For the last decades, in robotics field, many biped humanoid robots have been developed and the researches have been carried out to realize the adaptive and robust gait like a human even on rough terrain. However, due to highly nonlinear dynamics and limits of actuation compare to humans, the research is ongoing. In other research field, locomotion of the birds has been researched and the results were that birds walk very efficient and stable compare with human; even they can swim or fly. Thus works combining the two researches have been conducted. But the remarkable achievements have not been yet. In this thesis, biped robot has been designed by mimicking bird`s walking mechanism, and ZMP based stable gait control of the robot has been studied. The topics include kinematics and dynamics models designed based on data obtained from above two research fields, walking pattern generation based on pre-designed ZMP trajectory, gait control algorithm, and prototype implementation. The feasibilities of the works have been shown in the simulation with 3D virtual biped robot.
이족로봇이 만들어지기 이전의 로봇들은 대부분 바퀴를 이용해 이동하였는데, 인간의 실제 환경에서 접근할 수 없는 지역이 많았다. 그래서 인간의 환경에서 이동성이 좋으면서 인간의 일을 대신할 로봇 개발을 목적으로 휴머노이드 로봇이 개발되었다. 휴머노이드 로봇의 시초라고 할 수 있는 Honda사의 P2에서 ASIMO, HRP, HUBO 등의 많은 휴머노이드 로봇들이 국내외에서 개발되고, 인간과 같은 안정적인 이족보행을 실현하기 위한 연구가 계속 되고 있다. 다른 연구분야에서는 새의 걸음걸이를 연구해 왔다. 새는 인간을 제외하고 거의 유일하게 이족 보행을 할 수 있는 동물로, 그 걸음걸이를 분석한 연구 결과에 따르면, 상체의 높이에 비해 그 보폭이 크고, 무게중심이 낮아, 안정적이고 효율적인 걸음새를 보여준다고 한다. 게다가 헤엄을 치거나 날 수도 있어 다양한 이동성을 가지고 있다. 이러한 특징을 적용한 로봇들이 개발되었으나, 아직까지 안정적인 걸음걸이를 구현한 사례가 거의 없다.
본 논문은 이러한 조류의 걸음걸이를 모방한 이족로봇의 제작과 그 걸음새 생성 및 제어에 대한 연구이다. 조류의 걸음새를 모방한 이족로봇을 제작하고, 이후에 헤엄치는 것을 목표로 진행중인 연구이다. 본 연구는 조류의 기구학적 분석 및 기구학적 모델 설계, 정기구학과 역기구학의 해법, 단순화된 이족 로봇의 동역학적 모델과 그 모델을 이용한 걸음새 생성 및 제어, 설계한 걸음새를 적용해 볼 수 있는 프로토타입의 기구부 및 전장부, 제어 프로그램의 구현, 마지막으로 3차원 동역학 시뮬레이터를 이용한 시뮬레이션과 그 결과를 포함한다.
조류의 걸음걸이를 분석한 연구를 조사하였고, 주변에서 볼 수 있는 오리나 거위 등의 조류의 관찰을 통해서 조류의 크기 및 보행시의 특징을 분석하였다. 이러한 자료를 바탕으로 로봇의 기구학적 모델을 설계하였고, 그 모델의 순기구학을 modified DH table을 활용하여 해결하였다. 그러나 역기구학은 비선형성이 높은 본 기구학적 특징으로 말미암아 기하학적인 특징을 이용한 역기구학의 해법을 제안하였다.
이족로봇의 비선형성은 매우 커서 모든 관절의 동역학을 해석하여 걸음걸이를 구현하는 것이 쉽지 않다. 그래서 이족 보행의 특징인 역진자 모델을 이용한 단순화된 모델을 걸음걸이 동역학에 적용하였다. 먼저 이 모델을 이용하여, 미리 정의한 ZMP 궤적에 따라 COM의 궤적을 생성하였다. 그리고 동시에 발을 옮길 때, 발을 바닥에서 떼는 순간과 다시 내리는 순간, 바닥과의 반작용으로 인해 로봇의 동적 균형에의 영향을 최소화 할 수 있도록 시작과 끝의 속도가 0에 수렴하도록 발의 움직이는 궤적을 생성하였다.
기구학과 동역학을 이용하여 조류형 이족로봇의 걸음걸이 제어기를 제작하였고, 동역학 시뮬레이터 상에서 만든 가상의 이족로봇을 이용하여 모의 실험을 수행하였다.
이러한 기구학적, 동역학적 특징을 반영하여 prototype을 설계, 제작을 진행하고 있다. 먼저 로봇의 몸체에 해당하는 frame을 설계하였고, 간단한 모의 실험을 통해 모터의 출력 및 기어 비를 선정하였다. 걸음걸이 제어에 필요한 각종 센서와 내장 제어용 DSP를 선정하였다. DSP는 주 걸음걸이 제어기와 연결되어 모터 제어와 센서 데이터 수집의 역할을 담당하도록 설계하였다. 그리고 현재 개발 중인 전체적인 하드웨어 및 소프트웨어의 구조를 설명하였다.
본 논문에서는 조류를 모방한 이족로봇의 개발과 그 걸음걸이 제어에 대한 연구를 하였으며, 모의 실험을 통해 그 성능을 평가하였다. 향후 과제에는 센서의 feedback을 이용한 closed loop 제어기 설계 및 다른 걸음걸이 제어 방식과의 성능 비교, 실제 조류의 걸음걸이 바탕의 걸음새 생성 등이 이에 포함된다.
