KR100757514B1 - 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법 및 그 기록매체,보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 장치 및 그 장치로설계된 보행 로봇 - Google Patents

보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법 및 그 기록매체,보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 장치 및 그 장치로설계된 보행 로봇 Download PDF

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Abstract

보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법 및 그 기록매체, 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 장치 및 그 장치로 설계된 보행 로봇이 개시된다.
본 발명은 본 발명은 보행로봇의 보행 동작 중에 복수의 조인트 각들을 퍼지화하는 단계, 상기 퍼지화된 조인트 각들을 소정의 퍼지 룰에 적용하여 상기 보행로봇의 균형점 궤적 모델을 생성하는 단계, 상기 균형점 궤적 모델에 최소 자승법을 적용하여 퍼지 모델을 생성하는 단계 및 상기 퍼지 모델을 상기 보행로봇의 제어 시스템에 적용하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 보행 로봇의 균형점 궤적을 퍼지 시스템으로 모델링함으로써, 과중한 연산 부담없이, 로봇 보행의 비선형성 및 불확실성을 정확하게 예측할 수 있고, 잡음과 노이즈에 강한 지능제어를 구현할 수 있으며, 평지 및 경사면에서도 보행의 안정성을 향상시키고, 로봇의 보행 동작을 유연하게 할 수 있다.

Description

보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법 및 그 기록매체, 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 장치 및 그 장치로 설계된 보행 로봇 {Method for designing walking control system of walking robot and Recording medium thereof, Apparatus for for designing walking control system of walking robot and Robot thereby}
도 1a는 본 발명에 따른 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 장치의 블럭도이다.
도 1b는 도 1a의 상세 블럭도이다.
도 1c는 본 발명에 따라 설계된 보행 로봇의 블럭도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법의 흐름도이다.
도 2b는 도 2a의 상세 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따라 설계된 보행 로봇의 일 예이다.
도 4는 도 3의 보행 로봇의 경사면 보행 모습을 도시한 것이다.
도 5는 도 3의 보행 로봇에 대한 자유도를 도시한 것이다.
도 6은 도 5에서 균형점(ZMP)에 대한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 장 치의 블럭도이다.
도 8a는 도 3의 보행 로봇의 보행 수단의 일부에 부착된 압력 센서를 도시한 것이다.
도 8b는 도 8a의 압력 센서를 이용하여 측정되는 균형점(ZMP)을 도시한 것이다.
도 9는 도 3의 보행 로봇이 평지 보행시 시간에 따른 균형점(ZMP)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 3의 보행 로봇이 평지 보행시 균형점(ZMP)의 궤적을 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 4의 보행 로봇이 경사면 보행시 균형점(ZMP)의 궤적을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명에 적용되는 퍼지시스템의 삼각형 및 가우시안형 멤버쉽 함수를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명에 적용되는 퍼지 시스템의 일 예를 도시한 것이다.
도 14는 본 발명에 따라 모델링한 평지에서의 시간에 따른 균형점(ZMP)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따라 모델링한 평지에서의 균형점(ZMP)의 궤적을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명에 따라 모델링한 경사면에서의 시간에 따른 균형점(ZMP)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명에 따라 모델링한 경사면에서의 균형점(ZMP)의 궤적을 나타내는 그래프이다.
도 18 내지 도 21은 본 발명과 비교를 위해 수학적 모델 1 및 수학적 모델 2로 모델링한 평지에서의 균형점(ZMP)의 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 보행로봇의 보행패턴 분석에 관한 것으로, 특히, 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법 및 그 기록매체, 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 장치 및 그 장치로 설계된 보행 로봇에 관한 것이다.
일반적으로 이족 구조는 보행 로봇을 위한 가장 유연한 형태이며, 이족 로봇은 사람과 매우 유사한 구조를 가지고 있다.
이는 사람이 살고 있는 환경 즉 계단이나 장애물 등을 포함하는 다양한 환경에서 다양한 움직임을 위해 가장 적당하다고 볼 수 있다. 보행은 연속적으로 2개의 서로 다른 상황이 연출된다. 두발이 동시에 땅을 짚고 서있는 메커니즘으로 정적으로 안정적인 상황과 오직 한발만이 땅과 접촉하고 다른 한발은 뒤쪽에서 앞쪽으로 변환되고 있는 정적으로 불안정한 상황으로 구성된다. 그러므로 보행메커니즘은 보행 사이클 동안 그 구조가 변한다. 따라서 이족 구조에 포함된 다이나믹은 매우 비선형성적이며 복잡하고 불안정하다. 그러므로 인간과 같은 자연스런 보행움직임을 구현하는 것은 쉬운 일이 아니다.
최근 들어 인간과 같은 휴머노이드 로봇을 구현하기 위해 이족보행 로봇에 대하여 많은 연구결과가 발표되고 있다. 여기서 고려해야 될 중요한 점은 산업용 로봇 매니퓰레이터와는 다르게 보행로봇과 지면의 상호작용이 매우 복잡하다는 것이다. 이러한 복잡한 상호작용을 다루기 위한 중요한 요소로써 로봇에서 모멘트와 힘이 0이 되는 점, 균형점 (ZMP-zero moment point)라는 개념이 알려졌고 보행의 안정성을 위한 중요한 기준으로, 보행중 로봇에 대한 ZMP 궤적이 연구되고 있다.
균형점(ZMP)을 통하여 이족 보행로봇의 보행패턴을 합성할 수 있으며 실제 로봇의 보행 모션을 검증할 수도 있다. 따라서 보행로봇의 안정도를 확신하기 위해 매우 중요한 기준이 된다. 본 발명에서 ZMP 데이터는 실제 이족 휴머노이드 로봇을 구현하고 이의 보행면을 통하여 얻는다. 여기서, 바닥을 따라 로봇이 이동할 때 실험이 행해졌으며 이때의 자연스러운 보행 움직임 통해 데이터를 얻었다. 실험을 통해 얻은 ZMP 궤적 데이터를 이용하여 퍼지 시스템을 적용하여 모델링을 수행하고 다양한 결과를 분석한다.
종래의 로봇의 보행자세 제어 방법은 수학적 모델을 이용하여 로봇 보행의 비선형성 및 불확실성을 정확하게 예측할 수 없고, 보행의 안정성을 저하시키고, 로봇의 보행 동작을 유연하게 할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫번째 기술적 과제는 과중한 연산 부담없이, 로봇 보행의 비선형성 및 불확실성을 정확하게 예측할 수 있고, 잡음과 노이즈에 강한 지능제어를 구현할 수 있으며, 평지 및 경사면에서도 보행의 안정성을 향 상시키고, 로봇의 보행 동작을 유연하게 할 수 있는 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 두번째 기술적 과제는 상기의 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 세번째 기술적 과제는 상기의 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법이 적용된 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 네번째 기술적 과제는 상기의 보행 제어 시스템 설계 장치로 설계된 보행 로봇을 제공하는데 있다.
상기 첫번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 보행로봇의 보행 동작 중에 복수의 조인트 각들을 퍼지화하는 단계, 상기 퍼지화된 조인트 각들을 소정의 퍼지 룰에 적용하여 상기 보행로봇의 균형점 궤적 모델을 생성하는 단계, 상기 균형점 궤적 모델에 최소 자승법을 적용하여 퍼지 모델을 생성하는 단계 및 상기 퍼지 모델을 상기 보행로봇의 제어 시스템에 적용하는 단계를 포함하는 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법을 제공한다.
상기 두번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 상기의 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
상기 세번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 보행로봇의 보행 동작 중에 복수의 조인트 각들을 퍼지화하는 퍼지화부, 상기 퍼지화된 조인트 각들을 소정의 퍼지 룰에 적용하여 상기 보행로봇의 균형점 궤적 모델을 생성하는 퍼지 시스템 적용부, 상기 균형점 궤적 모델에 최소 자승법을 적용하여 퍼지 모델을 생성하는 파라미터 동조부 및 상기 퍼지 모델을 상기 보행로봇의 제어 시스템에 적용하는 균형점 모델 적용부를 포함하는 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 장치를 제공한다.
상기 네번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 보행로봇의 보행 동작 중에 복수의 조인트 각들을 퍼지화하고 상기 퍼지화된 조인트 각들을 소정의 퍼지 룰에 적용하여 상기 보행로봇의 균형점 궤적 모델을 생성하고 상기 균형점 궤적 모델에 최소 자승법을 적용하여 생성된 퍼지 모델이 적용되고, 상기 퍼지 모델 및 상기 조인트 각들에 따라 균형점 제어 신호를 생성하는 보행 자세 제어부, 상기 균형점 제어 신호에 따른 전압 및 전류를 출력하는 복수의 모터 제어부, 상기 전압 및 전류에 따라 상기 보행로봇의 기어를 구동시키는 복수의 모터 및 상기 기어의 동작에 따라 상기 보행로봇을 이동시키는 보행수단을 포함하는 보행 제어 시스템 설계 장치로 설계된 보행 로봇을 제공한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1a는 본 발명에 따른 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 장치의 블럭도 이다.
퍼지화부(110)는 보행로봇의 보행 동작 중에 복수의 조인트 각들을 퍼지화한다. 퍼지 신경망의 첫번째 층은 퍼지화층(fuzzification layer)인데, 퍼지화층은 입력값을 퍼지 소속 함수에 적용하여 소속정도를 연산한다.
퍼지 시스템 적용부(120)는 퍼지화된 조인트 각들을 소정의 퍼지 룰에 적용하여 보행로봇의 균형점 궤적 모델을 생성한다.
파라미터 동조부(130)는 균형점 궤적 모델에 최소 자승법을 적용하여 퍼지 모델을 생성한다.
균형점 모델 적용부(140)는 퍼지 모델을 보행로봇의 제어 시스템(151)에 적용한다. 균형점 모델 적용부(140)는 보행로봇과의 통신하기 위한 수단, 통신하기 위한 수단을 이용하여 보행로봇에 내장된 메모리에 퍼지 모델을 저장하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 보행로봇의 메모리에 저장된 퍼지 모델은 보행로봇의 제어 시스템(151)에 의해 독출되어 보행로봇의 보행시에 적용된다.
도 1b는 도 1a의 상세 블럭도이다.
퍼지화부(111)는 보행로봇의 보행 동작 중에 복수의 조인트 각들을 퍼지화한다.
퍼지 시스템 적용부(121)는 퍼지화된 조인트 각들을 소정의 퍼지 룰에 적용하여 보행로봇의 균형점 궤적 모델을 생성한다.
파라미터 동조부(131)는 균형점 궤적 모델에 최소 자승법을 적용하여 퍼지 모델을 생성한다.
균형점 모델 적용부(141)는 퍼지 모델을 보행로봇의 보행 자세 제어부(152)에 적용한다. 균형점 모델 적용부(141)는 보행로봇의 보행 자세 제어부(152)과 통신하기 위한 수단, 통신하기 위한 수단을 이용하여 보행 자세 제어부(152)에 내장된 메모리에 퍼지 모델을 저장하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 메모리에 저장된 퍼지 모델은 보행 자세 제어부(152)에 의해 독출되어 보행로봇의 보행시에 적용된다.
보행 로봇(150)은 보행 자세 제어부(152) 및 복수의 압력 센서(153)을 포함한다.
보행 로봇(150)의 보행시에 복수의 압력 센서(153)에 인가되는 압력은 전기적인 센서신호로 출력된다.
균형점 측정부(160)는 복수의 압력 센서(153)과 통신하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 균형점 측정부(160)는 보행로봇(150)의 일부에 설치된 복수의 압력 센서로부터 입력되는 센서신호를 이용하여 보행로봇(150)의 균형점 궤적을 측정한다.
튜닝부(161)는 측정된 균형점 측정부(160)에 의해 측정된 균형점 궤적에 파라미터 동조부(131)에 의해 생성된 퍼지 모델을 동조시킨다.
도 1c는 본 발명에 따라 설계된 보행 로봇의 블럭도이다.
퍼지 모델(155)은 상술한 바와 같이, 보행로봇의 보행 동작 중에 복수의 조인트 각들을 퍼지화하고 퍼지화된 조인트 각들을 소정의 퍼지 룰에 적용하여 보행로봇의 균형점 궤적 모델을 생성하고 균형점 궤적 모델에 최소 자승법을 적용하여 생성된다. 퍼지 모델(155)은 메모리와 같은 소정의 저장공간에 저장될 수 있다.
보행 자세 제어부(154)는 퍼지 모델(155)이 적용되고, 퍼지 모델(155) 및 복수의 모터(157)에 의한 조인트 각들에 따라 균형점 제어 신호를 생성한다.
복수의 모터 제어부(156)는 균형점 제어 신호에 따른 전압 및 전류를 출력한다.
복수의 모터(157)는 복수의 모터 제어부(156)에 의해 출력된 전압 및 전류에 따라 보행로봇의 기어를 구동시킨다.
보행수단(159)는 복수의 모터(157)에 의해 구동된 기어의 동작에 따라 보행로봇을 이동시킨다.
도 2a는 본 발명에 따른 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법의 흐름도이다.
먼저, 보행로봇의 보행 동작 중에 복수의 조인트 각들을 퍼지화한다(210 과정).
다음, 퍼지화된 조인트 각들을 소정의 퍼지 룰에 적용하여 보행로봇의 균형점 궤적 모델을 생성한다(220 과정).
균형점 궤적 모델이 생성되면, 균형점 궤적 모델에 최소 자승법을 적용하여 퍼지 모델을 생성한다(230 과정).
마지막으로, 퍼지 모델을 보행로봇의 제어 시스템에 적용한다(240 과정).
도 2b는 도 2a의 상세 흐름도이다.
먼저, 보행로봇이 평지 및 경사면에서 보행하는 동안 측정되는 복수의 조인트 각들을 퍼지화한다(211 과정).
다음, 퍼지화된 조인트 각들을 소정의 퍼지 룰에 적용하여 보행로봇의 평지용 균형점 궤적 모델 및 경사면용 균형점 궤적 모델을 생성한다(221 과정).
이때, 사용되는 퍼지 시스템은 수게노(TSK) 타입의 퍼지 시스템일 수 있다.
이때, 사용되는 퍼지 시스템은 맘다니(Mamdani) 타입의 퍼지 시스템일 수 있다.
균형점 궤적 모델이 생성되면, 평지용 균형점 궤적 모델 및 경사면용 균형점 궤적 모델에 최소 자승법을 적용하여 평지용 퍼지 모델 및 경사면용 퍼지 모델을 생성한다(231 과정).
다음, 보행로봇의 일부에 설치된 복수의 압력 센서로부터 입력되는 센서신호를 이용하여 보행로봇의 실제 균형점 궤적을 측정한다(232 과정).
실제 균형점 궤적을 측정되면, 측정된 균형점 궤적에 평지용 퍼지 모델 및 경사면용 퍼지 모델을 동조시킨다(233 과정).
마지막으로, 평지용 퍼지 모델 및 경사면용 퍼지 모델을 보행로봇의 제어 시스템에 적용한다(240 과정). 즉, 보행로봇이 평지를 보행하는 경우, 평지용 퍼지 모델를 적용하여 자세를 제어하고, 보행로봇이 경사면을 보행하는 경우, 경사면용 퍼지 모델를 적용하여 자세를 제어한다.
도 3은 본 발명에 따라 설계된 보행 로봇의 일 예이다.
도 3의 보행 로봇의 사양은 다음과 같다. 이때, 보행 로봇은 19개의 관절을 가질 수 있다. 각각의 관절은 DC 모터, 기어 및 제어기로 이루어진 RC 서보 모터에 의해 구동될 수 있다. 각각의 RC 서보 모터는 링크 구조로 탑재된다. 이 구조로 인 해 로봇은 넘어지지 않고 보다 인간과 흡사하게 보이며 인간의 보행 동작을 따라 할 수 있다.
도 4는 도 3의 보행 로봇의 경사면 보행 모습을 도시한 것이다.
도 3에서는 보행 로봇의 평지에서의 보행 모습을 보여주는데, 도 4는 기울어진 경사면을 따라 올라갈 때의 모습을 보여준다.
도 5는 도 3의 보행 로봇에 대한 자유도를 도시한 것이다.
도 5에서 회전축은 원통형으로 나타낸다. 도 5의 보행 로봇은 전체 19자유도로 구성되며 하체는 12자유도, 상체는 7자유도로 구성된다. 보행을 위해 하체는 골반과 무릎, 발목에 각각 관절이 고려된다. 여기서 보행 로봇의 균형점(ZMP) 궤적 데이터는 양쪽다리의 총 10개의 관절에서 얻으며, 이러한 관절 각도로부터 반복적인 보행 패턴을 생성할 수 있다.
로봇이 두 발로 몸을 지탱함에 있어서 균형점(ZMP)의 궤적은 보행의 안정도에 주목할만한 기준이 된다. 본 발명은 보다 직접적이고 정확한 접근 방법으로 로봇의 보행수단 즉, 발에 센서를 장착하여 보행 중 실시간으로 데이터를 얻는다.
도 6은 도 5에서 균형점(ZMP)에 대한 개념도이다.
로봇 발에 가해지는 지면의 반작용 힘의 분배는 복잡하다. 그러나. 로봇 발바닥의 어떤 점 P에서의 반작용은 힘 N과 모멘트 M으로 표현될 수 있다. 균형점(ZMP)은 단순히 지면 위의 발에 가해지는 압력의 중심점이며, 이 점에서 지면으로부터 가해지는 모멘트는 0이 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 장 치의 블럭도이다.
도 7에서, 컴퓨터(PC, 790)는 퍼지화부(111), 퍼지 시스템 적용부(121), 파라미터 동조부(131), 균형점 모델 적용부(141)를 포함한다.
컨트롤러 보드(710)는 보행 로봇(700)에 내장된다. 컨트롤러 보드(710)는 통신(711), 마이크로 컨트롤러(712), A/D 컨버터(713)을 포함한다.
통신부(711)는 컴퓨터(790)와 보행 로봇(700)과의 RS-232 통신을 하기 위한 통신 인터페이스일 수 있다. 통신부(711)는 컴퓨터(790)로부터 보행 패턴, 퍼지 모델 등을 수신하고, 압력 감지 저항(730)에 의해 생성된 센서 데이터를 컴퓨터(790)에 전송한다.
마이크로 컨트롤러(712)는 보행 자세 제어부(152)를 포함하고, 컴퓨터(790)에서 생성된 퍼지 모델을 저장하기 위한 소정의 저장공간을 포함할 수 있다. 마이크로 컨트롤러(712)는 퍼지 모델을 소정의 저장공간으로부터 독출하여 보행로봇에 적용한다.
서보 모터(720)는 마이크로 컨트롤러(712)의 제어에 따라 보행 수단의 각 관절을 움직인다.
압력 감지 저항(730)은 압력 센서로서 보행 수단과 지면 사이의 상호 작용의 결과로 발생되는 압력을 센서 신호로 출력한다.
A/D 컨버터(713)는 센서 신호를 일정한 시간 간격으로 샘플링하여 디지털 센서 신호를 생성한다. 이렇게 생성된 디지털 센서 신호는 마이크로 컨트롤러(712)에 의한 균형점 추정에 이용될 수 있다. 또한, 디지털 센서 신호는 통신부(711)를 통 해 컴퓨터(790)에 전송되어 퍼지 모델을 생성하는 과정에 이용될 수 있다.
도 8a는 도 3의 보행 로봇의 보행 수단의 일부에 부착된 압력 센서를 도시한 것이다.
도 8b는 도 8a의 압력 센서를 이용하여 측정되는 균형점(ZMP)을 도시한 것이다.
보행 수단 즉, 로봇 발 아래에 위치한 센서를 이용하여 수학식 1과 같이 균형점(ZMP)을 측정할 수 있다. 압력 센서로 FlexiForce sensor A201을 사용할 수 있다.
센서 신호는 샘플링 시간(예를 들어, 10ms)의 ADC(아날로그-디지털 컨버터) 보드에 의해 디지털화 되고, 측정은 실시간으로 이루어진다.
Figure 112006032174827-pat00001
여기서 fi는 우측과 좌측 발의 센서에 작용된 각각의 힘이며, r i는 센서의 위치이다.
도 9는 도 3의 보행 로봇이 평지 보행시 시간에 따른 균형점(ZMP)의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 10은 도 3의 보행 로봇이 평지 보행시 균형점(ZMP)의 궤적을 나타내는 그래프이고, 도 11은 도 4의 보행 로봇이 경사면 보행시 균형 점(ZMP)의 궤적을 나타내는 그래프이다. 본 발명은 이와 같은 균형점 궤적을 퍼지 모델을 이용하여 추정한다.
퍼지 시스템은 퍼지 집합 이론, 퍼지 이프-덴(if-then) 룰 그리고 퍼지 추론의 개념들을 바탕으로 한 널리 알려진 컴퓨팅 이론이다. 퍼지 시스템은 수게노(TSK) 타입과 맘다니(Mamdani) 타입을 포함한다.
퍼지 모델중 수게노 퍼지 모델은 크리스프한 각 규칙의 출력값을 갖게 되며 각 출력에 대하여 전체 출력은 무게중심값을 통해 얻는다. 또한, 규칙의 후반부가 상수이므로 비퍼지화 과정에서 시간 소모를 피할 수 있는 장점이 있다. 이러한 특징으로 인해 본 논문에서는 수게노 타입의 퍼지시스템을 이용한다.
도 12는 본 발명에 적용되는 퍼지시스템의 삼각형 및 가우시안형 멤버쉽 함수를 나타내는 그래프이다.
퍼지 규칙의 전반부 멤버쉽 함수는 삼각형과 가우시안 형태가 사용되며 각각의 멤버쉽 함수의 형태는 도 12에서 나타난다. 이를 통하여 모델링 성능이 각각 달라지는 중요한 요인이 된다.
도 13은 본 발명에 적용되는 퍼지 시스템의 일 예를 도시한 것이다.
퍼지 시스템에서 퍼지 룰을 이용하여 동정할 비선형 시스템은 10개의 입력 변수를 갖는 휴머노이드 보행 로봇이며 각 입력 변수들은 소정 갯수(도 13의 경우, 2개)의 퍼지 집합(1310)을 갖는다. 퍼지 모델에서 이프-덴(IF-THEN) 퍼지법칙은 다음과 같다.
Figure 112006032174827-pat00002
규칙의 전반부에서
Figure 112006032174827-pat00003
, .. ,
Figure 112006032174827-pat00004
Figure 112006032174827-pat00005
는 입력 변수
Figure 112006032174827-pat00006
에 각각 연관된 퍼지변수들 이다.
Figure 112006032174827-pat00007
(1340)는 j번째 퍼지규칙의 후반부 상수이다.
도 13은 퍼지 추론 시스템 구조이며 위에서 보인 퍼지 규칙에서 고려된 10개의 입력을 갖는 퍼지 모델을 나타낸 것이다. 각 입력은 도 12에서 보여주는 것처럼 두 개의 멤버쉽 함수를 갖는다. 도 13에서 Π노드(1320)는 입력되는 신호의 곱을, N 노드(1330)는 모든 규칙의 적합도 합에 대한 특정 규칙의 적합도 비율을 연산한다.
최종적인 균형점 추론값
Figure 112006032174827-pat00008
는 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112006032174827-pat00009
여기서, n, wji 는 j번째 규칙, i번째 데이터에 대한 전반부 멤버쉽함수의 적합도를 의미한다. 후반부 파라미터의 동정은 주어진 입출력데이터를 이용하여 최소자승법에 의해 구한다.
도 14는 본 발명에 따라 모델링한 평지에서의 시간에 따른 균형점(ZMP)의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 15는 본 발명에 따라 모델링한 평지에서의 균형점(ZMP)의 궤적을 나타내는 그래프이고, 도 16은 본 발명에 따라 모델링한 경사면에서의 시간에 따른 균형점(ZMP)의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 17은 본 발명에 따라 모델링한 경사면에서의 균형점(ZMP)의 궤적을 나타내는 그래프이다.
퍼지 시스템의 이용하여 추정모델을 구성하고, 성능의 정밀도는 평균제곱 오차 (mean squared error)를 이용하여 평가한다. 퍼지규칙의 전반부에서 삼각형과 가우시안 형태를 사용했을 때, 이에 해당하는 결과를 정리하면 표 1과 같다.
기울기 경사 멤버쉽 함수 형태 MSE
x 축 y 축
0° Triangular 4.325 4.615
+10° 8.125 5.579
0° Gaussian 4.249 4.59
+10° 7.943 5.797
표 1에서 알 수 있듯이, 로봇이 평지를 걸을 때의 모델링 결과가 비탈길을 걸을 때 보다는 우수하다는 것을 알 수 있다. 또한, 삼각형 멤버쉽함수보다는 가우시안형 함수의 모델링 결과가 좀더 좋다는 것을 알 수 있다. 이때의 ZMP 위치와 이에 해당되는 각각의 ZMP 궤적을 그래프로 나타내면 도 14 내지 17이 된다.
퍼지시스템의 모델링 결과를 비교하기 위해 다음과 같은 수학적 통계 모델을 구성하여 성능평가를 한다. 수학적 모델은 2개의 서로 다른 다항식으로 구성 되었고 두 개의 입력변수로 구성된 일반적인 형태를 예로 들면 다음과 같다.
Type 1= c0 + c1*x1 + c2*x2 + c3*x1^2 + c4*x2^2 + c5*x1*x2
Type 2= c0 + c1*x1 + c2*x2 + c3*x1^2 + c4*x2^2
도 18은 본 발명과 비교를 위해 수학적 모델 1로 모델링한 평지에서의 시간에 따른 균형점(ZMP)의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 19는 본 발명과 비교를 위해 수학적 모델 1로 모델링한 평지에서의 균형점(ZMP)의 궤적을 나타내는 그래프이며, 도 20은 본 발명과 비교를 위해 수학적 모델 2로 모델링한 평지에서의 시간에 따른 균형점(ZMP)의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 21은 본 발명과 비교를 위해 수학적 모델 2로 모델링한 평지에서의 균형점(ZMP)의 궤적을 나타내는 그래프이다.
위에서 보인 수학적인 모델의 결과를 정리하면 표 3 및 표 4와 같다.
기울기 경사 수학적 모델 형태 MSE
x 축 y 축
0° Type 1 7.780 13.558
Type 2 13.018 21.420
기울기 경사 수학적 모델 형태 MSE
x 축 y 축
+10° Type 1 34.421 50.216
13.661 15.560
Type 2 14.409 17.436
17.543 24.889
표 3 및 표 4에 나타난 결과값으로 알 수 있듯이, Type 1 모델의 결과값이 Type 2보다 훨씬 우수한 것을 알 수 있다. 그러나, 도 14 내지 도 17의 퍼지시스템과 비교하면, 퍼지시스템을 이용하는 경우의 정밀도가 우수하다는 것이 입증된다.
바람직하게는, 본 발명의 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록하여 제공할 수 있다.
본 발명은 소프트웨어를 통해 실행될 수 있다. 소프트웨어로 실행될 때, 본 발명의 구성 수단들은 필요한 작업을 실행하는 코드 세그먼트들이다. 프로그램 또는 코드 세그먼트들은 프로세서 판독 가능 매체에 저장되거나 전송 매체 또는 통신망에서 반송파와 결합된 컴퓨터 데이터 신호에 의하여 전송될 수 있다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 테이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 장치의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, DVD-ROM, DVD+ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크(hard disk), 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 장치에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 보행 로봇의 균형점 궤적을 퍼지 시스 템으로 모델링함으로써, 과중한 연산 부담없이, 로봇 보행의 비선형성 및 불확실성을 정확하게 예측할 수 있고, 잡음과 노이즈에 강한 지능제어를 구현할 수 있으며, 평지 및 경사면에서도 보행의 안정성을 향상시키고, 로봇의 보행 동작을 유연하게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 보행로봇의 보행 동작 중에 복수의 조인트 각들을 퍼지화하는 단계;
    상기 퍼지화된 조인트 각들을 이프-덴(if-then) 퍼지 룰에 적용하여 상기 보행로봇의 균형점 궤적 모델을 생성하는 단계;
    상기 균형점 궤적 모델에 최소 자승법을 적용하여 퍼지 모델을 생성하는 단계; 및
    상기 퍼지 모델을 상기 보행로봇의 제어 시스템에 적용하는 단계를 포함하는 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 퍼지 모델을 생성하는 단계는
    상기 보행로봇의 발바닥에 설치된 복수의 압력 센서로부터 입력되는 센서신호를 이용하여 상기 보행로봇의 균형점 궤적을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 균형점 궤적에 상기 퍼지 모델을 동조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 균형점 궤적 모델을 생성하는 단계는 수게노 타입의 퍼지 시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 균형점 궤적 모델을 생성하는 단계는 맘다니 타입의 퍼지 시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 퍼지화하는 단계는
    상기 보행로봇이 평지를 보행하는 동안 상기 보행로봇의 조인트 각들 및 상기 보행로봇이 상기 평지가 아닌 경사면을 보행하는 동안 상기 보행로봇의 조인트 각들을 이용하는 단계이고,
    상기 퍼지 모델을 생성하는 단계는
    상기 보행로봇의 평지용 균형점 모델 및 경사면용 균형점 모델을 생성하는 단계이고,
    상기 보행로봇의 제어 시스템에 적용하는 단계는
    상기 보행로봇이 평지를 보행하는 동안 상기 평지용 균형점 모델을 적용하고, 상기 보행로봇이 상기 평지가 아닌 경사면을 보행하는 동안 상기 경사면용 균형점 모델을 적용하는 단계인 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  7. 보행로봇의 보행 동작 중에 복수의 조인트 각들을 퍼지화하는 퍼지화부;
    상기 퍼지화된 조인트 각들을 이프-덴(if-then) 퍼지 룰에 적용하여 상기 보행로봇의 균형점 궤적 모델을 생성하는 퍼지 시스템 적용부;
    상기 균형점 궤적 모델에 최소 자승법을 적용하여 퍼지 모델을 생성하는 파라미터 동조부; 및
    상기 퍼지 모델을 상기 보행로봇의 제어 시스템에 적용하는 균형점 모델 적용부를 포함하는 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 보행로봇의 발바닥에 설치된 복수의 압력 센서로부터 입력되는 센서신호를 이용하여 상기 보행로봇의 균형점 궤적을 측정하는 균형점 측정부; 및
    상기 측정된 균형점 궤적에 상기 퍼지 모델을 동조시키는 튜닝부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 보행로봇은
    상기 퍼지 모델 및 상기 보행로봇의 보행 중의 조인트 각들에 따라 균형점 제어 신호를 생성하는 보행 자세 제어부;
    상기 균형점 제어 신호에 따른 전압 및 전류를 출력하는 복수의 모터 제어부;
    상기 전압 및 전류에 따라 상기 보행로봇의 기어를 구동시키는 복수의 모터;
    상기 기어의 동작에 따라 상기 보행로봇을 이동시키는 보행수단; 및
    상기 보행수단의 일부에 부착되어 인가되는 압력에 따라 전기적인 센서 신호를 생성하는 복수의 압력 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 보행 제어 시스템 설계 장치.
  10. 보행로봇의 보행 동작 중에 복수의 조인트 각들을 퍼지화하고 상기 퍼지화된 조인트 각들을 이프-덴(if-then) 퍼지 룰에 적용하여 상기 보행로봇의 균형점 궤적 모델을 생성하고 상기 균형점 궤적 모델에 최소 자승법을 적용하여 생성된 퍼지 모델이 적용되고, 상기 퍼지 모델 및 상기 조인트 각들에 따라 균형점 제어 신호를 생성하는 보행 자세 제어부;
    상기 균형점 제어 신호에 따른 전압 및 전류를 출력하는 복수의 모터 제어부;
    상기 전압 및 전류에 따라 상기 보행로봇의 기어를 구동시키는 복수의 모터; 및
    상기 기어의 동작에 따라 상기 보행로봇을 이동시키는 보행수단을 포함하는 보행 제어 시스템 설계 장치로 설계된 보행 로봇.
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