overhang을 찾아내어 모터에서 비롯된 손실을 최대한 줄이고자 하였다.
	COT는 언제 유용한가?	생체역학과 이동형 로봇 등에서 가장 널리 쓰이는 에너지 효율의 지표는 Cost of Transport (COT) 인데, 이는 특정 무게가 특정 속도로 갈 때의 에너지 소모를 나타낸 것이다 (COT=P/mgV, P는 입력 파워, m은 시스템의 총 질량, g는 중력 가속도, V는 시스템의 속력). COT는 특정 거리를 주행할 때에 필요한 일의 양을 계산하기에 매우 유용한 지표이다. 그러나 COT만으로 에너지 효율을 비교하기에는 큰 어려움이 있는데, COT는 단지 총 에너지 사용량만을 측정하기 때문에, 이동 중에 발생한 위치에너지 증가나 보행 중 한 일 등은 고려되지 않는다는 것이다.

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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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