KR101317761B1 - 안정적인 이족 보행을 위한 수직 방향과 로봇 정면, 측면 방향의 허리 중심과 발의 움직임 생성 방법 - Google Patents

안정적인 이족 보행을 위한 수직 방향과 로봇 정면, 측면 방향의 허리 중심과 발의 움직임 생성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안정적인 이족 보행을 위한 수직 방향과 로봇 정면, 측면 방향의 허리 중심과 발의 움직임 생성 방법에 관한 것으로, 중앙 패턴 생성기를 이용하여 이족 보행 로봇의 허리 중심과 발의 궤적을 도출하고, 이족 보행 로봇의 양발지지 구간의 시간을 도출하여 양발지지 구간의 사간을 조절하는 (a) 단계;를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 양발지지 구간이 증가하여, 한발지지 구간에서 발생하는 로봇의 흔들림을 상쇄시키고 로봇의 무게중심이 다음 지지발로 더 가까이 이동시킴으로써, 보행시 로봇의 흔들림이 감소하여 이족 보행 로봇이 안정적으로 걷도록 하는 효과가 있다.

Description

안정적인 이족 보행을 위한 수직 방향과 로봇 정면, 측면 방향의 허리 중심과 발의 움직임 생성 방법{STABLE BIPEDAL WALKING ROBOT METHOD FOR GENERATING VERTICAL DIRECTION AND THE CENTER OF THE WAIST AND FEET, THE MOVEMENT DIRECTION OF THE FRONT OF THE ROBOT}
본 발명은 이족 보행 로봇(bipedal robot)의 보행에 관한 것으로 특히, 사람과 같은 안정적인 이족 보행을 위한 진화 최적화된(evolutionary optimized) 중앙 패턴 생성기(central pattern generator, CPG)를 이용한 수직 방향의 무게 중심(center of mass)의 움직임 생성 방법에 관한 것이다.
이족 보행 로봇의 발걸음을 생성하는 방법에는 크게 운동학적 접근방법(Kinematical model-based approach)과 생체학적 접근방법(Biologically inspired approach)이 존재한다.
생체학적 접근방법은 실제 동물의 보행, 유영, 비행 등과 같은 반복적인 움직임의 발생 원리에서 착안하여 제안되었으며, 주로 중앙 패턴 발생기를 이용하여 주기적인 신호를 발생시킴으로써 이족 보행 로봇의 걸음걸이를 생성시킨다.
이처럼 이족 보행 로봇의 제어를 위해 학계에서 다양한 연구개발이 이루어지고 있으며, 대한민국 공개특허 제2010-0097881호(이족 로봇의 안정된 보행을 위한 칼만 필터의 지엠피 상태예측을 통한 균형제어 기법)외에 다수가 공개되어 있다.
전술한 선행특허는 이전 시점에서 이족로봇의 보행 제어에 이용된 COM(Center Of Mass) 오차값(이전 COM 오차값) 및 이전 COM 오차값에 따라 보행이 제어된 이족로봇에 대해 측정된 ZMP(Zero Moment Point) 값에 대해 칼만 필터링을 수행하여, 현재 시점에서의 상기 이족로봇의 보행 제어를 위한 COM 오차값(현재 COM 오차값)의 생성에 사용되는 COM 값을 생성하는 단계와; 생성된 COM 값을 ZMP 값으로 변환하여 현재 COM 오차값의 생성에 이용되는 예측 ZMP 값을 생성하는 단계와; 예측 ZMP 값과 이족로봇의 목적 ZMP 값 사이의 오차값(ZMP 오차값)을 생성하는 단계와; ZMP 오차값을 변환하여 현재 COM 오차값을 생성하는 단계; 및 현재 COM 오차값을 이족로봇에 적용하여 이족로봇의 보행을 제어하는 단계로 구성된다.
그러나, 선행특허의 경우 양발지지구간에 대한 고려가 부족하여 양발지지구간의 비율이 전체 걸음걸이의 5%이하로 매우 짧기 때문에, 양발지지 구간에서는 한발지지 구간에서 발생한 누적 에러를 상쇄시키고 무게중심을 다음 지지발로 이동시켜 이족로봇을 제어하게 된다.
하지만, 이처럼 양발지지 구간이 짧을 경우, 이족 보행 로봇이 안정적으로 걸을 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 중앙 패턴 발생기를 통해 로봇의 발의 수직 행동을 변형시켜 양발지지 구간의 조절이 가능하도록 제어하고, 양발지지 구간에 대한 수평방향의 발의 움직임과 허리 중심의 움직임을 설정함으로써, 양발지지 구간의 시간이 짧은 점을 해결하고, 양발지지 구간을 증가한 경우에도 부드러운 움직임이 가능하도록 함에 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 안정적인 이족 보행을 위한 수직 방향과 로봇 정면, 측면 방향의 허리 중심과 발의 움직임 생성 방법은, 중앙 패턴 생성기를 이용하여 이족 보행 로봇의 허리 중심과 발의 궤적을 도출하고, 이족 보행 로봇의 양발지지 구간의 시간을 도출하여 양발지지 구간의 사간을 조절하는 (a) 단계;를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 양발지지 구간이 증가하여, 한발지지 구간에서 발생하는 로봇의 흔들림을 상쇄시키고 로봇의 무게중심이 다음 지지발로 더 가까이 이동시킴으로써, 보행시 로봇의 흔들림이 감소하여 이족 보행 로봇이 안정적으로 걷도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이족 보행 로봇의 발바닥의 궤적과 상체의 허리의 무게 중심의 궤적 생성을 위한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 이족 보행 로봇의 발바닥의 궤적과 상체의 허리의 무게 중심의 궤적 생성을 위한 또 다른 예시도.
도 3은 안정적인 이족 보행을 위한 수직 방향과 로봇 정면, 측면 방향의 허리 중심과 발의 움직임 생성 방법을 도시한 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 안정적인 이족 보행을 위한 수직 방향과 로봇 정면, 측면 방향의 허리 중심과 발의 움직임 생성 방법의 제S10단계 이후 과정을 도시한 순서도.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 대한 구성 및 작용에 대해서 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
1. 중앙 패턴 발생기
중앙 패턴 발생기의 신경발진기(Neural Oscillator) 모형은 주기적인 신호를 발생시키는 알고리즘으로 생체학적 분석을 통해서 제안되었다. 그리고 이 신경발진기는 각각의 신경세포(Neuron)로 구성이 되며 이의 개념도는 도 2와 같다. 또한 하기 [수학식 1]과 같이 표현이 된다.
Figure 112011098964046-pat00001
여기서
Figure 112011098964046-pat00002
는 신경세포의 번호를,
Figure 112011098964046-pat00003
는 신경세포의 내부 상태를,
Figure 112011098964046-pat00004
는 신경세포의 적응정도(degree of adaptation) 혹은 자기 억제 상태(self-inhibition state)를,
Figure 112011098964046-pat00005
는 신경세포의 출력을 나타낸다.
Figure 112011098964046-pat00006
는
Figure 112011098964046-pat00007
번째와
Figure 112011098964046-pat00008
번째의 신경세포 간의 연결 가중치(connecting weight)로 각 신경세포 간의 위상차를 결정한다. 그리고
Figure 112011098964046-pat00009
과
Figure 112011098964046-pat00010
는 시정수로 신호의 주기를 결정한다.
Figure 112011098964046-pat00011
는 자기 억제의 가중치(weight of the self-inhibition)로 출력 신호의 형태를 결정하고,
Figure 112011098964046-pat00012
는 외부 입력 신호로 출력신호의 진폭을 결정한다.
Figure 112011098964046-pat00013
는 로봇 센서를 통한 피드백 신호를 나타낸다.
단일개의 신경발진기는 일반적으로 특정 연결 가중치로 연결된 두 개의 신경 세포로 구성되어 주기적인 신호를 발생하게 되는데, 각각의 신경 발진기가 구동장치에 연결되고 서로 영향을 주고받으며 주기적인 신호를 발생시키는 집합구조를 CPG구조라고 부른다.
이때, CPG구조는 비교적 적은 수의 매개변수를 통해 연속적으로 주기적인 신호가 발생하므로 기존의 모든 궤적을 계산하고 저장하여 로봇의 움직임을 제어한 것에 비해 효율적인 메모리 사용을 도모할 수 있다. 또한, CPG구조는 토크 센서와 같은 센서 피드백을 이용하게 되면 주변의 저항에도 강인한 신호가 발생하므로 주기적인 움직임 생성에 많이 사용되고 있다.
2. CPG를 이용한 걸음걸이 생성
본 발명에서는 CPG를 이용하여 도 1 및 도 2와 같이 각 이족 보행 로봇의 발바닥의 궤적과 상체의 허리의 무게 중심의 궤적을 생성하고, 이를 inverse kinematics를 이용하여 각 관절의 궤적을 도출한다. 각 발바닥의 궤적과 상체의 허리의 무게 중심의 궤적은 다음의 [수학식 2]를 통해 도출된다.
Figure 112011098964046-pat00014
조건으로,
Figure 112011098964046-pat00015
여기서
Figure 112011098964046-pat00016
과
Figure 112011098964046-pat00017
는 각각 로봇의 수직 방향과 정면 방향에 대해서 왼쪽/오른쪽 발과 허리 중심사이의 거리이고,
Figure 112011098964046-pat00018
는 로봇의 측면 방향에 대해서 무게 중심과 두 발의 중심 사이의 거리를 나타낸다. 또한,
Figure 112011098964046-pat00019
,
Figure 112011098964046-pat00020
와
Figure 112011098964046-pat00021
는 크기 조정 인수(amplitude scaling factor)이고,
Figure 112011098964046-pat00022
는 수직 방향의 허리중심 높이의 오프셋이다.
또한,
Figure 112011098964046-pat00023
는
Figure 112011098964046-pat00024
의 진폭을 나타내고,
Figure 112011098964046-pat00025
는 양발지지구간에 대한 파라미터로 양발지지 구간의 기간을 결정하며,
Figure 112011098964046-pat00026
일 때 이족 보행 로봇은 양발지지 구간에 있고 나머지 경우에는 한발지지 구간에 있게 된다.
또한,
Figure 112011098964046-pat00027
는 양발 지지구간이 시작할 때의
Figure 112011098964046-pat00028
값이고,
Figure 112011098964046-pat00029
는
Figure 112011098964046-pat00030
일 때의
Figure 112011098964046-pat00031
이며,
Figure 112011098964046-pat00032
,
Figure 112011098964046-pat00033
에 의해
Figure 112011098964046-pat00034
의 값과 관계없이
Figure 112011098964046-pat00035
와
Figure 112011098964046-pat00036
에 의해 보폭과 발을 드는 높이가 결정된다.
한편, 로봇의 흔들림을 최소화함으로써 걷는 동안 이족 보행 로봇의 안정성을 향상시키기 위해 [수학식 3]과 같이 센서 피드백을 정의한다.
Figure 112011098964046-pat00037
조건으로,
Figure 112011098964046-pat00038
여기서,
Figure 112011098964046-pat00039
는 크기 조정 인수(amplitude scaling factor)이고,
Figure 112011098964046-pat00040
,
Figure 112011098964046-pat00041
와
Figure 112011098964046-pat00042
는 수직, 로봇의 정면, 측면에 대한 이족 보행 로봇의 자세에 대한 센서 정보이며,
Figure 112011098964046-pat00043
은 왼쪽/오른쪽 발에 걸리는 총 지면 반발력을 의미하고,
Figure 112011098964046-pat00044
은 로봇의 무게,
Figure 112011098964046-pat00045
는 중력가속도를 나타낸다.
또한,
Figure 112011098964046-pat00046
와
Figure 112011098964046-pat00047
는 양 발의 앞쪽과 뒤쪽에 각각 걸리는 지면 반발력을,
Figure 112011098964046-pat00048
와
Figure 112011098964046-pat00049
는 양 발의 왼쪽과 오른쪽에 각각 걸리는 지면 반발력을 의미한다.
본 발명에서는 진화 알고리즘(evolutionary algorithm)으로 CPG를 최적화한다. 최적화의 목적은 걷는 동안 로봇의 흔들림을 최소화하는 것이다. 이러한 목적을 만족하기 위한 센서 피드백의
Figure 112011098964046-pat00050
값을 얻기 위해 [수학식 4]와 같이 목적 함수(objective function)를 설정한다.
Figure 112011098964046-pat00051
조건으로,
Figure 112011098964046-pat00052
여기서,
Figure 112011098964046-pat00053
와
Figure 112011098964046-pat00054
는 크기 조정 인수이고,
Figure 112011098964046-pat00055
와
Figure 112011098964046-pat00056
는 이족 보행 로봇 몸체의 세로방향 흔들림과 가로방향 흔들림을 의미한다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 안정적인 이족 보행을 위한 수직 방향과 로봇 정면, 측면 방향의 허리 중심과 발의 움직임 생성 방법에 대해 살피면 아래와 같다.
중앙 패턴 생성기를 이용하여 이족 보행 로봇의 허리 중심과 발의 궤적을 도출하고, 상기 이족 보행 로봇의 양발지지 구간의 시간을 도출하여 양발지지 구간의 사간을 조절한다(S10).
구체적으로, 제S10단계의 이족 보행 로봇의 허리 중심과 발의 궤적 도출은 중앙 패턴 생성기를 이용하여 [수학식 2]를 통해 도출한다.
[수학식 2]
Figure 112011098964046-pat00057
Figure 112011098964046-pat00058
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 제S10단계 이후, 중앙 패턴 생성기의 센서 피드백을 통해 상기 이족 보행 로봇의 보행 시 생기는 왜란을 보상한다(S20).
이때, 제S20단계의 외란 보상은, [수학식 3]에 의한 중앙 패턴 생성기의 센서 피드백을 통해 보상된다.
[수학식 3]
Figure 112011098964046-pat00059
조건으로,
Figure 112011098964046-pat00060
또한, 제S10단계의 허리중심과 발의 움직임 생성을 위한 중앙 패턴 생성기의 진화 알고리즘에 의해 최적화를 통해 센서 피드백의
Figure 112011098964046-pat00061
값을 도출한다.
이때, 중앙 패턴 생성기의 진화 최적화를 위한 목적함수는 [수학식 4]를 통해 도출한다.
[수학식 4]
Figure 112011098964046-pat00062
조건으로,
Figure 112011098964046-pat00063
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
Figure 112011098964046-pat00064
,
Figure 112011098964046-pat00065
: 각각 로봇의 수직 방향과 정면 방향에 대해서 왼쪽/오른쪽 발과 허리 중심사이의 거리
Figure 112011098964046-pat00066
: 로봇의 측면 방향에 대해서 무게 중심과 두 발의 중심 사이의 거리

Claims (6)

  1. 안정적인 이족 보행을 위한 수직 방향과 로봇 정면, 측면 방향의 허리 중심과 발의 움직임 생성 방법에 있어서,
    (a) 중앙 패턴 생성기를 이용하여 이족 보행 로봇의 허리 중심과 발의 궤적을 도출하고, 상기 이족 보행 로봇의 양발지지 구간의 시간을 도출하여 양발지지 구간의 시간을 조절하는 단계;를 포함하되,
    상기 (a) 단계는, 허리중심과 발의 움직임 생성을 위한 중앙 패턴 생성기의 진화 알고리즘에 의해 최적화를 통해 센서 피드백의
    Figure 112013063020212-pat00114
    값을 도출하고,
    상기 중앙 패턴 생성기는, 진화 최적화를 위한 목적함수를 [수학식 4]에 의해 도출하는 것을 특징으로 하는 안정적인 이족 보행을 위한 수직 방향과 로봇 정면, 측면 방향의 허리 중심과 발의 움직임 생성 방법.
    [수학식 4]
    Figure 112013063020212-pat00115

    Figure 112013063020212-pat00116

    상기 [수학식 4]의
    Figure 112013063020212-pat00117
    와
    Figure 112013063020212-pat00118
    는 크기 조정 인수이고,
    Figure 112013063020212-pat00119
    와
    Figure 112013063020212-pat00120
    는 이족 보행 로봇 몸체의 세로방향 흔들림과 가로방향 흔들림을 의미한다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이족 보행 로봇의 허리 중심과 발의 궤적 도출은,
    상기 중앙 패턴 생성기를 이용하여 [수학식 2]를 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 안정적인 이족 보행을 위한 수직 방향과 로봇 정면, 측면 방향의 허리 중심과 발의 움직임 생성 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112011098964046-pat00067

    Figure 112011098964046-pat00068

    상기 [수학식 2]의
    Figure 112011098964046-pat00069
    과
    Figure 112011098964046-pat00070
    는 각각 로봇의 수직 방향과 정면 방향에 대해서 왼쪽/오른쪽 발과 허리 중심사이의 거리이고,
    Figure 112011098964046-pat00071
    는 로봇의 측면 방향에 대해서 무게 중심과 두 발의 중심 사이의 거리이며,
    Figure 112011098964046-pat00072
    ,
    Figure 112011098964046-pat00073
    와
    Figure 112011098964046-pat00074
    는 크기 조정 인수(amplitude scaling factor)이고,
    Figure 112011098964046-pat00075
    는 수직 방향의 허리중심 높이의 오프셋이고,
    Figure 112011098964046-pat00076
    는
    Figure 112011098964046-pat00077
    의 진폭을 나타내고,
    Figure 112011098964046-pat00078
    는 양발지지구간에 대한 파라미터로 양발지지 구간의 기간을 결정하며,
    Figure 112011098964046-pat00079
    일 때 이족 보행 로봇은 양발지지 구간에 있고 나머지 경우에는 한발지지 구간에 있게 되며,
    Figure 112011098964046-pat00080
    는 양발 지지구간이 시작할 때의
    Figure 112011098964046-pat00081
    값이고,
    Figure 112011098964046-pat00082
    는
    Figure 112011098964046-pat00083
    일 때의
    Figure 112011098964046-pat00084
    이며,
    Figure 112011098964046-pat00085
    ,
    Figure 112011098964046-pat00086
    에 의해
    Figure 112011098964046-pat00087
    의 값과 관계없이
    Figure 112011098964046-pat00088
    와
    Figure 112011098964046-pat00089
    에 의해 보폭과 발을 드는 높이가 결정된다.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계 이후,
    (b) 중앙 패턴 생성기의 센서 피드백을 통해 상기 이족 보행 로봇의 보행 시 생기는 왜란을 보상하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정적인 이족 보행을 위한 수직 방향과 로봇 정면, 측면 방향의 허리 중심과 발의 움직임 생성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 외란 보상은,
    [수학식 3]에 의한 중앙 패턴 생성기의 센서 피드백을 통해 보상되는 것을 특징으로 하는 안정적인 이족 보행을 위한 수직 방향과 로봇 정면, 측면 방향의 허리 중심과 발의 움직임 생성 방법.
    [수학식 3]
    Figure 112011098964046-pat00090

    Figure 112011098964046-pat00091

    상기 [수학식 3]의
    Figure 112011098964046-pat00092
    는 크기 조정 인수(amplitude scaling factor)이고,
    Figure 112011098964046-pat00093
    ,
    Figure 112011098964046-pat00094
    와
    Figure 112011098964046-pat00095
    는 수직, 로봇의 정면, 측면에 대한 이족 보행 로봇의 자세에 대한 센서 정보이며,
    Figure 112011098964046-pat00096
    은 왼쪽/오른쪽 발에 걸리는 총 지면 반발력을 의미하고,
    Figure 112011098964046-pat00097
    은 로봇의 무게,
    Figure 112011098964046-pat00098
    는 중력가속도를 나타내며,
    Figure 112011098964046-pat00099
    와
    Figure 112011098964046-pat00100
    는 양 발의 앞쪽과 뒤쪽에 각각 걸리는 지면 반발력을,
    Figure 112011098964046-pat00101
    와
    Figure 112011098964046-pat00102
    는 양 발의 왼쪽과 오른쪽에 각각 걸리는 지면 반발력을 의미한다.
  5. 삭제
  6. 삭제
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