KR101326957B1

KR101326957B1 - 보행 로봇의 발목제어 방법

Info

Publication number: KR101326957B1
Application number: KR1020120051492A
Authority: KR
Inventors: 양우성
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2013-11-13
Also published as: US20130310981A1; US9067326B2

Abstract

로봇 발목에 입력되는 입력토크(

)를 센서에 의해 측정되는 지면으로부터의 작용토크(

)에 관한 값으로 목표토크(

)에 보상하고, 발목에서 가해지는 실제토크(

)에 관한 값을 피드백하여 도출함으로써 로봇의 보행 안정성을 확보하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 발목제어 방법이 소개된다.

Description

보행 로봇의 발목제어 방법 {METHOD FOR CONTROLLING ANKLE OF ROBOT}

본 발명은 발바닥이 미지의 지면의 각에 접촉시 자율적으로 일치하면서 상체 균형을 유지할 수 있도록 하는 보행 로봇의 발목제어 방법에 관한 것이다.

이족 보행 로봇은 메커니즘 특성상 안정성에 많은 문제가 있어 균형을 위한 제어가 필수적이다. 특히 지면과 접촉하고 있는 발 바닥을 구동할 수 있는 구동부 제어가 중요한데 발바닥을 지지함과 동시에 상체의 균형 또한 유지하여야 한다. 따라서 본 발명에서는 발바닥이 미지의 지면의 각에 접촉시 자율적으로 일치하면서 상체 균형을 유지할 수 있는 토크 제어 알고리즘을 제안한다.

관련 분야 기술로 일본에서 논문으로 발표된 발목 관절 제어기인 Two DOF 제어 알고리즘이 발표되어 있다. 본 발명의 목적과 유사성을 갖는 발목 관절 이용 균형 제어 방법이지만 제어 알고리즘이 상이하고 실험 결과로 비교해 보았을 때 본 발명 제안 알고리즘이 구성과 성능면에서보다 보다 우수성을 보인다.

구체적으로, 종래에는 단순히 로봇 발목의 목표토크를 산출하고 이를 입력토크로 하여 제어하며, 로봇의 불균형을 별도의 다이내믹스로 체크하여 보상하는 제어방법이 대다수였으나, 본 발명의 보행 로봇의 발목제어 방법에 따르면, 최종 센서에서 측정되는 작용토크와 목표토크의 합에서 실제토크를 제거한 값을 입력토크로 재입력하는 방식으로서 로봇의 발바닥과 지면사이에 존재하는 오차요인 및 로봇의 제어입력과 실제거동 사이에 존재하는 오차요인을 한번에 모두 반영할 수 있게 되는 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

1. On Modal Interaction, Stability and Nonlinear Dynamics of a Model Two D.O.F. Mechanical System Performing Snap-Through Motion, Nonlinear dynamics Volume 16, Number 3 239-257 ISSN 0924-090X

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 발바닥이 미지의 지면의 각에 접촉시 자율적으로 일치하면서 상체 균형을 유지할 수 있도록 하는 보행 로봇의 발목제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보행 로봇의 발목제어 방법은, 로봇 발목에 입력되는 입력토크(

)를 센서에 의해 측정되는 지면으로부터의 작용토크(

)에 관한 값으로 목표토크(

)에 보상하고, 발목에서 가해지는 실제토크(

)에 관한 값을 피드백하여 도출함으로써 로봇의 보행 안정성을 확보하는 것을 특징으로 한다.

상기 입력토크(

)는 목표토크(

)에 작용토크(

)와 게인

을 곱한 값을 더하고, 실제토크(

)에 게인

를 곱한 값을 빼서 도출할 수 있다.

(여기서,

는 로봇 발바닥과 지면 사이의 각도 차에 대한 오차보상계수이고,

는 동작의도와 발바닥의 움직임 각도 차에 대한 오차보상계수임.)

상기 입력토크(

)는 식

을 통해 도출할 수 있고, 상기

는 식

을 통해 도출할 수 있다.

또한, 상기

는 식

을 통해 도출할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 보행 로봇의 발목제어 방법에 따르면, 미지의 지면에 로봇이 스스로 대응하여 접촉하도록 할 수 있다.

지면과 발바닥 사이에서 작용하는 토크를 희망하는 토크로 구동각을 제어하고, 따라서 균형제어를 위해서는 작용토크가 0이 되어야 할 경우에는 참조값을 0으로 하여 제어 알고리즘을 구성함으로써 해당하는 관절각을 유지하며 정지상태를 구현할 수 있게 된다.

또한, 시스템 구성이 간단하여 PID 제어의 적용이 용이하고, 착용로봇의 경우 사람과 함께 구동하므로 안정성이 최우선 문제인데, 비상 사태시 균형을 유지하여 넘어지지 않도록 할 수 있는 안전장치에 적용이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 로봇의 발목제어 방법의 구성도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 보행 로봇의 발목제어 방법에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 로봇의 발목제어 방법의 구성도로서, 본 발명의 보행 로봇의 발목제어 방법은, 로봇 발목에 입력되는 입력토크(

)를 센서에 의해 측정되는 지면으로부터의 작용토크(

)에 관한 값으로 목표토크(

)에 보상하고, 발목에서 가해지는 실제토크(

)에 관한 값을 피드백하여 도출함으로써 로봇의 보행 안정성을 확보하는 것이다.

즉, 로봇의 관절에는 입력토크가 입력되어 관절의 구동각을 조절하게 되고, 이를 통해 보행 또는 정지시 수평을 유지한다.

그리고 상기 입력토크를 산출하기 위해서는 로봇의 시스템에 따른 목표토크를 계산하여 입력한다. 이러한 로봇의 목표토크를 산출하는 방식에 대하여는 다양하게 공지되었으므로 생략한다.

이러한 로봇의 목표토크에 따른 제어에서는 크게 두 가지의 오차 요인이 존재한다. 하나는, 발바닥과 지면 사이의 각도차 변화에 따른 오차, 그리고 또 다른 오차로는 의도하고자 하는 발바닥의 각도와 실제 구동되는 발바닥 각도의 차이이다. 따라서, 이러한 두 가지의 오차를 모두 고려하여 입력토크를 산출하고 적용할 것이 필요하다.

이를 위해, 본 발명은 입력토크(

)를 센서에 의해 측정되는 지면으로부터의 작용토크(

)에 관한 값으로 목표토크(

)에 보상하고, 발목에서 가해지는 실제토크(

구체적으로, 입력토크(

)는 목표토크(

)에 작용토크(

)와 게인

을 곱한 값을 더하고, 실제토크(

)에 게인

를 곱한 값을 빼서 도출하도록 한다. (여기서,

그리고, 최종적으로 입력토크(

)는 식

을 통해 도출되게 되는 것이다. 즉, 로봇에 입력되는 입력토크를 지면으로부터 작용되는 작용토크에 관한 값으로 대체하고, 이에 발목에서 가해지는 실제토크를 피드백함으로써 두 가지의 오차가 모두 고려된 입력토크를 산출하는 것이다.

한편, 상기

는 식

을 통해 도출될 수 있고, 상기

는 식

을 통해 도출될 수 있다.

구체적으로, 로봇의 시스템에 대한 상태공간모델은 아래의 행렬식으로 표현될 수 있을 것이다.

그리고, LQR 제어를 위한 성능지수는 일반적으로 다음과 같이 표현된다.

또한, 이를 풀기 위한 해밀턴 방정식은 아래와 같이 표현된다.

상기 해밀턴 방정식에서 최대값 정리를 풀면 아래와 같이 구할 수 있다.

또한, 여기서

와 같이 표현될 수 있는데, 일반적인 LQ제어와는 달리 h가 포함되었기 때문에, 별도의 목표값(desired value, x_d)이 필요하다는 것을 알 수 있다.

이러한 정리를 통해, 결국 필요한 오차계수인

,

는 아래의 과정을 통해 도출됨을 알 수 있다.

상기 정리에서 볼 수 있듯이, 결국

는 식

을 통해 도출될 수 있고,

는 식 을 통해 도출될 수 있으며, 여기서 A,B,C는 시스템 행렬이고, Q와R은 LQR 제어에서의 필요한 성능계수로서 별도의 입력이 필요하다.

일반적으로, 사용자가 임의의 값을 고려해서 적용할 수 있는데, 에너지 효율 입장을 보다 고려할 때는 R값을 작게 하고, 에너지보다 최종 출력의 정밀도 및 세기를 중요시할 때는 Q값을 크게 하도록 한다.

또한, P값은 상기 해밀턴 정리의 식

에서, 최대인 x를 갖는 조건 하의 P를 구하여 사용하도록 할 경우 좀 더 시스템의 제어범위가 넓어지는 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims

로봇 발목에 입력되는 입력토크(
)를 센서에 의해 측정되는 지면으로부터의 작용토크(
)에 관한 값으로 목표토크(
)에 보상하고, 발목에서 가해지는 실제토크(
)에 관한 값을 피드백하여 도출함으로써 로봇의 보행 안정성을 확보하고,
상기 입력토크(
)는 목표토크(
)에 작용토크(
)와 게인
을 곱한 값을 더하고, 실제토크(
)에 게인
를 곱한 값을 빼서 도출하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 발목제어 방법.
(여기서,
는 로봇 발바닥과 지면 사이의 각도 차에 대한 오차보상계수이고,
는 동작의도와 발바닥의 움직임 각도 차에 대한 오차보상계수임.)
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 입력토크(
)는 식
을 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 발목제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기
는 식
을 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 발목제어 방법.
청구항 4에 있어서,
상기
는 식
을 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 발목제어 방법.