4족 로봇의 에너지 효율 향상을 위한 허리 모션이 추가된 보행 패턴 생성 알고리즘

김창휘,김정엽 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集A Vol.43 No.4

This paper deals with a walking pattern generation algorithm with waist motion for improving the energy efficiency of a quadruped robot. Most quadruped robots without a waist joint have problems that walking is unnatural compared with quadruped animals, and their energy efficiency is low owing to the limited degrees-of-freedom of the body. To solve these problems, we studied the walking pattern generation of a quadruped robot with a waist joint. First, we selected walking parameters and generated foot trajectories by referring to the actual walking data on a dog. Second, we generated the body trajectory using the preview control to maintain walking stability. Third, we realized a quadruped walking pattern generation algorithm by integrating a waist motion generation strategy capable of improving energy efficiency and animal mimicry. Finally, the walking stability and energy efficiency improvements of the quadruped robot were verified through the Webots dynamics simulator. 본 논문은 4족 로봇의 보행 시 에너지 효율 향상을 위해서 허리 움직임이 추가된 보행 패턴 생성 알고리즘에 대해서 서술하였다. 최근 개발된 대부분의 4족 로봇들은 허리 관절이 없는 형태를 취하고 있어, 실제 4족 보행 동물과 비교하였을 때 보행이 부자연스러울 뿐만 아니라 낮은 몸통 자유도로부터 에너지 효율이 좋지 않은 문제를 가지고 있다. 이를 해결하기 위해서 본 연구에서는 기존의 4족 로봇들과 달리 허리 관절이 추가된 4족 로봇의 보행 패턴 생성 연구를 수행하였다. 우선, 실제 개의 보행 데이터를 참고하여 필요한 보행 파라미터들의 선정 및 발 궤적을 생성하였고, 보행 안정성 유지를 위해 프리뷰 제어(Preview control)를 이용한 몸통 무게 중심 위치 궤적을 생성하였으며, 동물 모방성과 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 허리 모션 생성 전략을 통합하여 4족 보행 패턴 생성 알고리즘을 구현하였다. 최종적으로 4족 보행 로봇의 보행 안정성 유지 및 에너지 효율 향상을 Webots 동역학 시뮬레이터를 이용하여 검증하였다.

HyperNEAT를 이용한 4족 보행 로봇의 이동 제어

장재영(Jaeyoung Jang),현수환(Soohwan Hyun),서기성(Kisung Seo) 한국지능시스템학회 2011 한국지능시스템학회논문지 Vol.21 No.1

4족 보행로봇은 보행 안정성이 높아서 향후 다양한 분야에 활용이 기대되며, 효율적인 보행을 위한 걸음새의 생성과 제어가 중요하다. 특히, 다양한 로봇 모델들에 대한 수요와 여러 가지 걸음 동작의 필요성으로 인하여 자동적인 걸음새 생성 기법이 요구된다. 본 논문에서는 HyperNEAT(Hypercube-based NeuroEvolution of Augmenting Topologies)를 사용하여 지형변화에 적응 가능한 4족 보행로봇의 걸음새를 생성하고, 바이올로이드로 구성된 4족 보행로봇에 대하여 ODE 기반의 Webots 시뮬레이션을 통해서 보행 실험을 수행하고 결과를 분석한다. The walking mobility with stability of 4 legged robots is the distinguished skills for many application areas. Planning gaits of efficient walking for quadruped robots is an important and challenging task. Especially, autonomous generation of locomotion is required to manage various robot models and environments. In this paper, we propose an adaptive locomotion control of 4 legged robot for irregular terrain using HyperNEAT. Generated locomotion is executed and analysed using ODE based Webots simulation for the 4 legged robot which is built by Bioloid.

기본 동작들과 클래스 상속에 기초한 4족 동물의 다양한‘보행’표현

이인균,박종희 한국콘텐츠학회 2006 한국콘텐츠학회논문지 Vol.6 No.5

In this paper, we propose a method for simplifying the modeling of 'walk' for various instances of quadruped and easily extending the model of 'walk' for the instance of new subordinate class which is not defined in the original class hierarchy by using the sophisticatedly modeled 'walk' of quadruped.To achieve this method, we apply the analyzed pattern of walk and classification according to the structural similarity of quadruped studied in the previous researches to the class hierarchy and propose a method for inheriting the actions of super class.This paper model the 'walk' of quadruped by concertizing the characteristics of quadruped and defining the necessary factors and appropriate domains in terms of parameters of 'walk' and apply the model to the horse and cow, typical instances of quadruped. 본 논문에서 4족(quadruped) 동물들의 여러 가지 인스턴스(instance)들에 대한 ‘보행(walk)’의 모델링을 간단하게 하기 위한 방법이다. 최초의 클래스 계층에서 정교하게 모델화 된 4족 동물 사용에 의해 최초의 클래스 계층에서 정의 되어 지지 않은 새로운 하위 클래스의 인스턴스에 대해 쉽게 확장하는 ‘보행’의 모델을 제안한다.이 방법을 얻기 위해서 분석된 walk의 패턴과 이전에 조사한 클래스 계층에서 연구되어진 4족 동물의 유사한 구조를 따라 분류하고 적용한다. 그리고 상위 클래스(super class)에서 상속되는 동작(action)에 대한 방법을 제안한다. 본 논문은 4족 동물의 특징들을 구체화함으로써 4족 동물의 ‘walk’를 모델화 하고 필요한 요인들을 정의하였다. 또한 ‘보행’의 파라메타들에 관한 도메인들을 사용하고 4족 동물의 전형적인 인스턴스들인 말과 소를 모델을 적용한다.

허리 관절을 갖는 4족 로봇의 효율적인 걸음새 생성 방법

김동섭(Dong Sub Kim),최윤호(Yoon Ho Choi) 한국지능시스템학회 2013 한국지능시스템학회논문지 Vol.23 No.5

본 논문에서는 4족 로봇의 허리 관절을 이용하여 보행시 발생하는 몸체의 흔들림을 최소화하는 걸음새 방법을 제안한다. 제안한 방법에서는 4족 로봇의 기하학적 모델을 이용하여 몸체의 기울기에 따른 몸체의 힙(hip) 좌표를 계산하고, 이를 2자유도(Digree of Freedom: DOF)를 갖는 허리 관절을 이용하여 4족 로봇의 무게중심(Center of Gravity: CoG)을 이동시킴으로써 몸체의 흔들림을 최소화한다. 이 때, 로봇의 걸음새는 물결 걸음새(wave gate)를 이용하여 보행한다. 마지막으로, 4족 보행 로봇의 모의 실험을 통해 기존 방법과 비교함으로써 본 논문에서 제안한 방법의 효용성을 검증한다. In this paper, we propose a gait generation method for a quadruped robot using the waist joints which can minimize the body shake during the locomotion. In this proposed method, we first calculate the hip coordinate of tilted body using the geometrical model of a quadruped robot, and then move the CoG(Center of Gravity) of a quadruped robot using 2-DOF waist joints to minimizes the body shake. In addition, the gait of a quadruped robot is generated based on the wave gait method. Finally, we verify the effectiveness of the proposed method by comparing with that of the previous method through the computer simulations.

허리 관절을 갖는 4족 로봇의 GA 기반 경사면 보행방법

최윤호(Yoon-Ho Choi),김동섭(Dong-Sub Kim),김국화(Guk-Hwa Kim) 한국전자통신학회 2013 한국전자통신학회 논문지 Vol.8 No.11

본 논문에서는 허리 관절을 갖는 4족 로봇의 효율적인 경사면 보행을 위해 유전 알고리듬(Genetic Algorithm: GA)을 이용한 경사면 보행 방법을 제안한다. 제안한 방법에서는 먼저, 허리 관절을 갖는 4족 로봇의 기구학적 모델을 유도하며, GA를 수행하기 위한 유전자 및 적합도 함수를 설정한다. 또한, 경사면에서 최적의 에너지 안정여유도(Energy Stability Margin: ESM)를 갖는 4족 로봇의 자세와 도달 영역 내의 발끝착지 지점을 GA를 이용하여 자동으로 탐색하여 보행한다. 마지막으로, 4족 보행 로봇의 모의 실험을 통해 기존 방법과 비교함으로써 본 논문에서 제안한 방법의 효용성을 검증한다 In this paper, we propose a genetic algorithm(GA) based locomotion method of a quadruped robot with waist joint, which makes a quadruped robot walk on the slop efficiently. In the proposed method, we first derive the kinematic model of a quadruped robot with waist joint and then set the gene and the fitness function for GA. In addition, we determine the best attitude for a quadruped robot and the landing point of a foot in the walk space, which has the optimal energy stability margin(ESM). Finally, we verify the effectiveness of the proposed method by comparing with the performance of the previous method through the computer simulations

4족 보행로봇 HUNTER의 개발 및 동적 보행

신창록(Chang-Rok Shin),채기주(Key Gew Chae),박종현(Jong Hyeon Park) 대한기계학회 2008 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2008 No.5

This work introduces the quadruped robot designed at Hanyang University and preliminary dynamic simulation of dynamic walk, which is called HUNTER (Hanyang UNiversity TEtrapod Robot). HUNTER has three active joints and one passive spring-loaded joint at each leg. Its design is based on the analysis of the characteristics of typical 4-legged animals in walking and running. The passive joints at the legs were designed to reduce the ground impact in landing and to be able to reuse the stored energy in the springs. The apparatus of the hardware was analyzed in FEM to reduce the weight while maintaining the strength of the structure of the robot. All the design parameters of the structure as well as actuators are selected based on dynamic simulations. In this work, the results of simulating a dynamic walk are also described.

유전 알고리즘을 이용한 4족 로봇의 계단 보행 방법

변재오,최윤호,Byun, Jae-Oh,Choi, Yoon-Ho 한국전자통신학회 2015 한국전자통신학회 논문지 Vol.10 No.9

본 논문에서는 곤충형 다리 구조를 갖는 4족 로봇의 효율적인 계단 보행을 위해 유전 알고리즘(Genetic Algorithm: GA)에 기반한 계단 보행 방법을 제안한다. 제안한 방법에서는 우선 계단 보행을 위한 요소와 도달 영역을 정의한다. 또한 GA 수행을 위한 유전자와 적합도 함수를 설정하고, GA를 이용하여 최소 이동 거리와 최적 에너지 안정도 여유(Energy Stability Margin: ESM)을 갖는 4족 로봇의 착지 지점을 탐색하여 걸음새 궤적을 생성한다. 마지막으로, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 본 논문에서 제안한 계단 보행 방법의 효용성 및 우수성을 검증한다. In this paper, we propose an efficient stair locomotion method for a quadruped robot with mechanism of insectile legs using genetic algorithm(GA). In the proposed method, we first define the factors and the reachable region for the stair locomotion. In addition, we set the gene and the fitness function for GA and generate the gait trajectory by searching the landing position of a quadruped robot, which has the minimun distance of movement and the optimal energy stability margin(ESM). Finally, we verify the effectiveness and superiority of the proposed stair locomotion method through the computer simulations.

4족 보행로봇의 소비에너지 효율에 관한 시뮬레이션

안병원,배철오,엄한성,Ahn Byong-Won,Bae Cherl-o,Eom Han-Sung 한국정보통신학회 2005 한국정보통신학회논문지 Vol.9 No.6

다리를 가진 로봇은 지형에 대한 높은 적응능력을 가졌다할지라도 바퀴로 구동되는 로봇과 비교했을 때 일반적으로 그 속도가 상당히 느리다. 다리를 가진 로봇으로 빨리 움직이는 속도를 얻기 위해서는 두발로봇의 달리는 것과 4족 로봇의 속보나 뛰는 것과 같이 동적으로 안정한 걸음걸이가 좋은 해결법이다. 그러나 동적으로 안정한 걸음걸이의 에너지 효율은 일반적으로 느린 걸음걸이와 같은 안정한 걸음걸이보다 낮다. 본 논문에서는 4족으로 걷는 로봇의 에너지 효율에 관한 실험적 연구를 보여주고 있다. 걷는 보행 방법에 따른 2가지 패턴에 따른 에너지 효율관계를 TITAN-VIII이라 명명된 4발로 걷는 로봇을 기준으로 시뮬레이션을 통하여 비교분석 하였다. Though a legged robot has a high terrain adaptability as compared with a wheeled robot, its moving speed is considerably low in general. For attaining a high moving speed with a logged robot, a dynamically stable walking is a promising solution. However, the energy efficiency of a dynamically stable walking is generally lower than the efficiency of a stable gait such as a crawl gait. In this paper, energy consumption of two walking patterns for a trot gait is simulated through modeling a quadruped walking robot named TITAN-VIII.

4족 보행로봇의 소비에너지 효율에 관한 시뮬레이션

안병원,배철오,엄한성 한국정보통신학회 2005 한국정보통신학회논문지 Vol.9 No.7

Though a legged robot has a high terrain adaptability as compared with a wheeled robot, its moving speed is considerably low in general. For attaining a high moving speed with a legged robot, a dynamically stable walking is a promising solution. However, the energy efficiency of a dynamically stable walking is generally lower than the efficiency of a stable gait such as a crawl gait. In this paper, energy consumption of two walking patterns for a trot gait is simulated through modeling a quadruped walking robot named TITAN-VIII. 다리를 가진 로봇은 지형에 대한 높은 적응능력을 가졌다할지라도 바퀴로 구동되는 로봇과 비교했을 때 일반적으로 그 속도가 상당히 느리다. 다리를 가진 로봇으로 빨리 움직이는 속도를 얻기 위해서는 두발로봇의 달리는 것과 4족 로봇의 속보나 뛰는 것과 같이 동적으로 안정한 걸음걸이가 좋은 해결법이다. 그러나 동적으로 안정한 걸음걸이의 에너지 효율은 일반적으로 느린 걸음걸이와 같은 안정한 걸음걸이보다 낮다. 본 논문에서는 4족으로 걷는 로봇의 에너지 효율에 관한 실험적 연구를 보여주고 있다. 걷는 보행 방법에 따른 2가지 패턴에 따른 에너지 효율관계를 TITAN-VIII이라 명명된 4발로 걷는 로봇을 기준으로 시뮬레이션을 통하여 비교분석 하였다.

4족과 6족 보행을 하는 수면 주행 로봇의 안정성 실험 연구

김현규(HyunGyu Kim),김정현(Jung Hyun Kim),서병훈(ByungHoon Seo),서태원(TaeWon Seo) Korean Society for Precision Engineering 2013 한국정밀공학회지 Vol.30 No.10