4족 로봇의 에너지 효율 향상이 고려된 보행 패턴 생성 알고리즘의 연구 = A Study on Walking Pattern Generation Algorithm Considering Improvement of Energy Efficiency for Quadruped Robot

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 4족 로봇의 에너지 효율 향상이 고려된 보행 패턴 생성 알고리즘의 연구에 대해서 서술하였다. 4족 로봇으로 유명한 Boston Dynamics의 BigDog부터 가장 최근 로봇인 SpotMini까지 대부분이 허리 움직임을 나타낼 수 없는 형태이며, 실제 4족 동물과 비교하였을 때 부자연스러운 보행만이 아니라 낮은 관절 자유도로 인하여 낮은 에너지 효율을 보이는 문제를 가지고 있다.
위와 같은 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 4족 로봇에 허리 관절이 추가하여 4족 로봇의 허리 모션 및 보행 패턴 생성 연구를 수행하였다. 먼저, 실제 개의 보행에 대해 연구한 논문을 참고하여 로봇의 보행 파라미터들의 선정 및 로봇 발의 궤적을 생성하였다. 그리고 프리뷰 제어 (Preview control)를 이용하여 안정적인 보행을 위한 몸통 무게 중심 위치 궤적을 생성하였고, 실제 4족 동물의 움직임과 유사하며 전체 에너지 효율을 높일 수 있는 허리 모션 생성 방법을 결합하여 4족 보행 패턴 생성 알고리즘을 형성하였다. 최종적으로 4족 보행 로봇의 에너지 효율 향상 및 보행 안정성 확인을 위해 Webots 동역학 시뮬레이터를 통한 검증과 실제 허리 관절이 포함된 4족 로봇 PongBot을 통한 실험으로 최종 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper deals with a walking pattern generation algorithm considering improvement of energy efficiency for quadruped robot. In order to generate a gait pattern similar to a dog, we selected parameters related to the generation of quadruped walking patterns from research data about gait pattern of a dog, and presented a method of generating a foot trajectory of the quadruped robot. In addition, we proposed a reference ZMP generation method to maintain walking stability and a waist motion generation method to improve energy efficiency. And we derived a CoM trajectory that satisfies the methods described above by using a preview control again method. Finally, we got an optimal waist rotation method for each walking type from the energy efficiency analysis of various types of waist rotation method using Webots, a commercial dynamics simulator, and obtained experiment results by applying the optimal waist rotation method to actual quadruped robot. And we verified a necessity of waist motion in quadruped walking by comparing energy efficiency according to presence or absence of waist motion.

목차 (Table of Contents)

• 요약 ⅰ
• 표 목차 ⅳ
• 그림 목차 ⅴ
• 기호 설명 ⅶ
• I. 서 론 1
• 1. 4족 로봇 개발 현황 1
• II. 실제 개의 보행 패턴 데이터 분석 4
• 1. 실제 개의 보행 패턴 4
• 2. 보행 파라미터 선정 5
• 3. 걸음 주기 및 보폭 생성 8
• III. 4족 보행 패턴 생성 알고리즘 10
• 1. 시뮬레이션 4족 로봇 사양 및 보행 알고리즘 순서도 10
• 2. 발 보행 궤적 생성 14
• 3. 참조 ZMP 궤적 생성 15
• 4. 허리 회전 모션 생성 16
• IV. 허리 모션을 반영한 프리뷰 제어 19
• 1. 반복 프리뷰 제어 방법 19
• V. 동역학 시뮬레이션 및 에너지 분석 24
• 1. 보행 패턴 생성 및 안정성 분석 24
• 2. 보행 패턴 소비 에너지 분석 27
• VI. 실제 로봇 실험 및 에너지 분석 32
• 1. 실험 방법 32
• 2. 보행 패턴 소비 에너지 분석 및 안정성 분석 34
• VII. 결 론 41
• 참고문헌 42
• 영문초록(Abstract) 44
• 감사의글