KR101505726B1 - Emotion system of robot by second order spring system and method to identify parameter thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 2차 스프링 시스템을 모방한 로봇의 정서 시스템의 파라미터 식별 방법은, 2차 스프링 시스템을 모방한 로봇 정서 시스템을 통해, 인간의 정서에 근거한 자극에 따른 반응 정보를 바탕으로 상기 로봇 정서 시스템의 강성 및 감쇠 상수를 포함하는 파라미터를 결정한 후 식별함으로써, 사람의 정서를 모방하는 로봇의 정서 시스템까지 식별할 수 있다.The parameter identification method of the emotion system of the robot that imitates the secondary spring system according to the embodiment of the present invention is based on the response information according to stimulation based on the human emotion through the robot emotion system that imitates the secondary spring system By identifying and identifying the parameters including the stiffness and damping constants of the robot emotion system, it is possible to identify emotional systems of the robot that emulate human emotions.

Description

2차 스프링 시스템을 모방한 로봇의 정서 시스템 및 그의 파라미터 식별 방법{Emotion system of robot by second order spring system and method to identify parameter thereof}Technical Field [0001] The present invention relates to an emotion system of a robot that imitates a secondary spring system, and a method of identifying the parameter,

2차 스프링 시스템을 모방한 로봇의 정서 시스템 및 그의 파라미터 식별 방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 2차 스프링 시스템을 이용하여 자극-반응 정보를 통해 성격 및 정서의 특징을 반영할 수 있는, 2차 스프링 시스템을 모방한 로봇의 정서 시스템 및 그의 파라미터 식별 방법이 개시된다.
A emotional system of a robot that imitates a secondary spring system and a method of identifying its parameters are disclosed. More particularly, a robot emotion system that imitates a secondary spring system that can reflect characteristics of personality and emotion through stimulus-response information using a secondary spring system, and a method of identifying its parameters are disclosed.

최근 로봇 기술의 추세는 단순 반복 작업만을 하는 산업용 로봇에서 인간과 교류하며 감성적 상호 작용을 하는 로봇으로 바뀌고 있다. 이를 위해 로봇의 정서를 모델링하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.Recently, the tendency of robot technology has been changed from an industrial robot that performs only simple repetitive tasks to a robot that interacts with human beings and interacts emotionally. To do this, much research has been done to model the emotions of robots.

예를 들면 초기의 정서 로봇은 자극에 따라 반응이 결정되는 로봇이었다. 예로, 초창기 MIT 인공지능 실험실에서 휴머노이드 프로젝트 코그의 시각 플랫폼으로 사용된 Kismet 등이 있다. 이는 3개의 디지털 카메라와 3개의 마이크를 이용하여 외부 정보를 감지하고 21개의 모터를 이용하여 얼굴 표정을 구현하는 표정 로봇이다. 인간과의 상호 작용을 위한 로봇의 욕구 표현에 초점을 맞추었지만, 주어지는 자극에 맞게 표정을 결정할 뿐 로봇의 정서 상태와 변화를 반영하는 데는 한계가 있었다. For example, early emotion robots were robots whose response was determined by stimulation. An example is Kismet, which was used as the visual platform for humanoid projects at the earliest MIT AI lab. It is a facial expression robot that uses 3 digital cameras and 3 microphones to detect external information and implement facial expression using 21 motors. Although focusing on the robot's desire for interaction with human beings, it has a limit to reflect the emotional state and change of the robot only by determining the expression according to the given stimulus.

이에, 로봇 공학에서는 '인간의 감정에 더 근사하는', 또는 '주관적이고 ㅈ직관적으로 받아들여질 수 있는' 감정의 모델을 만드는 방향으로 연구가 이루어지고 있다. 물론, 특정 모델이 공통적으로 사용되지는 않으며, 상호작용의 특성이나 로봇의 목적에 맞게 다양한 감정 모델들이 사용된다.In robotics, research is being conducted to create a model of emotion that is 'more approximate to human emotion' or 'subjective and intuitive to accept'. Of course, certain models are not commonly used, and various emotion models are used to match the nature of the interaction or the purpose of the robot.

그 중 최근 들어 2차 시스템을 모방한 정서 시스템에 대한 연구가 널리 이루어지고 있는데, 이는 인간의 정서가 2차 시스템과 유사하게 관성과, 감쇠, 감성 등을 갖고 있다고 가정하기 때문이다.In recent years, research on the emotional system mimicking the second system has been widely carried out because it assumes that human emotion has inertia, damping, and emotion similar to the second system.

부연하면, 2차 시스템은 질량, 감쇠 상수, 강성의 파라미터를 갖는 2계 상미분 방정식의 형태로 표현되는데, 이는 사람의 정서 또한 유사하게 모델링할 수 있다. 사람의 정서 역시 자극에 대한 강성과 변화에 대한 감쇠 그리고 현재의 정서 상태를 유지하려는 관성을 갖는다고 가정할 수 있다. 이와 같이, 모델링된 정서는 기쁨, 슬픔, 혐오, 놀람, 공포, 화남과 같은 여러 종류의 정서에 대해 적용될 수 있다.In addition, the secondary system is expressed in the form of a second order ordinary differential equation with parameters of mass, damping constant, and stiffness, which can similarly model human emotion. Human emotion can also be assumed to have stiffness to stimulation, attenuation to change, and inertia to maintain current emotional state. Thus, modeled emotions can be applied to a variety of emotions, such as joy, sorrow, dislike, surprise, fear, and anger.

그러나, 종래의 2차 시스템을 모방한 정서 시스템에 있어서는, 질량, 감쇠 상수, 강성의 파라미터를 설정하는 데 있어서 그 근거가 부족하며, 이로 인해 임의로 파라미터의 값을 구하거나 값을 바꿔가며 여러 차례 실험을 하여 만족스러운 결과가 파생되는 파라미터를 선택하는 방식에 그쳤다. 이러한 방식이 적용되는 경우, 인간의 정서와 유사한 현실적인 로봇 정서를 개발하는 데 한계가 있을 뿐만 아니라 원하는 반응을 끌어내는 시스템을 설계하기 위한 작업 역시 많은 시간이 요구되는 한계가 있었다.
However, in the emotion system which imitates the conventional secondary system, the basis for setting the parameters of the mass, the attenuation constant, and the stiffness is insufficient. As a result, the value of the parameter is arbitrarily determined, To select the parameters from which satisfactory results are derived. When this method is applied, there is a limit to develop a realistic robot emotion similar to human emotion, and a task for designing a system for extracting a desired response has also been time-consuming.

본 발명의 실시예에 따른 목적은, 2차 스프링 시스템을 이용하여 자극-반응 정보를 통해 성격 및 정서의 특징을 반영하는 로봇의 정서 시스템을 식별할 수 있을 뿐만 아니라 특정 사람의 자극-반응 정보를 측정하여 그 사람의 정서를 모방하는 로봇의 정서 시스템까지 식별할 수 있는, 2차 스프링 시스템을 모방한 로봇의 정서 시스템 및 그의 파라미터 식별 방법을 제공하는 것이다.The object of the embodiment of the present invention is to not only identify the emotional system of the robot that reflects the characteristics of personality and emotion through the stimulus-response information using the secondary spring system, A robot emotion system that imitates a secondary spring system that can identify the emotional system of a robot that imitates the emotion of the person by measuring it.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 인간의 정서와 유사한 현실적인 로봇 정서 시스템을 모델링할 수 있을 뿐만 아니라 원하는 반응을 끌어내기 위한 시스템을 설계하는 데 소요되는 시간 또는 노동력을 종래에 비해 줄일 수 있는, 2차 스프링 시스템을 모방한 로봇의 정서 시스템 및 그의 파라미터 식별 방법을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a robotic emotion system capable of modeling a realistic robot emotion system similar to a human emotion as well as reducing the time or labor required for designing a system for extracting a desired response The present invention provides a robot emotion system that imitates a secondary spring system, and a method of identifying its parameters.

본 발명의 실시예에 따른 2차 스프링 시스템을 모방한 로봇의 정서 시스템의 파라미터 식별 방법은, 2차 스프링 시스템을 모방한 로봇 정서 시스템을 통해, 인간의 정서에 근거한 자극에 따른 반응 정보를 바탕으로 상기 로봇 정서 시스템의 강성 및 감쇠 상수를 포함하는 파라미터를 결정한 후 식별함으로써, 사람의 정서를 모방하는 로봇의 정서 시스템까지 식별할 수 있다.The parameter identification method of the emotion system of the robot that imitates the secondary spring system according to the embodiment of the present invention is based on the response information according to stimulation based on the human emotion through the robot emotion system that imitates the secondary spring system By identifying and identifying the parameters including the stiffness and damping constants of the robot emotion system, it is possible to identify emotional systems of the robot that emulate human emotions.

일측에 따르면, 상기 2차 스프링 방정식인

Figure 112013039444147-pat00001
에서 관성에 해당하는 질량(m)을 1로 노멀라이징하는 경우, 파라미터 중 강성(k) 및 감쇠 상수(c)의 값을 정한 후 임의의 자극(F(t))에 대한 정서의 출력을 계산하거나, 미리 설정된 입력에 대하여 원하는 정서 출력 또는 모방하고자 하는 정서 출력 값을 지정함으로써 파라미터 중 강성 및 감쇠 상수의 값을 정할 수 있다.According to one aspect, the secondary spring equation
Figure 112013039444147-pat00001
, The output of the emotion for any stimulus F (t) is calculated after determining the value of the stiffness (k) and the attenuation constant (c) in the parameters when the mass m corresponding to the inertia is normalized to 1 , The value of the stiffness and attenuation constant in the parameter can be determined by designating a desired emotion output or an emotion output value to be imitated for a preset input.

일측에 따르면,상기 임의의 자극에 대한 정서의 출력은 연속적으로 그리고 실시간으로 이루어질 수 있다.According to one aspect, the output of the emotion for any of the stimuli can be made continuously and in real time.

일측에 따르면, 상기 파라미터를 결정하기 위해, 일정한 크기의 자극(F)이 계속적으로 가해지는 경우 정서의 정상 상태(xsteady - state) 값을 이용하여 강성(k)을 결정하는데, 이 때 2차 스프링 시스템의 경우 관성이나 감쇠 상수의 영향은 배제한 상태로 정상 상태의 값은 힘(F)에 비례하고 강성(k)에 반비례하는 다음의 후크의 법칙(

Figure 112013039444147-pat00002
)이 적용될 수 있다.According to one aspect, to determine the parameter, stiffness (k) is determined using the steady state (x steady - state ) value of the emotion when a constant magnitude of stimulus F is applied continuously, In the case of a spring system, the effect of inertia or damping constant is excluded, and the steady-state value is proportional to the force F and the following law of the hook
Figure 112013039444147-pat00002
) Can be applied.

일측에 따르면, 상기 후크의 법칙에서 설정된 힘이 지속적으로 가해질 때 정서의 정상 상태 값도 설정된 수치로 노멀라이징하여 가정하는 경우 강성을 식별할 수 있다.According to one aspect, when the force set in the law of the hook is continuously applied, the steady state value of the emotion can also be identified by assuming normalization to the set value.

일측에 따르면, 상기 파라미터를 결정하기 위해, 동일한 종류의 자극에 대해 정상 상태에 도달하는 시간보다 상대적으로 짧은 자극을 가할 때 정상 상태에 도달하는 피크 값을 이용하여 감쇠 상수(c)를 결정할 수 있다.According to one aspect, in order to determine the parameter, the attenuation constant c can be determined using a peak value reaching a steady state when applying a stimulus that is relatively shorter than the time to reach a steady state for the same kind of stimulus .

일측에 따르면, 상기 감쇠 상수의 식별을 위해 사각파 자극에 대한 응답을 이용할 수 있다.According to one aspect, a response to the square wave stimulus can be used to identify the attenuation constant.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 2차 스프링 시스템을 이용한 로봇 정서 시스템은, 2차 스프링 시스템을 모방하여, 인간의 정서에 근거한 자극에 따른 반응 정보를 바탕으로 상기 로봇 정서 시스템의 강성 및 감쇠 상수를 포함하는 파라미터를 결정한 후 식별하기 위하여, 상기 2차 스프링 방정식인

Figure 112013039444147-pat00003
에서 관성에 해당하는 질량(m)을 노멀라이징하는 경우, 파라미터 중 강성(k) 및 감쇠 상수(c)의 값을 정한 후 임의의 자극(F(t))에 대한 정서의 출력을 계산하거나, 미리 설정된 입력에 대하여 원하는 정서 출력 또는 모방하고자 하는 정서 출력 값을 지정함으로써 파라미터 중 강성 및 감쇠 상수의 값을 정할 수 있다.Meanwhile, the robot emotion system using the secondary spring system according to the embodiment of the present invention imitates the secondary spring system, and based on the reaction information based on stimulation based on the emotion of the human, To determine and then identify the parameters comprising the secondary spring equations
Figure 112013039444147-pat00003
The output of the emotion for an arbitrary stimulus F (t) is calculated after determining the value of the stiffness k and the attenuation constant c in the parameters, By specifying the desired emotion output or the emotion output value to be imitated for the set input, the value of the stiffness and attenuation constant in the parameter can be determined.

일측에 따르면, 상기 파라미터를 결정하기 위해, 일정한 크기의 자극이 계속적으로 가해지는 경우 정서의 정상 상태 값을 이용하거나 동일한 종류의 자극에 대해 정상 상태에 도달하는 시간보다 상대적으로 짧은 자극을 가할 때 정상 상태에 도달하는 피크 값을 이용할 수 있다.
According to one aspect, in order to determine the parameter, when using a steady state value of emotion when a constant size of stimulus is applied continuously or when applying a stimulus which is relatively shorter than the time of reaching a steady state for the same kind of stimulus, A peak value reaching a state can be used.

본 발명의 실시예에 따르면, 2차 스프링 시스템을 이용하여 자극-반응 정보를 통해 성격 및 정서의 특징을 반영하는 로봇의 정서 시스템을 식별할 수 있을 뿐만 아니라 특정 사람의 자극-반응 정보를 측정하여 그 사람의 정서를 모방하는 로봇의 정서 시스템까지 식별할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to identify the emotional system of the robot that reflects characteristics of personality and emotion through the stimulus-response information using the secondary spring system, as well as to measure the stimulus- The emotional system of the robot that imitates the emotion of the person can be identified.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 인간의 정서와 유사한 현실적인 로봇 정서 시스템을 모델링할 수 있을 뿐만 아니라 원하는 반응을 끌어내기 위한 시스템을 설계하는 데 소요되는 시간 또는 노동력을 종래에 비해 줄일 수 있다.
In addition, according to the embodiment of the present invention, it is possible to model a realistic robot emotion system similar to a human emotion, as well as to reduce the time or labor required for designing a system for extracting a desired response.

도 1은 2차 스프링 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 정서 시스템에서 강성에 변화를 주며 일정한 자극을 줄 때 시간에 따른 감정의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 정서 시스템에서 감쇠 상수에 변화를 주면서 크기의 1의 사각파를 줄 때 시간에 따른 감정의 변화를 나타낸 그래프이다.
Figure 1 is a schematic illustration of a secondary spring system.
FIG. 2 is a graph showing a change in emotion according to time when a certain stimulus is given and a change in stiffness in a robot emotion system according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 3 is a graph showing a change in emotion over time when a rectangular wave having a magnitude of 1 is given while changing a decay constant in a robot emotion system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다. Hereinafter, configurations and applications according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The following description is one of many aspects of the claimed invention and the following description forms part of a detailed description of the present invention.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail for the sake of clarity and conciseness.

도 1은 2차 스프링 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 정서 시스템에서 강성에 변화를 주며 일정한 자극을 줄 때 시간에 따른 감정의 변화를 나타낸 그래프이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 정서 시스템에서 감쇠 상수에 변화를 주면서 크기의 1의 사각파를 줄 때 시간에 따른 감정의 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 1 is a view schematically showing a secondary spring system. FIG. 2 is a graph showing a change in emotion according to time when a certain stimulus is given and a change in stiffness is given in a robot emotion system according to an embodiment of the present invention FIG. 3 is a graph showing a change in emotion over time when a rectangular wave having a magnitude of 1 is given while changing a decay constant in a robot emotion system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 먼저 본 실시예의 로봇 정서 시스템으로 이용 가능한 2차 스프링 시스템은, 질량을 갖는 물체가 스프링과 댐퍼에 연결되어 있을 때, 외부로부터 가해지는 힘에 대해 직선 상의 운동을 하는 시스템을 가리킨다.Referring to FIG. 1, a secondary spring system usable in the robot emotion system of the present embodiment is a system in which a mass having a mass is connected to a spring and a damper, and a linear motion is performed on the force externally applied Point.

m의 질량을 갖는 물체는 외부로부터 힘(F(t))가 가해질 때 다음과 같은 합력을 받을 수 있다.An object with a mass of m can receive the following result when the force F (t) is applied from the outside.

Figure 112013039444147-pat00004
......식 1
Figure 112013039444147-pat00004
Equation 1

여기서 스프링의 저항력 Fspring(t)는 변위에 비례하고, 댐퍼의 저향력 Fdamper(t)는 속도에 비례하여 적용한다. 이는 다음의 식들로 나타낼 수 있다.Here, the spring force F spring (t) is proportional to the displacement, and the damper force F damper (t) is proportional to the speed. This can be expressed by the following equations.

Figure 112013039444147-pat00005
......식2
Figure 112013039444147-pat00005
Equation 2

Figure 112013039444147-pat00006
......식3
Figure 112013039444147-pat00006
Equation 3

여기서, 상수 k와 c는 각각 강성과 감쇠 상수의 값이다.Here, constants k and c are the values of stiffness and attenuation constant, respectively.

또한 힘과 가속도 법칙에 의해 다음의 식이 적용될 수 있다.Also, the following equation can be applied by the force and acceleration law.

Figure 112013039444147-pat00007
......식 4
Figure 112013039444147-pat00007
Equation 4

그리고 상기 식들을 이용하여 다음의 2차 스프링 시스템의 지배 방정식을 얻을 수 있다.Using the above equations, the governing equations of the following secondary spring system can be obtained.

Figure 112013039444147-pat00008
......식 5
Figure 112013039444147-pat00008
Equation 5

Figure 112013039444147-pat00009
......식 6
Figure 112013039444147-pat00009
Equation 6

여기서, ξ는 감쇠비로 시스템에서 감쇠의 영향을 나타내며, 이 값이 1보다 크면 진동을 하지 않는 과감쇠 시스템이 된다. 아울러 ωn은 고유진동수로 감쇠가 없을 경우의 진동수 값이다.Where ξ is the damping ratio and indicates the effect of damping in the system, and if this value is greater than 1, it is a non-oscillating overdense system. Also, ω n is the natural frequency and the frequency value without attenuation.

이처럼, 본 실시예의 로봇 정서 시스템으로 이용 가능한 2차 스프링 시스템은 질량, 감쇠 상수 및 강서의 파라미터를 갖는 2계 상미분 방정식의 형태로 나타낼 수 있다. 이를 이용하여, 사람의 정서 역시 유사하게 모델링할 수 있다. Thus, the secondary spring system usable in the robot emotion system of the present embodiment can be represented in the form of a second order ordinary differential equation having parameters of mass, damping constant, and force. Using this, human emotions can be similarly modeled.

사람의 정서 역시 2차 스프링 시스템을 모방하여 모델링할 수 있다. 즉, 사람의 정서 또한 자극에 대한 강성과 정서의 변화에 대한 감쇠 그리고 현재의 정서 상태를 유지하려는 관성을 가진다고 가정하여, 본 실시예의 로봇 정서 시스템을 적용시킬 수 있다. 이를 통해, 자극(F(t))에 대한 정서의 상태(x(t))를 구할 수 있다.Human emotion can also be modeled by mimicking a secondary spring system. That is, the robot emotion system of the present embodiment can be applied, assuming that the emotion of the human being has the stiffness to the stimulation, the attenuation to the change of emotion, and the inertia to maintain the current emotional state. Thus, the state of emotion (x (t)) for the stimulus F (t) can be obtained.

부연하면, 정서에는 기쁨, 슬픔, 혐오, 놀람, 공포, 화남 등의 여러 감정이 있지만 본 실시예에서는 정서의 동적 모델링과 시스템 식별에 의한 파라미터 결정에 초점을 맞추어 정서를 단지 기분이 '좋다' 또는 '나쁘다'의 양과 음의 값으로만 나타내고자 한다. In addition, there are various emotions such as joy, sadness, dislike, surprise, fear, and anger in the emotion, but in this embodiment, the emotion is merely 'good' It is intended to be expressed only by the positive and negative values of 'bad'.

예를 들면, 평상 시의 정서 상태의 값을 0으로 하고, 긍정적인 자극에 대해서는 정서의 상태가 양의 값으로 변하고, 부정적인 자극에 대해서는 정서의 상태가 음의 값으로 변하도록 로봇 정서 시스템을 단순화시킬 수 있다. For example, the robot emotion system is simplified so that the value of the emotion state in the normal state is set to 0, the emotion state changes to a positive value for the positive stimulus, and the emotion state changes to the negative value for the negative stimulus .

아울러, 자극의 세기와 정서의 상태는 단위를 갖는 정량화된 값이 아닌 특정 자극과 특정 상태를 기준으로 하는 상대적인 값으로 결정될 수 있다. 따라서 정서 시스템에서 관성을 나타내는 m을 1로 노멀라이징할 수 있고 이에 다음과 같은 식을 도출할 수 있다.In addition, the intensity of the stimulus and the state of the emotion can be determined not by the quantified value with the unit but by the relative value based on the specific stimulus and the specific state. Therefore, m can be normalized to 1, which expresses the inertia in the emotion system, and the following equation can be derived.

Figure 112013039444147-pat00010
......식 7
Figure 112013039444147-pat00010
Equation 7

여기서, 본 실시예의 로봇 정서 시스템은 자극에 대해 정서가 진동하는 것을 방지하기 위해 과감쇠 시스템으로 가정할 수 있다. 다만, 로봇 정서 시스템이 과감쇠 시스템에 한정되는 것은 아니다.Here, the robot emotion system of this embodiment can be assumed to be an overdense system to prevent the emotion from vibrating with respect to stimulation. However, the robot emotion system is not limited to the overdense system.

한편, 전술한 것처럼, 2차 스프링 시스템을 통해 로봇 정서 시스템을 모델링할 때, 시스템의 파라미터가 정해지면 임의의 자극에 대해서 실시간으로 그리고 연속적으로 정서의 출력을 계산할 수 있다. 아울러, 미리 지정된 입력에 대해 원하는 정서 출력 또는 모방하고자 하는 인간의 정서 출력 값을 알면 역으로 시스템의 각 파라미터를 구할 수 있다. 이와 같이, 입력 신호의 정보와 출력 신호의 정보를 이용해서 시스템의 파라미터를 결정하는 것을 시스템 식별이라고 한다.On the other hand, as described above, when modeling the robot emotion system through the secondary spring system, the emotion output can be calculated in real time and continuously for any stimulus once the parameters of the system are determined. In addition, knowing the desired emotion output or the emotion output value of the human being to be imitated with respect to the pre-designated input can reverse each parameter of the system. In this way, determining the parameters of the system using the information of the input signal and the information of the output signal is referred to as system identification.

로봇 정서 시스템의 식별에는 일반적인 자극에 대한 반응의 특성을 바탕으로 파라미터를 찾는 것이 중요하며, 본 실시예의 로봇 정서 시스템에서는 2개의 자극-반응 특성을 사용한다.The identification of the robot emotion system is based on the characteristics of the reaction to the general stimulus. In the robot emotion system of this embodiment, two stimulus-response characteristics are used.

그 중 하나는 일정한 크기의 자극이 계속 가해지는 경우, 정서의 정상 상태 값을 이용하여 강성을 구하는 것이고, 다른 하나는 같은 종류의 자극에 대해 정상 상태에 도달하는 시간보다 상대적으로 짧은 자극을 주었을 때 정서의 정상 상태에 도달하는 피크값을 이용하는 것이다. 이하에서는 이 방법들에 대해 하나씩 설명하기로 한다.One of them is to obtain the stiffness by using the steady state value of the emotion when the constant size stimulus is continued and the other is to give the stimulus which is relatively shorter than the time to reach the steady state for the same kind of stimulus The peak value that reaches the steady state of emotion is used. Hereinafter, these methods will be described one by one.

먼저, 정상 상태 정보를 이용해서 정서의 강성에 해당하는 파라미터를 식별하는 것에 대해 설명하기로 한다.First, identification of a parameter corresponding to the stiffness of emotion will be described using steady state information.

전술한 2차 스프링 시스템의 정상 상태는 관성이나 감쇠 상수의 영향을 받지 않는다. 탄성체의 변위는 가해지는 힘에 비례하고 강성에 반비례하는 다음의 후크의 법칙(Hook? law)을 따른다.The steady state of the secondary spring system described above is not affected by inertia or damping constant. The displacement of the elastic body follows the following Hook? Law which is proportional to the applied force and inversely proportional to the stiffness.

Figure 112013039444147-pat00011
......식 8
Figure 112013039444147-pat00011
Equation 8

상기 식에서, 기준이 되는 어떤 자극(F)의 크기를 1로 잡고, 기준이 되는 어떤 사람의 강성(k)을 1로 잡을 수 있다. 이렇게 자극과 강성을 1로 노멀라이징시키는 경우, 정서의 정상 상태(xsteady - state) 값도 1이 되고, 따라서 임의의 사람에 대해서 기준과 비교하여 정서의 강성을 식별할 수 있다. 이 때 정서의 강성이 큰 사람은 동일한 긍정적인 자극에도 정서의 정상 상태 값이 적게 변한다. 이는 도 2를 통해서 확인할 수 있다.In this equation, the size of a certain stimulus F to be a reference can be held at 1, and the rigidity (k) of a reference person can be set to 1. When the stimulus and stiffness are normalized to 1, the steady state (x steady - state ) value of the emotion is also 1, so that the stiffness of the emotion can be discriminated against the standard for any person. At this time, a person with a high emotional stiffness has a less steady state emotional value than a person with the same positive stimulus. This can be confirmed from FIG.

도 2를 참조하면, 정서의 강성이 1.2인 사람에 비해 강성이 0.8인 사람의 감정의 상태가 적게 변함을 알 수 있다.Referring to FIG. 2, it can be seen that the emotional state of a person having a stiffness of 0.8 is less than that of a person having a emotional stiffness of 1.2.

한편, 예를 들어 로봇과 게임을 할 때, 다시 말해, 긍정적인 자극이 계속 들어오고 있을 때, 일정한 시간이 지나면 정서의 상태는 정상 상태로 가게 된다. 이 때 자극의 크기(F)가 1인 어떤 게임을 계속 할 때 어떤 사람의 정서의 정상 상태(xsteady - state) 값이 1.2로 측정된다면, 그 사람의 강성(k)은 0.833으로 추정될 수 있다. 반면에, 강성이 1인 사람과 어떤 새로운 놀이를 할 때, 그 사람의 정상 상태(xsteady - state) 값이 1.3으로 측정된다면, 그 새로운 놀이는 1.3의 크기를 갖는 자극을 가짐을 알 수 있다.On the other hand, for example, when playing with a robot, that is, when positive stimuli are still coming in, after a certain period of time, the state of emotion goes to normal. If the steady state (x steady - state ) value of a person's emotion is measured as 1.2 when continuing a game with a magnitude F of 1, then the person's stiffness (k) can be estimated at 0.833 have. On the other hand, when playing a new play with a person with a stiffness of 1, if the person's steady state (x steady - state ) value is measured as 1.3, the new play has a stimulus with a magnitude of 1.3 .

이처럼, 본 실시예의 경우 정상 상태 정보를 이용하여 정서의 강성을 식별할 수 있다.As described above, in the present embodiment, the stiffness of the emotion can be identified using the steady state information.

다음으로, 사각파 응답을 이용한 정서의 감쇠 상수를 식별함으로써 파라미터를 결정하는 식별 방법에 대해서 설명하기로 한다.Next, an identification method for determining a parameter by identifying the attenuation constant of the emotion using the square wave response will be described.

전술한 2차 스프링 시스템은 강성(k) 이외에도 감쇠 상수(c)를 파라미터로 가질 수 있다. 감쇠 상수는 전술한 것처럼 속도에 비례하여 생기는 저항력으로, 이 값이 낮은 시스템은 자극에 대해 정서의 상태가 빠르게 변하고, 높을 경우에는 시간을 두고 서서히 변하는 경향을 갖는다.The above-described secondary spring system can have the damping constant c as a parameter in addition to the stiffness k. The attenuation constant is a resistance that is proportional to the velocity as described above. A system with a low value tends to change the state of the emotion rapidly with respect to stimulation, and gradually changes with time when it is high.

본 실시예의 경우, 감쇠 상수의 식별을 위해 사각파 자극에 대한 응답을 이용할 수 있다. 감쇠 상수의 값은 정서의 상승 속도에 영향을 미치므로, 같은 자극에 대해 같은 정상 상태의 값을 갖는 사람이라 할지라도 감쇠 상수가 상대적으로 큰 사람의 정서 상태는 긴 시간을 두고 정상 상태에 도달할 수 있다.In the case of this embodiment, a response to the square wave stimulus can be used to identify the attenuation constant. Since the value of the damping constant affects the rate of emotional uplift, even if a person has the same steady state value for the same stimulus, the emotional state of a person with a relatively large damping constant reaches a steady state over a long period of time .

따라서, 감쇠 상수가 큰 사람은 상대적으로 짧은 상수 자극인 사각판에 대해 상대적으로 정서의 변화가 적게 발생된다.Therefore, a person with a large damping constant has relatively less emotional change with respect to a rectangular plate having a relatively short constant stimulus.

도 3을 참조하면, 대략 3초간 1의 크기를 갖는 자극을(관성과 강성은 각각 1임) 감쇠 상수(c)가 3, 4, 5인 시스템에 적용할 때, 정서 상태의 피크값의 차이를 알 수 있다. 즉, 감쇠 상수가 작을수록 정서 상태의 피크값이 작음을 알 수 있다.3, when a stimulus having a magnitude of 1 for about 3 seconds is applied to a system having inertia and rigidity of 1, a decay constant c of 3, 4 and 5, . That is, the smaller the attenuation constant, the smaller the peak value of the emotion state.

부연하면, 사각파에 대한 2차 스프링 시스템의 피크값은, x를 상수 자극인 값과 자극이 없는 구간으로 나누어 계산할 수 있다. 초기값 x=0, x'=0의 상태에서 상수 힘이 들어오는 구간에서는 변위 x1은 다음과 같다.In other words, the peak value of the secondary spring system with respect to the square wave can be calculated by dividing x by the value of the constant stimulus and the section without the stimulus. In the initial value x = 0, x '= 0, in the section where the constant force enters, the displacement x 1 is as follows.

Figure 112013039444147-pat00012
......식 9
Figure 112013039444147-pat00012
Equation 9

여기서, A1 및 A2는 다음과 같다.Here, A 1 and A 2 are as follows.

Figure 112013039444147-pat00013
......식 10
Figure 112013039444147-pat00013
Equation 10

그리고, 자유 진동 구간에서 변위 x2(t)는 그 피크값만을 고려하므로, 식을 간단히 하기 위하여, x1(h)와

Figure 112013039444147-pat00014
Figure 112013039444147-pat00015
을 초기 값으로 갖는 자유 진동으로 대체할 수 있다. Since the displacement x 2 (t) only considers the peak value in the free vibration section, to simplify the equation, x 1 (h) and
Figure 112013039444147-pat00014
Figure 112013039444147-pat00015
Can be replaced with a free vibration having an initial value.

Figure 112013039444147-pat00016
......식 11
Figure 112013039444147-pat00016
Expression 11

상기 식을 이용한 자유 진동 식은 다음과 같다.The free vibration equation using the above equation is as follows.

Figure 112013039444147-pat00017
......식 12
Figure 112013039444147-pat00017
Equation 12

여기서, B1, B2는 다음과 같다.Here, B 1 and B 2 are as follows.

Figure 112013039444147-pat00018
......식 13
Figure 112013039444147-pat00018
Equation 13

사각파에 대한 변위의 피크값은

Figure 112013039444147-pat00019
Figure 112013039444147-pat00020
값을 0으로 만드는 t'에서의 x2 값이다. 그 시간(tpeak)는 다음과 같다.The peak value of the displacement with respect to the square wave is
Figure 112013039444147-pat00019
Figure 112013039444147-pat00020
It is the value of x2 at t 'which makes the value 0. The time (tpeak) is as follows.

Figure 112013039444147-pat00021
......식 14
Figure 112013039444147-pat00021
Equation 14

여기서, C1, C2값은 다음과 같다.Here, the values of C 1 and C 2 are as follows.

Figure 112013039444147-pat00022
......식 15
Figure 112013039444147-pat00022
Equation 15

최종적으로 x2(tpeak)를 통해 사각파에 대한 변위의 피크값을 구하면 다음과 같다.Finally, the peak value of the displacement with respect to the square wave is obtained through x 2 (t peak ) as follows.

Figure 112013039444147-pat00023
......식 16
Figure 112013039444147-pat00023
Equation 16

이 피크값을 정서의 시스템 식별에 적용할 경우, 감쇠비(ξ)를 제외한 f(자극), h(상수 외력 구간), k(강성), ωn(고유진동수)는 이미 알고 있는 것이다. 따라서 정상 상태 응답을 통해 강성을 알고 있는 사람에 대해 감쇠 상수를 식별하기 위해 미리 정해진 자극을 짧은 시간 동안에 주는 경우를 고려해볼 수 있다. 이 때, 시스템이 출력하고자 하는 정서의 피크값을 정하면 그에 맞는 감쇠비를 찾아낼 수 있고, 또는

Figure 112013039444147-pat00024
을 통해서도 감쇠 상수의 값을 구할 수 있다.When this peak value is applied to the system identification of the emotion, f (stimulus), h (constant external force interval), k (stiffness), and ωn (natural frequency) are known except for the damping ratio (ξ). Therefore, it is possible to consider a case where a predetermined stimulus is given for a short time to identify the attenuation constant for a person who knows the stiffness through the steady state response. At this time, if the peak value of the emotion to be output by the system is set, a corresponding damping ratio can be found, or
Figure 112013039444147-pat00024
The value of the attenuation constant can also be obtained.

이와 같이, 본 실시예에 따르면, 2차 스프링 시스템을 이용하여, 자극-반응 정보를 통해 성격 및 정서의 특징을 반영하는 로봇의 정서 시스템을 식별할 수 있을 뿐만 아니라 특정 사람의 자극-반응 정보를 측정하여 그 사람의 정서를 모방하는 로봇의 정서 시스템까지 식별할 수 있는 장점이 있다.As described above, according to the present embodiment, it is possible to identify the emotion system of the robot that reflects characteristics of personality and emotion through the stimulus-response information using the secondary spring system, It is possible to identify the emotional system of the robot which imitates the emotion of the person.

아울러, 인간의 정서와 유사한 현실적인 로봇 정서 시스템을 모델링할 수 있을 뿐만 아니라 원하는 반응을 끌어내기 위한 시스템을 설계하는 데 소요되는 시간 또는 노동력을 종래에 비해 줄일 수 있는 장점도 있다.In addition, it has the advantage of not only modeling a realistic robot emotion system similar to human emotion but also reducing the time or labor required for designing a system for extracting a desired response, compared to the conventional art.

한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, such modifications or variations are intended to fall within the scope of the appended claims.

Claims (9)

2차 스프링 시스템을 모방한 로봇 정서 시스템을 통해, 인간의 정서가 자극에 대한 강성과 정서의 변화에 대한 감쇠 그리고 현재의 정서 상태를 유지하려는 것에 기초하여 상기 로봇 정서 시스템의 강성 및 감쇠 상수를 포함하는 파라미터를 결정한 후 식별하고,
상기 2차 스프링 방정식인
Figure 112014045713481-pat00025
에서 관성에 해당하는 질량(m)을 1로 노멀라이징하는 경우, 파라미터 중 강성(k) 및 감쇠 상수(c)의 값을 정한 후 임의의 자극(F(t))에 대한 정서의 출력을 계산하거나, 미리 설정된 입력에 대하여 원하는 정서 출력 또는 모방하고자 하는 정서 출력 값을 지정함으로써 파라미터 중 강성 및 감쇠 상수의 값을 정하고,
상기 파라미터를 결정하기 위해, 일정한 크기의 자극(F)이 계속적으로 가해지는 경우 정서의 정상 상태(xsteady-state) 값을 이용하여 강성(k)을 결정하는데, 이 때 2차 스프링 시스템의 경우 관성이나 감쇠 상수의 영향은 배제한 상태로 정상 상태의 값은 힘(F)에 비례하고 강성(k)에 반비례하는 다음의 후크의 법칙(
Figure 112014045713481-pat00031
)이 적용되는, 2차 스프링 시스템을 이용한 로봇 정서 시스템의 파라미터 식별 방법.
Through a robotic emotion system that imitates a secondary spring system, human emotions include the stiffness and damping constants of the robot emotion system based on the stiffness of the stimulus, the attenuation of the emotional changes, and the current emotional state After determining the parameters to be identified,
The secondary spring equation
Figure 112014045713481-pat00025
, The output of the emotion for any stimulus F (t) is calculated after determining the value of the stiffness (k) and the attenuation constant (c) in the parameters when the mass m corresponding to the inertia is normalized to 1 , A value of stiffness and damping constant in the parameter is determined by designating a desired emotion output or an emotion output value to be imitated for a preset input,
In order to determine the parameter, the stiffness (k) is determined using the x steady-state value of the emotion when a constant magnitude of stimulus (F) is applied continuously, The value of the steady state is proportional to the force F and is given by the following law of the hook, which is inversely proportional to the stiffness k:
Figure 112014045713481-pat00031
A method for parameter identification of a robot emotion system using a secondary spring system.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 임의의 자극에 대한 정서의 출력은 연속적으로 그리고 실시간으로 이루어지는, 2차 스프링 시스템을 이용한 로봇 정서 시스템의 파라미터 식별 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the output of the emotion for the arbitrary stimulus is continuously and in real time.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 후크의 법칙에서 설정된 힘이 지속적으로 가해질 때 정서의 정상 상태 값도 설정된 수치로 노멀라이징하여 가정하는 경우 강성을 식별 가능한, 2차 스프링 시스템을 이용한 로봇 정서 시스템의 파라미터 식별 방법.
The method according to claim 1,
A method for parameter identification of a robot emotion system using a secondary spring system capable of identifying a stiffness when normalizing the emotion's normal state value to a set value when the force set in the law of the hook is continuously applied.
제1항에 있어서,
상기 파라미터를 결정하기 위해, 동일한 종류의 자극에 대해 정상 상태에 도달하는 시간보다 상대적으로 짧은 자극을 가할 때 정상 상태에 도달하는 피크 값을 이용하여 감쇠 상수(c)를 결정하는, 2차 스프링 시스템을 이용한 로봇 정서 시스템의 파라미터 식별 방법.
The method according to claim 1,
Determining a decay constant c using a peak value reaching a steady state when applying a stimulus that is relatively shorter than the time to reach a steady state for a same type of stimulus, A Method for Parameter Identification of Robot Emotion System Using.
제6항에 있어서,
상기 감쇠 상수의 식별을 위해 사각파 자극에 대한 응답을 이용하는, 2차 스프링 시스템을 이용한 로봇 정서 시스템의 파라미터 식별 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the response to the square wave stimulus is used to identify the attenuation constant.
삭제delete 삭제delete
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