KR101434386B1 - 로봇 제어 시스템 및 그의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다관절 다족 로봇의 관절 프레임의 길이를 가변 제어하는 로봇 제어 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것이다. 로봇은 로봇 관절을 2 족에서 4 족 또는 4 족에서 2 족으로 변형 시 관절의 길이를 동작에 대응되도록 가변시켜 자연스러운 동작을 연출할 수 있도록 제어하기 위하여, 관절의 하중이 큰 부분에 설치되는 엑츄에이터와, 관절 프레임의 길이를 가변 조절하기 위한 모션 모터를 구비한다. 로봇 제어 시스템은 엑츄에이터와 모션 모터로 전원을 공급하고, 데이터 통신을 이용하여 명령에 따른 동작 및 이동이 가능하도록 제어한다. 본 발명에 의하면, 로봇 관절을 2 족에서 4 족 또는 4 족에서 2 족으로 변형 시 관절의 길이를 동작에 대응되도록 가변시켜 자연스러운 동작을 연출할 수 있도록 제어한다.

Description

로봇 제어 시스템 및 그의 제어 방법{ROBOT CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THEREOF}

본 발명은 로봇 제어 시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 다관절 다족 로봇의 관절 프레임의 길이를 가변 제어하는 로봇 제어 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 가정용, 군사용, 산업용 등의 목적으로 2 족 보행, 4 족 보행 등이 가능한 다양한 형태의 로봇이 개발되고 있다. 특히, 인간형 로봇은 인간의 신체구조와 유사하게 만든 로봇으로서 인간의 동작과 유사한 동작을 수행하도록 하는 것이 그 제작 목적이 된다. 이러한 로봇은 인간의 관절과 유사한 관절의 운동을 통해 달리기, 걷기 등의 보행 동작 뿐만 아니라, 다양한 동작의 구현이 가능하여 동물과 유사한 형태로서 변형이 가능한 구조로도 제조되고 있다.

로봇 관절을 구동하는 방식으로는 모터 및 모터에 연결된 감속기를 이용하여 관절을 구동하는 기어 감속 방식이 통상적으로 많이 사용된다.

현재 출시되거나 개발중인 로봇은 2 족 또는 4 족 보행이 가능한 다관절 로봇으로 제안되고 있으며, 상지부나 하지부에 복수 개의 관절 프레임을 갖는다.

보행형 이동 로봇에 대한 기술은 이미 다양하게 공개되어 있는데, 공개된 기술은 예를 들어, 국내 등록특허공보 제10-0843863호(공고일 2008년 7월 3일)의 '보행식 이동 로봇 및 그 제어 방법, 보행식 이동 로봇을 위한 다리부 구조, 및 보행식 이동 로봇을 위한 가동 다리 유닛' 및, 동 등록특허공보 제10-0691401호(공고일 2007년 3월 12일)의 '2족 보행식 이동 로봇' 등이 있다.

그런데, 이러한 다관절 로봇은 2 족에서 4 족 보행형 또는 4 족에서 2 족 보행형으로 변형되어 움직일 경우, 관절 프레임의 길이가 일정하므로 동작이 부자연스러우며, 다양한 환경에 따라 움직임의 변화가 불가능하다.

예를 들어, 휴먼형 로봇은 2 족 보행형에서 4 족 보행형으로 자세를 변형이 가능하나, 실제로 강아지 로봇 등과 같은 4 족 보행형 로봇의 형태와 동작을 구현하는데는 한계가 있다. 이는 생물학적으로 각각의 골격 구조가 다르고, 이에 따라 로봇 설계 시 구동하거나 제어하는 시도가 다르기 때문이다.

뿐만 아니라, 2 족에서 4 족 보행형 또는 4 족에서 2 족 보행형으로 변형 시, 무게 중심 이동이 변형되어 보행 환경 조건에 적합하게 이동하는 것이 매우 어렵다.

그러므로, 종래기술의 로봇은 2 족에서 4 족 보행형 또는 4 족에서 2 족 보행형으로 변형 시에 안정적인 동작 및 이동이 가능하도록 제어하는 제어 장치가 필요하다.

본 발명의 목적은 다관절 다족 로봇의 관절 프레임의 길이를 가변 제어하는 로봇 제어 시스템 및 그의 제어 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다관절 다족 로봇의 관절 프레임의 길이를 가변 조절하여 안정적으로 동작 및 이동하도록 제어하는 로봇 제어 시스템 및 그의 제어 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 로봇 관절을 2 족에서 4 족 또는 4 족에서 2 족으로 변형 시 관절의 길이를 동작에 대응되도록 가변시켜 자연스러운 동작을 연출할 수 있도록 제어하는 로봇 제어 시스템 및 그의 제어 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위한, 본 발명의 로봇 제어 시스템은 로봇 관절을 2 족에서 4 족 또는 4 족에서 2 족으로 변형 시 관절의 길이를 동작에 대응되도록 가변시켜 자연스러운 동작을 연출할 수 있도록 제어하는데 그 한 특징이 있다.

이 특징에 따른 본 발명의 로봇의 상지부 및 하지부에 설치되는 길이 가변 관절 프레임을 구비하는 상기 로봇을 제어하는 로봇 제어 시스템은, 적어도 하나의 거리 센서와, 적어도 하나의 모션 센서를 구비하여, 상기 로봇의 동작 및 이동에 따른 거리 및 움직임을 감지하는 센서부와; 상기 로봇의 관절에 설치되어 상기 로봇의 동작 및 이동을 처리하는 복수 개의 엑츄에이터와; 상기 길이 가변 관절 프레임에 설치되어 2 족에서 4 족 보행 또는 4 족 보행에서 2 족 보행 시 상기 길이 가변 관절 프레임의 길이를 조절하는 복수 개의 RC 모터 및; 상기 엑츄에이터 및 상기 RC 모터의 전원을 공급하고, 상기 엑츄에이터 및 상기 RC 모터와 데이터 통신하여 명령에 대응하여 상기 로봇을 동작 및 이동시키는 제어부를 포함한다.

한 실시예에 있어서, 상기 로봇 제어 시스템은 상기 제어부와 상호 통신 가능한 오퍼레이터, 상기 제어부를 티칭하는 컴퓨터를 적어도 하나 포함하여, 상기 제어부와 데이터 통신하여 로봇의 동작 및 이동을 제어한다.

다른 실시예에 있어서, 상기 엑츄에이터는; 평상시 가장 큰 하중을 받는 무릎과, 순간적으로 큰 하중을 받는 발목 및, 보행 시 큰 하중을 받는 스와핑 부분에 설치되는 다이나믹셀 모터로 구비된다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 제어부는; 상기 엑츄에이터와 상기 RC 모터들로 전원을 공급하는 전원부와; 상기 엑츄에이터와 상기 RC 모터들과 데이터 통신을 처리하는 통신 인터페이스부와; 상기 길이 가변 관절 프레임의 길이를 가변 조절하도록 상기 RF 모터의 동작 속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 출력하는 PWM 제어부 및; 상기 센서부로부터 감지된 정보를 받아들이고, 상기 명령 및 상기 감지된 정보에 대응하여 상기 로봇의 동작 및 이동을 제어하는 연산 처리부를 포함한다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 로봇 제어 시스템은; 상기 전원부로부터 전원을 공급받아서 상기 엑츄에이터 및 상기 RC 모터로 전원을 공급하는 전원 공급부를 더 포함하되; 상기 전원 공급부는; 상기 엑츄에이터와 상기 RC 모터로 각각 서로 다른 전원을 공급하는 제1 및 제2 레귤레이터를 구비한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 복수 개의 관절 프레임을 구비하는 보행 로봇에서 2 족 또는 4 족 보행에 따른 상기 관절 프레임의 길이를 가변 조절하도록 제어하는 로봇 제어 시스템의 제어 방법이 제공된다.

이 특징에 따른 로봇 제어 시스템의 제어 방법은, 상기 로봇 제어 시스템으로 모션 명령이 입력되면, 상기 관절 프레임을 동작시키는 엑츄에이터와 상기 관절 프레임의 길이를 가변시키는 RC 모터들 간의 통신 상태를 체크하는 단계와; 상기 통신 상태가 양호하면, 입력된 명령을 체크하고, 상기 명령에 대응하는 모션별 동작을 제어하는 단계와; 상기 명령에 대응하여 상기 RC 모터를 제어하여 상기 관절 프레임의 길이를 제어하는 단계와; 상기 엑츄에이터를 제어하여 상기 로봇을 상기 명령에 대응하여 동작 및 이동시키는 단계를 포함한다.

한 실시예에 있어서, 상기 제어 방법은; 상기 모션 명령이 입력되기 전에 상기 로봇 제어 시스템을 초기화하는 단계를 더 포함한다.

다른 실시예에 있어서, 상기 제어 방법은; 상기 로봇 제어 시스템이 초기화되면, 상기 로봇 제어 시스템의 통신 상태 초기와, 하드웨어 초기화와, 상기 엑츄에이터 및 상기 RC 모터의 초기 위치 이동을 처리하고, 상기 모션 명령을 받아서, 분석하여, 상기 로봇의 모션 동작을 제어하는 단계를 더 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 로봇 제어 시스템은 길이 가변 관절 프레임을 구동하는 복수 개의 RC 모터와 로봇이 하중이 큰 부분에 설치되는 엑츄에이터로 서로 다른 전원을 공급하고, 데이터 통신을 이용하여 명령에 대응하여 제어함으로써, 로봇 관절을 2 족에서 4 족 또는 4 족에서 2 족으로 변형 시 관절의 길이를 동작에 대응되도록 가변시켜 자연스러운 동작을 연출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2 족 또는 4 족 보행을 위한 복수 개의 가변 길이 조절 가능한 관절 프레임을 구비하는 로봇의 구성을 도시한 사시도;
도 2는 도 1에 도시된 로봇의 2 족 보행에서 4 족 보행에 따른 동작 상태를 나타내는 도면;
도 3은 도 1에 도시된 로봇의 일부 구성을 도시한 도면;
도 4 내지 도 6은 도 3에 도시된 관절 프레임의 구성을 도시한 도면;
도 7은 본 발명에 따른 로봇 제어 시스템의 구성을 도시한 블럭도;
도 8은 도 7에 도시된 제어부의 전원 공급 및 신호 전송을 위한 구성을 도시한 블럭도;
도 9는 본 발명에 따른 로봇 제어 시스템의 제어 수순을 도시한 흐름도; 그리고
도 10은 본 발명에 따른 로봇 제어 시스템의 길이 가변 제어 수순을 도시한 흐름도이다.

본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.

이하 첨부된 도 1 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명은 본 출원인에 의해 기출원된 국내 특허출원번호 제10-2012-0010323호(출원일 2012년 2월 1일)의 '길이 가변 프레임 모듈 및 이를 구비하는 보행형 이동 로봇', 동 특허출원번호 제10-2012-0010322호(출원일 2012년 2월 1일)의 '캠 기어를 이용한 길이 가변 프레임 모듈 및 이를 구비하는 보행형 이동 로봇' 및/또는 동 특허출원번호 제10-2012-0073648호(출원일 2012년 7월 6일)의 '로봇 관절 길이 가변 장치'에서 관절 프레임의 길이를 가변 제어하기 위한 로봇 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2 족 또는 4 족 보행을 위한 복수 개의 가변 길이 조절 가능한 관절 프레임을 구비하는 보행형 로봇의 구성을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 로봇의 2 족 보행에서 4 족 보행에 따른 동작 상태를 나타내는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 보행형 로봇(2)은 2 족 또는 4 족 보행이 가능한 다관절 로봇으로, 몸체(4)의 상부 및 하부 각각에 복수 개의 상지부(6)와 하지부(8)를 구비한다. 상지부(5) 및 하지부(8) 각각에는 복수 개의 길이 가변 관절 프레임(도 3의 10)을 구비하며, 각 길이 가변 관절 프레임(10)은 2 족 보행에서 4 족 보행으로 동작하거나 4 족 보행에서 2 족 보행으로 동작할 때, 안정적인 동작 및 이동이 가능하도록 길이가 가변 조절 가능하다.

이를 위해 본 발명의 로봇(2)은 도 2에 도시된 바와 같이, 2 족형으로 동작 및 이동 중(a)에 4 족형으로 변형될 때(b), 하지부(8)의 길이를 상지부(6)와 동일한 길이로 가변(8')하여 4 족 보행이 이루어지도록 제어한다.

이 실시예에서 로봇(2, 2')은 2 족 보행에서 4 족 보행으로 동작하거나 4 족 보행에서 2 족 보행으로 동작할 때, 하지부(8, 8')의 길이를 가변하도록 제어하는 구성을 갖는다. 물론 다른 실시예로서는 상지부 및/또는 하지부의 길이를 가변하도록 제어할 수도 있음은 자명하다.

따라서 본 발명은 2 족 및 4 족 보행이 가능한 로봇(2)의 동작 및 이동을 제어하기 위한 로봇 제어 시스템(도 7의 100)을 구비한다.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 관절 프레임과 로봇 제어 시스템에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 도 1에 도시된 로봇의 일부 구성을 도시한 도면이고, 도 4 내지 도 6은 도 3에 도시된 관절 프레임의 구성을 도시한 도면들이다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 이 실시예의 관절 프레임(10)은 형상 기억 부재를 이용하여 관절의 길이를 가변 조절하는 관절 프레임으로, 한 쌍으로 이루어진 길이 조절 프레임(12)과 길이 조절 프레임(12)에 연결되어 전열에 의해 인장과 압축되는 형상 기억 부재(20)와 길이 조절 프레임(10)의 왕복 이동 시, 길이 조절 프레임(12)과 직교된 방향으로 간격이 확장 및 축소되며 이동하는 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)과 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)이 서로 밀착되도록 압축력을 제공하는 탄성부재(40)를 포함한다.

한 쌍의 길이 조절 프레임(12)은 금속 또는 합성 수지재로 구성된다. 중앙부위에는 다수 개의 홈(14)이 형성되어 있으며, 길이 연장 부재(16)가 구비된다. 길이 연장 부재(16)는 복수 개의 롤러 형상을 가지며, 각각 이격된 상태로 설치된다. 또한 한 쌍의 길이 조절 프레임(12)에는 길이 연장 부재(16)의 반대편 단부로 가이드편(18)이 구성된다. 가이드편(18)은 한 쌍의 길이 조절 프레임(12)과 일체 또는 분리된 상태로 결합될 수 있으며, 길이 조절 프레임(12)의 폭보다 확장된 폭으로 구성된다.

또한 한 쌍의 길이 조절 프레임(12)은 안내 바(Guide Bar)(50)에 의해 가이드되며 이동된다. 안내 바(50)는 금속재 또는 합성 수지재로 제조될 수 있으며, 한 쌍의 길이 조절 프레임(12)에 한 쌍으로 설치된다. 즉, 한 쌍의 길이 조절 프레임(12)은 안내 바(50)와 결합되기 위하여 결합공(19)이 천공되어 있다. 이 때, 한 쌍의 길이 조절 프레임(12)은 결합공(19)의 크기가 안내 바(50)의 직경보다 크게 천공되어 안내 바(50)를 따라 부드럽게 슬라이드되며 이동하게 된다.

이러한 한 쌍의 길이 조절 프레임(12)은 형상 기억 부재(20)를 통해 연결되어 형상 기억 부재(20)의 가변되는 길이에 따라 서로 밀착되거나 이격되는 왕복 이동을 하게 된다.

형상 기억 부재(20)는 길이 조절 프레임(12)에 형성된 다수 개의 홈(14)에 걸림되는 형상 기억 와이어로 구성될 수 있다. 이와 같은 형상 기억 부재(20)는 길이 조절 프레임(12)을 연결 시, 단일 와이어로 길이 조절 프레임(12)을 권취시키는 형태로 연결될 수 있다. 이러한 이유는 형상 기억 부재(20)가 길이 조절 프레임(12)의 홈(14)에 각각 연결되어 여러 지점으로 전기를 공급받도록 구성된 것보다 한 지점으로 전기를 공급받아 전열에 의해 인장되도록 하는 것이 설계상의 편리성과 전기 소모를 절약할 수 있기 때문이다.

여기서, 형상 기억 부재(20)는 전기를 공급받게 되면 전열에 의해 길이가 인장되었다가 전기를 공급받지 않게 되면 원래 길이로 복원된다. 따라서, 형상 기억 부재(20)에 전기가 공급되면 한 쌍의 길이 조절 프레임(12)의 거리가 이격될 수 있는 조건이 확보되고, 반대로 전기가 공급되지 않으면 한 쌍의 길이 조절 프레임(12)이 원위치로 복귀할 수 있는 조건이 확보되는 것이다.

한편, 한 쌍의 길이 조절 프레임(12) 사이에는 길이 조절 프레임(12)의 왕복 이동에 따라 간격이 조절되는 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)이 설치된다. 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)은 한 쌍의 길이 조절 프레임(12)의 폭방향으로 각각 마주보며 배치되고, 마주보는 내면에 만곡부(32)가 형성된다. 따라서, 한 쌍의 길이 조절 프레임(12)이 형상 기억 부재(20)의 인장과 복원에 따라 서로 밀착되거나 이격될 때에는 길이 조절 프레임(12)의 가이드편(18)이 보조 길이 조절편(30)의 만곡부(32)를 따라 이동하게 되면서 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)의 간격을 확장시키거나 밀착시키게 된다.

이 때, 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)의 밀착은 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)에 연결된 탄성부재(40)를 통해 가능하다. 즉, 탄성부재(40)는 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)을 서로 밀착시키도록 작용하는 여러 형태의 스프링이 사용될 수 있지만, 본 발명에서는 압축 코일 스프링이 설치된 것으로 설명한다.

압축 코일 스프링은 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)에 적어도 두 개 이상 설치될 수 있으며, 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)의 양측면에 각각 두 개씩 설치되어 균일한 탄성 복원력을 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)에 제공된다.

또한 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)은 한 쌍의 길이 조절 프레임(12)의 왕복 이동 시, 안정적인 이동이 가능하도록 안내 샤프트(60)에 결합된다. 안내샤프트(60)는 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)과 안내 바(50)를 통과하도록 설치된다. 이에 따라 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)이 안내 샤프트(60)를 따라 양측으로 이동하게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 길이 가변 관절 프레임(10)은 도 3에 도시된 바와 같이, 2 족 또는 4 족으로 이루어진 로봇(2)의 관절에 설치된다.

2 족 로봇(2)의 팔에 설치된 상태에서 4 족 로봇(2')으로 변형되는 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이, 로봇(2')이 허리 부분을 구부리면서 양팔을 지면에 밀착시키게 된다. 이 때, 본 발명의 길이 가변 관절 프레임(10)에는 도 6에 도시된 바와 같이, 전기가 공급되면서 전열에 의해 형상 기억 부재(20)가 인장되기 시작한다.

형상 기억 부재(20)가 인장되기 시작하면, 한 쌍의 길이 조절 프레임(12)은 안내 바(50)를 따라 점차 이격된다. 한 쌍의 길이 조절 프레임(12)이 이격되는 과정에서는 그 하단에 구성된 가이드편(18)이 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)의 만곡부(32)로부터 슬라이드되면서 곡면 하단으로 이동하게 된다. 그러면, 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)은 안내 샤프트(60)를 따라 점차 서로 간격이 이격된다.

따라서, 2 족 로봇(2)이 4 족 로봇(2')으로 동작을 변형하는 경우 4 족으로 변형된 로봇(2')의 팔 또는 다리가 자연스럽게 연장된 길이를 유지할 수 있게 됨에 따라, 자연스러운 4 족 로봇(2')의 자세를 연출할 수 있게 된다.

이후, 4 족 로봇(2')에서 2 족 로봇(2)으로 변형하는 경우에는 길이 가변 관절 프레임(10)에 전기 공급을 중단한다. 전기 공급이 중단되면, 형상 기억 부재(20)가 원래 길이로 복원됨으로 한 쌍의 보조 길이 조절편(30)이 탄성부재(40)의 복원력에 의해 서로 밀착되기 시작한다.

이에 따라, 보조 길이 조절편(30)의 만곡부(32)를 따라 곡면 하부로 이동되었던 가이드편(18)이 다시 만곡부(32)의 중심 방향으로 이동하게 됨으로써, 한 쌍의 길이 조절 프레임(12)은 원위치로 복귀하게 된다.

따라서, 본 발명의 길이 가변 관절 프레임(10)를 로봇(2)의 팔이나 다리 또는 길이를 연장시키거나 축소시키기 위한 다양한 부위에 설치하더라도 매우 자연스러운 동작 연출이 가능하게 된다.

이러한 동작을 자연스럽게 제어하기 위하여 본 발명의 로봇 제어 시스템(100)은 각각의 길이 가변 관절 프레임(10)에 설치되어, 2 족 또는 4 족 보행에 따른 관절의 길이를 가변 조절을 위한 복수 개의 RC 모터(130)와, 모션 동작을 위한 복수 개의 다이나믹셀 모터(130)를 제어한다.

도 7은 본 발명에 따른 로봇 제어 시스템의 구성을 도시한 블럭도이고, 도 8은 도 7에 도시된 제어부의 전원 공급 및 신호 전송을 위한 구성을 도시한 블럭도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 로봇 제어 시스템(100)은 센서부(120)와, 복수 개의 다이나믹셀 모터(130)와, 복수 개의 RC 모터(140) 및 제어부(110)를 포함한다. 또 로봇 제어 시스템(100)은 제어부(110)와 상호 통신 가능한 오퍼레이터(70)와 컴퓨터(80)를 구비한다. 오퍼레이터(70)는 로봇(2)의 제어부(110)와 데이터 통신하여 로봇(2)의 동작 및 이동을 제어한다. 그리고 컴퓨터(80)는 로봇 제어 시스템(100)의 통신 상태, 하드웨어 등을 초기화하고, 각 모터(130, 140)의 초기 위치를 초기화하여, 동작 및 이동에 따른 정보를 제어부(110)의 메모리 장치(미도시됨)에 저장하도록 처리하는 티칭 프로그램(82)을 구비한다.

이러한 로봇 제어 시스템(100)은 센서부(120)와, 다이나믹셀 모터(130)들과 RC 모터(140)들로 전원을 공급함과 동시에 통신 네트워크를 구성하기 위한 통신 인터페이스부(113)를 이용하여 로봇의 척추와 같은 역할을 수행한다. 이를 위해 로봇 제어 시스템(100)은 다이나믹셀 모터(130)와 RC 모터(140)들 및 제어부(110)의 전원을 공급하기 위한 전원부(115)를 갖는다.

구체적으로, 센서부(120)는 적어도 하나의 거리 센서(122)와, 적어도 하나의 모션 센서(124)를 포함한다. 센서부(120)는 제어부(110)의 제어를 받아서 로봇(2)의 동작 및 이동에 따른 거리 및 움직임을 감지하여 제어부(110)로 감지된 정보를 제공한다.

다이나믹셀 모터(130)는 로봇 전용 엑츄에이터(actuator)로서, 고 토크의 모터로 구비된다. 다이나믹셀 모터(130)는 부하가 집중된 부분에 설치된다. 다이나믹셀 모터(130)는 예를 들어, 평상시 가장 큰 하중을 받는 부분인 로봇(2)의 무릎과, 순간적으로 큰 하중을 받는 부분인 발목 및, 보행 시 큰 하중을 받는 스와핑 부분 등에 설치된다.

이러한 다이나믹셀 모터(130)는 데이터 통신을 이용하여 로봇(2)의 동작 및 이동을 제어하고, 감속 기어, 제어기, 구동부 및 통신부로 구성된다. 예를 들어, 다이나믹셀 모터(130)는 휴머노이드 로봇의 구현에 사용되는 로보틱(Robotic) 사의 모듈형 서보 모터로 구비된다. 이 때, 로봇(2)의 하지부에는 상지부 보다 높은 토크를 갖는 다이나믹셀 모터(130)로 구비되는 것이 바람직하다.

또 이러한 다이나믹셀 모터(130)는 모듈형의 분산 제어 구조를 가지므로, 한 번의 명령으로 구동 스케쥴을 설정할 수 있기 때문에 제어부(110)에서 매우 적은 리소스로 복수 개를 제어할 수 있으며, 높은 분해능 예를 들어, 4096 단계의 분해능으로 위치와 속도를 제어할 수 있다. 또한 다이나믹셀 모터(130)는 현재 위치와 속도 및 구동 중인 하중의 크기를 피드백 받을 수 있으며, 내부에 포텐셔미터(potentiometer)를 사용하여 절대 위치를 읽을 수 있다. 또한 통신 인터페이스부(113) 예를 들어, RS-485 프로토콜을 이용하여 복수 개의 다이나믹셀 모터(130)를 데이터 체인으로 연결함으로써, 확장성이 좋고 배선이 간단하게 설치되며, 메탈 기어를 사용하여 높은 토크를 내는 장점이 있다.

뿐만 아니라, 다이나믹셀 모터(130)는 내부적으로 PID 제어기를 사용하고 있으며, 목적 위치의 여유값이나 출력값의 기울기 등을 사용자 임의적으로 조절함으로써, 응답 속도와 정확도 등을 설정 가능하다.

따라서 다이나믹셀 모터(130)는 한번 명령을 받으면 다음 명령이 받기 전까지의 상태를 유지한다. 그리고 RS-485 통신 프로토콜 타입으로 패킷 데이터를 받아서 동작하므로, 항상 모든 패킷 데이터로 된 명령을 수신받고, 그 명령 중에 자신에게 해당되는 사항이 있을시에만 동작한다. 또 다이나믹셀 모터(130)는 하나의 패킷 데이터에 한 개의 모터에 대한 명령만을 포함되어 있을 시엔 명령 수신 여부,에러 피드백 등이 가능하다. 또 다이나믹셀 모터(130)는 전체적인 모터 상태 체크 후, 하나의 패킷별로 4 개씩 모터 구동 명령을 순차적으로 전송하여, 한꺼번에 많은 모터를 구동하게 될 경우, 하중에 의해 과다한 전류가 흐르는 것을 방지한다.

RF 모터(140)는 제어부(110)의 제어를 받아서 관절 프레임(150)의 길이를 조절한다. RF 모터(140)는 예를 들어, PWM 제어부(117)를 통해 관절 프레임(150)의 길이를 가변 조절하도록 제어된다.

이러한 RC 모터(140)는 관절 프레임(150)에 사용되므로, 다른 관절에 사용되는 모터보다 제어량이 많지 않고 단순하여서 최소한의 모터 사양으로 채택 가능하다. RC 모터(140)는 병렬적인 신호 체계로 제어 가능하므로, 모터수가 늘어날수록 배선이 복잡해지지만, 로봇에 적용할 가변 길이 부위는 특정 부위에 집중되어 있지 않고 전체적으로 분산되어 배치되어 있어서 배선이 문제가 되지 않는다. 또한 실시간으로 많은 동작을 하지 않고, 정적인 단순 동작을 하기 때문에 고사양의 모터가 필요 없다.

연산 처리부((111)는 제어부(110)에서 로봇(2)의 다관절을 신속하고 정확하게 움직이도록 처리한다. 또한 연산 처리부((111)는 외부 환경의 변화 정보를 신속하게 얻기 위해 센서부(120)와의 인터페이스와 데이터를 실시간으로 처리한다. 이를 위해 연산 처리부((111)는 관절의 가변 길이 변형과 동시에 4 족 보행을 진행하도록 하기 때문에, 32 비트의 Cortex-M0 코어 프로세서를 사용한다. 이 코어 프로세서는 로봇(2)의 알고리즘의 처리에 적절한 성능을 보여줄 뿐 만 아니라 다양한 기능을 가지기 때문에 차후 로봇(2)의 기능 확장에 대비할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이 실시예에서 연산 처리부(111)는 가격 경쟁력이 높은 예를 들어, 뉴마이크로(NuMicro) 사의 NUC 계열의 칩으로 구비한다.

통신 인터페이스부(113)는 다이나믹셀 모터(130) 및 RC 모터(140)를 제어하기 위하여 제어부(110)와 다이나믹셀 모터(130)들 및 RC 모터(140)들 간의 데이터 통신을 제공한다. 통신 인터페이스부(113)는 예를 들어, 다이나믹셀 모터(130) 및 RC 모터(140)를 제어하기 위하여 제어부(110)의 신호를 RS-485 프로토콜 타입의 신호로 변환하여 출력한다.

전원부(115)는 연산 처리부(111)의 제어를 받아서 제어부(110)의 전원을 공급하고, 다이나믹셀 모터(130)와, RC 모터(140)의 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(112)로 전원을 공급한다.

전원 공급부(112)는 전원부(115)로부터 전원을 공급받아서 다이나믹셀 모터(130)와, RC 모터(140)의 전원을 각각 공급하는 제1 및 제2 레귤레이터(114, 116)를 구비한다. 이 실시예에서 제1 및 제2 레귤레이터(114, 116) 각각은 다이나믹셀 모터(130)와, RC 모터(140)로 12 V 및 5 V의 전원을 공급한다.

즉, 길이 가변 관절 프레임(10)은 형상 기억 부재(20)로 흐르는 전류에 따라 길이 변형하는 구조이므로, RC 모터(140)는 모듈당 필요로 하는 전류량이 크기 때문에 다이나믹셀 모터(130)의 전원과는 별도로 전력이 공급된다. 그 전류를 제어하기 위해서 릴레이 등을 이용하여 5 V 전압을 공급한다.

PWM 제어부(117)는 연산 처리부(111)의 제어를 받아서 명령에 따른 관절 프레임(10)의 길이를 가변 조절하도록 하기 위하여 PWM 신호를 RC 모터(140)들로 출력한다. 즉, PWM 제어부(117)는 PWM 신호 적용하여 RC 모터(140)의 동작 속도를 제어한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 로봇 제어 시스템(100)은 길이 가변 관절 프레임(10)의 길이를 조절하여 2 족 보행에서 4 족 보행 시 또는 4 족 보행에서 2 족 보행 시, 관절 프레임(150)의 길이를 조절하도록 RC 모터(140)를 제어한다.

도 9는 본 발명에 따른 로봇 제어 시스템의 제어 수순을 도시한 흐름도이다.

도 9를 참조하면, 단계 S200에서 로봇 제어 시스템(100)을 초기화한다. 예를 들어, 초기화 과정은 오퍼레이터(70) 및 컴퓨터(80)와 데이터 통신하여 명령에 대응되는 정보들을 제어부(110)의 메모리 장치(미도시됨)에 저장하고, 제어부(110)와 다이나믹셀 모터(130), RC 모터(140) 등과의 통신 상태 초기화와, 하드웨어 초기화와, 각 다이나믹셀 모터(130) 및 RC 모터(140)의 초기 위치 이동 등을 처리한다.

단계 S202에서 오퍼레이터(70) 또는 컴퓨터(80)로부터 명령이 있는지를 판별한다. 판별 결과, 명령이 있으면, 단계 S204에서 메모리 장치에 저장된 정보와 비교하여 명령을 분석하고, 단계 S206에서 각 명령에 따른 모터(130, 140)의 목적지를 확인한다.

단계 S208에서 모터(130, 140)의 현재 위치를 확인하고, 단계 S210에서 현재 위치와 목적지 위치 간의 거리 및 동작에 따라 움직일 거리를 계산한다.

단계 S212에서 계산된 거리에 대응하여 로봇(2)의 모션 동작을 제어한다. 이어서 단계 S214에서 동작이 완료되는지를 판별하고, 동작이 완료되면, 단계 S202로 진행하여 다음 명령을 받을 때까지 대기한다.

그리고 도 10은 본 발명에 따른 로봇 제어 시스템의 길이 가변 제어 수순을 도시한 흐름도이다.

도 10을 참조하면, 단계 S300에서 제어부(110)로 모션 명령이 입력되면, 단계 S302에서 다이나믹셀 모터(130) 및 RC 모터(140)들 간의 통신 상태를 체크한다. 이 때, 통신 상태가 불량인 경우에는 단계 S304에서 통신 상태를 점검하여 이상이 없도록 유지보수하고, 다시 단계 S300으로 진행한다.

그러나 통신 상태가 양호하면, 단계 S306으로 진행하여 명령을 체크한다.

단계 S308에서 명령에 대응하는 모션별 동작을 제어한다. 단계 S310에서 명령에 대응하여 RC 모터(140)를 제어하여 가변 길이 관절 프레임(10)의 길이를 제어한다. 단계 S312에서 명령에 따른 동작 및 이동이 가능하도록 로봇 엑츄에이터 즉, 다이나믹셀 모터(130)를 제어한다.

단계 S308 내지 단계 S312에서 각 모터(130, 140)의 목표 위치로 가기 위한 세부적인 제어 예를 들어, 속도, 토크 등을 스스로 처리하므로, 제어부(110)에서 다이나믹셀 모터(130) 및 RC 모터(140)들로 통신 프로토콜에 따라 패킷 데이터를 전송하여 명령이 입력되면, 제어부(110)는 이를 해석해서 해당 동작을 시간에 따라 각 모터(130, 140)에 동작 명령을 전달한다. 이어서 단계 S314에서 가변 길이 조절된 로봇(2)을 명령에 대응하여 동작 및 이동시킨다.

이상에서, 본 발명에 따른 로봇 제어 시스템의 구성 및 작용을 상세한 설명과 도면에 따라 도시하였지만, 이는 실시예를 들어 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다.

10 : 길이 가변 관절 프레임 70 : 오퍼레이터
80 : 컴퓨터 100 : 로봇 제어 시스템
110 : 제어부 111 : 연산 처리부
112 : 전원 공급부 113 : 통신 인터페이스부
114 : 제1 레귤레이터 115 : 전원부
116 : 제2 레귤레이터 117 : PWM 제어부
120 : 센서부 122 : 거리 센서
124 : 모션 센서 130, 132, 134 : 다이나믹셀 모터
140, 142, 144 : RC 모터 150 : 관절 프레임

Claims (8)

1. 로봇의 상지부 및 하지부에 설치되는 길이 가변 관절 프레임을 구비하는 상기 로봇을 제어하는 로봇 제어 시스템에 있어서:
   적어도 하나의 거리 센서와, 적어도 하나의 모션 센서를 구비하여, 상기 로봇의 동작 및 이동에 따른 거리 및 움직임을 감지하는 센서부와;
   상기 로봇의 관절에 설치되어 상기 로봇의 동작 및 이동을 처리하는 복수 개의 엑츄에이터와;
   상기 길이 가변 관절 프레임에 설치되어 2 족에서 4 족 보행 또는 4 족 보행에서 2 족 보행 시 상기 길이 가변 관절 프레임의 길이를 조절하는 복수 개의 RC 모터와;
   제어부와 데이터 통신하여 로봇의 동작 및 이동을 제어하는 오퍼레이터 또는 제어부를 티칭하는 컴퓨터; 및
   상기 엑츄에이터 및 상기 RC 모터의 전원을 공급하는 전원부와, 상기 엑츄에이터와 상기 RC 모터들과 데이터 통신하는 통신 인터페이스부와, 상기 길이 가변 관절 프레임의 길이를 가변 조절하도록 상기 RC 모터의 동작 속도를 제어하기 위한 PWM 신호를 상기 엑츄에이터 및 상기 RC 모터로 출력하기 위해 상기 통신 인터페이스부를 통해 데이터 통신하는 PWM 제어부 및 상기 센서부로부터 감지된 정보를 받아들이고 상기 감지된 정보와 상기 오퍼레이터 또는 컴퓨터로부터 상기 로봇의 동작 및 이동을 제어하는 명령에 대응하여 상기 명령을 상기 엑츄에이터 및 상기 RC 모터로 출력하기 위해 상기 통신 인터페이스부를 통해 데이터 통신하는 연산 처리부를 포함하여 구성되고, 상기 로봇을 동작 및 이동시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 시스템.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 엑츄에이터는;
   평상시 가장 큰 하중을 받는 무릎과, 순간적으로 큰 하중을 받는 발목 및, 보행 시 큰 하중을 받는 스와핑 부분에 설치되는 다이나믹셀 모터로 구비되는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 시스템.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 로봇 제어 시스템은;
   상기 전원부로부터 전원을 공급받아서 상기 엑츄에이터 및 상기 RC 모터로 전원을 공급하는 전원 공급부를 더 포함하되;
   상기 전원 공급부는;
   상기 엑츄에이터와 상기 RC 모터로 각각 서로 다른 전원을 공급하는 제1 및 제2 레귤레이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 시스템.
6. 복수 개의 관절 프레임을 구비하는 보행 로봇에서 2 족 또는 4 족 보행에 따른 상기 관절 프레임의 길이를 가변 조절하도록 제어하는 제1항, 제3항 및 제5항 중 어느 한 항에 따른 로봇 제어 시스템의 제어 방법에 있어서:
   상기 로봇 제어 시스템의 제어부로 모션 명령이 입력되면, 상기 제어부의 연산처리부가 상기 관절 프레임을 동작시키는 엑츄에이터와 상기 관절 프레임의 길이를 가변시키는 RC 모터들과 상기 제어부의 통신인터페이스부 간의 통신 상태를 체크하는 단계와;
   상기 통신 상태가 양호하면, 상기 입력된 명령을 체크하고, 상기 명령에 대응하는 모션별 동작을 제어하는 단계와;
   상기 명령에 대응하여 상기 RC 모터를 제어하여 상기 관절 프레임의 길이를 제어하는 단계 및;
   상기 엑츄에이터를 제어하여 상기 로봇을 상기 명령에 대응하여 동작 및 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 시스템의 제어 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제어 방법은;
   상기 통신 상태를 체크하는 단계 전에 상기 로봇 제어 시스템을 초기화하는 단계 및;
   상기 초기화하는 단계 후에 상기 모션 명령이 입력되는지를 판별하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 시스템의 제어 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 초기화하는 단계는;
   적어도 상기 로봇 제어 시스템의 통신 상태 초기화와, 하드웨어 초기화와, 상기 엑츄에이터 및 상기 RC 모터의 초기 위치 이동을 처리하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 시스템의 제어 방법.

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