Balancing and Walking Control for a Humanoid Robot using Virtual Gravity Control

Abstract

본 논문에서는 휴머노이드 로봇의 보행에 있어서 보행의 각 과정에서 로봇이 잘 걷기 위한 균형 및 보행 방법을 제안한다. 그리고 시뮬레이션을 이용하여 가능성을 보이며 실제 휴머노이드 로봇에 적용하고, 그 결과로 제안한 방법을 사용하면 안정적이고 에너지 효율이 높으면서 인간과 유사한 보행이 가능함을 입증한다. 현재까지 개발된 이족 보행 로봇은 대부분 무모먼트점(Zero Moment Point, ZMP)을 기반으로 보행 동작을 생성한다. 무모먼트점이 발 안에 있으면 로봇은 보행 동안 넘어지지 않으므로, 관절의 위치를 제어하여 무모먼트점이 원하는 위치에 가도록 하며 로봇을 보행 시킬 수 있다. 이 방법은 안정적이지만 항상 무릎을 굽히기 때문에 에너지 효율이 낮고 인간의 보행과 다른 모습을 보인다. 이 방법과는 다르게 관절의 토크나 힘을 제어하여 보행 주기가 특정한 리미트 사이클(limit cycle)에 수렴하도록 제어하는 보행 방법이 있다. 이 방법은 에너지 효율이 높고 인간과 유사한 모습을 보이지만 가만히 서 있다가 보행을 시작하거나 보행 중에 멈추는 동작 같은 정적인 동작이나 다양한 동작을 하기는 어렵다. 본 논문에서는 기존의 보행 방법들을 보완할 수 있는 보행 알고리듬을 제안한다. 제안한 알고리듬은 몇 가지 제어 방법들로 구성되어 있다. 먼저 가상 중력 제어 방법을 이족 로봇의 균형 제어에 이용할 수 있도록 개선한 가상 반중력 제어 방법 (Virtual Anti-Gravity Control, VAGC)이란 새로운 방법을 제안한다. 하나의 질량을 가진 역진자 모델을 이용하여 VAGC의 아이디어와 특성을 보이고 여기에 댐핑 제어를 추가하여 실제 실험을 통해 균형을 잡는 것을 보였다. 또한 같은 방법을 휴머노이드 로보레이(Roboray)에 적용하여 한발이나 두발로 서 있을 때 균형을 잡을 수 있음을 확인하였다. 다음으로 본 논문에서는 보행 제어를 위해 복수의 가상 중력 제어 방법 (Virtual Multi-Gravity Control, VMGC)을 제안한다. VMGC는 가상 중력을 기반으로 하기 때문에 구현이 간단하고 자연스러운 움직임을 만들어 낼 수 있다. 제안한 방법이 주기적으로 안정적인 보행을 만들어 낼 수 있음을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 콤파스 형태의 간단한 형태로 시뮬레이션을 수행한 후 평평한 발과 무릎을 가진 모델을 제안하여 이 모델이 VMGC를 이용하여 안정적인 리미트 사이클 을 갖음을 보였다. 앞의 두 가지 방법을 기존의 PID 제어기에 추가하여 이용하여 균형 및 보행 알고리듬을 제안한다. 이 알고리듬은 유한 상태 기계 (Finite State Machine, FSM)을 이용하여 구성되고 1개의 균형 상태와 4개의 보행 상태로 이루어진다. 각각의 상태는 무게 중심의 위치와 뻗는 다리의 움직임을 만드는 역할을 하며 이 때 제안한 VAGC와 VMGC를 응용하여 적용한다. 이 FSM 알고리듬은 로봇 모델을 이용한 시뮬레이션에 적용하여 그 성능을 확인하고 실제 로봇에 적용하여 여러 가지 실험을 하였다. 이 실험 결과를 통해 제안한 방법이 다양한 환경에서 안정적으로 균형을 잡거나 보행을 할 수 있고 기존의 방법 보다 에너지 소모가 적으면서 인간과 유사한 보행 모습을 갖는 것을 확인하였다. 결론적으로, 본 논문에서 제안한 균형 및 보행 알고리듬은 인간과 유사한 보행 모습을 보이면서 안정적이고 에너지 효율이 높은 이족 보행을 하는데 많은 성능 개선을 하였으며 로봇 보행 제어의 각 단계별로 제어해야 할 과정들을 체계적으로 보여주고 있다