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Vibration attenuation of robot hands using an inertial measurement unit during a humanoid robot walking = 관성측정장치를 사용한 휴머노이드 로봇 보행 중 손의 진동 저감 제어
서명 / 저자 Vibration attenuation of robot hands using an inertial measurement unit during a humanoid robot walking = 관성측정장치를 사용한 휴머노이드 로봇 보행 중 손의 진동 저감 제어 / Jong-Heon Lee.
저자명 Lee, Jong-Heon ; 이종헌
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2007].
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8018131

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MME 07003

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초록정보

When a humanoid robot is walking, it is common that movement of the upper body is interrupted by motion of the waist or vibration which occurs at the sole of the robot when it collide with the ground, For carrying stuff stably, the level control is needed for the hands of the robot to compensate those interrupts conveyed to the hands. IMU(Inertial Measurement Unit) was used to feedback the height level information. Double integration of the acceleration signal is subject to bias or drift. In this research, the analog integrator with high pass filter was introduced to have less quantization error than the digital integration filter. And also, for compensating the height level, extra joint angles are added to input reference angles using a numerical iteration method as an inverse kinematics. For proper coordinate transformation of the detected signal, tilt information was used along experiments. The frequency experiments with given sine pulse input were performed for system modeling to analyze the system or design the compensator instead of analytical system modeling. Using 5Hz spill-over filter in front of the system, the test result can be convincible even in the high frequency. Using system modeling, optimal controller with observer was designed and parameters were selected for better response in the simulation. And also after several experiments, the $5^{th}$ order pole placement was conducted based on the poles’ location from the optimal controller. Finally, the specific range compensator and the broad range compensator were designed and results of those compensators were explained by sensitivity functions in which smaller value in magnitude means better performance of against disturbance.

휴머노이드 로봇 보행 시 하체부의 움직임 혹은 바닥과 발바닥의 충격 등이 상체부에 전달되며, 손 부분으로 진동이 발생하며 손목부의 움직임에 방해를 가져온다. 물건 등을 안정되게 나르기 위해서는 이런 진동과 방해 움직임을 보상해 줄 수 있는 높이를 유지하기 위한 진동 저감 제어가 필요하다. 관성 측정 장치를 사용하여 손의 움직임을 피드백 시켜주었다. 이 때 사용되는 두 번의 적분은 늘 드리프트를 하거나 한쪽으로 치우쳐져 있을 수 있는 불확실성을 내제하고 있다. 이를 방지하기 위해, 하이 패스 필터가 달려있는 아날로그 적분기를 설계하였다. 특히나 아날로그 적분기는 디지털 필터에 비해 적은 양자화 오차를 가진다는 큰 장점이 있다. 이 후 피드백된 높이 정보는 7-자유도 라는 높은 자유도에서 구현하기 위해, 수치적 역기구학식이 아닌 수치적 반복을 이용한 역기구학식을 이용 추가적인 조인트 앵글값을 순환시켜주는 알고리즘이 사용되었다. 그리고 또한 스트랩다운 방식으로 신호가 측정되므로, 기울어짐을 고려하는 알고리즘도 더해져 있다. 시스템의 모델링은 수식적인 방법이 아닌 주파수 응답을 사용하여 구하였는데, 고주파 대역에서의 신뢰성을 가지기 위하여 5Hz 스필-오버 필터가 시스템에 추가되어 구현되었다. 이렇게 해서 얻게 된 시스템의 모델은 5차이므로, 총 5개의 폴의 위치를 선정하기 쉽지 않아 최적 제어 기법을 사용하여, 폴의 위치를 먼저 선정하였다. 최적 제어는 상태 순환 제어의 한 부류이나, 측정되는 상태변수가 한 개뿐이므로 나머지 상태 변수를 관측기를 설계하여 순환 시켜주었다. 이리하여 얻게 된 보상기는 3Hz 영역의 진동에서는 90%이상 극적으로 감소를 시킬 수 있지만, 나머지 영역에서의 성능은 크게 좋은 편이 되지 못한다. 이를 특정 영역 보상기로 정의하였고, 이는 원하는 특정 영역대에서 좋은 성능을 보이는 보상기이다. 넓은 영역을 위해 최적 제어 기법으로 얻어진 폴의 위치에서 조금씩 위치를 바꿔가며 보다 좋은 성능을 가진 보상기를 설계하여 특정 영역 보상기보단 저감 능력이 조금 떨어지지만, 보다 넓은 영역대에서 전반적인 저감 능력이 있는 보상기를 설계하였다.(5rad/sec 에서 24rad/sec까지 약 75% 저감 능력) 위에 설계된 보상기들은 민감 함수를 통해 그 성능을 평가하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MME 07003
형태사항 vi, 67 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 Appendix : A, MATLAB code for transform matrix. - B, MATLAB code for numerical iteration. - C, MATLAB code for compensator
저자명의 한글표기 : 이종헌
지도교수의 영문표기 : Jun-Ho Oh
지도교수의 한글표기 : 오준호
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 Includes reference
주제 Vibration
Accelerometer
IMU
Analog integrator
Humanoid
진동
가속도계
관성측정장치
아날로그 적분기
휴머노이드
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