This thesis proposes a development of humanoid robot, Mybot-KeunSaRam (KSR) upper body and both arms gesture generation system. The humanoid robot Mybot-KSR`s height is about 140 cm and has a 15 DOF for upper body. Each arm has 7 DOF, therefore it has one redundant DOF and the waist has 1 DOF. Each joint of the arms is actuated by a DC motor, and driving parts consist of harmonic drive and timing belt with pulley, if required. The trunk has enough space for placing battery and control computer for stand-alone operation.
Its control system is divided into two sub system. After the main computer generates trajectory for both arms, the trajectories are transmitted to the DSP controller boards. Once the DSP boards receive the motor angles, which are the real values for trajectory, they rotate the DC motor by PD control. The communication between main computer and DSP boards is achieved by serial protocol and between DSP boards is achieved by CAN protocol.
For a trajectory generation algorithm, the damped least-squares method is employed to obtain the inverse kinematics of an arm, since it is hard to nd a closed form of inverse kinematics of each arm of seven degrees of freedom. The LDLT method is used to calculate inverse matrix. The trajectory is generated by the interpolation of minimum-jerk method to maximize the position accuracy. In order to make consecutive trajectory generation, the system de nes states and completes the procedures by state transitions.
Computer simulation is carried out before conducting real experiments. Trajectory generation for single movements and consecutive movements are accomplished by the simulation. Because damped least squares method makes di erent trajectories depending on initial values, the simulation is done for di erent initial values, and proper initial values are found to obtain human like trajectories.
At last, by using a developed Mybot-KSR hardware, the real experiments are carried out. Swing motion, consecutive movement, and moving objects are tested. For grasping experiment, simple robot hands are attached to an end e ector of Mybot-KSR arm. Furthermore, developed robot is combined with robotic head to experiment human robot interaction test. The robot generates arms motions based on robot`s internal states. The results show that the proposed system and developed robot works normally, generates proper arm gestures according to internal state.
본 논문에서는 휴머노이드형 로봇 Mybot-KSR의 상체부 제작과 그 제어 시스템에 대하여 제시하였다. Mybot-KSR은 140cm정도의 휴머노이형 로봇으로 상체부에는 양팔과 허리를 합쳐 15 DOF를 가지는 로봇이다. 각 팔은 7 DOF를 가지며 하나의 여유 자유도를 가지게 된다. 각 관절은 DC 모터로 구동되며 구동부의 형태에 따라 하모닉 드라이브와 타이밍 벨트와 풀리를 사용하여 구성된다. 팔 이외에 몸통 부분은 추후의 독립된 제어를 위한 배터리와 제어 PC를 위한 공간을 두어 제작되었다.
Mybot-KSR의 제어는 메인 PC에서 궤적생성 알고리즘을 통하여 계산된 양 팔의 관절 각도를 DSP 제어 보드로 전송 받아 각 관절에서 PD 제어로 위치 제어가 이루어진다. 메인 PC에서는 제어를 위한 3개의 쓰레드로 구성된 시스템이 사용되며, 각각의 제어 보드는 CAN 통신을 이루머 각각의 제어가 이루어진다. 메인 PC와 DSP 보드는 시리얼 통신으로 통신이 이루어지며, 통신 DSP를 따로 두어 DSP 제어 보드끼리 CAN 통신으로 신호가 전달되게 된다.
궤적 생성 알고리즘은 역기구학을 위하여 Damped least squares 방식을 사용하여 목표 좌표의 관절 각도값을 계산하여 얻게된다. 역기구학을 위한 행렬 연산에서는 LDL^T 방식을 이용하여 역행렬을 계산한다. 역기구학을 통하여 얻어진 목표점의 각도값은 현재의 관절 각도로부터 최소 저크(Minimum jerk)방식으로 보간이 이루어진다. 최종적으로 얻어진 각도의 집합은 로봇 팔의 궤적으로 이용된다. 또한 로봇 팔의 자연스러운 연속 동작을 이루기 위해 팔의 상태를 STATE로 정의하여 STATE 전이로 시스템의 프로세스가 구성되었다.
시뮬레이션을 통하여 제안된 시스템의 동작을 테스트하여 팔의 궤적 생성이 이루어지는 것을 확인하였다. 단일 동작과 연속된 동작을 구현하여 팔의 궤적 생성 및 움직임을 실험하였다. 또한 Damped least squares 방식에서 함수의 시작에 입력되는 시작값에 따른 팔의 상이한 궤적 생성을 직접 시뮬레이션으로 확인하여, 로봇이 실제 사람과 비슷한 팔의 동작 구현을 위하여 그 시점에서의 관절 각도에서 Damped least squares 함수가 시작될 수 있도록 하였다. 그 결과 사람과 비슷한 궤적이 생성됨을 확인하였다.
제작된 Mybot-KSR의 하드웨어에 본 시스템을 적용시켜 두 팔의 동작을 확인함으로서 본 논문에서 제안하고자하는 시스템이 원활하게 작동하는 것을 확인하였다. 부가적인 실험으로 서보 모터로 구성된 로봇 손을 Mybot-KSR 팔의 말단 장치로 부착하여 물체의 잡기와 이동 실험을 실시하였다.
그리고 최종적으로 개발된 로봇과 얼굴 로봇이 연동된 시스템을 구축하여 사람과 로봇의 상호작용을 위한 실험을 실시하였다. 그 결과 로봇은 비전으로 통해 얻은 데이터를 바탕으로 내부의 상태 변화가 일어나고 그에 따라 적절한 양 팔의 제스쳐가 생성됨을 확인할 수 있었다.
