36.18 이족 보행 (Biped) 기구학과 보행 패턴
이족 보행 로봇(biped robot)은 두 다리로 보행하는 인간형 이동 로봇이다. 바퀴 로봇과 근본적으로 다른 기구학적 특성을 가지며, 보행 패턴 생성이 핵심 학술 과제이다. 인간의 보행 연구로부터 유래한 풍부한 학술적 배경을 가진다. 본 절에서는 이족 보행 기구학과 보행 패턴을 학술적으로 다룬다.
1. 이족 보행 로봇의 구조
1.1 기본 구성
상체와 두 다리로 구성된다.
1.2 다리 자유도
각 다리는 일반적으로 6 자유도(엉덩이 3, 무릎 1, 발목 2)를 가진다.
1.3 총 자유도
로봇 전체가 12자유도 이상을 가진다.
2. 이족 보행의 특성
2.1 동적 안정성
이족 로봇은 본질적으로 불안정하여 동적 안정성이 중요하다.
2.2 간헐적 접촉
각 발이 지면과 간헐적으로 접촉한다.
2.3 복잡한 제어
동적 제어가 바퀴 로봇보다 훨씬 복잡하다.
3. 보행의 단계
3.1 이중 지지기
두 발 모두 지면에 접촉한 단계이다.
3.2 단일 지지기
한 발만 지면에 접촉한 단계이다.
3.3 스윙 단계
지면에서 떨어진 발이 앞으로 이동하는 단계이다.
4. 기구학적 모델링
4.1 지지 다리 변화
지지 다리에 따라 기구학 체인이 변화한다.
4.2 개방 체인과 폐쇄 체인
단일 지지기는 개방 체인, 이중 지지기는 폐쇄 체인이다.
4.3 자유 부유
스윙 다리는 자유롭게 부유한다.
5. 영점 모멘트 점
5.1 ZMP의 정의
영점 모멘트 점(Zero Moment Point, ZMP)은 로봇의 접촉 힘이 0인 모멘트를 가지는 지점이다.
5.2 안정성 조건
ZMP가 지지 다각형 내부에 있으면 동적 안정이다.
5.3 Vukobratović의 기여
1970년대 Vukobratović이 ZMP 개념을 학술적으로 정립했다.
6. 선형 역진자 모델
6.1 단순화 모델
이족 로봇의 중심(CoM)을 선형 역진자로 모델링한다.
6.2 수학적 모델
CoM의 운동 방정식은 다음과 같다.
\ddot{x} = \frac{g}{z_c}(x - x_{\text{zmp}})
여기서 z_c는 CoM 높이이다.
36.18.6.3 실무적 활용
이 단순 모델이 보행 패턴 생성에 널리 활용된다.
36.18.7 보행 패턴 생성
36.18.7.1 발자취 계획
원하는 발자취(footstep) 시퀀스를 계획한다.
36.18.7.2 ZMP 참조
참조 ZMP 궤적을 생성한다.
36.18.7.3 CoM 궤적
ZMP 참조로부터 CoM 궤적을 역산한다.
36.18.8 보행 패턴의 유형
36.18.8.1 정적 보행
ZMP가 지지 발바닥 중앙에 유지되는 느린 보행이다.
36.18.8.2 동적 보행
ZMP가 동적으로 변화하는 빠른 보행이다.
36.18.8.3 뛰기와 달리기
접촉이 없는 비행 단계를 포함한 운동이다.
36.18.9 대표적 이족 로봇
36.18.9.1 ASIMO
Honda의 ASIMO가 이족 로봇 연구의 이정표이다.
36.18.9.2 HRP 시리즈
일본 AIST의 HRP 시리즈가 학술 연구에 널리 활용된다.
36.18.9.3 Atlas
Boston Dynamics의 Atlas가 고급 역동적 이족 보행을 시연한다.
36.18.10 학술적 활용
본 절에서 다룬 이족 보행 기구학과 보행 패턴은 인간형 로봇 연구의 핵심 학술 주제이다. 동적 안정성과 보행 생성 기법이 인간형 로봇의 실용화를 위한 학술적·실무적 기반이 된다.
출처
- Vukobratović, M. and Borovac, B., “Zero-moment point — Thirty five years of its life”, International Journal of Humanoid Robotics, Vol. 1, No. 1, pp. 157–173, 2004.
- Kajita, S., Kanehiro, F., Kaneko, K., Yokoi, K., and Hirukawa, H., “The 3D linear inverted pendulum mode: A simple modeling for a biped walking pattern generation”, Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 239–246, 2001.
- Hirai, K., Hirose, M., Haikawa, Y., and Takenaka, T., “The development of Honda humanoid robot”, Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1321–1326, 1998.
- Kajita, S., Hirukawa, H., Harada, K., and Yokoi, K., Introduction to Humanoid Robotics, Springer, 2014.
- Sakagami, Y., Watanabe, R., Aoyama, C., Matsunaga, S., Higaki, N., and Fujimura, K., “The intelligent ASIMO: System overview and integration”, Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 2478–2483, 2002.
버전
- 문서 버전: 1.0
- 작성일: 2026-04-18