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오른쪽 하지와 왼쪽 하지의 발목 관절과, 무릎 관절, 대퇴부 관절 각각에 관절모터를 구비한 이족 인간형 로봇의 계단 내려오기를 위한 최적 궤적 설계 방법에 있어서,
투영(projection) 기법을 이용하여 로봇의 3차원 모델을 계산하여 모든 하지 관절에 대한 3차원 좌표를 획득하는 단계;
계단 내려오기의 동작을 에너지 효율을 고려하여 복수개의 동작으로 구분하는 단계;
상기 구분된 각각의 동작 단계에서 로봇의 하지의 각 링크 길이와 질량을 이용하여 계단 보행 시 각 단계별로 관절에서 발생하는 토크를 계산하는 단계;
상기 3차원 모델로부터 계단 보행 시 각 시점의 영 모멘트 점(zero moment point, ZMP)을 계산하는 단계;
다항 함수(polynomial function)를 이용해서 계단 보행 중의 하지 관절 모터의 각 궤적 추이를 생성하는 단계;
연산적 최적화 기법을 이용해서 상기 다항 함수의 계수들을 컴퓨터로 탐색하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이족 인간형 로봇의 계단 내려오기를 위한 최적 궤적 설계 방법
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제1항에 있어서, 상기 복수개로 구분된 계단 내려오기 동작은,
직립 상태에서 상기 로봇이 지지하는 다리에 ZMP 안정도를 유지하며 계단 아래로 한 쪽 다리를 내뻗는 제1동작 단계와;
지지하는 다리를 계단 높이만큼 낮추어 제1동작 단계에서 내뻗은 다리가 아래에 있는 계단에 닿을 수 있도록 하는 제2동작 단계와;
계단 아래에 내려 놓은 다리가 지지하는 다리가 될 수 있도록 무게 중심을 아래 쪽 계단의 발로 이동시키는 제3동작 단계 및;
계단 아래에 있는 발을 기준으로 계단 위에 있는 발을 계단 아래로 내려서 직립상태가 되게 하는 제4동작 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이족 인간형 로봇의 계단 내려오기를 위한 최적 궤적 설계 방법
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제2항에 있어서, 는 지지하는 다리의 발목과 무릎관절 각도, 은 상체와 지지하는 다리의 대퇴부가 이루는 각도, 은 움직이는 다리의 대퇴부, 무릎, 발목 관절의 각도를 각각 의미하고, l1은 지지하는 다리의 발목과 무릎 간의 링크 길이, l2는 지지하는 다리의 무릎과 대퇴부 간의 링크 길이, l3는 상체의 링크 길이, l4는 움직이는 다리의 무릎과 대퇴부 간의 링크 길이, l5는 움직이는 다리의 무릎과 발목 간의 링크 길이, l6는 움직이는 다리의 발목과 발바닥 간의 링크 길이, l7은 대퇴부의 좌우측 링크 길이, 는 상기 6개의 링크를 시상면(sagittal plane)에서 보았을 때 투영된 링크 길이, 는 상기 6개의 링크를 관상면(coronal plane)에서 보았을 때 투영된 링크 길이, 은 지지하는 다리의 무릎관절 3차원 좌표, 는 지지하는 다리의 고관절 3차원 좌표, 는 들어올린 다리의 고관절 3차원 좌표, 는 들어올린 다리의 무릎관절 3차원 좌표, 는 들어올린 다리의 발목 관절 3차원 좌표, 는 들어올린 다리의 발바닥 중심점 3차원 좌표를 의미하며, 는 로봇의 정면에서 본 관절의 각도를 의미하며,
이고, , , 로 정의할 때;
로봇의 내려오기 동작 중 로봇이 왼발로 지지하는 경우, 상기 3차원 모델은,
인 것을 특징으로 하는 이족 인간형 로봇의 계단 내려오기를 위한 최적 궤적 설계 방법
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제3항에 있어서, 로봇의 내려오기 동작 중 로봇이 오른발로 지지하는 경우, 상기 3차원 모델은,
인 것을 특징으로 하는 이족 인간형 로봇의 계단 내려오기를 위한 최적 궤적 설계 방법
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제2항에 있어서, 제1동작 단계에서 로봇이 지지하는 다리로 ZMP 안정도를 유지하며 계단 아래로 한 쪽 다리를 내뻗기 위해, 다리를 뻗는 보폭은 로봇의 발길이 보다 큰 보폭으로 움직여 계단을 완전히 벗어나고, 계단과 내디딘 발은 90도를 유지하도록 하며, 혼합 다항식을 사용하여 각 관절 모터의 궤적을 근사화 하고, 컴퓨터 최적화 기법으로 비용함수와 벌칙함수를 최적화하여 에너지를 최소화하는 궤적을 생성하는 것을 특징으로 하는 이족 인간형 로봇의 계단 내려오기를 위한 최적 궤적 설계 방법
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제2항에 있어서, 제2동작 단계에서는, 내뻗은 다리의 관절 모터의 수치는 변화시키지 않고 지지하는 다리의 궤적만 변화시키는 것을 특징으로 하는 이족 인간형 로봇의 계단 내려오기를 위한 최적 궤적 설계 방법
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제2항에 있어서, 제3동작 단계에서는, 계단 아래에 있는 발바닥 안으로 ZMP를 이동하고 계단 아래에 있는 다리를 펴서 지면과 닿는 면적을 최대화하고, 계단 아래에 있는 다리의 관절 좌표는 직립상태가 되고, 계단 위에 있는 다리의 대퇴부 모터의 최종 각도인 θ4는 위쪽 다리의 발목 링크인 l6가 계단 높이 인 계단과 수직이라는 조건을 추가하여 아래의 식과 같이 구하되, 아래식에서 l1은 지지하는 다리의 발목과 무릎 간의 링크 길이, l2는 지지하는 다리의 무릎과 대퇴부 가의 링크 길이, l4는 움직이는 다리의 무릎과 대퇴부 간의 링크 길이, l5는 움직이는 다리의 무릎과 발목 간의 링크 길이, lft는 발바닥의 길이를 의미하며,
계단 위에 있는 다리의 발목 모터의 최종 각도 θ6는 θ4의 각도를 이용하여 아래의 식,
과 같이 구하여 등속으로 회전하도록 한 것을 특징으로 하는 이족 인간형 로봇의 계단 내려오기를 위한 최적 궤적 설계 방법
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제2항에 있어서, 제4동작 단계에서는, 계단 위에 다리를 내릴 때 계단보다 높은 높이로 움직이며, ZMP는 계단 아래에 있는 다리의 발바닥 안에 유지하게 하고, 혼합 다항식을 사용하여 각 관절 모터의 궤적을 근사화하고, 컴퓨터 최적화 기법으로 비용함수와 벌칙함수를 최적화하여 에너지를 최소화하는 궤적을 생성하는 것을 특징으로 하는 이족 인간형 로봇의 계단 내려오기를 위한 최적 궤적 설계 방법
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