4절링크 발가락 조인트를 이용한 휴머노이드 로봇의 2족 보행 패턴의 효율성에 관한 연구

Abstract

본 연구의 목적은 휴머노이드 로봇의 2족 보행 에너지 효율성 증가에 있다. 전통적인 방식을 따르는 2족 보행 로봇은 무릎을 굽히고 걷는 보행 패턴을 가지고 있으며, 무릎에 필요 이상의 하중이 발생 된다. 또한, 안정적인 보행을 할 수 있는 로봇이라도 인간에 비하면 자유도가 아주 낮은 구조를 가지고 있기 때문에 보행 할 때 여자유도가 없는 평평한 발바닥이 항상 지면과 평행 하게 위치하며, 다리를 swing하여 앞으로 뻗은 후 무게 중심을 옮겨 발바닥이 지면에 닿는데 어려움이 존재한다. 그렇기 때문에, 본 논문에서는 휴머노이드 로봇이 무릎을 굽히지 않고 무게중심을 앞으로 옮기며 자연스럽게 걸을 수 있도록 발가락 조인트가 장착된 2족 보행 로봇의 개발을 진행한다. 이 때, 무릎 조인트에 작용하는 하중이 줄어든 만큼 발가락 조인트에 작용하는 오류를 피하고자 4절 링크 메커니즘을 적용시킨다. 4절 링크 메커니즘을 적용한 발가락 구조는 단순히 회전축이 1개가 아닌 4개의 회전축을 이용하여 로봇이 전진할 때 발가락뿐만 아니라 발바닥의 앞부분도 지면에 닿을 수 있게 한다. 그렇기 때문에 발가락 조인트 각 축에 전달 되는 하중을 분산 시킬 수 있다. 이러한 발가락을 적용시킨 52.2cm크기의 2족보행 로봇을 개발하였고, 기구학적 해석, 역기구학을 통해 보행 모션을 만든 후 ZMP를 측정하며 발가락이 없는 로봇과 다른 보행 패턴을 적용하여 실험을 진행 하였다. 최대 보폭, 최대 속력, ZMP 그래프, 최대 전류를 측정 하였고 발가락이 적용된 로봇의 효율성을 입증하기 위해 발가락이 없는 로봇과 비교 하며 구동 테스트를 진행하였다. 그 결과 발가락이 없는 로봇에 비해 빠른 최대 속력과 큰 최대 보폭이 측정 되었으며, 부드러운 ZMP 변화 그래프를 확인 할 수 있었다. 뿐만 아니라 전류 측정 결과 더 낮은 전하량을 확인 할 수 있었고 따라서 발가락이 있는 휴머노이드 로봇의 2족 보행 에너지 효율성을 입증할 수 있었다. |The purpose of this study is to increase the efficiency of biped walking energy of humanoid robot. The traditional biped walking robot has a walking pattern with its knees bent, more than necessary load is generated on the knees. In addition, even robots that can walk stably have a lower DOF than humans, so when walking, the flat sole without extra DOF is always parallel to the ground, and it is difficult for one leg to swing forward and move the center of gravity to touch the ground. Therefore, in this paper, the development of a biped walking robot with toe joints is carried out so that the humanoid robot can walk naturally by moving the center of gravity forward without bending its knees. And, as the load acting on the knee joint is reduced, a four-bar linkage mechanism is applied to avoid errors acting on the toe joint. The toe structure applying the four-bar linkage mechanism allows not only the toes but also the front of the sole of the foot to touch the ground when the robot moves forward using four rotation axes, not just one rotation axis. Therefore, it is possible to disperse the load transmitted to each axis of the toe joint. A 52.2cm biped walking robot was developed with the above toes applied, and after making walking motion through forward kinematics and inverse kinematics, ZMP was measured, and experiments were conducted by applying a walking pattern different from that of a robot without toes. Maximum step length, maximum speed, ZMP graph, and maximum current were measured, and experiment was conducted by comparing them with flat feed robot to prove the efficiency of the robot to which the toe was applied. As a result, the maximum speed and the maximum step length were measured faster and larger than those of robots without toes, and a smooth ZMP change graph could be confirmed. In addition, the current measurement showed a lower amount of electric charge, thus proving the energy efficiency of the biped walking of humanoid robots with toes.