KR101438970B1

KR101438970B1 - 로봇의 보행제어방법

Info

Publication number: KR101438970B1
Application number: KR1020120154468A
Authority: KR
Inventors: 이석원; 양우성
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-09-15
Also published as: CN103895016A; US20140188279A1; KR20140085700A; US8977397B2; DE102013111210A1; DE102013111210B4; JP2014128868A; CN103895016B; JP6227343B2

Abstract

로봇이 양발지지상태인 경우 양 발로부터 외측으로 일정거리 이격된 가상벽을 형성하는 가상벽형성단계; 로봇의 몸체와 가상벽 사이의 거리변화와 속도변화를 로봇의 관절각과 링크길이를 통하여 기구학적으로 계산하는 변화계산단계; 상기 거리변화와 속도변화를 로봇의 몸체와 가상벽 사이에 존재하는 가상의 스프링-댐퍼모델에 대입하여 로봇 몸체에서 필요한 가상반력을 계산하는 반력계산단계; 및 상기 계산된 반력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절에서의 구동토크로 환산하는 반력환산단계;를 포함하는 로봇의 보행제어방법이 소개된다.

Description

로봇의 보행제어방법 {METHOD FOR CONTROLLING WALKING OF ROBOT}

본 발명은 착용식 로봇의 하지 착용보행을 위하여 가상 서스펜션을 이용하는 로봇의 보행제어방법에 관한 것이다.

종래의 보행식 로봇 또는 착용식 로봇의 보행제어를 위하여는 다양한 제어방법이 제시되었다.

그러나 이러한 보행의 경우 그 경로를 지정하고 그에 따라 로봇이 걷도록 제어하는 것은 비교적 용이하나, 보행 중 또는 정지시 균형을 유지하는 것이 어려우며, 특히 외력에 의한 흔들림시 바로 균형을 잡을 수 있도록 제어하는 것이 매우 어려운 과정이었다.

종래의 "로봇용 힘/토크 센서 및 이를 이용하여 로봇의 보행을 제어하는 방법"은 "로봇의 다리에 설치된 힘/토크 센서를 통하여 상기 로봇의 보행에 따른 지면에 수직한 방향의 회전 토크를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 회전 토크에 따라 상기 로봇의 상체 관절을 제어하여 상기 로봇의 다리로 가해지는 부하를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘/토크 센서를 이용하여 로봇의 보행을 제어하는 방법."을 제시한다.

그러나 이러한 기술에 의하더라도 보행시 또는 정지시 균형 유지에 관하여는 큰 효과가 없었다.

그리고 종래의 KR10-1999-0059516 A "로봇 머니퓰레이터의 제어방법 및 장치"는 "본 발명은 특이점 근방에서의 운전능력을 향상시키도록한 로봇 머니퓰레이터의 제어방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 머니퓰레이터의 특이점영역을 판별하고, 머니퓰레이터의 현재위치값에 따라 자코비안 행렬을 이용하여 특이값의 상대적인 크기에 의해 제어입력을 산출하여, 이 제어입력에 따라 머니퓰레이터를 제어하게 된다. 본 발명의 로봇 머니퓰레이터의 제어방법 및 장치는 특이점 또는 그 근방에서 로봇 머니퓰레이터를 안정적으로 동작시킬 수 있다."를 제시한다. 본 발명은 이러한 자코비안 행렬을 이용한 로봇의 제어방법에 해당한다.

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

10-2012-0121958

A

KR

10-1999-0059516

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 착용식 로봇의 하지 착용보행을 위하여 가상 서스펜션을 이용하는 로봇의 보행제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇의 보행제어방법은, 로봇이 양발지지상태인 경우 양 발로부터 외측으로 일정거리 이격된 가상벽을 형성하는 가상벽형성단계; 로봇의 몸체와 가상벽 사이의 거리변화와 속도변화를 로봇의 관절각과 링크길이를 통하여 기구학적으로 계산하는 변화계산단계; 상기 거리변화와 속도변화를 로봇의 몸체와 가상벽 사이에 존재하는 가상의 스프링-댐퍼모델에 대입하여 로봇 몸체에서 필요한 가상반력을 계산하는 반력계산단계; 및 상기 계산된 반력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절에서의 구동토크로 환산하는 반력환산단계;를 포함한다.

상기 가상벽은 로봇의 양측방 및 전후방에 각각 형성할 수 있다.

상기 로봇은 발목, 무릎, 엉덩이 관절로 구성될 수 있다.

상기 반력환산단계는, 로봇이 한발지지상태인 경우 지지하는 다리의 발바닥에서 엉덩이까지 높이변화와 속도변화를 로봇의 관절각과 링크길이를 통하여 기구학적으로 계산하는 높이계산단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 높이계산단계는, 높이변화와 속도변화를 로봇의 엉덩이와 발바닥 사이에 존재하는 가상의 스프링-댐퍼모델에 대입하여 지지다리에서 필요한 가상지지력을 계산하는 지지력계산단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 지지력계산단계는, 계산된 지지력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절에서의 구동토크로 환산하는 지지력환산단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 로봇은 엉덩이측에 피칭관절이 구비되고, 상기 반력환산단계는, 피칭관절로 연결된 두 링크 간에 존재하는 가상의 스프링-댐퍼모델에 피칭관절의 관절각변화와 각속도변화를 대입하여 피칭관절에서 필요한 피칭토크를 산출하는 피칭산출단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 로봇은 엉덩이측에 롤링관절이 구비되고, 상기 반력환산단계는, 롤링관절로 연결된 두 링크 간에 존재하는 가상의 스프링-댐퍼모델에 롤링관절의 관절각변화와 각속도변화를 대입하여 롤링관절에서 필요한 롤링토크를 산출하는 롤링산출단계;를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 로봇의 보행제어방법에 따르면, 직교 및 조인트 좌표계에서 가상으로 구성되어 있는 스프링-댐퍼 모델의 서스펜션 제어기는 착용자의 외형에 맞게 초기 상태에서의 자세를 유지하고 착용자의 의도력 및 외력이 주어졌을 때 힘을 소산하며 반응 및 회복하는 역할을 주도적으로 수행한다.

이는 한발지지 상태에서도 안정 상태를 유지하는데 주도적 역할을 수행한다. 양발에서 한발상태로 천이 시, 중력 변화 및 지지부 변화에 따른 동역학 방정식의 모델이 순간 변하게 되는데 이때, 급격한 동특성 변화를 방지하며 나아가 실 모델과 동역학 식 모델링 변수의 차이에 따른 동작 오차를 줄여주는 역할까지 수행 한다.

보행에 따른 한발과 양발의 주기적 동작 변화 시 지면에 내딛는 한발 상태에서 큰 외력이 순간 로봇에게 야기되는데 피칭 3축에 구성되어 있는 회전형 가상 서스펜션 제어기는 순간 입력되는 큰 임펄스를 막아주어 충격완화 효과를 가져다주고 서스펜션의 다시 원상태로 돌아오는 회복력은 착용자가 초기 자세 상태로 돌아오려 할 때 에너지 소비 입장에서 큰 도움을 준다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 순서도.
도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 양발지지를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 기구학적인 계산을 나타낸 도면.
도 5 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 한발지지를 설명하기 위한 도면.

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 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 양발지지를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 기구학적인 계산을 나타낸 도면이고, 도 5 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 한발지지를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 로봇의 보행제어방법은, 로봇이 양발지지상태인 경우 양 발로부터 외측으로 일정거리 이격된 가상벽을 형성하는 가상벽형성단계(S200); 로봇의 몸체와 가상벽 사이의 거리변화와 속도변화를 로봇의 관절각과 링크길이를 통하여 기구학적으로 계산하는 변화계산단계(S210); 상기 거리변화와 속도변화를 로봇의 몸체와 가상벽 사이에 존재하는 가상의 스프링-댐퍼모델에 대입하여 로봇 몸체에서 필요한 가상반력을 계산하는 반력계산단계(S220); 및 상기 계산된 반력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절에서의 구동토크로 환산하는 반력환산단계(S230);를 포함한다.

로봇은 자율적인 움직임을 보이는 무인로봇과 사람이 착용하고 보행을 하는 착용식 로봇으로 대별된다. 본 발명은 두 종류의 로봇에 모두 적용되나, 이하의 실시예에서는 착용식 로봇을 설명한다.

본 발명의 로봇의 경우 사람이 착용하고 보행을 하는 것이며, 그 보행의 안정성을 담보하기 위해 트게 양발지지 즉 서 있는 상태와 한발지지 즉 보행시로 나누어 제어한다. 또한, 보행시에도 양발이 모두 지면에 닿아 있는 경우는 양발지지의 제어를 수행할 수 있을 것이다.

구체적으로, 먼저 양발지지시를 살펴본다. 도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 양발지지를 설명하기 위한 도면으로서, 로봇이 양발지지상태인지 한발지지상태인지 판단하고(S100) 양발지지상태인 경우 양 발로부터 외측으로 일정거리 이격된 가상벽(200,200')을 형성하는 가상벽형성단계(S200)를 먼저 수행한다.

가상벽을 생성하고, 그 가상의 벽과 로봇의 사이에 스프링-댐퍼모델(300,300')의 서스펜션을 구성하며, 그 서스펜션을 통한 로봇에의 반력이 주어지는 것과 같이 생각하여 로봇의 관절 구동계에 반력을 제공하는 제어를 수행함으로써 로봇이 일측으로 쓰러질 경우 완충되거나 튕기는 것과 같이 반발되어 다시 균형을 자동적으로 유지하도록 하는 것이다.

이를 위해 가상벽을 생성하는데, 가상벽은 로봇의 발바닥(100)을 기준으로 외측으로 일정거리 이격된 가상벽을 형성한다. 즉, 도 2의 경우 발바닥으로부터 A만큼 떨어진 양측에 측벽을 형성하고, 도 3의 경우 B만큼 떨어진 전후방에 전후벽을 형성한다.

그리고 로봇의 몸체와 가상벽 사이의 거리변화와 속도변화를 로봇의 관절각과 링크길이를 통하여 기구학적으로 계산하는 변화계산단계(S210)를 수행한다. 로봇에는 각 관절과 그 관절을 이어주는 링크가 마련되어 있는바, 관절의 회전각을 인코더를 통하여 계측시 기구학적으로 로봇의 몸체 중 특정 지점과 가상벽 사이의 거리변화를 알 수 있는 것이다.

즉, 가상벽은 로봇의 발바닥을 기준으로 하기 때문에 그 위치가 고정된 것으로서 알 수 있는 것이고, 또한 로봇의 몸체의 위치도 발바닥을 기준으로 기구학적으로 삼각함수를 이용하여 풀어내기 때문에 가상벽과 몸체간의 상대적인 거리의 변화를 쉽게 알 수 있는 것이다. 그리고 그 거리변화를 미분하여 속도의 변화도 알 수 있게 된다.

한편, 상기 거리변화와 속도변화를 로봇의 몸체와 가상벽 사이에 존재하는 가상의 스프링-댐퍼모델에 대입하여 로봇 몸체에서 필요한 가상반력을 계산하는 반력계산단계(S220)를 수행한다. 즉, 도 2 내지 3에 도시된 바와 같이 가상벽과 몸체간에는 가상의 스프링/댐퍼가 마련되는바, 각가의 거리변화와 속도변화를 스프링-댐퍼모델에 대입하여 그 로봇 몸체에 적용되는 반력을 구할 수 있게 된다.

구체적인 수식은 아래의 개념으로 도출될 수 있을 것이다.

상기 식에서 k와 c는 각각 스프링상수 및 댐핑계수이다. 그리고 도출된 반력은 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절에서의 구동토크로 환산하는 반력환산단계(S230)를 수행한다. 즉, 로봇 몸체 끝단에서의 작용되는 반력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 각 관절에서의 구동토크로 환산하여 각 관절의 모터를 제어(S400)함으로써 실제 로봇이 마치 가상벽으로부터 서스펜션에 의해 지지되는 것과 같은 효과로 제어할 수 있는 것이다.

그리고, 상기 가상벽은 로봇의 양측방 및 전후방에 각각 형성되어 좌우전후로 서스펜션에 의해 지지되어 양발지지시 자동적으로 안정적인 자세를 유지하여 착용자의 안전을 도모한다.

그리고, 상기 로봇은 발목, 무릎, 엉덩이 관절로 구성되며 반력은 각각의 관절로 토크로서 분산되어 제어입력되도록 하는 것이다.

한편, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 기구학적인 계산을 나타낸 도면이고, 도 5 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 한발지지를 설명하기 위한 도면이다.

구체적으로, 로봇이 한발지지인 경우에는 보행중이라고 볼 수 있으며, 그 균형의 제어를 위해 지지하는 다리를 중점적으로 제어할 수 있을 것이다.

지지하는 다리 역시 발목(130), 무릎(140), 엉덩이 관절(120)로 구성되며 특히 엉덩이는 두 축으로의 회전을 이룰 수 있도록 피칭관절(122)과 롤링관절(124)로 구성되어 사람의 허리와 같이 유연하게 대응할 수 있도록 한다.

한편, 로봇이 한발지지상태인 경우 지지하는 다리의 발바닥(100)에서 엉덩이(120)까지 높이변화와 속도변화를 로봇의 관절각과 링크길이를 통하여 기구학적으로 계산하는 높이계산단계(S300)를 수행하고, 그 높이변화와 속도변화를 로봇의 엉덩이와 발바닥 사이에 존재하는 가상의 스프링-댐퍼모델에 대입하여 지지다리에서 필요한 가상지지력을 계산하는 지지력계산단계(S310)를 수행한 후 상기 지지력계산단계(S310)는, 계산된 지지력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절에서의 구동토크로 환산하는 지지력환산단계(S320)를 거치는 것이다.

즉, 도 4와 같은 기구학적인 해석을 통하여 그 순간에서의 로봇의 엉덩이가 발바닥 또는 지면으로부터 떨어진 거리를 알 수 있다. 이는 각 관절의 관절각과 링크의 길이를 통하여 아래의 식으로 기구학적으로 도출될 수 있다.

한편, 엉덩이의 높이를 구한 후에는 그 엉덩이와 지면 또는 발바닥의 사이에 가상의 스프링-댐퍼모델이 구비되고, 그 높이변화와 속도변화를 통하여 가상의 엉덩이를 지지하는 지지력을 계산한다. 그리고 그 지지력을 각 관절의 토크로 자코비안 전치행렬을 이용하여 환산하여 관절을 구동함으로써 보행시 지지다리의 완충을 수행한다.

그리고, 상기 로봇은 엉덩이측에 피칭관절(122)이 구비되고, 상기 반력환산단계(S230)는, 피칭관절(122)로 연결된 두 링크(122a,122b) 간에 존재하는 가상의 스프링-댐퍼모델(600)에 피칭관절의 관절각(Q2)변화와 각속도변화를 대입하여 피칭관절에서 필요한 피칭토크를 산출하는 피칭산출단계(S330)를 수행한다.

또한, 상기 로봇은 엉덩이측에 롤링관절(124)이 구비되고, 상기 반력환산단계(S230)는, 롤링관절(124)로 연결된 두 링크(124a,124b) 간에 존재하는 가상의 스프링-댐퍼모델(500)에 롤링관절의 관절각(Q1)변화와 각속도변화를 대입하여 롤링관절에서 필요한 롤링토크를 산출하는 롤링산출단계(S340)를 수행한다.

도 5 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 한발지지를 설명하기 위한 도면으로서, 이러한 과정이 잘 나타나 있으며, 피칭토크와 롤링토크는 각각 아래의 식으로 표현될 수 있다.

즉, 각 관절에서의 관절각변화와 각속도변화를 회전형 인코더 등을 통하여 도출하거나 계산하고, 이를 서스펜션 모델에 대입하여 해당 관절에서의 구동토크를 도출함으로써 피칭과 롤링시에도 스프링과 같이 복원되고 댐퍼를 통해 안정적으로 거동되는 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.

S200 : 가상벽형성단계 S300 : 높이계산단계

Claims

로봇이 양발지지상태인 경우 양 발로부터 외측으로 일정거리 이격된 가상벽을 형성하는 가상벽형성단계(S200);
로봇의 몸체와 가상벽 사이의 거리변화를 로봇의 관절각과 링크길이를 이용하여 삼각함수를 통하여 계산하고, 거리변화를 미분하여 속도변화를 계산하는 변화계산단계(S210);
상기 거리변화와 속도변화를 로봇의 몸체와 가상벽 사이에 존재하는 아래 수식의 가상의 스프링-댐퍼모델에 대입하여 로봇 몸체에서 필요한 가상반력을 계산하는 반력계산단계(S220);

(여기서 k,c는 스프링상수와 댐핑계수임)
상기 계산된 반력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절에서의 구동토크로 환산하는 반력환산단계(S230); 및
로봇이 한발지지상태인 경우 지지하는 다리의 발바닥에서 엉덩이까지 높이변화를 로봇의 관절각과 링크길이를 이용하여 삼각함수를 통하여 계산하고 높이변화를 미분하여 속도변화를 계산하는 높이계산단계(S300);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 가상벽은 로봇의 양측방 및 전후방에 각각 형성된 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 로봇은 발목, 무릎, 엉덩이 관절로 구성된 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 높이계산단계(S300)는, 높이변화와 속도변화를 로봇의 엉덩이와 발바닥 사이에 존재하는 아래 수식의 가상의 스프링-댐퍼모델에 대입하여 지지다리에서 필요한 가상지지력을 계산하는 지지력계산단계(S310);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.

(여기서 k,c는 스프링상수와 댐핑계수임)
청구항 5에 있어서,
상기 지지력계산단계(S310)는, 계산된 지지력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절에서의 구동토크로 환산하는 지지력환산단계(S320);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 로봇은 엉덩이측에 피칭관절이 구비되고, 상기 반력환산단계(S230)는, 피칭관절로 연결된 두 링크 간에 존재하는 아래 수식의 가상의 스프링-댐퍼모델에 피칭관절의 관절각변화와 각속도변화를 대입하여 피칭관절에서 필요한 피칭토크를 산출하는 피칭산출단계(S330);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.

(여기서 k,c는 스프링상수와 댐핑계수임)
청구항 1에 있어서,
상기 로봇은 엉덩이측에 롤링관절이 구비되고, 상기 반력환산단계(S230)는, 롤링관절로 연결된 두 링크 간에 존재하는 아래 수식의 가상의 스프링-댐퍼모델에 롤링관절의 관절각변화와 각속도변화를 대입하여 롤링관절에서 필요한 롤링토크를 산출하는 롤링산출단계(S340);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.

(여기서 k,c는 스프링상수와 댐핑계수임)