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A study on the design of quadruped walking robot and its push recovery strategy = 사족보행로봇 설계와 외란복원기법에 대한 연구
서명 / 저자 A study on the design of quadruped walking robot and its push recovery strategy = 사족보행로봇 설계와 외란복원기법에 대한 연구 / Jae- Wook Chung.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2010].
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A reliable and robust quadruped robot platform that enables the implementation of stable and fast static/dynamic walking on even or uneven terrain and walking while carrying a payload is developed. Developed robot platform has 12 degrees of freedom and its height, length and width are 0.86m, 0.8m, 0.34m respectively. It weighs 42kg with a battery. The robot consists of one trunk and four equal legs and the legs are mounted symmetrically on the corners of the trunk. The legs have the same kinematical structure and each leg has 3 active d.o.f. : hip roll (abduction/adduction), hip pitch and knee pitch (flexion/extension). A lightweight but highly rigid platform is achieved via a double supported beam type joint design and trunk frame design using aluminum alloy tube. A small, light but high output power joint actuator is designed with a harmonic reduction gear and electric motor which has high speed and output power. Because hip pitch and knee joint need more power while robot walks, two motors are allocated on the hip pitch and the knee joint. The details of mechanical design and concepts for achieving design objectives effectively are described in this paper. A distributed control system is used since it can reduce the computational burden of the main computer and easily extend the electrical components. Microprocessor-based sub-controllers are developed for motor control and sensor signal feedback. The main computer which is mounted on the trunk, communicates with the sub-controller via the CAN (Controller Area Network) protocol. We used Windows XP as an OS and have established a real-time control system in Windows XP by using RTX (Real Time eXtension) software. In order to demonstrate the performance of the robot platform, simple experiments were implemented. Forward/backward walking pattern is designed considering a quadruped mammal`s walking motion. Also, we develop the push recovery strategy for dynamic walking quadruped robot. Because trot gait always drive a pair of diagonal legs simultaneously, it is ideally contacting and leaving the ground at the same time. By considering a pair of legs as a one virtual leg, we can transform trot gait quadruped robot as a virtual biped gait. Under several hypotheses, dynamic model of trot gait is consisted of two parts: One is swing phase and the other is a double support phase. A simple model which has a point mass at hip and mass-less leg is extensively used to explain push recovery algorithm in many previous researches. Because they ignore the leg mass, velocity of swing leg does not cause a disturbance to the motion of the body. But, in real robot, leg mass is not small. Therefore, velocity of swing leg causes the significant disturbance to the motion of the body. We have proposed the push recovery strategy and shown how to compute solutions of the Capture Point predicted using the Linear Dynamic Model, which is considered leg mass and velocity of swing leg. We calculated a Capture Point at predefined trigger events, not continuously throughout the swinging phase. We validate our proposed push recovery strategy on a one dimensional robot simulation with dynamic model of trot gait.

평탄한 지형 및 비평탄 지형에서도 빠르고 안정적인 정적/동적걸음새를 구현할 수 있는 신뢰도 높고 강인한 사족보행 로봇 플랫폼을 개발하였다. 개발된 로봇 플랫폼은 12자유도를 가지고 있으며, 0.86m의 높이와 0.8m의 길이 그리고 0.34m의 폭으로 설계되었다. 로봇은 하나의 몸체와 네 개의 동일형상 다리로 구성되었으며, 각 다리는 몸체의 각 구석에 대칭으로 장착되었다. 다리는 힙 롤, 힙 피치, 무릎 피치의 3 자유도를 가지고 있다. 프레임 타입의 구조와 양단지지 방식의 조인트 설계기법을 사용하여 가볍지만 높은 강성을 지난 시스템을 구현하였다. 몸체 프레임은 알루미늄 합금 튜브를 사용하여 설계하였다. 높은 회전속도와 출력을 발생하는 전기모터와 하모닉 감속기어를 사용하여 작고 가볍지만 높은 출력을 지닌 조인트 구동장치를 설계하였다. 힙 피치와 무릎 조인트는 로봇이 주행할 때 많은 힘을 요하기 때문에, 두 개의 모터를 병렬로 연결하여 구동부의 성능을 증가시켰다. 설계 요구사항을 효과적으로 달성하기 위한 설계 주안점과 기계적 세부설계 사항을 기술하였다. 분산제어방식을 채택하여 주제어기의 연산 부담을 덜어주며 외부 전기장치를 쉽게 확장할 수 있도록 하였다. 모터제어 및 센서신호 처리를 위하여 마이크로 프로세서를 기반으로 한 부제어기를 개발하였다. 로봇의 몸체에 부착된 주제어기는 CAN(Controller Area Network) 프로토콜을 사용하여 부제어기와 통신한다. Windows XP를 시스템의 운영프로그램으로 사용했으며, RTX(Real Time eXtension) 프로그램을 사용하여 Windows XP를 기반으로 한 시스템의 실시간 제어를 구축하였다. 무부하시 전/후진걸음, 하중을 탑재한 전/후진 걸음 및 고 하중을 탑재하고 상하방향의 움직임 구현 등 간단한 실험을 통해 개발된 플랫폼의 성능을 검증하였다. 전/후진 걸음에 사용된 조인트 구동패턴은 사족보행 포유동물의 걸음새를 모방하여 구현하였다. 설계된 구동패턴은 역기구학을 통해 구현된 걸음패턴에 비해서 에너지 소비가 적음을 확인하였다. 또한, 동적보행을 하는 사족로봇을 위한 자세안정화 기법을 제시하였다. 동적보행을 위해 제안된 트롯걸음새는 대각선 방향의 다리가 동시에 움직이므로 지면에 동시에 닿고 지면을 이탈하는 것으로 간주하였다. 가상다리(virtual leg) 개념을 적용하여 트롯걸음새를 하는 사족로봇을 가상이족로봇으로 모델링하였다. 몇 가지 가정을 세우고, 트롯걸음새를 하는 사족로봇의 운동방정식은 한 발 지지상태와 지면충돌을 모사한 두 발 지지상태로 구성하였다. 외부 충격에 대한 자세안정화기법을 개발하기 위해 힙에 점 질량을 가지고 있으며, 다리의 무게는 고려하지 않은 모델이 주로 이용되어왔다. 이 모델은 다리의 움직이는 속도에 의해 몸체에 가해지는 외란을 반영할 수 없다. 실제 로봇의 다리무게는 무시할 수준이 아니기 때문에, 다리의 빠른 이동속도는 몸체에 커다란 외란을 야기한다. 자세안정화를 위한 전략을 제안했으며, 다리의 무게와 이동속도를 고려한 선형모델을 사용하여 착지점을 계산하는 방식에 대해 기술하였다. 제안된 자세안정화기법 및 착지점 계산방식은 트롯걸음새 운동방정식을 사용한 전산해석을 통해서 제안된 방법의 적합성을 입증하였다. 또한 발바닥과 발목이 없는 로봇의 경우, 외란에 자세를 복원하기 위해서는 보다 정확한 착지점이 필요하며 다리의 무게와 속도를 고려해야 한다는 것을 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 10037
형태사항 viii, 127 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 정재욱
지도교수의 영문표기 : Jun-Ho Oh
지도교수의 한글표기 : 오준호
Appendix : A, Dynamic model of trot gait. - B, A capture point with $3^{лl}$ polynomial trajectory
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 Reference: p. 121-125
주제 System Design
Quadruped Robot
Push Recovery Strategy
시스템 설계
사족로봇
외란복원기법
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