2차 계획법을 활용한 2족 보행 로봇의 보행 패턴 개발

Abstract

본 논문의 목적은 2족 보행 로봇의 안정적인 몸체 궤적 형성에 있다. 안정적인 보행을 위한 기본 요소 중 하나는 로봇의 몸체(CoM, Center of Mass) 궤적 형성에 있다. 이를 위해 전통적인 방식인 Preview Control을 사용한다면, ZMP(Zero Moment Point)를 활용한 안정적인 보행이 가능하나, 걷기 시작하는 시스템 초기에 Preview Time이라는 지연시간을 필요로 한다. 이는 2족 보행 로봇이 빠르게 보행이나 주행을 시작해야 하는 상황에서 어려움이 존재한다. 따라서 본 논문에서는 Preview Control에서의 지연 시간인 Preview time을 필요로 하지 않는 새로운 보행 궤적 형성 방법의 개발을 진행한다. 이에 2차 계획법을 활용한 새로운 몸체 궤적 형성 방법을 제시한다. 이 방법은 ZMP를 통한 보행의 안정성을 유지하면서, 초기 환경에 빠르게 대응할 수 있도록 최적화 방법인 2차 계획법(Quadratic Programming)을 활용하여 2족 보행에 적용하였다. 2차 계획법을 활용한 보행 알고리즘 개발은 4족 보행 로봇인 LittleDog에 적용되었던 방법 중 하나로, 4족 로봇에 있어 안정적인 보행이 가능함이 증명된 방법이다. 이를 2족 로봇에 적용하기 위해 2족 로봇의 기구학적 해석, 보행 알고리즘 구현 및 시뮬레이션 실험을 진행하였다. 하지만, 4족 로봇과 2족 로봇의 하드웨어적 차이로 인해 시뮬레이션을 통해 로봇이 넘어지는 현상을 관찰 할 수 있었다. 따라서 본 논문에서는 이를 해결하기 위해 몸체 궤적을 형성하는 방법인 2차 계획법의 입력을 변형하여 사용하였으며, 이를 통해 2족 보행 로봇이 안정적인 보행을 할 수 있음을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인 할 수 있었다. 본 논문에서 제시된 보행 알고리즘의 검증을 위해 세계 휴머노이드 축구경기인 RoboCup 성인사이즈 리그 대회의 참가를 실험으로 삼아, 경기장과 같은 환경에서 시뮬레이션 및 실제 로봇의 구동 테스트를 진행하였다. 진행된 시뮬레이션과 실제 로봇 ALICE로부터의 실험 결과로 4족 보행 로봇의 알고리즘을 2족 보행에 적용할 수 있음과, 제시된 새로운 몸체 궤적 형성 방법이 2족 보행 로봇에서 안정적인 보행이 가능함을 확인 할 수 있었다.