빠른 보행을 위한 이족 로봇의 설계 = Design of Biped Robot for Fast Walking

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 이족 로봇을 설계하였고, 실제로 제작하여 보행 실험을 거쳐 안정된 걸음걸이를 구현하였다. 사람과 유사한 관절 구성을 구현하기 위해 설계된 이족 로봇은 둔부에 2개의 자유도를 가지고, 무릎에 2개의 자유도, 그리고 발목 부분도 각각 2개씩의 모터를 사용하여 2개의 자유도를 갖는다. 또한 다리부의 중심 이동에 관련된 자유도가 없기 때문에 전체적인 균형을 유지 시켜줄 균형추(Balanced pendulum)에 2개의 자유도를 가지고 있어 총 8개의 관절을 가지며, 두 다리를 연결시켜주고 몸체에 어떤 기구를 탑재할 수 있게 해주는 인간의 골반에 해당하는 플랫폼을 포함하여 총 9개의 링크를 갖는다.
무게를 최대한 줄이기 위하여 모든 링크를 알루미늄 합금으로 구성하였고, 상위 링크는 모터 외함에 하위 링크는 모터축에 베어링을 이용하여 링크와 링크사이를 연결하는 관절을 설계했다. 또한 그동안 모터와 1:1로의 제어기가 필요했으나 제어기의 재 설계 및 제작으로 8개의 모터를 병렬처리 할 수 있는 시스템을 구축하게 되었다.
이족로봇과 같은 다관절 시스템에서는 정밀한 제어를 요구하지만 PID 제어는 로봇의 진동을 야기하여 시스템을 불안정하게 만들 수 있기 때문에, 어느 정도의 정상상태 오차를 허용하고 진동을 최대한 억제할 수 있는 PD 제어기를 사용했다.
로봇의 보행은 주기적으로 반복되는 어떤 특정한 동작으로 이루어지기 때문에, 안정된 걸음걸이를 구현하기 위해서는 그런 특정한 동작 형태를 그 시스템에 적절하게 만들어내는 것이 중요하다. 본 논문에서는 안정된 걸음걸이 패턴을 생성하고 실험을 통하여 걸음걸이를 구현했다.
정적 보행에 있어서는 무릎과 균형추의 추가로 MBR-S1에서 있었던 다리부의 과부하의 문제점이 해결 됐으며 안정된 걸음을 유지하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this thesis, a biped robot is designed, and actually manufactured, and its performance of a stable walking is accomplished through experiments.
This robot has two legs on the hips. Hip, knee, and ankle part has 6 degree of freedom with six motors. and robot has Balanced pendulum. This pendulum part has 2 degree of freedom with two motor, and it keep the balance of robot. Robot has total eight part of joint, and nine part of link. Height of robot is 98.8cm, weight is 12.350kg.
All the links are made of aluminum to lessen the weight and a upper link is connected to the housing of motor. Additionally the joint connecting link to link is embodied by using the bearing to minimize the disturbance of motor. And redesigned controller of robot, so this controller operate eight motors to parallel.
Though multi-joint system like biped robot requires precise control, PI control set up vibration and this can make system unstable. So it is desirable to allow some steady-state error and use PD controller that can minimizes the vibration.
Because robot's walking is composed of a special moving in the system for embodying the stable walking. In this dissertation, the stable walking pattern is embodied and it is approved through experiment. When the robot walks, the experiment to dissipate the concentration of load to the specific joint is conducted.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 국문요약 = iv
• 목차 = v
• 그림차례 = vii
• 표차례 = viii
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 이족 로봇의 구성 = 5
• 2.1 전체적인 구조 = 5
• 2.2 기계적인 구성 요소 = 8
• 2.2.1 관절의 구성 = 8
• 2.2.2 링크의 구성 = 8
• 2.2.3 발의 구성 = 10
• 2.2.4 균형추(Balanced Pendulum) = 12
• 2.3 로봇의 기구학 = 14
• 2.4 시스템 구성 = 15
• 2.4.1 컨트롤러 = 15
• 2.4.2 I/O 설계 및 주변 장치 = 18
• 2.4.3 드라이버 = 21
• 2.4.4 서보 모터 = 23
• 제3장 이족 로봇의 제어 = 27
• 3.1 제어 시스템 = 27
• 3.2 관절 제어기 = 29
• 3.3 시스템 제어 성능 = 31
• 제4장 로봇의 보행 및 실험 = 32
• 4.1 안정도 판별 = 32
• 4.2 정적인 보행 = 33
• 4.3 동적인 보행 = 35
• 4.4 걸음걸이 생성에 대한 알고리즘 = 38
• 4.4.1 오프라인 계산 = 39
• 4.4.2 온라인 제어 = 41
• 4.5 실험 데이터 = 42
• 4.5.1 간략화 모델 = 42
• 4.5.2 부분 동작 = 44
• 제5장 결론 = 49
• 참고문헌 = 51
• Abstract = 54
• 감사의 글 = 56