Simple force withstanding balance control for a optimal torque based biped robot under a continuous external force

Abstract

이족보행 로봇(휴머노이드 로봇)은 인간의 형상이나 동작을 본떠 만든 로봇이다. 이러한 로봇의 장점으로는 인간의 동작을 재현해 낼 수 있고 또한 인간이 일하는 것과 같은 방법으로 일을 할 수 있다는 것을 들 수 있다. 또한 다른 장점은 다른 기능성이 강조된 로봇과는 달리 인간에게 친숙하게 다가온다는 것이다. 이러한 휴머노이드 로봇의 가장 큰 기능은 인간과 같이 두 발로 걷거나 뛸 수 있다는 점이다. 휴머노이드 로봇의 걸음걸이에 관한 연구는 휴머노이드 로봇연구분야 중 가장 활발히 연구가 수행되고 있는 분야이고 많은 연구자들이 현재에도 연구를 수행하고 있다. 최근들어 개발된 휴머노이드 로봇들의 걸음걸이를 보면 이러한 연구분야는 이제 성숙단계에 이르게 된 것을 볼 수 있다. 또한 이러한 휴머노이드 로봇들은 걸음걸이 뿐만이 아니라 능숙하게 달릴 수도 있다.

이러한 휴머노이드의 걸음걸이에 관한 연구에 추가하여 많은 연구자들이 외력이 가해지는 상황에서 휴머노이드 로봇의 균형잡기에 관한 연구를 수행해 왔다. 최근의 휴머노이드 로봇의 개발동향은 이러한 휴머노이드 로봇의 제작단계에서 어느정도 충격에 강인한 설계를 추가하는 경향이 있지만 여전히 충격에는 상대적으로 약한 것이 사실이다. 그리하여 이러한 휴머노이드 로봇이 외력에 의해 넘어질 경우 상당한 피해를 입을 수 있다. 또한 이러한 휴머노이드 로봇은 걷고 있을 때 이러한 외력에 더 약한 것이 사실이다. 그러므로 이러한 휴머노이드 로봇의 균형잡기에 관한 연구는 매우 중요한 연구주제라 할 수 있다.

본 논문에서는 토크 효율적으로 걷고 있는 이족보행로봇에 알 수 없는 연속적 외력이 가해졌을 때 이러한 외력으로부터 넘어지지 않고 균형을 잡는 연구를 수행했다. 먼저 본 논문에서는 단일목적의 최적화 함수 및 Tchebyshev 방법을 이용하여 토크 효율적인 걸음걸이를 생성한 후 이러한 걸음걸이를 걷고 있을 때 외력이 가해진 상태에서 균형을 잡는 알고리즘을 개발하였다.

제안된 균형제어방법은 4가지 요소로 구성된다. 그것들은 Withstanding Balance Control Strategy 1, Withstanding Balance Control Strategy 2, Double Support Phase(DSP) Control Strategy, External Force Avoidance Control Strategy 이다. Withstanding Balance Control Strategy 1은 로봇의 몸 전체가 움직이고 외력에 대항하며 ZMP를 피드백하는 제어방법이다. Withstanding Balance Control Strategy 2는 Withstanding Balance Control Strategy 1과 거의 유사한데 다른 점은 로봇의 몸통을 움직여 관절에 걸리는 토크를 감소시키는 데 있다. Withstanding Balance Control Strategy 1과 2는 모두 ZMP를 발 중앙에 위치시키는데 그 목적이 있다. 이 두 제어방법 후에 DSP Control Strategy 혹은 External Force Avoidance Control Strategy가 작동되는데, DSP Control Strategy는 $H_{\infty}$ 제어기를 이용하여 로봇을 두발로 디디게 하는 제어방법이다. External Force Avoidance Control Strategy는 7개의 질량을 가진 로봇모델 및 동역학을 이용하여 로봇을 외력으로부터 회피하게 한 후 동적 안정으로 로봇을 놓이게 하는 제어방법이다.

통합된 균형제어방법(Unified Balance Control Strategy)은 이러한 4가지 요소제어법으로 구성되어 있으며 4가지 요소제어법을 조건에 따라 결합하여 이족보행로봇의 제어토크를 최소화하는데 그 목적이 있다.

제안된 균형제어방법은 수치해석 및 실험으로 검증되었다.