KR101534939B1 - 보행 로봇 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 착용식 보행 로봇에 있어, 로드셀 센서 값을 이용하여 x축과 y축으로의 ZMP값을 도출하고, 도출된 ZMP값을 이용하여 착용자의 보행 의도를 미리 감지하여 원활한 로봇 제어가 이루어지도록 할 수 있다.
즉, 착용식 로봇의 양발지지 상태에서 한발지지 상태로 동작이 이루어지기 전에 착용자의 보행의도를 미리 감지하고, 로봇이 이를 판단하여 착용자의 의도에 맞추어 빠르게 반응하여 로봇이 작동되도록 할 수 있다.

Description

보행 로봇 제어방법 {METHOD FOR CONTROLLING WALKING ROBOT}

본 발명은 착용식 로봇에 있어서, 착용자의 보행 의도를 감지하여 보행 상태에 맞은 제어가 이루어지도록 하기 위한 보행 로봇 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 보행 로봇은 사람의 보행 형태를 모방한 2족 보행 로봇과, 포유류의 신체구조 및 보행 형태를 모방한 4족 보행로봇, 4개 이상의 다리를 가지는 다족 보행 로봇으로 분류된다. 아울러, 보행 로봇은 사람이 직접 로봇을 착용하는 착용식 보행 로봇도 꾸준히 개발되고 있다. 이러한 착용식 보행 로봇은 착용자가 취하는 동작을 로봇이 정확하게 추종할 수 있도록 기구부의 성능을 높이는 방향으로 기존 로봇들이 연구되어 왔다.

하지만, 이와 같이 기구부의 성능을 높이는데에는 많은 시간과 비용이 소비되며, 만족할 만한 성과를 보여주지 못하고 있다.

한편, 착용식 로봇의 경우 보행을 위한 로봇의 상태는 한발지지 상태와 양발지지 상태로 구분되고, 한발지지 상태에서는 로봇이 이동되고, 양발지지 상태에서는 로봇이 정지되는바, 각각의 상태에 따라 로봇의 제어 알고리즘이 달라지게 된다. 즉, 착용자의 보행 의도를 정확히 감지하여 보행 상태에 맞는 제어가 이루어지도록 하기 위해서는 보행 의도를 정확히 감지하여야 한다.

이를 위한 기존의 착용식 로봇은 로봇 발에 마련된 센서를 통해 보행 중에 발생하는 착용자와 로봇 발 사이의 힘을 측정하고, 측정된 센서값들의 합의 변화를 이용하는 방법이 있다. 이러한 방법은 착용자가 변경될 때마다 보행 의도 감지 알고리즘의 파라미터를 착용자에 맞게 조정해주어야 한다. 이 밖에 로봇에 고가의 F/T센서를 장착하여 보행 의도를 감지하거나, 여러 가지의 센서를 적용하여 각 센서값들을 통해 보행 의도를 감지하였다.

그러나, 위와 같은 방법들은 착용자에 맞추어 제어 알고리즘 파라미터를 조정해야하며, 고가의 센서 및 다수의 센서를 적용함에 따라 비용이 증가되는 문제가 발생되었다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-0957985 A (2010.05.06)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 착용식 보행 로봇에 있어, 양발지지 상태에서 한발지지 상태로 동작이 이루어지기 전에 착용자의 보행의도를 미리 감지할 수 있는 보행 로봇 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보행 로봇 제어방법은 지면에 접촉되는 복수의 발에 설치된 다수의 센서를 통해 각 발의 ZMP(Zero Moment Point) 위치값을 도출하는 체크단계; 상기 산출된 ZMP 위치값의 변위를 체크하고, 미리 마련된 ZMP 한계값과 비교하며, ZMP 위치값의 변위가 ZMP 한계값에 도달하는지를 확인하는 확인단계; 및 상기 ZMP 위치값의 변위가 ZMP 한계값 도달하였을 경우 보행로봇이 이동하고자 하는 의도를 감지하는 확정단계;를 포함한다.

상기 다수의 센서는 로드셀 센서이고, 각 로드셀 센서값을 통해 x축과 y축으로의 ZMP 위치값을 산출할 수 있다.

상기 확인단계의 ZMP 한계값은 보행로봇의 발이 지면에 완전히 지지된 상태에서의 ZMP 위치값보다 x축 또는 y축 방향으로 더 크거나 작은 값일 수 있다.

상기 확정단계는 ZMP 위치값이 x축 방향의 ZMP 한계값에 도달한 경우 보행로봇이 전후방을 향해 이동하고자 하는 것으로 판단하고, ZMP 위치값이 y축 방향의 ZMP 한계값에 도달한 경우 보행 로봇이 측방을 향해 이동하고자 하는 것으로 판단할 수 있다.

한편, 본 발명의 따른 착용식 보행 로봇 제어방법에 있어서, 지면에 접촉되는 왼발 및 오른발에 설치된 다수의 압력센서를 통해 각 발의 ZMP(Zero Moment Point) 위치값을 도출하는 체크단계; 상기 각 발의 산출된 ZMP 위치값의 변위를 체크하고, 미리 마련된 ZMP 한계값과 비교하며, ZMP 위치값의 변위가 ZMP 한계값에 도달하는지를 확인하는 확인단계; 및 왼발 및 오른발 중 어느 하나의 발에 산출된 상기 ZMP 위치값의 변위가 ZMP 한계값 도달시 보행로봇의 이동하고자 하는 의도를 감지하는 확정단계;를 포함한다.

상기 확정단계는 왼발 및 오른발 중 어느 하나의 발에 산출된 상기 ZMP 위치값의 변위가 ZMP 한계값 도달시 ZMP 위치값이 ZMP 한계값에 도달한 발이 지면에 지지되고, 다른 발이 지면에서 떨어져 이동되는 것으로 감지할 수 있다.

상기 확정단계는 한 발이 땅에 지지되고, 지면에서 떨어진 다른 발의 압력센서 값이 0인 상태에서, 다시 다른 발의 압력센서 값이 0 이상으로 검출될 경우 양발이 지면에 지지된 상태로 판단하는 재설정단계;를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 보행 로봇 제어방법은 착용식 보행 로봇에 있어, 로드셀 센서 값을 이용하여 x축과 y축으로의 ZMP값을 도출하고, 도출된 ZMP값을 이용하여 착용자의 보행 의도를 미리 감지하여 원활한 로봇 제어가 이루어지도록 할 수 있다.

즉, 착용식 로봇의 양발지지 상태에서 한발지지 상태로 동작이 이루어지기 전에 착용자의 보행의도를 미리 감지하고, 로봇이 이를 판단하여 착용자의 의도에 맞추어 빠르게 반응하여 로봇이 작동되도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 로봇 제어방법의 로봇 발에 센서를 적용한 도면.
도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 로봇 제어방법의 순서도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 보행 로봇 제어방법에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 로봇 제어방법의 로봇 발에 센서를 적용한 도면이고, 도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 로봇 제어방법의 순서도이다.

본 발명의 로봇 제어 방법은 지면에 접촉되는 복수의 발에 설치된 다수의 센서를 통해 각 발의 ZMP(Zero Moment Point) 위치값을 도출하는 체크단계(S100); 상기 산출된 ZMP 위치값의 변위를 체크하고, 미리 마련된 ZMP 한계값과 비교하며, ZMP 위치값의 변위가 ZMP 한계값에 도달하는지를 확인하는 확인단계(S200); 및 상기 ZMP 위치값의 변위가 ZMP 한계값 도달하였을 경우 보행로봇이 이동하고자 하는 의도를 감지하는 확정단계(S300);를 포함한다.

본 발명은 ZMP(Zero Moment Point)를 기반으로 하며, ZMP 한계값을 두어 ZMP 위치값이 한계값에 도달하는 경우 보행 로봇이 이동할 것으로 미리 감지하여 이후 로봇 제어의 반응을 향상시킬 수 있다. 여기서, 상기 다수의 센서는 로드셀 센서이고, 각 로드셀 센서값을 통해 x축과 y축으로의 ZMP 위치값을 산출할 수 있다.

이는, 도 1에 도시된 바와 같이, 로봇의 발에 직사각형으로 4개의 로드셀 센서를 상판에 장착하고, 각 로드셀 센서의 위치 좌표 및 측정된 힘을 이용하여 하기의 식을 통해 ZMP의 위치값을 도출할 수 있다.

상기의 식을 통해

,

에 따른 ZMP 위치값을 도출하고, 로봇이 이동됨에 따라 ZMP 위치값의 변위가 미리 마련된 ZMP 한계값에 도달하는지 체크하는 확인단계(S200)를 수행한다. 여기서, ZMP 한계값은 보행로봇의 발이 지면에 완전히 지지된 상태에서의 ZMP 위치값보다 x축 또는 y축 방향으로 더 크거나 작은 값으로 설정될 수 있다.

상기 보행로봇의 발이 지면에 완전히 지지된 상태에서의 ZMP 위치값은 로봇의 모든 발이 지면에 안정적으로 지지된 상태에서 각 발에 측정된 ZMP값으로서, 이는 ZMP 기준값이 될 수 있으며, 로봇의 정지상태에서 정적안정된 보행자세에서의 ZMP 위치값을 의미한다.

이러한 ZMP 위치값을 기준으로 x축 또는 y축 방향으로 더 크거나 작은 값으로 ZMP 한계값을 다수개 설정하도록 한다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, ZMP 한계값은 x축 및 y축에 각각 다수개 형성될 수 있으며, ZMP 한계값의 범위 안에 ZMP 위치값이 위치하면 로봇의 모든 발이 지면에 안정적으로 지지된 상태로 판단하도록 한다. 이러한 ZMP 한계값은 로봇의 사양에 맞추어 사전 검사하여 설정될 수 있다.

한편, 상기 확정단계(S300)는 ZMP 위치값이 x축 방향의 ZMP 한계값에 도달한 경우 보행로봇이 전후방을 향해 이동하고자 하는 것으로 판단하고, ZMP 위치값이 y축 방향의 ZMP 한계값에 도달한 경우 보행 로봇이 측방을 향해 이동하고자 하는 것으로 판단한다.

즉, ZMP 위치값의 변위가 커짐에 따라 x축 방향의 ZMP 한계값(도 1의 우측)에 도달할 경우 보행 로봇이 전방을 향하여 이동되는 것으로 감지하고, ZMP 위치값의 변위가 작아짐에 따라 x축 방향의 ZMP 한계값(도 1의 좌측)에 도달할 경우 보행 로봇이 후방을 향하여 이동되는 것으로 감지하는 것이다. 또한, ZMP 위치값의 변위가 변화됨에 따라 y축 방향의 ZMP 한계값(도 1의 상하측)에 도달할 경우에는 보행 로봇이 측방으로 이동되는 것으로 감지하는 것이다.

이처럼, 로봇 발의 ZMP 위치값이 다수의 ZMP 한계값 중 어느 영역에 도달할 경우 그 ZMP 한계값에 대한 로봇의 이동을 미리 파악함으로써 이후 해당 이동방향에 대한 원활한 로봇 제어가 이루어지도록 할 수 있으며, 착용자가 취하는 동작에 빠르게 반응하여 정확하게 추종할 수 있도록 할 수 있다. 이후 착용자의 보행 의도를 감지한 후 보행 로봇의 제어함에 있어서는, 이미 다양하게 공지되어 있는바, 구체적인 설명은 하지 않도록 하겠으며, 본 발명에서는 착용자의 보행 의도를 정확히 감지하기 위한 것인바, 이를 핵심으로 설명하였다.

한편, 본 발명의 착용식 보행 로봇 제어방법에 있어서, 지면에 접촉되는 왼발 및 오른발에 설치된 다수의 압력센서를 통해 각 발의 ZMP(Zero Moment Point) 위치값을 도출하는 체크단계(S100); 상기 각 발의 산출된 ZMP 위치값의 변위를 체크하고, 미리 마련된 ZMP 한계값과 비교하며, ZMP 위치값의 변위가 ZMP 한계값에 도달하는지를 확인하는 확인단계(S200); 및 왼발 및 오른발 중 어느 하나의 발에 산출된 상기 ZMP 위치값의 변위가 ZMP 한계값 도달시 보행로봇의 이동하고자 하는 의도를 감지하는 확정단계(S300);를 포함한다.

여기서, 다수의 압력센서는 위에서 설명된 바와 같이 로드셀 센서가 적용될 수 있으며, x축과 y축에 대한 위치 및 작용힘을 통해 ZMP 위치값을 도출할 수 있다. 이렇게, 로드셀 센서를 통해 도출된 ZMP 위치값의 변위가 ZMP 한계값에 도달할 경우 착용자가 이동하기 위한 보행의도로 미리 판단하는 것이다.

즉, 상기 확정단계(S300)는 왼발 및 오른발 중 어느 하나의 발에 산출된 상기 ZMP 위치값의 변위가 ZMP 한계값 도달시 ZMP 위치값이 ZMP 한계값에 도달한 발이 지면에 지지되고, 다른 발이 지면에서 떨어져 이동할 것으로 감지하는 것이다.

일례로, 2족 보행시 양발이 지면에 지지된 상태에서 전방을 향해 이동한다고 가정하자. 이때, 오른발을 디딤발로 하고 왼발을 전방으로 이동시키면서 보행시 왼발이 지면에서 서서히 떨어져 전방을 향해 이동되고, 오른발이 지면에 지지된 상태에서 하중이 오른 발바닥의 전방으로 이동되어 집중된다. 이러한 동작은 2족 보행시 필수적으로 거치는 동작이며, 본 발명에서는 이를 이용하여 ZMP 값으로 보행의지를 감지하는 것이다.

즉, 양발이 지면에 지지된 상태에서는 양 발의 ZMP 위치값이 로봇 발의 중심점에 위치된다. 이러한 상태에서 착용자가 전방을 향해 이동하고자 하여 오른발을 디딤발로 하고, 왼발을 전방으로 이동시키면서 보행하고자 할 경우 왼발이 지면에서 서서히 떨어짐에 따라 로봇 발에 부하되는 하중이 감소되어 로드셀 센서값이 낮아지게 된다.

아울러, 오른발이 지면에 지지된 상태에서 하중이 오른발의 전방으로 이동됨으로써 오른발의 ZMP 위치값이 x축의 전방으로 변위가 발생되고, ZMP 위치값이 한계값에 도달할 경우 착용자가 전방을 향해 보행하고자 하는 것으로 감지하는 것이다. 이와 같은 제어를 통해, ZMP 위치값에 따른 착용자의 보행의지를 미리 감지할 수 있는 것이다.

한편, 상기 확정단계(S300)는 한 발이 땅에 지지되고, 지면에서 떨어진 다른 발의 압력센서 값이 0인 상태에서, 다시 다른 발의 압력센서 값이 0 이상으로 검출될 경우 양발이 지면에 지지된 상태로 판단하는 재설정단계(S400);를 더 포함할 수 있다.

보행 로봇은 보행시 한 발은 땅에 지지되고, 다른 발은 지면에서 떨어진 상태로 보행을 수행하게 된다. 이때, 땅에 지지되고 있는 발에는 착용자의 하중이 집중적으로 가해짐에 따라 압력센서 값이 증가된 상태이고, 지면에서 떨어진 다른 발에는 작용되는 하중이 없어 압력센서 값이 0인 상태이다.

이러한 상태에서, 지면에서 떨어진 발이 충분히 이동된 후 지면에 접촉되면 하중에 가해짐에 따라 압력센서 값이 0 이상으로 증가된다. 즉, 지면에서 지지되고 있던 발에 부가되던 하중이 다시 지면에 접촉된 발에 분산됨으로써 양 발의 압력센서 값이 0 이상으로 검출되는 것이다.

이때에는 양발이 지면에 모두 지지된 상태로서, 보행 로봇이 안정적으로 지지된 것으로 판단하여 다음 보행이 이루어질 수 있도록 로봇 제어 설정을 변경하는 것이다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 보행 로봇 제어방법은 로드셀 센서 값을 이용하여 x축과 y축으로의 ZMP값을 도출하고, 도출된 ZMP값을 이용하여 착용자의 보행 의도를 미리 감지하여 원활한 로봇 제어가 이루어지도록 할 수 있다.

즉, 착용식 로봇의 양발지지 상태에서 한발지지 상태로 동작이 이루어지기 전에 착용자의 보행의도를 미리 감지하고, 로봇이 이를 판단하여 착용자의 의도에 맞추어 빠르게 반응하여 로봇이 작동되도록 할 수 있다.

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.

S100:체크단계 S200:확인단계
S300:확정단계 S400:재설정단계

Claims (7)

1. 지면에 접촉되는 복수의 발에 설치된 다수의 센서를 통해 각 발의 ZMP(Zero Moment Point) 위치값을 도출하는 체크단계;
   상기 산출된 ZMP 위치값의 변위를 체크하고, 미리 마련된 ZMP 한계값과 비교하며, ZMP 위치값의 변위가 x축 또는 y축 방향으로 ZMP 한계값에 도달하는지를 확인하는 확인단계; 및
   상기 ZMP 위치값의 변위가 ZMP 한계값 도달하였을 경우 보행로봇이 이동하고자 하는 의도를 감지하되, ZMP 위치값이 x축 방향의 ZMP 한계값에 도달한 경우 보행로봇이 전후방을 향해 이동하고자 하는 것으로 판단하고, ZMP 위치값이 y축 방향의 ZMP 한계값에 도달한 경우 보행 로봇이 측방을 향해 이동하고자 하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇 제어방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 다수의 센서는 로드셀 센서이고, 각 로드셀 센서값을 통해 x축과 y축으로의 ZMP 위치값을 산출하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇 제어방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 확인단계의 ZMP 한계값은 보행로봇의 발이 지면에 완전히 지지된 상태에서의 ZMP 위치값보다 x축 또는 y축 방향으로 더 크거나 작은 값인 것을 특징으로 하는 보행 로봇 제어방법.
4. 삭제
5. 착용식 보행 로봇 제어방법에 있어서,
   지면에 접촉되는 왼발 및 오른발에 설치된 다수의 압력센서를 통해 각 발의 ZMP(Zero Moment Point) 위치값을 도출하는 체크단계;
   상기 각 발의 산출된 ZMP 위치값의 변위를 체크하고, 미리 마련된 ZMP 한계값과 비교하며, ZMP 위치값의 변위가 ZMP 한계값에 도달하는지를 확인하는 확인단계; 및
   왼발 및 오른발 중 어느 하나의 발에 산출된 상기 ZMP 위치값의 변위가 ZMP 한계값 도달시 보행로봇의 이동하고자 하는 의도를 감지하는 확정단계;를 포함하고,
   상기 확정단계는 왼발 및 오른발 중 어느 하나의 발에 산출된 상기 ZMP 위치값의 변위가 ZMP 한계값 도달시 ZMP 위치값이 ZMP 한계값에 도달한 발이 지면에 지지되고, 다른 발이 지면에서 떨어져 이동되는 것으로 감지하는 것을 특징으로 하는 착용식 보행 로봇 제어방법.
6. 삭제
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 확정단계는 한 발이 땅에 지지되고, 지면에서 떨어진 다른 발의 압력센서 값이 0인 상태에서, 다시 다른 발의 압력센서 값이 0 이상으로 검출될 경우 양발이 지면에 지지된 상태로 판단하는 재설정단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착용식 보행 로봇 제어방법.

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