KR100958114B1 - 인간형 로봇의 보행 안정화 및 자세 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 로봇 보행 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 기존의 이족 보행 로봇의 보행 제어 알고리즘을 보완하여, 구조적 진동을 억제하고 자세를 안정화함으로써 보행 안정성을 향상시킬 수 있는 로봇 보행 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 보행 제어 방법은 이족 보행 로봇의 보행을 제어하는 방법으로서, (a) 상기 로봇의 보행에 따른 몸체의 구조적 진동을 감쇠시키는 단계; (b) 상기 구조적 진동의 감쇠에 따라 변화된 상기 로봇의 영 모멘트 위치 및 질량 중심 위치의 궤적을 보정하는 단계; 및 (c) 상기 구조적 진동의 감쇠와 상기 질량 중심 위치의 궤적에 따라 변화하는 로봇의 자세를 보정하는 단계를 포함한다.
로봇, 보행 제어

Description

인간형 로봇의 보행 안정화 및 자세 제어 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR BALANCING AND DAMPING CONTROL IN WHOLE BODY COORDINATION FRAMEWORK FOR BIPED HUMANOID ROBOT}
본 발명은 로봇 보행 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 기존의 이족 보행 로봇의 보행 제어 알고리즘을 보완하여, 구조적 진동을 억제하고 자세를 안정화함으로써 보행 안정성을 향상시킬 수 있는 로봇 보행 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 두 발로 걸을 수 있는 인간형의 이족 보행 로봇의 보행을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 출원인의 특허출원 제2005-98713호를 보완한 것이다.
로봇의 실제 동작을 생성하는 관절 구동기는 전기 모터와 기어와 링크 메커니즘으로 구성된 전기-기계 시스템으로 백래쉬(backlash)나 전기 리플(ripple)과 같은 많은 내부 외란(disturbance) 및 구조적인 진동이 내포되어 있다. 또한, 인간형 로봇은 인간과 공존할 수 있는 환경에서 구동되어야 하므로, 인간과의 예기치 않은 접촉이나 환경과의 접촉이 언제든지 외부 외란으로 작용할 수 있다.
이와 같은 외란들은 기존의 전신공조 제어 구조 안에서 COM(Center Of Mass) 과 ZMP(Zero Momentum Position) 목표 궤적들을 인간형 로봇 구동기들이 추종하는데 방해가 될 수 있고, 심한 경우 인간형 로봇이 안정성을 상실하고 쓰러질 수 있다.
종래 인간형 로봇의 이족 보행에 관하여 다음과 같은 기술이 알려져 있다.
첫째로, 이족 보행 로봇의 발바닥에서 측정되는 지면 반력을 이용하여 보행 제어를 수행하는 방법이 미국특허 제5,151,859호 및 제5,432,417호에 제시되어 있다.
둘째로, 이족 보행 로봇의 질량 중심 운동 패턴을 이용한 보행 제어 방법이 미국특허 제5,337,235호에 제시되어 있다.
셋째로, 정해진 보행 패턴으로 보행을 수행하는 로봇의 경우에 실제 바닥 지면은 임의의 작은 경사를 가질 수 있으며, 이로 인한 이족 보행 로봇의 불안정성을 극복하기 위하여, 이족 보행 로봇에 경사계를 장착하고 보행 패턴을 측정된 지면 경사에 따라 수정하는 방법이 미국특허 제5,404,086호에 제시되어 있다.
넷째로, 몸통의 운동을 고려한 다양한 보행 패턴 생성 방법이 미국특허 제5,808,433호, 제5,872,893호 및 5,936,367호에 제시되어 있다.
그러나, 종래의 로봇 보행 제어 방법은 안정성 측면에서 만족할 만한 효과를 나타내지 못한다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 외란에 대한 안정성을 갖는 것은 물론 로봇의 구조적 진동을 억제함으로써 보행 및 자세 안정화를 향상시킬 수 있는 로봇 보행 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 보행 제어 방법은 이족 보행 로봇의 보행을 제어하는 방법으로서, (a) 상기 로봇의 보행에 따른 몸체의 구조적 진동을 감쇠시키는 단계; (b) 상기 구조적 진동의 감쇠에 따라 변화된 상기 로봇의 영 모멘트 위치 및 질량 중심 위치의 궤적을 보정하는 단계; 및 (c) 상기 구조적 진동의 감쇠와 상기 질량 중심 위치의 궤적에 따라 변화하는 로봇의 자세를 보정하는 단계를 포함한다.
상기 (b) 단계에서 영 모멘트 위치의 보정은 관심 주파수 영역에서 상기 로봇을 △x, △y 만큼 가진하여, 하기 수학식 4와 같은 전달 함수를 구하고, 상기 전달 함수를 이용하여 상기 영 모멘트 위치를 보정할 수 있다:
[수학식 4]
Figure 112007090637400-pat00001
여기서, ai, bi는 전달함수의 매개 변수를 나타낸다.
상기 로봇 보행 제어 방법은, 상기 로봇 몸체의 각속도의 목표 궤적을 하기의 수학식 5와 같이 설계하여, 피드백 제어를 통해 로봇의 자세를 안정화시키는 단계를 더 포함할 수 있다:
[수학식 5]
Figure 112007090637400-pat00002
상기 식에서,
φ는 몸체 방위각(body orientation angle)이고,
φd는 목표(desired) 몸체 방위각이며,
kp, kI는 PI 제어의 계수이고,
T(φ)는 변환 매트릭스(transformation matrix)이며,
ωref 는 기준 각속도이고,
ωd 는 목표 각속도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 보행 제어 장치는 ZMP 제어기, COM 제어기 및 PID 제어기를 포함하는 로봇 보행 제어 장치로서, 상기 로봇의 보행에 따른 몸체의 구조적 진동을 감쇠시키는 감쇠 제어기; 및 상기 구조적 진동의 감쇠에 따라 변화하는 로봇의 자세를 보정하는 자세 보정기를 포함한다.
상기 로봇 보행 제어 장치는, 상기 로봇의 이동에 따른 영 모멘트 위치 및 질량 중심 위치의 궤적을 보정하는 ZMP 보정기를 더 포함하며, 상기 자세 보정기는 구조적 진동의 감쇠, 보정된 영 모멘트 위치 및 질량 중심 위치의 궤적을 기반으로 로봇의 자세를 보정할 수 있다.
본 발명에서 제시된 보행 제어기 성능의 우수성을 입증하기 위하여, 이족 보행 로봇에 적용 실험을 수행하였다. 본 발명자들이 개발한 네트워크 인간형 로봇(로봇 명칭: '마루R')에 적용하여 복잡한 보행 패턴에 대해서 도 4에 도시한 바와 같이 우수한 결과를 얻었다.
본 발명에서는 감쇠 제어기, ZMP 보정기 및 자세 보정기를 기존의 전신공조 보행 제어구조 안에서 구성함으로써, 내/외부 외란에 대해서도 안정적인 제어 효과를 나타낸다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
도 1은 인간형 이족 보행 로봇의 구성을 도시한 개념도이다.
먼저, 인간형 이족 보행 로봇의 단순화된 모델을 설명한다. 이족 보행 메커니즘은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 인간형 로봇의 필수 부분이다. 실제 인간과 유사한 보행을 구현하기 위해서, 인간형 로봇의 두 다리는 12자유도 이상의 높은 자유도를 가져야 한다. 따라서, 보행 제어기를 설계하거나 보행 안정성을 증명하고자 하는 경우 보행 동역학식 전체를 이용하는 것이 곤란하다.
이에 대한 대안으로서, 인간형 로봇의 질량 중심(COM, Center Of Mass)를 구 하고 COM에서 점 질량으로 기술한 단순화된 운동방정식으로 보행 동역학식을 단순화시키는 방법이 일반적으로 이용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 보행 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 로봇 보행 제어 장치는 ZMP 플래너(planner)(110), ZMP 제어기(120), COM 플래너(130), COM 제어기(140), COM 자코비안(jacobian)(150), PID 제어기(160), 감쇠 제어기(damping controller)(170), ZMP 보정기(180) 및 자세 보정기(body orientation compensator)(190)를 포함한다.
상기 ZMP 플래너(110), ZMP 제어기(120), COM 플래너(130), COM 제어기(140), COM 자코비안(150), PID 제어기(160)의 구성 및 동작에 대해서는 전술한 제2005-98713호에 상세히 기재되어 있으므로, 상세한 설명을 생략한다.
감쇠 제어기(170)는 로봇이 한발 지지하는 경우에 로봇의 구조적 진동을 억제하기 위한 제어력을 발목에 작용시킨다. 이에 따라, 감쇠 제어기(170)는 로봇이 보행을 위해 한쪽 발을 드는 경우에 발생하는 로봇의 구조적 진동을 효과적으로 억제시킨다.
도 3은 로봇이 보행하면서 한발 지지 시, 감쇠 제어기를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 진동 감쇠 거동을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 감쇠 제어기(170)를 구비한 로봇은 구조적 진동의 오버슈트(overshoot) 폭이 대폭 감소하면서, 진동 크기가 빠르게 안정화되는 것을 확인할 수 있다.
ZMP 보정기(180)는 로봇의 영 모멘트 위치와 질량 중심 위치 궤적을 보정한다. 즉, ZMP 보정기(180)는 감쇠 제어기(170)의 제어 신호에 따라 ZMP 제어기(120)와 COM 제어기(140)에서 형성한 COM와 ZMP 목표 궤적들을 보정한다.
도 4는 ZMP 제어기와 COM 제어기에서 형성한 COM와 ZMP 목표 궤적들을 보정하는 과정을 도시한 도면이다.
도 4에서, G(s)는 ZMP에 대한 COM의 전달함수이고, C(s)는 ZMP를 보정하는 제어기를 나타낸다.
상기 전달함수는 관심 주파수 영역에서 이족 보행 로봇을 하기 식과 같이 가진시켜서 구할 수 있다.
Figure 112007090637400-pat00003
상기 형태로 가진을 하게 되면, 측정된 ZMP를 기반으로 역진자 모델을 구성할 수 있으며, 하기 식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007090637400-pat00004
ωc : 역진자 모델의 공진주파수
상기 수학식 1과 2를 조합하면 다음과 같다.
Figure 112007090637400-pat00005
실제의 이족 보행 로봇의 구조적 진동, 감쇠 특성과 같은 내부 외란으로 인해서 목표 COM을 정확하게 추정하기 어렵다.
추정오차는 실제의 이족 보행 로봇의 질량 분포의 부정확성, 전기-기계 시스템의 백래쉬(backlash)나 전기 리플(ripple)과 같은 많은 내부 외란에서 기인한다.
"Harmonic Balance (R. Caballero, T. Akinfiev and M. Armada, "Robust Cascade Controller for ROBICAM Biped Robot: Preliminary Experiments," Proc . of the 5 th Int . Conf . of Climbing and Walking Robots , pp 147-154. 2002)” 방법론을 이용하면, 내부 외란에 해당하는 비모델(un-modelled) 동적 특성에 대한 변수를 다음과 같이 추정할 수 있다.
Figure 112007090637400-pat00006
여기서, Δx 는 x축 방향으로의 변위량이고, Δy 는 y축 방향으로의 변위량이며, ZMPΔx 는 Δx 만큼 가진했을 때 x축 방향의 영 모멘트 위치(ZMP, zero momentum position)이고, ZMPΔy 는 Δy 만큼 가진했을 때 y축 방향의 영 모멘트 위치이며, ax, bx 는 x축 방향으로의 전달함수의 매개 변수이고, ay, by 는 y축 방향으로의 전달함수의 매개 변수이며, xΔcr 는 Δx 만큼 가진했을 때 기준 질량 중심(center of mass reference)의 x축 방향 위치이고, yΔcr 는 Δy 만큼 가진했을 때 기준 질량 중심의 y축 방향 위치이며,
Figure 112009080655131-pat00017
는 Δx 만큼 가진했을 때 기준 질량 중심의 x축 방향 가속도이고,
Figure 112009080655131-pat00018
는 Δy 만큼 가진했을 때 기준 질량 중심의 y축 방향 가속도를 나타낸다.
이러한 방법으로 불확실한 모델에 대한 전달 함수를 구하고 이를 이용하여 보완하는 제어기를 구성할 수 있다.
자세 보정기(160)는 감쇠 제어기(170) 및 ZMP 보정기(180)에 의해 변화하는 로봇의 자세를 보정하기 위한 제어기로써, 상기 감쇠 제어기(170) 및 ZMP 보정기(180)에 의해 새로 목표된 COM, ZMP 를 추종함에 따라 변화하는 로봇의 자세를 안정화시킨다.
이는 이족 보행 로봇 몸체의 각속도의 목표 궤적을 하기 식과 같이 PI 제어 형태로 피드백 제어함으로써, 이족 보행 로봇의 자세를 안정화시킬 수 있다.
Figure 112007090637400-pat00007
여기서, φ는 몸체 방위각(body orientation angle)이고,
φd는 목표(desired) 몸체 방위각이며,
kp, kI는 PI 제어의 계수이고,
T(φ)는 변환 매트릭스(transformation matrix)이며,
ωref 는 기준 각속도이고,
ωd 는 목표 각속도이다.
도 5는 본 발명에 따른 로봇 보행 제어 장치를 구비한 이족 보행 로봇의 목표 ZMP와 실제 측정된 ZMP를 도시한 그래프이다.
도 5에서, 이족 보행 로봇은 도 1의 X축 방향으로 직선 이동을 하고 있으며, X축 방향의 ZMP는 계단식으로 상승하며, Y축 방향의 ZMP는 일정한 주기로 변한다.
도 6은 본 발명에 따른 이족 보행 로봇의 보행 시 몸체의 거동을 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 로봇 몸체의 롤(body roll)과 피치(body pitch)가 각각 0.5° 내지 -0.5° 사이에 있는 것을 확인할 수 있으며, 본 발명의 감쇠 제어기(170), ZMP 보정기(180) 및 자세 보정기(190)를 구비하지 않은 로봇 몸체의 롤과 피치가 대략 3° 내지 -3° 사이에 있는 것을 감안할 때, 몸체의 움직임이 안정적으로 이루어지는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 이족 보행 로봇의 보행 시 로봇의 발에 작용하는 수직력을 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 이족 보행 로봇의 왼쪽 발과 오른쪽 발에 대해 수직력(normal force)이 주기적이며 대칭적으로 변한다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 인간형 이족 보행 로봇의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 보행 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 로봇이 보행하면서 한발 지지 시, 감쇠 제어기를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 진동 감쇠 거동을 도시한 도면이다.
도 4는 ZMP 제어기와 COM 제어기에서 형성한 COM와 ZMP 목표 궤적들을 보정하는 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 로봇 보행 제어 장치를 구비한 이족 보행 로봇의 목표 ZMP와 실제 측정된 ZMP를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 이족 보행 로봇의 보행 시 몸체의 거동을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 이족 보행 로봇의 보행 시 로봇의 발에 작용하는 수직력을 도시한 그래프이다.

Claims (5)

  1. 이족 보행 로봇의 보행을 제어하는 방법으로서,
    (a) 상기 로봇의 보행에 따른 몸체의 구조적 진동을 감쇠시키는 단계;
    (b) 상기 구조적 진동의 감쇠에 따라 변화된 상기 로봇의 영 모멘트 위치 및 질량 중심 위치의 궤적을 보정하는 단계; 및
    (c) 상기 구조적 진동의 감쇠와 상기 질량 중심 위치의 궤적에 따라 변화하는 로봇의 자세를 보정하는 단계를 포함하며,
    상기 로봇 몸체의 각속도의 목표 궤적을 하기의 수학식 5와 같이 설계하여, 피드백 제어를 통해 로봇의 자세를 안정화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 보행 제어 방법:
    [수학식 5]
    Figure 112009080655131-pat00019
    상기 식에서,
    φ는 몸체 방위각(body orientation angle)이고,
    φd는 목표(desired) 몸체 방위각이며,
    kp, kI는 PI 제어의 계수이고,
    T(φ)는 변환 매트릭스(transformation matrix)이며,
    ωref 는 기준 각속도이고,
    ωd 는 목표 각속도이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 영 모멘트 위치의 보정은 관심 주파수 영역에서 상기 로봇을 △x, △y 만큼 가진하여, 하기 수학식 4와 같은 전달 함수를 구하고, 상기 전달 함수를 이용하여 상기 영 모멘트 위치를 보정하는 것을 특징으로 하는 로봇 보행 제어 방법:
    [수학식 4]
    Figure 112009080655131-pat00020
    상기 식에서,
    Δx 는 x축 방향으로의 변위량이고,
    Δy 는 y축 방향으로의 변위량이며,
    ZMPΔx 는 Δx 만큼 가진했을 때 x축 방향의 영 모멘트 위치(ZMP, zero momentum position)이고,
    ZMPΔy 는 Δy 만큼 가진했을 때 y축 방향의 영 모멘트 위치이며,
    ax, bx 는 x축 방향으로의 전달함수의 매개 변수이고,
    ay, by 는 y축 방향으로의 전달함수의 매개 변수이며,
    xΔcr 는 Δx 만큼 가진했을 때 기준 질량 중심(center of mass reference)의 x축 방향 위치이고,
    yΔcr 는 Δy 만큼 가진했을 때 기준 질량 중심의 y축 방향 위치이며,
    Figure 112009080655131-pat00021
    는 Δx 만큼 가진했을 때 기준 질량 중심의 x축 방향 가속도이고,
    Figure 112009080655131-pat00022
    는 Δy 만큼 가진했을 때 기준 질량 중심의 y축 방향 가속도를 나타낸다.
  3. 삭제
  4. ZMP 제어기, COM 제어기 및 PID 제어기를 포함하는 로봇 보행 제어 장치로서,
    상기 로봇의 보행에 따른 몸체의 구조적 진동을 감쇠시키는 감쇠 제어기; 및
    상기 구조적 진동의 감쇠에 따라 변화하는 로봇의 자세를 보정하는 자세 보정기를 포함하며,
    상기 자세 보정기는,
    상기 로봇 몸체의 각속도의 목표 궤적을 하기의 수학식 5와 같이 설계하여, 피드백 제어를 통해 로봇의 자세를 안정화시키는 것을 특징으로 하는 로봇 보행 제어 장치:
    [수학식 5]
    Figure 112009080655131-pat00023
    상기 식에서,
    φ는 몸체 방위각(body orientation angle)이고,
    φd는 목표(desired) 몸체 방위각이며,
    kp, kI는 PI 제어의 계수이고,
    T(φ)는 변환 매트릭스(transformation matrix)이며,
    ωref 는 기준 각속도이고,
    ωd 는 목표 각속도이다.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 로봇 보행 제어 장치는,
    상기 로봇의 이동에 따른 영 모멘트 위치 및 질량 중심 위치의 궤적을 보정하는 ZMP 보정기를 더 포함하며, 상기 자세 보정기는 구조적 진동의 감쇠, 보정된 영 모멘트 위치 및 질량 중심 위치의 궤적을 기반으로 로봇의 자세를 보정하는 것을 특징으로 하는 로봇 보행 제어 장치.
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