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오른쪽 하지와 왼쪽 하지의 발목 관절과, 무릎 관절, 대퇴부 관절 각각에 관절모터를 구비한 이족 인간형 로봇의 계단 오르기를 위한 최적 궤적 설계 방법에 있어서,
투영(projection) 기법을 이용하여 로봇의 3차원 모델을 계산하여 모든 하지 관절에 대한 3차원 좌표를 획득하는 단계;
계단 오르기의 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 오르기 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 오르기를 위한 최적 궤적 설계 방법
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제1항에 있어서, 상기 복수개로 구분된 계단 오르기 동작은,
상기 로봇의 발끝이 계단에 부딪히지 않게 하기 위해 제자리에서 한쪽 다리를 계단 높이 이상으로 들어 올리는 제1동작 단계;
계단 높이 이상 들어 올린 다리를 위쪽 계단에 올려놓는 제2동작 단계;
계단에 올려놓은 다리가 지지하는 다리가 될 수 있도록 무게 중심을 위쪽 계단의 발로 이동시키는 제3동작 단계;
계단 위에 있는 발로 지지하면서 아래 쪽에 있는 발을 계단 위로 들어 올려 직립상태가 되게 하는 제4동작 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이족 인간형 로봇의 계단 오르기를 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 오르기 동작 중 로봇이 왼발로 지지하는 경우, 상기 3차원 모델은,
인 것을 특징으로 하는 이족 인간형 로봇의 계단 오르기를 위한 최적 궤적 설계 방법
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제3항에 있어서, 로봇의 오르기 동작 중 로봇이 오른발로 지지하는 경우, 상기 3차원 모델은,
인 것을 특징으로 하는 이족 인간형 로봇의 계단 오르기를 위한 최적 궤적 설계 방법
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제3항에 있어서, 로봇이 직립상태에서 한쪽 다리를 계단 높이 이상 수직으로 들어올리는 제1동작 단계를 수행할 때 들어 올린 발의 중심점 좌표는,
,
이며, 여기서 hf는 계단 높이를 나타내고, 지지하는 다리의 시상면 각도는 움직이지 않는 것을 특징으로 하는 이족 인간형 로봇의 계단 오르기를 위한 최적 궤적 설계 방법
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제3항에 있어서, 제2동작 단계에서 계단 높이 이상 들어 올린 다리를 위쪽 계단에 올려놓기 위해, 지지하는 발바닥 안에 ZMP를 유지하고 위쪽 계단으로 로봇의 발길이 보다 큰 보폭으로 움직여서 다리를 내뻗으며, 최종 자세의 발목은 계단과 90도를 유지하도록 하고, 최소의 에너지를 이용해서 다리를 뻗기 위해 혼합 다항식을 사용해서 각 관절 모터의 궤적을 근사화하고, 컴퓨터 최적화 기법으로 비용함수 를 최소화하여 궤적을 생성하는 것을 특징으로 하는 이족 인간형 로봇의 계단 오르기를 위한 최적 궤적 설계 방법
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제3항에 있어서, 제3동작 단계에서는, 계단 위에 있는 발바닥 안으로 ZMP를 이동하고 계단 아래에 있는 발은 뒤꿈치를 들어 올림으로써 지면과 닿는 면적을 최소화하기 위하여, 계단 아래에 있는 다리의 대퇴부 모터의 각도는 위쪽 계단에 올려놓은 다리의 관절 각도를 기준으로, 계단 높이 hf 와 계단 아래에 있는 다리의 링크 길이 l5를 이용해서 아래의 식과 같이 움직이는 다리의 대퇴부 각도인 θ4를 구하고,
계단 아래에 있는 다리의 발목 모터의 최종 각도인 θ6는 대퇴부 모터의 각도를 사용하여 아래 식,
과 같이 구하여 등속으로 관절 모터를 회전시키되, 여기서은 관상면에서 본 계단 아래의 다리 길이이며, 는 상기 6개의 링크를 시상면에서 보았을 때 투영된 링크 길이, 는 발목부터 발바닥까지의 링크 길이를 나타내는 것을 특징으로 하는 이족 인간형 로봇의 계단 오르기를 위한 최적 궤적 설계 방법
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