초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 고속주행을 위한 생체모방 4족 보행로봇의 전신연성(whole body compliance)이 주행성능에 미치는 영향을 연구하고 이 결과의 실험적 검증을 수행하고자 한다. 속도와 에너지 효율은 4족 보행로봇의 실용화를 위해서 해결해야할 가장 중요한 두 가지 문제이다. 로봇이 100Km이상의 속도로 달리기 위해서는 부드러운 운동이 필수적이며 몸체 및 다리의 연성이 주행성능에 미치는 영향에 관한 체계적인 연구를 통하여 4족 보행로봇의 설계 및 제어에 관한 원천기술의 확보를 목표로 한다. 세부적

□ 연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 고속주행을 위한 생체모방 4족 보행로봇의 전신연성(whole body compliance)이 주행성능에 미치는 영향을 연구하고 이 결과의 실험적 검증을 수행하고자 한다. 속도와 에너지 효율은 4족 보행로봇의 실용화를 위해서 해결해야할 가장 중요한 두 가지 문제이다. 로봇이 100Km이상의 속도로 달리기 위해서는 부드러운 운동이 필수적이며 몸체 및 다리의 연성이 주행성능에 미치는 영향에 관한 체계적인 연구를 통하여 4족 보행로봇의 설계 및 제어에 관한 원천기술의 확보를 목표로 한다. 세부적으로 능동 및 수동 연성이 속도와 에너지 소모에 미치는 영향을 모델과 수학적 도구를 통하여 분석하고 스케일에 무관하고 최적화된 로봇의 연성특성을 찾고자 한다. 아울러 고속주행을 위하여 연성특성을 제어하기 위한 생체모방적 제어 기법을 개발하고 시뮬레이션과 실험적 검증을 수행한다.
1차년도에는 선행기술 및 사전연구에 관한 조사를 통하여 고속주행을 하는 생체의 거동특성, 몸체구조를 분석한다. 형태학적, 운동학적 분석을 통하여 유연한 몸체구조를 대표적으로 나타낼 수 있는 생체의 모델을 확립하고 시뮬레이션을 수행할 모델을 porting한다. 아울러 실험적 검증을 위한 4족보행로봇 테스트베드의 요소기술을 확보한다.
2차년도에는 4족보행 고속주행로봇의 수학적 모델을 확립하고 연성 최적화 과정을 수행한다. 1차년도에 생성한 모델을 무차원화된 수학적 설계변수로 치환하고 이를 최적화하기 위한 계산기법을 연구한다. 전체적인 과정은 segmented leg-whole body 모델을 기반으로 하며 에너지 최적화된 연성특성에 관한 해를 구하는 것을 목표로 한다. 수립된 모델을 제어하기 위하여 중추패턴발생기(CPG, central pattern generator)를 이용하여 안정적 주행을 위한 LCS(Limit Cycle Set)를 도출한다. 얻어진 결과는 구축된 시뮬레이터에 탑재하여 시뮬레이션을 수행하고 주행궤적에 따른 최적 연성특성을 도출한다. 아울러 실험적 검증을 위한 테스트 베드를 위하여 구체적인 설계 및 제작이 수행된다.
3차년도에는 주행에너지 효율을 극대화한 생체모방 4족 고속주행로봇의 구현 및 에너지 효율성에 관한 검증을 수행한다.

□ 연구결과
이번 차년도에서는 2차년도에 진행한 수치해석적 회기 지도(numerical return map)를 바탕으로 최적화된 설계변수 기반으로 사족보행로봇을 개발하여 보행알고리즘과 실험적 검증에 집중하였다. 연성을 가진 관절을 제작하기 위해 선형탄성 구동기를 기반으로 관절들을 설계하였으며, 이 관절은 에너지의 흡수/방출이 가능할 뿐만 아니라, 고가의 토크센서에 비해 충격에 강인하며 연성계수를 상수를 놓음으로써 수치적으로 정밀하고 선형적으로 토크측정을 할 수 있도록 하였다. 또한 국부적으로 빠른 궤적변환이 가능한 NUBS Curve 보행궤적을 적용하여 보행 실험에 이용하였다.
결과적으로 다리 하나 당 38% 까지 에너지 재사용성을 확인하였고, 로봇 전체 관점에서는 에너지 효율을 나타내는 무차원 변수인 CoT(Cost of transport)는 4.22라는 결과를 나타내었다.

□ 연구결과의 활용계획
속도와 에너지 효율은 4족 고속 보행로봇의 가장 큰 기술적 과제이며 이의 해결은 실용화를 위한 로봇기술이 한 단계 진보함을 의미한다. 이로 부터 로봇이 인간을 대신하여 요구되는 서비스를 자유롭게 제공할 수 있는 기본기술이 확보되며 동 기술은 군사, 운송, 교육/연구, 일상생활, 재난/재해 구조, 테러/치안 등의 분야에까지 다양한 응용분야에 폭넓게 활용될 수 있다.
(출처 : 한글요약문 5p)

Abstract ▼

□ Purpose & contents
Low speed and low energy efficiency are intrinsic issues to be tackled in the study of quadruped robots. To make the robot run over the speed of 100Km/hr with minimum consumption of energy, the body compliance is prerequisite. In this study, we investigate the effect of whol

□ Purpose & contents
Low speed and low energy efficiency are intrinsic issues to be tackled in the study of quadruped robots. To make the robot run over the speed of 100Km/hr with minimum consumption of energy, the body compliance is prerequisite. In this study, we investigate the effect of whole body compliance on the quadruped running and propose the principles of design and control of the whole body compliance.
We investigated the effect of whole body compliance and look for property of flexibility of robot optimized energy to develop a quadruped robot which is able to run approximately 100km/h. The results can be introduced to design and control and are going to be experimentally validated.
First year, we analyzed dynamic behaviors and biological structure of fast running creatures by investigating prior technology and advanced research
Second year, we established a mathematical model of a fast running quadruped robot and conducted optimize process. We substituted nondimensional parameters for generated model and studied technique to optimize it.
Third year, we will implement and verify maximized energy efficiency of biomimetic quadruped robot.

□ Result
In this year, we developed a quadruped walking robot based on optimized parameters based on the numerical return map, and focused experimental verification with the gait algorithm developed in this year.
In order to design a compliant whole body mechanism, we designed joints based on a Serieal Elastic Actuator principles, these joints are capable of absorbing and reusing energy, more resistant to shock than expensive torque sensors.
Moreover, we applied a gait trajectory based on NUBS curve which can be available local modification.
As a result, the energy reusability was confirmed up to 38% per leg, and the CoT (Cost of transport), which is a dimensionless variable indicating energy efficiency, was 4.22.

□ Expected Contribution
speed and energy efficiency are technical issue and the solution means that robot technology is improved to put to practical use. Therefore, replacing human with robot can provide required service and this technology can widely apply to military, delivery, education/research, daily life, disaster relief and terror etc.
(출처 : SUMMARY 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 15
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 25
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 28
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 28
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 29
• 8. 참고문헌 ... 29
• 9. 연구성과 ... 30
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 30
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 30
• 12. 기타사항 ... 33
• 별첨1. 대 표 연 구 실 적 ... 34
• 별첨2. 세부 목표 관련 증빙 ... 48
• 끝페이지 ... 54