둥근 발을 가진 유압구동 4족 로봇을 위한 유량 최소화 발 궤적 생성

Abstract

4족 로봇은 동적 보행과 정적 보행이 모두 가능하며 구조적인 특징에 의하여 비평탄면에서 보행할 때 안정성과 이동성을 고루 갖추고 있다. 하지만 이러한 보행 로봇은 큰 조인트 파워를 요구한다. 이렇게 큰 조인트 파워를 생성하기 위하여 부피에 비하여 큰 힘이 발생하는 유압 구동 장치를 사용한다. 특히 유압 구동 장치는 약 100kg 구간에서 다른 구동 방식들과 비교하여 가장 뛰어난 Power/weight Ratio를 갖는다. 하지만 유압 구동 방식은 효율이 상당히 낮기 때문에 에너지 자율성 및 독립적인 보행을 어렵게 만들며, 많은 열을 발생시킨다. 그래서 본 논문에서는 유압 구동 4족 로봇의 에너지 자율성을 증대시키기 위하여 유량 소비 최소화 보행 궤적 생성 및 운동 계획 알고리즘을 제안한다. 4족 동물들의 보행에서 앞다리는 몸체의 지지 및 방향 전환, 뒷다리는 추진력을 발생시키는 역할을 한다. 또한 지지하는 발은 지면에 대한 구름운동을 함으로써 에너지 소비를 최소화한다. 제안된 발 궤적 생성 방법은 이러한 동물의 보행과 유사하도록 로봇의 둥근 발을 이용하여 구름 운동 및 앞다리와 뒷다리의 지지 및 추진력을 발생시킬 수 있도록 생성된다. 먼저 여유 자유도를 가지며 둥근 발을 장착한 로봇의 다리 구조를 사용하여 운동 계획 알고리즘을 수행한다. 이렇게 생성된 모션은 보행 시 에너지 소비를 최소화 할 수 있도록 하는 지지발의 구름 운동을 생성되며 각 조인트의 회전 각속도를 줄이면서 둥근 발의 회전에 의하여 이동거리가 증가한다. 다음으로 비 평탄 지형에서 보행 환경에 따라 보행 궤적을 적합하게 변경할 수 있도록 하는 환경 변수, 보행의 안정성을 저해하는 요소인 지면 반력을 상황에 따라 줄일 수 있도록 하는 지면 반력 변수, 보행에너지 소모 최소화에 도움이 되는 발 끝 각도를 생성하는 보행 궤적을 생성한다. 제안된 알고리즘의 검증을 위하여 3차원 동역학 시뮬레이터인 리커다인을 이용하여 실제 로봇 하드웨어와 같은 시뮬레이션 모델을 생성하여 시뮬레이션을 수행하였다. 제안된 방법은 보행 시 일반적인 방법에 비해 약 20% 정도 유량을 감소시키며, 경사면 및 비평탄면에서 넘어지지 않고 이동한다는 것을 확인하였다.; Quadruped robot is able to walk dynamically and statically. And it has the good stability and mobility on the uneven terrain. Quadruped robot uses the hydraulic actuated system which has the high power/weight ratio around 100kg, because it needs the large joint torque. This paper proposes the foot trajectory generation method for trot pattern and the flow rate minimized motion planning algorithm for the hydraulic actuated quadruped robot which is mentioned above. Front legs' role of the quadruped animal is to support a body and to decide the change of direction. And hind legs' role is the generation of driving force. Also the supporting legs have a rolling motion about the ground to minimize a energy consumption. First, excute motion planning algorithm by using the robot's leg which have the round foot and the redundancy. This generated motion is similar to the animal's motion and decrease angular velocity of each joint. And increase step length by rolling of the round foot. Next, generate foot trajectory using the environment variable and the ground reaction force variable for walking on the uneven terrain. Simulations are carried out using the simulation models based on RecurDyne(3 demensional dynamic simulator) to prove the proposed algorithms. The proposed methods decrease the flow rate about 20% in comparison with the general method. And it is confirmed that the quadruped robot moves stably on the slope and the uneven terrain.