Passive Dynamic Walking 기반 이족보행로봇 개발 및 자세안정화

이춘길,오연택 한국기계기술학회 2017 한국기계기술학회지 Vol.19 No.1

Walking method based zero moment position algorithms that can guarantee the stability of the biped walking robot while walking, but it moves the legs for the stability of the walking in a way that is not related to energy conservation. Walking method using ZMP can cause low battery efficiency and load on leg joints. The walking method using the passive walking, which is a natural and efficient method of walking, can reduce the load on the joints of the robot by using the method without using the inertia that occurs when walking and reduced control elements and efficient use of battery. In this paper, a biped robot with an actuator based on the principle of passive dynamic walker mechanism is applied to a passive walking algorithm. In order to solve the problem of stabilization of the posture during walking, the posture was stabilized by using the swing motion of the arm. and the walking movement of the robot was observed using the AHRS sensor applied to the robot .It was confirmed that the posture can be stabilized based on measured values using AHRS.

이족 보행 로봇의 보행 안정화 및 RFID를 이용한 경로 추종에 관한 연구

박종한(Jong-Han Park),김용태(Yong-Tae Kim) 한국지능시스템학회 2013 한국지능시스템학회논문지 Vol.23 No.1

이족 보행 로봇을 실생활에 적용하기 위해서는 다양한 환경에서의 강인한 보행 뿐만 아니라, 현재 위치를 인식하여 목표 위치로의 경로를 생성하고, 경로를 추종하는 기능이 요구된다. 최근에 많이 사용되고 있는 RFID는 이동 로봇의 위치인식 및 경로 생성에 손쉽게 활용이 가능하다. 그러나 이족 로봇은 보행시에 불안정성을 내포하고 있어 주어진 경로에서 벗어나기 쉽다. 본 논문에서는 FSR(Force Sensing Resistor)센서, 자이로와 가속도 센서를 이용하여 이족 보행 로봇의 보행 안정화 방법을 제안하였다. 또한 양발에 RFID 센서를 장착하여 이족 보행 로봇의 위치 인식 후 경로를 추종하는 알고리즘을 제안하였다. 제안된 보행 안정화 알고리즘은 실제 제작된 이족 보행 로봇을 이용하여 비평탄 지형에서 실험하여 검증하였으며, 경로 추종 실험은 RFID센서를 로봇의 발바닥에 장착하여 평탄 지형에서 보행실험을 통해 검증하였다. In order to apply a biped robot in real world, the robot requires a robust walking and a function of localization, path planning and navigation. Recently, localization and path planning using RFID of mobile robot has been studying. However, when the biped robot walks, it has unstability and tends to leave the path. In the paper we propose a method of walking stabilization using FSR(Force Sensing Resistor), Gyro and accelerometer for the real biped robot. Also a path tracking algorithm using RFID sensor attached in robot"s foot is proposed based on localization of the robot. The proposed algorithm is verified from walking experiments using real biped robot on uneven terrain and path tracking experiments on the RFID environments.

소비 에너지 분석을 통한 이족로봇의 저전력 보행 보정 기법

이창석(Chang-Seok Lee),나두영(Doo-Young Na),김용태(Yong-Tae Kim) 한국지능시스템학회 2010 한국지능시스템학회논문지 Vol.20 No.6

본 논문에서는 소비 에너지 분석을 통한 이족보행로봇의 저전력 보행 보정 기법을 제안하였다. 먼저 이족 로봇의 보행 기본자세의 각 축별 소비 에너지를 분석하여 소비 에너지를 절감하는 기본 보행 자세를 구현하였다. 이족 로봇의 보행 기본자세를 무릎 구부리는 자세로 정하여 소비에너지를 줄이고, 무게중심을 낮추어 자세 안정성을 향상하였다. 이족로봇의 보행시 모터 전류를 측정하여 좌우 다리의 소비 전력을 분석하고, 이를 바탕으로 좌우 에너지 불균형을 제거하도록 보행 자세를 보정하였다. 보행 기본자세의 좌우 소비 전력을 고르게 분포시키게 자세를 보정함으로서 전체 소비 에너지를 감소시키고, 로봇의 좌우 자세 균형을 맞추어 보행시 안정성을 향상하였다. 제안한 소비 에너지 분석을 통한 저전력 보행 구현방법은 임베디드시스템 기반의 소형 이족 로봇을 실제 제작하여 보행 실험을 통해 성능을 검증하였다. In this paper we propose a low-power walking compensation method for biped robot based on consumption energy analysis. Firstly, basic walking motions that can reduce energy consumption of robot movements are implemented based on consumption energy analysis according to robot axes. We define knee bent motion as a basic walking motion. It can improve energy consumption and motion stability by lowering center of gravity of the biped robot. We analyze consumption energy of left and right leg of the robot using motor currents and propose a compensation method of walking motions to reduce unbalance of consumption energy between left leg and right leg. It can also improve energy consumption and walking stability of the robot. The proposed low-power compensation method based on consumption energy analysis is verified by walking experiments of a small biped robot with an embedded system.

이족 보행로봇의 균형추 형태에 따른 안정성 해석

노경곤(Kyung-Kon Noh),김진걸(Jin-Geol Kim) Korean Society for Precision Engineering 2005 한국정밀공학회지 Vol.22 No.1

This paper is concerned with a balancing motion formulation and control of the ZMP (Zero Moment Point) for a biped-walking robot that has a prismatic balancing weight or a revolute balancing weight. The dynamic stability equation of a walking robot which have a prismatic balancing weight is conditionally linear but a walking robot's stability equation with a revolute balancing weight is nonlinear. For a stable gait, stabilization equations of a biped-walking robot are modeled as non-homogeneous second order differential equations for each balancing weight type, and a trajectory of balancing weight can be directly calculated with the FDM (Finite Difference Method) solution of the linearized differential equation. In this paper, the 3dimensional graphic simulator is developed to get and calculate the desired ZMP and the actual ZMP. The operating program is developed for a real biped-walking robot IWRIII. Walking of 4 steps will be simulated and experimented with a real biped-walking robot. This balancing system will be applied to a biped humanoid robot, which consist legs and upper body, as a future work.

이족 로봇의 보행 모델링 및 롤/피치/요 운동 특성 분석

김병호(Byoung-Ho Kim) 한국지능시스템학회 2011 한국지능시스템학회논문지 Vol.21 No.3

본 논문에서는 이족 로봇을 위한 가상의 다리에 기반한 보행 모델을 제시한 후, 시뮬레이션을 통하여 제시한 보행 모델의 근복적인 롤/피치/요(roll/pitch/yaw) 운동 특성을 분석한다. 이를 위하여 로봇의 무게 중심과 압력 중심에서의 운동 경로를 사람의 발걸음 운동 패턴과 유사한 임의의 패턴으로 설정하고, 이러한 경로를 따라 보행할 경우에 나타나는 주요 관성 성분 특성을 확인한다. 결과적으로 이족 보행에서 롤, 피치 및 요 방향으로의 운동은 보행 과정에서 생성될 수 있는 자연스러운 현상이며, 이것은 발걸음의 간격, 무게 중심의 위치 및 로봇 몸체의 이동 가속도와 밀접한 관계가 있슴을 보인다. 또한, 이족 보행의 밸런스 관점에서 발의 위치 설정을 위한 경로 계획의 중요성을 고찰한다. This paper presents a virtual-legged walking model for bipedal robots and analyzes its fundamental RPY(Roll, Pitch, and Yaw) motion effects by simulation. For the purpose of identifying the motion effects of the bipedal walking, we assign some arbitrary trajectories both at the center of mass and at the center of pressure of the robot based on human walking. And then we verify the major moments to the roll, pitch, and yaw directions of the robot. As a result, it is shown that those motions are natural in the process of bipedal walking and they are deeply dependent on the step distance, the vertical level of the center of mass, and the acceleration of the robot. The importance of trajectory planning for the footstep location during a bipedal walking is finally addressed in terms of balance.

25 자유도 인체크기 이족보행로봇의 개발

최형식(Hyeung-Sik Choi),오주환(Ju-Hwan Oh),이상준(Sang-Jun Lee),Gyu-Deuk Hwang 대한기계학회 2005 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2005 No.5

In this paper, a study on a new biped walking robot was performed. The developed BWR has 25 degree of freedom, 173cm height and 92kg weight. Each leg of the robot is composed of 6 DOF joints. In addition to this, the robot has 5 DOF joints at each arm and has 3 DOF for eye motion. Especially, three pitch joints of the four-bar-link mechanism are actuated by the ball screw which has high strength and high gear ratio. The BWR was designed to walk by adapting small DC motors for the robot actuators with developed motor drivers. Walking algorithms of the robot are generated using force sensors. To track the generated trajectories, the PID control algorithm was applied using a motion controller.The stable walking motion of the BWR is shown through the walking test.

3차원 장애물에서의 이족보행로봇을 위한 이동경로계획 알고리즘의 설계

민승기,김대원 명지대학교 대학원 1997 대학원논문집 Vol.1 No.-

This paper presents a path planning algorithm for biped walking robot in 3D workspace. Since the biped walking robot can generate path on some 3D obstacles that cannot generate path in case of mobile robot, we have to make a new path planning algorithms. A 3D-to-2D mapping algorithm is proposed and two kinds of path planning algorithms are also proposed. They make it easier to generate an efficient path for biped walking robot under given environment. Some simulation results are shown to prove the effectiveness of proposed algorithms.

로봇 발의 접촉 반발력이 무릎 및 힙 관절에 미치는 영향

김병호(Byoung-Ho Kim) 한국지능시스템학회 2013 한국지능시스템학회논문지 Vol.23 No.1

본 논문에서는 컴플라이언스 특성의 발을 갖는 이족 로봇의 다리 메커니즘을 제시한 후, 이족 로봇을위한 전형적인 보행 패턴에서 발의 접촉 반발력과 이것이 무릎과 힙 관절에 미치는 영향을 고찰하고자 한다. 이러한 분석은 보행 로봇이 걸음 동작을 수행할때, 발의 물리적인 접촉력의 영향을 파악하는데 있어서 유용하고, 다리 메커니즘의 관절 사양을 결정하는데 활용될 수 있다. 결과적으로, 로봇 발 메커니즘의 컴플라이언스 특성이 발의 접촉 반발력에의해 영향을 받는보행 다리 관절의토오크 특성을 완화시키는데기여할 수 있음을 보인다. This paper presents a model of bipedal leg mechanism with a compliant foot, and the contact repulsion of the foot for a typical walking pattern and its influence on the knee and hip joints of the leg will be analyzed. This analysis is useful for us to figure out the physical impact of the foot when a walking robot takes a step. Also it can be applied to determine the joint specification of the leg mechanism. As a result, it is shown that the compliance characteristics of a robotic foot can contribute to alleviate the joint torques of the leg affected by the contact repulsion of the foot.

영상 처리를 이용한 소형 이족 보행 로봇의 임무 수행

김남훈,하종은 한국전자통신학회 2016 한국전자통신학회 논문지 Vol.11 No.12

This paper deals with performing missions of a small biped robot using image processing. Localization is required for stable walking under a given map. Localization of the robot is done by extracting boundary on a driving course. Estimation of three parameters including location and orientation is required when walking on a plane. In this paper, two parameters including the location of the robot along the vertical direction of robot's walking direction and an orientation is estimated for localization. Color is used for the detection of obstacles and normalized values are used for the stable detection. 본 논문에서는 영상 처리를 이용한 소형 이족 로봇의 임무 수행에 대해 다루도록 한다. 주어진 지도상에서 안정적인 보행을 위해서는 위치 인식이 필요하게 된다. 주행 경로상의 경계를 추출하여 로봇의 위치 정보를 추정하도록 한다. 평면상에서 운동하는 경우 위치와 방향으로 이루어진 세 개의 인자의 추정이 필요하다. 본 논문에서는 주행 경로상의 수직 방향의 로봇의 위치와 진행 방향등 두 개의 인자를 추정하여 위치 추정을 하도록 한다. 장애물 검출을 위해서는 칼라 정보를 이용하도록 하며 안정적인 검출을 위해 정규화된 값을 이용하도록 한다.

이족 로봇 다리 관절의 일 특성 고찰

김병호(Byoung-Ho Kim) 한국지능시스템학회 2013 한국지능시스템학회논문지 Vol.23 No.3

본 논문에서는 이족 보행 로봇을 위한 무릎 및 힙 관절의 일 특성을 분석하고자 한다. 이를 위하여 컴플라이언스 특성의 발을 갖는 이족 로봇 다리 메커니즘을 대상으로 전형적인 보행 패턴을 고려한다. 또한 딱딱한 지면과 접촉하는 로봇 발 공간으로부터 다리 관절 공간으로 전파되는 토오크 특성을 확인하고, 보행에 따라 관절 공간에 누적되는 일 특성을 제시한다. 결과적으로, 이러한 분석이 이족 로봇의 보행에서 발과 지면의 물리적인 접촉에 의한 다리 메커니즘의 피로 정도를 파악하는데 있어서 유용하고, 적절한 신발 착용 등에 의한 로봇 발 공간에서의 컴플라이언스 특성 개선에 활용될 수 있음을 보인다. This paper analyzes a virtual work of the knee and hip joints of bipedal walking robots. For the purpose, we consider a model of bipedal leg mechanism with a compliant foot and a typical walking pattern. We also check the torque characteristics at the joint space propagated from the space of the foot contacting a flat and stiff surface, and present the works accumulated at the joint space. As a result, it is shown that this analysis is useful for evaluating the fatigue of the leg mechanism by the physical walking contact between the foot and the surface, and it is applicable for improving the compliant characteristics at the foot space by employing a proper footgear.