KR101111714B1 - 각식 로봇 및 각식 로봇의 제어방법 - Google Patents

각식 로봇 및 각식 로봇의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 각식 로봇은 바디(10); 레그부(20); 풋부(26); 상기 바디(10)의 낙하 방향을 검출하는 낙하방향검출유닛; 제어유닛(30); 및 상기 풋부(26)의 발바닥과 노면간의 거리를 검출하는 거리검출유닛을 포함한다. 상기 거리검출유닛은 상기 풋부의 발바닥에 제공되는 3이상의 거리센서(16)를 포함하며, 상기 제어유닛(30)은 거리센서(16)를 선택하기 위한 거리센서선택수단(63) 및 상기 거리센서선택수단(63)에 의해 선택된 상기 거리센서(16)로부터의 검출 신호를 토대로 보행 데이터를 보정하기 위한 보행데이터보정수단(64)을 포함한다. 상기 거리센서선택수단(63)은 상기 낙하방향검출유닛의 검출 결과를 토대로 상기 거리센서들(16) 가운데 3개의 거리센서(16)를 선택하는 것을 특징으로 한다.

Description

각식 로봇 및 각식 로봇의 제어방법{LEGGED ROBOT AND CONTROL METHOD OF LEGGED ROBOT}
본 발명은 각식 로봇 및 각식 로봇의 제어방법에 관한 것이다.
각식 이동 로봇이 안정성을 가지고 넘어지지 않게 이동하는 것을 보장하기 위하여, 상기 로봇의 지지 레그는 노면과 근접하여야만 한다. 또한, 로봇의 상승 레그가 접지될 때 불규칙한 노면으로 인한 예상치 못한 외부의 교란을 억제하는 것도 바람직하다. 그러므로, 로봇의 발바닥과 노면간의 관계를 목표에 따라 제어하는 것이 중요하다.
종래 기술에서는, 로봇의 발바닥들에 센서를 배치시켜 상기 센서의 출력값을 목표값과 정렬시키는 여러 기술들이 제안되어 왔다. 일본 특허 제3574952호는 발바닥 상의 플로어 반동력을 검출하여, 불규칙성이 복잡한 불안정한 노면에서도 워킹 안정성을 실현하는 장치를 위한 두발이동장치와 워킹제어장치를 개시하고 있다. 일본 특허 제3574952호에 개시된 두발이동장치에서는, 이렇게 검출된 힘의 하강 순서로 발바닥에 배치된 3이상의 3축력센서(triaxial force sensor) 가운데 3개의 센서들을 선택하게 되고, 대응하는 플로어 반동력 데이터를 토대로 보행이 보정되게 된다.
일본 특허 제3569768호에는 불규칙성이 복잡한 불안정한 노면에서도 풋부가 확실하게 접지될 수 있는 두발이동장치가 개시되어 있다. 일본 특허 제3569768호에 개시된 두발이동장치에 있어서, 3축력센서는 힐부와 토우부에 제공되고, 이들 3축력센서들로부터의 신호들을 토대로, 3점 지지가 힐부와 토우부에 의해 달성되도록 보행 데이터가 보정된다.
일본특허출원공보 제2001-353686호(JP-A-2001-353686)는 각식 이동 로봇이 워킹하는 동안 풋부의 접지 상태와 노면의 상태를 정확하게 판정하기 위한 노면검출장치 및 각식 이동 로봇용 풋부 구조체를 개시하고 있다. JP-A-2001-353686에 개시된 각식 이동 로봇용 풋부 구조체는 풋부베이스바디와 상기 풋부의 접지 상태와 노면에 대한 풋부의 접근을 측정하기 위해 상기 풋부베이스바디의 저면에 배치된 노면검출유닛을 포함한다. 노면검출기는 그로부터 출현하도록 자유롭게 될 풋부베이스바디에 부착되고, 노면검출유닛은 상기 노면검출기의 출현 위치를 검출한다. JP-A-2001-353686은 또한 발바닥거리센서를 이용하여 노면과 발바닥간의 거리를 피드백-제어함으로써 안정성을 달성하기 위한 수단을 개시하고 있다.
하지만, 일본 특허 제3574952호와 일본 특허 제3569768호에 개시된 기술들에 의하면, 3개의 센서보다 많은 것이 노면과 접촉하게 될 때 플로어 반동력을 정확하게 얻는 것이 불가능할 수도 있다. 이 경우, 플로어 반동력을 산출하는데 사용될 수 없는 3축력센서의 개수의 증가를 유도하는 노면 상태에 따라, 모든 센서들이 노면과 접촉하는 것이 불가능할 수도 있고, 그 결과 플로어 반동력이 정확하게 검출될 수 없게 된다. 또한, 3개의 센서가 사용되는 경우, 발바닥과 노면간의 접촉부로 형성되는 실제 볼록 클로저의 크기가 감소하여, 제로 모멘트 포인트(이하, 간단히 "ZMP"라고 함)가 존재할 수 있는 안정 영역의 크기 감소가 유도되고, 그 결과 로봇이 넘어지기 더욱 쉽게 된다. 상기 로봇은 또한 요(yaw) 방향으로 미끄러지기 더욱 쉽다. 이에 따라, 3개 보다 많은 센서가 리던던시를 유도한다면, 3개의 센서들이 불충분하게 된다. 그러므로, 실제 목적을 위해서는, 실시예들에 도시된 바와 같이, 4개의 센서가 제공되는 경우만이 효과적이다.
나아가, JP-A-2001-353686에 개시된 기술에 의하면, 노면과 센서 위치의 발바닥간의 거리는 센서 이외의 부분이 노면과 접촉할 때 물리적으로 제로로 설정될 수 없게 된다. 다시 말해, 노면 상태에 따라 거리센서들 모두의 측정높이값을 제로로 설정하는 것이 불가능하게 될 수도 있다.
목표에 따라 로봇의 발바닥과 노면간의 거리 관계를 제어하는 경우, 상기 거리센서는 안정성을 향상시키기 위하여 가능한 한 상기 발바닥의 외주부에 근접하게 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 거리 센서들은 발바닥과 노면간의 접촉부의 볼록 클로저의 크기를 최대로 증가시키기 위하여 4개의 코너에 배치되는 것이 바람직하다. 하지만, 평면이 3점으로 결정된다고 간주하면, 거리센서들이 4개의 코너에 배치되는 경우 노면과 센서간의 하나의 접촉 장소가 리던던트하게 된다. 거리센서들의 수가 리던던트하다면, 로봇의 발바닥이 복잡한 불규칙물을 밟을 때, 모든 거리센서들의 값들이 원하는 값들로 설정될 수 없게 된다. 예컨대, 도 18에 도시된 바와 같이, 로봇의 풋부(26)의 일부분이 방해물 B를 밟는 경우(즉, 풋부(26)의 후방면 상의 점 16a가 방해물 B 상에 위치될 때), 상기 발바닥의 점 16c 및 16a가 노면 과 접촉할 수는 있지만, 점 16b 및 16d는 노면과 동시에 접촉할 수 없다. 다시 말해, 상기 발바닥의 점 16c 및 16a가 노면과 접촉하면, 상기 발바닥은 상기 점들 16a 및 16c를 통과하는 대각선 상에 위치하는 축선 C를 중심으로 회전하여, 불안정성을 유발하게 된다. 이에 따라, 노면의 불규칙성 상태에 따라, 지지 레그의 발바닥 상의 4개의 모든 점들이 노면과 근접하게 되는 것이 불가능하게 될 수도 있다. 이 경우에 제어가 행해져 발바닥의 모든 거리센서들의 값들을 원하는 값들로 정렬시키는 경우, 예컨대 거리의 스퀘어 에러를 최소화하도록 발바닥이 보정되는 경우, 극히 불안정한 상태로 제어가 행해질 수도 있어, 예컨대 발바닥이 노면 상에 대각선으로 닿게 된다. 다시 말해, 모든 거리센서들의 값들을 목표값들로 정렬시키는 시도가 이루어지는 경우에는, 이와 반대로 불안정한 상태가 유지될 수도 있다. 이에 따라, 상기 발바닥이 노면에 접근하지 않는 동안 로봇의 트렁크가 기울어진 경우, 상기 로봇은 경사를 보정하기 위한 플로어 반동력 모멘트를 얻을 수 없게 되어, 결국 넘어질 수도 있게 된다. 상기 로봇이 넘어지는 것을 방지하기 위해서는, 지지 레그에 제공되는 발바닥의 거리센서들의 거리들 가운데 목표값들로 정렬될 거리들을 선택하는 것이 필요하게 된다.
경사진 트렁크를 보정하는데 필요한 플로어 반동력 모멘트는 목표 높이로 정렬될 발바닥의 거리센서들을 적절하게 선택하여 얻어질 수 있다. 단 3개의 발바닥 거리센서만이 선택된 구성예에서는, 트렁크의 낙하 방향에 따라 지지 레그의 발바닥을 노면과 근접시키는 것이 불가능하게 되어, 불안정성을 유발할 수도 있다. 도 19에 도시된 바와 같이, 예컨대 하나의 거리센서(16d)가 노면의 돌출부를 밟아 3개 의 발바닥 거리센서(16a, 16b, 16c)가 검출된 낙하 방향 D로부터 선택되는 경우, 상기 발바닥 거리센서(16a, 16c)가 동시에 노면과 접촉할 수 없게 되므로, 상기 지지 레그의 발바닥이 완전하게 정렬될 수 없게 된다. 그 이유는 로봇의 트렁크의 경사 방향과 노면 상의 불규칙성의 방향이 근접한 경우에, 상술된 경우와 유사하게, 발바닥이 대각선으로 노면을 밟도록 제어가 행해지게 되어, 불안정한 상태를 유발하게 된다.
이에 따라, 종래 기술의 각식 로봇들에 따르면, 로봇의 트렁크를 역진자 상태로 만들기 위한 플로어 반동력 모멘트를 효과적으로 얻으면서, 발바닥과 노면간의 접촉을 유지하기 어렵기 때문에, 상기 로봇은 노면 상태에 따라 안정성을 가지면서도 넘어지지 않게 걸을 수 없을 것이다.
본 발명은 고르지 않은 지면에서도, 로봇의 트렁크를 바로 세우기 위한 플로어 반동력 모멘트를 효과적으로 획득하면서도 발바닥과 노면간의 접촉이 유지되는 각식 로봇 및 각식 로봇의 제어방법을 제공한다.
본 발명의 제1실시형태는 각식 로봇(100)에 있어서, 바디(10); 상기 바디(10)에 연결되는 레그부(20); 상기 레그부(20)의 하단부 상에 제공되는 풋부(26); 상기 바디(10)의 낙하 방향을 검출하는 낙하방향검출유닛; 보행 데이터를 토대로 상기 레그부(20)의 조인트의 구동을 제어하는 제어유닛(30); 및 상기 풋부(26)의 발바닥과 노면간의 거리를 검출하는 거리검출유닛을 포함하여 이루어지고, 상기 거리검출유닛은 상기 풋부(26)의 발바닥에 제공되는 4이상의 거리센서를 포함하며, 상기 제어유닛(30)은 거리센서를 선택하기 위한 거리센서선택수단(63) 및 상기 거리센서선택수단(63)에 의해 선택된 상기 거리센서로부터의 검출 신호를 토대로 보행 데이터를 보정하기 위한 보행데이터보정수단(64)을 구비하고, 상기 거리센서선택수단(63)은 상기 낙하방향검출유닛의 검출 결과를 토대로 상기 거리센서들 가운데 상기 낙하방향에 근접하게 위치하고 있는 제1거리센서와 제2거리센서를 선택하고, 상기 거리센서선택수단(63)은 선택되지 않은 거리센서들 가운데 상기 풋부(26)의 발바닥과 노면 간의 거리가 최소인 제3거리센서를 선택하는 것을 특징으로 하는 각식 로봇으로 구성된다.
로봇의 트렁크의 낙하 방향을 검출하고, 그 검출 결과를 토대로 목표값을 얻기 위하여 3개의 발바닥 거리센서를 선택함으로써, 발바닥과 노면간의 접촉이 유지되는 한편, 로봇의 트렁크(바디)를 바로 세우기 위한 플로어 반동력 모멘트를 효과적으로 달성할 수 있다. 이에 따라, 지지 레그를 플로어면과 근접하게 유지하면서 발바닥으로부터 플로어 반동력 모멘트를 수용함으로써, 로봇의 트렁크를 바로 세우기 위한 안정화 제어가 용이하게 실행될 수 있고, 그 결과 각식 로봇이 넘어지지 않으면서도 고르지 않은 지면 위로 걸을 수 있게 된다. 보행 데이터는 로봇을 걷게 하는 데이터이고, 바디의 목표 위치/자세와 풋부의 목표 위치/자세를 포함한다는 점에 유의한다. 본 발명에 따른 각식 로봇은 우선 레그부의 풋부를 플로어면과 접촉시켜 지지 레그로서의 역할을 하도록 한 다음, 플로어면이 풋의 발바닥에 의해 푸시되도록 레그부를 구동시켜, 전체 레그부(전체 로봇)를 들어 올림으로써 워킹 동작을 수행하도록 되어 있다. 구동된 레그부는 상승된 레그가 되고 나머지 다른 레그부는 지지 레그가 되며, 상승 레그와 지지 레그를 반복해서 스위칭함으로써, 워킹 동작이 수행될 수 있게 된다.
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상기 제어유닛(30)은 상기 선택된 거리센서들 모두로부터의 검출 신호들을 토대로 상기 발바닥과 노면 간의 편차값을 산출하고, 상기 편차값을 이용하여 상기 보행 데이터를 보정하기 위한 풋보정량을 산출할 수도 있다.
또한, 상기 제어유닛(30)은 상기 레그부(20)의 워킹동작패턴이 지지레그워킹동작패턴인지 상승레그워킹동작패턴인 지의 여부를 판정하고, 상기 거리센서선택수단(63)은 상기 레그부(20)의 워킹동작패턴이 상기 지지레그워킹동작패턴일 때에 상기 거리센서들 가운데 상기 제1 내지 제3거리센서를 선택하는 반면, 상기 레그부(20)의 워킹동작패턴이 상기 상승레그워킹동작패턴일 때에는 모든 거리센서들을 선택할 수도 있다.
또한, 상기 레그부(20)가 지지레그인 경우, 상기 제어유닛(30)은 상기 거리검출유닛으로부터의 출력신호를 토대로 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면 상에 완전히 접지하였는 지의 여부를 판정하고, 상기 거리센서선택수단(63)은 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에 완전히 접지한 경우에 상기 낙하방향검출유닛의 검출 결과를 토대로 상기 거리센서들 가운데 3개의 거리센서를 선택하는 반면, 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에 완전히 접지하지 않은 경우에는 모든 거리센서들을 선택할 수도 있다.
상기 레그부(20)가 지지레그인 경우, 상기 제어유닛(30)은 상기 보행 데이터를 토대로 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면 상에 완전히 접지하였는 지의 여부를 판정하고, 상기 거리센서선택수단(63)은 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에 완전히 접지한 경우에 상기 낙하방향검출유닛의 검출 결과를 토대로 상기 거리센서들 가운데 3개의 거리센서를 선택하는 반면, 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에 완전히 접지하지 않은 경우에는 모든 거리센서들을 선택할 수도 있다.
상기 레그부(20)가 상승레그인 경우, 상기 제어유닛(30)은 상기 거리검출유닛의 출력신호를 토대로 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에서 완전히 올려졌는 지의 여부를 판정하고, 상기 거리센서선택수단(63)은 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에서 완전히 올려지지 않은 경우에 상기 낙하방향검출유닛의 검출 결과를 토대로 상기 거리센서들 가운데 3개의 거리센서를 선택하는 반면, 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에서 완전히 올려진 경우에는 모든 거리센서들을 선택할 수도 있다.
상기 레그부(20)가 상승레그인 경우, 상기 제어유닛(30)은 상기 보행 데이터를 토대로 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에서 완전히 올려졌는 지의 여부를 판정하고, 상기 거리센서선택수단(63)은 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에서 완전히 올려지지 않은 경우에 상기 낙하방향검출유닛의 검출 결과를 토대로 상기 거리센서들 가운데 3개의 거리센서를 선택하는 반면, 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에서 완전히 올려진 경우에는 모든 거리센서들을 선택할 수도 있다.
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본 발명의 제2실시형태는 바디(10), 상기 바디(10)에 연결되는 레그부(20), 상기 레그부(20)의 하단부 상에 제공되는 풋부(26), 상기 바디(10)의 낙하 방향을 검출하는 낙하방향검출유닛, 및 상기 풋부(26)의 발바닥과 노면간의 거리를 검출하는 4이상의 거리센서를 포함하는 각식 로봇(100)의 제어방법에 있어서, 상기 낙하방향검출유닛의 검출 결과를 토대로 상기 거리센서들 가운데 상기 낙하방향에 근접하게 위치하고 있는 제1거리센서와 제2거리센서를 선택하는 단계; 상기 풋부(26)의 발바닥과 노면간의 거리를 토대로 선택되지 않은 거리센서들 가운데 상기 풋부(26)의 발바닥과 노면 간의 거리가 최소인 제3거리센서를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 거리센서들로부터의 검출 신호들을 토대로 보행 데이터를 보정하여 상기 보행 데이터를 토대로 상기 레그부(20)의 조인트의 구동을 제어하는 단계를 포함한다.
로봇의 트렁크의 낙하 방향을 검출하고, 그 검출 결과를 토대로 목표값을 얻기 위하여 3개의 발바닥 거리센서를 선택함으로써, 발바닥과 노면간의 접촉이 유지되는 한편, 로봇의 트렁크를 바로 세우기 위한 플로어 반동력 모멘트를 효과적으로 달성할 수 있다. 이에 따라, 지지 레그를 플로어면과 근접하게 유지하면서 발바닥으로부터 플로어 반동력 모멘트를 수용함으로써, 로봇의 트렁크를 바로 세우기 위한 안정화 제어가 용이하게 실행될 수 있고, 그 결과 각식 로봇이 넘어지지 않으면서도 고르지 않은 지면 위로 걸을 수 있게 된다.
본 발명의 상기 목적과 기타 목적, 특징 및 장점들은 동일한 도면부호들이 동일한 요소들을 나타내는데 사용된 첨부도면들을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 각식 로봇의 구성도;
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 각식 로봇의 풋링크의 구성도;
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 각식 로봇의 구성예를 도시한 기능블럭도;
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 각식 로봇의 제어유닛에 의해 수행되는 처리를 도시한 플로우차트;
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 각식 로봇의 풋링크의 일부분이 장애물과 접촉하게 되는 상태를 예시한 도면;
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 각식 로봇의 낙하 방향을 검출하는 처리를 예시한 도면;
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따라, 낙하 방향을 토대로 거리센서를 선택하 기 위한 처리를 예시한 도면;
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 전달 기능들을 예시한 도면;
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 각식 로봇의 제어유닛이 워킹동작패턴에 따라 수많은 활성화된 거리센서들을 수정하는 방식을 예시한 도면;
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 각식 로봇의 레그부가 지지레그상태에 있을 때 수행되는 제어 처리의 개요를 예시한 플로우차트;
도 11은 본 발명의 제1실시예에 따른 각식 로봇의 레그부가 상승레그상태에 있을 때 수행되는 제어 처리의 개요를 예시한 플로우차트;
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 각식 로봇의 풋링크의 구성도;
도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 각식 로봇의 제어유닛이 워킹동작패턴에 따라 수많은 활성화된 거리센서들을 수정하는 방식을 예시한 도면;
도 14는 본 발명의 제2실시예에 따른 각식 로봇의 레그부가 지지레그상태에 있을 때 수행되는 제어 처리의 개요를 예시한 플로우차트;
도 15는 본 발명의 제2실시예에 따른 각식 로봇의 풋링크의 일부분이 장애물과 접촉하게 되는 상태를 예시한 도면;
도 16은 본 발명의 제2실시예에 따른 전달 기능들을 예시한 도면;
도 17은 본 발명의 제2실시예에 따른 각식 로봇의 레그부가 상승레그상태에 있을 때 수행되는 제어 처리의 개요를 예시한 플로우차트;
도 18은 각식 로봇의 풋링크의 일부분이 장애물과 접촉하게 되는 상태를 예시한 도면; 및
도 19는 각식 로봇의 풋링크의 일부분이 장애물과 접촉하게 되는 상태를 예시한 도면이다.
제1실시예에 따른 각식 로봇은, 바디, 상기 바디에 연결된 레그부, 상기 레그부의 하단부에 제공되는 풋부, 상기 바디의 낙하방향을 검출하는 낙하방향검출유닛, 상기 레그부의 조인트의 구동을 제어하는 제어유닛, 및 풋부의 발바닥과 노면간의 거리를 검출하는 거리검출유닛을 포함한다. 여기서, 상기 거리검출유닛은 풋부의 발바닥에 제공되는 3이상의 거리센서들을 포함한다. 상기 각식 로봇의 제어유닛은 거리센서를 선택하기 위한 거리센서선택수단, 및 상기 거리센서선택수단에 의해 선택되는 거리센서로부터의 검출신호를 토대로 보행 데이터를 보정하기 위한 보행데이터보정수단을 포함한다. 상기 거리센서선택수단은 낙하방향검출유닛으로부터의 검출 결과를 토대로 거리센서들 가운데 3개의 거리센서들을 선택한다.
워킹하는 로봇이 고르지 않은 지면 위를 걸을 때, 안정화 제어는 발바닥에 제공되는 거리센서들을 이용하여 노면과 발바닥을 정렬하기 위한 발바닥정렬제어와, 자세센서를 이용하여 로봇의 자세를 바로 세우기 위한 역진자제어를 조합하여 실현된다. 발바닥정렬제어에 사용되는 발바닥 거리센서들의 수가 리던던트하고 모든 센서들을 균등하게 처리하려는 시도가 이루어지는 경우, 불안정성이 발생하여, 결과적으로는 로봇이 넘어질 수도 있다. 제1실시예의 각식 로봇에 따르면, 활성화된 센서들이 로봇 상태, 센서 상태 및 워킹 상태에 따라 리던던트한 발바닥 거리센서들로부터 적절하게 선택되므로, 각식 로봇이 넘어지지 않으면서도 안정하게 고르 지 않은 지면 위로 걸을 수 있게 된다.
이하, 제1실시예에 따른 로봇의 제어방법을 도면들을 참조하여 설명하기로 한다. 도 1은 제1실시예에 따른 각식 로봇의 개요를 도시한 도면이다. 로봇(100)은 바디(10) 및 상기 바디(10)에 연결된 두 레그를 포함한다. 도 1에서는, 단 하나의 레그부(20)만이 도시되어 있고, 다른 레그부는 도면에서 생략되어 있다는 점에 유의한다. 상기 바디(10)는 상기 로봇(100)의 동작(레그부의 각각의 조인트의 동작)을 제어하기 위한 제어유닛(30), 상기 바디의 가속을 검출하는 가속도센서(12) 및 수직 방향에 대하여 상기 바디(10)의 경사각(자세각)을 검출하는 자세각도센서(14)를 포함한다.
상기 레그부(20)는 힙조인트(21), 니조인트(23), 앵클조인트(25), 싸이링크(22), 티비아링크(24) 및 풋부로서의 역할을 하는 풋링크(26)를 포함한다. 상기 싸이링크(22)와 티비아링크(24)는 개략적으로 직선으로 예시되어 있다. 상기 힙조인트(21)는 바디(10)와 싸이링크(22)에 스윙가능하게 연결되어 있다. 상기 니조인트(23)는 싸이링크(22)와 티비아링크(24)에 스윙가능하게 연결되어 있다. 상기 앵클조인트(25)는 티비아링크(24)와 풋링크(26)에 스윙가능하게 연결되어 있다. 상기 풋부로서의 역할을 하는 풋링크(26)는 레그부(20)의 하단부에 제공된다. 상기 풋링크(26)는 판형부재이고, 상기 풋링크의 후방면(발바닥면)은 평평하다.
거리검출유닛으로서 풋링크(26) 상에 3이상의 거리센서(16)가 제공된다. 상기 거리센서(16)는 풋링크(26)의 후방면(발바닥면)과 접지면(S) 사이의 거리를 검출한다. 도 2는 풋링크(26)의 구성예를 예시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같 이, 풋링크(26)는 평면도로 볼 때 실질적으로 직사각형이다. 4개의 거리센서(16a, 16b, 16c, 16d)는 풋링크(26)의 네 코너 부근에 각각 제공된다. 여기서, 두 거리센서(16a, 16d)는 풋링크(26)의 토우측에 제공되고, 두 거리센서(16b, 16c)는 힐측에 제공된다. 거리센서(16a, 16d)는 풋링크(26)의 전방 소정의 위치에서 발바닥면과 접지면(S)간의 거리를 검출하는 한편, 거리센서(16b, 16c)는 풋링크(26)의 후방 소정의 위치에서 발바닥면과 접지면(S)간의 거리를 검출한다. 따라서, 상기 접지면(S)에 대한 풋링크(26)의 발바닥면의 경사는 거리센서(16a, 16d)에 의해 검출되는 거리들과 거리센서(16b, 16c)에 의해 검출되는 거리들간의 차이로부터 결정될 수 있게 된다.
도면에는 도시되지 않은 모터가 각각의 조인트에 내장되어 제어유닛(30)으로부터의 지령을 토대로 구동된다. 모터를 구동함으로써, 조인트들에 연결된 링크들이 스윙가능하다. 도면에 도시되지 않은 나머지 다른 레그부는 레그부(20)와 동일한 구조를 갖는다. 상기 제어유닛(30)이 두 레그부의 조인트(보다 상세하게는, 조인트 각도)들을 적절히 제어하도록 함으로써, 로봇(100)이 걸을 수 있도록 한다.
도 1에서는, 설명의 편의를 위하여, 로봇(100)의 전진 방위(전후 방향)를 x축으로 설정하고, 로봇(100)의 전진 방향을 수평 방향(좌우 방향)으로 교차시키는 방위를 y축으로 설정하며, 로봇(100)의 전진 평면으로부터 수직 방향으로 연장되는 방위를 z축으로 설정하고, 이들 3축으로 구성되는 절대좌표계를 이용하여 설명하기로 한다. 도 1에서, x축은 지면을 따라 좌우 방향을 나타내고, y축은 지면의 깊이 방향을 나타내며, z축은 지면을 따라 상하 방향을 나타낸다. 점 Ob는 로봇(100)의 바디(10)에 관하여 특정 및 고정되고, 점 Of는 풋링크(26)에 관하여 특정 및 고정된다는 점에 유의한다.
상기 로봇(100)은 제어유닛(30)에 저장된 보행 데이터를 토대로 제어된다. 상기 보행 데이터는 바디(10)의 목표 위치(목표바디위치), 바디(10)의 목표자세각도(목표바디자세각도), 풋링크(26)의 목표위치(목표풋위치) 및 풋링크(26)의 목표자세각도(목표풋자세각도) 각각에 관한 시계열 데이터를 포함한다. 상기 보행 데이터는 또한 로봇(100)의 각각의 목표풋위치들과 레그부들의 자세각도에 관한 시계열 데이터도 포함한다.
상기 보행 데이터는 로봇(100)이 안정하게 걸을 수 있도록 시뮬레이션 등을 통해 생성된다. 보다 상세하게는, 접지면과 접촉할 때 로봇(100)의 ZMP 위치가 발바닥에 의해 포위되는 볼록 클로저 내에 있는 것에 따른 관계식을 만족하도록 목표바디위치, 목표바디자세각도, 목표풋위치 및 목표풋자세각도가 설정된다. 생성된 보행 데이터는 로봇(100)의 제어유닛(30)에 저장된다. 후술하는 바와 같이, 제어유닛(30)은 실제 바디 위치 등이 보행 데이터에 포함된 목표 바디 위치 등과 일치하도록 각각의 조인트를 제어한다.
목표 바디 위치는 절대좌표계에 대한 특이점 Ob의 위치로 표시된다. 특이점 Ob를 원점으로 갖는 바디좌표계가 사용되는 경우에는, 목표바디자세각도가 절대좌표계에 대한 바디좌표계의 기울기로 표시된다. 실제 바디자세각도는 상기 바디(10)에 제공되는 자세각도센서(14)에 의해 검출될 수 있다. 목표풋위치는 절대좌표계에 대한 특이점 Of의 위치로 표시된다. 목표풋자세각도는 지면에 대한 발바닥면의 각 도로 표시된다. 특이점 Of를 원점으로 갖는 풋좌표계가 사용되는 경우에는, 목표풋자세각도가 절대좌표계에 대한 풋좌표계의 기울기로 표시될 수도 있다. 후술하는 바와 같이, 실제 풋자세각도는 상기 풋링크(26)에 제공되는 거리센서(16)들에 의해 검출될 수 있다.
다음으로, 제어유닛(30)의 동작을 상세히 설명하기로 한다. 상기 제어유닛(30)은 바로세움(righting)제어와 정렬제어를 실행한다. 바로세움제어에서는, 실제 바디 위치와 실제 바디 자세 각도가 목표 바디 위치와 목표 바디 자세 각도와 각각 일치한다. 정렬제어에서는, 지면에서 보는 상대적인 실제 풋 위치와 실제 풋 자세 각도가 각각 목표 풋 위치와 목표 풋 자세 각도와 일치한다.
도 3은 제어유닛(30)의 기능적인 구성예를 도시한 기능블럭도이다. 상기 제어유닛(30)은 보행 데이터를 저장하는 저장유닛(50), 상기 저장유닛(50)에 저장된 보행 데이터를 판독하기 위한 연산처리유닛(60) 및 상기 레그부(20)에 포함된 각각의 모터들을 구동하기 위한 모터구동유닛(70)을 포함한다.
상기 저장유닛(50)은 보행 데이터(목표바디위치, 목표바디자세각도, 목표풋위치 및 목표풋자세각도에 관한 시계열 데이터)를 저장한다. 보행 데이터에서는, 발바닥이 지면과 접촉하는 경우, 발바닥면과 지면이 면접촉 상태가 되므로, 목표풋자세각도(가상의 지면에 대한 발바닥면의 가상의 경사)가 제로로 설정된다. 또한, 보행 데이터의 각각의 목표값들은 로봇(100)의 ZMP 위치가 지면과 접촉하는 레그의 발바닥에 의해 포위되는 볼록 클로저 내에 있는 것에 따른 관계식을 만족하도록 결정된다.
상기 연산처리유닛(60)은 저장유닛(50)에 저장된 보행 데이터를 판독하고, 판독된 보행 데이터에 의해 특정된 로봇(100)의 자세를 실현하는데 필요한 레그부(20)의 조인트 각도들을 산출한다. 상기 연산처리유닛(60)은 그 후에 상기 산출된 조인트 각도들에 기초한 신호를 모터구동유닛(70)에 전달한다. 상기 연산처리유닛(60)은 또한 자세각도센서(14)와 로봇(100)에 제공된 거리센서(16)들로부터 신호들을 수신하고, 후술하는 바와 같이 정렬제어에서 사용될 거리센서(16)를 선택한다. 또한, 상기 연산처리유닛(60)은 상기 센서들로부터 신호를 수신할 때 상기 모터들의 구동량을 조정한다.
보다 상세하게는, 상기 연산처리유닛(60)은 정렬제어유닛(61), 바로세움제어유닛(62), 거리센서선택수단으로서의 역할을 하는 거리센서선택유닛(63), 보행데이터보정수단으로서의 역할을 하는 보행데이터보정유닛(64), 및 역기구학연산유닛(65)을 포함한다. 상기 제어유닛(30)은 실제 바디자세각도와 목표바디자세각도간의 편차에 기초한 피드백제어시스템(바로세움제어유닛(62)의 바로세움제어시스템) 및 지면에서 보는 상대적인 실제 풋자세각도와 목표풋자세각도간의 편차에 기초한 피드백제어시스템(정렬제어유닛(61)의 정렬제어시스템)을 포함한다. 이하, 정렬제어편차는 지면에서 본 상대적인 풋자세각도에 관한 것으로 가정한다.
상기 바로세움제어유닛(62)은 로봇(100)의 바디의 자세를 목표 위치/자세로 유지하는 기능을 한다. 상기 바디 위치/자세는 실제 바디 위치와 바디 자세 각도에 대응하는 한편, 목표 위치/자세는 목표 바디 위치와 바디 자세 각도에 대응한다. 실제 바디 자세 각도는 바디(10)에 제공되는 자세각도센서(14)에 의해 검출된다. 상기 자세각도센서(14)는 예컨대 바디(10)의 각속도를 검출하는 자이로, 상기 자이로의 출력(각속도)을 적분하기 위한 적분기, 및 중력가속도벡터를 검출하는 3축가속도센서를 포함한다. 낙하방향검출유닛(도시안됨)은 자세각도센서(14)로부터의 검출 결과를 토대로 로봇(100)의 낙하 방향을 검출할 수 있다.
예컨대, 발바닥이 노면과 근접하게 되는 상태가 목표로 설정되고, 힐측이 지면으로부터 상승되는 경우, 정렬제어유닛(61)은 풋링크(26)의 토우측을 티비아링크(24)에 접근시키기 위한 방향으로 상기 풋링크(26)를 회전시켜 실제 풋자세각도를 목표풋자세각도에 일치시킨다. 다시 말해, 정렬제어유닛(61)은 발바닥면과 지면간의 면접촉이 유지되도록 풋링크(26)를 회전시킨다. 실제 풋자세각도는 풋링크(26)에 제공되는 거리센서(16a, 16b, 16c, 16d)의 출력으로부터 결정된다. 여기에서 사용되는 거리센서(16)는 후술할 거리센서선택유닛(63)에 의해 선택되는 거리센서들이라고 가정한다. 거리검출유닛(도시안됨)은 거리센서(16)들 가운데 검출 결과를 토대로 발바닥과 노면간의 거리를 검출한다.
상기 거리센서선택유닛(63)은 낙하방향검출유닛으로서의 역할을 하는 자세각도센서(14)와 거리검출유닛으로서의 역할을 하는 거리센서(16)의 검출 결과들을 토대로 발바닥과 노면간의 거리를 정렬하는데 사용될 거리센서(16)를 선택한다. 이하, 거리센서선택유닛(63)에 의해 채택되는 거리센서선택방법을 상세히 설명하기로 한다.
보행데이터보정유닛(64)은 발바닥과 노면간의 위치 관계가 목표값과 정렬되도록 거리센서선택유닛(63)에 의해 선택되는 거리센서들 가운데 출력 신호들을 토 대로 보행 데이터를 보정한다. 우선, 보행데이터보정유닛(64)은 선택된 거리센서(16)의 출력값과 정렬목표값간의 풋 편차를 산출한다. 상기 보행데이터보정유닛(64)은 그 후에 편차에 관한 전달함수를 이용하여 산출된 풋 편차로부터 보정량을 산출하게 된다.
보다 상세하게는, 저장유닛(50)에 저장된 보행 데이터(목표바디위치, 목표바디자세각도, 목표풋위치, 및 목표풋자세각도에 관한 시계열 데이터)는 하기 방식으로 보정되어, 역기구학연산유닛(65)으로 입력된다.
상기 저장유닛(50)에 저장된 목표풋위치는 목표풋위치와 실제풋위치간의 편차를 토대로 보정된 다음, 역기구학연산유닛(65)으로 입력된다.
상기 저장유닛(50)에 저장된 목표바디위치는 목표바디가속도와 실제바디가속도간의 편차를 토대로 보정된 다음, 역기구학연산유닛(65)으로 입력된다. 상기 목표바디가속도는 목표바디위치를 두 번 미분하여 결정된다. 상기 실제바디가속도는 가속도센서(12)에 의해 검출된다.
상기 저장유닛(50)에 저장된 목표바디자세각도는 마찬가지로 역기구학연산유닛(65)으로 입력된다. 이와 동시에, 목표바디자세각도와 실제바디자세각도간의 편차(바디자세각도편차)가 결정된다. 상기 바디자세각도편차는 바로세움제어유닛(62)으로 입력되는데, 여기서 바디자세각도편차를 줄이기 위한 방향으로 바디가 회전될 바디보정각도가 산출된다. 상기 실제바디자세각도는 자세각도센서(14)에 의해 검출된다.
상기 저장유닛(50)에 저장된 목표풋자세각도와 실제풋자세각도간의 편차(풋 자세각도편차)가 그 후에 결정된다. 상기 실제풋자세각도는 거리센서선택유닛(63)에 의해 선택된 거리센서(16)에 의하여 검출된다. 상기 풋자세각도편차는 그 후에 전술된 바디보정각도에 더해져, 이 가산 결과가 정렬제어유닛(61)으로 입력된다. 상기 정렬제어유닛(61)은 입력 각도(바디보정각도를 풋자세각도편차에 더하여 얻어지는 각도)를 줄이기 위한 방향으로 풋이 회전될 풋보정각도를 결정한다. 상기 저장유닛(50)에 저장된 목표풋자세각도는 그 후에 (풋보정각도에 의해 보정된) 풋보정각도에 가산되어, 그 결과가 역기구학연산유닛(65)으로 입력된다.
상술된 방식으로 보정된 보행 데이터는 역기구학연산유닛(65)으로 입력된다. 이 보행 데이터로부터, 역기구학연산유닛(65)은 역기구학연산수단에 의하여 레그부(20)의 각 조인트의 목표 조인트 각도를 산출한다. 여기서, 각각의 목표값들은 절대좌표계에 관한 값들로 표시된다. 상기 역기구학연산유닛(65)은 목표풋위치와 목표바디위치간의 차이로부터 풋과 바디의 상대적인 위치들을 산출하고, (풋보정각도에 의해 보정된) 목표풋자세각도와 목표바디자세각도간의 차이로부터 풋과 바디의 상대적인 회전각도들을 산출한다. 상기 산출된 상대적인 위치들과 상대적인 회전각도들을 실현하기 위한 목표조인트각도들이 그 후에 산출된다.
상기 모터구동유닛(70)은 연산처리유닛(60)에 의해 전달된 목표조인트각도신호를 토대로 레그부(20)를 구동시키기 위한 각각의 모터의 구동량을 특정하고, 상기 구동량에 의해 모터를 구동하기 위한 모터구동신호를 각각의 모터에 전달한다. 그 결과, 레그부(20)의 각 조인트의 구동량이 수정되므로, 상기 로봇(100)의 움직임이 제어되게 된다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 제1실시예에 따른 로봇(100)에 의해 수행되는 제어 처리를 설명하기로 한다. 도 4는 제어 처리의 개요를 예시하는 플로우차트이다. 도 4에 도시된 제어 처리 시, 로봇(100)의 풋링크(26)의 일부분은 고르지 않은 지면 상의 장애물(B)과 접촉하게 된다고 가정한다. 도 5는 로봇(100)의 풋링크(26)의 일부분이 장애물(B)과 접촉하게 되는 상태를 예시한 도면이다. 도 5는 바디(10)와 레그부(20)를 구비한 각식 로봇(100)을 도시한 개략적인 측면도이다. 도 5는 로봇(100)의 레그부(20)와 바디(10)만을 도시하고 있고, 다른 레그부는 생략되었다는 점에 유의한다. 상기 풋링크(26)에는 4개의 거리센서(16a, 16b, 16c, 16d)가 제공된다. 도 5에서는, 설명을 위하여 도면에 도시된 x축, y축 및 z축으로 구성된 절대좌표계가 사용된다.
도 5에서는, 로봇(100)에 실현될 전반적인 위치/자세가 파선으로 표시되어 있다. 상기 로봇(100)의 위치/자세는 파선으로 표시된 목표 위치/자세에서 로봇(100)을 설정하도록 화살표 C의 방향으로 제어된다. 우선, 낙하방향검출유닛은 자세각도센서(14)의 검출 결과를 토대로 로봇(100)의 낙하 방향을 검출한다(단계 S101). 상기 낙하방향검출유닛은 바디(10)의 자세편차, 바디(10)의 각속도 등으로부터 낙하 방향을 검출할 수 있다. 예컨대, 바디자세편차(즉, 목표자세에서 본 실제 자세)를 산출함으로써, 바디자세편차를 줄이기 위한 방향으로의 플로어 반동력 모멘트가 생성되므로, 풋링크(26)가 정렬될 방향이 결정될 수 있게 된다.
예컨대, 도 6a에 도시된 바와 같이, 로봇(100)의 실제 자세는 목표 자세에 대하여 기울어진 것으로 가정한다. 여기서, 지지레그에서 본 목표 자세에 대한 실 제 자세의 자세편차벡터(롤, 피치)는 (leg△roll, leg△pitch)로 설정된다. 그 후, 자세편차벡터 (leg△roll, leg△pitch)를 이용하여 하기 수학식을 풀어, 도 6b에 도시된 바와 같이, 자세편차각도 θ△가 결정된다. 자세편차각도 θ△가 사용되면, 낙하 방향은 θ△ - π/2로 표현될 수 있다. 도 6에 도시된 예시에서는, 바디(10)가 좌방 및 후방으로 기울어진 자세 편차로부터 검출될 수 있다(화살표 D). 따라서, 로봇(100)의 낙하 방향이 바디자세편차로부터 검출될 수 있게 된다.
Figure 112009058679941-pct00001
다음으로, 로봇(100)은 단계 S101에서 검출된 낙하 방향을 토대로 두 센서를 선택한다(단계 S102). 도 5에 도시된 바와 같이, 장애물(B)(돌출부)이 거리센서(16d)의 위치에 존재하는 경우를 생각해 보자. 이 경우, 거리센서(16a, 16b, 16c)는 낙하 방향을 토대로 선택된다고 가정하면, 거리센서들(16a, 16c) 가운데 출력값들이 돌출부(B)에 의해 야기되는 장애물로 인하여 동시에 0으로 설정될 수 없으므로, 발바닥이 노면과 정렬될 수 없게 된다. 이 경우, 두 센서(16b, 16c)는 초기에 낙하 방향을 토대로 선택되어, 적어도 상기 바디(10)의 경사의 보정을 가능하게 하는 플로어 반동력 모멘트가 생성될 수 있게 된다.
여기서, 도 7을 이용하여, 낙하 방향을 토대로 두 거리센서들을 선택하는 방 법을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 거리센서(16)를 선택하기 위한 상수 Θ1 내지 Θ4는 발바닥과 거리센서들(16)간의 위치 관계들로부터의 하기 수학식들을 토대로 사전에 미리 산출된다. 여기서, Xt는 풋링크(26)에 제공되는 거리센서(16d, 16c)간의 거리(거리센서(16a, 16b)간의 거리)이고, Yt는 거리센서(16b, 16c)간의 거리(거리센서(16a, 16d)간의 거리)이다. 상수 Θ1 내지 Θ4는 atan2 함수를 이용하여 -π ~ π의 범위 내에서 결정된다는 점에 유의한다.
Figure 112009058679941-pct00002
두 거리센서들은 그 후에 수학식 2에서 산출된 상수 Θ1 내지 Θ4 및 수학식 1에서 산출된 자세편차각도 θ△를 이용하여 하기 방식으로 선택된다. Θ4 ≤ θ△ - π/2 ≤ Θ1 (즉, Θ4 + π/2 ≤ θ△ ≤ Θ1 + π/2)가 성립하면, 두 거리센서로서 거리센서(16a, 16d)가 선택되고 활성화된다. 여기서, 선택되지 않은 거리센서는 16b, 16c 이고, 후술하는 바와 같이 이들 나머지 거리센서들로부터 1이상의 거리센서가 선택된다. Θ3 ≤ θ△ - π/2 ≤ Θ4 (즉, Θ3 + π/2 ≤ θ△ ≤ Θ4 + π/2)가 성립하면, 두 거리센서로서 거리센서(16c, 16d)가 선택되고 활성화된다. 여기서, 선택되지 않은 거리센서는 16a, 16b 이고, 후술하는 바와 같이 이들 나머지 거리센서들로부터 1이상의 거리센서가 선택된다. Θ2 ≤ θ△ - π/2 ≤ Θ3 (즉, Θ2 + π/2 ≤ θ△ ≤ Θ3 + π/2)가 성립하면, 두 거리센서로서 거리센서(16b, 16c)가 선택되고 활성화된다. 여기서, 선택되지 않은 거리센서는 16a, 16d 이고, 후술하는 바와 같이 이들 나머지 거리센서들로부터 1이상의 거리센서가 선택된다. Θ1 ≤ θ△ - π/2 ≤ π/2 또는 -3π/2 ≤ θ△ - π/2 ≤ Θ2 (즉, Θ1 + π/2 ≤ θ△ ≤ π 또는 -π ≤ θ△ ≤ Θ2 + π/2)가 성립하는 경우에는, 두 거리센서로서 거리센서(16a, 16b)가 선택되고 활성화된다. 여기서, 상기 선택되지 않은 거리센서는 16c, 16d 이고, 이들 나머지 거리센서들로부터 1이상의 거리센서가 선택되게 된다.
도 7에서, 낙하 방향 D는, 예컨대 자세편차각도 θ△를 이용하여, 자세편차벡터(V)로부터 검출된다. 도면에서, 자세편차각도 θ△는 Θ2 ≤ θ△ - π/2 ≤ Θ3 (즉, Θ2 + π/2 ≤ θ△ ≤ Θ3 + π/2)를 만족하므로, 두 거리센서들로서 거리센서(16b, 16c)가 선택되고 활성화된다. 이러한 방식으로 거리센서들을 선택함으로써, 바디(10)의 경사를 보정하기 위한 플로어 반동력 모멘트의 효과적인 획득을 가능하게 하는 두 거리센서(16)가 낙하 방향 D를 토대로 선택될 수 있다. 실제 구현 시, 히스테리시스(hysteresis) 특성이 포함될 수도 있다는 점에 유의한다. 이렇게 함으로써, 자세편차벡터가 제로에 근접할 때 발생하는 채터링이 방지될 수 있게 된 다.
다음으로, 발바닥과 노면간의 거리가 단계 S102에서 선택되지 않은 나머지 두 거리센서(16)로부터 최소인 거리센서(16)를 선택한다(단계 S103). 단계 S102에서, 두 거리센서는 4개의 거리센서(16)로부터 선택된다. 단계 S103에서는, 측정 높이, 즉 거리센서(16)의 출력값을 토대로 단계 S102에서 선택되지 않은 나머지 두 거리센서(16)로부터 하나의 거리센서가 선택된다. 측정 높이가 최소인 거리센서(16)는 돌출부측에 위치하는 거리센서인 것으로 가정한다. 그러므로, 측정 높이가 최소인 거리센서(16)를 선택 및 활성화함으로써, 풋링크(26)가 노면의 불규칙성에 관계없이 안정화되어 노면과 정렬하도록 제어될 수 있게 된다. 실제 구현 시, 단계 S102에서의 거리센서(16)의 선택과 유사하게 히스테리시스 특성이 포함될 수도 있다는 점에 유의한다.
다음으로, 로봇(100)은 풋편차(롤, 피치, z), 즉 단계 S102 및 S103에서 선택된 3개의 거리센서(16)로부터, 발바닥과 노면간의 편차를 산출한다(단계 S104). 여기서, 풋링크(26)의 실제 위치/자세와 목표 위치/자세간의 풋편차(롤, 피치, z)는 (△φ, △θ, △z)로 설정된다. z는 수직방향의 측정 높이를 나타낸다는 점에 유의한다. 예를 들어, 3개의 거리센서(16a, 16b, 16c)가 선택되는 경우, 풋편차는 하기 변환식을 이용하여 연산될 수 있다. 하기 수학식에 도시된 변환 행렬에 따르면, 거리센서(16)의 배치 위치들과 발바닥간의 기하학적 관계로부터의 근사값을 이용하여 각각의 거리센서(16)의 편차들에 대응하는 3행, 4열 변환 행렬 및 각각의 거리센서(16a 내지 16d)의 출력값들에서의 편차(△z1, △z2, △z3, △z4)들로부터 풋편차가 균등하게 결정될 수 있다. 변환 행렬의 각 요소의 값은 선택된 거리센서(16)에 따라 다르다는 점에 유의한다.
Figure 112009058679941-pct00003
다음으로, 로봇(100)은 단계 S104에서 연산된 풋편차를 이용하여 보행 데이터를 실제로 보정하기 위한 풋보정량을 산출한다(단계 S105). 상기 풋보정량은 입력으로서 풋편차 그리고 출력으로서 풋보정량을 갖는 전달함수를 통해 산출될 수 있다. 도 8은 입력으로서 풋편차를 출력으로서 풋보정량을 갖는 전달함수를 예시한 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 풋보정량(롤)에 대해서는, 롤편차 △φ가 전달함수 Cφ(s)를 통과한다. 풋보정량(피치)에 대해서는, 피치편차 △θ가 전달함수 Cθ(s)를 통과한다. 풋보정량(z)에 대해서는, z편차 △z가 전달함수 Cz(s)를 통과한다. 풋편차가 불연속하게 되도록 채택된 거리센서들이 스위칭되는 경우, 이들 전달함수는 고주파 이득이 감소되는 특성을 가질 수도 있다는 점에 유의한다.
다음으로, 상기 로봇(100)은 단계 S105에서 산출된 풋보정량을 실현하도록 보행 데이터를 보정한다(단계 S106). 연산이 계속되어야 하는 경우, 로봇(100)은 단계 S101로 리턴하고, 처리를 계속하며, 연산이 종료되어야 하는 경우에는, 로 봇(100)이 상기 처리를 종료한다.
상술된 바와 같이, 로봇(100)의 낙하 방향을 검출하여, 이 검출 결과를 토대로 목표값을 얻기 위하여 3개의 발바닥 거리센서(16)를 선택함으로써, 발바닥과 노면간의 접촉이 유지될 수 있는 한편, 상기 로봇(100)의 트렁크(바디(10))를 바로 세우기 위한 플로우 반동력 모멘트를 효과적으로 얻을 수 있게 된다. 이에 따라, 지지레그를 플로우면과 근접시켜 유지하면서 발바닥으로부터 플로우 반동력 모멘트를 획득함으로써, 로봇(100)의 트렁크를 바로 세우기 위한 안정화 제어가 용이하게 실행될 수 있고, 그 결과 로봇(100)이 넘어지지 않으면서도 고르지 않은 지면 위로 걸을 수 있게 된다.
다음으로, 도 9 내지 도 11를 참조하여, 제1실시예에 따른 로봇(100)의 워킹 동작 시에 수행되는 제어 처리를 설명하기로 한다. 도 9는 로봇(100)이 워킹 동작 시에 워킹동작패턴에 따라 활성화된 거리센서들의 수를 수정하는 방식을 예시한 도면이다. 도 10은 로봇(100)의 레그부(20)가 지지레그상태에 있을 때 수행되는 제어 처리의 개요를 예시한 플로우차트이다. 도 11은 로봇(100)의 레그부(20)가 상승레그상태에 있을 때 수행되는 제어 처리의 개요를 예시한 플로우차트이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 로봇(100)은 워킹동작패턴을 따라, 풋링크(26)에 배치된 거리센서들 가운데 활성화된 거리센서들의 수를 수정한다. 상기 로봇(100)은 레그부(20)가 지지레그로서의 역할을 하는 워킹동작패턴과 레그부(20)가 상승레그로서의 역할을 하는 워킹동작패턴간에 식별가능하게 된다. 상기 로봇(100)은 또한 예컨대 거리센서(16)들의 출력값으로부터 또는 보행 데이터를 토대 로 지지레그가 완전히 접지되었는 지의 여부와 상승레그가 완전히 상승되었는 지의 여부를 검출하도록 구성될 수도 있다.
일 례로서, 레그부(20)가 지지레그상태에 있을 때에는, 풋링크(26)에 배치되는 3개의 거리센서들이 활성화된다(도 9에서는, 예컨대 좌측 레그부(20L)가 지지레그상태에 있을 때, 좌측 풋거리센서(16L)에 대하여 t2에서 t3까지 연장되는 부분). 다른 례로서, 레그부(20)가 상승레그상태에 있을 때, 모든 거리센서(도면에서는 4개의 거리센서)가 활성화된다(도 9에서는, 예컨대 우측 레그부(20R)가 상승레그상태에 있을 때, 우측 풋거리센서(16R)에 대하여 t2에서 t3까지 연장되는 부분). 레그부(20)가 지지레그상태로부터 상승레그상태로 이동하는 동안, 최소 필요한 개수의 거리센서들이 활성화되고, 발바닥이 완전히 지면을 떠나 상승레그상태에 들어간 후, 모든 거리센서들이 활성화된다(도 9에서는, 예컨대 좌측 레그부(20L)가 지지레그상태에 있을 때, 좌측 풋거리센서(16L)에 대하여 t3에서 t4까지 연장되는 부분). 레그부(20)가 상승레그상태로부터 지지레그상태로 이동하는 동안에는, 모든 거리센서들이 활성화되고, 일단 발바닥이 완전히 접지되어 지지레그상태에 들어가면, 최소 필요 개수의 거리센서(도면에서는 3개의 거리센서)들이 활성화된다(도 9에서는, 예컨대 우측 레그부(20R)가 상승레그상태에 있을 때, 우측 풋거리센서(16R)에 대하여 t3에서 t4까지 연장되는 부분). 여기서, 시점 t2 및 t6은 앞서 지지레그로서의 역할을 하는 우측 레그부(20R)가 완전히 지면을 떠나 있고, 앞서 상승레그로서의 역 할을 하는 좌측 레그부(20L)가 완전히 접지된 시점을 나타낸다. 시점 t4 및 t8은 앞서 상승레그로서의 역할을 하는 우측 레그부(20R)가 완전히 접지해 있으며, 앞서 지지레그로서의 역할을 하는 좌측 레그부(20L)가 완전히 지면을 떠난 시점을 나타낸다.
이하, 로봇(100)의 레그부(20)가 지지레그상태에 있을 때 수행되는 제어 처리를 도 10에 도시된 플로우차트를 이용하여 설명하기로 한다. 우선, 로봇(100)의 워킹 동작 시에 수행되는 레그부(20) 중 하나를 상승레그상태로부터 지지레그상태로 이동시키기 위한 처리에 이어 레그부(20)가 완전히 접지되었는 지의 여부가 판정된다(단계 S201). 판정 결과가 레그부(20)가 완전히 접지된 것으로 나타나면(즉, 레그부(20)가 지지레그상태에 있는 경우), 3개의 거리센서(16)가 상술된 바와 같이 선택된다. 다시 말해, 로봇(100)의 낙하 방향이 검출된다(단계 S202). 다음으로, 두 거리센서(16)가 낙하 방향을 토대로 선택된다(단계 S203). 다음으로, 나머지 거리센서(16) 중 하나가 발바닥과 노면간의 거리를 토대로 선택된다(단계 S204). 다음으로, 노면으로부터의 풋편차가 3개의 선택된 거리센서(16)로부터 산출된다(단계 S205).
다른 한편으로, 단계 S201의 판정 결과가 레그부(20)가 완전히 접지하지 않은 것으로 나타나면(즉, 레그부(20)가 아직 지지레그상태에 있지 않은 경우), 모든 거리센서(16)가 활성화되고, 노면으로부터의 풋편차가 모든 거리센서(16)로부터 산출된다(단계 S206). 예컨대, 4개의 모든 거리센서(16a, 16b, 16c, 16d)가 활성화되 면, 풋편차는 하기 변환식을 이용하여 산출될 수 있다.
Figure 112009058679941-pct00004
다음으로, 보행 데이터를 실제로 보정하기 위한 풋보정량은 단계 S205 또는 S206에서 산출된 풋편차를 이용하여 산출된다(단계 S207). 그 후, 상기 로봇(100)은 단계 S207에서 산출된 풋보정량을 실현하도록 보행 데이터를 보정한다(단계 S208). 동작이 계속되어야 하는 경우, 상기 로봇(100)은 그 후에 단계 S201로 리턴하고, 상기 처리를 계속하며, 상기 동작이 종료되어야 하는 경우에는, 상기 로봇(100)이 처리를 종료한다.
풋링크(26)가 노면 상에 완전히 접지될 때까지 모든 센서들을 활성화시킴으로써, 상기 풋링크(26)는 노면과 신속하게 정렬될 수 있다. 그 결과, 접지 시에 외부 외란이 효과적으로 억제될 수 있게 된다.
다음으로, 로봇(100)의 레그부(20)가 상승레그상태에 있을 때 수행되는 제어 처리를 도 11에 도시된 플로우차트를 이용하여 설명하기로 한다. 우선, 로봇(100)의 워킹 동작 시에 수행되는 레그부(20) 중 하나를 지지레그상태로부터 상승레그상태로 이동시키기 위한 처리에 이어 레그부(20)가 완전히 지면에서 떠났는 지의 여부가 판정된다(단계 S301). 판정 결과가 레그부(20)가 완전히 지면에서 떠난 것으로 나타나면(즉, 레그부(20)가 상승레그상태에 있는 경우), 모든 거리센서(16)가 활성화되고, 노면으로부터의 풋편차는 상술된 바와 같이 모든 거리센서(16)로부터 산출된다(단계 S302).
다른 한편으로, 단계 S301의 판정 결과가 레그부(20)가 지면에서 완전히 떠나지 않은 것으로 나타난다면(즉, 레그부(20)가 아직 상승레그상태에 있지 않은 경우), 상술된 바와 같이 3개의 거리센서(16)가 선택된다. 다시 말해, 로봇(100)의 낙하 방향이 검출된다(단계 S303). 다음으로, 두 거리센서(16)는 낙하 방향을 토대로 선택된다(단계 S304). 다음으로, 나머지 거리센서(16) 중 하나는 발바닥과 노면간의 거리를 토대로 선택된다(단계 S305). 다음으로, 노면으로부터의 풋편차는 선택된 3개의 거리센서(16)로부터 산출된다(단계 S306).
다음으로, 보행 데이터를 실제로 보정하기 위한 풋보정량은 단계 S302 또는 S306에서 산출된 풋편차를 이용하여 산출된다(단계 S307). 상기 로봇(100)은 그 후에 단계 S307에서 산출된 풋보정량을 실현하도록 보행 데이터를 보정한다(단계 S308). 동작이 계속되어야 하는 경우, 로봇(100)은 그 후에 단계 S301로 리턴하고, 상기 처리를 계속하며, 상기 동작이 종료되어야 하는 경우, 상기 로봇(100)이 처리를 종료한다.
상승레그가 지면을 완전히 떠날 때까지, 발바닥과 노면이 접촉된 상태로 남아 있으므로, 이러한 방식으로 3개의 거리센서(16)를 선택 및 활성화함으로써, 지지레그의 보정량이 유지된다. 또한, 모든 거리센서를 선택 및 활성화시킴으로써, 일단 상승레그가 지면을 완전히 떠나면, 노면과 접촉한 후에도 노면을 신속하게 피하는 방향으로 상승레그가 정렬될 수 있다.
상술된 제1실시예에서는, 4개의 거리센서(16)가 풋링크(26)에 제공되는 경우, 낙하 방향을 토대로 3개의 거리센서(16)를 선택하도록 처리가 수행된다. 하지만, 본 발명이 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니며, 낙하 방향을 토대로 풋링크(26)에 제공되는 3이상의 거리센서로부터 3개의 거리센서가 선택될 수도 있다. 제2실시예에 따른 로봇(100)의 구성예는, 상기 풋링크(26)에 제공된 거리센서(16)의 형태 및 상기 풋링크(26)의 구성을 제외하고는, 본 발명의 제1실시예와 동일하다는 점에 유의한다.
도 12는 제2실시예에 따른 로봇(100) 상의 풋링크(26)의 구성예를 예시한 도면이다. 상기 풋링크(26)는 토우부(26a)와 토우조인트(27)를 거쳐 상기 토우부(26a)에 연결된 힐부(26b)를 포함한다. 로봇(100)의 워킹 동작 시 토우조인트(27)를 구동시킴으로써, 상기 힐부(26b)는 토우부(26a)를 노면과 접촉시켜 유지하면서 상승될 수 있다. 다시 말해, 상기 로봇(100)은 힐부(26b)가 상승되면서 토우부(26a)만을 접지시켜 직립하는 것이 가능하다.
도 12에 도시된 바와 같이, 상기 토우부(26a)와 힐부(26b)는 상부면에서 볼 때 실질적으로 직사각형을 취한다. 4개의 거리센서(16a, 16b, 16c, 16d)는 토우부(26a)의 네 코너 부근에 각각 제공된다. 여기서, 두 거리센서(16a, 16d)는 토우부(26a)의 토우측에 제공되는 한편, 두 거리센서(16b, 16c)는 힐부방향측에 제공된다. 거리센서(16a, 16d)는 토우부(26a)의 전방 소정의 위치에서 발바닥면과 접지면(S)간의 거리를 검출하는 한편, 거리센서(16b, 16c)는 토우부(26a)의 후방 소정의 위치에서 발바닥면과 접지면(S)간의 거리를 검출한다. 상기 토우부측의 반대쪽 두 코너에서는 힐부(26b) 상에 두 거리센서(16e, 16f)가 제공된다. 상기 거리센서(16e, 16f)는 힐부(26b)의 후방 소정의 위치에서 발바닥면과 접지면(S)간의 거리를 검출한다. 따라서, 상기 접지면(S)에 대한 풋링크(26)의 발바닥면의 기울기는 거리센서(16a, 16d)에 의해 검출되는 거리들과 거리센서(16b, 16c)에 의해 검출되는 거리들 및 거리센서(16e, 16f)에 의해 검출되는 거리들간의 차이들로부터 결정될 수 있게 된다.
토우조인트(27)가 구동되어 토우부(26a)와 힐부(26b)를 노면과 정렬시키는 경우, 제2실시예에 따른 로봇(100)은 로봇(100)의 낙하 방향을 토대로 토우부(26a) 상에 배치된 거리센서(16)들 가운데 3개의 거리센서(16)를 선택하고, 힐부(26b)와 노면간의 거리를 토대로 상기 노면에 대한 거리와 정렬하도록 상기 힐부(26b) 상에 배치된 거리센서(16)들 가운데 하나의 거리센서(16)를 선택한다.
다음으로, 도 13 내지 도 17을 참조하여, 제2실시예에 따른 로봇(100)의 워킹 동작 시에 수행되는 제어 처리를 설명하기로 한다. 도 13은 상기 로봇(100)이 워킹 동작 시 워킹동작패턴에 따라 활성화된 거리센서들의 수를 수정하는 방식을 예시한 도면이다. 도 14는 로봇(100)의 레그부(20)가 지지레그상태에 있을 때 수행되는 제어 처리의 개요를 예시한 플로우차트이다. 도 15는 상기 로봇(100) 상의 풋링크(26)의 토우부(26a)의 일부분이 장애물(B)과 접촉하게 되는 상태를 예시한 도면이다. 도 16은 제2실시예에 따른 전달 기능들을 예시한 도면이다. 도 17은 로봇(100)의 레그부(20)가 상승레그상태에 있을 때에 수행되는 제어 처리의 개요를 도시한 플로우차트이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 상기 로봇(100)은 워킹동작패턴에 따라, 풋링크(26) 상에 배치된 거리센서들 가운데 활성화된 거리센서들의 수를 수정한다. 상기 로봇(100)은 레그부(20)가 지지레그로서의 역할을 하는 워킹동작패턴과 레그부(20)가 상승레그로서의 역할을 하는 워킹동작패턴간에 식별가능하게 된다. 상기 로봇(100)은 또한 예컨대 거리센서(16)들의 출력값으로부터 또는 보행 데이터를 토대로 지지레그가 완전히 접지되었는 지의 여부와 상승레그가 완전히 상승되었는 지의 여부를 검출하도록 구성될 수도 있다.
일 례로서, 레그부(20)가 지지레그상태에 있을 때에는, 토우부(26a)에 배치되는 3개의 거리센서들이 활성화된다(도 13에서는, 예컨대 좌측 레그부(20L)가 지지레그상태에 있을 때, 좌측 풋거리센서(16L)에 대하여 t3에서 t5까지부터 연장되는 부분). 하지만, 힐부(26b)가 토우부(26a) 이외에 노면과 접촉하게 되는 경우에는, 상기 토우부(26a) 상에 배치된 3개의 거리센서가 선택되고, 상기 힐부(26b) 상에 배치된 하나의 거리센서(16)는 4개의 거리센서(16) 전체가 활성화되도록 선택된다는 점에 유의한다(도 13에서는, 예컨대 좌측 풋거리센서(16L)에 대하여 t2에서 t3까지 연장되는 부분). 전체 풋링크(26)가 노면 상에 완전히 접지되어, 레그부(20)가 지지레그상태에 들어가게 될 때까지, 모든 거리센서(16)(도면에서는 6개의 거리센서)가 활성화된다(도 13에서는, 예컨대 상기 좌측 풋거리센서(16L)에 대하여 t1에서 t2까지 연장되는 부분).
일 례로서, 레그부(20)가 상승레그상태에 있는 경우에는, 모든 거리센 서(16)(도면에서는 6개의 거리센서)들이 활성화된다(도 13에서는, 예컨대 우측 레그부(20R)가 상승레그상태에 있을 때, 우측 풋거리센서(16R)에 대하여 t2에서 t5까지 연장되는 부분). 하지만, 토우부(26a)와 힐부(26b) 양자 모두가 노면과 접촉하게 되는 경우에는, 상기 토우부(26a) 상에 배치된 3개의 거리센서가 선택되고, 상기 힐부(26b) 상에 배치된 하나의 거리센서(16)는 4개의 거리센서(16) 전체가 활성화되도록 선택된다는 점에 유의한다(도 13에서는, 예컨대 우측 풋거리센서(16R)에 대하여 t5에서 t6까지 연장되는 부분). 상기 토우부(26a)가 노면과 접촉하게 되고 상기 힐부(26b)가 상승되는 경우, 토우부(26a) 상에 배치된 3개의 거리센서들이 활성화된다(도 13에서는, 예컨대 우측 풋거리센서(16R)에 대하여 t6에서 t8까지 연장되는 부분).
이에 따라, 레그부(20)가 상승레그상태에서 지지레그상태로 이동하는 동안, 모든 거리센서들이 초기에 활성화되어, 활성화된 거리센서들의 수가 단계식으로 줄어들게 된다. 일단 발바닥이 완전히 접지되어, 지지레그상태로 들어가게 되면, 최소 필요 개수의 거리센서(도면에서는 3개의 거리센서)들이 활성화된다(도 13에서는, 예컨대 우측 풋거리센서(16R)에 대하여 t2에서 t8까지, 즉 우측 레그부(20R)가 상승레그상태로부터 노면 상에 완전히 접지되어 지지레그상태로 들어가게 되는 기간으로부터 연장되는 부분).
시점 t2 및 t8은 앞서 지지레그로서의 역할을 하는 우측 레그부(20R)가 완전히 지면을 떠나 있고, 앞서 상승레그로서의 역할을 하는 좌측 레그부(20L)가 완전히 접지된 시점을 나타낸다는 점에 유의한다. 시점 t5는 앞서 상승레그로서의 역할을 하는 우측 레그부(20R)가 완전히 접지되어 있고, 앞서 지지레그로서의 역할을 하는 좌측 레그부(20L)가 지면에서 완전히 떠난 시점을 나타낸다. 시점 t3 및 t5는 앞서 지지레그로서의 역할을 하는 레그부(20)의 힐부(26b)가 완전히 지면을 떠난 시점을 나타낸다.
이하, 로봇(100)의 레그부(20)가 지지레그상태에 있을 때 수행되는 제어 처리를 도 14에 도시된 플로우차트를 이용하여 설명하기로 한다. 도 14에 도시된 제어 처리 시, 로봇(100)의 풋링크(26)의 일부분은 고르지 않은 지면 상의 장애물(B)과 접촉하게 된다고 가정한다. 도 15는 로봇(100)의 토우부(26a)의 일부분이 장애물(B)과 접촉하게 되는 상태를 예시한 도면이다. 도 15에서, 로봇(100)에 의해 실현될 전반적인 위치/자세는 파선으로 표시되어 있다. 상기 로봇(100)은 파선으로 표시된 목표 위치/자세를 실현하도록 화살표 C의 방향으로 그 위치/자세를 제어한다.
우선, 로봇(100)의 워킹 동작 시에 수행되는, 레그부(20) 중 하나를 상승레그상태로부터 지지레그상태로 이동시키기 위한 처리에 이어 레그부(20)가 완전히 접지되었는 지의 여부가 판정된다(단계 S401). 판정 결과가 레그부(20)가 완전히 접지된 것으로 나타나면(즉, 레그부(20)가 지지레그상태에 있는 경우), 3개의 거리센서(16)가 상술된 바와 같이 토우부(26a) 상에 배치된 4개의 거리센서(16)로부터 선택된다. 다시 말해, 로봇(100)의 낙하 방향이 검출된다(단계 S402). 다음으로, 두 거리센서(16)가 낙하 방향을 토대로 토우부(26a) 상에 배치된 4개의 거리센서(16)로부터 선택된다(단계 S403). 다음으로, 하나의 거리센서(16)가 발바닥과 노면간의 거리를 토대로 토우부(26a) 상에 배치된 나머지 거리센서(16)로부터 선택된다(단계 S404). 낙하 방향을 토대로 토우부(26a) 상에 배치된 4개의 거리센서(16)로부터 3개의 거리센서(16)를 선택하는 방법은 제1실시예에서의 풋링크(26) 상에 배치된 4개의 거리센서(16)로부터 3개의 거리센서(16)를 선택하는 방법과 유사하므로, 이 방법의 상세한 설명은 생략하기로 한다는 점에 유의한다.
다음으로, 힐부(26b)가 상승하였는 지의 여부, 즉 노면과 접촉하지 않았는 지의 여부가 판정된다(단계 S405). 판정 결과가 힐부(26b)가 상승된 것으로, 즉 노면과 접촉하지 않은 것으로 나타나면(토우부(26a)만이 노면과 접촉하게 되어, 로봇(100)이 발끝으로 서 있는 경우), 상기 노면으로부터의 풋편차는 단계 S403 및 S404에서 선택된 3개의 거리센서(16)로부터 산출된다(단계 S406). 이에 따라, 토우부(26a)의 목표 위치/자세와 실제 위치/자세간의 풋편차(롤, 피치, z)가 (△φ, △θ, △z)로 설정된다. z는 수직방향의 측정 높이를 나타낸다는 점에 유의한다. 예를 들어, 3개의 거리센서(16a, 16b, 16c)가 선택되는 경우에는, 풋편차가 하기 변환식을 이용하여 연산될 수 있다. 하기 수학식에 도시된 변환 행렬에 따르면, 거리센서(16)의 배치 위치들과 발바닥간의 기하학적 관계로부터의 근사값을 이용하여 각각의 거리센서(16)의 편차들에 대응하는 3행, 4열 변환 행렬 및 각각의 거리센 서(16)의 출력값들에서의 편차(△z1, △z2, △z3, △z4)들로부터 풋편차가 균등하게 결정될 수 있다. 변환 행렬의 각 요소의 값은 선택된 거리센서에 따라 다르다는 점에 유의한다.
Figure 112009058679941-pct00005
다른 한편으로, 판정 결과가 힐부(26b)가 접지된 것으로, 즉 노면과 접촉된 것으로 나타나면(토우부(26a)와 힐부(26b)가 모두 노면과 접촉된 상태), 우선 하나의 거리센서(16)가 발바닥과 노면간의 거리를 토대로 힐부(26b) 상에 배치된 2개의 거리센서(16)로부터 선택된다(단계 S407). 보다 상세하게는, 측정 높이가 최소인 거리센서가 상기 힐부(26b) 상에 제공된 2개의 거리센서(16e, 16f)로부터 선택된다.
다음으로, 노면으로부터의 풋편차가 단계 S403, S404, S407에서 선택된 4개의 거리센서(16)로부터 산출된다(단계 S408). 여기서, 토우부(26a)의 목표 위치/자세와 실제 위치/자세간의 풋편차(롤, 피치, z, 토우)는 (△φ, △θ, △z, △θtoe)로 설정된다. △θtoe는 토우조인트(27)에 대한 토우부(26a)의 회전각도편차를 나타낸다는 점에 유의한다. 예를 들어, 3개의 거리센서(16a, 16b, 16c)가 토우부(26a)로부터 선택되고, 하나의 거리센서(16e)가 힐부(26b)로부터 선택되는 경우, 풋편차는 하기 변환식을 이용하여 연산될 수 있다. 하기 수학식에 도시된 변환 행렬에 따 르면, 거리센서(16)의 배치 위치들과 발바닥간의 기하학적 관계로부터의 근사값을 이용하여 각각의 거리센서(16)의 편차들에 대응하는 4행, 6열 변환 행렬 및 거리센서(16a 내지 16f)에 각각 대응하는 출력값들에서의 편차(△z1, △z2, △z3, △z4, △z5, △z6)들로부터 풋편차가 균등하게 결정될 수 있다. 변환 행렬의 각 요소의 값은 선택된 거리센서에 따라 다르다는 점에 유의한다.
Figure 112009058679941-pct00006
다른 한편으로, 단계 S401의 판정 결과가 레그부(20)가 완전히 접지되지 않은 것으로 나타나면(즉, 레그부(20)가 아직 지지레그상태에 있지 않다면), 상기 토우부(26a)와 힐부(26b) 상에 배치된 모든 거리센서(16)들이 활성화되고, 노면으로부터의 풋편차가 모든 거리센서(16)로부터 산출된다(단계 S409). 예컨대, 6개의 모든 거리센서(16a, 16b, 16c, 16d, 16e, 16f)가 활성화되면, 풋편차는 하기 변환식을 이용하여 산출될 수 있다.
Figure 112009058679941-pct00007
다음으로, 보행 데이터를 실제로 보정하기 위한 풋보정량은 단계 S406, S408 및 S409 중 여하한의 것에서 산출된 풋편차를 이용하여 산출된다(단계 S410). 상기 풋보정량은 예컨대 입력으로서 풋편차와 출력으로서 풋보정량을 갖는 전달함수를 통해 산출될 수 있다. 도 16은 입력으로서 풋편차와 출력으로서 풋보정량을 갖는 전달함수를 예시한 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 풋보정량(롤)에 대해서는, 롤편차 △φ가 전달함수 Cφ(s)를 통과한다. 풋보정량(피치)에 대해서는, 피치편차 △θ가 전달함수 Cθ(s)를 통과한다. 풋보정량(z)에 대해서는, z편차 △z가 전달함수 Cz(s)를 통과한다. 풋보정량(토우)에 대해서는, 토우편차 △θtoe가 전달함수 Cθtoe(s)를 통과한다. 풋편차가 불연속하게 되도록 채택된 거리센서들이 스위칭되는 경우, 이들 전달함수는 고주파 이득이 감소되는 특성을 갖는 것이 바람직하다는 점에 유의한다.
다음으로, 상기 로봇(100)은 단계 S410에서 산출된 풋보정량을 실현하도록 보행 데이터를 보정한다(단계 S411). 연산이 계속되어야 하는 경우, 로봇(100)은 그 후에 단계 S401로 리턴하고, 처리를 계속하며, 연산이 종료되어야 하는 경우에는, 로봇(100)이 상기 처리를 종료한다.
일 례로서, 레그부(20)가 지지레그상태에 있는 경우, 토우부(26a) 상에 배치된 3개의 거리센서들이 활성화된다. 힐부(26b)가 토우부(26a) 이외에 노면과 접촉하는 경우, 상기 토우부(26a) 상에 배치된 거리센서(16)들 가운데 3개의 거리센서가 선택되고, 상기 힐부(26b) 상에 배치된 거리센서(16)들 가운데 하나의 거리센 서(16)가 선택되어, 4개의 거리센서(16) 전체가 활성화되게 된다. 전체 풋링크(26)가 노면 상에 완전히 접지되어, 레그부(20)가 지지레그상태에 들어가게 될 때까지, 모든 거리센서(16)(도면에서는 6개의 거리센서)가 활성화된다. 풋링크(26)가 노면에 완전히 접지될 때까지 모든 센서들을 활성화시킴으로써, 풋링크(26)가 노면과 신속하게 정렬될 수 있게 된다. 그 결과, 접지 시의 외부 외란이 효과적으로 억제될 수 있게 된다.
다음으로, 로봇(100)의 레그부(20)가 상승레그상태에 있을 때 수행되는 제어 처리를 도 17에 도시된 플로우차트를 이용하여 설명하기로 한다. 우선, 로봇(100)의 워킹 동작 시에 수행되는, 레그부(20) 중 하나를 지지레그상태로부터 상승레그상태로 이동시키기 위한 처리에 이어 레그부(20)가 완전히 지면에서 떠났는 지의 여부가 판정된다(단계 S501). 판정 결과가 레그부(20)가 완전히 지면에서 떠난 것으로 나타나면(즉, 레그부(20)가 상승레그상태에 있는 경우), 모든 거리센서(16)가 활성화되고, 노면으로부터의 풋편차는 상술된 바와 같이 모든 거리센서(16)로부터 산출된다(단계 S502).
다른 한편으로, 단계 S501의 판정 결과가 레그부(20)가 지면에서 완전히 떠나지 않은 것으로 나타난다면(즉, 레그부(20)가 아직 상승레그상태에 있지 않은 경우), 상술된 바와 같이 토우부(26a) 상에 배치된 4개의 거리센서로부터 3개의 거리센서(16)가 선택된다. 다시 말해, 로봇(100)의 낙하 방향이 검출된다(단계 S503). 다음으로, 두 거리센서(16)가 낙하 방향을 토대로 토우부(26a) 상에 배치된 4개의 거리센서(16)로부터 선택된다(단계 S504). 다음으로, 하나의 거리센서(16)가 발바 닥과 노면간의 거리를 토대로 상기 토우부(26a) 상에 배치된 나머지 거리센서(16)로부터 선택된다(단계 S505). 낙하 방향을 토대로 토우부(26a) 상에 배치된 4개의 거리센서(16)로부터 3개의 거리센서(16)를 선택하는 방법은 제1실시예에서의 풋링크(26) 상에 배치된 4개의 거리센서(16)로부터 3개의 거리센서(16)를 선택하는 방법과 유사하므로, 이 방법의 상세한 설명은 생략하기로 한다는 점에 유의한다.
다음으로, 힐부(26b)가 상승하였는 지의 여부, 즉 노면과 접촉하지 않았는 지의 여부가 판정된다(단계 S506). 판정 결과가 힐부(26b)가 상승된 것으로, 즉 노면과 접촉하지 않은 것으로 나타나면(토우부(26a)만이 노면과 접촉하게 되어 로봇(100)이 발끝으로 서 있는 경우), 상기 노면으로부터의 풋편차는 단계 S504 및 S505에서 선택된 3개의 거리센서(16)로부터 산출된다(단계 S507).
다른 한편으로, 판정 결과가 힐부(26b)가 접지된 것으로, 즉 노면과 접촉된 것으로 나타나면(토우부(26a)와 힐부(26b)가 모두 노면과 접촉된 경우), 우선 하나의 거리센서(16)가 발바닥과 노면간의 거리를 토대로 힐부(26b) 상에 배치된 2개의 거리센서(16)로부터 선택된다(단계 S508). 보다 상세하게는, 측정 높이가 최소인 거리센서가 상기 힐부(26b) 상에 제공된 2개의 거리센서(16e, 16f)로부터 선택된다. 다음으로, 노면으로부터의 풋편차가 단계 S504, S505 및 S508에서 선택된 4개의 거리센서(16)로부터 산출된다(단계 S509).
다음으로, 보행 데이터를 실제로 보정하기 위한 풋보정량은 단계 S502, S507 및 S509 중 여하한의 것에서 산출된 풋편차를 이용하여 산출된다(단계 S510). 그 후, 상기 로봇(100)은 단계 S510에서 산출된 풋보정량을 실현하도록 보행 데이터를 보정한다(단계 S511). 연산이 계속되어야 하는 경우, 로봇(100)은 그 후에 단계 S501로 리턴하고, 처리를 계속하며, 연산이 종료되어야 하는 경우에는, 로봇(100)이 상기 처리를 종료한다.
상승레그가 지면을 완전히 떠날 때까지, 발바닥과 노면은 접촉된 상태로 남아 있으므로, 이러한 방식으로 3개의 거리센서를 선택 및 활성화시킴으로써, 지지레그의 보정량이 유지된다. 또한, 모든 거리센서들을 선택 및 활성화시킴으로써, 일단 상승레그가 지면을 완전히 떠나면, 노면과 접촉한 후에도 상기 노면으로부터 신속하게 피하는 방향으로 상승레그가 정렬될 수 있다.
상술된 바와 같이, 로봇(100)의 낙하 방향을 검출하고, 상기 검출 결과를 토대로 목표값을 얻기 위해 토우부(26a)로부터 3개의 발바닥 거리센서(16) 및 힐부(26b)로부터 하나의 거리센서(16)를 선택함으로써, 발바닥과 노면간의 접촉이 유지될 수 있는 한편, 로봇(100)의 트렁크(바디(10))를 바로 세우기 위한 플로우 반동력 모멘트를 효과적으로 얻을 수 있게 된다. 이에 따라, 상기 지지 레그를 플로어면과 근접하게 유지하면서 발바닥으로부터 플로어 반동력 모멘트를 수용함으로써, 상기 로봇(100)의 트렁크를 바로 세우기 위한 안정화 제어가 용이하게 실행될 수 있고, 그 결과 로봇(100)이 넘어지지 않으면서도 고르지 않은 지면 위로 걸을 수 있게 된다.
상술된 실시예들에서는, 로봇(100)이 2개의 레그를 가지지만, 본 발명이 이것으로 국한되는 것은 아니며, 풋부들이 레그들의 각 하단부 상에 제공되고, 3이상의 거리센서들이 상기 풋부들의 발바닥에 제공되는 2이상의 레그를 구비한 각식 로 봇에도 적용가능하다.
지금까지 본 발명을 그 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 상술된 실시예들 또는 구성예들로 제한되는 것은 아니라는 점을 이해하여야 한다. 이와는 반대로, 본 발명은 다양한 변형예들과 균등론 형태들을 커버하도록 의도되어 있다. 또한, 예시적인 실시예들의 각종 요소들이 다양한 조합예와 구성예들에 도시되어 있지만, 그 보다 많거나 적은 또는 단 하나의 요소만을 포함하는 여타의 조합예와 구성예들도 청구된 발명의 범위 내에 있다.

Claims (10)

  1. 각식 로봇(100)에 있어서,
    바디(10);
    상기 바디(10)에 연결되는 레그부(20);
    상기 레그부(20)의 하단부 상에 제공되는 풋부(26);
    상기 바디(10)의 낙하 방향을 검출하는 낙하방향검출유닛;
    보행 데이터를 토대로 상기 레그부(20)의 조인트의 구동을 제어하는 제어유닛(30); 및
    상기 풋부(26)의 발바닥과 노면간의 거리를 검출하는 거리검출유닛을 포함하여 이루어지고,
    상기 거리검출유닛은 상기 풋부(26)의 발바닥에 제공되는 4이상의 거리센서를 포함하며,
    상기 제어유닛(30)은 거리센서를 선택하기 위한 거리센서선택수단(63) 및 상기 거리센서선택수단(63)에 의해 선택된 상기 거리센서로부터의 검출 신호를 토대로 보행 데이터를 보정하기 위한 보행데이터보정수단(64)을 구비하고,
    상기 거리센서선택수단(63)은 상기 낙하방향검출유닛의 검출 결과를 토대로 상기 거리센서들 가운데 상기 낙하방향에 근접하게 위치하고 있는 제1거리센서와 제2거리센서를 선택하고,
    상기 거리센서선택수단(63)은 선택되지 않은 거리센서들 가운데 상기 풋부(26)의 발바닥과 노면 간의 거리가 최소인 제3거리센서를 선택하는 것을 특징으로 하는 각식 로봇.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛(30)은 상기 선택된 거리센서들 모두로부터의 검출 신호들을 토대로 상기 발바닥과 노면 간의 편차값을 산출하고, 상기 편차값을 이용하여 상기 보행 데이터를 보정하기 위한 풋보정량을 산출하는 것을 특징으로 하는 각식 로봇.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛(30)은 상기 레그부(20)의 워킹동작패턴이 지지레그워킹동작패턴인지 상승레그워킹동작패턴인 지의 여부를 판정하고,
    상기 거리센서선택수단(63)은 상기 레그부(20)의 워킹동작패턴이 상기 지지레그워킹동작패턴일 때에 상기 거리센서들 가운데 상기 제1 내지 제3거리센서를 선택하는 반면, 상기 레그부(20)의 워킹동작패턴이 상기 상승레그워킹동작패턴일 때에는 모든 거리센서들을 선택하는 것을 특징으로 하는 각식 로봇.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레그부(20)가 지지레그인 경우, 상기 제어유닛(30)은 상기 거리검출유닛으로부터의 출력신호를 토대로 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면 상에 완전히 접지하였는 지의 여부를 판정하고,
    상기 거리센서선택수단(63)은 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에 완전히 접지한 경우에 상기 낙하방향검출유닛의 검출 결과를 토대로 상기 거리센서들 가운데 3개의 거리센서를 선택하는 반면, 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에 완전히 접지하지 않은 경우에는 모든 거리센서들을 선택하는 것을 특징으로 하는 각식 로봇.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레그부(20)가 지지레그인 경우, 상기 제어유닛(30)은 상기 보행 데이터를 토대로 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면 상에 완전히 접지하였는 지의 여부를 판정하고,
    상기 거리센서선택수단(63)은 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에 완전히 접지한 경우에 상기 낙하방향검출유닛의 검출 결과를 토대로 상기 거리센서들 가운데 3개의 거리센서를 선택하는 반면, 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에 완전히 접지하지 않은 경우에는 모든 거리센서들을 선택하는 것을 특징으로 하는 각식 로봇.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 레그부(20)가 상승레그인 경우, 상기 제어유닛(30)은 상기 거리검출유닛의 출력신호를 토대로 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에서 완전히 올려졌는 지의 여부를 판정하고,
    상기 거리센서선택수단(63)은 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에서 완전히 올려지지 않은 경우에 상기 낙하방향검출유닛의 검출 결과를 토대로 상기 거리센서들 가운데 3개의 거리센서를 선택하는 반면, 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에서 완전히 올려진 경우에는 모든 거리센서들을 선택하는 것을 특징으로 하는 각식 로봇.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 레그부(20)가 상승레그인 경우, 상기 제어유닛(30)은 상기 보행 데이터를 토대로 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에서 완전히 올려졌는 지의 여부를 판정하고,
    상기 거리센서선택수단(63)은 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에서 완전히 올려지지 않은 경우에 상기 낙하방향검출유닛의 검출 결과를 토대로 상기 거리센서들 가운데 3개의 거리센서를 선택하는 반면, 상기 레그부(20)의 발바닥이 노면에서 완전히 올려진 경우에는 모든 거리센서들을 선택하는 것을 특징으로 하는 각식 로봇.
  10. 바디(10), 상기 바디(10)에 연결되는 레그부(20), 상기 레그부(20)의 하단부 상에 제공되는 풋부(26), 상기 바디(10)의 낙하 방향을 검출하는 낙하방향검출유닛, 및 상기 풋부(26)의 발바닥과 노면간의 거리를 검출하는 4이상의 거리센서를 포함하는 각식 로봇(100)의 제어방법에 있어서,
    상기 낙하방향검출유닛의 검출 결과를 토대로 상기 거리센서들 가운데 상기 낙하방향에 근접하게 위치하고 있는 제1거리센서와 제2거리센서를 선택하는 단계;
    상기 풋부(26)의 발바닥과 노면간의 거리를 토대로 선택되지 않은 거리센서들 가운데 상기 풋부(26)의 발바닥과 노면 간의 거리가 최소인 제3거리센서를 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 거리센서들로부터의 검출 신호들을 토대로 보행 데이터를 보정하여 상기 보행 데이터를 토대로 상기 레그부(20)의 조인트의 구동을 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 각식 로봇의 제어방법.
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