무게중심 궤적 및 캡쳐포인트 기반 안정성 제어기의 실시간 최적화를 이용한 동적 이족 보행

Abstract

21세기에 이르러 로봇의 중요성은 더욱 높아지고 있으며, 그 중 이족 보행 로봇은 인간이 활동하는 환경에서 쉽게 활용될 수 있는 장점이 있다. 이때 로봇이 다양한 작업을 수행하기 위해서는 안정적인 보행이 필수적이다. 특히, 움직이는 장애물이나 변하는 환경에 빠르게 대처하기 위해서는 실시간 처리를 통한 보행패턴생성과 제어가 필요하다. 따라서 단일질량을 갖는 선형역진자모델 (Linear Inverted Pendulum Model) 을 이용하여 적은 연산시간으로 로봇의 보행패턴을 생성하고, 이족 보행 로봇의 안정성 지표로 활용되는 영모멘트점 (Zero Moment Point) 을 제어하는 연구가 많이 진행되어 왔다. 하지만 이렇게 단순화된 선형역진자모델은 동역학적으로 발산하는 성분을 지닌 불안정한 모델이기 때문에 이 발산항을 고려한 보행패턴생성 및 제어 기법들이 현재까지도 활발히 연구되고 있다. 본 논문에서는 선형역진자모델 동역학식의 발산성분으로부터 유도되는 캡쳐포인트 (Capture Point) 와 ZMP 제어 성능을 향상시키기 위해 실시간 입자군집최적화 (Particle swarm optimization) 를 이용한 로봇의 무게중심 및 캡쳐포인트 궤적 최적화 알고리즘을 제안한다. 제안하는 보행패턴생성 및 제어 기법을 사용하면 기존에는 보행명령에 따라 로봇이 불안정해질 수 있는 제어입력이나 추종하기 어려운 제어입력이 생성될 수 있었던 것과 달리, ZMP가 로봇이 안정적으로 걸을 수 있는 정해진 영역 안에 존재하도록 보장해주는 제어입력을 생성할 수 있다. 이를 통해 기존 기법으로는 수행하기 어려웠던 급격한 동적 보행명령들을 안정적으로 수행할 수 있고, 정해진 영역만큼 로봇의 발 크기를 축소시켰을 때에도 넘어지지 않고 걸을 수 있다.