이족보행 로봇의 환경 적응을 위한 보행궤적 생성 및 제어
Trajectory Generation and Control for Adaptation of a Biped Robot to Various Environments
- 주제(키워드) 이족보행 , 보행궤적 , Dynamic Surface Control , Biped Robot , Various Environments
- 주제(KDC) 559.962
- 주제(DDC) 629.892
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 송봉섭
- 발행년도 2007
- 학위수여년월 2007. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
휴머노이드는 많은 관심을 받고 있지만 아직까지 다양한 환경에 대한 보행의 안정성이 보장되지 못하고 있다. 이러한 한계점을 개선하기 위해 여러 분야로 나뉘어 연구되고 있으며 본 논문에서는 다양한 환경 적응을 위한 보행궤적 생성방법과 제어기에 대해 연구하였다. 기존의 보행궤적 생성방법은 수학적으로 복잡하거나 실시간으로 보폭을 변화시킬 수 없는 한계를 갖고 있었다. 이러한 한계점을 개선하기 위해 본 연구에서는 삼각함수를 이용하여 위치궤적을 생성하고 이를 역기구학을 통해 조인트의 각도궤적으로 변환하는 방식의 보행궤적 생성방법을 제안하였다. 본 논문에서 제안한 보행궤적 생성방법은 연산기에 부담을 주지 않고 실시간으로 보행궤적을 생성하기 때문에 자유롭게 보폭을 변화시킬 수 있으며 계단보행을 위한 보행궤적도 생성할 수 있다. 제어기의 경우, 기존의 제어 방법들은 다양한 제어기들이 제안되었지만 수학적 모델을 고려하지 않는 제어기는 안정성이 보장되기 어려웠고 모델을 기반으로 하는 비선형 제어기의 경우 수학적으로 복잡하기 때문에 실제 로봇 적용에 무리가 따랐다. 이러한 기존 제어 방법의 한계를 개선하기위해 모델을 기반으로 하면서 수학적으로 복잡하지 않고 외란에도 강인한 동적 표면 제어 방법을 이족보행 로봇 제어에 적용함으로써 새로운 가능성을 제시하였다. 마지막으로 제안된 보행궤적 생성방법과 동적 표면 제어기를 이용한 가변보폭 보행과 계단보행에 대한 가능성과 성능을 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
more초록/요약
While much attention has been paid to humanoid recently, walking stability to various environments is not guaranteed yet. To overcome this problem, a methodology to generate a variable stride trajectory for a gait cycle and to design a motion controller for the 5-link biped robot is studied in this thesis. Previous trajectory generation methods are difficult to apply for a real robot, since those are complex mathematically or unable to change the stride in real time. To improve these problems, a new trajectory generation method is suggested in this thesis. The suggested method is to generate position trajectory using trigonometric function and to transform them to the corresponding joint angle trajectories using inverse kinematics. The suggested method is able to vary a stride and to generate a trajectory of climbing up stairs. Most nonlinear control techniques applied for a biped robot are mathematically complex and haven't presented the provable stability properties in the literature. so nonlinear control based on Dynamic Surface Control(DSC) is suggested in this thesis. The performance of DSC controller for the biped walking with a variable stride trajectory and climbing up stairs is validated via simulation.
more목차
제 1 장 서론 = 1
1.1 보행궤적 생성에 관한 기존 연구 = 2
1.2 제어기에 관한 기존 연구 = 3
제 2 장 모델링(Modeling) = 4
2.1 기구학 모델 = 5
2.2 동역학 모델 = 7
2.2.1 한발지지 상태 = 7
2.2.2 두발지지 상태 = 8
2.2.3 두발 충돌 상태 = 11
2.3 제어기 모델 = 11
2.4 Zero Moment Point(ZMP) = 13
제 3 장 보행궤적 생성 = 15
3.1 평지보행을 위한 보행궤적 생성 = 15
3.1.1 한발지지 상태의 위치궤적 생성 = 16
3.1.2 두발지지 상태의 위치궤적 생성 = 18
3.1.3 조인트 각도궤적 생성 = 19
3.2 가변보폭을 위한 보행궤적 생성 = 22
3.3 계단보행을 위한 보행궤적 생성 = 24
3.3.1 한발지지 상태의 위치궤적 생성 = 24
3.3.2 두발지지 상태의 위치궤적 생성 = 26
3.3.3 조인트 각도궤적 = 27
제 4 장 제어기 설계 = 29
4.1 동적 표면 제어 = 29
4.2 한발지지 상태를 위한 제어기 설계 = 29
4.3 두발지지 상태를 위한 제어기 설계 = 31
4.4 오차 방정식 = 32
제 5 장 시뮬레이션 결과 = 36
5.1 가변보폭 보행 시뮬레이션 결과 = 36
5.2 계단보행 시뮬레이션 결과 = 40
제 6 장 결론 = 43
제 7 장 참고 문헌 = 44
