Human beings have been long dreaming about humanoid robot that looks like and acts like themselves. Humanoid robot is not simply a dream but also useful tools because they could coexist with human without any costly modification to the environment created by and for humans such as stairs, escalator or doorsill and so on. From the view point of biomimetics, humanoid robot research is important because we can be inspired technology progress direction by understanding human’s behavior, structure and control mechanism. Up to present, humanoid robot has been growing to become similar to human. But there are still many differences. Especially, their sensory system is different from human. Human maintains postural balance by many sensors like eyes, vestibular organ and muscle spindles. Humanoid robot is controlled its attitude with force sensor and inclination sensors such as gyro sensor, accelerometer and potentiometer. Humanoid robots use vision sensors just for recognition of human for human robot interaction or detection obstacles, because there are many technological hurdles to overcome to utilize the vision information for attitude control, such as time consuming image processing.
There are some research fields which use vision as a tilt angle sensor for feedback control. The systems such as inverted pendulum or robot manipulator are controlled by vision sensor. But these methods have critical problems to be applied to attitude control of the humanoid robot. They sense tilt angle of the target, not sense tilt angle of vision camera. And also, the vision sensor is fixed at a position outside of target. To apply to humanoid robot, vision sensor should not be fixed to an environment because humanoid robot can move anywhere. Vision sensor should be installed at humanoid robot’s head, and should sense tilt angle of itself. A few researchers have been studied vision sensor as a tilt angle sensor of humanoid robot. But these methods have some disadvantage such as limited possible estimation range and mishandling of translational motion.
In this research, a novel method to estimate tilt angle by vision sensor is adopted because even though it has low sampling rate, which is up to 25Hz and significant estimation time delay(maximum 0.1sec), it is robust to translational motion. Vision sensor has limited estimation range only within +/-5degree because we should compare two image which are reference and current image to get tilt angle. And also, vision sensor is affected by environment change so that error between absolute angle and vision sensor’s estimation signal is generated.
The objective of this research is to make a new integrated sensor system which can solve problems of vision sensor to apply real time attitude control of humanoid robot. To overcome low sampling frequency and estimation time delay, the modified fusion filter with gyro sensor is applied. To solve the limited estimation range, we propose stabilization control of vision camera by gimbal. By regulating the angles of the vision sensor, field of view of the camera is only affected by the translational motion of the humanoid robot, which are relatively small and usually within the permissible range. To compensate error between absolute angle, the torque information from the inverted pendulum actuator is used. By estimation of error from torque information, we can compensate biased error. Therefore, the position estimation integrated sensor system consists of vision sensor, gyro sensor and gimbal.
In this research, experiments are carried out with inverted pendulum, which can mimic the humanoid robot in standing posture and partial walking motion. It is very important that the proposed sensor system can estimate the attitude of the humanoid in walking and running motion accurately enough to control the posture. We verify the performance of the proposed sensor system with inverted pendulum.
휴머노이드 로봇은 사람과 닮고 사람과 같이 행동하여 인공적으로 만들어진 환경에서 공존 할 수 있는 로봇을 만들고자 하는 인간의 갈망에서부터 시작되었다고 할 수 있다. 휴머노이드 로봇(Humanoid Robot)의 최종 목적은 모든 점에서 인간과 유사한 기능을 하는 것이다. 또한 연구자들이 휴머노이드 로봇을 연구하는 것은 사람과 같이 수천 만년간 진화한 생물이 최적화된 결과물일 것이라는 생체모사 공학(Biomimetic Engineering)관점에서 사람의 행동, 구조, 제어 메커니즘(mechanism)등을 파악하여 기술의 발전 방향을 가늠하며 공학적 영감을 얻기 위함이다.
로봇의 센서 시스템은 인간의 센서 시스템과 아직 다른 점이 존재 하며 그 것은 비전 센서의 활용도이다. 현재의 휴머노이드 로봇은 인간에 비하여 비전 센서의 아주 작은 부분만을 사용하고 있다. 휴머노이드 로봇은 로봇-인간의 상호작용(Human-Robot Interaction)을 위하여 비전 센서를 사용하지만 자세제어를 위한 경사각 센서로써 비전을 사용하는 연구는 아직까지 기초 단계이다. 비전 센서를 경사각 센서로 사용하기에는 아직까지 많은 문제점이 있다.
비전 센서를 폐루프 제어를 위한 경사각 센서로 사용하는 경우는 몇몇 예가 있다. 도립 진자나 로봇 매니퓰레이터(Robot manipulator)와 같은 경우가 대표적이다. 하지만 이러한 방법은 휴머노이드 로봇의 자세제어에 사용하기에는 큰 문제점이 있다. 비전 센서가 바라보는 물체의 위치를 추정할 뿐 카메라 자신의 위치를 추정하지 못하고 또한, 비전 센서가 한곳에 고정되어 있기 때문에 자유자재로 움직이는 휴머노이드 로봇에 적용하기에는 한계가 있다.
최근 연구자들은 휴머노이드 로봇의 경사각을 측정하는 비전 센서에 대해서 연구해왔다. 하지만 아직까지 계산 시간에 따른 낮은 샘플링 주파수, 추정 시간 지연 그리고 물리적인 한계에 의한 제한적인 추정 가능 범위 등의 문제점이 있다.
본 연구에서는 현 비전 센서의 문제점들을 보완하여 휴머노이드 로봇의 자세제어를 수행 할 수 있는 센서 시스템을 개발하고자 한다. 낮은 샘플링 주파수와 추정 시간 지연 문제를 해결하기 위해서는 개선된 퓨전 필터를 사용하여 자이로 센서와 통합하고자 한다.추정 가능 범위의 확장은 기존의 안정화 제어에 많이 사용되는 짐벌 구동기를 이용하여 안정화 제어를 통해 수행하고자 한다. 비전 센서를 항상 한곳만 바라보게 함으로써 시야가 추정 가능 범위내에 고정되도록 제어하고자 한다. 또한 비전 센서의 경우 초기 영상의 위치가 잘못 잡힌 경우 절대 각과의 오차가 발생할 수 있으며, 이를 해결하기 위한 방법을 제안하고자 한다.
본 연구에서는 휴머노이드 로봇의 자세를 충분히 묘사할 수 있는 도립 진자를 제작하여 실험을 수행하고자 한다. 휴머노이드 로봇의 가장 큰 특징은 이족 보행이며, 보행에 의한 움직임을 도립 진자로 충분히 묘사할 수가 있다. 도립 진자의 제어를 통해 제안한 통합 센서 시스템의 성능을 분석하고자 한다.
