실시간 캡쳐포인트 궤적 최적화를 이용한 토크 제어 기반 이족보행 로봇의 동적보행 제어
Dynamic Walking Control for Torque-Controlled Bipedal Robot Using Real-time Capture Point Trajectory Optimization
- 주제(키워드) 이족 보행 로봇 , 보행 패턴 생성 , capture point (CP) , 보행 제어 , 토크 제어 , 최적화
- 주제(DDC) 621.381
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 홍영대
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032473
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
최근 휴머노이드 로봇의 기술이 발전하고 있으며 복잡한 작업 환경에서 로봇이 사람처럼 움직이도록 관련 연구가 진행되고 있다. 로봇이 복잡한 환경에서 사용되기 위해서는 로봇의 이동을 생성하고 안정적으로 제어하는 것이 필수적이다. 로봇의 무게중심은 다리 이동에 큰 영향을 미치므로 무게중심 궤적 생성 및 제어가 중요하다. 이에 로봇의 무게중심 궤적 생성과 이동의 안정성을 위한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 보행 안정성을 위한 보행 패턴 생성 및 토크 기반 최적화 제어 알고리즘을 제안한다. 제안하는 최적화 알고리즘은 선형역진자모델 (Linear Inverted Pendulum Model) 동역학식의 발산성분으로부터 유도되는 캡쳐포인트 (Capture Point)와 로봇의 무게중심 궤적을 생성하고 실시간 입자군집최적화 (Particle swarm optimization)를 이용한 로봇의 무게중심 및 캡쳐포인트 궤적을 최적화한다. 기존에는 제한된 reference CP 입력으로 불안정한 보행이 생성될 수 있던 것과 달리 제안한 목적함수를 최소화하며 로봇이 안정적으로 걸을 수 있는 값으로 실시간 reference CP가 최적화되면서 로봇 보행의 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 제안한 토크 제어기는 로봇 발에 가해지는 힘과 토크를 계획하는 기법과 방향 제어기를 포함하고 computed torque method (CTM)와 Recursive Newton-Euler (RNE)를 사용하여 계산된 토크 값을 로봇의 관절에 입력한다. 보행 입력에 따라 계획된 힘과 토크에 로봇의 움직임을 안정적으로 만들기 위한 방향제어기로 계산된 추가적인 토크를 더하여 로봇 말단에 가해지는 힘과 토크를 계산한다. 이를 통해 기존 기법에 비해 역동적이고 급격한 변화가 포함된 보행 명령들을 안정적으로 수행하는 것을 시뮬레이션과 하드웨어 실험에서 확인할 수 있다.
more초록/요약
This paper proposes a walking pattern generation according to walking command and an optimization control method, which uses a capture point (CP) tracking controller. The CP tracking controller stabilizes the reference CP and center of mass (CoM) trajectories using real-time robot motion. The proposed optimization method creates an optimized reference CP trajectory using an optimization variable and makes the robot walk stably during dynamic movement. Furthermore, the robot is controlled more stably with the torque controller planning the foot contact force and torque, and controlling the body and swing foot orientation. Using the proposed control method, the robot can perform stable dynamic walking. The proposed method was implemented using DARwIn-OP3. The performance of the method was verified through simulations and experimental results.
more목차
제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 논문 구성 2
제 2 장 최적화 기반 궤적 생성 및 제어 기법 4
2.1 선형 역진자 모델 기반 캡쳐포인트와 무게중심 궤적 생성 4
2.1.1 한 발 지지 상태에서의 기준 궤적 생성 6
2.1.2 두 발 지지 상태에서의 기준 궤적 궤적 생성 8
2.2 캡쳐포인트 추적 제어기 9
2.2.1 한 발 지지 상태에서의 캡쳐포인트 추적 제어기 10
2.2.2 두 발 지지 상태에서의 캡쳐포인트 추적 제어기 11
제 3 장 실시간 캡쳐포인트 궤적 최적화 기법 13
제 4 장 피드백 루프를 이용한 로봇의 토크기반 제어 방법 17
4.1 보행입력 기반 로봇 발의 힘과 토크 계획 기법 17
4.2 방향제어기 23
4.3 제안한 토크 제어 기반 실시간 최적화 궤적 생성의 전체 과정 25
제 5 장 시뮬레이터를 이용한 모의실험 26
5.1 직진보행에 대한 모의실험 27
5.2 동적보행에 대한 모의실험 32
제 6 장 실제 로봇을 이용한 실험 38
6.1 직진보행에 대한 실험 39
6.2 동적보행에 대한 실험 45
제 7 장 결론 52
참고문헌 54
Abstract 56
