인간형 스키 로봇의 동적 안정성 해석을 위한 시뮬레이션 및 실험에 관한 연구

Abstract

최근 휴머노이드 연구는 보행뿐만 아니라 인간을 모방, 혹은 인간과 협력하여 다양한 업무를 진행하는 것으로 확대되고 있다. 대표적으로 미국 국방부 산하 연구 기관인 DARPA가 2012년부터 2015년까지 주최한 ‘DARPA Robotics Challenge (이하 DRC)’를 들 수 있다. DRC는 후쿠시마 원전을 모델로 8가지 인간의 임무를 수행하는 경진대회로서 전 세계 다양한 형태의 로봇들이 임무를 수행하기 위하여 도전했었고 현재까지도 가장 큰 규모의 로봇대회로 기록되고 있다. DRC대회의 결선에 진출한 24개의 로봇 중 21대의 형태가 인간 형태의 휴머노이드 로봇이었다. DRC대회 이후 각종 서비스 로봇의 출현으로 휴머노이드 로봇의 다양한 임무 수행 능력은 점차 중요해 지고 있다. 본 연구에서 개발된 스키 로봇 다이애나는 23-DOF(Degree of Freedom), 1.2m 높이의 신장, 30kg의 질량을 가진 휴머노이드로 2018년 2월 평창에서 개최된 ‘스키로봇 챌린지’에 참가하였다. 스키로봇을 실제 실외 스키슬로프에서 실험하기 위해서는 공간, 운반, 환경 등 많은 제약조건이 따른다. 따라서 개발기간 동안 로봇 개발을 성공하기 위해서는 신뢰성 높은 시뮬레이션을 개발할 필요가 있다. 본 논문은 스키로봇의 시뮬레이션 개발을 위하여 스키 로봇과 주행 환경을 동역학적으로 모델링하여 시뮬레이션 하였고 그 결과를 실험 결과와 비교하였다. 시뮬레이션은 스키 로봇이 만들어 내는 ZMP가 스키 플레이트 안쪽에 있어야 스키 로봇은 넘어지지 않고 주행할 수 있다는 가정을 바탕으로 스키 로봇의 진행 경로에 따른 ZMP변화를 예측하는데 중점을 두었다. 이 시뮬레이션 결과를 스키 로봇의 FT 센서의 측정을 통해 얻어진 실제 주행 상태에서의 ZMP 실험 결과와 비교하였다. 이 비교를 통해 본 논문에서 제시한 시뮬레이션의 타당성과 신뢰성을 검증하였다. 본 연구에서 진행된 시뮬레이션 결과가 실제 실험의 결과와 유사하게 나왔다. 따라서 본 연구에서 제시한 시뮬레이션으로 스키 로봇 성능 및 안정성에 대한 경향을 파악하기에 충분하다고 판단된다. 본 연구로 스키로봇의 ZMP 이동 경로를 예측함으로써 스키 로봇 개발에 있어서 많은 시간과 비용을 절감할 수 있었고 특히 8개월이라는 짧은 개발 기간 동안 개발된 스키로봇 과제 성공에 큰 기여를 할 수 있었다. 향후 보다 다양한 조건에서의 스키로봇 실험을 통해 본 연구에서 제시한 시뮬레이션의 가정 및 제한 조건들을 업그레이드 하여 보다 정밀하고 신뢰성 높은 시뮬레이션이 개발되기를 기대한다.; Recently, humanoid research has been expanded not only to walk but also to imitate humans, or to carry out various tasks in cooperation with humans. The DARPA Robotics Challenge (DRC), hosted by the US Department of Defense's research organization DARPA from 2012 to 2015, is a typical example. DRC is a competition for eight human tasks modeled on the Fukushima nuclear plant. Various types of robots around the world have been challenged to carry out their duties, and they are still recorded as the largest robot competition ever. Of the 24 robots that entered the DRC competition, 21 were humanoid robots. With the emergence of various service robots since the DRC competition, various humanoid robot’s ability to perform tasks has become increasingly important. DIANA, a ski robot developed in this study, participated in the 'Ski Robot Challenge' held in Pyeongchang in February 2018 with 23-DOF (Degree of Freedom), a humanoid with a height of 1.2 m and a mass of 30 kg. In order to test a ski robot on an real ski slope, there are many constraints such as space, transportation, and environment. Therefore, it is necessary to develop a reliable simulation in order to succeed in the robot development during the development period. In this paper, kinematic modeling and simulation of a ski robot and its driving environment are simulated for the development of a ski robot simulation, and the results are compared with experimental results. The simulation focuses on predicting the ZMP changes along the path of the ski robot based on the assumption that the ski robot is able to travel without falling down because the ZMP generated by the ski robot is inside the ski plate. The results of this simulation are compared with those of the ZMP experiment in the actual running state obtained by measuring the F/T sensor of the ski robot. Through this comparison, the validity and reliability of the simulation presented in this paper are verified. The results of simulations conducted in this study are similar to those of actual experiments. Therefore, it is considered that the simulation presented in this study is enough to grasp the tendency about the performance and stability of the ski robot. In this study, it was possible to save much time and cost in the development of ski robots by predicting the ZMP movement path of the ski robot, and it was able to contribute to the success of the ski robot task developed especially during the short development period of 8 months. It is expected that more precise and reliable simulations will be developed by upgrading the assumptions and constraints of the simulations presented in this study through the experiments of ski robots under various conditions in the future.