IMU 센서를 사용하지 않는 이족 로봇의 경사 보행을 위한 경사 관측기와 제어기 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Many robotics research institutes and universities currently research a legged robots. However, walking mechanism of the legged robot is still complex and difficult to realize. Especially, it is very difficult to realize that a biped robot such as humanoid robot walks stably in complex environment such as a rough terrain or a slope ground. In addition, many kinds of sensors are required to realize it. Among sensors, an IMU sensor (Inertial Measurement Unit Sensor) measures tilt and angular velocity of a robot and slope angle. Therefore, the IMU sensor is necessary sensor for biped robot walking on slope ground. But, if the IMU sensor is removed or damaged, it is difficult to realize the biped robot walks stably on the slope ground. Therefore, biped robot need a walking algorithm that can realize to biped walking on a slope ground without using IMU sensor. In this paper, we developed slope observer for estimating slope angle by using Force Torque Sensor on an unknown slope ground. Slope observer is designed based on disturbance observer estimating a disturbance. Also, we developed a controller for posture control and stabilization to erect the biped robot upright on slope ground. In addition, we propose a walking pattern generation algorithm for biped walking on slope ground. Finally, we created the virtual environment such as slope ground, the walking algorithm is verified by experiment of the biped robot RoK-3.

국문 초록 (Abstract)

현재 많은 로봇 연구기관 및 대학에서 다리형 로봇을 연구한다. 하지만현재까지도 다리형 로봇의 보행 메커니즘은 복잡하고 구현하기 어렵다. 특히 그중에서도 인간형 로봇을 포함한 이족 로봇이 험지 및 경사지면과 같은 복잡한 환경에서 안정적인 이족 보행을 구현하는 것은 매우 어려운 기술에 해당된다. 또한, 이를 구현하기 위해선 다양한 종류의 센서들이 필요하다. 센서 중에서 IMU 센서(Inertial Measurement Unit Sensor)는 로봇의 기울기와 각속도 그리고 경사지의 경사각을 측정할 수 있다. 따라서 경사지면에서 걷는 이족 로봇에게는 꼭 필요한 센서이다. 하지만 반대로 IMU 센서가 없거나 손상될 경우, 이족 로봇이 경사지면에서 안정적인 이족 보행을 구현하는 것은 어렵다. 그렇기 때문에 이족 로봇이 IMU 센서를 사용하지 않고, 경사지면에서 안정적인 이족 보행을 구현할 수 있는 보행 알고리즘이 필요하다고 판단하였다.
따라서, 본 논문에서는 알 수 없는 경사 지면에서 FT(Force Torque Sensor)센서를 사용하여 경사각을 추정할 수 있는 Slope Observer를 개발하였다. Slope Observer를 설계할 때, 외란을 추정할 수 있는 Disturbance Observer 기반으로 설계하였다. 또한, 경사지면에서도 로봇을 똑바로 세우기 위한 자세 제어와 안정화를 위한 Controller을 개발하였다. 그리고 경사 지면에서 걸을 때, 보행 패턴 생성 알고리즘을 제시하였다. 최종적으로 가상의 경사 환경을 만들고, 이족 보행 로봇 RoK-3의 보행 실험을 통해 전체적인 보행 알고리즘을 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 Introduction 1
• 1.1. Previous and Related Works 1
• 1.2. Motivation and Objectives of Research 6
• 제2장 Bipedal Robot Platform RoK-3 8
• 2.1 Overview of Bipedal Robot Platform RoK-3 8
• 2.2 Joint of RoK-3 9
• 2.3 Electronic and Sensor System 11
• 2.4 Overall of RoK-3 System Architecture 14
• 제3장 Biped Walking Pattern Generation 15
• 3.1 CoM Trajectory Generation by using Preview Control 15
• 3.2 Foot Trajectory Generation 19
• 3.3 Foot Trajectory Generation for Biped walking on slope ground 23
• 3.4 Overall of Walking Pattern Generation Algorithm 25
• 제4장 Slope Observer and Control 32
• 4.1 Real ZMP Calculation 33
• 4.2 System Identification 35
• 4.3 Design Slope Observer based on Disturbance Observer 39
• 4.4 Design Controller 45
• 4.5 Compensate for Posture control and Stabilization 50
• 4.6 Overall control algorithm 52
• 4.7 Overall biped walking algorithm on slope ground 53
• 제 5장 Experiment and Result 54
• 5.1 Disturbance Observer Test 54
• 5.2 Slope Observer Test 56
• 5.3 Controller Test 58
• 5.4 Walking Test on slope ground 64
• 5.5 Walking Test on unknown slope ground 69
• 제 6장 Conclusion 74
• 참고문헌 75
• Abstract 77