KR101371756B1

KR101371756B1 - 로봇의 보행제어방법

Info

Publication number: KR101371756B1
Application number: KR1020120147880A
Authority: KR
Inventors: 이석원; 양우성
Original assignee: 현대자동차(주)
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2014-03-12
Also published as: JP2014117795A; US9120513B2; US20140172168A1; DE102013103979A8; CN103862475A; DE102013103979A1; DE102013103979B4

Abstract

로봇의 발센서를 이용한 로봇의 보행제어방법으로서, 로봇이 보행상태인지를 판단하는 판단단계; 로봇이 보행상태인 경우 발센서를 이용하여 양발지지 또는 한발지지인지를 판단하는 구별단계; 로봇이 보행상태이고 양발지지인 경우, 자세유지제어를 수행하는 양발지지단계; 로봇이 보행상태이고 한발지지인 경우, 지지다리에서 중력보상과 중량물보상에 따른 지지제어를 수행하는 지지단계; 로봇이 보행상태이고 한발지지인 경우, 스윙다리에서 스윙을 위한 가상반력을 생성하는 스윙단계;를 포함하는 로봇의 보행제어방법이 소개된다.

Description

로봇의 보행제어방법 {METHOD FOR CONTROLLING WALKING OF ROBOT}

본 발명은 착용식 로봇의 각 상태에 따라 다양한 제어 알고리즘이 적용됨으로써, 착용자에게 안정감과 부하 저감 효과를 줄 수 있는 로봇의 보행제어방법에 관한 것이다.

본 발명은 미지의 중량 물체를 포함한 착용식 로봇의 하지 착용보행을 위한 보행 제어 알고리즘에 관한 것이다.

보행을 위한 착용식 로봇의 상태는 크게 직립과 보행의 두가지 상황이 존재한다.

초기 직립상태에서는 미지의 중량에 대하여 로봇의 자세를 유지함과 동시에, 보행상태에서는 지지다리/스윙다리에 대한 각각의 제어 알고리즘이 필요하게 된다.

종래의 KR10-1179159 B1 "착용형 로봇의 발 센서 장치 및 이를 이용한 착용자의 보행 의도 파악 방법"은 "착용형 로봇의 발 부재의 상면 중 착용자의 발의 발가락이 위치하는 영역에 설치되는 제1 센서, 상기 발 부재의 상면 중 상기 착용자의 발의 볼이 위치하는 영역에 설치되는 제2 센서, 상기 발 부재의 상면 중 상기 착용자의 발의 뒤꿈치가 위치하는 영역에 설치되는 제3 센서, 그리고 상기 제1 내지 제3 센서의 신호를 기초로 상기 착용자의 보행 의도를 판단하는 컨트롤러를 포함하며, 상기 제1 내지 제3 센서는 하중이 가해지는 경우 온(on) 되고 하중이 가해지지 않는 경우 오프(off) 되도록 구성되고, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 내지 제3 센서가 모두 오프 된 경우 착용자의 발이 허공에 위치하는 상태인 것으로 판단하고, 상기 제1 센서가 온 되고 상기 제2 센서와 상기 제3 센서는 오프 된 경우 발바닥 굽힘(plantar-flexion) 상태인 것으로 판단하며, 상기 제1 센서와 상기 제2 센서는 오프 되고 상기 제3 센서는 온 된 경우 뒤꿈치 닿음(heel strike) 상태인 것으로 판단하고, 상기 제1 내지 제3 센서가 모두 온 된 경우 상기 착용자가 발바닥 전체를 상기 발 부재에 부착한 상태로 서 있는 상태인 것으로 판단하는 착용형 로봇의 발 센서 장치"를 제시한다.

그러나, 상기와 같은 기술에 의하더라도, 그 발센서를 이용하여 보행을 안정적으로 제어할 수 있는 방안은 제시되지 않았던 것이다.

본 발명은 이러한 착용식 보행 로봇의 보행을 위하여 센서를 최소화한 보행 제어 알고리즘을 제안한다.

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.

KR

10-1179159

B1

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 착용식 로봇의 각 상태에 따라 다양한 제어 알고리즘이 적용됨으로써, 착용자에게 안정감과 부하 저감 효과를 줄 수 있는 로봇의 보행제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇의 보행제어방법은, 로봇의 발센서를 이용한 로봇의 보행제어방법으로서, 로봇이 보행상태인지를 판단하는 판단단계; 로봇이 보행상태인 경우 발센서를 이용하여 양발지지 또는 한발지지인지를 판단하는 구별단계; 로봇이 보행상태이고 양발지지인 경우, 자세유지제어를 수행하는 양발지지단계; 로봇이 보행상태이고 한발지지인 경우, 지지다리에서 중력보상과 중량물보상에 따른 지지제어를 수행하는 지지단계; 로봇이 보행상태이고 한발지지인 경우, 스윙다리에서 스윙을 위한 가상반력을 생성하는 스윙단계;를 포함한다.

상기 판단단계는 로봇의 발센서 또는 로봇 관절의 인코더를 이용하여 판단할 수 있다.

상기 판단단계는, 로봇이 보행상태가 아닌 경우 자세유지제어를 수행할 수 있다.

상기 지지단계는 지지다리에서 발센서를 이용하여 보행속도를 판단할 수 있다.

상기 스윙단계는 지지단계에서 파악된 보행속도에 따라 보폭 또는 발끝단의 이동속도를 빠르게 제어할 수 있다.

상기 스윙단계는 스윙다리의 발이 지면에서 떨어지는 순간 가상반력을 생성할 수 있다.

상기 스윙단계의 가상반력은 COS함수로서 반력의 인가시 크기가 최대값에서부터 점차 감소할 수 있다.

상기 발센서는 발의 길이방향을 따라 연속적으로 배치된 복수의 센싱소자로 구성될 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 로봇의 보행제어방법에 따르면, 직립상태에서 추가중량물의 중력을 측정하고 높이를 측정하여 로봇 자세를 변환하며 착용자의 외형에 맞게 초기 상태에서의 착용자의 자세를 유지하고 착용자에게 안정된 착용감을 제공해준다.

발센서를 통해 보행상태를 판별하는 알고리즘은 로봇의 양발지지/한발지지 상태에 따라 달라지는 제어 알고리즘을 선택적으로 입력하는데 주도적 역할을 수행할 수 있다.

또한, 한발지지 상태에서의 지지다리 제어 알고리즘은 로봇과 착용자에 의한 하중과 미지의 중량물을 지지함과 동시에 발바닥 센서 정보를 이용한 보행속도를 계산한다.

한발지지 상태에서의 스윙다리 제어 알고리즘은 로봇의 보행 전진을 위한 제어 알고리즘으로써, 가상 반력 생성과 보행제어를 통해 스윙을 보조해주는 역할을 한다.

양발지지 상태에서 자세유지 제어 알고리즘은 착용식 로봇의 작업 시 양발 지지상태에 대한 자세를 유지해준다.

이처럼 착용식 로봇의 각 상태에 따라 다양한 제어 알고리즘이 적용됨으로써 착용자에게 안정감과 부하 저감 효과를 준다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 수행을 위한 발센서를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 수행을 위한 가상반력을 나타낸 그래프.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 로봇의 보행제어방법에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 수행을 위한 발센서를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 수행을 위한 가상반력을 나타낸 그래프이다.

본 발명의 로봇의 보행제어방법은, 직립상태에서 추가중량물의 중력을 측정하고 높이를 측정하여 로봇 자세를 변환하며 착용자의 외형에 맞게 초기 상태에서의 착용자의 자세를 유지하고 착용자에게 안정된 착용감을 제공해준다.

그리고, 발센서를 통해 보행상태를 판별하는 알고리즘은 로봇의 양발지지/한발지지 상태에 따라 달라지는 제어 알고리즘을 선택적으로 입력하는데 주도적 역할을 수행할 수 있다.

따라서, 한발지지 상태에서의 스윙다리 제어 알고리즘은 로봇의 보행 전진을 위한 제어 알고리즘으로써, 가상 반력 생성과 보행제어를 통해 스윙을 보조해주는 역할을 한다. 이에 따라 양발지지 상태에서 자세유지 제어 알고리즘은 착용식 로봇의 작업 시 양발 지지상태에 대한 자세를 유지해준다.

구체적으로, 본 발명의 로봇의 보행제어방법은 기본적으로 로봇의 발센서를 이용한 로봇의 보행제어방법으로서 발센서를 부착한 착용식의 로봇에 적용될 수 있을 것이다. 그리고 산업현장에서 사용되는 로봇의 경우 중량물을 들어 옮기는 용도로 사용될 수 있다.

이러한 경우 착용상태에서의 보행시에는 균형이 요구되는바, 그 제어를 위해 먼저 초기 균형을 맞춘다. 이는 로봇의 각 관절에 마련된 모터의 인코더에 의해 로봇의 자세를 기구학적으로 파악한 후 중량물을 들었을 경우 그 중량물의 무게를 더하여 중력보상을 함으로써 로봇이 안정적인 자세를 이룰 수 있도록 하는 것이다.

그리고 로봇의 기본자세에서의 발부터 허리까지의 높이를 측정하여 보행시에도 그 높이가 되도록 유지함으로써 보행의 기본적인 제어를 수행한다.

구체적으로, 먼저 로봇이 보행상태인지를 판단하는 판단단계(S200)를 수행한다. 판단단계(S200)에서는 로봇의 발센서의 감지 또는 로봇 관절의 인코더를 이용하여 보행여부를 판단한다.

만약 로봇이 보행상태가 아니라면 판단단계(S200)는 로봇이 보행상태가 아닌 경우로서 자세유지제어를 수행하는 것이다. 자세유지제어는 로봇이 정적인 상태에서 균형을 이루도록 각 관절의 모터를 일정하게 토크가 유지되도록 하는 것이다.

그리고 만약 로봇이 보행상태인 경우에는 발센서를 이용하여 양발지지 또는 한발지지인지를 판단하는 구별단계(S400)를 수행한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 수행을 위한 발센서를 나타낸 도면으로서, 발센서는 발의 길이방향을 따라 연속적으로 배치된 복수의 센싱소자로 구성되어 센싱소자의 계측순서 또는 계측속도에 따라 보행여부와 발의 지지여부 및 보행속도 등을 관측할 수 있도록 하는 것이다.

따라서, 이러한 발센서를 이용하여 양발지지 또는 한발지지인지를 판단한다. 보행중에는 로봇의 다리가 왼발이 떨어지는 순간 오른발이 지지를 하고 왼발은 스윙을 한다. 그리고 왼발이 지면에 닿는 순간 양발지지가 되고 즉각 오른발이 덜어지며 왼발이 지지하고 오른발이 스윙하는 것이다.

따라서, 보행중에도 양발이 지지되는 찰나의 순간에는 자세유지제어를 수행하고, 일측 발이 떨어지는 순간 반력을 주어 다리를 드는 것을 도와주고, 타측 발은 지지를 위한 한발 균형제어를 수행하도록 하는 것이다.

따라서, 로봇이 보행상태이고 양발지지인 경우, 자세유지제어를 수행하는 양발지지단계(S700)를 수행한다. 즉, 보행중 오른발과 왼발이 모두 지면에 닿는 순간에는 양발지지로보아 자세유지제어를 수행하는 것이다.

또한, 로봇이 보행상태이고 한발지지인 경우, 지지다리에서 중력보상과 중량물보상에 따른 지지제어를 수행하는 지지단계(S500)를 수행한다. 즉, 지지다리는 한발로 로봇의 균형을 제어해야 하는바, 중력보상을 수행하여 기본적인 자세유지를 하고 중량물이 있을 경우 그 중량물의 무게도 감안하여 제어하는 것이다.

또한, 로봇이 보행상태이고 한발지지인 경우, 스윙다리에서 스윙을 위한 가상반력을 생성하는 스윙단계(S600)를 수행한다. 즉, 스윙다리의 경우 스윙다리의 발이 지면에서 떨어지는 순간 가상반력을 생성하도록 하는 것이다.

한편, 상기 지지단계(S500)는 지지다리에서 발센서를 이용하여 보행속도를 판단하도록 할 수 있다.

그리고, 상기 스윙단계(S600)는 지지단계에서 파악된 보행속도에 따라 보행 보폭을 늘리거나 줄이고, 또는 발끝단의 이동속로를 빠르게 또는 느리게 제어할 수 있는 것이다.

즉, 지지다리에서는 지지제어를 수행함과 동시에 발의 움직임을 살피어 발이 닿은 순간부터 떨어지는 순간까지 속도와 상태를 파악한다. 이를 통해 보행속도를 예측하고 이를 이용하여 속도에 따라 보폭의 길이를 변화하거나 발 끝단의 이동속도를 빠르게 변화되도록 보행제어를 수행하는 것이다.

또한, 상기 스윙단계(S600)는 스윙다리의 발이 지면에서 떨어지는 순간 가상반력을 생성하도록 한다. 즉, 지지다리는 보행이 진행되며 지면에서 떨어지는 순간 스윙다리로 전환되는데, 그 순간 반력을 생성하는 것과 같이 관절을 구동할 경우 착용자는 쉽게 다리를 들어 스윙할 수 있는 것이다. 따라서, 이 경우 스윙다리는 지면에서 발이 떨어지는 순간 가상의 반력이 생성되도록 관절을 제어하는 것이다.

그리고, 상기 스윙단계(S600)의 가상반력은 COS함수로서 반력의 인가시 크기가 최대값에서부터 점차 감소되도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 수행을 위한 가상반력을 나타낸 그래프로서, 도시된 바와 같이 주기와 쉬프팅값을 갖는 코사인함수를 통해 반력을 생성함으로써 초기 반력이 증가하고 서서히 반력이 감소되어 소멸되도록 할 경우 자연스러운 보행을 쉽게 도와줄 수 있는 것이다.

본 발명은 이처럼 착용식 로봇의 각 상태에 따라 다양한 제어 알고리즘이 적용됨으로써 착용자에게 안정감과 부하 저감 효과를 준다.

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.

S200 : 판단단계 S400 : 구별단계
S500 : 지지단계 S600 : 스윙단계
S700 : 양발지지단계

Claims

로봇의 발센서를 이용한 로봇의 보행제어방법으로서,
로봇이 보행상태인지를 판단하는 판단단계(S200);
로봇이 보행상태인 경우 발센서를 이용하여 양발지지 또는 한발지지인지를 판단하는 구별단계(S400);
로봇이 보행상태이고 양발지지인 경우, 자세유지제어를 수행하는 양발지지단계(S700);
로봇이 보행상태이고 한발지지인 경우, 지지다리에서 중력보상과 중량물보상에 따른 지지제어를 수행하는 지지단계(S500);
로봇이 보행상태이고 한발지지인 경우, 스윙다리에서 스윙을 위한 가상반력을 생성하는 스윙단계(S600);를 포함하는 로봇의 보행제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 판단단계(S200)는 로봇의 발센서 또는 로봇 관절의 인코더를 이용하여 판단하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 판단단계(S200)는 로봇이 보행상태가 아닌 경우 자세유지제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 지지단계(S500)는 지지다리에서 발센서를 이용하여 보행속도를 판단하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
청구항 4에 있어서,
상기 스윙단계(S600)는 지지단계에서 파악된 보행속도에 따라 보폭 또는 발끝단의 이동속도를 빠르게 제어하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 스윙단계(S600)는 스윙다리의 발이 지면에서 떨어지는 순간 가상반력을 생성하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
청구항 6에 있어서,
상기 스윙단계(S600)의 가상반력은 COS함수로서 반력의 인가시 크기가 최대값에서부터 점차 감소되는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 발센서는 발의 길이방향을 따라 연속적으로 배치된 복수의 센싱소자로 구성된 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.