[논문]다중 센서 융합을 통한 이족 보행 로봇 발의 자세 추정

류제훈; 유범재; 박민용; 김도윤; 최영진; 오상록

다중 센서 융합을 통한 이족 보행 로봇 발의 자세 추정
Attitude Estimation of a Foot for Biped Robots Using Multiple Sensors 원문보기

류제훈 (연세대학교 전기전자공학과) , 유범재 (한국과학기술연구원 지능로봇센터) , 박민용 (연세대학교 전기전자공학과) , 김도윤 (한국과학기술연구원 지능로봇센터) , 최영진 (한국과학기술연구원 지능로봇센터) , 오상록 (한국과학기술연구원 지능로봇센터)

Although stable control algorithm has been implemented to the biped robot, the stability is not guaranteed because of encoder errors and/or rigid body elastics. Hence precise body pose estimation is required for more natural and long term walk. Specially pelvis sloping by gravity or uneven ground on landing place are most critical reason for undulated motion. In order to overcome these difficulties an estimation system for foot position and orientation using PSD sensors and Gyro sensors is proposed along with calibration algorithm and experimental verification.

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문제 정의

본 논문에서는 이족 보행 로봇의 안정적 보행을 위해 보행 시 하체의 처짐 현상을 분석하고 비접촉식으로 발바닥의 착지 자세 제어를 위한 센서 시스템을 개발하고 이를 운용하는 알고리즘을 제안한다. 그리고 제안한 시스템의 타당성을 검증하기 위해 높은 정밀도를 가지는 햅틱 장치의 측정치와 비교 평가 하였다.

가설 설정

본 논문에서는 이족 보행 로봇의 불안정한 걸음새를 유발하는 원인을 기구적 오차와 평탄하지 않은 지면을 걸을 때 발생하는 불안정한 착지로 가정 하였다. 이러한 원인을 분석하고 안정된 착지를 제어하기 위해 로봇의 발바닥에 5개의 PSD 거리센서를 부착하고 햅턱 장비를 이용해 캘리브레이션 한 뒤 높이, roll, pitch를 추정할 수 있도록 하는 알고리즘을 제안하였다.

제안 방법

된다. 따라서 본 논문에서는 중력 방향에 대한 기울기 측정을 위해 Microlnfinty社의 MI-Marion~A3350M 자이로 센서를 사용하였다. 자이로센서의 위치를 벡터 #로 정의하면 다음과 같다.
또한 센서와 ADC가 같은 전원을 쓰면 센서 노이즈가 디지털로 변환된 값에 영향을 주었다. 따라서 센서별로 ADC를 할당하고 그라운드(ground)가 분리된 직류-직류 변환기(DC-DC converter) 를 사용해 센서 인터페이스 회로를 설계 하였다.
이러한 원인을 분석하고 안정된 착지를 제어하기 위해 로봇의 발바닥에 5개의 PSD 거리센서를 부착하고 햅턱 장비를 이용해 캘리브레이션 한 뒤 높이, roll, pitch를 추정할 수 있도록 하는 알고리즘을 제안하였다. 또한 착지할 지면의 경사도와 상대적인 발바닥의 위치를 파악하기 위해 자이로 센서를 사용하여 기준점, 추정된 지면, 발의 위치에 대한 변환 관계를 유도 하였다. 또한 실험을 통해 제안한 시스템의 타당성을 검증하고 성능을 분석하였다.
본 논문에서 제안한 센서 시스템을 통해 측정할 수 있는 위치 정보는 바닥면과의 수직 높이 z, roll((I)), pitch(W) 각이다. 이 변수들을 다음과 같이 벡터 #로 정의한다.
025°이다. 수평한 두 평면에 햅틱 장치와 엔드 -포인트(end-point)에 고정된 발바닥 센서 시스템을 놓고 캘리브레이션을 수행한다. 다양한 자세에서 얻은 위치 벡터 #, PSD로 부터 거리 벡터 #를 통해 캘리브레이션 행렬 Q를 계산한다.
불안정한 착지로 가정 하였다. 이러한 원인을 분석하고 안정된 착지를 제어하기 위해 로봇의 발바닥에 5개의 PSD 거리센서를 부착하고 햅턱 장비를 이용해 캘리브레이션 한 뒤 높이, roll, pitch를 추정할 수 있도록 하는 알고리즘을 제안하였다. 또한 착지할 지면의 경사도와 상대적인 발바닥의 위치를 파악하기 위해 자이로 센서를 사용하여 기준점, 추정된 지면, 발의 위치에 대한 변환 관계를 유도 하였다.

대상 데이터

거리 센서는 발을 들어 올리는 높이가 일반적으로 5cm 정도인 것을 고려해 측정 거리가 4cm~30cm인 SHARP社의 GP2D120를 사용하였다. 그림 2, (a)의 센서 전압-거리 그래프에서 거리 4cm 미만에서는 정상 출력을 보장하지 않으므로지면으로부터 4cm이상 높게 센서를 배치하였다.
벡터롤 구해야 한다. 본 논문은 VnV社의 4D4M-HIS36 햅틱(haptic)장치를 이용하였다. 6자유도를 가지며 각 엔코더의 분해능은 0.

데이터처리

제안한다. 그리고 제안한 시스템의 타당성을 검증하기 위해 높은 정밀도를 가지는 햅틱 장치의 측정치와 비교 평가 하였다.
또한 착지할 지면의 경사도와 상대적인 발바닥의 위치를 파악하기 위해 자이로 센서를 사용하여 기준점, 추정된 지면, 발의 위치에 대한 변환 관계를 유도 하였다. 또한 실험을 통해 제안한 시스템의 타당성을 검증하고 성능을 분석하였다. 앞으로 PSD센서의 지연현상과 자이로 센서의 drift 에 의한 오동작을 방지하기 위해 자이로와 PSD 센서 시스템을 칼만 필터로 모델링 하면 더욱 빠르고 정확한 자세 추정 시스템을 설계 할 수 있을 것으로 기대한다.

성능/효과

실험 결과 여러 개의 PSD를 인터페이스 할 때 아날로그멀티플랙서(analog multiplex, MUX)를 통한 한 개의 아날로그-디지털 변환기 (analog-digital converter, ADC)를 사용할 경우 각 센서의 노이즈들이 서로 영향을 미쳤다. 또한 센서와 ADC가 같은 전원을 쓰면 센서 노이즈가 디지털로 변환된 값에 영향을 주었다.
이유는 그림 2에서 보듯이 측정 면에서 멀리 떨어질수록 PSD가 측정하는 거리에 대한 분해능이 급격히 떨어지기 때문이다. 하지만 이 문제는 실제로 로봇의 발이 공중에 떠 있을 때의 자세보다 착지하는 순간의 위치가 중요하기 때문에 지면과 가까운 거리에서 작은 오차(높이 10mm 이내에서 roll 약±2°, pitch 약±0.8°)를 보이는 본 실험 결과로부터 실제 적용이 충분하다고 판단된다.

후속연구

앞으로 PSD센서의 지연현상과 자이로 센서의 drift 에 의한 오동작을 방지하기 위해 자이로와 PSD 센서 시스템을 칼만 필터로 모델링 하면 더욱 빠르고 정확한 자세 추정 시스템을 설계 할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 제안한 시스템을 이족 보행 로봇에 장착하여 보행시 나타나는 기구학적 오차를 보정하고 안정된 착지를 할 수 있는 제어기를 설계할 예정이다.
또한 실험을 통해 제안한 시스템의 타당성을 검증하고 성능을 분석하였다. 앞으로 PSD센서의 지연현상과 자이로 센서의 drift 에 의한 오동작을 방지하기 위해 자이로와 PSD 센서 시스템을 칼만 필터로 모델링 하면 더욱 빠르고 정확한 자세 추정 시스템을 설계 할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 제안한 시스템을 이족 보행 로봇에 장착하여 보행시 나타나는 기구학적 오차를 보정하고 안정된 착지를 할 수 있는 제어기를 설계할 예정이다.

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