보행 로봇의 자세제어를 위한 위치 추정 통합 센서 시스템 개발

Abstract

휴머노이드 로봇은 사람과 닮고 사람과 같이 행동하여 인공적으로 만들어진 환경에서 공존 할 수 있는 로봇을 만들고자 하는 인간의 갈망에서부터 시작되었다고 할 수 있다. 휴머노이드 로봇(Humanoid Robot)의 최종 목적은 모든 점에서 인간과 유사한 기능을 하는 것이다. 또한 연구자들이 휴머노이드 로봇을 연구하는 것은 사람과 같이 수천 만년간 진화한 생물이 최적화된 결과물일 것이라는 생체모사 공학(Biomimetic Engineering)관점에서 사람의 행동, 구조, 제어 메커니즘(mechanism)등을 파악하여 기술의 발전 방향을 가늠하며 공학적 영감을 얻기 위함이다. 로봇의 센서 시스템은 인간의 센서 시스템과 아직 다른 점이 존재 하며 그 것은 비전 센서의 활용도이다. 현재의 휴머노이드 로봇은 인간에 비하여 비전 센서의 아주 작은 부분만을 사용하고 있다. 휴머노이드 로봇은 로봇-인간의 상호작용(Human-Robot Interaction)을 위하여 비전 센서를 사용하지만 자세제어를 위한 경사각 센서로써 비전을 사용하는 연구는 아직까지 기초 단계이다. 비전 센서를 경사각 센서로 사용하기에는 아직까지 많은 문제점이 있다. 비전 센서를 폐루프 제어를 위한 경사각 센서로 사용하는 경우는 몇몇 예가 있다. 도립 진자나 로봇 매니퓰레이터(Robot manipulator)와 같은 경우가 대표적이다. 하지만 이러한 방법은 휴머노이드 로봇의 자세제어에 사용하기에는 큰 문제점이 있다. 비전 센서가 바라보는 물체의 위치를 추정할 뿐 카메라 자신의 위치를 추정하지 못하고 또한, 비전 센서가 한곳에 고정되어 있기 때문에 자유자재로 움직이는 휴머노이드 로봇에 적용하기에는 한계가 있다. 최근 연구자들은 휴머노이드 로봇의 경사각을 측정하는 비전 센서에 대해서 연구해왔다. 하지만 아직까지 계산 시간에 따른 낮은 샘플링 주파수, 추정 시간 지연 그리고 물리적인 한계에 의한 제한적인 추정 가능 범위 등의 문제점이 있다. 본 연구에서는 현 비전 센서의 문제점들을 보완하여 휴머노이드 로봇의 자세제어를 수행 할 수 있는 센서 시스템을 개발하고자 한다. 낮은 샘플링 주파수와 추정 시간 지연 문제를 해결하기 위해서는 개선된 퓨전 필터를 사용하여 자이로 센서와 통합하고자 한다.추정 가능 범위의 확장은 기존의 안정화 제어에 많이 사용되는 짐벌 구동기를 이용하여 안정화 제어를 통해 수행하고자 한다. 비전 센서를 항상 한곳만 바라보게 함으로써 시야가 추정 가능 범위내에 고정되도록 제어하고자 한다. 또한 비전 센서의 경우 초기 영상의 위치가 잘못 잡힌 경우 절대 각과의 오차가 발생할 수 있으며, 이를 해결하기 위한 방법을 제안하고자 한다. 본 연구에서는 휴머노이드 로봇의 자세를 충분히 묘사할 수 있는 도립 진자를 제작하여 실험을 수행하고자 한다. 휴머노이드 로봇의 가장 큰 특징은 이족 보행이며, 보행에 의한 움직임을 도립 진자로 충분히 묘사할 수가 있다. 도립 진자의 제어를 통해 제안한 통합 센서 시스템의 성능을 분석하고자 한다.