유압구동식 4족보행 로봇의 설계 및 제어  353

유압구동식 4족보행 로봇의 설계 및 제어

Design and Control of a Hydraulic Driven Quadruped

Walking Robot

김 태 주1, 원 대 희1, 권 오 흥1, 박 상 덕1, 손 웅 희1

Tae-Ju Kim1, Daehee Won1, Ohung Kwon1, Sangdeok Park1, Woong-Hee Son1

Abstract This paper proposes the trot gait pattern generation and online control methods for a quadruped robot to carry heavy loads and to move fast on uneven terrain. The trot pattern is generated from the frequency modulated pattern generation method based on the frequency modulated oscillator in order for the legged robots to be operated outdoor environment with the static and dynamic mobility. The efficiency and performance of the proposed method are verified through computer simulations and experiments using qRT-1/-2. In the experiments, qRT-2 which has two front legs driven by hydraulic linear actuators and two rear casters is used. The robot can trot at the speed up to 1.3 m/s on even surface, walk up and down the 20 degree inclines, and walk at 0.7 m/s on uneven surface. Also it can carry over 100 kg totally including 40 kg payload.

Keywords : Quadruped Robot, Hydraulic Actuator, Trot Gait, Pattern Generator

1. 서 론 다족형 로봇 중에서 가장 큰 이동성을 가지며 2족

로봇보다 더 안정성이 좋다는 이유로 4족형 로봇에 대한 많은 연구가 진행되고 왔다[1-8]. 그러나, 기존에 만들어졌던 4족형 로봇은 관절 엑추에이터의 낮은 출력으로 인하여 무거운 짐을 빠르게 옮기는데 한계를 지니고 있다. 최근 들어, 공압과 유압 엑추에이터를 이용한 4족 로봇의 제어 방법이 제시 되고 있다[9-10]. Guihard et al. 은 공압을 이용한 바퀴와 다리로 구성된 혼합된 로봇을 개발하였다[9]. 그러나, 이러한 로봇은 공압시스템의 높은 비선형 특성으로 인하여 제어하기 어렵다. Playter et al. 은 거친 지형을 걷고 뛰고 오르며, 무거운 하중을 옮길 수 있는 4족 로봇을 개발하였다[10]. 이 4족 로봇은 유압시스템을 구동하는 가솔린 엔진에 의해 동력을 발생시키며, 로봇의 발은 동물의 관절과 같은 구조로 구성되어 충격을 흡수하는 탄성요소를 가지고 있어서 한 스텝에서 다음 스텝까지 에너지를

순환시킨다. 본 논문은 4족형 로봇이 평탄하지 않은 지형에서

무거운 짐을 옮기고 빠르게 이동하기 위한 속보 패턴생성기와 온라인 제어 방법을 제시하였다. 로봇의 몸체의 궤적은 가상의 2족 모델을 기반으로 하여 동적 안정성을 만족시키도록 지면에 고정되어 회전하는 역진자의 운동과 유사한 궤적을 생성하였다. 또한 스윙하는 두 다리의 궤적은 보행의 패턴에 따라 변형이 가능한 주파수 변조 궤적 방법으로 생성하였다. 제시한 방법의 효율성은 그림 1에서 보여지듯이 전후 좌우로 자유롭게 움직일 수 대칭적인 구조를 갖는 4족 보행 로봇 모델인 qRT-1의 컴퓨터 시뮬레이터를 이용하여 검증하였다. 이 로봇 모델은 기구학적이나 동역학적으로 앞다리와 뒷다리의 역할이 확연히 구분된 4족 동물의 다리 구조를 모방한 것이 아니라 전방향 이동성과 수송성을 극대화하는 구조적 특징을 갖는다. 실제적인 환경에서 보행 실험을 위하여 테스트 베드용 로봇인 qRT-2로 검증하였다. qRT-2는 선형 유압 엑추에이터를 이용한 전면 구동 수송체이며 바퀴가 달린 뒷다리 위의 무거운 짐을 옮길 수 있다. qRT-1이 대칭적인 다리 구조를 갖기 때문에 거의 유사한 결과를 도출할 수

※ 본 연구는 산업자원부 민군겸용기술개발사업 다족형 견마로봇 플랫폼 기술개발 과제 지원으로 수행되었음.

1 한국생산기술연구원 로봇기술본부

354  로봇공학회 논문지 제2권 제4호 (2007. 12)

그림 1. A Quadruped Robot, qRT-1

있다. qRT-2의 높이는 약 1.0 m, 길이와 폭은 각각 1.0 m 와 0.5 m 이며 유압 파워팩을 제외한 무게는 약 60.0 kg이다. 또한 로봇의 이동을 제어하고 다리와 다양한 센서들을 다루는 탑재용 컴퓨터가 장착되었다.

2. 궤적 생성

2.1 궤적 생성을 위한 기구학적 모델

4족형 로봇을 위한 이동 패턴에는 보행(walking), 패이스(pacing), 트롯(trotting), 그리고 갤럽 (galloping) 등이 있다. 이 중에서 트롯은 항상 두 다리가 동시에 지면에 접촉하면서 빠르게 이동할 수 있는 이동의 방식이다.

본 논문에서는 트롯을 기본으로 제한된 범위 내에서 원하는 속도에 맞추어 이동할 수는 거동 방법을 제안한다. 그림 1과 2는 각각 4족 로봇과 그것의 좌표계와 파라미터를 나타내었다.

먼저 개략적으로 궤적 생성 방법을 설명하면 다음과 같다. 간략화된 4족 로봇 모델의 두 다리는 서로 대각선으로 묶어서 그림3(a) 에서 보이는 바와 같이 한 다리처럼 동작하도록 만든다. 이것은 그림3(b)에서

그림 2. qRT-1의 좌표계와 파라미터들

보여주듯이 몸체와 두 다리로 구성된 가상의 2족 모델이라 칭한다. 그 몸체와 스윙 발의 궤적들은 가상의 2족 모델에 대하여 정의 된다. 그리고 이때, 그림3(c)에서 나타내었듯이 가상의 2족 로봇 모델로부터 얻어진 궤적들은 4족 로봇 모델의 각 다리와 몸체의 궤적으로 변환된다.

그림3(b) 에서 지지하는 발에 대하여 스윙 발의 위치는 다음과 같다.

= +f B B BfP P R P , (1)

여기서, fP 와 BP 은 각각 지면 위의 절대 좌표계로부터

스윙 발과 몸체의 위치벡터들이다. 그리고 BR 와 BfP

은 각각 절대좌표계와 몸체의 기준 좌표에 대한 회전 변환매트릭스와 몸체의 기준 좌표계에 대한 스윙 발의 위치벡터이다. 식(1) 에서 스윙 발의 위치벡터의 시간에 대한 미분을 계산하면 다음과 같은 식을 얻게 된다.

ω

ω θ

= + × +

= + × + ,

f B B B Bf B Bf

B B B Bf B f

P P R P R P

P R P R J

(2)

여기서, ω= ×B B BR R , θ=Bf fP J . 그리고 θ f 와 J 는

각각 관절의 각속도와 자코비안 행렬이다. 따라서 관절의 각속도는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

(a) 간략화된 4족 로봇 (b) 가상의 2족 모델

(c) 4족 로봇의 트롯 패턴

그림 3. 트롯을 위한 패턴발생기

유압구동식 4족보행 로봇의 설계 및 제어  355

( ) ( )θ ω−= − − ×1f B f B B B BfR J P P R P , (3)

여기서 ( )−= −1Bf B f BP R P P . 따라서, BP , BP , ωB 그리고

BR 는 모든 로봇의 질량이 몸체에 집중되어 있다

고 가정하고 지면에 고정되어 회전하는 역진자의 모델로부터 동적 안정성을 만족시키도록 유도한다[11].

그리고, fP 와 fP

는 주파수 변조 궤적 생성 방법에

의해서 결정되며 그것들을 식(2)와 (3)에 입력해서 각 관절의 궤적을 얻는다.

2.2 주파수 변조 궤적 생성 방법

4족형 로봇이 다양한 보행 환경에서 보행하기 위해

많은 궤적 생성방법이 제안되고 있다. 기존의 궤적 생

성방법은 보행환경의 변화에 따른 궤적의 수정이 용

이하지 않거나 매우 복잡한 구조를 가지고 있다. 따라

서 본 논문에서는 보형 평면의 기울기, 장애물의 높이

등 보행 환경에서 얻을 수 있는 정보와 로봇의 속도에

영향을 미치는 보폭 등을 변수로 갖는 발의 궤적 생성

방법을 제안하였다. 이러한 방법은 환경정보 및 로봇

의 보폭이 패턴 생성기의 변수로 구성되어 혼합되어

있기 때문에 피드백루프를 구성하여 보행에 적합한

발의 궤적 생성이 용이하다는 장점을 가지고 있다. 또

한 시그모이드 함수(sigmodial function)을 이용하여

발의 궤적이 지면에서 발이 떨어질 때와 닿는 시점에

발끝 속도의 가감속이 용이하여 지면 접촉력 등을 최

소화 할 수 있는 궤적의 생성이 가능하다.

본 논문에서는 주기적인 발의 궤적 생성을 위해 먼

저, 사인함수를 이용한 오실레이터를 정의하였으며,

이 함수는 본 논문에서 주파수 변조 오실레이터

(FMO)라 일컫는다.

( ) ( )( ) ( )

sin 2 ,

2 cos 2 ,osc

osc

ft

f ft

ψ φ π φ

ψ φ π π φ

= +

= ⋅ +& (4)

여기서, φ은 pace, trot, gallop 등 다양한 보행 방식에

따른 좌우 다리의 위상차이다. 그리고, 오실레이터의 주

파수 f 는 로봇의 희망 보행 속도 refv 와 보폭 refs 으로

이루어진 함수이며 /= ref reff v S 와 같이 정의 된다. 이

러한 변수들은 보행 속도에 따라 오실레이터의 주기가

바뀌고, 이것은 뒤에서 언급할 관계식에 의해 발의 궤

적도 이에 적합하도록 변하게 된다. 이 변수들의 증감

에 의해 패턴이 생성되는 것이 가능하다.

두 번째로 로봇의 식 (4)를 이용하여 로봇의 보행

평면인 X-Y 평면에 대한 로봇 발의 궤적 생성 방법에

대해 제안하였다. 로봇 발의 X-Y 평면상의 위치는 다

음과 같이 정의된다.

,2ref

XY

Sγ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

rr rrP μ ψ θ (5)

여기서 X Y

rP = [ ]TFR FR FL FLX Y X Y 는 X-Y 평면에

대한 로봇의 발끝의 X, Y 궤적이며, rψ 는 주파수 변

조 발진 행렬 (frequency modulated oscillation

matrix, FMOM)이다. 그리고, rμ 는 다리 활성화 행렬

(leg activation matrix, LAM)이다. 또한 FR와 FL은

앞쪽 좌우다리를 의미하며 γ 는 로봇 전진 또는 후진을 결정하기 위한 변수이며, FMOM (

rψ ) 은 식(5)와 같이 정의된다.

( )( )

2 2

2 2

Ho s c F R

Ho s c F L

ψ φ

ψ φ

⎡ ⎤⋅⎢ ⎥=⎢ ⎥⋅⎣ ⎦

Ι Ο

Ο Ιrψ

, (6)

여기서 nI 와 nΟ 은 각각 n n× 단위행렬과 영행렬이다. 식(6)에서 FMOM 은 pace, trot, gallop 등 보행

종류에 따른 각 다리 사이의 위상차에 의존한다. 그리

고 로봇의 회전 방향을 결정하는 방향 벡터rθ 는

( ) ( ) ( ) ( ) Tcos sin cos sind d d dH H H Hθ θ θ θ⎡ ⎤⎣ ⎦ 으로 정의된다.

여기서, dHθ 는 헤딩각이다. 또한, 로봇의 전진과 후진

을 결정하는 변수 γ 는 다음과 같이 정의된다.

1 ,1 , ,0 ,

if forward directionif backward directionif hold on

γ⎧ ⎫⎪ ⎪= −⎨ ⎬⎪ ⎪⎩ ⎭

(7)

마지막으로, 보행 평면에 수직인 Z축상에서의 로봇

발의 궤적생성을 위한 방법은 식(8)과 같이 정의된다.

( )( )

( )( )

1 exp,

1 exp

ref

VFR osc FR Slope

Z iref

VFL osc FL

Z

Z

α β μ ψ φ

α β μ ψ φ

⎡ ⎤⎢ ⎥

+ ⋅ ⋅ ⋅⎢ ⎥= +⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥+ ⋅ ⋅ ⋅⎣ ⎦

rP Z

(8)

356  로봇공학회 논문지 제2권 제4호 (2007. 12)

여기서 Z

rP =[ ]TFR FLZ Z 은 수직 좌표축에 대한 로봇

발의 궤적이다. refZ 는 보행시 Z축에 대한 발끝의 기

준 위치이고, α 와 β 는 발의 궤적 모양을 결정하기 위한 인자들이며, 이러한 인자들의 변화에 따른 X-Z

평면상에서의 발 궤적의 모양은 그림 4와 같다.

식(8)에서 LAM(rμ )는 로봇의 보행 종류에 따라 로

봇의 각 다리가 지면에 접촉 상태인지 스윙 상태인지

를 결정하기 위한 관계식이며 그 관계식은 보행 종류

에 따른 각 다리의 위상차에 따라 결정되며 식(9)와

같이 나타낼 수 있다.

2 2

2 2

,F RF L

μμ

⋅⎡ ⎤= ⎢ ⎥⋅⎣ ⎦

Ι ΟΟ Ι

rμ (9)

여기서 ( ) ,1 , 0 ,0 ,

⎧ ⎫>⎪ ⎪= =⎨ ⎬⎪ ⎪⎩ ⎭

ψ φμ

Vosc i

i FR FLif

iotherwise

이다.

식(8)에서 S lo p eiZ 은 로봇이 경사면을 오르거나 비평

탄 평지 위를 걸을 때 Z축에 대한 발의 궤적 ZrP 는 주

어진 발끝의 기준 위치로 생성된 기본 궤적에 식(10)과

같이 경사면 또는 발끝의 장애물의 높이에 따른 보상부

분인 SlopeiZ 가 더해져 전체 Z-축 상에서의 발끝의 위

치를 보상하게 되며, 그 관계식은 다음과 같다.

( )( )

sin,

sin

SlopeFR FRSlope

i SlopeFL FL

X

X

θ

θ

⎡ ⎤⋅⎢ ⎥=⎢ ⎥⋅⎣ ⎦

Z (10)

여기서, Slopeiθ 은 i번째 발의 지면과의 경사각을 의미

하며, 그것의 값이 0이 아니면 SlopeiZ 가 활성화되며,

경사각이 0 도 이면, SlopeiZ 는 활성화되지 않는다.

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.150

0.05

0.1

0.15

0.2

Foot Position X [m]

Foo

t P

ositi

on Z

[m

]

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15

0

0.05

0.1

0.15

0.2

Foot Position X [m]

Foo

t P

ositi

on Z

[m

]

(a)β = -6, (b)β = -10

그림 4. 평지의 측면에서의 발의 위치. 보폭은 0.25m이다

그림 4~8은 본 논문에서 제안한 보행 궤적 방법의

각인자별 변화에 따른 패턴의 변화에 대한 간단한 시

뮬레이션 결과를 보여준다.

먼저, 보행 방식이 trot이라 가정하면 이때 각 다리

의 위상차들은 / 2HFRφ π= − , / 2HFLφ π= , / 2V HFR FRφ φ π= + ,

그리고 / 2V HFL FLφ φ π= + 이다.

이때, 그림 4는 발의 이동 궤적이 β 에 따라 변화됨

을 보인다. 또한, 그림5는 경사각에 따른 경사면에 대

한 측면방향에서 상대적인 발의 위치를 보여준다.

그림 6은 헤딩각은 고정된 상태, 즉 직진 보행시 경

사각에 따른 X, Z축상에서의 발의 위치를 나타낸다.

이때, 직진 보행이므로 Y축의 발의 위치는 변화가 없

으므로 나타내지 않았다. 그림 7은 비평탄면, 즉 보행

평면상에 자갈 등 장애물이 존재 할 경우와 경사면을

이동할 때의 발의 궤적들을 보여준다.

그림 7에서 보는 바와 같이 발끝의 장애물의 위치

와 경사각의 센싱값을 식(10)에 반영되에 발의 궤적이

외부 환경의 변화에 의해 쉽게 변화됨을 볼 수 있다.

그림 8은 평지 위에서 로봇의 보행 방향, 즉 헤딩각

을 바꾸면서 이동할 때의 발의 궤적을 보여준다.

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15

-0.1

0

0.1

0.2

Foot Position X [m]

Foo

t P

ositi

on Z

[m

]

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15

-0.1

0

0.1

0.2

Foot Position X [m]

Foo

t P

ositi

on Z

[m

]

경사각: 70o 그리고 20

o.

그림 5. 경사면의 측면에서의 발의 위치

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.2

0

0.2

0.4Foot-X Trajectory

Pos

ition

& V

eloc

ity

FL Leg Position [m]

FL Leg Velocity [m/s]

FR Leg Position [m]

FR Leg Velocity [m/s]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1

-0.5

0

0.5

1Foot-Z Trajectory

Time [sec]

Pos

ition

& V

eloc

ity

그림 6. 경사각에 따른 위한 발의 궤적

유압구동식 4족보행 로봇의 설계 및 제어  357

0

0.5

1

Am

plitu

de

Oscillator output FR

Oscillator output FL

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Right Foot Position X [m]

Rig

ht F

oot Z

[m]

Foot FR Trajectory

Obstacle

0

0.2

0.4

0.6

Left Foot Position X [m]

Left

Foo

t Z [m

]

Foot FL Trajectory

Obstacle

그림 7. 비평탄면 및 경사면을 움직이기 위한 발의 궤적 및 속도

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45-0.2

0

0.2

0.4Foot-X Trajectory

Pos

. & V

el

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45-0.2

0

0.2

0.4Foot-Y Trajectory

Pos

. & V

el

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

-0.5

0

0.5

Foot-Z Trajectory

Time [sec]

Pos

. & V

el

Front Left Leg Position [m]

Front Left Leg Velocity [m/s]

Front Right Leg Position [m]

Front Right Leg Velocity [m/s]

(a) 시간에 대한 각 축상에서의 발 위치 및 속도

-0.1

0

0.1

-0.1

0

0.1

0

0.1

0.2

Foot X-Position [m]Foot Y-Position [m]

Foo

t Z-P

ositi

on [m

]

(b) 로봇의 heading angle의 변화에 따른 반복적인 발의 위치

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

X-PositionY-Position

Z-P

ositi

on

(c) X-Y-Z축 상 발의 궤적

그림 8. 전향각의 변화()에 따른 발의 궤적 및 속도

(0 15 30 60o o o o→ → → →L )

본 논문에서 제안한 보행 패턴 생성 방법은 로봇의 희

망 보행속도/방향, 보폭 및 장애물의 높이, 경사각 등을

보행 패턴 생성기의 구성 인자로 정의하고 이러한 인자

들의 변화에 따라 보행 패턴이 변화되는 단순한 구조를

가지고 있어 평지/비평지 보행환경에서의 보행 패턴 생

성이 용이 하다. 본 장에서 제안된 보행 패턴 생성방법에

의해 2.1장의 식(1)의 발 위치를 결정하게 된다.

3. 실시간 보상기

4족 보행로봇은 정의된 궤적에 따라 빈번하게 지면과 접촉한다. 이때 로봇의 발과 지면의 접촉은 지면의 조건이나 로봇의 자세 불균형으로 인해 큰 충격력이 발생하게 된다. 이러한 큰 충격력과 외력의 발생을 줄이기 위해서 접촉하는 발의 수직방향의 궤적을 외력의 크기에 따라 변화시킨다. 먼저 지면과 발의 접촉을 스프링과 댐퍼, 그리고 발에 작용하는 외력과의 상관관계식으로 표현한다.

, , , 1( ) /

e B d fc d fc

d fc k d fc k fc k

F H K z D z

K z D z z t−

= +

≈ + − Δ (11)

식(11)을 재정리하면

, 1,

//

e B d fc kfc k

d d

F H D z tz

K D t−+ Δ=

+ Δ. (12)

여기서 dK 와 dD 는 각각 강성과 감쇠계수이며, eF 와

Δt 는 각각 발에 작용하는 외력과 샘플링 시간이다.

, 1fc kz − 와 ,fc kz 는 지면에 대한 발의 전과 후의 높이를 각

각 말하며 외력의 크기에 따라 발의 높이가 결정된다. 만약 발이 지면에 닿지 않았다면 닿을 때까지 발을 내리게 된다. 그림9는 지면과 로봇 발사이의 스프링과 댐퍼 모델을 나타내고 있다. 원하는 외력의 크기가 정해진 범위 안으로 줄어들면 로봇이 안정된 보행을 하게 된다.

그림 9. 컴플라이언스 모델

358  로봇공학회 논문지 제2권 제4호 (2007. 12)

4. 실 험

앞쪽에 두 다리와 뒤쪽에 두 개의 바퀴를 가진 qRT-2는 비평탄면에서 큰 무게의 짐을 싣고, 빠른 속도로 이동하기 위한 제어방법과 보행 패턴을 테스트하기 위하여 그림 10과 같이 설계 및 제작되었다. qRT-2는 선형 유압 엑추에이터로 구성되어 큰 무게의 짐을 들 수 있는 능력을 가지고 있는 전면 구동 시스템으로 뒷발은 바퀴로 되어 있다.

그림 11은 본 연구에서 사용한 선형 유압 서보 시스템을 나타내며, 무게는 3.3kg, 유효 단면적은 5.058 2cm , 로드 직경은 16mm, 최대 스트로크 80mm, 공급압력 210bar에서 최대 10kN의 힘을 발생 시킬 수 있다. 그리고, 유압 서보 제어기는 LVDT센서와 load cell의 앰프가 내장되어 있으며 제어 알고리즘으로는 backstepping control 알고리즘이 내장되어 있다. 또한, 유압 파워 공급 시스템은 최대 210bar에서 40lpm 공급이 가능하며, 압력 제어가 가능하도록 설계되었다.

그림 10. qRT-2

(a) 센서 일체형 선형 유압 엑추에이터

(b) 센서/서보밸브 앰프 내장형 제어기 및 알고리즘

그림 11. 유압 서보 시스템

Weight 60 kg Hydraulic power pack is not included Height 1 m Payload 40 kg Width 0.5 m Max. Velocity 1.5 m/s Length 1 m DOF 3 DOF/Leg (active)

그림 12. qRT-2의 좌표계 및 설계 파라미터

그림 13. 제어 아키텍쳐

그림 12은 qRT-2의 상세한 사양을 보여준다. qRT-2는 유압 파워팩을 제외하고 약 60 kg의 무게를 가지고 있으며, 40 kg 이상의 무게를 싣고 1.3 m/s이상의 속도로 언덕을 오르거나 내려올 수 있다.

qRT-2의 전체 제어 구조는 그림 13와 같이 패턴발생기, 실시간 보상기, 로컬제어기 그리고 센서 필터링으로 되어있다. 로컬제어기는 DSP보드, CAN 컨트롤러, 양 로드타입의 유압실린더, LVDT 센서, 로드셀로 구성되어 있으며, 탑재용 컴퓨터로 구성된 고차원 제어기로부터 명령을 받아 서보 밸브로 작동되는 유압 구동 시스템을 제어한다. LVDT센서는 선형 엑추에이터의 변위를 측정하기 위하여 사용되며, 탑재용 컴퓨터는 보행을 제어하기 위하여 매우 다양한 종류의 센서 정보들이 입력된다. 사용된 센서들로는 조인트 포지션과 힘, 지면접촉, 지면 반력, 그리고 자이로스코프가 있다. 다른 센서들로는 qRT-2의 내부 상태를 측정하기 위한

유압구동식 4족보행 로봇의 설계 및 제어  359

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

Time [sec]

Actual Position [mm]Ref. Position [mm]

Position Error [mm]

Supply Pressure [bar]

Total Flow Rate [lpm]Oil Temp. [deg]

그림 14. qRT-2의 유압 엑추에이터 제어

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

500

1000

FL Leg X

FR Leg X

FL Leg Z

FR Leg Z

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-40

-20

0

20

FL1 Actual Pos.

FL1 Ref. Pos.

FL1 Pos. Error

FL2 Actual Pos.

FL2 Ref. Pos.

FL2 Pos. Error

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 205

10

15

Total Flow Rate [lpm]

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2050

100

150

Time [sec]

Supply Pressure [bar]

Oil Temp.

그림 15. 0.5m/s일 때, 발과 관절의 경로 및 trot gait일 때,

유압시스템의 유속, 압력, 오일 온도

것이 있으며 작동유 압력, 작동유 온도, 엔진 온도, 엔진 RPM, 배터리 용량등을 모니터링 한다.

그림14은 qRT-2의 각 유압 엑추에이터가 1.0 Hz 주파수, 20 mm 진폭의 사인 파형을 추종할 때의 실험결과로 위치오차가 0.2 mm이내로 제어되는 것을 볼 수 있다. 이때의 유압 시스템의 설정 압력은 약 130bar 이며, 이때 총 공급 유량은 25.0 lpm 이다. 유압 작동유의 온도가 약 65도 정도로 올라가는 것을 볼 수 있으며, 본 논문에서는 유압 작동유의 온도는 낮추기 위하여 공냉식의 냉각 시스템을 사용하였다.

그림 15는 본 연구에서 제시한 경로 패턴생성기와 제어 방법을 사용한 qRT-2가 평탄한 지형에서 0.5m/s로 보행 하였을 때 실험결과를 보여준다. 로봇은 방향을 전환하지 않으므로 회전 동작과 관련된 모든 유압 엑추에이터는 움직이지 않게 때문에 전체 유동 속도는 15.0 lpm 이하이다. 그리고 공급된 유압은 약 130 bar 이다.

본 연구에서 개발된 qRT-2의 최대 보행 속도는 1.3 m/s 이며, 등판가능 경사각은 20도, 최대 허용하중은 로봇의 자중 외에 40 kg 을 가지고 있다.

4. 결 론 본 논문은 4족형 보행 로봇이 평탄하지 않은 지형

에서 무거운 짐을 옮기고, 빠른 속도로 이동 하기 위한 패턴생성기와 실시간 제어 방법을 제시하였다. 이를 시뮬레이션을 통해 검증하였으며, 또한 1차로 선형 유압 엑추에이터로 구성된 2족과 휠로 구성된 2족 형태의 실험장치를 개발하여 제안된 알고리즘의 성능 및 4족형 보행 로봇으로의 적용 가능성을 검증하였다.

특히, 약 1.0 m 높이, 1.0 m 의 길이, 0.5 m 의 폭을 가지며 무게가 약 60 kg 에 이르는 고 하중의 로봇이 최대 1.3 m/s 의 속도로 보행할 때 발생할 수 있는 큰 지면 접촉력을 최소화하기 위한 보상기 및 경사면 등 비평탄면 보행을 위한 궤적 생성 방법을 제안하여 최대 20도의 경사면의 등판 가능성을 보여주었다.

그리고, 향후 개발될 로봇을 위해 4족형 보행 로봇에 대한 시뮬레이션 결과를 본 논문에서 구성한 2다리의 로봇에 적용함으로써 대칭구조를 갖는 4족형 보행 로봇과 유사한 결과를 얻었으며, 실험을 통해 0.5 m/s 속도로 로봇 자체무게 60kg와 하중 40 kg 포함한 전체 100 kg 의 무게를 가지는 족형 보행 로봇의 보행 가능성을 보였다.

향후 연구 내용으로는 4족형 로봇으로의 확장방법과보다 강건한 이동 전략과 지형 인지 능력을 통한 족형 로봇의 거친 지형 이동 성능 향상을 위하여 연구를 진행하고 있다.

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360  로봇공학회 논문지 제2권 제4호 (2007. 12)

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손 웅 희

1988 서울산업대 기계설계학과(공학사)

1993 한양대학교 기계설계학과(공학석사)

1997 과학기술부 기계/차량 기술사

1987~1990 한국과학기술원 기계공학과 연구원 1990~현재 한국생산기술연구원 로봇기술본부 수석연

구원 관심분야 : 필드형로봇, 생체역학, 수송기계

박 상 덕

1988 영남대학교 기계설계과(공학사)

1990 포항공과대학교 기계공학(공학석사)

2000 포항공과대학교 기계공학(공학박사)

1989~2003 (재)포항산업과학연구원 기전연구팀 책임연구원

2004~현재 한국생산기술연구원 로봇기술본부 수석연구원

관심분야 : 4족 보행로봇 설계 및 제어, 비행로봇 설계 및 제어, 설비진단용 이동로봇 시스템 설계, 유연구조물 및 유연로봇 진동해석 및 제어

권 오 흥

1999 한양대학교 기계공학부(공학사)

2001 한양대학교 정밀기계공학과(공학석사)

2003 한양대학교 기계공학과 박사수료

2007~현재 한국생산기술연구원 로봇기술본부 지능/운동 연구팀

관심분야 : 보행 궤적 생성 알고리즘, 힘 제어

원 대 희

2000 고려대학교 제어계측공과(공학사)

2002 한양대학교 대학원 정밀기계공학과(공학석사)

2002~현재 한국생산기술연구원 로봇기술본부 제어/인식연구팀

2007~현재 한양대학교 대학원 전기공학과 박사과정 관심분야 : 비선형시스템 제어 및 최적 추정이론, 4족

보행로봇, DSP

김 태 주

2002 한양대학교 제어계측공과(공학사)

2004 한양대학교 대학원 제어계측공학과(공학석사)

2004~현재 한국생산기술연구원 로봇기술본부 지능/운동 연구팀

관심분야 : 4족 보행로봇, 햅틱 시스템, 최적설계