In robotics, high mechanical impedance, resolution of sensors, and computing bandwidth have been desirable aspects for feedback control to obtain stability and better performance. In contrast, the human body is physically inferior to man-made systems in terms of feedback control due to low mechanical impedance, resolution of sensors and long signal transmission delay. Nevertheless, humans can achieve not only stable motion generation but also robust and adaptive control ability with respect to uncertain environment. For these reasons, in neurophysiology, many studies have emphasized the significance of the feedforward control ability of human. Virtual trajectory control hypothesis and internal model hypothesis have been referred to explain stable and robust motion generating ability of human under feedforward control. Inspired by the achievement of the previous studies, a hypothesis that joint stiffness can be utilized to compensate inverse dynamics model uncertainty is proposed. To verify this hypothesis, a robot which can control joint stiffness is developed. From the experimental results, the developed robot shows stable and accurate motion tracking performance without any sensors and precise inverse dynamics model. These results indicate that the concept of the developed variable stiffness actuator can be applied to the robotics field for feedforward application, and support the hypothesis that human utilize joint stiffness to adapt to uncertain environment.
로봇 공학 분야에서 높은 기계적 강성, 정밀한 센서 그리고 빠른 계산 속도는 피드백 제어를 통한 안정성 획득과 보다 나은 제어 성능을 위해 중요한 부분을 차지하여 왔다. 이와는 대조적으로, 인간의 신체는 낮은 기계적 강성, 부정확한 센서, 느린 신경 전달 속도로 인해 인공적 시스템에 비해 피드백 제어에 있어 물리적으로 불리함에도 불구하고 안정한 움직임을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 불확실한 환경에 대해 강건하고 적응하는 능력을 보여준다. 이러한 이유에서 많은 신경생리학 연구들은 인간의 피드백 제어보다 피드포워드 제어의 중요성을 강조하여 왔다. 많은 선행 연구에서 가상 궤도 제어 가설은 인간의 관절 강성 제어에, 내부 모델 가설은 뇌 안의 역동역학 모델에 초점을 맞추어 인간의 피드포워드 제어의 안정성과 강건성을 설명하려 노력하였다. 이러한 선행 연구 결과를 바탕으로 본 연구에서는 인간이 불확실한 역동역학 모델을 보상하기 위해 관절 강성을 이용한다는 가설에 기반하여 가변 반경 기어와 고출력 토크 모터의 개발을 통해 기계적으로 관절 강성을 조절할 수 있는 구동 시스템을 개발하였다. 실험 결과로부터 개발한 가변 강성 구동 시스템은 센서에 의한 피드백제어와 정확한 역동역학모델 없이도 안정하고 정확한 움직임 추종 성능을 보여주었다. 이러한 결과는 개발된 가변 강성 구동 시스템이 피드포워드로 제어되는 로봇의 개발에 응용될 수 있음은 물론 인간이 불확실한 환경에 적응하기 위해 강성을 활용하고 있음을 보여주는 가설을 간접적으로 지지한다.
