유인원 로봇 시스템의 보행과 자세에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 유인원처럼 이족과 사족 보행을 수행할 수 있는 멀티로코모션이 가능한 로봇을 개발하기 위하여 기존의 로봇과는 구별되는 메커니즘들을 적용했다. 이족/사족 보행이 하나의 플랫폼에서 가능하도록 하기 위하여 생물학적인 관찰에서부터 시작하였다. 이족과 사족 생물들의 무게 중심 이동 특성과 support polygon의 관계를 파악하여 보행 방법에 따라 골반의 길이를 변경할 수 있는 메커니즘을 제안하였다. 이 메커니즘의 효용성을 알아보기 위하여 이족과 사족 보행 시, 골반의 길이에 따라 보행의 효율성 및 기능성이 어떻게 변하는지를 알아보았다. 이족 보행 시 골반의 길이에 따른 power소모량을 알아보았고 4족 보행 시, 골반의 길이에 따라 변하게 되는 지지 영역의 변화를 안정성 측면에서 고찰해 보았다. 또한 기능적인 측면에서 사족 보행 시 골반의 길이에 따라 바뀌는 작업 영역을 비교해 보았다. 보행 방법에 따른 생물들의 특징에서 나온 것처럼 골반이 넓을수록 사족 보행에 유리하였으며 좁을수록 이족 보행에 유리함을 증명하였다. 또한 유인원처럼 이족과 사족 보행이 동시에 되기 위해서는 로봇 팔이 보행과 매니퓰레이션 기능을 둘다 할 수 있어야한다. 이를 위해 유인원처럼 너클을 이용하여 자신의 무게도 지탱하면서 자신의 몸을 복원하는 역할을 하는 메커니즘을 제안하였다. 너클 메커니즘을 구현하기 위하여 4bar를 이용하여 구조적 강성을 갖도록 하였고 충격이 상대적으로 약한 모터에 영향을 미치지 않도록 하는 구조와 전략을 구성하였다. 또한 이 너클 메커니즘을 이용하여 외란이 작용하여 ZMP가 지지영역을 벗어날 때, 너클을 이용하여 지지영역을 넓혀서 ZMP가 지지영역에서 있도록 하는 전략을 만들었고 이를 시뮬레이션 해보았다. 이와 같은 메커니즘을 통해 개발된 유인원 로봇은 160cm 의 키에 80kg을 가지면서 35개의 자유도와 열화상, 라이다 센서, 스테레오비젼, 온습도 센서, 방사선 센서, IMU, FT센서를 탑재하여 주변 환경에 대하여 정보를 취득하여, 주변 모니터링과 로봇 제어를 하는데 이용한다. 이처럼 개발된 로봇이 여러 지형에서 거리 정보만을 가지고 보행 패턴을 생성할 수 있도록 하기 위하여 워킹 패턴 생성 방법을 고안하였다. 이 워킹 패턴 생성 방법은 5가지 factor만을 가지고 지형 종류에 따라, 지형의 정보에 따라, 모든 로봇에 적용시킬 수 있으면서 이 자체가 Z.M.P를 만족시키는 형태이다. 모션을 단순하게 하기 위해 정면, 옆면에서 본 모션으로 나누고, 각각의 평면에서 로봇의 다리와 골반이 움직이는 방법을 5가지 인자들과 연관 시켜 설명하였다. 제안하는 워킹 패턴 생성 방법은 로봇의 정보, 환경에 대한 정보, 안정성 척도를 포함하고 있어서 5개의 인자만 상황에 맞게 바꿔주게 되면, 지형 종류와 상관없이 적용이 가능하다. 또한 제안된 방법은 안정성, 에너지 효율, 액추에이터 성능을 고려하여 최적의 패턴을 생성시켜준다. 실제 두개의 로봇에 이 워킹 패턴 생성 방법을 적용하여 평지, 경사로, 계단을 극복 할 수 있는지 실험을 수행하였다.