KR101460140B1 - 휴머노이드 로봇 및 그의 제어 방법 - Google Patents

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KR101460140B1
KR101460140B1 KR1020080035015A KR20080035015A KR101460140B1 KR 101460140 B1 KR101460140 B1 KR 101460140B1 KR 1020080035015 A KR1020080035015 A KR 1020080035015A KR 20080035015 A KR20080035015 A KR 20080035015A KR 101460140 B1 KR101460140 B1 KR 101460140B1
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Abstract

본 발명은 휴머노이드 로봇 및 그의 제어 방법에 관한 것으로, 휴머노이드 로봇의 동작 명령 입력 시 입력된 명령에서 보행 동작 명령과 보행 외 동작 명령을 분석 및 합성하여 하나의 동작 명령을 생성하는 동작 생성부와, 생성된 동작 명령에 따라 휴머노이드 로봇이 동작하도록 제어하는 위치 및 자세 제어부와, 위치 및 자세 제어부의 제어 하에 휴머노이드 로봇을 동작시키고, 휴머노이드 로봇의 실제 동작을 검출하여 검출된 정보를 위치 및 자세 제어부로 전달하는 구동부 및 센서부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 보행 명령, 보행 외 명령 및 관절 단위 명령을 합성하여 하나의 명령을 생성할 수 있고, 우선 순위를 적용하여 휴머노이드 로봇의 안정성이 확보될 수 있다.
휴머노이드 로봇, 관절, 각도, 마스크, 합성

Description

휴머노이드 로봇 및 그의 제어 방법{HUMANOID ROBOT AND METHOD FOR CONTROLLING THEREOF}
본 발명은 휴머노이드 로봇 및 그의 제어 방법에 관한 것으로, 특히 보행 명령, 보행 외 명령 및 관절 단위 명령을 동시에 수행할 수 있고, 안정성이 확보될 수 있는 휴머노이드 로봇 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.
로봇(Robot)은 자동 조절에 의해 조작이나 이동 등의 일을 수행할 수 있는 기계 장치로서, 인간을 대신하여 여러 작업에 이용되고 있다. 그 동안 로봇 산업은 급속도로 발전해 왔으며, 산업용/특수 작업용 로봇에 대한 연구에서 가정용, 교육용 로봇과 같이 인간의 작업을 돕고 인간의 생활에 즐거움을 주는 목적으로 만들어지는 로봇에 대한 연구로 확대되고 있는 실정이다.
우리 나라는 로봇이 보급되기 시작한 것이 1960년대 말부터인데, 그 대부분은 공장에서 생산 작업의 자동화, 무인화 등을 목적으로 한 매니퓰레이터(manipulator)나 반송 로봇 등의 산업용 로봇(industrial robot)이었다.
최근에는 개나 고양이와 같이 네 발로 보행하는 동물의 신체 메커니즘이나 그 동작을 모방한 펫(pet) 형 로봇, 혹은 인간과 같은 두 발로 직립 보행을 행하는 동물의 신체 메커니즘이나 동작을 모델로 하여 디자인된 휴머노이드(humanoid) 로봇 등에 대한 연구 개발이 요구되어 지고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 안정적으로 동작을 수행할 수 있는 휴머노이드 로봇 및 그의 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 안정적으로 보행 명령, 보행 외 명령, 관절 단위 명령을 동시에 수행할 수 있는 휴머노이드 로봇 및 그의 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 보행 명령, 보행 외 명령, 관절 단위 명령을 합성하고, 우선 순위를 두어 안정적으로 동작을 수행할 수 있는 휴머노이드 로봇 및 그의 제어 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 휴머노이드 로봇으로서, 휴머노이드 로봇의 동작 명령 입력 시, 상기 입력된 명령에서 보행 동작 명령과 보행 외 동작 명령을 분석 및 합성하여 하나의 동작 명령을 생성하는 동작 생성부와, 상기 생성된 동작 명령에 따라 상기 휴머노이드 로봇이 동작하도록 제어하는 위치 및 자세 제어부와, 상기 위치 및 자세 제어부의 제어 하에 상기 휴머노이드 로봇을 동작시키고, 상기 휴머노이드 로봇의 실제 동작을 검출하여 상기 검출된 정보를 상기 위치 및 자세 제어부로 전달하는 구동부 및 센서부를 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 다른 발명은 휴머노이드 로봇의 제어 방법으로서, 휴머노이드 로봇의 동작 명령 입력 시, 보행 동작 명령에 대한 제1 관절 각도 값, 상기 보행 외 동작 명령에 대한 제2 관절 각도 값 및 저장되지 않은 동작 명령에 대한 제3 관절 각도 값을 생성하는 과정과, 상기 제1 내지 제3 관절 각도 값을 분석 및 합성하여, 하나의 전 관절 각도 목표 값을 생성하는 과정과, 상기 생성된 전 관절 각도 목표 값에 의해 모터가 동작하여 상기 휴머노이드 로봇이 동작하는 과정을 포함한다.
본 발명에 따르면, 보행 명령, 보행 외 명령 및 관절 단위 명령을 합성하여 하나의 명령을 생성할 수 있고, 우선 순위를 적용하여 휴머노이드 로봇의 안정성이 확보될 수 있다.
그리고 동작 생성부의 보행 외 동작 생성기의 동작 패턴 저장소에 각 관절이 지나야 하는 대표적인 관절 각도들만을 저장하여, 효율적으로 데이터를 저장할 수 있다.
또한, 우선 순위 기반 동작 합성기를 통해 동시에 여러 명령 입력 시, 기존에 수행 중이던 휴머노이드 로봇의 안정성에 악영향을 미치는 관절의 궤적을 제외시킬 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇(100)은 통신부(110), 동작 제어 프로그램(120), 동작 생성부(130), 위치 및 자세 제어부(140) 및 구동부 및 센서부(150)의 구성을 갖는다.
통신부(110)는 휴머노이드 로봇(100)의 무선 통신 기능을 수행한다. 통신부(110)는 본 실시예에 따라 외부로부터 휴머노이드 로봇(100)의 동작 명령을 수신한다. 휴머노이드 로봇(100)의 동작 명령은 원격 조작기 등을 통해 수신될 수 있다. 사용자는 원격 조작기 등을 이용하여, 휴머노이드 로봇(100)의 동작 명령을 입력하고, 원격 조작기에 구비된 통신부를 통해, 통신부(110)는 해당 동작 명령을 수신한다. 통신부(110)는 휴머노이드 로봇(100)의 동작 수행 결과 및 상태를 원격 조작기로 전송한다. 통신부(110)는 TCP(Transmission Control Protocol) 또는 UDP(User Datagram Protocol) 등을 통해 원격 조작기 등과 통신을 수행한다.
통신부(110)는 UDP를 사용하는 경우, 외부로부터 휴머노이드 로봇(100)의 동 작 명령이 입력되면, PACKET [UDP 헤더, DATA, 명령 종료 식별자]의 형태를 갖는 패킷을 동작 제어 프로그램(120)으로 전달한다. 여기서, DATA는 입력되는 동작 명령에 따라 그 형태가 달라질 수 있다. 예를 들어, 걷기 명령은 DATA [COMMAND, WALKING_ON, FORWARD, 발 높이, 보폭, 각도, 속도], 춤추기 명령은 DATA [COMMAND, DANCE, NULL...], 인사 명령은 DATA [COMMAND, BOW, NULL...], 특정 관절 조작 명령은 DATA [COMMAND, JOINT, 관절 번호, 이동 각도, 속도]와 같은 형태가 될 수 있다. 이러한 패킷 및 데이터 형태는 XML(eXtensible Markup Language)과 같은 텍스트 기반 프로토콜을 사용한 예로서, 데이터의 내용은 가변적이고, 명령과 변수 값을 포함하는 형태이다. 통신부(110)에서 동작 제어 프로그램(120)으로 전달되는 패킷 및 데이터의 형태는 상기한 것에 한정되는 것은 아니다.
동작 제어 프로그램(120)은 통신부(110)를 통해 외부로부터 요청된 휴머노이드 로봇(100)의 동작 상태를 하위 모듈로 전달한다. 여기서, 하위 모듈은 하기되는 동작 생성부(130)이다. 동작 제어 프로그램(120)은 외부로부터 입력된 명령이 보행 궤적 생성기(131)로 전달해야 하는 것인지, 또는 보행 외 동작 생성기(133)로 전달해야 하는 것인지, 또는 관절 단위 동작 생성기(135)로 전달해야 하는 것인지를 판단하여 전달한다. 동작 제어 프로그램(120)은 각 동작별 이름과 테이블을 저장하고, 입력되는 동작 명령이 어느 범위에 속하는 것인지를 판단하여 하위 모듈로 전달한다. 예를 들어, 입력된 명령이 걷기 명령인 경우, 동작 제어 프로그램(120)은 입력된 동작의 이름과 저장된 동작별 이름 및 테이블을 비교하여, 보행 명령인 것으로 판단한 뒤, 해당 명령을 보행 궤적 생성기(131)로 전달한다.
동작 제어 프로그램(120)은 통신부(110)로부터 패킷을 받아 데이터 부분을 읽어들여, 어느 동작 생성기(보행 궤적 생성기(131), 보행 외 동작 생성기(133), 관절단위 동작 생성기(135))로 전달해야 할 지를 판단한다. 동작 제어 프로그램(120)은 입력된 명령을 판단된 동작 생성기에 맞는 명령 형식으로 변경시킨다. 예를 들어, 동작 제어 프로그램(120)은 보행 궤적 생성기(131)로 전달할 데이터는 DATA[FORWARD/BACKWARD, 발 높이, 보폭, 각도, 속도]의 형태로, 보행 외 동작 생성기(133)로 전달할 데이터는 DATA [동작 번호]의 형태로, 관절 단위 동작 생성기(133)로 전달한 데이터는 DATA [관절 ID, 각도, 속도]의 형태로 변경시켜, 전달한다. 동작 제어 프로그램(120)은 각 동작 생성기가 함수로 구현되어 있으므로, 변수를 갖는 함수를 호출함으로써 해당 데이터를 전달할 수 있다.
동작 생성부(130)는 휴머노이드 로봇(100)의 동작 명령 입력 시, 입력된 명령에서 보행 동작, 보행 외 동작, 관절 단위 동작을 합성하여 하나의 동작을 생성한다. 도 2는 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇의 동작 생성부를 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 2를 참조하면, 동작 생성부(130)는 보행 궤적 생성기(131), 보행 외 동작 생성기(133), 관절 단위 동작 생성기(135) 및 명령 합성/해석기(137)를 포함한다.
보행 궤적 생성기(131)는 보행 동작 명령을 입력받아 제1 관절 각도 값을 생성한다. 즉, 보행 동작과 관련된 제1 관절 각도 값을 생성한다. 보행 궤적 생성기(131)는 휴머노이드 로봇(100)이 걷는 것과 같은 주기적인 동작을 수행할 때 필요한 관절 각도 값을 생성한다.
보행 궤적 생성기(131)는 휴머노이드 로봇(100)의 동역학 모델에 근거한 운동 방정식 기술을 바탕으로 하여, 각 관절의 각도를 실시간으로 제어한다. 보행 궤적 생성기(131)는 기본적으로 서다/멈추다의 상태를 가지고, 전/후진, 방향 전환, 보폭, 발 높이 등의 변수를 가질 수 있다. 즉, 보행 궤적 생성기(131)는 상기의 보행 관련 변수에 따라 각각의 관절에 따른 데이터, 즉 제1 관절 각도 값을 생성한다. 보행 궤적 생성기(131)는 안정적인 보행 궤적을 생성하고, 보행 궤적은 실시간 관절 각도 값, 즉 제1 관절 각도 값으로 변환되어 하기되는 명령 합성/해석기(137)로 전달된다. 이러한 보행 궤적 생성기(131)의 동작은 1998년 5월에 발표된 'K. Hirai, M. Hirose, Y. Haikawa, and T. Takenaka, Pro. Of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation'의 "The development of Honda Humanoid robot"에 기재되어 있다.
일반적으로, 휴머노이드 로봇(100)이 동작한다는 것은 입력된 명령에 따라 각 관절의 끝점이 시간에 따라서 원하는 경로로 움직인다는 것을 의미한다. 이러한 휴머노이드 로봇(100)의 동작을 위해서는 각 동작 생성기(보행 궤적 생성기, 보행 외 동작 생성기, 관절 단위 동작 생성기)들은 DATA[t]={[관절 ID, 각도], [관절 ID, 각도]...}와 같은 형태의 관절 각도 값을 생성한다. 즉, 휴머노이드 로봇(100)의 특정 한 동작을 위한 데이터는 2 차원 배열을 이루게 된다. 이러한 시간에 따른 각 관절의 데이터를 각 모터(151)에 전달하여, 휴머노이드 로봇(100)은 동작된다.
그런데, 이러한 경우 모든 관절의 모든 시간 데이터를 가지게 되어, 휴머노이드 로봇(100)이 저장하여야 하는 데이터의 용량이 많아지므로, 이를 해결하기 위 하여 보간법을 사용한다. 즉, 하나의 동작을 위한 전체 데이터가 아닌, 몇 개의 시간 데이터만을 이용하여 실시간으로 휴머노이드 로봇(100)의 움직임을 계산한다. 이러한 보간법과 관련하여서는 도 3과 도 4를 참조하여 하기되는 보행 외 동작 생성기(133)의 동작에서 설명한다. 이하에서는 보간법 적용을 위한 동작 패턴 저장소, 보간기 및 우선 순위 기반 동작 합성기가 보행 외 동작 생성기(133)에 구비된 것을 예로 들어 설명하지만, 이러한 구성은 보행 궤적 생성기(131)와 관절 단위 동작 생성기(135)에도 구비된다.
보행 외 동작 생성기(133)는 보행이 아닌 동작 명령을 입력받아 제2 관절 각도 값을 생성한다. 즉, 전술한 보행과 같은 주기적인 동작이 아닌, 춤 동작과 같이 다양한 움직임에 대한 제2 관절 각도 값을 생성한다. 보행 외 동작 생성기(133)는 사람의 동작을 모션 캡쳐(motion capture) 장비에서 추출하거나, 시뮬레이터(simulator) 상에서 미리 구현된 동작을 기반으로 재생하여 관절 각도 값을 생성한다. 보행 외 동작 생성기(133)는 오프라인(off-line)에서 각 관절의 중심점(via point)들을 미리 저장하여 재생함으로써 관절 각도 값을 생성한다. 여기서, 중심점은 보행 외 동작 생성 시, 모션 캡쳐 장비나 시뮬레이터 등으로부터 얻을 수 있는 각 관절 각도들을 의미한다.
보행 외 동작 생성기(133)는 동작 중간의 관절 각도 값이 직접 입력되거나 관절의 끝점이 이동하는 궤적을 기준으로 하여, 제2 관절 각도 값을 생성할 수 있다. 보행 외 동작 생성기(133)에서 생성된 제2 관절 각도 값을 통해, 실시간으로 휴머노이드 로봇(100)의 상/하체 관절을 움직일 수 있다. 이러한 보행 외 동작 생 성기(133)의 동작은 'John J. Craig, Prentice Hall'의 "Introduction to Robotics: Mechanics and Control"의 4 장 Inverse Kinematics와 7 장 Trajectory Generation에 기재되어 있다.
보행 외 동작 생성기(133)는 보간법을 통해 실시간으로 중간점들을 이용하여 부드러운 궤적을 생성한다. 보간법이란 2 개 이상의 변수 값(t1, t2)에 대한 함수 값으로부터 그 사이의 임의의 변수 값(t1~t2)에 대한 함수 값을 추정하는 방법이다. 이를 통해, 저장된 일정 구간별로 떨어져 있는 점들로부터 전체 궤적을 얻을 수 있다. 도 3은 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇의 동작 생성부의 각각의 동작 생성기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 4a와 도 4b는 도 3의 보간기의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3과 도 4를 참조하면, 보행 외 동작 생성기(133)는 복수 개의 동작 패턴 저장소(331)와 복수 개의 보간기(333) 및 우선 순위 기반 동작 합성기(335)로 구성된다. 동작 패턴 저장소(331)는 휴머노이드 로봇(100)의 동작을 위해 각 관절의 중간점들을 저장한다. 즉, 하나의 동작 패턴 저장소(331)는 도 4a에 도시된 바와 같이, 하나의 동작에 대하여 n 개의 관절에 대한 각각의 중간점들을 저장한다. 관절 각도를 제어하기 위해 각 관절이 지나야 하는 대표적인 관절 각도들만을 저장하므로, 효율적으로 데이터가 저장될 수 있다. 보간기(333)는 전술한 바와 같은 보간법을 통해 동작 패턴 저장소(331)에 저장된 정보를 이용하여 부드러운 궤적을 생성한다. 보간기(333)를 통과하여 부드러운 궤적이 형성된 모습이 도 4b에 도시된다. 보간법을 통해 도 4a에 도시된 바와 같이, 동작 패턴 저장소(331)에 저장된 각 관절 에 대한 중간점들을 도 4b에 도시된 바와 같이, 부드러운 궤적으로 생성한다.
우선 순위 기반 동작 합성기(335)는 우선 순위를 평가한다. 우선 순위 기반 동작 합성기(335)는 보간기(333)를 거친 입력된 복수 개의 보행 외 동작 중에서 우선 순위를 평가한다. 우선 순위 기반 동작 합성기(335)는 사용자에 의해 미리 결정되거나, 휴머노이드 로봇(100)의 균형 안정도를 판별하여 우선 순위를 결정한다. 이로 인해, 여러 보행 외 동작들이 동시에 실현될 때 동시 동작의 안정성을 보장해준다.
관절 단위 동작 생성기(135)는 보행 외 동작 명령 이외의 동작 명령을 입력받아 제3 관절 각도 값을 생성한다. 관절 단위 동작 생성기(135)는 보행 외 동작 명령에 저장된 명령 이외에 사용자가 실시간으로 휴머노이드 로봇(100)의 각 관절을 움직이도록 하는 명령에 대하여, 제3 관절 각도 값을 생성한다. 관절 단위 동작 생성기(135)는 각 관절 단위에 대한 각도 값을 생성하여, 각 관절을 독립적으로 제어한다. 관절 단위 동작 생성기(135)는 전술한 바와 같은 도 3의 동작 패턴 저장소, 보간기 및 우선 순위 기반 동작 합성기를 포함할 수도 있다.
명령 합성/해석기(137)는 보행 궤적 생성기(131), 보행 외 동작 생성기(133) 및 관절 단위 동작 생성기(135)를 통해 생성된 각 관절 각도 값을 조합하여, 전 관절 각도 목표 값을 생성한다. 즉, 명령 합성/해석기(137)는 보행 명령, 보행 외 동작 명령, 관절 단위 동작 명령으로부터 휴머노이드 로봇(100)의 상태를 기반으로 1 개의 제어 명령을 새롭게 합성한다. 명령 합성/해석기(137)는 휴머노이드 로봇(100)에 치명적인 위험을 가할 수 있는 동작에 대한 명령을 차단하고, 안정적으 로 동시에 보행과 보행 외 여러 동작을 수행할 수 있도록 한다. 도 5는 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇의 명령 합성/해석기의 동작을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 5를 참조하면, 명령 합성/해석기(137)는 보행 외 동작 생성기(133)로부터 생성된 제2 관절 각도 값과 관절 단위 동작 생성기(135)로부터 생성된 제3 관절 각도 값을 조합하여 마스킹(masking)함으로써 제4 관절 각도 값을 생성한다. 그 후에, 명령 합성/해석기(137)는 제4 관절 각도 값과 보행 궤적 생성기(131)기로부터 생성된 제1 관절 각도 값을 조합하여 전 관절 각도 목표 값을 생성한다. 여기서, 명령 합성/해석기(137)로 전달되는 전 관절 각도 목표 값은 {[관절 ID, 각도, 우선 순위], [관절 ID, 각도, 우선 순위]...}의 형태를 갖는다.
휴머노이드 로봇(100)이 보행 중인 경우, 명령 합성/해석기(137)는 하체에 대한 명령은 보행 궤적 생성기(131)에서 생성된 제1 관절 각도 값을 사용하고, 상체에 대한 명령은 보행 외 동작 생성기(133) 및/또는 관절 단위 동작 생성기(135)로부터 생성된 제2 및/또는 제3 관절 각도 값을 조합하여 마스킹한 뒤, 상기 제1 관절 각도 값과 조합하여 입력된 동작 명령을 처리한다. 휴머노이드 로봇(100)이 보행 중이 아닌 경우, 명령 합성/해석기(137)는 보행 외 동작 생성기(133) 및/또는 관절 단위 동작 생성기(135)에서 생성된 관절 각도 값을 이용하여 입력된 동작 명령을 처리한다.
명령 합성/해석기(137)는 하나로 합쳐진 전 관절 각도 목표 값을 위치 및 자세 제어부(140)로 전달한다. 여기서, 위치 및 자세 제어부(140)로 전달되는 전 관 절 각도 목표 값은 {[관절 ID, 각도], [관절 ID, 각도]...}의 형태를 갖는다.
위치 및 자세 제어부(140)는 동작 생성부(130)로부터 생성된 동작을 제어한다. 도 6은 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇의 위치 및 자세 제어부와 구동부 및 센서부를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 6을 참조하면, 위치 및 자세 제어부(140)는 위치 제어기(141)와 자세 제어기(143)로 구성된다. 위치 제어기(141)는 명령 합성/해석기(137)로부터 수신된 전 관절 각도 목표 값을 구동부 및 센서부(150)로 전달하고, 구동부 및 센서부(150)의 동작에 따른 관절의 실시간 각도 값을 전달받아 오차를 줄인다. 즉, 위치 제어기(141)는 구동부 및 센서부(150)의 모터(151)로 전 관절 각도 목표 값을 전달하고, 구동부 및 센서부(150)의 위치 센서(153)로부터 동작에 따른 관절의 실시간 각도 값을 전달받는다. 위치 제어기(141)는 해당 시간대의 각 관절 각도의 목표 값을 수신하여, 이를 모터(151)를 움직일 수 있는 형태로 변환시킨다.
위치 제어기(141)는 각각의 모터(151)를 제어하는 명령을 각각의 모터(151)로 전달한다. 이 때, 전달되는 명령의 형태는 [모터 ID, 목표 각도]일 수 있다. 여기서, 명령의 형태는 모터(151)의 종류나 구현 방법에 따라서 상이할 수 있으므로, 전술한 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 모터(151)가 서보 모터(servomotor)인 경우, 위치 제어기(141)는 전 관절 각도 목표 값을 타이머 신호로 변환시키고, 관절 각도(0~180ㅀ)가 모터 제어 신호 값으로 변환된다.
위치 제어기(141)는 각 모터(151)로 제어 신호 전달 시, 전체 모터(151)의 값을 가지는 매트릭스 데이터를 받아, 각각의 모터(151)에 대한 목표 값을 갖는 제 어 신호를 전달한다. 위치 제어기(141)는 입력된 명령을 따라 구동되어야 하는 모터(151)를 순서대로 불러들여 움직일 수 있도록 제어 신호를 전달한다.
자세 제어기(143)는 휴머노이드 로봇(100)의 자세의 불확실성을 안정화시킨다. 자세 제어기(143)는 구동부 및 센서부(150)로부터 얻은 정보를 위치 제어기(141)로 전달하여, 전 관절 각도 목표 값을 피드백 제어한다. 자세 제어기(143)는 각종 자세 안정도 측정용 센서들, 예컨대 구동부 및 센서부(150)의 힘/가속도 센서(155)를 통해 얻은 정보를 위치 제어기(141)로 전달함으로써, 휴머노이드 로봇(100)의 자세를 실시간으로 보정할 수 있다. 자세 제어기(143)는 바닥면과 휴머노이드 로봇(100)의 발이 닿을 때의 불확실성, 지면 반발력, 중력에 대한 보상 및 휴머노이드 로봇(100)의 변화하는 가속도 에러를 보상하는 명령을 위치 제어기(141)로 전달한다. 이러한 자세 제어기(143)의 보행 안정화 동작은 2006년 5월에 발표된 'Y. D. Kim, B. J. Lee, J. K. Yoo, and J. H. Kim, Proc. Of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation'의 "Compesation for the Landing Impact Force of a Humanoid Robot by Time Domain Passivity Approach"에 기재되어 있다.
자세 제어기(143)는 각종 자세 안정도 측정용 센서들로부터 전달된 자세 균형 정보를 이용하여, 휴머노이드 로봇(100)의 균형을 유지하기 위하여 움직여야 하는 모터 값을 위치 제어기(141)로 전달한다. 이 때, 전달되는 실제 모터 값은 {[모터 ID, 각도], [모터 ID, 각도]...}의 형태일 수 있다.
구동부 및 센서부(150)는 위치 및 자세 제어부(140)로부터 제어된 동작에 따라 휴머노이드 로봇(100)을 동작시킨다. 구동부 및 센서부(150)는 도 6을 참조하 면, 모터(151), 위치 센서(153) 및 힘/가속도 센서(155)로 구성된다. 모터(151)는 위치 제어기(141)로부터 전 관절 각도 목표 값을 전달받아, 휴머노이드 로봇(100)의 전 관절을 구동시킨다. 모터(151)는 휴머노이드 로봇(100)의 각 관절에 구비되어, 각 관절이 입력된 각도만큼 움직일 수 있게 한다. 모터(151)는 모터 드라이버(driver)와 같은 컨트롤러(controller)를 구비하여, 목표 각도 값을 받으면, 그 위치로 움직일 수 있게 된다.
위치 센서(153)는 모터(151)와 근접하게 위치되고, 모터(151)를 통해 구동되는 각 관절의 위치를 실시간으로 검출한다. 위치 센서(153)는 실제로 모터(151)를 통해 구동하는 관절의 위치를 검출하여, 각 관절의 실시간 각도 값을 위치 제어기(141)로 전달한다. 이를 통해, 위치 제어기(141)는 모터(151)로 전송되는 관절 각도 값과 실제로 모터(151)를 통해 구동되는 관절 각도 값을 비교하여, 오차를 줄인다. 위치 센서(153)는 모터(151)의 실제 위치와 목표 위치를 비교하여, 다른 경우, 실제 모터(151)의 위치 값을 위치 제어기(141)로 전달한다. 이 때, 전달되는 실제 모터(151)의 위치 값은 [모터 ID, 측정된 각도]의 형태일 수 있다.
힘/가속도 센서(155)는 휴머노이드 로봇(100)의 자세 안정도 측정용 센서이다. 힘/가속도 센서(155)는 바닥면과 휴머노이드 로봇(100)의 발이 닿을 때의 불확실성, 지면 반발력, 휴머노이드 로봇(100)의 변화하는 가속도 등을 측정하여, 상기 정보를 자세 제어기(143)로 전달한다. 예를 들어, 힘 센서는 휴머노이드 로봇(100)의 발바닥의 네 모서리에 구비되어, 지면에 대한 휴머노이드 로봇(100)의 중심점을 측정하여, 지면의 상태 또는 휴머노이드 로봇(100)의 기울어짐 등을 측정할 수 있 다. 이를 통해, 자세 제어기(143)는 외부 환경에 따른 오차 보상을 위한 피드백 제어 신호를 위치 제어기(141)로 전달한다.
힘/가속도 센서(155)는 각 센서로부터 검출된 정보를 자세 제어기(143)로 전달하고, 자세 제어기(143)는 이 정보를 이용하여 휴머노이드 로봇(100)의 안정도를 판별한다. 힘/가속도 센서(155)는 센서의 종류에 따라 자세 제어기(143)로 전달되는 자세 균형 정보의 형태가 달라진다. 예를 들어, FSR(Force Sensing Register; 발바닥 압력 센서)의 경우, 압력 값(㎏)을 전달하고, 가속도 센서의 경우, 어떤 축으로 회전하는 각속도(각 가속도) 값(㎮)을 전달한다.
이하, 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇의 제어 방법에 대하여 설명한다. 도 7은 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇의 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 먼저 원격 조작기 등을 통해 외부로부터 휴머노이드 로봇(100)의 통신부(110)를 통해 동작 명령이 입력된다(S401). 사용자는 원격 조작기 등을 이용해 휴머노이드 로봇(100)의 동작을 명령한다.
통신부(110)를 통해 입력된 동작 명령은 동작 제어 프로그램(120)을 통해 하위 모듈, 즉 동작 생성부(130)로 전달된다(S403). 동작 제어 프로그램(120)은 보행 궤적 생성기(131), 보행 외 동작 생성기(133) 및 관절 단위 동작 생성기(135)로 전달된다. 보행 궤적 생성기(131)는 보행 동작 명령을 입력받아 제1 관절 각도 값을 생성하고, 보행 외 동작 생성기(133)는 보행 외 동작 명령을 입력받아 제2 관절 각도 값을 생성하며, 관절 단위 동작 생성기(135)는 보행 외 동작 이외의 동작 명령 을 입력받아 제3 관절 각도 값을 생성한다.
이어서, 명령 합성/해석기(137)는 상기 제2 및 제3 관절 각도 값을 조합하고(S405), 조합된 관절 각도 값을 마스킹하여 제4 관절 각도 값을 생성한다(S407). 명령 합성/해석기(137)는 입력된 명령 중에서 보행 외 동작 명령과 보행 외 동작 이외의 명령에 대한 관절 각도 값을 합성한다.
다음으로, 명령 합성/해석기(137)는 보행 궤적 생성기(131)로부터 생성된 제1 관절 각도 값과 상기 제4 관절 각도 값을 조합하여, 전 관절 각도 목표 값을 생성한다(S409). 명령 합성/해석기(137)는 1 내지 제3 관절 각도 값을 합성하여 전 관절 각도 목표 값을 생성한다. 여기서, 휴머노이드 로봇(100)이 보행 중이 아닌 경우, 본 과정은 생략될 수 있다.
명령 합성/해석기(137)로부터 생성된 전 관절 각도 목표 값은 위치 제어기(141)로 전달된다(S411). 그리고 위치 제어기(141)로부터 각 관절 목표 값이 모터(151)로 전달된다(S413). 이 때, 전술한 바와 같이, 위치 센서(153), 힘/가속도 센서(155)로부터 전송되는 정보가 이용된다.
전술한 바와 같은 과정들을 통해, 휴머노이드 로봇(100)은 해당 동작을 수행한다(S415). 이 때, 자세 제어기(143)로부터 전 관절 각도 목표 값을 통한 안정적인 보행을 위한 피드백 제어 신호가 위치 제어기(141)로 전달된다(S417).
이하, 일 실시예에 따른 휴머노이드 로봇의 제어 방법에 대하여 설명한다. 도 8은 특정 명령 입력 시 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇의 제어 방법의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 휴머노이드 로봇(100)에 걷기, 춤추기, 인사 명령이 입력되면(S801), 동작 제어 프로그램(120)이 걷기 명령은 보행 궤적 생성기(131)로, 춤추기와 인사 명령은 보행 외 궤적 생성기(133)로 전달한다(S803). 동작 제어 프로그램(120)은 저장된 동작 이름 및 테이블에서 입력되는 명령을 비교하여, 해당 동작 생성기(보행 궤적 생성기, 보행 외 동작 생성기, 관절 단위 동작 생성기)로 해당 명령을 전달한다. 본 실시예에서는 관절 단위 동작 생성기로 전달되는 명령은 입력되지 않은 것을 예로 들어 설명한다.
이어서, 보행 궤적 생성기(131)는 걷기 명령에 따른 제1 관절 각도 값을 생성하고, 보행 외 동작 생성기(133)는 춤추기 및 인사 명령에 따른 제2 관절 각도 값을 생성한다(S805). 보행 궤적 생성기(131)는 보행 관련 변수들(보폭, 발 높이, 보행 각도 등)에 따라 각각의 관절에 다른 제1 관절 각도 값을 생성한다.
보행 외 동작 생성기(133)는 동작 패턴 저장소(331) 중에서 춤추기 동작과 인사 동작에 관련된 패턴을 불러들인다. 여기서, 저장된 패턴의 형태는 전술한 바와 같이, {[관절 ID, 각도, 시간], [관절 ID, 각도, 시간]...}의 형태일 수 있다. 이러한 형태의 데이터는 보간기(333)를 거쳐, 실시간 데이터 형태로 변경된다. 그리고 우선 순위 기반 동작 합성기(335)를 거쳐, 두 가지 동작의 우선 순위를 판단하여, 하나의 동작에 따른 제2 관절 각도 값이 생성된다. 우선 순위 기반 동작 합성기(335)의 동작을 살펴보면, 먼저 예를 들어, 춤추기 명령은 [하체 25, 상체 25]로 설정되고, 인사 명령은 [하체 20, 상체 20]으로 설정되어 있다고 가정한다. [] 안의 내용은 각 동작에 대한 관절의 우선 순위를 나타내고, 우선 순위는 0~100까지 의 값을 가지며, 높은 값을 가질수록 우선 순위가 높은 동작이다. 이러한 경우, 춤추기 명령이 인사 명령보다 우선 순위가 높으므로, 우선 순위 기반 동작 합성기(335)는 춤추기 명령이 인사 명령보다 우선한 것으로 판단하게 되므로, 결과적으로 보행 외 동작 생성기(133)는 춤추기 명령에 대한 제2 관절 각도 값을 생성하게 된다. 여기서, 춤추기 명령이 인사 명령보다 우선하여, 인사 명령은 무시될 수도 있고, 춤추기 명령에 따른 동작을 수행한 후에 인사 명령에 따른 동작을 수행할 수도 있다.
다음으로, 생성된 제1 및 제2 관절 각도 값은 명령 합성/해석기(137)로 전달되고, 명령 합성/해석기(137)는 제1 및 제2 관절 각도 값을 조합하여 전 관절 각도 목표 값을 생성한다(S807). 제2 관절 각도 값을 위한 춤추기 명령은 전술한 바와 같이, [하체 25, 상체 25]이고, 제1 관절 각도 값을 위한 걷기 명령은 [하체 100, 상체 15]로 설정되어 있다고 가정한다. 이러한 경우, 하체 관절 우선 순위는 걷기 명령이 100이고, 춤추기 명령은 25이고, 상체 관절 우선 순위는 걷기 명령이 15이고, 춤추기 명령은 25이다. 따라서, 명령 합성/해석기(137)는 하체에 대하여 걷기 명령을 수행하도록 하고, 상체에 대하여 춤추기 명령을 수행하도록 전 관절 각도 목표 값을 생성한다.
그 이후에, 전술한 도 7을 참조한 S411 과정에서부터 S417 과정이 수행된다. 즉, 명령 합성/해석기(137)로부터 생성된 전 관절 각도 목표 값이 위치 제어기(141)로 전달되고, 위치 제어기(141)로부터 각 관절 목표 값이 모터(151)로 전달된다. 이 때, 전술한 바와 같이, 위치 센서(153), 힘/가속도 센서(155)로부터 전송 되는 정보가 이용된다. 그리고 휴머노이드 로봇(100)은 해당 동작을 수행한다. 이 때, 전술한 바와 같이, 자세 제어기(143)로부터 전 관절 각도 목표 값을 통한 안정적인 보행을 위한 피드백 제어 신호가 위치 제어기(141)로 전달된다.
한편, 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇 및 그의 제어 방법은 전술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 중심 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 이는 본원발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇의 동작 생성부를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇의 동작 생성부의 각각의 관절 각도 생성기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4a와 도 4b는 도 3의 보간기의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇의 명령 합성/해석기의 동작을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇의 위치 및 자세 제어부와 구동부 및 센서부를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇의 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 8은 특정 명령 입력 시 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇의 제어 방법의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.

Claims (13)

  1. 휴머노이드 로봇의 동작 명령 입력 시, 상기 입력된 명령 중 보행 동작 명령에 기초하여 생성된 제 1 관절 각도 값과 상기 입력된 명령 중 보행 외 동작 명령에 기초하여 생성된 제 2 관절 각도 값을 조합하여 동작 명령을 생성하는 동작 생성부와,
    상기 생성된 동작 명령에 따라 상기 휴머노이드 로봇이 동작하도록 제어하는 위치 및 자세 제어부와,
    상기 위치 및 자세 제어부의 제어 하에 상기 휴머노이드 로봇을 동작시키고, 상기 휴머노이드 로봇의 실제 동작을 검출하여 상기 검출된 정보를 상기 위치 및 자세 제어부로 전달하는 구동부 및 센서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 동작 생성부는,
    상기 보행 동작 명령에 기초하여 상기 제1 관절 각도 값을 생성하는 보행 궤적 생성기와,
    상기 보행 외 동작 명령에 기초하여 상기 제2 관절 각도 값을 생성하는 보행 외 동작 생성기와,
    상기 입력된 명령 중 저장되지 않은 동작 명령에 기초하여 제3 관절 각도 값을 생성하는 관절 단위 동작 생성기와,
    상기 제2 및 제3 관절 각도 값을 조합하여 마스킹한 제4 관절 각도 값과 상기 제1 관절 각도 값을 조합하여 전 관절 목표 값을 생성하는 명령 합성/해석기를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 관절 각도 값은 관절 ID와 목표 각도 및 우선 순위 정보를 포함하고,
    상기 제1 내지 제4 관절 각도 값을 합성하여 생성된 전 관절 목표 값은 하나의 관절 ID와 목표 각도를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇.
  4. 제2 항에 있어서, 상기 명령 합성/해석기는,
    상기 제4 관절 각도 값과 제1 관절 각도 값의 우선 순위를 판별하여, 상기 제4 및 제1 관절 각도 값을 조합하는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇.
  5. 제2 항에 있어서, 상기 보행 궤적 생성기, 보행 외 동작 생성기 및 관절 단위 동작 생성기 중 어느 하나는,
    상기 휴머노이드 로봇의 동작을 위해 각 관절의 중간점들을 저장하는 복수 개의 동작 패턴 저장소와,
    상기 동작 패턴 저장소에 저장된 정보를 이용하여 궤적을 생성하는 복수 개의 보간기와,
    동시에 입력된 명령에 대하여 상기 보간기로부터 생성된 궤적에서 우선 순위 를 평가하는 우선 순위 기반 동작 합성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇.
  6. 제2 항에 있어서, 상기 위치 및 자세 제어부는,
    상기 명령 합성/해석기로부터 수신된 상기 전 관절 각도 목표 값을 상기 구동부 및 센서부로 전달하고, 상기 구동부 및 센서부의 동작에 따른 관절의 실시간 각도 값을 전달받아 오차를 줄이는 위치 제어기와,
    상기 구동부 및 센서부로부터 얻은 정보를 상기 위치 제어기로 전송하여, 상기 전 관절 각도 목표 값을 피드백 제어하는 자세 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 구동부 및 센서부는,
    상기 위치 제어기로부터 수신된 전 관절 목표 값에 따라 각 관절을 구동시키는 모터와,
    상기 모터의 동작에 따른 상기 각 관절의 실시간 각도 값을 측정하는 위치 센서와,
    외부 환경에 따른 환경 정보를 측정하여 상기 자세 제어기로 전송하는 복수 개의 자세 안정도 측정용 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇.
  8. 휴머노이드 로봇의 동작 명령 입력 시, 보행 동작 명령에 대한 제1 관절 각 도 값, 상기 보행 외 동작 명령에 대한 제2 관절 각도 값 및 저장되지 않은 동작 명령에 대한 제3 관절 각도 값을 생성하는 과정과,
    상기 제1 내지 제3 관절 각도 값을 분석 및 합성하여, 하나의 전 관절 각도 목표 값을 생성하는 과정과,
    상기 생성된 전 관절 각도 목표 값에 의해 모터가 동작하여 상기 휴머노이드 로봇이 동작하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇의 제어 방법.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 전 관절 각도 목표 값 생성 과정은,
    상기 제2 및 제3 관절 각도 값을 조합하여 마스킹한 제4 관절 각도 값과 상기 제1 관절 각도 값을 조합하여 생성되는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇의 제어 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 관절 각도 값은 관절 ID와 목표 각도 및 우선 순위 정보를 포함하고,
    상기 제1 내지 제4 관절 각도 값을 합성하여 생성된 전 관절 목표 값은 하나의 관절 ID와 목표 각도를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇의 제어 방법.
  11. 제9 항에 있어서, 상기 전 관절 각도 목표 값 생성 과정은,
    상기 제4 관절 각도 값과 제1 관절 각도 값의 우선 순위를 판별하여, 상기 제4 및 제1 관절 각도 값을 조합하는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇의 제어 방법.
  12. 제9 항에 있어서, 상기 제1 내지 3 관절 각도 값 중 어느 하나는,
    상기 휴머노이드 로봇의 동작을 위해 저장된 각 관절의 중간점들을 이용하여 궤적을 생성하고, 동시에 입력된 명령에 대한 우선 순위를 평가하여 생성되는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇의 제어 방법.
  13. 제9 항에 있어서, 상기 동작 과정은,
    상기 전 관절 각도 목표 값을 모터로 전달하고, 위치 센서로부터 상기 모터의 동작에 따른 관절의 실시간 각도 값을 전달받아, 오차를 줄이는 과정과,
    자세 안정도 측정용 센서들로부터 얻은 정보를 이용하여 상기 전 관절 각도 목표 값을 피드백 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇의 제어 방법.
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