A New Approach for Development of Quadruped Robot Based on Biological Concepts

Phuc Thinh Doan,Hoang Duy Vo,김학경,김상봉 한국정밀공학회 2010 International Journal of Precision Engineering and Vol.11 No.4

This paper proposes the design and development results of a new quadruped robot. The proposed new quadruped robot has a couple of advantages of flexible locomotion. The quadruped robot is designed and modeled based on a new concept that is the structure model with three segments of quadruped legs. New leg configuration with the simplified operation of four hip actuators is introduced. The posture of the new quadruped robot is more similar to the posture of dog than that of the previous quadruped robots. The objective of this paper is to develop a quadruped robot, which can walk and run in a trot gait with a simple PID controller. Numerical simulation and experimental results are shown to prove the locomotion performance of the proposed controller for the proposed quadruped robot.

Motions Analysis for Stair Climbing by Two or Three Steps and cross over an obstacle for a Quadruped Robot

Francisco Yumbla,Seungjun Woo,Emiliano Quinones Yumbla,Tuan Luong,Hyungpil Moon 제어로봇시스템학회 2020 제어로봇시스템학회 국제학술대회 논문집 Vol.2020 No.10

This paper aims to analyze the range of motions and characteristics of a quadruped robot for stair climbing and crossing over an obstacle. Humans have a higher range than quadruped animals due to longer legs. We can make fewer steps and reach the same distance, can climb stairs by two or three steps and not only one, and cross over high obstacles thanks to our leg range. However, stability is different because quadruped has four contact points, whereas humans have only. Quadrupeds maintain walking stability because their gravity center falls within the triangle of support from the three legs when one is up, but in the same condition, humans encounter a complex challenge to maintain equilibrium. We propose using these inherent characteristics of a quadruped robot for motion analysis of stair climbing by two or three steps and cross over a big obstacle while maintaining high stability in a quadruped robot. We aboard in the discussion significant aspects of leg dimensions and joint ranges with geometrical analysis to find the optimal position of the feet. The motion effectiveness was verified experimentally by implementing the motions from the preliminary tests to a quadruped robot.

몸체 스웨이를 이용한 4족 로봇의 걸음새 생성

정학상(Hak Sang Jung),김국화(Guk Hwa Kim),최윤호(Yoon Ho Choi) 한국지능시스템학회 2012 한국지능시스템학회논문지 Vol.22 No.3

본 논문에서는 4족 로봇 몸체의 xz-축 스웨이(sway)를 이용하여 4족 로봇의 몸체 흔들림을 최소로 하고 안정도 여유를 최대로 하는 걸음새 생성 방법을 제안한다. 제안한 방법에서는 물결 걸음새(wave gait)를 기반으로 생성하고, 안정도 판별은 움직이는 다리의 높이 변화량과 4족 로봇의 몸체 기울기 정보를 이용한다. 이 때, 4족 로봇의 보행 시 z-축 스웨이로 인한 몸체의 충격을 줄이기 위해 푸리에 급수(Fourier series)를 이용하여 다리의 유연한 이동 궤적을 생성한다. 마지막으로, 본 논문에서 제안한 알고리듬의 실제 적용 가능성 및 효용성을 검증하기 위해 모의 실험 및 4족 로봇의 실제 보행 실험을 수행하여 제안한 방법의 보행 성능을 검증한다. In this paper, we propose a gait generation method for quadruped robots using the xz-axis sway of the quadruped robot, which minimizes the shake of the quadruped robot and maximizes the stability margin. In the proposed method, the gait is generated based on wave gaits and the stability analysis uses the body tilt information of the quadruped robot according to the leg"s height of leg. In addition, to reduce the impact on the body caused by the z-axis sway while walking, the proposed method generates the smooth walking movement trajectory with less impact by using Fourier series. Finally, to verify the applicability and effectiveness of the proposed method, we carry out the computer simulations and the real walking experiments with the implemented quadruped robot.

결합 가능한 모듈형 4족 로봇의 설계 및 작업 계획에 대한 연구

선은혜(Eun-Hey Sun),김용태(Yong-Tae Kim) 한국지능시스템학회 2016 한국지능시스템학회논문지 Vol.26 No.3

최근 다양한 환경에서 지능형 로봇의 안정된 이동과 작업계획에 대한 연구가 이루어지고 있다. 본 논문에서는 상하 결합 가능한 구조의 4족 로봇의 설계 및 작업 계획방법을 제안한다. 제안하는 4족 로봇은 리니어 모터를 이용하여 다리 길이를 조절하고, 팔각뿔 형태의 도킹모듈을 이용하여 상하 결합과 분리가 가능하도록 설계하였다. 또한 로봇이 다양한 환경에서 안정된 이동과 정보 수집을 위하여 지자기 센서, PSD 센서, LRF 센서와 카메라를 사용하였다. 리니어 모터를 이용한 장애물 회피 동작방법과 상하 결합 동작방법을 제안하고 구현하였다. 로봇은 다리 길이를 조절하여 장애물을 극복하고, 두 대의 로봇이 상하 결합을 통하여 협력 작업방법을 제안하였다. 두 대의 4족 로봇이 상하 결합을 통하여 4족과 6족 보행을 하고, 상부 결합 로봇의 4개의 다리를 4개의 팔 또는 2개의 팔로 사용할 수 있으며, 결합된 로봇을 이용하여 물건 옮기기 작업을 구현하고, 각 동작들을 실제 실험으로 기능을 검증하였다. There are many researches to develop robots that improve its mobility and task planning to adapt in various uneven environments. In this paper, we propose the design method and task planning of quadruped robot which can have top-bottom docking structure. The proposed quadruped robot is designed to adjust leg length using linear actuators and perform top-bottom docking and undocking using octagonal cone shaped docking module. Also, to stable walking and information gathering in the various environments, a geomagnetic sensor, PSD sensor, LRF sensor and camera. We propose an obstacle avoidance method and the top-bottom docking algorithm of the two quadruped robots using linear actuator. The robot can overcome obstacles using adjusting leg length and activate the top-bottom docking function. The top-bottom docking robots of two quadruped robot can walk 4 legged walking and 6 legged walking, and use 4 arms or 2 arms the upper. We verified that the docking robots can carry objects using 4 leg of the upper robot.

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.

4족 보행로봇의 Trot 보행에 관한 연구

배철오,안병원,김현수,Bae Cherl-O,Ahn Byeong-Won,Kim Hyun-Soo 한국정보통신학회 2004 한국정보통신학회논문지 Vol.8 No.7

관절형 로봇은 바퀴구동로봇에 비해 인간과 비슷한 형태를 갖추고 있어 친화성이 높고 관절로 인하여 자유도가 높으며 접지점을 임의로 설정할 수 있다. 또한 접지위치와 본체와의 상대위치를 자유로이 설정할 수 있으며 관절을 매니플레이터로서 사용할 수도 있는 장점을 가지고 있다. 이에 반해 많은 자유도를 가지고 있어 기구가 복잡하고 이동속도가 바퀴구동로봇에 비해 늦으며 이동시 진동이 일어나기 쉽고 로봇이 넘어지지 않도록 하는 특별한 제어가 필요하게 된다. 많은 생물들의 기본다리인 4족형 구조는 동적안정을 유지하면서 이동을 계속할 수 있고, 또 보행중에도 기구적으로 쓰러짐을 회피할 수 있는 완전보행을 실현하는 최소한의 관절수로 구성되어 있는 보행형태이다. 이러한 보행실험을 위해 4족 보행로봇인 TITAN-VIII을 이용하여 Trot 보행 알고리즘을 연구하여 보행 실험을 행하였다. A legged robot is friendly to human because it is resemble to human. And the robot can obtain support points freely because it has high degree of freedom for several joint as compared with a wheeled robot. Also the robot can create the relative position at desired position between support position and robot. The joint of robot cu used as manipulator. On the contrary the mechanism of robot is complicated to have many joint and moving speed is lower than wheeled robot. Also the legged robot is needed a special control not to fall on the ground because the robot is easy to vibrate when it is moving. The 4 leg structure is the minimum leg numbers not to fall and to realize safety gait continuously. A trot gait is investigated through experiments using a quadruped walking robot named TITAN-VIII.

A free gait generation method for quadruped robots over rough terrains containing forbidden areas

Shuaishuai Zhang,Xuewen Rong,Yi-bin Li,Bin Li 대한기계학회 2015 JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.29 No.9

Planning a robust gait is one of the most basic aspects to enable a quadruped robot to walk stably on rough terrains. In this paper, wefocus on the scenario where a quadruped robot travelling on the rough terrains containing forbidden areas, and a free gait generationmethod for quadruped robot is proposed. Under the assumption that a set of the positions which can be selected as the foothold is given,the quadruped robot can select the swing foot sequence and choose the best foothold for the swing foot automatically. A body sway motionis included into the motion planning of the free gait to enlarge the stability margin of the robot. With the aid of the sway motion, thestability margin of the robot is no less than the minimum stability margin during the whole walking process. In order to guarantee thelocomotion continuity of the quadruped robot, a COG trajectory which has continuous velocity and acceleration profiles is automaticallygenerated. Moreover, the locomotion speed of the robot is improved by ensuring the kinematic margin of the selected swing foot to bezero just before this foot lift-off the ground. With the free gait generation method proposed in this paper, the robot can autonomouslynavigate through rough terrains as soon as possible on the condition that the robot has enough stability margin. The simulation resultsshow the correctness and effectiveness of the proposed method.

외란이 있는 환경에서의 4족 보행 로봇의 자세 안정화 알고리즘

김명주(Myeong-Ju Kim),김정엽(Jung-Yup Kim) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.7

본 논문은 외란이 있는 환경에서 4족 보행 로봇의 자세 안정화에 대해서 연구하였다. 최근, 재난지역에서 험지를 극복하면서 안정한 이동이 가능한 4족 보행 로봇에 대한 요구가 높아지고 있다. 험지를 극복하기 위해서는 기본적으로 지면의 기울기 또는 외부의 충격에 대해 동적 안정성을 유지해야 하며, 이러한 자세 안정화 기능이 보행 알고리즘에 반드시 전제되어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 첫째, 주어진 외란에 대해서 도립 진자 모델을 이용하여 몸통 균형 제어를 수행하였으며, 둘째, 카트–도립 진자 모델을 이용하여 발 착지 위치 제어를 수행하였다. 이 두 가지 제어를 통합하여 자세 안정화 알고리즘 프레임워크를 구축하였으며, 최종적으로 웨봇 동역학 시뮬레이터를 이용하여 외부 충격과 경사길이 존재하는 환경에서 4족 보행 로봇의 자세 안정화 성능을 검증하였다. This paper describes the posture stabilization algorithm of a quadruped walking robot in the presence of disturbances. The study was motivated by a recent increase in the demand for quadruped walking robots capable of safe locomotion on rough terrains typical of disaster regions. To overcome the challenges of such rough terrains, a robot`s dynamic stability must be maintained irrespective of the ground slope or external forces; hence, a posture stabilization algorithm for quadruped walking is required. In this study, we first performed the body-balance control for disturbances using an inverted pendulum model; then, we conducted the foot-landing position control using a cart-inverted pendulum model. We built a framework for the posture stabilization algorithm by combining the above two controllers and consequently verified the performance of the posture stabilization of our quadruped walking robot in the presence of external forces and on a slope using the Webots dynamics simulator.

Development of Optimized Control Interface for Quadruped Robot

Hongshik kim,Euihyun Han,Shinsuk Park 제어로봇시스템학회 2020 제어로봇시스템학회 국제학술대회 논문집 Vol.2020 No.10

Even though the motion of robots is getting more complicated and diversified throughout the development of robot technologies, the control interface for robots has been seldom studied. In this paper, the control subject will be narrowed down to a quadruped robot and will suggest an optimized control interface suited for its characteristics. Controller hardware will be designed by combining or designing control mechanisms and contain redefined controlling algorithms with optimally mapped speed-acceleration / angular speed-angular acceleration relations to reflect the driver’s intentions in real-time. Robot-human interaction will be established by adding a feedback function to the controller for reducing the collapse risk of the robot while driving and maximize the accuracy of the robot’s path. The performance of the controller will be evaluated, and its potential will be discussed based on its improvements and its strength.

Fault accommodation in compliant quadruped robot through a moving appendage mechanism

Gor, M.M.,Pathak, P.M.,Samantaray, A.K.,Yang, J.-M.,Kwak, S.W. Elsevier 2018 Mechanism and machine theory Vol.121 No.-

<P><B>Abstract</B></P> <P>Quadruped robots provide better stability and speed in comparison to other legged robots. However, its joint actuator or sensor failure severely affects locomotion. Strategies for actuator and sensor fault accommodation in a compliant legged quadruped are presented here. A pair of orthogonally mounted moving appendages mechanism is proposed here to accommodate locked joint failure. These appendages as rack mounted inertias perform controlled motion during actuator failure. A strategy for sensor fault accommodation is also presented. A three-dimensional multi-body dynamics model of quadruped robot and its fault accommodation strategies are developed using bond graph modeling approach. The control performance is validated both through simulations and experiments.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> Locked-joint and sensor faults of a quadruped robot are detected and isolated. </LI> <LI> Fault tolerant operation of a quadruped robot is considered for various missions. </LI> <LI> Actuator faults are accommodated with controlled moving appendages. </LI> <LI> Sensor fusion is used to reconstruct faulty sensor data. </LI> <LI> Online system reconfiguration is validated using simulations and experiments. </LI> </UL> </P>