[논문]각속도 센서를 이용한 이족로봇의 안정적인 보행 구현

오성남; 윤동우; 손영익; 김갑일; 임승철; 강환일

각속도 센서를 이용한 이족로봇의 안정적인 보행 구현
Stable walking of biped robots using one angular velocity sensor 원문보기

오성남 (명지대학교 전기공학과) , 윤동우 (명지대학교 전기공학과) , 손영익 (명지대학교 전기공학과) , 김갑일 (명지대학교 전기공학과) , 임승철 (명지대학교 기계공학과) , 강환일 (명지대학교 정보공학과)

This paper aims to provide a way to improve dynamic stability of biped robots against undesirable disturbances. By using an angular velocity sensor on its shoulder, we can make a medium-sized biped robot walk stably against an impulsive disturbance. The measured signal from the sensor in used for compensating the reference angles of ankle, knee, and pelvis joints. An experiment shows that the stability of the robot is much enhanced by using a cheap sensor and simple algorithm. This kind of research helps biped robots walk more stably in real environments.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 높이 60cm에 총 23개의 자유도를 갖는 5.3kg급 로봇 MYRO-31 제작하여 로봇의 안정도 유지에 관한 방법을 다루었다, 로봇의 기울어지는 정도를 판단할 수 있는 각속도센서(이하 GYRO)를 탑재하여 상체가 불안정한 상태가 되어 쓰러지는 것을 측정한다. 이 측정된 각속도를 다리 관절에 적절히 적용시켜 보행 시 외란에 대한 자세 보정과 정지 시 안정된 상태를 유지 시켜주어 이족로봇의 안정된 보행이 가능하게 하였다.
잇고 있다. 이족 로봇 연구는 대체로 이론 및 시뮬레이션에 관한 연구와 실제 제작 및 성능향상에 관한 연구 등의 두 분야로 이루어지고 있다, 본 논문은 후자의 경우로 로봇을 실제 설계, 제작, 그리고 보행에 대해 논하고자 한다.

제안 방법

전체 시스템의 구조는 그림 1과 같다. 각 관절은 내부적으로 위치제어를 할 수 있는 R/C서보모터를 사용하였다 그리고 모터 제어를 위해 INTEL사의 80C296SA# 사용하여 제어기를 설계하였으며 로봇의 각속도를 측정하기 위하여 상체에 앞뒤 방향에 대한 1축 GYRO를 탑재하였다. 제어기는 PC 로부터 모터의 위치값을 전달받아 로봇의 제어를 수행하며 상체에 탑재된 GYRO를 통하여 실시간으로 자세를 보정한다.
패턴 정보는 로봇의 움직임을 몇 개의 구분동작으로 나누어 저장해 놓은 각 관절각도 데이터이다. 그 다음 단계인 Path create에서 연속되지 않은 두 개의 패턴정보로부터 로봇의 각 관절이 움직여야하는 속도와 위상을 계산한다. 한편 Gain controller는 MYR0-3의 어께에 탑재한 GYRO로부터 측정된 각속도를 적절한 보상 값으로 환산한다.
매우 짧은 시간에 일어나는 보상은 보행과 정지 상태 모두 같다는 조건에서 이루어졌다. 센서가 없을 때 외력에 대한 반응 속도와 GYRO를 적용한 후의 외력에 대한 반응 속도를 비교하는 방법으로 이루어졌다. 그림 7, 8에서 그래프는 발목, 골반, 무를 그리고 GYRO 출력의 궤적 순으로 나열되었다.

성능/효과

본 연구를 통하여 간단한 보상만으로도 로봇의 안정도가 확연히 개선되는 사살읖 알 수 있었다. 미지의 외력이 가해져 로봇의 불안정한 상태가 계속될 때 상체의 기울기 보정이 무게중심을 보다 안정된 영역쪽으로 이동시켜 곧바로 균형을 잡아준다.
5초 만에 안정된 상태가 되는 것을 확인할 수 있다. 실제 실험에서 로봇의 불안정한 흔들림은 머리를 기준으로 했을 때 약 10cm 이상으로 확연하게 차이를 보였다. 그러나 아쉽게도 그래프에 나타나는 각 관절의 각은 육안으로 거의 확인하기 어려울 정도로 노이즈 보다 작은 차이를 보이고 있다.
3kg급 로봇 MYRO-31 제작하여 로봇의 안정도 유지에 관한 방법을 다루었다, 로봇의 기울어지는 정도를 판단할 수 있는 각속도센서(이하 GYRO)를 탑재하여 상체가 불안정한 상태가 되어 쓰러지는 것을 측정한다. 이 측정된 각속도를 다리 관절에 적절히 적용시켜 보행 시 외란에 대한 자세 보정과 정지 시 안정된 상태를 유지 시켜주어 이족로봇의 안정된 보행이 가능하게 하였다.
표 1에서 보는 바와 같이 로봇의 무게는 하체의 무게가 상체보다 가볍게 설계되어 보행 시 발생하는 다리의 관성을 줄일 수 있었다.

후속연구

향후 과제는 발바닥에 압력센서를 부착하여 GYRO를 이용한 보정 방법이 실제 ZMP에 어느 정도까지 영향을 미치는지 연구하는 것이다.

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