유연 관절을 가진 위치제어 기반 휴머노이드 로봇의 험지 보행 전략

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :융합과학기술대학원 융합과학부(지능형융합시스템전공),2020. 2. 박재흥.본 논문에서는 유연 관절을 가진 위치 제어 기반 휴머노이드 로봇의 관절 제어 방법 및 보행 패턴 생성 방법에 대하여 제안한다. 최근 휴머노이드 로봇은 사람을 대신하여 다양한 작업을 수행하거나, 위험한 작업을 수행하는 등 그 필요성이 점차 증가하고 있다. 특히, 강인한 보행은 사람 중심의 환경에서 휴머노이드 로봇이 활용되기 위하여 필수적인 요소이지만, 아직까지 불안정한 모습을 보이고 있다. 보행을 불안정하게 만드는 주요 원인 중 하나는 실제 하드웨어 시스템의 불확실성이다. 특히, 휴머노이드 로봇은 산업용 로봇과 비교하여 많은 관절로 구성되어있으며, 저전력으로 구동할 수 있어야 한다. 이러한 이유 때문에, 휴머노이드 로봇의 액츄에이터 모듈은 산업용 로봇과 비교하여 상대적으로 큰 관절 탄성을 가지고 있다. 이러한 관절 탄성은 관절의 예상치 못한 변형 및 진동을 유발할 뿐 아니라, 제어 성능도 저하시키게 된다. 또한 제어 성능의 저하는 보행 중 지면과 로봇 사이에 불안정한 접촉을 유발하거나, 균형 유지 능력을 저하시키게 된다. 따라서 본 논문에서는 관절의 변형 및 진동을 감소시키면서 예상치 못한 접촉에 대하여 유연한 움직임이 가능한 관절 제어기와 무게중심의 제어 성능을 고려한 보행 패턴 생성 방법에 대하여 제안한다. 관절 제어 기술은 크게 세 부분으로 구성 된다. 첫째로, 중력에 의한 관절의 변형을 보상하기 위하여 중력 보상기를 설계하였다. 이는 정적인 상황에서 관절 변형을 감소시킴으로써, 로봇이 원하는 자세로 제어가 가능하게 해준다. 다음으로, 모션 제어기는 관절의 진동을 감소시키기 위하여 로봇의 동역학 모델 및 관절 탄성 모델을 기반으로 설계하였다. 기존의 많은 연구들은 관절의 탄성이 작다는 가정한체 오직 로봇의 동역학만을 이용하여 제어기를 설계하였으며, 이는 상대적으로 관절탄성이 큰 로봇에는 적합하지 않다. 제안한 방법은 관절의 진동을 감소시키기 위하여 관절 탄성 모델을 고려하였기 때문에 보행 안정성이 저하되지 않는다. 마지막으로, 모델 기반의 유연 제어기가 지면과 로봇 사이의 안정적인 접촉을 위하여 제시되었다. 이 방법은 외력에 의한 외란을 모터 각도 정보와 모델을 이용하여 추정하고, 이를 시스템에 반영함으로써 유연한 움직임을 가능하게 해준다. 따라서, 힘/토크 센서와 같은 추가적인 센서 없이도 유연한 움직임이 가능하다는 특징을 가지고 있다. 또한, 관절의 제어 성능을 고려한 무게중심 궤적 생성 방법을 제안하였다. 관절 탄성으로 인한 무게중심의 추종 성능 저하는 zero moment point (ZMP)의 추종 성능을 저하시켜 보행 안정성을 저하시킬 수 있다. 제안한 보행 패턴 생성 방법은 무게중심의 제어 성능을 고려하여 향상된 ZMP 추종 성능을 가지도록 한다. 이러한 연구는 28자유도 휴머노이드 로봇 DYROS-JET에 적용하여 평지, 험지 및 외력이 가해지는 상황에서 보행 중 향상된 안정성을 가지는 것을 보임으로써 그 효용성을 증명하였다. 관절 제어 기술은 크게 3부분으로 구성 된다. 첫째로, 중력에 의한 관절의 변형을 보상하기 위하여 중력 보상기를 설계하였다. 이는 정적인 상황에서 관절 변형을 감소시킴으로써, 로봇이 원하는 자세로 제어가 가능하게 해준다. 다음으로, 모션 제어기는 관절의 진동을 감소시키기 위하여 로봇의 동역학 모델 및 관절 탄성 모델을 기반으로 설계하였다. 기존의 많은 연구들은 관절의 탄성이 작다는 가정한체 오직 로봇의 동역학만을 이용하여 제어기를 설계하였으며, 이는 상대적으로 관절탄성이 큰 로봇에는 적합하지 않다. 제안한 방법은 관절의 진동을 감소시키기 위하여 관절 탄성 모델을 고려하였기 때문에 보행 안정성이 저하되지 않는다. 마지막으로, 모델 기반의 유연 제어기가 지면과 로봇 사이의 안정적인 접촉을 위하여 제시되었다. 이 방법은 외력에 의한 외란을 모터 각도 정보와 모델을 이용하여 추정하고, 이를 시스템에 반영함으로써 유연한 움직임을 가능하게 해준다. 따라서, 힘/토크 센서와 같은 추가적인 센서 없이도 유연한 움직임이 가능하다는 특징을 가지고 있다. 또한, 관절의 제어 성능을 고려한 무게중심 궤적 생성 방법을 제안하였다. 관절 탄성으로 인한 무게중심의 추종 성능 저하는 zero moment point (ZMP)의 추종 성능을 저하시켜 보행 안정성을 저하시킬 수 있다. 제안한 보행 패턴 생성 방법은 무게중심의 제어 성능을 고려하여 향상된 ZMP 추종 성능을 가지도록 한다. 이러한 연구는 28자유도 휴머노이드 로봇 DYROS-JET에 적용하여 평지, 험지 및 외력이 가해지는 상황에서 보행 중 향상된 안정성을 가지는 것을 보임으로써 그 효용성을 증명하였다.In this paper, we propose a joint controller and a walking pattern generation method for position-controlled humanoid robot with flexible joint. The need for humanoid robots is increasing because they can not only perform tasks on behalf of humans, but also perform dangerous tasks in environments where humans cannot. Particularly, robust walking is essential for humanoid robots to be used in human-centered environment, but it still remains a difficult problem. One of the main reasons for instability in walking is the uncertainty of real hardware system. The actuator modules of a humanoid are lighter and smaller than those of an industrial robot because a humanoid robot must walk and manipulate objects under low power consumption. For this reason, the actuator modules in a humanoid have relatively higher joint elasticity than those in an industrial robot. This not only brings about unexpected vibration and deflection of joints, but also degrades the control performance. Also, the deterioration of the control performance can cause unstable contact between the ground and the robot during walking, or can cause the robot to lose balance. Therefore, we propose a joint controller that can enhance the compliant capability against unexpected contact and reduce joint vibration and deflection, and a walking pattern generation method considering the control performance of center of mass (CoM). The joint controller to solve the problem caused by joint elasticity consists of three parts. First, a gravity compensator was designed to reduce the joint deflection caused by gravity. This allows the robot to be controlled to the desired posture by reducing joint deflection in static or slow motion. Next, a joint tracking controller based on dynamics of the robot and joint elasticity model was developed to reduce joint vibration. Many conventional robots design controllers using only the dynamaics of the robot, assuming that the joint elasticity is small. This is not suitable for robots with large joint elasticity. The proposed method considers the joint elasticity model to reduce the vibration of the joint so that walking stability does not decrease. Finally, a compliant control with a positive feedback of disturbance estimation is proposed for stable contact between the foot and the ground. The disturbance caused by external force can be estimated by using the motor model, and positive feedback of estimated disturbance to the system enhances the compliance capability. In other words, no additional sensor such as a force/torque sensor is required in the proposed method. In addition, we propose a method of generating the CoM trajectory considering the control performance of the robot. The degradation of center of mass tracking performance due to the joint elasticity causes error in zero moment point (ZMP), which reduces walking stability. The proposed pattern generation method has improved ZMP tracking performance considering the control performance of the CoM. The results of the study are verified by experimenting with 28-DOF position-controlled humanoid robot DYROS-JET, and showed improved stability during dynamic walking and stepping on objects.1 INTRODUCTION 1 1.1 Motivation 1 1.2 Contributions of Thesis 4 1.3 Overview of Thesis 4 2 BACKGROUND 6 2.1 Linear Inverted Pendulum Model 6 2.2 Walking Pattern Generation based on Preview Control 7 3 Joint Controller for Flexible Joint 10 3.1 Related Work 11 3.2 Dynamics Model of Flexible Joints 13 3.2.1 Plant Model of Humanoid Robot with Flexible Joints 14 3.2.2 Reduced Order Plant Model 15 3.3 Control Methodology 20 3.3.1 Gravity Compensator Design 21 3.3.2 Compliant Control based on the Positive Feedback of Disturbance Estimation 23 3.3.2.1 Compliant Control : SISO Case 23 3.3.2.2 Compliant Control : MIMO Case 26 3.3.3 Robustness of Proposed Compliant Control 29 3.3.3.1 Robustness of Compliant Control : SISO Case 29 3.3.3.2 Robustness of Compliant Control : MIMO Case 31 3.3.4 LQR based Trajectory Tracking Controller Synthesis 35 3.4 Experimental Result 38 3.4.1 Experimental Setup 39 3.4.1.1 System Overview 39 3.4.1.2 Identification of Model Parameters 41 3.4.2 Experiment Using MATLAB Simulink 44 3.4.2.1 Comparison between Reduced model and Full model in the Frequency Domain 44 3.4.2.2 Performance Analysis of Proposed Compliant Control 46 3.4.3 Experiment Using Testbed 48 3.4.3.1 Performance of Compliance Capability 48 3.4.3.2 Performance of Vibration Suppression 48 3.4.3.3 Effect of Friction in Compliant Controller 50 3.4.4 Experiment Using Humanoid 52 3.5 Conclusion 56 4 ONLINEWALKING PATTERN GENERATION 58 4.1 Related Work 59 4.2 Proposed walking pattern generation method 61 4.2.1 CoM Trajectory with Controlled-Linear Inverted Pendulum Model 62 4.2.2 Real-Time ZMP Trajectory Generation 65 4.3 Experimental Result 68 4.3.1 Simulation Experiments 68 4.3.1.1 Case 1 : Comparison between the proposed method and conventional preview control 70 4.3.1.2 Case 2 : ZMP tracking performance when model error exists 70 4.3.2 Experiments with a Humanoid Robot 72 4.3.2.1 Case 1 : Walking on flat ground 72 4.3.2.2 Case 2 : Walking when obstacle placed in front of the robot 74 4.4 Conclusion 74 5 CONCLUSIONS 76Docto

담체첨가에 의한 유기용매내 lipase의 촉매활성 증진에 관한 연

Docto

Synthesis of Human Walking at Different Speeds

학위논문 (석사)-- 서울대학교 융합과학기술대학원 : 융합과학부, 2014. 8. 박재흥.컴퓨터 그래픽스 분야에서 가상 캐릭터의 움직임을 만들기 위하여 사람의 움직임에 대한 정보를 획득하여 가상의 캐릭터에게 적용한다. 하지만 이러한 작업은 상당한 시간이 소요되며, 기존에 가지고 있는 사람의 움직임에서 조금만 변화가 있어도 새롭게 그 동작에 대한 정보를 획득해야한다는 단점이 존재한다. 따라서 가상 캐릭터의 움직임을 만들기 위해서 기존에 가지고 있던 정보를 바탕으로 새로운 움직임을 만들어내는 것에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 새로운 움직임을 생성하기 위해서 기존의 동작들을 바탕으로 수학적으로 모델링을 한다. 또한 동작은 개인의 스타일 및 다양한 요인들에 영향을 받기 때문에 이러한 변수들이 수학적 모델링에 포함되어야한다. 본 논문에서는 가장 일반적으로 사용되는 움직임인 걸음걸이를 생성하는 방법에 대하여 제안한다. 개인 및 속도에 따라 달라지는 걸음걸이들을 수학적으로 모델링하고, 이러한 모델링을 바탕으로 새로운 속도의 걸음걸이를 생성하는 것이 목표이다. 그리고 원하는 동작을 생성하기 위하여 걸음걸이 분석을 기초로 하여 최적화 알고리즘을 사용하였다. 제안하는 방법의 유효성을 검증하기 위하여 생성된 걸음걸이와 실제 걸음걸이 사이의 오차 및 분석을 수행하였다.I. 서 론 1 1.1 연구 배경 및 목표 1 1.2 논문 구성 3 II. 관련 연구 4 III. 걸음걸이 분석 6 IV. 텐서 Algebra 8 V. 텐서 기반 모션 생성 10 5.1 전처리과정 11 5.2 다요인 걸음걸이 모델 12 5.3 걸음걸이 생성 적용 15 VI. 실험 결과 21 6.1 실험환경 및 데이터정보 21 6.2 일정한 속도의 걸음걸이 생성(모션 리타게팅) 23 6.3 일정한 속도의 걸음걸이 생성(분석 이용) 25 6.4 변화하는 속도의 걸음걸이 생성 30 VII. 결 론 32 참고문헌 33 Abstract 35Maste

피밤피실린의 효소적 합성연구

Maste

ADAPTIVE POWER MANAGEMENT METHOD CONSIDERING REMAINING ENERGY

본 발명은 잔여 에너지량을 고려하는 효율적인 전력 관리 방법에 관한 것으로, 이동 가입자 단말기가 충분한 에너지를 가지고 있는 경우에는 최소 슬립 윈도우의 크기를 줄여서 에너지 소비가 어느 정도 증가하더라도 응답 지연 시간을 줄이며, 잔여 에너지량이 적은 경우에는 최소 슬립 윈도우의 크기를 증가시켜 응답 지연 시간이 늘어나더라도 에너지 소비를 감소시켜서 잔여 에너지의 상황에 맞게 효율적으로 전력을 관리할 수 있는 이점이 있다

SCHEDULED POWER-SAVING METHOD IN IEEE 802.16e SYSTEM

본 발명은 IEEE 802.16e 시스템에서, 이동 단말기의 절전 성능을 향상시키는 기술에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 새롭게 슬립 모드로 전환 요청을 받은 해당 서비스 연결이 딜레이에 민감하지 않은 로우 QoS이고, 다른 서비스 연결들 중에서 슬립 모드 상태에 있고 딜레이에 민감한 하이 QoS인 서비스 연결이 하나 이하로 존재하는 동기화 조건이 만족되는지 확인하는 제1과정과; 상기 동기화 조건을 만족하는 경우, 이동 단말기 내에서 다수의 서비스 연결들의 슬립 모드 동기화 동작을 위하여, 상기 해당 서비스 연결의 슬립 모드 시작 시간을 이미 슬립 모드 상태에 있는 서비스 연결의 다음 슬립 간격의 시작 시간과 동일하게 하고, 상기 해당 서비스 연결의 최소 슬립 간격의 길이를 이미 슬립 모드 상태에 있는 서비스 연결들의 다음 슬립 간격의 길이와 일치시키며, 상기 해당 서비스 연결의 최대 슬립 간격의 길이를 이미 슬립 모드 상태에 있는 서비스 연결의 최대 슬립 간격과 일치시키기 위한 슬립 요청 메시지를 기지국으로 전송하는 제2과정과; 상기 슬립 요청 메시지에 대한 슬립 응답 메시지가 기지국으로부터 수신되면 상기 해당 서비스 연결을 상기 슬립 요청 메시지 내용의 슬립 모드로 전환하는 제3과정에 의해 달성된다

Method for Preparing Multi-functional Biomolecular Conjugates Using Two Kinds of Particle and Multi-functional Biomolecular Conjugates Prepared Therefrom

본 발명은 다기능 생체물질 접합체의 제조방법 및 이로부터 제조된 다기능 생체물질 접합체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미생물 등을 검출하는 바이오센서로 이용되는 다기능 생체물질 접합체의 제조방법 및 이로부터 제조된 다기능 생체물질 접합체에 관한 것이다. 상기 다기능 생체물질 접합체의 제조방법은 (a) 자성 또는 형광특성을 가지는 제 1 나노입자에 단백질을 코팅시키는 단계; (b) 상기 단백질이 코팅된 제 1 나노입자에 금속 특성을 가지는 제2 나노입자를 흡착시켜 접합체를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 접합체에 생체물질을 흡착시켜 다기능 생체물질 접합체를 제조하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 다기능 생체물질 접합체의 제조방법은 두 종의 입자를 이용함으로써, 나노입자의 침전을 방지하면서 생체물질을 손쉽게 고정화할 수 있으며, 멀티 기능을 가지는 생체물질 접합체를 제조할 수 있다. 또한, 상기 방법으로 제조된 다기능성 생체물질 접합체는 미생물 검출을 위하여 사용할 수 있으며, 101 cfu 농도의 미생물까지 검출할 수 있다.국

Method for Detecting Analytes Inducing Enlargement of Gold Nanoparticles

본 발명은 금 나노입자 성장 유도물질의 검출방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 금 나노입자 성장 유도물질에 의해 유도되는 금 나노입자의 성장과 형광 나노입자의 형광신호 저하를 이용하여 고감도로 금 나노입자 성장 유도물질을 용이하게 검출할 수 있는 금 나노입자 성장 유도물질의 검출방법에 관한 것이다.본 발명에 따르면, 금 나노입자의 성장 후 흡광도 변화를 측정하는 방식에 비해 높은 민감도로 금 나노입자 성장 유도물질을 검출할 수 있는 동시에 금 나노입자 성장 유도물질에 의해 유도되는 금 나노입자의 성장반응이 고체상에서 이루어져 금 나노입자 성장 유도물질을 용이하고 간단하게 측정할 수 있으며, 다양한 형광 기반 광학 바이오센서의 제조에 응용할 수 있는 효과가 있다

Method of Rapid Detection of Microorganisms Using Nanoparticles

본 발명은 나노입자를 이용한 미생물의 고속 검출방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 검출 대상 미생물에 특이적으로 결합하는 항체가 고정된 나노입자를 검출 대상 미생물에 가하여 면역반응을 시키고, 응집용 필름을 통과시켜 미생물을 한곳에 모이게 한 후, 포획용 여과막에서 항체가 고정된 나노입자와 면역반응을 일으킨 미생물을 포획하여 미생물의 유무 및 농도를 측정하는 미생물 고속 검출방법 및 미생물 검출 장치에 관한 것이다.본 발명은 검출 대상 미생물에 특이적으로 결합하는 항체가 고정된 나노입자를 이용함으로써, 기존의 검출 방법에 비해, 경제적이고 간단하게 미생물의 유무 및 농도를 측정할 수 있으며, 감도가 우수하여 적은 양의 미생물을 측정하는데 효과적이다.국

Biosensor Using the Graphene Oxide by the Polymer of Enzyme Substrate and Method of Detecting Using It

본 발명은 효소 기질의 고분자화에 의한 그라핀옥사이드의 형광저하를 이용한 바이오센서 및 이를 이용한 검출방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 형광 염료의 사용없이 그라핀옥사이드 자체의 고유한 형광 특성을 이용하여, 검출 물질의 존재 여부를 광학적으로 식별할 수 있는 효소 기질의 고분자화에 의한 그라핀옥사이드의 형광저하를 이용한 바이오센서 및 이를 이용한 검출방법에 관한 것이다.본 발명에 따른 효소 기질의 고분자화에 의한 그라핀옥사이드의 형광저하를 이용한 바이오센서는 형광 염료의 사용없이 그라핀옥사이드 자체의 형광 특성을 이용한 바이오 물질 검출센서로, 합성 공정이 복잡하고 비싼 염료의 사용이 제한되므로 경제성이 우수하다. 또한, 직접적으로 다양한 표적 물질을 검출할 수 있고, 간단한 공정으로 바이오센서의 검출 한도를 향상시킬 수 있다