KR101288149B1 - Device and method for controlling the balance of biped walking robots - Google Patents
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Abstract
본 발명은 로봇의 균형 제어 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명은 로봇의 보행 패턴에 대한 명령을 수신하는 보행 명령 수신부; 상기 보행 패턴에 대한 명령을 이용하여 상기 로봇의 각 관절이 움직여야 하는 회전각의 시간 이력인 공칭각을 생성하는 경로 생성부; 상기 로봇의 발에 작용하는 힘/토크(Torque) 데이터를 이용하여 상기 로봇의 ZMP(Zero Moment Point)의 위치를 측정하고, 상기 ZMP 위치를 이용하여 상기 로봇의 골반 및 발목 관절의 회전하는 각도인 보정각을 생성하는 균형 제어부; 및 상기 공칭각 및 보정각을 이용하여 상기 로봇 관절의 움직임을 제어하는 관절 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 로봇에서 측정되는 ZMP 센서 데이터만을 이용하여 균형 제어를 정밀하게 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 로봇의 양발 지지 상태 및 한발 지지 상태의 경우 모두 동일한 균형 제어 기법이 적용된다는 장점이 있다.The present invention discloses an apparatus and method for balancing a robot. The present invention provides a walking command receiver for receiving a command for a walking pattern of a robot; A path generation unit configured to generate a nominal angle, which is a time history of a rotation angle at which each joint of the robot should move using a command for the walking pattern; The position of the robot's Zero Moment Point (ZMP) is measured using force / torque data acting on the robot's foot, and the rotation angle of the pelvis and ankle joint of the robot is measured using the ZMP position. A balance controller for generating a correction angle; And a joint controller for controlling the movement of the robot joint using the nominal angle and the correction angle. According to the present invention, the balance control can be precisely performed using only ZMP sensor data measured by the robot. In addition, there is an advantage that the same balance control technique is applied to both the robot's foot support state and the one-foot support state.
Description
본 발명의 실시예들은 로봇의 균형 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 힘/토크 센서에서 측정된 데이터를 이용하여 로봇의 균형 제어를 하는 균형 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. Embodiments of the present invention relate to a balance control device and method of the robot, and more particularly to a balance control device and method for controlling the balance of the robot using the data measured in the force / torque sensor.
보행로봇, 특히 인간형 로봇과 같이 다리수가 작은 이족 보행 로봇의 경우, 보행 중 안정성의 확보가 보행의 고속화를 위한 절대적 요건이다. 이를 위하여 기본적으로 매끄러운 보행 패턴을 사용하지만 그것만으로는 충분한 보행 속도를 갖기 어렵다. 일반적으로 로봇은 제작 공차로 인하여 무게 중심이 정 중앙이 아닌 좌/우 어느 한쪽으로 치우치게 되며, 보행 면조차도 지면의 불규칙성에 의하여 완벽한 수평면이 아니기 때문이다.In the case of biped walking robots with small legs, such as walking robots, especially humanoid robots, securing stability during walking is an absolute requirement for speeding up walking. For this purpose, a smooth walking pattern is basically used, but it is difficult to have sufficient walking speed alone. In general, the robot is biased toward the left / right side instead of the center due to manufacturing tolerances, and even the walking surface is not a perfect horizontal plane due to the irregularities of the ground.
이에 정지나 보행 특히 관성력이 상대적으로 크게 작용하는 동보행 중의 대형 로봇은 균형 즉 안전성을 잃고 흔들리기 쉬우며, 그 상태에서는 보행을 계속할 수 없다.Accordingly, large robots in motion walking, which are relatively large in stationary or walking, especially inertial forces, lose their balance, safety, and are easily shaken. In this state, they cannot continue walking.
따라서 보행속도를 제고하기 위해서는 로봇의 균형제어에 관한 연구가 요구된다. 공개논문 Loffler, K., Gienger, M., and Pfeiffer, F., 2003, "Sensor and Control Design of a Dynamically Stable Biped Robot" Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp.484~490 에서는 역진자 모델에 근거하고 복수종의 센서를 사용하는 방법을 제시하고 있다. 하지만 본 논문에 제시된 방법은 관절의 위치 제어를 위해 ZMP 센서용으로 사용되는 힘/토크 센서 외에 추가로 몸통의 방위 센서를 사용하여야 하므로 제어 방식이 복잡하다는 단점이 있다.Therefore, in order to improve the walking speed, research on the balance control of the robot is required. Publications Loffler, K., Gienger, M., and Pfeiffer, F., 2003, "Sensor and Control Design of a Dynamically Stable Biped Robot" Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp.484 ~ 490, shows how to use multiple sensors based on the inverted pendulum model. However, the method presented in this paper has the disadvantage that the control method is complicated because the body orientation sensor must be used in addition to the force / torque sensor used for the ZMP sensor to control the position of the joint.
공개논문 Kim, J.H and Oh, J.H., 2003, "Torque Feedback Control of the Humanoid Platform KHR-1," Proc. of the 3rd IEEE Int Conf. on Humanoid Robots 에서는 로봇 발목 아래의 3축 F/T 센서를 이용하여 균형 제어를 하는 방법을 제시하고 있다. 하지만 본 논문에서도 역시 역진자 모델에 근거한 까닭에 몸통의 방위에 관한 정보가 요구되며, 제시하는 균형 제어 방법에 있어서 로봇의 양발 지지와 한발 지지 상태의 균형 제어 알고리즘이 상이하고 제어 방식이 복잡한 문제점이 있었다.Publications Kim, JH and Oh, JH, 2003, "Torque Feedback Control of the Humanoid Platform KHR-1," Proc. of the 3 rd IEEE Int Conf. on Humanoid Robots proposes a balance control method using a 3-axis F / T sensor under the robot's ankle. However, this paper is also based on the inverted pendulum model, so the information on the bearing of the body is required. In the proposed balance control method, the balance control algorithms of the robot's foot support and foot support state are different and the control method is complicated. there was.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 ZMP 센서 데이터를 이용한 로봇의 균형 제어 방법 및 장치를 제안하고자 한다.In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention is to propose a method and apparatus for controlling the balance of the robot using the ZMP sensor data.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention may be derived by those skilled in the art through the following examples.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 로봇의 보행 패턴에 대한 명령을 수신하는 보행 명령 수신부;According to a preferred embodiment of the present invention to achieve the above object, a walking command receiving unit for receiving a command for the walking pattern of the robot;
상기 보행 패턴에 대한 명령을 이용하여 상기 로봇의 각 관절이 움직여야 하는 회전각의 시간 이력인 공칭각을 생성하는 경로 생성부;A path generation unit configured to generate a nominal angle, which is a time history of a rotation angle at which each joint of the robot should move using a command for the walking pattern;
상기 로봇의 발에 작용하는 힘/토크(Torque) 데이터를 이용하여 상기 로봇의 ZMP(Zero Moment Point)의 위치를 측정하고, 상기 ZMP 위치를 이용하여 상기 로봇의 골반 및 발목 관절의 회전하는 각도인 보정각을 생성하는 균형 제어부; 및The position of the robot's Zero Moment Point (ZMP) is measured using force / torque data acting on the robot's foot, and the rotation angle of the pelvis and ankle joint of the robot is measured using the ZMP position. A balance controller for generating a correction angle; And
상기 공칭각 및 상기 보정각을 이용하여 상기 로봇 관절의 움직임을 제어하는 관절 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 균형 제어 장치가 제공된다.And a joint control unit for controlling the movement of the robot joint using the nominal angle and the correction angle.
상기 경로 생성부는 역 기구학(inverse kinematics) 모델을 이용하여 상기 공칭각을 생성할 수 있다.The path generator may generate the nominal angle using an inverse kinematics model.
상기 힘/토크 데이터는 상기 로봇 발목의 아래에 설치된 F/T 센서를 이용하여 측정될 수 있다.The force / torque data may be measured using an F / T sensor installed under the robot ankle.
상기 균형 제어부에서 생성되는 상기 골반 및 상기 발목 관절의 보정각은 동일한 크기를 가지며, 서로 부호가 반대일 수 있다.Correction angles of the pelvis and the ankle joint generated by the balance controller may have the same magnitude and may be opposite in sign to each other.
상기 관절 제어부는 상기 로봇의 좌/우 방향 제어 시 상기 로봇의 골반 및 발목의 롤(roll) 방향 관절을 회전 시키며, 상기 로봇의 전/후 방향 제어 시 상기 로봇의 골반 및 발목의 피치(pitch) 방향 관절을 회전 시킬 수 있다.The joint controller rotates a roll direction joint of the pelvis and ankle of the robot when controlling the left / right direction of the robot, and a pitch of the pelvis and ankle of the robot when controlling the front / rear direction of the robot. You can rotate the directional joint.
상기 관절 제어부는 비례 미분(proportional derivative, PD) 제어를 이용하여 상기 로봇의 관절을 제어할 수 있다.The joint control unit may control the joint of the robot by using proportional derivative (PD) control.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 로봇의 보행 패턴에 대한 명령을 수신하는 단계; 상기 보행 패턴에 대한 명령을 이용하여 상기 로봇의 각 관절이 움직여야 하는 회전각의 시간 이력인 공칭각을 생성하는 단계; 상기 로봇에서 측정된 상기 로봇의 발에 작용하는 힘/토크(Torque) 데이터를 이용하여 상기 로봇의 ZMP의 위치를 측정하고, 상기 ZMP 위치를 이용하여 상기 로봇의 골반 및 발목 관절의 회전하는 각도인 보정각을 생성하는 단계; 및 상기 공칭각 및 상기 보정각을 이용하여 상기 로봇 관절의 움직임을 제어하는 단계 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 균형 제어 방법이 제공된다.According to another embodiment of the invention, the step of receiving a command for the walking pattern of the robot; Generating a nominal angle, which is a time history of a rotation angle at which each joint of the robot should move using the command for the walking pattern; The position of ZMP of the robot is measured by using force / torque data acting on the foot of the robot measured by the robot, and the rotation angle of the pelvis and ankle joint of the robot is determined by using the ZMP position. Generating a correction angle; And controlling the movement of the robot joint using the nominal angle and the correction angle.
본 발명에 따르면, 로봇에서 측정되는 ZMP 센서 데이터만을 이용하여 균형 제어를 정밀하게 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 로봇의 양발 지지 상태 및 한발 지지 상태의 경우 모두 동일한 균형 제어 기법이 적용된다는 장점이 있다.
According to the present invention, the balance control can be precisely performed using only ZMP sensor data measured by the robot. In addition, there is an advantage that the same balance control technique is applied to both the robot's foot support state and the one-foot support state.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이족 보행 로봇의 균형 제어 장치의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 두발로 서있는 로봇의 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정지 중인 로봇의 몸체를 후방으로 밀어 기울였다가 놓는 실험의 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇(109)이 정지 상태에서 8보 전진한 후 정지하는 경우의 ZMP 위치 신호의 궤적을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시시예 따른 로봇의 이동을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 균형 제어 방법에 대한 전체적인 흐름을 도시한 순서도이다.1 is a view showing an example of a balance control device of a biped walking robot according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing an example of a robot standing on two feet according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing the results of an experiment in which the body of the stationary robot according to an embodiment of the present invention is pushed backward and tilted.
4 is a diagram illustrating the trajectory of the ZMP position signal when the
5 is a view showing the movement of the robot according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a flow chart showing the overall flow for the balance control method of the robot according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이족 보행 로봇의 균형 제어 장치의 일례를 도시한 도면이다.1 is a view showing an example of a balance control device of a biped walking robot according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 균형 제어 장치(100)은 보행 명령 수신부(101), 경로 생성부(103), 균형 제어부(105), 관절 제어부(107)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the
보행 명령 수신부(101)는 PC나 원격 조종기로부터 로봇(109)의 움직임에 대한 명령을 수신한다. 움직임에 대한 명령은 전/후/좌/우로의 이동과 같은 로봇(109)의 보행 패턴에 대한 명령을 포함할 수 있다.The walking
경로 생성부(103)는 보행 명령 수신부(101)에서 수신되는 보행 패턴 명령에 따라 적절한 역 기구학(inverse kinematics) 모델을 사용하여 로봇(109)의 각 관절이 움직여야 하는 회전각의 시간 이력인 공칭각 을 생성한다.The
여기서, 역 기구학이란 로봇 매니퓰레이터(manipulator)의 말단부의 위치와 자세(Euler angle)가 주어질 경우 이에 대응되는 관절의 회전각을 결정하는 과정을 의미한다. Inverse kinematics refers to a process of determining a rotation angle of a joint corresponding to a position and an attitude of a distal end of a robot manipulator.
역 기구학 모델은 다양하게 존재할 수 있으며, 관절이 움직여야 하는 회전각을 결정하는 다양한 역 기구학 모델이 이용될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 이에 따라, 역 기구학 모델에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.It will be apparent to those skilled in the art that there may be a variety of inverse kinematic models, and that various inverse kinematic models may be used to determine the angle of rotation at which the joint should move. Accordingly, detailed description of the inverse kinematics model will be omitted.
균형 제어부(105)는 외란에 의하여 로봇(109)이 한쪽으로 치우쳐 질 때, 로봇(109) 발목의 아래에 설치된 F/T(힘/토크) 센서에서 측정된 데이터를 이용하여 실제 ZMP의 위치를 파악하고 균형 제어를 위한 골반 및 발목 관절의 회전하는 각도인 보정각 를 생성한다.When the
여기서, 보정각 는 로봇(109)의 균형 제어를 위해 로봇(109)의 발목 각을 변화시켜 로봇(109)의 몸통을 기울어진 방향으로 더 이동시키기 위한 각을 의미한다. Where the correction angle Denotes an angle for further moving the torso of the
이때 균형 제어부(105)에서 출력되는 보정각 를 통해 로봇(109)의 몸통은 지면에 대하여 항상 평행하도록 제어된다. 또한, 좌/우 방향 제어 시에는 로봇(109)의 골반과 발목의 롤(roll) 방향 관절을, 전/후 방향 제어 시에는 로봇(109)의 골반과 발목의 피치(pitch) 방향 관절을 보정각 만큼 회전 시킨다. 이때, 로봇(109)의 골반과 발목에 적용되는 보정각 는 크기는 같으나 부호가 반대가 되도록 출력된다.At this time, the correction angle output from the
본 발명의 일 실시예에 따르면 F/T(힘/토크) 센서는 로봇(109)의 발목 아래에 장착된 일종의 3축 로드셀 센서와 마이크로 프로세서를 포함할 수 있다. 3축 로드셀 센서는 각 발에 작용하는 힘/토크 데이터를 센싱하고 마이크로 프로세서는 그 센싱된 데이터를 이용하여 ZMP(Zero Moment Point)의 위치를 측정한다. 여기서, ZMP는 로봇(109)에 작용하는 모든 모멘트의 합이 0이 되는 지점을 의미한다. 로드셀 센서에서 측정되는 측정 물리량은 수직 방향의 힘 와 2개의 수평 방향의 토크 , 이다. According to an embodiment of the present invention, the F / T (force / torque) sensor may include a kind of three-axis load cell sensor and a microprocessor mounted under the ankle of the
상기에서는 로드셀 센서에 대해 설명하였으나 힘/토크를 측정할 수 있는 다양한 센서가 본 발명에 적용될 수 있음은 당업자에게 있어 자명할 것이다.Although the load cell sensor has been described above, it will be apparent to those skilled in the art that various sensors capable of measuring force / torque may be applied to the present invention.
관절 제어부(107)는 로봇(109) 관절의 움직임을 제어한다. 본 발명의 일 실시예에 다르면 관절 제어부(107)는 비례 미분(proportional derivative, PD) 제어를 이용하여 로봇(109)의 관절을 제어 할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The
관절 제어부(107)에는 경로 생성부(103)에서 생성된 공칭각및 균형 제어부(105)에서 생성된 보정각 가 합산된 관절의 기준각 이 입력된다. 관절 제어부(107)는 기준각 을 이용하여 로봇(109) 관절의 움직임을 제어하여 로봇(109)의 균형 제어를 수행한다The
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 두발로 서있는 로봇의 일례를 도시한 도면이다.2 is a view showing an example of a robot standing on two feet according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, yz 평면 내 로봇(109)은 2차원 병진 운동을 하는 단일 질량으로 단순화 할 수 있다. 이는 지면에 대하여 로봇(109) 몸통이 직립한 상태로 정지 또는 이동하는 일반적 보행 패턴의 경우 몸통은 항상 y 또는 z 방향으로 병진운동을 일으키기 때문이다. Referring to FIG. 2, the
도 2에서 m은 로봇(109) 질량의 크기, 은 yz 좌표계의 원점이면서 안정영역의 중앙인 O점으로부터 무게중심 G점까지의 거리, 는 수평방향의 외란 힘, 는 무게중심의 수평 좌표, 는 몸통 운동에 의하여 선분 OG가 수직선과 이루게 되는 각도로서 보다 상세하게는 공칭각 와 외란 작용 시에 로봇(109) 링크, 관절, F/T 센서 등의 유연성에 기인하여 수동적으로 발생하는 경사각 , 균형제어를 위하여 발목과 골반의 관절이 회전하는 각인 보정각 의 합이다. 다만, 설명의 편의를 위하여 도 2에서의 은 0인 것으로 가정한다.In Figure 2 m is the magnitude of the
이와 같은 로봇(109) 모델에 대하여 뉴튼 법칙을 적용하고 가 작다고 가정하면 하기의 수학식 1과 같은 경사각에 관한 선형 운동 방정식을 얻을 수 있다.Apply Newton's law to this model of
[수학식 1] [ Equation 1 ]
여기서, k는 로봇 링크, 관절, F/T 센서 등의 유연성에 의한 수평 방향 강성을 의미한다. c는 PD 관절 제어 등에서 나타나는 감쇠 중 수평 방향 성분을 나타낸다. 는 관성력으로서 하기의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.Here, k means the horizontal rigidity due to the flexibility of the robot link, joint, F / T sensor. c denotes a horizontal component of attenuation shown in PD joint control or the like. May be expressed as
[수학식 2] & Quot; (2 ) & quot ;
여기서, 는 관성력으로서 F/T 센서에 의하여 감지된 ZMP 값을 이용하여 생성된 보정각을 이용하여 간접적으로 생성된다. 보정각은 하기의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.here, Is indirectly generated using the correction angle generated using the ZMP value sensed by the F / T sensor as the inertial force. The correction angle may be expressed as in
[수학식 3] & Quot; (3 ) & quot ;
여기서, 는 로봇의 균형제어를 위한 보정각, 은 목표 감쇠율, m은 로봇의 질량, k는 수평 방향 강성, c는 수평 방향 감쇠, 은 로봇 무게 중심의 높이, g는 중력가속도를 의미한다.here, Is the correction angle for the balance control of the robot, Is the target damping rate, m is the mass of the robot, k is the horizontal stiffness, c is the horizontal damping, Is the height of the robot's center of gravity, and g is the acceleration of gravity.
또한, ,는 제어 이득 상수로서, 순수한 감쇠 제어를 위해 설정되며 가 보다 크도록 설정된다.Also, , Is the control gain constant, which is set for pure attenuation control end Is set to be greater than.
또한, 는 y축 방향의 ZMP의 위치를 의미하며, 하기의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.Also, Denotes the position of ZMP in the y-axis direction and may be expressed as in
[수학식 4] [ Equation 4 ]
수학식 1 내지 수학식 4를 결합하여 정리하면 경사각 성분에 관한 연립 미분 방정식을 얻을 수 있으며, , 라고 정의할 때 를 충분히 크게 하면 에 관한 식은 하기의 수학식 5와 같이 정리된다.Combining
[수학식 5] [ Equation 5 ]
따라서, 제어 이득 상수 ,의 설정 시 균형 제어가 댐핑 제어로 수렴할 수 있도록 를 크게 하는 동시에 폐루프 감쇠 값이 적절하도록 를 결정하는 것이 바람직하다.Thus, the control gain constant , So that balance control can converge to damping control To increase the closed loop attenuation It is desirable to determine.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 로봇(109)이 한발 지지인 상태에서도 균형 제어부(105)의 보정각 생성은 상기 수학식을 동일하게 적용하여 생성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the correction angle generation of the
로봇(109)이 한발 지지 상태인 경우 공칭각 이어서 가 0 대신에 지지 발의 중심 위치로 수렴하는 차이 외에는 동일한 균형 제어 효과를 얻을 수 있다. 또한, 로봇(109)의 전후 반향 제어에 대해서도 동일한 로봇의 균형제어를 위한 보정각 생성방법을 동일하게 적용할 수 있다.Nominal angle when
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정지 중인 로봇의 몸체를 후방으로 밀어 기울였다가 놓는 실험의 결과를 도시한 도면이다.3 is a view showing the results of an experiment in which the body of the stationary robot according to an embodiment of the present invention is pushed backward and tilted.
도 3을 참조하면, 로봇(109)에 가했던 힘을 제거 하면 로봇(109)은 자유 진동 상태로 흔들리기 시작하고, 그 진동은 비 균형 제어 시 조금씩 감소하며 15초 정도 지속되지만, 본 발명의 균형 제어를 적용하는 경우에는 동 방향 ZMP 위치 값이 급속히 작아지며 영에 수렴하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, when the force applied to the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇(109)이 정지 상태에서 8보 전진한 후 정지하는 경우의 ZMP 위치 신호의 궤적을 도시한 도면이다.4 is a diagram illustrating the trajectory of the ZMP position signal when the
도 4를 참조하면, 균형 제어가 작동하여 골반 즉, 힙 관절각 궤적이 실시간으로 수정되었고, ZMP 궤적도 약간의 불규칙성이 수반되지만 지지 상태에 관계없이 항상 안정 영역 내에 존재하였음을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that the balance control is activated to correct the pelvis, that is, the hip joint angle trajectory, in real time, and the ZMP trajectory is accompanied by some irregularity, but always in the stable region regardless of the supporting state.
도 5는 본 발명의 일 실시시예 따른 로봇의 이동을 도시한 도면이다.5 is a view showing the movement of the robot according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 일정한 시간 간격으로 정면과 측면에서 촬영된 로봇의 사진으로서 실내를 안정적으로 이동함을 확인할 수 있다.Referring to Figure 5, it can be seen that the room is stably moved as a picture of the robot taken from the front and side at regular time intervals.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 균형 제어 방법에 대한 전체적인 흐름을 도시한 순서도이다. 이하, 도 6을 참고하여 각 단계에서 수행되는 과정을 설명하기로 한다.Figure 6 is a flow chart showing the overall flow for the balance control method of the robot according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a process performed at each step will be described with reference to FIG. 6.
로봇의 균형 제어를 위해 우선 단계(S600)에서 보행 명령 수신부(101)는 PC나 원격 조종기로부터 로봇(109)의 보행 패턴에 대한 명령을 수신한다.In order to control the balance of the robot, in step S600, the walking
이어서 단계(S605)에서 경로 생성부(103)는 보행 패턴 명령을 이용하여 로봇(109)의 각 관절이 움직여야 하는 회전각의 시간 이력인 공칭각을 생성한다. 공칭각 생성 시 역 기구학 모델을 이용할 수 있다.Subsequently, in step S605, the
단계(S610)에서 균형 제어부(105)는 로봇(109)에서 측정된 로봇(109)의 발에 작용하는 힘/토크 데이터를 이용하여 로봇(109)의 ZMP 위치를 파악하고, ZMP 위치를 이용하여 로봇의 골반 및 발목 관절의 회전하는 각도인 보정각을 생성한다. 이때 힘/토크 데이터는 로봇(109)의 발목 아래에 설치된 F/T 센서를 이용하여 측정될 수 있다.In step S610, the
단계(S615)에서 관절 제어부(107)는 공칭각 및 보정각을 이용하여 로봇의 균형제어를 위해 움직임을 제어한다. In step S615, the
지금까지 본 발명에 따른 로봇의 균형 제어 방법의 실시예들에 대하여 설명하였고, 앞서 도 1 내지 도 5에서 설명한 균형 제어 장치(100)에 관한 구성이 본 실시예에도 그대로 적용이 가능하다. 이에 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.Embodiments of the balance control method of the robot according to the present invention have been described so far, and the configuration of the
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은 로봇에서 측정되는 ZMP 센서 데이터만을 이용하여 균형 제어를 정밀하게 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 로봇의 양발 지지 상태 및 한발 지지 상태의 경우 모두 동일한 균형 제어 기법이 적용된다는 장점이 있다.As described above, the present invention has an advantage of precisely controlling balance using only ZMP sensor data measured by a robot. In addition, there is an advantage that the same balance control technique is applied to both the robot's foot support state and one foot support state.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, the present invention has been described by specific embodiments such as specific components and the like. For those skilled in the art, various modifications and variations are possible from these descriptions. Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .
100: 균형 제어 장치 101: 보행 명령 수신부
103: 경로 생성부 105: 균형 제어부
107: 관절 제어부 109: 로봇100: balance control device 101: walk command receiver
103: path generation unit 105: balance control unit
107: joint control unit 109: robot
Claims (13)
상기 보행 패턴에 대한 명령을 이용하여 상기 로봇의 각 관절이 움직여야 하는 회전각의 시간 이력인 공칭각을 생성하는 경로 생성부;
상기 로봇의 발에 작용하는 힘/토크(Torque) 데이터를 이용하여 상기 로봇의 ZMP(Zero Moment Point)의 위치를 측정하고, 상기 ZMP 위치를 이용하여 상기 로봇의 골반 및 발목 관절의 회전하는 각도인 보정각을 생성하는 균형 제어부; 및
상기 공칭각 및 상기 보정각을 이용하여 상기 로봇 관절의 움직임을 제어하는 관절 제어부를 포함하되,
상기 관절 제어부는 상기 로봇의 좌/우 방향 제어 시 상기 로봇의 상기 골반 및 상기 발목의 롤(roll) 방향 관절을 회전 시키며, 상기 로봇의 전/후 방향 제어 시 상기 로봇의 상기 골반 및 상기 발목의 피치(pitch) 방향 관절을 회전 시키는 것을 특징으로 하는 로봇의 균형 제어 장치.A walking command receiver configured to receive a command for a walking pattern of a robot;
A path generation unit configured to generate a nominal angle, which is a time history of a rotation angle at which each joint of the robot should move using a command for the walking pattern;
The position of the robot's Zero Moment Point (ZMP) is measured using force / torque data acting on the robot's foot, and the rotation angle of the pelvis and ankle joint of the robot is measured using the ZMP position. A balance controller for generating a correction angle; And
And including a joint controller for controlling the movement of the robot joint using the nominal angle and the correction angle,
The joint control unit rotates the roll direction joints of the pelvis and the ankle of the robot when controlling the left / right direction of the robot, and controls the pelvis and the ankle of the robot when controlling the forward / rear direction of the robot. A balance control device for a robot, characterized by rotating a pitch direction joint.
상기 경로 생성부는 역 기구학(inverse kinematics) 모델을 이용하여 상기 공칭각을 생성하는 것을 특징으로 하는 로봇의 균형 제어 장치.The method of claim 1,
And the path generation unit generates the nominal angle by using an inverse kinematics model.
상기 힘/토크 데이터는 상기 로봇 발목의 아래에 설치된 F/T 센서를 이용하여 측정되는 것을 특징으로 하는 로봇의 균형 제어 장치.The method of claim 1,
And the force / torque data is measured using an F / T sensor installed under the robot ankle.
상기 균형 제어부에서 생성되는 상기 골반 및 상기 발목 관절의 보정각은 동일한 크기를 가지며, 서로 부호가 반대인 것을 특징으로 하는 로봇의 균형 제어 장치.The method of claim 1,
Correction angle of the pelvis and the ankle joint generated by the balance control has the same size, and the sign of the robot, characterized in that the signs are opposite to each other.
상기 관절 제어부는 비례 미분(proportional derivative, PD) 제어를 이용하여 상기 로봇의 관절을 제어하는 것을 특징으로 하는 로봇의 균형 제어 장치.The method of claim 1,
The joint control unit is a balance control device of the robot, characterized in that for controlling the joint of the robot using a proportional derivative (PD) control.
상기 보정각은 하기의 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 로봇의 균형 제어 장치.
여기서, 는 로봇의 균형제어를 위한 상기 보정각, 및 는 제어 이득 상수, 는 y축 방향의 ZMP의 위치를 각각 의미함.The method of claim 1,
The correction angle is a balance control device for a robot, characterized in that expressed as the following equation.
here, Is the correction angle for the balance control of the robot, And Is the control gain constant, Denotes the position of ZMP in the y-axis direction, respectively.
상기 제어 이득 상수는 하기의 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 로봇의 균형 제어 장치.
여기서, 은 목표 감쇠율, m은 로봇의 질량, k는 수평 방향 강성, c는 수평 방향 감쇠, 은 로봇 무게 중심의 높이, g는 중력가속도를 각각 의미함.The method of claim 7, wherein
The control gain constant is a balance control apparatus of a robot, characterized in that expressed by the following equation.
here, Is the target damping rate, m is the mass of the robot, k is the horizontal stiffness, c is the horizontal damping, Is the height of the robot's center of gravity, and g is the acceleration of gravity, respectively.
상기 보행 패턴에 대한 명령을 이용하여 상기 로봇의 각 관절이 움직여야 하는 회전각의 시간 이력인 공칭각을 생성하는 단계;
상기 로봇에서 측정된 상기 로봇의 발에 작용하는 힘/토크(Torque) 데이터를 이용하여 상기 로봇의 ZMP(Zero Moment Point)의 위치를 측정하고, 상기 ZMP 위치를 이용하여 상기 로봇의 골반 및 발목 관절의 회전하는 각도인 보정 각을 생성하는 단계; 및
상기 공칭각 및 상기 보정 각을 이용하여 상기 로봇 관절의 움직임을 제어하는 단계를 포함하되,
상기 관절의 움직임을 제어하는 단계는 상기 로봇의 좌/우 방향 제어 시 상기 로봇의 상기 골반 및 상기 발목의 롤(roll) 방향 관절을 회전 시키며, 상기 로봇의 전/후 방향 제어 시 상기 로봇의 상기 골반 및 상기 발목의 피치(pitch) 방향 관절을 회전 시키는 것을 특징으로 하는 로봇의 균형 제어 방법.Receiving a command for a walking pattern of the robot;
Generating a nominal angle, which is a time history of a rotation angle at which each joint of the robot should move using the command for the walking pattern;
The position of the robot's Zero Moment Point (ZMP) is measured by using force / torque data acting on the robot's foot measured by the robot, and the pelvis and ankle joint of the robot using the ZMP position. Generating a correction angle that is a rotating angle of the; And
Controlling the movement of the robot joint using the nominal angle and the correction angle;
The controlling of the movement of the joint may include rotating the pelvis and the ankle joints of the ankle in the left / right direction of the robot and controlling the forward / rear direction of the robot. The balance control method of the robot, characterized in that for rotating the pelvis and the pitch joint of the ankle.
상기 보정 각을 생성하는 단계에서 생성된 상기 골반 및 상기 발목 관절의 보정각은 서로 크기는 동일하며, 서로 부호가 반대인 것을 특징으로 하는 로봇의 균형 제어 방법.10. The method of claim 9,
And the correction angles of the pelvis and the ankle joint generated in the step of generating the correction angles are the same in size and opposite in sign to each other.
상기 보정 각은 하기의 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 로봇의 균형 제어 방법.
여기서, 는 로봇의 균형제어를 위한 상기 보정각, 및 는 제어 이득 상수, 는 y축 방향의 ZMP의 위치를 각각 의미함.10. The method of claim 9,
The correction angle is a balance control method of the robot, characterized in that expressed as the following equation.
here, Is the correction angle for the balance control of the robot, And Is the control gain constant, Denotes the position of ZMP in the y-axis direction, respectively.
상기 제어 이득 상수는 하기의 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 로봇의 균형 제어 방법.
여기서, 은 목표 감쇠율, m은 로봇의 질량, k는 수평 방향 강성, c는 수평 방향 감쇠, 은 로봇 무게 중심의 높이, g는 중력가속도를 각각 의미함.
The method of claim 12,
The control gain constant is a balance control method of a robot, characterized in that expressed by the following equation.
here, Is the target damping rate, m is the mass of the robot, k is the horizontal stiffness, c is the horizontal damping, Is the height of the robot's center of gravity, and g is the acceleration of gravity, respectively.
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