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토크 제어 이족보행 로봇을 위한 실시간 입자 군집 최적화 기반 제어

Real-Time Particle Swarm Optimization-Based Control for Torque-Controlled Bipedal Robot

  • 양수훈 (아주대학교 일반대학원)

초록/요약

최근 이족 보행 로봇이 사람처럼 복잡한 작업 환경에서 움직이도록 하기 위 해 다양한 연구가 진행되고 있다. 로봇이 복잡한 환경에서 사용되기 위해서는 로봇의 보행을 안정적으로 제어하는 것이 필수적이다. 로봇의 무게중심은 로봇 의 보행과 관련하여 큰 영향을 미치므로 무게중심 궤적을 생성하고 제어하는 것이 필요하다. 따라서 로봇의 무게중심 궤적 생성과 이동의 안정성을 위한 다 양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 실시간 입자군집최적화 (Particle swarm optimization)를 이용한 보행 안정성을 위한 보행 궤적 생성 및 토크 기반 최적화 제어 알고리즘을 제 안한다. 제안하는 최적화기반 제어 알고리즘은 선형역진자모델 (Linear Inverted Pendulum Model) 동역학 식의 발산성분인 캡쳐포인트 (Capture Point)와 로봇의 무게중심 궤적을 생성하고 최적화한다. 기존에는 제한된 reference CP 입력으로 불안정한 보행에 대한 제어 입력이 생성될 수 있지만 제안한 목적함수를 최소 화하며 로봇이 안정적으로 걸을 수 있는 제어 입력으로 reference CP가 실시간으로 최적화되면서 보행의 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 제안한 토크 제어기 는 발바닥에 가해지는 힘과 토크 계획 방법과 로봇의 보행 안정성을 위한 4가 지 추가 토크 제어기를 포함한다. 이때 발바닥에 가해지는 토크를 로봇의 보행 상황과 맞게 실시간으로 최적화하고 Computed Torque Method (CTM)와 Recursive Newton-Euler (RNE)를 사용하여 로봇의 각 관절에 입력한다. 제안하는 최적화기반 제어 기법을 활용하여 기존 제어 기법에 비해 다양한 보폭 및 시간 변화가 포함된 보행 명령과 비평탄 지형에서의 보행 명령을 안정적으로 수행하는 것을 시뮬레이션과 하드웨어 실험에서 확인할 수 있다.

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목차

제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 논문 구성 2
제 2 장 보행궤적생성 및 토크제어 4
2.1 캡쳐포인트 기반 보행궤적생성 및 제어 4
2.1.1 선형 역진자 모델 무게중심 궤적 생성 5
2.1.2 캡쳐포인트 기반 보행 6
2.1.3 한 발 지지 상태에서의 무게중심 및 캡쳐포인트 궤적 생성 7
2.1.4 두 발 지지 상태에서의 무게중심 및 캡쳐포인트 궤적 생성 9
2.1.5 캡쳐포인트 추종 제어 10
2.2 토크 제어기 설계 13
2.2.1 Foot contact constraints 계획 13
2.2.2 Foot contact constraints 제어 17
제 3 장 실시간 입자군집최적화 기반 제어 기법 21
3.1 입자군집최적화 21
3.2 입자군집최적화 기반 실시간 whole-body 제어 최적화 23
3.2.1 캡쳐포인트 궤적 최적화 23
3.2.2 Foot contact constraints 최적화 25
3.3 제안한 실시간 최적화기반 토크 제어 기법 생성의 전체 과정 27
제 4 장 시뮬레이터를 이용한 모의 실험 28
4.1 평탄 지형 직진보행에 대한 모의실험 29
4.2 평탄 지형 동적보행에 대한 모의실험 31
4.3 정형 비평탄 지형 직진보행에 대한 모의실험 37
제 5 장 실제 하드웨어 로봇을 이용한 실험 42
5.1 평탄 지형 직진보행에 대한 실제 하드웨어 실험 43
5.2 평탄 지형 동적보행에 대한 실제 하드웨어 실험 49
5.3 정형 비평탄 지형 직진보행에 대한 실제 하드웨어 실험 55
5.4 비정형 비평탄 지형 직진보행에 대한 실제 하드웨어 실험 59
5.5 비정형 비평탄 지형 가변보행에 대한 실제 하드웨어 실험 64
제 6 장 결론 및 추후 과제 70
참고문헌 72
Abstract 74

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