KR101481241B1 - Method and system for controlling walking of robot - Google Patents
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Abstract
로봇이 보행상태인지 판단하고 보행방향을 판단하는 판단단계; 로봇의 발바닥의 회전각을 측정하는 측정단계; 상기 측정된 회전각을 이용하여 각속도 또는 각가속도를 산출하는 산출단계; 산출된 각속도 또는 각가속도를 미리 마련된 삼각함수에 대입하여 발 끝단의 가상외력을 도출하는 도출단계; 및 도출된 가상외력을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 환산단계;를 포함하는 로봇의 보행제어방법 및 시스템이 소개된다.A determining step of determining whether the robot is in a walking state and determining a walking direction; A measuring step of measuring a rotation angle of the sole of the robot; A calculating step of calculating an angular velocity or an angular acceleration using the measured rotation angle; A derivation step of substituting the calculated angular velocity or angular acceleration into a predetermined trigonometric function to derive a virtual external force at the foot end; And a conversion step of substituting the derived virtual external force into a Jacobian transposed matrix and converting the calculated external external force into driving torque of the robot underarm joint.
Description
본 발명은 착용식 보행 로봇의 착용자 보행 속도 판별 및 보행 의도 기반의 로봇의 보행제어방법 및 시스템에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
본 발명은 착용식 보행 로봇의 착용자 보행 속도 판별 및 보행 의도 기반의 보행 제어 알고리즘에 관한 것이다. 착용자가 로봇을 착용하고 보행할 때, 착용자의 보행 의도를 제대로 반영하지 않으면 착용자는 로봇에 의한 부하를 느끼게 되고 보행에 불안정적인 요소로 반영된다. BACKGROUND OF THE
이에 따라, 착용자의 보행하고자 하는 속도를 판별하여 그 의도를 반영한 제어 알고리즘이 필요하게 된다. 본 발명은 이러한 착용식 보행 로봇의 보행을 위하여 센서를 최소화한 보행 제어 알고리즘을 제안한다.Accordingly, it is necessary to determine a speed at which the wearer wants to walk, and to have a control algorithm that reflects the intention. The present invention proposes a walking control algorithm in which a sensor is minimized for the walking of such a wearable walking robot.
기존의 착용식 로봇에서 착용자의 보행 의도를 판별하기 위해 힘/토크 센서를 사용한 사례가 많다. 힘/토크 센서를 통한 보행 의도 판별은 보행 중에 발생하는 센서의 채터링 현상과 노이즈에 따른 해결 대책이 필요하며, 센서 자체가 고가 이고, 증폭회로 및 신호처리 보드가 추가적으로 필요하게 된다. There are many cases where a force / torque sensor is used to determine the wearer's intention to walk in a conventional wearable robot. The determination of gait intention through force / torque sensor requires the chattering phenomenon of the sensor occurring during walking and measures against the noise, and the sensor itself is expensive, and an additional amplifier circuit and signal processing board are needed.
따라서, 본 발명에서는 센서를 최소화하여 저가의 발바닥의 On/Off스위치와 AHRS센서만을 이용하여 의도를 파악하여 제어하도록 하는 것이다.
Accordingly, in the present invention, the sensor is minimized so that the intention can be grasped and controlled by using only the low-priced foot-on / off switch and the AHRS sensor.
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. A conventional foot sensor device of KR10-1179159 B1 "wearable robot " and a method of grasping the walking intention of a wearer using the same includes" a first sensor installed on a top surface of a foot member of a wearable robot, A second sensor provided on an upper surface of the foot member in a region where a ball of the wearer's foot is located, a third sensor provided on an upper surface of the foot member in a region where the heel of the wearer's foot is located, And a controller for determining the walking intention of the wearer on the basis of the signals of the first to third sensors, wherein the first to third sensors are turned on when a load is applied and off when the load is not applied The controller determines that the wearer's foot is in a state of being in the air when the first to third sensors are all off, and when the first sensor is on and the second sensor And the third sensor is in a plantar-flexion state when the third sensor is off, and the first sensor and the second sensor are off and the third sensor is in a heel strike state when the third sensor is on And judges that the wearer is standing in a state in which the wearer is attached to the foot member as a whole when the first to third sensors are all turned on.
그러나 이러한 제어에 의하더라도 착용자의 보행에 따른 의도를 정확하게 반영하여 능동적으로 가변하여 제어할 수는 없었고, 센서의 개수를 최소화하여 제조원가를 낮추는 방안도 제시되지 않았던 문제가 있었다.
However, even with such a control, it has not been possible to actively change and control the wearer's intention according to the intention according to the wearer's walking, and there has been a problem that the manufacturing cost is not lowered by minimizing the number of sensors.
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.
It should be understood that the foregoing description of the background art is merely for the purpose of promoting an understanding of the background of the present invention and is not to be construed as an admission that the prior art is known to those skilled in the art.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 착용식 보행 로봇의 착용자 보행 속도 판별 및 보행 의도 기반의 로봇의 보행제어방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
It is an object of the present invention to provide a method and system for controlling the walking of a wearable walking robot based on discrimination of a wearer's walking speed and a walking intention.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇의 보행제어방법은, 로봇이 보행상태인지 판단하고 보행방향을 판단하는 판단단계; 로봇의 발바닥의 회전각을 측정하는 측정단계; 상기 측정된 회전각을 이용하여 각속도 또는 각가속도를 산출하는 산출단계; 산출된 각속도 또는 각가속도를 미리 마련된 삼각함수에 대입하여 발 끝단의 가상외력을 도출하는 도출단계; 및 도출된 가상외력을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 환산단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling a walking of a robot, the method comprising: determining whether the robot is in a walking state and determining a walking direction; A measuring step of measuring a rotation angle of the sole of the robot; A calculating step of calculating an angular velocity or an angular acceleration using the measured rotation angle; A derivation step of substituting the calculated angular velocity or angular acceleration into a predetermined trigonometric function to derive a virtual external force at the foot end; And a conversion step of substituting the derived virtual external force into a Jacobian transposition matrix and converting the driving external force into a driving torque of the robot arm joint.
상기 판단단계는 로봇 발바닥의 지면접촉센서를 통하여 보행여부 및 보행방향을 판단할 수 있다.The determining step may determine the walking direction and the walking direction through the ground contact sensor of the robot sole.
상기 측정단계는 로봇 발 뒤꿈치에 마련된 회전각측정센서를 통하여 로봇 발바닥의 회전각을 측정할 수 있다.The measuring step may measure a rotation angle of the robot sole through a rotation angle measuring sensor provided on the heel of the robot.
상기 산출단계는 각가속도를 산출하고, 상기 도출단계는 각가속도에 튜닝계수를 곱하여 입력으로 하는 사인함수를 이용하여 가상외력을 도출할 수 있다.The calculating step may calculate the angular acceleration, and the deriving step may derive the virtual external force by using a sine function that is input by multiplying the angular acceleration by the tuning coefficient.
상기 환산단계는 도출된 가상외력에 증폭비를 곱하고 이를 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지의 각 관절마다에서의 구동토크로 환산할 수 있다.
The conversion step may multiply the derived virtual external force by an amplification ratio and substitute the amplification ratio into a Jacobian transposition matrix to convert the excitation torque into driving torque at each joint of the robot arm.
한편, 본 발명의 로봇의 보행제어시스템은, 로봇 발바닥에 마련된 지면접촉센서; 로봇 발 뒤꿈치에 마련된 회전각측정센서; 상기 지면접촉센서를 통하여 로봇의 보행여부와 보행방향을 판단하고, 회전각측정센서를 통하여 발바닥의 회전각을 측정하며, 각속도 또는 각가속도를 산출하고 이를 삼각함수에 대입하여 발 끝단에서의 가상외력을 도출하며, 가상외력을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 제어부;를 포함한다.Meanwhile, the walking control system of the robot of the present invention comprises: a ground contact sensor provided on the sole of a robot; A rotation angle measuring sensor provided on the heel of the robot; The ground contact sensor is used to determine whether or not the robot is walking and the walking direction. The rotation angle of the sole is measured through a rotation angle sensor. The angular velocity or angular velocity is calculated and substituted into a trigonometric function to calculate a virtual external force And a controller for substituting the virtual external force into the Jacobian transpose matrix and converting the virtual external force into the drive torque of the robot underarm joint.
상기 지면접촉센서는 로봇 발바닥에 이격되어 마련된 복수의 테이프센서일 수 있다.The ground contact sensor may be a plurality of tape sensors separated from the robot sole.
상기 회전각측정센서는 AHRS센서일 수 있다.
The rotation angle measurement sensor may be an AHRS sensor.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 로봇의 보행제어방법 및 시스템에 따르면, 발모듈의 On/Off스위치와 AHRS센서를 통하여 고가의 F/T센서를 배제하고 저가의 센서를 사용함으로써, 원가를 절감하여 보행의도를 정확하게 추출하여 제어할수 있다.According to the method and system for controlling the walking of the robot having the structure as described above, the expensive F / T sensor is eliminated through the On / Off switch and the AHRS sensor of the foot module, The intention can be accurately extracted and controlled.
또한, On/Off 스위치의 디지털 흐름을 통한 보행 속도 추출방식은, 기존의 F/T센서의 채터링 및 노이즈 등으로 발생되는 불안정한 의도 추출 방식을 제거할 수 있어서 착용자에게 안정된 착용감을 제공해준다.In addition, the walking speed extraction method using the digital flow of the On / Off switch can eliminate the unstable intention extraction method caused by the chattering and noise of the conventional F / T sensor, thereby providing a comfortable fit to the wearer.
그리고 가상 힘을 기반으로 하기 때문에, 실제로 센서로 측정해서 사용할 때 필요한 부가적인 회로/보드 및 신호 처리 알고리즘을 줄일 수 있다.
And because it is based on virtual forces, you can reduce the additional circuit / board and signal processing algorithms you need when actually measuring and using sensors.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어시스템의 지면접촉센서를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어시스템의 회전각측정센서를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어시스템을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 순서도.1 is a view showing a ground contact sensor of a walking control system for a robot according to an embodiment of the present invention.
BACKGROUND OF THE
3 is a view illustrating a walking control system for a robot according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart of a method of controlling a walking of a robot according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 로봇의 보행제어방법 및 시스템에 대하여 살펴본다.Hereinafter, a method and system for controlling the walking of a robot according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어시스템의 지면접촉센서를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어시스템의 회전각측정센서를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어시스템을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 순서도이다.FIG. 1 is a view showing a ground contact sensor of a walking control system of a robot according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view showing a rotation angle measuring sensor of a walking control system of a robot according to an embodiment of the present invention FIG. 3 is a view showing a walking control system of a robot according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a flowchart of a walking control method of a robot according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 순서도로서, 본 발명의 로봇의 보행제어방법은, 로봇이 보행상태인지 판단하고 보행방향을 판단하는 판단단계(S100); 로봇의 발바닥의 회전각을 측정하는 측정단계(S200); 상기 측정된 회전각을 이용하여 각속도 또는 각가속도를 산출하는 산출단계(S300); 산출된 각속도 또는 각가속도를 미리 마련된 삼각함수에 대입하여 발 끝단의 가상외력을 도출하는 도출단계(S400); 및 도출된 가상외력을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 환산단계(S500);를 포함한다.FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of controlling a walking of a robot according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of controlling a walking of a robot according to an exemplary embodiment of the present invention. Measuring a rotation angle of the sole of the robot (S200); A calculation step (S300) of calculating an angular velocity or an angular acceleration using the measured rotation angle; A derivation step (S400) of substituting the calculated angular velocity or angular acceleration into a predetermined trigonometric function to derive a virtual external force at the foot end; And a conversion step (S500) of substituting the derived virtual external force into a Jacobian transposition matrix and converting the virtual external force into a drive torque of the robot underarm joint.
즉, 본 발명의 경우 기본적으로 로봇의 하지를 구동하는 알고리즘을 포함하는 것이고, 이를 착용식 로봇의 예로 설명한다. 착용식 로봇에서는 복수의 센서들을 사용하여 착용자의 의도를 파악하고 그에 따라 로봇의 하지를 구동하여 걸을 수 있도록 한다.That is, the present invention basically includes an algorithm for driving the robot's undergarment, which will be described as an example of a wearable robot. In a wearable robot, a plurality of sensors are used to grasp the wearer's intentions and accordingly, the robot's legs can be driven to be walkable.
다만, 이를 위하여는 복수의 힘-토크센서 즉, F/T센서를 이용하여 구현할 수도 있고 각 관절에 인코더를 부착하여 사람의 의도에 다른 조작정도를 파악함으로써 그에 추종하여 각 관절의 모터를 구동하여 로봇이 자연스럽게 걸을 수 있도록 제어할 수도 있다.However, for this purpose, it may be implemented using a plurality of force-torque sensors, that is, an F / T sensor, or an encoder may be attached to each joint to grasp the degree of manipulation different from the intention of a person, It is also possible to control so that the robot can walk naturally.
다만, 그 착용자의 의도가 빨리 걷는 것인지 아니면 느리게 걷는 것인지를 좀 더 정확하게 파악하기 위하여는 로봇에 F/T센서를 마련하여 그 의도힘을 측정할 수밖에 없었다.However, in order to grasp more precisely whether the wearer's intention is to walk quickly or slowly, it is necessary to measure the intention force by providing an F / T sensor to the robot.
그러나 이러한 F/T센서는 고가이며 그 센싱값의 오류도 적지않아 일반적으로 사용을 권장하고 있지는 않은 실정이다.However, such an F / T sensor is expensive and the error of the sensing value is small, so it is not generally used.
따라서, 본 발명의 그러한 점을 해결하기 위해, 로봇의 보행속도를 측정하고 그에 따라 변화되는 가상의 외력을 인가함으로써 보행의도에 좀 더 정확히 접근할 수 있도록 하는데 목적이 있다.Therefore, in order to solve the problem of the present invention, it is an object of the present invention to measure the walking speed of the robot and to apply the changed virtual external force to the robot so that the walking intention can be approached more accurately.
이를 위해, 먼저 로봇이 보행상태인지 판단하고 보행방향을 판단하는 판단단계(S100)를 수행한다. 구체적으로, 판단단계(S100)는 로봇 발바닥의 지면접촉센서를 통하여 보행여부 및 보행방향을 판단한다.To do this, a determination step S100 is first performed to determine whether the robot is in a walking state and determine a walking direction. Specifically, the determination step S100 determines whether the user is walking or walking through the ground contact sensor of the robot sole.
그리고 로봇의 발바닥의 회전각을 측정하는 측정단계(S200)를 수행한다. 이 측정단계(S200)는 로봇 발 뒤꿈치에 마련된 회전각측정센서를 통하여 로봇 발바닥의 회전각을 측정하도록 할 수 있다.Then, a measurement step S200 for measuring the rotation angle of the sole of the robot is performed. The measurement step S200 can measure the rotation angle of the robot sole through a rotation angle measurement sensor provided on the heel of the robot.
그 후 상기 측정된 회전각을 이용하여 각속도 또는 각가속도를 산출하는 산출단계(S300)를 수행하고, 산출된 각속도 또는 각가속도를 미리 마련된 삼각함수에 대입하여 발 끝단의 가상외력을 도출하는 도출단계(S400)를 수행한다.(S400) of calculating an angular velocity or an angular acceleration using the measured rotation angle, and substituting the calculated angular velocity or angular velocity into a predetermined trigonometric function to derive a virtual external force at the foot end (S400 ).
그리고나서 도출된 가상외력을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 환산단계(S500)를 수행한다.Then, a translation step (S500) of substituting the derived virtual external force into the Jacobian transpose matrix and converting the virtual external force into the drive torque of the robot underarm joint is performed.
따라서, 이러한 과정을 통하여 로봇의 보행방향이 전진인지 후진인지 판단하고, 보행이라면 그 보행속도를 판단하고, 이를 통하여 발바닥이 지면을 구르는 정도인 회전각속도 또는 각가속도를 얻는다. 그리고 그 각속도 또는 각가속도를 입력으로 하는 출력인 가상외력을 도출하며, 그 가상외력을 통하여 로봇의 하지에 구동력을 더하는 것이다.Accordingly, it is determined whether the walking direction of the robot is forward or backward through the above process. If the robot is walking, the walking speed is determined, and the rotational angular velocity or angular acceleration, which is the degree to which the sole rolls the ground, is obtained. Then, a virtual external force, which is an output to which the angular velocity or the angular acceleration is input, is derived, and the driving force is added to the base of the robot through the virtual external force.
따라서, 이러한 발명에 따르면, 별도의 F/T센서 등이 없이도 단지 발의 회전속도를 측정함으로써 보행속도를 판단하고, 그에 따라 적절한 외력으로 마치 로봇의 하지를 잡아끄는 것처럼 각 관절의 모터를 구동함으로써 착용자의 의도에 좀 더 부합하게 로봇의 하지가 움직이는 것이고, 이를 통하여 하지의 반응이 둔감한 것과 같이 느껴지던 이질감을 극복할 수 있게 되는 것이다.
Therefore, according to the present invention, the walking speed is determined by measuring the rotational speed of the feet only without a separate F / T sensor, and the motors of the respective joints are driven as if the legs of the robots are attracted by appropriate external forces, The robot's legs move more closely in accordance with the intention of the robot, so that it is possible to overcome the feeling of heterogeneity that the reaction of the legs seems to be insensitive.
한편, 상기 산출단계(S300)는 각가속도를 산출하고, 상기 도출단계는 각가속도에 튜닝계수를 곱하여 입력으로 하는 사인함수를 이용하여 가상외력을 도출하도록 할 수 있다.Meanwhile, the calculating step S300 may calculate the angular acceleration, and the deriving may derive the virtual external force using a sinusoidal function that is input by multiplying the angular acceleration by the tuning coefficient.
그리고, 상기 환산단계(S500)는 도출된 가상외력에 증폭비를 곱하고 이를 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지의 각 관절마다에서의 구동토크로 환산할 수 있다.The conversion step S500 may multiply the derived virtual external force by the amplification ratio, substitute the multiplication ratio into the Jacobian transposition matrix, and convert the amplified ratio into driving torque at each joint of the robot arm.
바람직하게는, 외력을 위한 가속도의 인자로써 로봇 발의 회전각가속도를 도출하고 이를 입력으로 할 수 있다.Preferably, the rotational angular acceleration of the robot foot is derived as a factor of the acceleration for the external force and can be input.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어시스템의 지면접촉센서를 나타낸 도면으로써, 지면접촉센서(120)는 로봇 발바닥에 이격되어 마련된 복수의 테이프센서로서, 압력의 작용시 ON/OFF를 수행한다. 이를 통하여 로봇의 발이 지면에 접촉되었는지 혹은 보행중인지를 판별하고, 1번~6번까지의 센서가 ON되는 순서를 통하여 전진인지 후진인지를 판단할 수 있는 것이다. 예를 들어, 1번에서 6번 순서로 ON되는 경우에는 발가락부터 지지하는 경우인바 후진으로 볼 수 있고, 6번에서 1번 순서로 ON되는 경우에는 발 뒤꿈치부터 지지하는 경우인바 전진이라고 볼 수 있는 것이다. 전후진의 경우는 가상외력의 작용방향을 결정하는데 쓰일 수 있다.FIG. 1 is a view showing a ground contact sensor of a walking control system for a robot according to an embodiment of the present invention. The
그리고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어시스템의 회전각측정센서를 나타낸 도면으로서, 상기 회전각측정센서(110)는 AHRS센서이다.2 is a view showing a rotation angle measurement sensor of the robot's walking control system according to an embodiment of the present invention, wherein the rotation
AHRS(Attitude and heading reference system)센서는 자이로, 지자기 등이 모두 계측가능한 3축 센서로서, 로봇의 뒤꿈치에 마련되어 뒤꿈치의 회전각을 측정하는 것이다.The AHRS (Attitude and Heading Reference System) sensor is a three-axis sensor that can measure both gyro and geomagnetism. The sensor is provided on the heel of the robot to measure the rotation angle of the heel.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어시스템을 나타낸 도면으로서, 회전각을 통하여 회전각속도와 각가속도를 미분하여 얻을 수 있는 것이다. 이러한 지표는 발바닥(100)이 지면을 기준으로 구르는 정도를 나타내는 것으로서, 이를 통하여 보행속도를 간접적으로 알 수 있는 것이다. 만약 보행속도가 빠르다면 발바닥이 회전하는 속도도 빠를 것이고 보행속도가 느리다면 발바닥이 회전하는 속도도 느릴 것이기 때문이다. 그리고 이를 힘으로써 표현하여 반영하고자 한다면, 발바닥의 회전각가속도를 얻어 이를 환산할 경우 필요한 외력(F_FVF)으로 구할 수 있는 것이다.FIG. 3 is a view showing a walking control system for a robot according to an embodiment of the present invention, which can be obtained by differentiating a rotational angular velocity and an angular acceleration through a rotational angle. These indexes indicate the degree to which the sole 100 rolls around the ground, thereby indirectly knowing the walking speed. If the walking speed is fast, the spinning speed of the sole will be fast, and if the walking speed is slow, the rotation speed of the sole will be slow. And, if it is expressed by the force, it can be obtained as an external force (F_FVF) when the rotational angle of the sole is obtained and converted.
이를 위한 구체적인 수식은 아래와 같다.The concrete formula for this is as follows.
상기 식에서 볼 수 있듯이, 각 관절(10,20,30)에 배분되는 토크는 가상외력(F_FVF)을 자코비안 전치행렬을 통하여 제어부(300)에서 배분한 것이다. 가상외력은 로봇의 하지에 적용하는 것으로써 발 끝단에 적용함이 가장 바람직할 것이다.As can be seen from the above equation, the torque distributed to each joint 10, 20, 30 is obtained by distributing the virtual external force F_FVF from the
그리고 그러한 가상외력은 기본적으로 사인함수로써 각가속도에 주기 A를 변화하여 도출하며 이에 증폭비 B(튜닝계수)를 곱하여 도출함으로써 얻을 수 있다. 이러한 A와B는 미리 실험에 따라 마련하여 둘 수 있을 것이다.
The virtual external force is basically obtained by varying the period A to the angular acceleration as a sinusoidal function, and multiplying it by the amplification ratio B (tuning coefficient). These A and B can be prepared in advance according to the experiment.
한편, 이러한 방법을 수행하기 위한 본 발명의 로봇의 보행제어시스템은, 로봇 발바닥에 마련된 지면접촉센서(120); 로봇 발 뒤꿈치에 마련된 회전각측정센서(110); 상기 지면접촉센서를 통하여 로봇의 보행여부와 보행방향을 판단하고, 회전각측정센서를 통하여 발바닥의 회전각을 측정하며, 각속도 또는 각가속도를 산출하고 이를 삼각함수에 대입하여 발 끝단에서의 가상외력을 도출하며, 가상외력을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 제어부(300);를 포함한다.
Meanwhile, the robot walking control system according to the present invention for performing such a method includes a
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 로봇의 보행제어방법 및 시스템에 따르면, 발모듈의 On/Off스위치와 AHRS센서를 통하여 고가의 F/T센서를 배제하고 저가의 센서를 사용함으로써, 원가를 절감하여 보행의도를 정확하게 추출하여 제어할수 있다.According to the method and system for controlling the walking of the robot having the structure as described above, the expensive F / T sensor is eliminated through the On / Off switch and the AHRS sensor of the foot module, The intention can be accurately extracted and controlled.
또한, On/Off 스위치의 디지털 흐름을 통한 보행 속도 추출방식은, 기존의 F/T센서의 채터링 및 노이즈 등으로 발생되는 불안정한 의도 추출 방식을 제거할 수 있어서 착용자에게 안정된 착용감을 제공해준다.In addition, the walking speed extraction method using the digital flow of the On / Off switch can eliminate the unstable intention extraction method caused by the chattering and noise of the conventional F / T sensor, thereby providing a comfortable fit to the wearer.
그리고 가상 힘을 기반으로 하기 때문에, 실제로 센서로 측정해서 사용할 때 필요한 부가적인 회로/보드 및 신호 처리 알고리즘을 줄일 수 있다.
And because it is based on virtual forces, you can reduce the additional circuit / board and signal processing algorithms you need when actually measuring and using sensors.
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.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the following claims It will be apparent to those of ordinary skill in the art.
100 : 발바닥 110 : 회전각측정센서
120 : 지면접촉센서 300 : 제어부100: sole 110: rotation angle measuring sensor
120: ground contact sensor 300:
Claims (8)
로봇의 발바닥의 회전각을 측정하는 측정단계(S200);
상기 측정된 회전각을 이용하여 각가속도를 산출하는 산출단계(S300);
산출된 각가속도를 미리 마련된 삼각함수에 대입하여 발 끝단의 가상외력을 도출하는 도출단계(S400); 및
도출된 가상외력을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 환산단계(S500);를 포함하고,
상기 삼각함수는 하기의 식인 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
Measuring a rotation angle of the sole of the robot (S200);
A calculation step (S300) of calculating an angular acceleration using the measured rotation angle;
A derivation step (S400) of substituting the calculated angular acceleration into a predetermined trigonometric function to derive a virtual external force at the foot end; And
(S500) of substituting the derived virtual external force into the Jacobian transposition matrix and converting the virtual external force into the drive torque of the robot underarm joint,
Wherein the trigonometric function is expressed by the following equation.
상기 측정단계(S200)는 로봇 발 뒤꿈치에 마련된 회전각측정센서를 통하여 로봇 발바닥의 회전각을 측정하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.The method according to claim 1,
Wherein the measuring step (S200) measures the rotation angle of the robot sole through a rotation angle measuring sensor provided on the heel of the robot.
상기 환산단계(S500)는 도출된 가상외력에 증폭비를 곱하고 이를 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지의 각 관절마다에서의 구동토크로 환산하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.The method according to claim 1,
Wherein the step of converting (S500) multiplies the derived virtual external force by an amplification ratio, substitutes the amplified ratio into a Jacobian transposition matrix, and converts the amplified ratio into driving torque at each joint of the robot arm.
로봇 발 뒤꿈치에 마련된 회전각측정센서(110);
상기 지면접촉센서를 통하여 로봇의 보행여부를 판단하고, 테이프센서의 순차적인 센싱순서를 통하여 전후진의 보행방향을 판단하고, 회전각측정센서를 통하여 발바닥의 회전각을 측정하며, 각속도 또는 각가속도를 산출하고 이를 삼각함수에 대입하여 발 끝단에서의 가상외력을 도출하며, 가상외력을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 제어부(300);를 포함하고,
상기 삼각함수는 하기의 식인 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어시스템.
A rotation angle measuring sensor 110 provided on the heel of the robot;
The walking direction of the robot is determined through the sequential sensing sequence of the tape sensor, the rotation angle of the sole is measured through the rotation angle measuring sensor, and the angular velocity or angular velocity is calculated And a control unit (300) for substituting the virtual external force into a Jacobian transposition matrix and converting the virtual external force into a driving torque of the robot base joint by substituting it into a trigonometric function, deriving a virtual external force at a foot end,
Wherein the trigonometric function is represented by the following equation.
상기 회전각측정센서(110)는 AHRS센서인 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어시스템.The method of claim 6,
Wherein the rotation angle measuring sensor (110) is an AHRS sensor.
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