[논문]곤충형 다리구조의 4족 보행로봇의 개발

안영명; 최기훈; 김태형; 김영탁

문제 정의

따라서, 본 논문에서는 몸의 안정 유지 측면과 민첩한 동작에 적당한 곤충형 다리 구조(1)를 갖는 4족 보행 로봇에 대하여 연구한다. 먼저, 보행 로봇의 걸음새인자인 디딤율, 보폭, 위상 등의 적절한 선택을 통해 걸음새를 해석한다.
본 논문에서는 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 보행 로봇에 대하여 세걸음새를 적용하여 걸음새인 자를 선정하고 안정 여유를 해석하였다. 이것을 통해 물결 걸음새가 정적 최적 걸음새임을 확인할 수 있었다.

제안 방법

4족 보행 로봇에 대하여 연구한다. 먼저, 보행 로봇의 걸음새인자인 디딤율, 보폭, 위상 등의 적절한 선택을 통해 걸음새를 해석한다. 또, 다리의 이동순서와 지지 경계선, 무게중심 등으로 나타나는 안정 여유를 각 걸음새에 대하여 해석하고 비교한다.
먼저, 보행 로봇의 걸음새인자인 디딤율, 보폭, 위상 등의 적절한 선택을 통해 걸음새를 해석한다. 또, 다리의 이동순서와 지지 경계선, 무게중심 등으로 나타나는 안정 여유를 각 걸음새에 대하여 해석하고 비교한다. 이러한 연구를 바탕으로 4족 보행 로봇을 실물 제작하고, 제어기에 부하를 줄이는 분산제어 구조를 적용하여 로봇을 제어한다.
또, 다리의 이동순서와 지지 경계선, 무게중심 등으로 나타나는 안정 여유를 각 걸음새에 대하여 해석하고 비교한다. 이러한 연구를 바탕으로 4족 보행 로봇을 실물 제작하고, 제어기에 부하를 줄이는 분산제어 구조를 적용하여 로봇을 제어한다. 또한, 최적 걸음새인물결걸음새를 적용하여 보행 실험을 하며 곤충형 다리 구조를 가진 보행 로봇의 보행 가능성을 입증한다.
다리 구조의 형태에 따른 관점에서 보면, 포유류는 빠르고 보행에 효과적이며, 파충류는 느린 반면에 안정적이다. 곤충류는 몸의 안정을 취하면서도 적은 힘으로 몸을 전후좌우로 기민하게 움직일 수 있는 특징을 가지고 있으므로, 몸의 안정 유지 측면과 민첩한 동작에 적당한 곤충의 다리 구조 형태를 취하면서 4개의 다리로 보행을 하는 모델을 선정하였다.
이들은 안 정적인 걸음새를 유지하며 보행하기 위해 매우 중요한 인자들이다. 따라서, 본 논문에서는 디딤율을 7/8 로 선정하고, 다리의 이동순서는 +x 형태 중 4-2-3-1의 순서를 적용하도록 한다(1) 걸음새의 형태는 물결 걸음새, 기는 걸음새, 동상 걸음새를 적용하여 비교한다.
각 다리는 곤충의 관절구조에서 Link3의 기능이 Link2에 종속된 점을 감안하여, 크랭크 구조의 링크로 제작하였다. 그리고 Link]과 Link2를 제어하기 위해 2개의 회전관절에 F/V 변환기가 내장된 DC 서보모터를 사용하였다.
이와 같이 4족 보행 로봇을 설계 제작하고 제어알고리즘을 적용하여 정적 최적 걸음새 인 물결 걸음새를 적용하여 보행을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

각 다리는 곤충의 관절구조에서 Link3의 기능이 Link2에 종속된 점을 감안하여, 크랭크 구조의 링크로 제작하였다. 그리고 Link]과 Link2를 제어하기 위해 2개의 회전관절에 F/V 변환기가 내장된 DC 서보모터를 사용하였다. 로봇제어를 위한 센서 부에는 각 회전관절의 회전각을 측정하기 위한 Potentiometer 및 다리 이동경로에 존재하는 장애물 감지를 위한 Infrared sensor가 사용되었다.
그리고 Link]과 Link2를 제어하기 위해 2개의 회전관절에 F/V 변환기가 내장된 DC 서보모터를 사용하였다. 로봇제어를 위한 센서 부에는 각 회전관절의 회전각을 측정하기 위한 Potentiometer 및 다리 이동경로에 존재하는 장애물 감지를 위한 Infrared sensor가 사용되었다. 또한 로봇 다리의 지면 착지 여부를 감지하기 위한 Tact sensor를 로봇의 각 발에 장착하였다.
본 연구에서 개발한 FRAMIX-T의 제어부는 1 개의 상위 레벨제어기(AT90S8515)와 2개의 하위레벨 제어기(AT90S8535, AT90S4414)로 구성된다.
본 연구에서 개발한 보행 로봇 FRAMIX-T는 각 다리에 3개의 링크를 갖는 4족 형태이다. 각 다리는 곤충의 관절구조에서 Link3의 기능이 Link2에 종속된 점을 감안하여, 크랭크 구조의 링크로 제작하였다.

성능/효과

이러한 연구를 바탕으로 4족 보행 로봇을 실물 제작하고, 제어기에 부하를 줄이는 분산제어 구조를 적용하여 로봇을 제어한다. 또한, 최적 걸음새인물결걸음새를 적용하여 보행 실험을 하며 곤충형 다리 구조를 가진 보행 로봇의 보행 가능성을 입증한다.
적용한 것이다. 다리 구조의 형태에 따른 관점에서 보면, 포유류는 빠르고 보행에 효과적이며, 파충류는 느린 반면에 안정적이다. 곤충류는 몸의 안정을 취하면서도 적은 힘으로 몸을 전후좌우로 기민하게 움직일 수 있는 특징을 가지고 있으므로, 몸의 안정 유지 측면과 민첩한 동작에 적당한 곤충의 다리 구조 형태를 취하면서 4개의 다리로 보행을 하는 모델을 선정하였다.
이상의 해석에 의해, 물결 걸음새가 안정 여유를 가장 많이 확보할 수 있으므로, 걸음새를 4족 보행 로봇에 적용하기에 적합한 최적의 걸음새임을 확인할 수 있었다.
이것을 통해 물결 걸음새가 정적 최적 걸음새임을 확인할 수 있었다. 또, 상위 레벨제어기와 하위레벨 제어기로 구성된 분산제어기법을 적용한 제어시스템을 이용한 로봇을 제작하여 물결걸음 새를 수행하여 곤충형 다리 구조를 가진 로봇의 보행 가능성을 보였으며, 여러 방법의 직선 걸음새나 회전 걸음새에 대해서도 적용할 수 있는 가능성을 보였다.
이것을 통해 물결 걸음새가 정적 최적 걸음새임을 확인할 수 있었다. 또, 상위 레벨제어기와 하위레벨 제어기로 구성된 분산제어기법을 적용한 제어시스템을 이용한 로봇을 제작하여 물결걸음 새를 수행하여 곤충형 다리 구조를 가진 로봇의 보행 가능성을 보였으며, 여러 방법의 직선 걸음새나 회전 걸음새에 대해서도 적용할 수 있는 가능성을 보였다.

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