발바닥 하중센서를 이용한 소형 이족 보행 로봇의 강인제어에 관한 연구 = (A) Study on robust control of small size bipedal robot using foot force sensor

국문 초록 (Abstract)

지금 세계에는 여러 종류의 인간형 로봇이 제작되어 있고, 지금까지도 인간형 로봇에 많은 관심을 가지고 연구를 진행하고 있다. 인간형 로봇이란 인간의 사고방식과 움직임을 관찰한 이후 이를 바탕으로 인간처럼 반응하고 행동하는 로봇을 의미한다. 그리고 앞으로 인간형 로봇은 앞으로 로봇이 인간을 대신할 수 없었던 다양한 분야에서 인간의 역할을 대신할 것으로 기대되고 있다. 뿐만 아니라 인간의 형태와 유사하게 제작된다면 일상생활에서 로봇을 좀 더 친근하게 느낄 수 있을 것이다. 그러나 활발한 연구가 진행되어 오고 있음에도 불구하고 지금까지 인간형 로봇과 그 동작의 구현에 대해 해결되지 못한 어려운 문제들이 존재하고 있다. 이런 문제들은 앞으로 더 많은 연구가 필요한 부분이다. 로봇이 보행할 때 거친 평면이나 계단과 같은 경사면, 장애물이 있는 경우, 두발 로봇의 보행은 바퀴달린 로봇에 비해 더 큰 이동도를 가진다. 특히 균형을 잃고 넘어지는 경우가 많기 때문에 로봇의 보행 패턴을 정해 줄 때 안정성 측면을 고려해 주는 것이 필수적이다. 그리하여 본 연구에서는 발바닥 하중센서를 이용하여 로봇이 정지 상태에서 넘어지지 않기 위한 알고리즘을 제시하고, 실험을 통한 성능을 시험함으로서 제안된 알고리즘이 외력에 의한 안정화 정도를 보여 주었다. 동적보행에서도 제안된 알고리즘을 사용한 보행이 적용하지 않은 것 보다 안전하다는 것을 실험을 통하여 보여 주었다. 또한 요철노면에 대한 제안된 알고리즘의 사용으로 안정적인 보행을 보여 주었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, A market of a service robot is extending through the world and the people getting interested in a humanoid robot which resembles the human. "ASIMO" by HONDA form Japan, "HUBO" by KAIST from Korea, and SNUT's "BONOBO" are developed. Now they are focusing on enhancement of it's walking performance and service research which uses the robot are being continued, the masses use a robot servo-motor and make the small size bipedal robot. They are participating in many contests. A posture stabilization is very important problem in humanoid robot. The robot uses two legs like the people and walks. because of that it is easy to fall down if the robot takes instable posture. Also the case which the robot took the external force while it is walking or lost the balance caused by unstable surface are could make more robot's fall down. Because, humanoid robot must do the posture to be always stable. The solution that the robot can maintain the posture is getting a posture information by adhere the sensor at the robot. then it will make revise the posture itself. There are various kind of sensors but this study will use only Foot Force Sensor to calculate center of gravity. By using this method we could make the robot which keep maintains stable walking. Also The walking of unstable surface will solved by implement the algorithm. (so that it maintained stable posture.) we are going to make a small sized bipedal robot that applied proposed algorithm. and by testing it's capacity we will prove efficiency of our suggestion.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 요약 = ⅰ
• 표목차 = ⅱ
• 그림목차 = ⅲ
• 그래프목차 = ⅴ
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구 목적 및 배경 = 1
• 2. 로봇의 ZMP 측정과 보행 알고리즘 = 2
• 2.1 로봇의 ZMP 측정 = 2
• 2.2 로봇의 보행 알고리즘 = 4
• 3. 로봇 자세 안정화의 필요성 및 문제설정 = 6
• Ⅱ. 본론 = 7
• 1 발바닥 하중센서를 이용한 로봇의 자세 안정화 = 7
• 1.1 로봇의 자세 안정화 시스템 구성 = 7
• 1.2 로봇의 무게중심 오차의 계산 = 8
• 1.3 무게 중심 오차보상에 사용되는 로봇관절의 정의 = 11
• 1.4 정지시 자세 안정화 = 12
• 1.4.1 초기자세 무게중심 오차보정 = 12
• 1.4.2 정지상태 자세 안정화 = 12
• 1.5 동적 보행시 자세 안정화 = 13
• 1.6 불안정한 지면에서의 보행 = 14
• 2 정지시 자세 안정화 알고리즘 = 14
• 2.1 초기자세 무게중심 오차보정 제어 알고리즘 = 14
• 2.2 한발지지 상태 제어 알고리즘 = 16
• 2.2.1 한발지지 상태 좌·우 제어 = 16
• 2.2.2 한발지지 상태 앞·뒤 제어 = 18
• 2.3 양발지지 상태 제어 알고리즘 = 20
• 2.3.1 양발지지 상태 좌·우 제어 = 20
• 2.3.2 양발지지 상태 앞·뒤 제어 = 21
• 3 동적 보행시 자세 안정화 알고리즘 = 24
• 3.1 동적 보행 좌, 우측 무게중심 이동 = 24
• 3.2 제안된 동적 보행시 자세 안정화 알고리즘 = 25
• 3.2.1 제자리 보행 = 25
• 3.2.2 동적 보행시 자세 제어 = 26
• 4. 요철노면에서의 보행 알고리즘 = 30
• 4.1 요철노면 상태 감지 및 다리관절의 대응 = 30
• 5. 알고리즘 시험용 로봇의 설계 및 제작 = 32
• 5.1 로봇의 관절 구성 = 32
• 5.2 로봇의 제어기 = 34
• 5.3 모션 편집기 = 36
• 5.4 로봇의 발바닥 하중센서 구성 = 38
• 5.4.1 발바닥 하중센서 구조 = 38
• 5.4.2 발바닥 하중센서의 성능 테스트 = 38
• 5.4.2.1 측정방법 = 38
• 5.4.2.2 센서의 신뢰성 테스트 및 결과 = 39
• 5.4.3 발바닥 하중센서의 설치 = 44
• 5.4.4 센서값을 이용한 로봇의 무게 중심 위치 테스트 = 45
• 5.4.4.1 실험방법 = 45
• 5.4.4.2 센서값을 이용한 무게중심 좌표 계산 = 46
• 5.4.4.3 무게중심 위치 테스트 및 결과 = 47
• 6. 제안된 알고리즘의 적용 및 성능평가 = 49
• 6.1 정지시 자세 안정화 실험 = 49
• 6.1.1 실험장치의 구성 = 49
• 6.1.2 실험방법 = 50
• 6.1.2.1 한발지지 상태에서의 외력 = 50
• 6.1.2.2 양발지지 상태에서의 외력 = 51
• 6.1.3 실험결과 = 51
• 6.1.3.1 한발지지 상태 = 51
• 6.1.3.2 양발지지 상태 = 53
• 6.1.4 실험결과의 고찰 = 55
• 6.2 동적 보행시 자세 안정화 실험 = 55
• 6.2.1 동적 보행 실험방법 = 55
• 6.2.2 동적 보행 실험결과 = 56
• 6.2.3 실험결과의 고찰 = 58
• 6.3 요철노면에서의 보행 실험 = 59
• 6.3.1 요철노면 실험방법 = 59
• 6.3.2 요철노면 보행 실험결과 = 59
• 6.3.3 실험결과의 고찰 = 61
• Ⅲ. 결론 = 62
• Ⅳ. 향후 과제 = 63
• Reference = 64
• Abstract = 65