The development of humanoid robots has been a field of interest for many decades. The meaning of humanoid robots is clear in that they are robots that perform physical activities like human beings. Humanoid robots can also be applied in various ways such as human rescue in disaster situations, human-machine interaction at home. In recent years, many competitions have been held to evaluate these functions and promote development.
Bipedal walking is essential in the development of humanoid robots. Since bipedal walking is based on complex modeling, it is common to make many assumptions on modeling. In addition, since it is difficult to control the robot, ZMP (Zero Moment Point) is used to generate the position trajectory of the mass center of the robot and the position control is used to implement it. In recent years, bipedal walking has been implemented with various approaches such as whole body control, but its performance is not clear.
This study was carried out to clearly understand the dynamic characteristics of the legs, to implement the leap and landing using the switched system control, and then to expand to bipedal walking. This study focus on understanding the dynamic characteristics of the legs through the design and control of one-legged robots. In addition, from the viewpoint of control of the switched system, studying a one-legged robot, which is a system with two states instead of a biped robot, which can be regarded as a system with three states is a precedent study for bipedal walking.
An element of difficulty in control when switching states in the switched system is the external impact force. Therefore, it is necessary to minimize the impact force in the landing situation when the state of the one-legged robot is changed so that the switched system can be continuously controlled. In case of electric motor based robot, it is difficult to minimize the impact force on landing because it is difficult to change the stiffness continuously. Therefore, in this study, we design and control the robot using a pneumatic actuator that is inexpensive, has a high power to weight ratio, and can change the stiffness continuously.
The purpose of this study is to design a pneumatic based one - legged robot and to realize stable landing of the designed one - legged robot. Stable landing means balancing on landing and minimizing impact force. It is possible to solve the difficulty of controlling the switched system by realizing stable landing of one-legged robot, which can be a stepping stone for bipedal walking.
In order to achieve the above objectives, the following researches were conducted. First, we designed a one-legged robot based on pneumatic actuators so that the joint angles and torques required for human walking can be realized. The designed leg can be viewed as a model with two links. We also used each joint stiffness change to reduce the impact force while keeping the balance at landing. The joint stiffness, which can be calculated by the stiffness of the pneumatic actuator is obtained and finally the stiffness at the center of mass coordinate is obtained. The stiffness reference of the pneumatic actuator is formed in order that the mass center vertical stiffness is continuously changed and the mass center horizontal stiffness is small. We control the pneumatic actuator to follow the corresponding stiffness reference. Finally, through the landing simulation and the actual experiment, it is confirmed that the control logic of this study can realize stable landing.
인간형 로봇의 개발은 수십년 동안 많은 연구자들이 관심을 쏟은 분야이다. 인간형 로봇은 인간과 같은 신체활동을 하는 로봇이라는 점에서 그 의미가 분명하다. 또한 인간형 로봇은 재난 상황에서의 인명 구출, 가정에서 인간과 기계의 상호작용 등과 같은 다양한 적용도 가능하다. 근래에는 이러한 기능을 평가하고 개발을 촉진하기 위한 대회들도 많이 열리고 있다.
인간형 로봇의 개발에 있어 이족 보행은 필수적이다. 이족 보행은 복잡한 모델링을 기반으로 하기 때문에 모델링 상에서 많은 가정을 하는 것이 일반적이다. 또한 그 제어가 어렵기 때문에 ZMP(Zero Moment Point)를 이용하여 로봇 질량 중심의 위치 궤적을 생성하고 위치 제어를 이용하여 구현하는 접근이 많이 이루어지고 있다. 근래에는 전신 제어(Whole body control) 등 과 같은 다양한 접근으로 이족 보행을 구현하고 있지만 그 성과가 뚜렷하지 않다.
본 연구는 다리의 동역학적 특성을 분명하게 이해하고 스위치 시스템 제어를 활용하여 도약과 착지를 구현하고 후에 이족보행으로 확장하기 위해 진행되었다. 1족 로봇의 설계와 제어를 통해 다리의 동역학적 특성을 이해한다. 또한 스위치 시스템 제어의 관점에서 3가지 상태를 갖는 시스템으로 볼 수 있는 이족 로봇 대신 2가지 상태를 갖는 시스템인 1족 로봇에 대한 연구를 먼저 진행하는 것으로 이족 보행을 위한 선행 연구로 큰 의미를 갖는다.
스위치 시스템에서 상태가 전환될 때 제어에 어려움을 주는 요소는 외부의 충격력이다. 따라서 스위치 시스템의 연속적인 제어가 가능하도록 1족 로봇에서 상태가 전환되는 순간인 착지 상황에서의 충격력을 최소화 할 필요가 있다. 일반적인 모터구동기반의 로봇은 연속적인 강성 변화가 어렵기 때문에 착지 시 충격력을 최소화하기 힘들다. 따라서 본 연구에서는 저렴하고 무게 대비 출력이 높을 뿐만 아니라 연속적인 강성 변화도 가능한, 공압 구동기를 사용하여 로봇을 설계하고 제어를 진행한다.
본 연구의 목적은 공압구동기반 1족 로봇을 설계하고, 설계된 1족 로봇의 안정적 착지를 구현하는 것이다. 안정적 착지는 착지 시 균형을 유지하며 충격력을 최소화하는 것을 의미한다. 1족 로봇의 안정적 착지를 구현함으로써 스위치 시스템 제어의 어려움을 해결할 수 있으며 이는 최종적으로 이족 보행을 하기 위한 발판이 될 수 있다.
위의 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 연구들이 진행되었다. 우선, 인간이 보행할 때 필요한 관절 각도와 토크를 구현할 수 있도록 공압구동기반의 1족 로봇을 설계했다. 설계된 다리는 2개의 링크를 갖는 모델로 볼 수 있다. 또한 착지 시 균형을 유지함과 동시에 충격력을 줄이기 위하여 각각의 관절 강성 변화를 활용했다. 공압 구동기의 강성으로 계산되는 관절 강성을 구하고 최종적으로 질량 중심 좌표에서의 강성을 구한다. 질량 중심 좌표에서 수직방향 강성을 연속적으로 바꾸어 주며 수평방향 강성은 작도록 공압 구동기의 강성 궤적을 형성한다. 또한 해당 강성 궤적을 따라가도록 공압 구동기를 제어한다. 마지막으로 착지 시뮬레이션과 실제 실험을 통하여 본 연구의 제어 기법이 안정적 착지를 구현할 수 있음을 확인했다.
