4족 보행 로봇의 외란에 대한 안정화 전략 연구

Abstract

본 논문은 4족 보행로봇에 대하여 보행 중 외란에 대한 안정화 전략에 대한 연구이다. Walking Trunk, KOLT, SCOUT 등 대표적 4족 보행 로봇들이 개발되었지만, 동적 보행과 동시에 외란에 대한 안정화 전략에 대한 연구는 실험을 통해 증명된 바가 없다. 발바닥과 상체가 있는 2족 보행 로봇과 달리 Point contact을 하며 상체가 없는 4족 보행 로봇의 경우 적절한 발뻗기를 통해서 만이 안정화가 가능하다. Swing Leg 가 Completely swing up 되었을 때 초기조건을 읽어 벌림 각 을 결정하고, 착지 전까지 다리를 벌린다. 착지 후 바뀐 Swing Leg가 다시 Swing up 될 때 까지 벌린 각을 다시 닫는다. swing leg가 swing up 되면 위 사항을 반복 한다. 특정 벌림 각 를 펴는 Dynamic equation을 세우고 Swing up 된 다리가 완전히 펴진 시각에 지면에 착지하도록 하는 벌림 각 α 를 해당 초기조건에 대한 벌림 각 $α_n$ 으로 결정한다. Robot을 Line Contact에 따라 바라보면 Supporting Leg를 기준으로 두 개의 Swing Leg가 있다. 이 두 Swing Leg를 동시에 착지하도록 하는 것이 위 벌림 각 $α_n$ 를 구하는 기준이 되는 것이다. 위와 같은 벌림 각 $α_n$ 를 가질 때, 이 전략의 Stability를 Linearized poincare map을 사용하여 검증하였다. 또한 3-d simulator를 통해 검증하였다. 임의의 외란을 주어 걸음 횟수가 지남에 따라 필요한 벌림 각 $α_n$ 가 작아짐을 관찰하였으며, 로봇의 기울기와 각속도 역시 0 에 가까이 수렴함을 보였다. 본 연구에서는 전략의 유효성을 보다 정확히 검증하기 위해 Motion Capture 장비를 사용하였다. 특히 기울기를 측정함에 있어 Body 에 Marker를 붙여 적외선 센서로 XYZ 공간상의 좌표를 기울기로 계산하여 Robot에 내장된 기울기 센서를 대체 하였다. 본 논문에서는 안정화 전략 뿐 아니라 Sensing 에 의한 불확정성을 Motion Capture 라는 객관적인 장비를 통해 배재할 수 있고 이를 실시간 사용할 수 있음을 제안한다. 마지막으로 설계한 전략을 실제 로봇에 적용하는 실험을 하였다. 먼저 외란이 없는 상태에서 전략을 적용하지 않고 걸었을 때와, 전략을 적용하고 걸었을 때의 차이점을 분석해본 결과, Normal Walking 시에도 Robot 자체적인 Perturbation 에 의해 초기조건이 (0,0) 이 아님을 관찰하였다. 전략을 적용하여 종전 보다 (0,0)에 가까운 보행 환경이 조성되었음을 Phase Portrait을 통해 확인하였다. 외란은 공을 던짐으로서 가하였고, 외란을 가했을 때 기존 보행 패턴만을 유지한 경우 쉽게 Tip Over 됨을 알았다. 마찬가지로 전략을 적용하고 외란을 가한 경우, Robot Body의 초기조건이 외란에 의해 바뀌었고, Simulation에서 얻은 Control Map에서 적정 벌림 각 $α_n$ 를 찾아 지속적인 발 뻗음 동작을 통해 안정화에 성공하였다. 걸음 횟수가 지남에 따라 필요한 벌림 각 $α_n$ 는 작아졌고 몸의 기울기와 각속도 역시 줄어 Neutrally stable 의 모습을 확인하였다. 실험을 통해 본 연구에서 제안한 안정화 전략이 유효 함을 증명 하였다.