KR101456797B1 - 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 장치 및 그 방법 Download PDF

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KR101456797B1 KR1020130120485A KR20130120485A KR101456797B1 KR 101456797 B1 KR101456797 B1 KR 101456797B1 KR 1020130120485 A KR1020130120485 A KR 1020130120485A KR 20130120485 A KR20130120485 A KR 20130120485A KR 101456797 B1 KR101456797 B1 KR 101456797B1
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강태훈
문전일
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Abstract

본 발명은 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어장치에 관한 것으로, 상기 다리식 이동 로봇의 다리가 착지할 지점에 대한 지령 좌표값 및 상기 다리식 이동 로봇의 지령 회전각을 입력받는 입력부; 상기 다리식 이동 로봇의 이동 시 발생하는 몸체의 회전각을 측정하는 측정부; 상기 지령 회전각과 상기 측정된 회전각과의 오차를 연산하며, 상기 오차를 이용하여 상기 다리식 이동 로봇의 회전운동량을 제어하기 위한 측방향 선속도를 연산하는 연산부, 및 상기 연산된 측방향 선속도를 이동 로봇의 발 위치 및 몸의 자세를 유지하기 위한 위치 자세 제어기로 전달하는 출력부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 로봇이 호핑 모션(hopping motion)에 의해 이동시에 능동적으로 방향을 전환할 수 있으며 로봇 몸체의 불가피한 회전을 제어함으로써 로봇 다리의 미끄러짐을 방지하여 원활한 주행 성능을 유지할 수 있다.
또한, 임의의 다리 개수를 갖는 로봇뿐만 아니라 일반적인 기구를 위한 이동 알고리즘(locomotion algorithm) 개발에 플렛폼으로 사용될 수 있다.

Description

다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING DIRECTION CHANGE OF LEGGED ROBOT AND METHOD THEREOF}
본 발명은 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어기 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다리식 이동 로봇의 다리와 지면과의 접촉에 의해 발생하는 반발력이 생성시키는 운동량을 로봇의 방향 전환에 활용하는 회전운동량 제어장치, 이를 이용하는 방향 전환 제어기 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기적 또는 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작과 닮은 운동을 행하는 기계장치를 로봇이라고 한다. 초기의 로봇은 생산에서의 작업 자동화, 무인화 등을 목적으로 한 매니퓰레이터나 반송 로봇 등의 산업용 로봇이었으나, 최근에는 인간과 유사한 관절체계를 가지고 인간의 작업 및 생활공간에 용이하게 두 발로 걸을 수 있는 다리식 이동 로봇의 연구 개발이 진행되고 있다.
다리식 이동 로봇, 특히 호핑 모션(hopping motion)을 이용해 보행 또는 주행을 하는 다리식 이동 로봇은 전진 방향 이동시에 다리 부분이 진행 방향과 일치하게 지면을 짚는 경우, 로봇의 몸체는 중심을 잡지 못하게 되어 쉽게 쓰러지게 된다. 상기 문제점을 보완하기 위하여, 로봇의 다리 부분이, 진행 방향을 X축이라 할 때, X축에서 일정부분 떨어진 지점인 축의 좌, 우 부분을 번갈아 짚게 되면, 이러한 동작에 의하여 로봇의 몸체는 불가피하게 회전하게 되어 몸체의 회전은 로봇의 운동을 방해하게 된다.
또한, 기존의 로봇의 방향 전환에 관한 기술은, 로봇의 다리가 이미 작성된 경로를 따라 그것을 추정하는 과정으로 보행 및 주행의 방향을 변경하여 왔다. 이러한 기존의 기술은 수동적일 뿐 만 아니라, 비효율적인 제어 방식에 해당된다.
또한, 기존의 기술에 따른 보행 및 주행을 하는 기구물의 능동적인 방향 전환은 불가능하다고 간주되었으며 그 시도조차 이루어지지 않았다.
또한, 기존의 보행 및 주행 기구는 지면과의 미끄러짐으로 인하여 목적하는 방향으로의 거동이 불가능하였고, 다리가 있는 기구를 하나의 다리를 갖는 기구로 형상화하여 제어할 경우 발생하는 몸체의 회전운동은 보행 및 주행에 큰 문제점으로 여겨져 왔다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제2013-0034082호(2013.04.05)에 기재되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 다리식 이동 로봇의 방향 전환에 있어서 로봇의 다리가 능동적인 방향 전환이 가능하도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 해결 과제는 로봇이 하나의 다리에 의한 호핑 모션(hoppig motion)에 의해 이동시에 발생하는 몸체의 회전 운동량을 제어하여 몸체의 불필요한 회전을 방지하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 실시예에 따른 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 장치는, 다리식 이동 로봇이 호핑(hopping) 모션에 의해 이동 시, 상기 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 장치에 있어서, 상기 다리식 이동 로봇의 다리가 착지할 지점에 대한 지령 좌표값 및 상기 다리식 이동 로봇의 지령 회전각을 입력받는 입력부; 상기 다리식 이동 로봇의 이동 시 발생하는 몸체의 회전각을 측정하는 측정부; 상기 지령 회전각과 상기 측정된 회전각과의 오차를 연산하며, 상기 오차를 이용하여 상기 다리식 이동 로봇의 회전운동량을 제어하기 위한 측방향 선속도를 연산하는 연산부, 및 상기 연산된 측방향 선속도를 이동 로봇의 발 위치 및 몸의 자세를 유지하기 위한 위치 자세 제어기로 전달하는 출력부를 포함한다.
또한, 상기 연산부는, 다음의 수학식에 따라 상기 오차를 연산할 수 있다.
Figure 112013091476960-pat00001
여기서, kp _ dir는 위치 게인, kv _ dir는 속도 게인,
Figure 112013091476960-pat00002
는 상기 다리식 이동 로봇 몸체의 지령 회전각,
Figure 112013091476960-pat00003
는 상기 다리식 이동 로봇 몸체의 zo 방향으로의 회전각,
Figure 112013091476960-pat00004
는
Figure 112013091476960-pat00005
의 단위시간에 대한 변화량(회전각속도)을 각각 나타낸다.
또한, 상기 연산부는, 다음의 수학식에 따라 다리식 이동 로봇의 회전에 따른 몸체의 회전운동량과 로봇 다리의 선형운동량을 연산할 수 있다.
Figure 112013091476960-pat00006
Figure 112013091476960-pat00007
Figure 112013091476960-pat00008
여기서, La는 상기 다리식 이동 로봇 몸체의 회전운동량, I는 상기 다리식 이동 로봇의 관성모멘트,
Figure 112013091476960-pat00009
는 상기 다리식 이동 로봇 몸체의 zo 방향으로의 회전각(
Figure 112013091476960-pat00010
) 의 단위시간에 대한 변화량(회전각속도), Ll는 상기 다리식 이동 로봇 다리의 선형운동량, m4는 상기 다리식 이동 로봇 다리의 질량,
Figure 112013091476960-pat00011
는 상기 다리식 이동 로봇의 측방향 선속도를 각각 나타낸다.
또한, 상기 연산부는, 다음의 수학식에 의해 상기 측방향 선속도를 연산하여 출력할 수 있다.
Figure 112013091476960-pat00012
Figure 112013091476960-pat00013
여기서, xf 및 yf는 상기 다리식 이동 로봇의 다리가 착지할 지점에 대한 지령 좌표값, tf는 상기 다리식 이동 로봇의 다리가 지면에 접촉하는 시간을 각각 나타낸다.
또한, 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 장치는, 지령 전진방향 선속도, 지령 x축 회전각도, 지령 y축 회전각도, 실제 선속도, 실제 x축 회전각도, 실제 y축 회전각도 및 상기 회전운동량 제어기로부터 입력된 측방향 선속도를 이용하여 지령 힙-조인트 값을 출력하는 위치 자세 제어기; 및 상기 위치 자세 제어기의 지령 힙-조인트 값과 실제 힙-조인트 값을 입력받아 힙-조인트 토크값을 출력하여 힙-조인트에 전달하는 PD 제어기를 더 포함할 수 있다.
또한, 다리식 이동 로봇이 호핑(hopping) 모션에 의해 이동 시, 상기 다리식 이동 로봇의 회전운동량을 제어하는 방법에 있어서, 본 발명의 하나의 실시예에 다른 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 방법은, 상기 다리식 이동 로봇의 다리가 착지할 지점에 대한 지령 좌표값 및 상기 다리식 이동 로봇의 지령 회전각을 입력받는 단계; 상기 다리식 이동 로봇의 이동 시 발생하는 몸체의 회전각을 측정하는 단계; 상기 지령 회전각과 상기 측정된 회전각과의 오차를 연산하고, 상기 오차를 이용하여 상기 다리식 이동 로봇의 회전 운동량을 제어하기 위한 측방향 선속도를 연산하는 단계; 및 상기 연산된 측방향 선속도를 이동 로봇의 발 위치 및 몸의 자세를 유지하기 위한 위치 자세 제어기로 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명인 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 장치 및 그 방법에 따르면, 로봇이 호핑 모션(hopping motion)에 의해 이동시에 능동적으로 방향을 전환할 수 있으며 로봇 몸체의 불가피한 회전을 제어함으로써 로봇 다리의 미끄러짐을 방지하여 원활한 주행 성능을 유지할 수 있다.
또한, 임의의 다리 개수를 갖는 로봇뿐만 아니라 일반적인 기구를 위한 이동 알고리즘(locomotion algorithm) 개발에 플렛폼으로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다리식 이동 로봇의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다리식 이동 로봇이 xo축 방향으로 이동 시, 로봇의 다리가 지면의 축상에 있는 경우의 이동 모습에 관한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다리식 이동 로봇이 x0 축 방향으로 이동시, 로봇의 다리가 지면의 축 밖의 좌, 우에 있는 경우의 이동 모습에 관한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 방향 전환 제어 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방향 전환 제어 방법의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 방향 전환 제어 방법과 수식 연산 과정을 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 다리식 이동 로봇의 개략적인 구성에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다리식 이동 로봇의 개략적인 구성도이다.
도 1에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 다리식 이동 로봇은 몸체(body)(110), 회전 구동부(rotary actuator)(120), 선형 구동부(linear actuator)(130), 다리(leg)(140) 및 지면 지지부(toe)(150)를 포함한다.
몸체(110)는 다리식 이동 로봇의 몸체에 해당하며, 실제 로봇에서 각종 제어기, ARS 센서 및 로봇의 종류에 따른 머리, 팔과 같은 신체 부위를 포함할 수 있다.
회전 구동부(120)는 다리식 이동 로봇의 회전 운동을 제어하는 장치이다. 회전 액추에어터는 힙-조인트(Hip joint) 형태로 구성될 수 있다.
선형 구동부(130)는 지면 반발력에 대한 구동력을 발생시키기 위한 다리식 이동 로봇의 구성 요소이다.
다리(140)는 복수 개로 구성될 수 있으며, 본 발명에 따른 실시예서는 하나의 다리를 갖는 로봇에 대한 실시예를 보이고 있다. 본 발명의 실시예에 따른 다리식 이동 로봇의 구동력은 선형 구동부(130)에서 발생한다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 다리식 이동 로봇의 호핑 모션(hopping motion)에 의한 이동에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 다리를 갖는 다리식 이동 로봇이 X축의 xo 방향으로 이동 시, 로봇의 다리가 지면의 축상에 있는 경우의 이동 모습에 관한 도면이다.
도 2에 나타낸 것처럼, 다리식 이동 로봇은 하나의 다리를 가지고 호핑 모션(hopping motion)에 의하여 주행 방향(running direction)으로 이동한다.
도 2의 좌측 도면에, 몸체에 관한 좌표계 {0}가 몸체의 질량 중심을 원점으로 하여 표시되어 있다. 그리고 우측 도면에, 좌표계 {0}가 지면에 투영된 모습의 Top view가 표시되어 있다. 여기서 주행 방향은 xo 방향이다. xf는 지면에 투영된 좌표계 {0} 상에서 몸체와 지면 지지부 사이의 거리를 나타내며, 지면 지지부와 지면과의 접촉 점을 고려할 때, Top view에서 다리의 투영된 모습이 x0축 위에 있는 것이 특징이다.
도 2에 도시된 방법으로 다리식 이동 로봇이 주행하는 경우, 다리식 이동 로봇의 지면 지지부와 지면과의 접촉면이 직선상에 위치하는 이유 때문에 로봇은 중심을 잡지 못하고 쉽게 넘어지게 된다. 따라서, 상기 문제점을 해결하기 위하여 지그재그 방식으로 지면에 다리를 짚어서 주행하는 방법이 필요하게 되었다. 이하 지그재그 방식의 새로운 주행 방법에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다리식 이동 로봇이 x0축 방향으로 이동시, 로봇의 다리가 지면의 축 밖의 좌, 우에 있는 경우(지그재그 방식)의 이동 모습에 관한 도면이다.
도 3에 나타낸 것처럼. 다리식 이동 로봇은 마찬가지로 하나의 다리를 가지고 호핑 모션(hopping motion)에 의하여 주행 방향(running direction)으로 이동한다.
도 3의 좌측 도면에, 몸체에 관한 좌표계 {0}가 몸체의 질량 중심을 원점으로 하여 표시되어 있다. 또한, 로봇의 몸체가 z0축을 회전축으로 하여 시계 반대 방향으로 회전하는 회전각(
Figure 112013091476960-pat00014
)이 표시되어 있다. 상기 회전은 지그재그 방식의 주행 방법에 따른 불가피하게 발생하는 로봇 몸체의 회전운동에 의한 것이다. 이러한 회전운동에 의하여 로봇은 주행 시 방해를 받게 된다. 그리고 우측 도면에, 좌표계 {0}가 지면에 투영된 모습의 Top view가 표시되어 있다. 여기서 주행 방향은 도 2와 마찬가지로 xo 방향이다. xf는 지면에 투영된 좌표계 {0} 상에서 몸체와 지면 지지부 사이의 거리의 x0좌표값을 나타내며, yf는 y0 좌표값을 각각 나타낸다.
지면 지지부와 지면과의 접촉 점을 고려할 때, Top View에서 다리의 투영된 모습이 x0축 위에 있지 않고 x0축과 비스듬한 것이 특징이다. 이하, 상기 불가피하게 발생하는 로봇 몸체의 회전운동을 제어하는 회전운동량 제어기에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 방향 전환 제어 장치의 구성도이다.
도 4에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 방향 전환 제어 장치는 특히 회전운동량 제어기에 관한 것으로, 회전운동량 제어기(400)는 입력부(410), 측정부(420), 연산부(430) 및 출력부(440)을 포함한다.
입력부(410)는 다리식 이동 로봇의 다리가 착지할 지점에 대한 지령 좌표값 및 다리식 이동 로봇의 지령 회전각을 입력 받는다. 여기서 지령 좌표값은 지면 지지부와 지면이 접하는 접촉면의 x0좌표값(xf) 및 y0좌표값(yf)이다. 또한, 지령 회전각은 다리식 이동 로봇 몸체에 대한 사용자가 원하는 z0축을 회전축으로 하는 회전각(
Figure 112013091476960-pat00015
)을 나타낸다.
측정부(420)는 다리식 이동 로봇의 이동 시 발생하는 몸체의 회전각(
Figure 112013091476960-pat00016
)을 측정한다. 여기서, 다리식 이동 로봇의 몸체의 회전각(
Figure 112013091476960-pat00017
)은 상기 나타낸 바 있는 불필요한 회전각을 의미한다.
연산부(430)는 지령 회전각과 측정된 회전각과의 오차를 연산한다. 즉, 연산부(430)는 위치 게인(kp _ dir) 및 속도 게인(kv_dir)을 이용하여 z0축을 회전축으로 하는 각도(yaw angle)인 몸체의 회전에 대한 지령 회전각(
Figure 112013091476960-pat00018
)과 몸체의 회전각(
Figure 112013091476960-pat00019
)에 관한 오차를 연산한다.
출력부(440)는 연산부(430)에서 연산한 오차를 이용하여 다리식 이동 로봇의 회전운동량을 제어하기 위한 측방향 선속도(
Figure 112013091476960-pat00020
)를 연산하여 연산된 측방향 선속도(
Figure 112013091476960-pat00021
)를 이동 로봇의 발 위치 및 몸의 자세를 유지하기 위한 위치 자세 제어기로 전달한다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 다리식 이동 로봇의 회전운동량 제어 방법에 대하여 자세히 설명한다.
본 발명은 이동 로봇의 회전운동량 제어 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 관절(Hip-joint)이 구비되고 다리로 이동이 가능한 로봇을 포함한 기구에 적용이 가능하다.
도 3에서, 다리식 이동 로봇의 몸체에 지정된 좌표계 {0}의 x0축과 y0 축을 지면에 투영하여 만들어진 축 상에 기구의 발이 닿지 않을 경우, 즉 다리식 이동 로봇이 x0 을 기준으로 좌, 우 측을 번갈아 가면서 지그재그 방식으로 다리를 지면에 접촉하면서 이동 하는 경우, 지면과 다리의 접촉으로 생성된 지면 반반력으로 인하여 기구 몸체에 원하지 않는 회전운동이 발생된다. 이러한 회전운동을 제어하기 위한 회전운동량 제어 방법이 필요하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방향 전환 제어 방법의 순서도이다.
입력부(410)는 다리식 이동 로봇의 다리가 착지할 지점에 대한 지령 좌표값 및 다리식 이동 로봇(100)의 지령 회전각을 입력 받는다(S510). 여기서 지령 좌표값은 지면 지지부(150)와 지면이 접하는 접촉면의 x0좌표값(xf) 및 y0좌표값(yf)이다. 또한, 지령 회전각은 다리식 이동 로봇 몸체(110)에 대한 사용자가 원하는 z0축을 회전축으로 하는 회전각(
Figure 112013091476960-pat00022
)을 나타낸다.
측정부(420)는 다리식 이동 로봇의 이동 시 발생하는 몸체의 회전각(
Figure 112013091476960-pat00023
)을 측정한다(S520). 여기서, 다리식 이동 로봇의 몸체(110)의 회전각(
Figure 112013091476960-pat00024
)은 도 3의 좌측 도면에 표시된 시계 반대방향의 회전각을 의미한다. 몸체의 회전각은 다리의 위치에 따라 회전의 방향이 변한다.
연산부(430)는 지령 회전각과 측정된 회전각과의 오차를 연산한다(S530). 연산부의 오차 연산에 대한 설명은 출력부에 대한 설명 후에 하기로 한다.
출력부(440)는 연산부(430)에서 연산한 오차를 이용하여 다리식 이동 로봇의 회전운동량을 제어하기 위한 측방향 선속도(
Figure 112013091476960-pat00025
)를 연산하여 연산된 측방향 선속도(
Figure 112013091476960-pat00026
)를 이동 로봇의 발 위치 및 몸의 자세를 유지하기 위한 위치 자세 제어기로 전달한다(S540).
이하, 측방향 선속도(
Figure 112013091476960-pat00027
)를 연산하기 위한 사전 과정에 대해서 수학식을 이용하여 설명한다.
도 2에서, 다리식 이동 로봇 몸체의 회전 운동이 발생시키는 회전운동량(La)를 로봇 몸체의 좌표계 {0}의 관점에서 표현하면 다음 수학식 1과 같다.
Figure 112013091476960-pat00028
여기서, La는 상기 다리식 이동 로봇 몸체의 회전운동량, I는 상기 다리식 이동 로봇의 관성모멘트,
Figure 112013091476960-pat00029
는 상기 다리식 이동 로봇 몸체의 zo 방향으로의 회전량(
Figure 112013091476960-pat00030
) 의 단위시간에 대한 변화량(각속도)를 각각 나타낸다.
또한, 로봇의 지면 지지부(150)와 지면의 접촉으로 인하여 발생하는 다리의 선형운동량(Ll)은 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112013091476960-pat00031
여기서, Ll는 상기 다리식 이동 로봇 다리의 선형 운동량, m4는 상기 다리식 이동 로봇 다리의 질량,
Figure 112013091476960-pat00032
는 상기 다리식 이동 로봇의 측방향 선속도를 각각 나타낸다.
에너지 보존의 관점에서 상기 수학식 1과 수학식 2는 동일한 물리량을 나타내므로 다음의 수학식 3이 성립한다. 이상 출력부(440)는 수학식 1 내지 수학식 3에서, 다리식 이동 로봇의 측방향 선속도를 연산하기 위하여 다리식 이동 로봇 몸체(110)의 회전에 따른 회전운동량과 로봇 다리의 선형운동량을 이용한다.
Figure 112013091476960-pat00033
로봇의 질량분포를 점질량(point mass)으로 표현하면(상황에 따라 로봇의 질량분포는 다른 형태로 사용될 수 있다) 다음의 수학식 4와 같다.
Figure 112013091476960-pat00034
따라서, 출력부(440)는 회전운동량 제어기의 출력값인 로봇의 측방향 선속도를 다음의 수학식 5와 같이 연산할 수 있다.
Figure 112013091476960-pat00035
시스템 제어이론으로부터, 연산부(430)는 다리식 이동 로봇의 몸체 회전에 대한 오차를 선형화 함수로 표현하여 다음의 수학식 6과 같이 연산할 수 있다.
Figure 112013091476960-pat00036
즉, 연산부(430)는 위치 게인(kp _ dir) 및 속도 게인(kv_dir)을 이용하여 z0축을 회전축으로 하는 각도(yaw angle)인 몸체의 회전에 대한 지령 회전각(
Figure 112013091476960-pat00037
)과 몸체의 회전각(
Figure 112013091476960-pat00038
)에 관한 오차를 상기 수학식 6을 사용하여 연산한다.
최종적으로, 출력부(440)는 는 연산부(430)에서 연산한 오차를 이용하여 다리식 이동 로봇의 회전운동량을 제어하기 위한 측방향 선속도(
Figure 112013091476960-pat00039
)를 다음의 수학식 7과 같이 연산하여 연산된 측방향 선속도(
Figure 112013091476960-pat00040
)를 이동 로봇의 발 위치 및 몸의 자세를 유지하기 위한 위치 자세 제어기로 전달한다.
Figure 112013091476960-pat00041
본 발명의 하나의 실시예에 따른 방향 전환 제어 장치(회전운동량 제어기)에 추가적으로 위치 자세 제어기 및 PD 제어기를 포함됨으로써 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 장치가 구성될 수 있다. 또한 상기 방향 전환 제어 장치에 따른 방향 전환 제어 방법이 개시 될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 방향 전환 제어 방법과 수식 연산 과정을 나타내는 도면이다.
도 6에 나타낸 것처럼, 방향 전환 제어 장치(회전운동량 제어기)(400)의 출력부(440)는 출력값인 측방향 선속도(
Figure 112013091476960-pat00042
) 값을 위치 자세 제어기로 전달한다. 그리고 위치 자세 제어기는 상기 측방향 선속도(
Figure 112013091476960-pat00043
) 값과 전진방향 선속독(
Figure 112013091476960-pat00044
), 지령 x축 회전각도(
Figure 112013091476960-pat00045
), 지령 y축 회전각도(
Figure 112013091476960-pat00046
), 실제 선속도(
Figure 112013091476960-pat00047
), 실제 x축 및 y축 회전각도(
Figure 112013091476960-pat00048
,
Figure 112013091476960-pat00049
)를 입력받아 지령 힙-조인트 값(q1d, q2d)을 출력한다. 그리고 PD 제어기는 상기 지령 힙-조인트 값(q1d, q2d)과 실제 힙-조인트 값을 입력받아 힙-조인트 토크값을 출력하여 힙-조인트에 전달한다. 여기서 순기구학적 해석은 Foward Kinematics에 의한 것이다.
도 6에서,
Figure 112013091476960-pat00050
는 지령 전진방향 선속도,
Figure 112013091476960-pat00051
는 지령 x축 회전각도,
Figure 112013091476960-pat00052
는 지령 y축 회전각도,
Figure 112013091476960-pat00053
는 실제 선속도,
Figure 112013091476960-pat00054
는 실제 x축 회전각도,
Figure 112013091476960-pat00055
는 실제 y축 회전각도이며,
Figure 112013091476960-pat00056
는 위치 자세 제어기의 지령 힙-조인트 값,
Figure 112013091476960-pat00057
는 실제 힙-조인트 값 그리고
Figure 112013091476960-pat00058
는 힙-조인트 토크값이며, F는 선형구동부(130)의 구동력이다.
본 발명에 따른 실시예에 따르면, 로봇이 호핑 모션(hopping motion)에 의해 이동시에 능동적으로 방향을 전환할 수 있으며 로봇 몸체의 불가피한 회전을 제어함으로써 로봇 다리의 미끄러짐을 방지하여 원활한 주행 성능을 유지할 수 있다.
또한, 임의의 다리 개수를 갖는 로봇뿐만 아니라 일반적인 기구를 위한 이동 알고리즘(locomotion algorithm) 개발에 플렛폼으로 사용될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 기재된 내용 및 그와 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
100: 다리식 이동 로봇 110: 몸체
120: 회전 구동부 130: 선형 구동부
140: 다리 150: 지면 지지부
400: 방향 전환 제어 장치(회전운동량 제어기)
410: 입력부 420: 측정부
430: 연산부 440: 출력부

Claims (10)

  1. 다리식 이동 로봇이 호핑(hopping) 모션에 의해 이동 시, 상기 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 장치에 있어서,
    상기 다리식 이동 로봇의 다리가 착지할 지점에 대한 지령 좌표값 및 상기 다리식 이동 로봇의 지령 회전각을 입력받는 입력부;
    상기 다리식 이동 로봇의 이동 시 발생하는 몸체의 회전각을 측정하는 측정부;
    상기 지령 회전각과 상기 측정된 회전각과의 오차를 연산하며, 상기 오차를 이용하여 상기 다리식 이동 로봇의 회전운동량을 제어하기 위한 측방향 선속도를 연산하는 연산부, 및
    상기 연산된 측방향 선속도를 이동 로봇의 발 위치 및 몸의 자세를 유지하기 위한 위치 자세 제어기로 전달하는 출력부를 포함하는 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 장치.
  2. 제 1항에서,
    상기 연산부는,
    다음의 수학식에 따라 상기 오차를 연산하는 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 장치:
    Figure 112013091476960-pat00059

    여기서, kp _ dir는 위치 게인, kv _ dir는 속도 게인,
    Figure 112013091476960-pat00060
    는 상기 다리식 이동 로봇 몸체의 지령 회전각,
    Figure 112013091476960-pat00061
    는 상기 다리식 이동 로봇 몸체의 zo 방향으로의 회전각,
    Figure 112013091476960-pat00062
    는
    Figure 112013091476960-pat00063
    의 단위시간에 대한 변화량(회전각속도)을 각각 나타낸다.
  3. 제 2항에서,
    상기 연산부는,
    다음의 수학식에 따라 다리식 이동 로봇의 회전에 따른 몸체의 회전운동량과 로봇 다리의 선형운동량을 연산하는 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 장치:
    Figure 112013091476960-pat00064

    Figure 112013091476960-pat00065

    Figure 112013091476960-pat00066

    여기서, La는 상기 다리식 이동 로봇 몸체의 회전운동량, I는 상기 다리식 이동 로봇의 관성모멘트,
    Figure 112013091476960-pat00067
    는 상기 다리식 이동 로봇 몸체의 zo 방향으로의 회전각(
    Figure 112013091476960-pat00068
    ) 의 단위시간에 대한 변화량(회전각속도), Ll는 상기 다리식 이동 로봇 다리의 선형운동량, m4는 상기 다리식 이동 로봇 다리의 질량,
    Figure 112013091476960-pat00069
    는 상기 다리식 이동 로봇의 측방향 선속도를 각각 나타낸다.
  4. 제 3항에서,
    상기 연산부는,
    다음의 수학식에 의해 상기 측방향 선속도를 연산하여 출력하는 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 장치:
    Figure 112013091476960-pat00070

    Figure 112013091476960-pat00071

    여기서, xf 및 yf는 상기 다리식 이동 로봇의 다리가 착지할 지점에 대한 지령 좌표값, tf는 상기 다리식 이동 로봇의 다리가 지면에 접촉하는 시간을 각각 나타낸다.
  5. 제1항에 있어서,
    지령 전진방향 선속도, 지령 x축 회전각도, 지령 y축 회전각도, 실제 선속도, 실제 x축 회전각도 실제 y축 회전각도 및 상기 회전운동량 제어기로부터 입력된 측방향 선속도를 이용하여 지령 힙-조인트 값을 출력하는 위치 자세 제어기; 및
    상기 위치 자세 제어기의 지령 힙-조인트 값과 실제 힙-조인트 값을 입력받아 힙-조인트 토크값을 출력하여 힙-조인트에 전달하는 PD 제어기를 더 포함하는 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 장치.
  6. 다리식 이동 로봇이 호핑(hopping) 모션에 의해 이동 시, 상기 다리식 이동 로봇의 회전운동량을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 다리식 이동 로봇의 다리가 착지할 지점에 대한 지령 좌표값 및 상기 다리식 이동 로봇의 지령 회전각을 입력받는 단계;
    상기 다리식 이동 로봇의 이동 시 발생하는 몸체의 회전각을 측정하는 단계;
    상기 지령 회전각과 상기 측정된 회전각과의 오차를 연산하고, 상기 오차를 이용하여 상기 다리식 이동 로봇의 회전 운동량을 제어하기 위한 측방향 선속도를 연산하는 단계; 및
    상기 연산된 측방향 선속도를 이동 로봇의 발 위치 및 몸의 자세를 유지하기 위한 위치 자세 제어기로 전달하는 단계를 포함하는 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 방법.
  7. 제 6항에서,
    상기 연산하는 단계는,
    다음의 수학식에 따라 다리식 이동 로봇의 회전에 따른 몸체의 회전운동량과 로봇 다리의 선형운동량을 연산하는 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 방법:
    Figure 112013091476960-pat00072

    Figure 112013091476960-pat00073

    Figure 112013091476960-pat00074

    여기서, La는 상기 다리식 이동 로봇 몸체의 회전운동량, I는 상기 다리식 이동 로봇의 관성모멘트,
    Figure 112013091476960-pat00075
    는 상기 다리식 이동 로봇 몸체의 zo 방향으로의 회전각(
    Figure 112013091476960-pat00076
    ) 의 단위시간에 대한 변화량(회전각속도), Ll는 상기 다리식 이동 로봇 다리의 선형운동량, m4는 상기 다리식 이동 로봇 다리의 질량,
    Figure 112013091476960-pat00077
    는 상기 다리식 이동 로봇의 측방향 선속도를 각각 나타낸다.
  8. 제 7항에서,
    상기 연산하는 단계는,
    다음의 수학식에 따라 상기 오차를 연산하는 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 방법:
    Figure 112013091476960-pat00078

    여기서, kp _ dir는 위치 게인, kv _ dir는 속도 게인,
    Figure 112013091476960-pat00079
    는 상기 다리식 이동 로봇 몸체의 지령 회전각,
    Figure 112013091476960-pat00080
    는 상기 다리식 이동 로봇 몸체의 zo 방향으로의 회전각,
    Figure 112013091476960-pat00081
    는
    Figure 112013091476960-pat00082
    의 단위시간에 대한 변화량(회전각속도)을 각각 나타낸다.
  9. 제 8항에서,
    상기 연산하는 단계는,
    다음의 수학식에 의해 상기 측방향 선속도를 출력하는 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 방법:
    Figure 112013091476960-pat00083

    Figure 112013091476960-pat00084

    여기서, xf 및 yf는 상기 다리식 이동 로봇의 다리가 착지할 지점에 대한 지령 좌표값, tf는 상기 다리식 이동 로봇의 다리가 지면에 접촉하는 시간을 각각 나타낸다.
  10. 제6항에 있어서,
    지령 전진방향 선속도, 지령 x축 회전각도, 지령 y축 회전각도, 실제 선속도, 실제 x축 회전각도, 실제 y축 회전각도 및 상기 회전운동량 제어기의 측방향 선속도를 입력받아 지령 힙-조인트 값을 출력하는 단계; 및
    상기 위치 자세 제어기의 지령 힙-조인트 값과 실제 힙-조인트 값을 입력받아 힙-조인트 토크값을 출력하여 힙-조인트에 전달하는 PD 제어 단계를 더 포함하는 다리식 이동 로봇의 방향 전환 제어 방법.
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