Robots are now required to perform various tasks for human beings beyond simple repetitive tasks. Techniques that can broaden the robot's radius of action such as walking and leap are being studied. Currently, most biped robot 's walking and leaping depends on position generation method referring to ZMP, and motor is used as actuator. However, the motor has a disadvantage in that the weight is heavy and the output is low relative to the weight and is not robust against the external shock. In order to overcome disadvantage of motor, pneumatic or hydraulic drive systems have been studied. Especially, in case of pneumatic pressure, there is an advantage that the output is high in weight and the external shock absorption is possible by using the compressibility of the air itself. In other words, it is possible to realize a control that is robust against disturbance by using the characteristic of the actuator itself. Most of the pneumatic based robots use McKibben type artificial muscle type actuator, which generates unidirectional force, which leads to an increase in the number of actuators, and is also difficult to control due to a severe nonlinearity. Therefore, we adopted a double-acting cylinder-type pneumatic actuator that can simultaneously control the stiffness of the actuator and the force in both directions.
ZMP based motion generation methods are widely used in the case of the algorithm for the jump. After determining the trajectory in the vertical axis direction, the motion is generated by solving the ZMP equation. This method has a limitation that it cannot be applied to various situations by assigning one of the solutions that robots can leap. Therefore, in this research, we try to find the general solution that the robot can leap by using the ground reaction force acting on the robot. The continuous jump of the robot is a system in which the ground state, which the ground reaction force acts on the robot, and the state in the air are switched. The entire system can be stably controlled by switching between the two systems. In order to make a stable transition from a landed system to a flight system, we need an algorithm that can jump in various conditions.
This study mainly consists of developing algorithms for pressure and position control and jump of pneumatic actuators. Currently, robots are in the form of a one-legged robot that looks like human legs. Therefore, in this thesis, the leap of one-legged robot and control of actuator for jumping are studied. The robot uses a double-acting cylinder type pneumatic actuator and verifies the performance of the actuator through position control based on pressure control. In the case of position control, the nonlinear term of the dynamic dynamics of the robot and the frictional force acting on the cylinder are compensated through the disturbance observer, thereby eliminating the stick-slip phenomenon and improving the control performance. We confirmed that the robot leaps by applying a reference for jump to the designed position controller using disturbance observer.
로봇은 이제 단순 반복 작업을 넘어 인간을 위한 다양한 작업을 수행할 수 있도록 요구 받고 있으며 이를 위해 보행, 도약과 같은 로봇의 활동 반경을 넓혀줄 수 있는 기술들이 연구되고 있다. 현재 대부분의 이족 로봇의 보행 및 도약은 ZMP를 참조한 위치생성법에 의존하고 있으며 구동 장치로는 모터를 사용하고 있다. 하지만 모터는 무게가 무거워 무게 대비 출력이 낮고 외부충격에 강인하지 못하다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 공압 혹은 유압 구동 시스템이 연구되고 있으며 특히 공압의 경우 무게 대비 출력이 높고 공기 자체의 압축성을 이용한 외부 충격 흡수가 가능하다는 장점이 있다. 즉 구동기 자체 특성을 이용하여 외란에 강인한 제어를 구현할 수 있다. 현재 대부분의 공압 기반 로봇들은 McKibben 타입의 인공 근육형 구동기를 사용하고 있는데 이는 단방향의 힘을 생성하기 때문에 구동기 개수 증가를 초래하며 비선형성이 심해 제어적으로도 어려움을 가진다. 따라서 구동기의 강성과 양방향으로의 힘을 동시에 제어할 수 있는 복동 실린더 타입의 공압구동기를 채택하여 로봇을 도약시켰다.
도약을 위한 알고리즘 경우 ZMP 기반의 모션생성법이 많이 사용되고 있다. 수직 축 방향의 궤적을 미리 결정한 뒤 ZMP 방정식을 풀어 모션을 생성한다. 이러한 방식은 로봇이 도약할 수 있는 해 중 하나를 대입하는 방식으로 다양한 상황에 적용하기 힘들다는 한계가 있다. 따라서 본 연구에선 로봇에 작용하는 지면 반력을 이용해 로봇이 도약할 수 있는 일반적인 해를 구하려 한다. 로봇의 연속적인 도약은 로봇에 지면 반력이 작용하는 착지 상태와 반력이 작용하지 않은 공중에서의 상태가 스위치 되는 시스템이며, 두 가지 시스템의 전환을 통해 전체 시스템을 안정적으로 제어할 수 있다. 착지 상태의 시스템에서 반력이 작용하지 않는 비행 상태의 시스템으로의 안정적인 전환을 위해선 다양한 조건에서 도약을 할 있는 알고리즘이 필요하다.
본 연구는 크게 공압구동기의 압력 및 위치 제어와 도약을 위한 알고리즘을 개발하는 것으로 이루어져 있다. 현재 로봇은 인간 다리의 모습을 한 1족 로봇의 형태를 갖추고 있다. 따라서 본 학위논문에서는 1족 로봇의 도약과 이를 위한 구동기 제어에 관한 연구를 진행하고자 한다. 로봇은 복동 실린더 타입의 공압 구동기를 사용하며, 압력 제어를 기반으로 한 위치 제어를 통해 구동기의 성능을 검증한다. 위치 제어의 경우 로봇 동역학 식의 비선형 항과 실린더에 작용하는 마찰력을 외란 관측기를 통해 보상해줌으로써 stick-slip 현상을 없애고 제어 성능을 개선했다. 최종적으로 설계한 위치 제어기에 도약을 위한 레퍼런스를 인가해줌으로써 로봇이 도약하는 것을 확인했다.
