KR101568084B1 - Apparatus for walk imitation control of biped robot - Google Patents
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Abstract
웨어러블 센서(wearable sensor)를 이용하여 작업자의 관절 움직임을 측정하고, 발바닥 센서를 통해 로봇의 압력 중심을 확보한 후, 이를 기반으로 이족보행로봇의 보행을 모방 제어할 수 있도록 한 이족보행로봇의 보행 모방 제어장치에 관한 것으로서, 작업자의 관절 움직임에 따라 관절 각 데이터를 검출하고, 검출한 관절 각 데이터와 이족보행로봇의 발바닥 압력검출을 통해 생성한 압력 중심(COP) 데이터를 연산하여 움직임 모방을 위한 궤적데이터를 생성하는 궤적데이터 생성기; 상기 궤적데이터 생성기에서 생성한 궤적데이터를 기초로 상기 이족보행로봇의 보행을 제어하는 로봇 제어기; 및 상기 로봇 제어기의 제어에 따라 작업자의 움직임을 모방하는 상기 이족보행로봇을 포함하여, 이족보행로봇의 보행 모방 제어장치를 구현한다.A bipedal walking robot that measures the movement of an operator's joint using a wearable sensor, secures the pressure center of the robot using the sole sensor, and imitates and controls the walking of the bipedal walking robot (COP) data generated by detecting the joint angle data and the plantar pressure of the bipedal walking robot to calculate motion estimation data for motion mimicry A locus data generator for generating locus data; A robot controller for controlling the walking of the bipedal walking robot based on the locus data generated by the locus data generator; And a biped walking robot for mimicking a movement of an operator in accordance with the control of the robot controller.
Description
본 발명은 이족보행로봇(Biped robot)의 보행 모방 제어(walk imitation control)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 웨어러블 센서(wearable sensor)를 이용하여 작업자의 관절 움직임을 측정하고, 발바닥 센서를 통해 로봇의 압력 중심을 확보한 후, 이를 기반으로 이족보행로봇의 보행을 모방 제어할 수 있도록 한 이족보행로봇의 보행 모방 제어장치에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
로봇 응용 분야는 점차 증가하고 있다. 일반적으로, 로봇은 인간 대신에 간단하고 위험한 작업을 한다. 예컨대, 로봇은 제조 공장에서 간단한 조립 공정에 사용된다. 또한, 로봇은 인간이 도달하기 어려운 곳인 심해 탐험에도 사용되며, 폭발물 해체에도 인간을 대신할 수 있다.Robot applications are increasing. Generally, robots do simple and dangerous work on behalf of humans. For example, a robot is used in a simple assembly process in a manufacturing plant. In addition, robots can be used for deep sea exploration, where humans are hard to reach, and they can replace humans in explosive dismantling.
근래에는 이족보행 휴머노이드(인간의 신체와 유사한 모습을 갖춘 로봇) 개발에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 인간 모습과 얼굴 표정 및 걸음걸이에 가까운 로봇과 기술 개발이 진행되고 있다. 혼다 아시모(Honda ASIMO)는 이에 대한 가장 대표적인 예이다. 이족보행 휴머노이드 개발을 위한 연구가 세계적으로 많이 진행되고 있으나, 휴머노이드의 지능은 아직 스마트 작업을 하기에는 너무 낮은 수준이다. 휴머노이드 자체가 생각하고 결정할 정도로 스마트하기에는 아직 이르다.In recent years, research on the development of bipedal humanoid robots (robots with a similar appearance to the human body) has been conducted. Robot and technology development is progressing close to human figure, facial expression and gait. Honda ASIMO is the most representative example. Although research on the development of bipedal walking humanoids is underway worldwide, the intelligence of humanoids is still too low for smart work. The humanoid itself is still too early to be smart enough to think and decide.
인간에 의한 이족보행 휴머노이드를 제어하기 위한 필요성이 증가하고 있다. 이로 인해 인간 제어 이족보행 휴머노이드는 재해 현장과 같은 인간이 접근하기 어려운 장소에서 인간 대신에 일을 할 수 있다. 인간 제어 이족보행 로봇은 스마트한 작업을 할 정도로 지능이 발달하게 되는 데, 이는 인간의 지능으로 제어되기 때문이다. 이 같은 로봇이 매력적이지만, 이 같은 경지에 도달하려면 아직 많은 연구가 필요하다.There is a growing need to control bipedal humanoids by humans. As a result, human control bipedal humanoids can work on behalf of humans in places where human access is difficult, such as a disaster scene. Human control bipedal robots develop smart enough to do smart work because it is controlled by human intelligence. While these robots are attractive, reaching this level still requires much research.
이족보행 로봇을 운영해 보려는 시도가 여러 번 있었다. 비행체 용 원격 제어기(RC)가 이족보행 로봇에 사용되었으나 운동제어의 한계와 자유도(DOF)가 낮은 것으로 밝혀졌다. 게이오 대학은 터치 스크린 스마트폰에 사용되는 것과 유사한 제스처의 터치 입력을 인식해서 이족보행 로봇을 제어할 수 있다는 사실을 발표했다(하기의 <비 특허문헌 1> 참조). A 시니어(Senior)와 S 도수노글루(Sabri Tosunoglu)는 직렬 통신 연결을 구비한 컴퓨터에서 이족보행 로봇으로 명령을 전달하여 이족보행 로봇을 제어하는 방법을 발표했다(하기의 <비 특허문헌 2> 참조). 또한, 블루투스를 이족보행 로봇의 원격 제어에 사용하였다.There have been several attempts to operate bipedal robots. A remote controller (RC) was used for bipedal walking robot but it was found that the limit of motion control and the degree of freedom (DOF) were low. Keio University announced that it can control a bipedal walking robot by recognizing a touch input of a gesture similar to that used in a touch-screen smartphone (see Non-Patent
다른 연구 영역으로, 인간에 의한 모방 제어 방법이 연구되고 있다. 모방 제어는 인간 작업자의 관절 움직임 궤적을 추적하여 이를 로봇에 전달하여, 로봇이 인간 작업자처럼 움직이게 하는 것이다. 또한, 이족보행 로봇용 모방 제어는 새로운 연구 문제로 대두 되었다.As another research area, human imitation control methods are being studied. The imitation control tracks the motion trajectory of the human operator and transmits it to the robot, which makes the robot move like a human operator. In addition, imitation control for biped walking robots has emerged as a new research problem.
인체 움직임의 궤적을 추적하기 위해서는, 자이로스코프와 가속 센서를 인체의 특정 부위에 부착한다. T. Liu등 연구진은 각속도와 가속도의 측정 데이터에 퍼지 추론 엔진을 적용하여 걸음걸이를 추정했음을 제시했다(하기의 < 비 특허문헌 3, 4> 참조). Ude는 자기 마크 시스템을 사용하여 관절 각을 측정했다(하기의 <비 특허문헌 5> 참조). 일부 관성 센서 시스템도 사용하여, 하부 신체 부분 방위를 측정한다(하기의 <비 특허문헌 6> 참조). R. Chalodhorn 등 연구진은, 비록 동적인 면에서 불안정하지만, 프로그램 제어보다 움직임 포착 데이터를 직접 사용하는 것이 더 유연성이 있으며, 직관적이라고 말한다(하기의 <비 특허문헌 7> 참조). 다른 예로서, 역각 센서(force sensor)와 손 추적 장치를 이용한 3차원 실시간 인간 움직임 포착 시스템을 전신 운동 재구성으로 제시한다(하기의 < 비 특허문헌 8> 참조).
To track the trajectory of human motion, the gyroscope and acceleration sensor are attached to specific parts of the body. T. Liu and colleagues showed that the gait estimation was estimated by applying a fuzzy inference engine to measurement data of angular velocity and acceleration (see Non-Patent Documents 3 and 4 below). Ude measured joint angles using a magnetic mark system (see Non-Patent Document 5 below). Some inertial sensor systems are also used to measure the lower body part orientation (see Non-Patent Document 6 below). R. Chalodhorn and colleagues say that it is more flexible and intuitive to use motion capture data directly than program control, although it is unstable in the dynamic sense (see Non-Patent Document 7 below). As another example, a three-dimensional real-time human motion capture system using a force sensor and a hand tracking device is proposed as a whole body motion reconstruction (refer to Non-Patent Document 8 below).
그러나 상기와 같은 종래기술은 모방 제어에 대한 연구를 시도하였으나, 이들 연구 대부분에서는 실제 로봇 보행에 대한 결과를 제시하지 못했다. 단지 가상 공간에서만, 로봇이 작업자 움직임을 매우 흡사하게 모방한다는 점만을 제시했을 뿐이다. 인간 작업자의 움직임이나 관절을 추적하기 위한 센서 시스템은 그 종류가 여럿 있지만, 이들 시스템은 광 추적(하기의 <비 특허문헌 9> 참조), 자기 마크, 가속도 센서 또는 실시간 방법과 같은 간접 측정에서 측정한 값을 일부 계산을 적용하였을 뿐, 로봇의 움직임을 직접적으로 이용하는 방식이 아니므로, 직접적인 보행 모방 제어라고 볼 수 없었다.However, the above-mentioned prior art attempts to study imitation control, but most of these studies do not provide a result of actual robot walking. It merely suggests that in a virtual space, robots mimic worker movements very much. Although there are many types of sensor systems for tracking the movements and joints of human operators, these systems can be used in a variety of applications such as optical tracking (see <Non-Patent Document 9>), magnetic marking, acceleration sensors, Since only one calculation is applied to one value, it is not a method to directly use the motion of the robot, so it can not be regarded as direct walking imitation control.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 웨어러블 센서(wearable)를 이용하여 작업자의 관절 움직임을 측정하고, 발바닥 센서를 통해 로봇의 압력 중심을 확보한 후, 이를 기반으로 이족보행로봇의 보행을 모방 제어할 수 있도록 한 이족보행로봇의 보행 모방 제어장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems in the prior art. The present invention provides a robot that measures a movement of an operator's joint using a wearable sensor and secure the pressure center of the robot through a sole sensor And to provide a bipedal walking controller of a bipedal walking robot capable of imitating and controlling walking of a bipedal walking robot on the basis thereof.
본 발명의 다른 목적은 작업자의 모든 관절의 각 움직임을 직접 추적하고, 이를 보행 모방 제어에 응용하여, 보행 모방 제어에 정확성을 도모하도록 한 이족보행로봇의 보행 모방 제어장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a bipedal walking controller of a bipedal walking robot in which each movement of all the joints of an operator is directly tracked and applied to the walking imitation control so as to improve the accuracy of the walking imitation control.
본 발명의 또 다른 목적은 이족보행 로봇의 압력 중심을 이용한 정적 보행에 근거하여 실제 로봇에 모방 제어를 응용함으로써, 로봇이 작업자의 의도대로 실시간 제어될 수 있도록 한 이족보행로봇의 보행 모방 제어장치를 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a bipedal walking robot control apparatus for bipedal robot which implements imitation control on an actual robot based on static walking using a pressure center of a bipedal walking robot so that the robot can be controlled in real time according to an operator's intention .
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이족보행로봇의 보행 모방 제어장치는 작업자의 관절 움직임에 따라 관절 각 데이터를 검출하고, 검출한 관절 각 데이터와 이족보행로봇의 발바닥 압력검출을 통해 생성한 압력 중심(COP) 데이터를 연산하여 움직임 모방을 위한 궤적데이터를 생성하는 궤적데이터 생성기; 상기 궤적데이터 생성기에서 생성한 궤적데이터를 기초로 상기 이족보행로봇의 보행을 제어하는 로봇 제어기; 상기 로봇 제어기의 제어에 따라 작업자의 움직임을 모방하는 상기 이족보행로봇을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the walking / mimic controller of a biped walking robot according to the present invention detects joint angle data in accordance with a movement of an operator's joint, detects joint angle data and foot pressure of the biped walking robot A locus data generator for generating locus data for motion imitation by computing pressure center (COP) data generated through the locus data; A robot controller for controlling the walking of the bipedal walking robot based on the locus data generated by the locus data generator; And the bipedal walking robot for mimicking the movement of the operator under the control of the robot controller.
상기 궤적데이터 생성기는 작업자의 관절 움직임에 따라 관절 각 데이터를 검출하는 웨어러블 센서; 이족보행로봇의 발바닥 압력을 검출하여 압력 중심 데이터를 생성하는 발바닥 압력센서; 상기 웨어러블 센서의 관절 각 데이터와 상기 발바닥 압력센서의 압력 중심 데이터를 연산하여 그 결과치를 보행 궤적데이터로 출력하는 데이터 연산기를 포함하는 것을 특징으로 한다.Wherein the locus data generator comprises: a wearable sensor for detecting joint angle data according to a movement of an operator's joint; A sole pressure sensor for detecting the sole pressure of the biped walking robot to generate pressure center data; And a data calculator for calculating the joint angle data of the wearable sensor and the pressure center data of the plantar pressure sensor and outputting the calculated results as walking trajectory data.
바람직하게 상기 웨어러블 센서는 작업자의 관절 부위에 부착하기 위한 스트랩(strap); 상기 스트랩에 연결되며, 작업자의 관절 움직임에 따라 이동하는 로드(rod); 상기 로드(rod)의 움직임을 관절 각 신호로 검출하는 저항식 회전 엔코더; 상기 저항식 회전 엔코더와 로드를 연결하기 위한 샤프트; 상기 저항식 회전 엔코더의 출력신호를 처리하여 관절 각 데이터를 발생하는 데이터 처리모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the wearable sensor includes a strap for attaching to a joint part of an operator; A rod connected to the strap and moving according to movement of the operator's joint; A resistance type rotary encoder for detecting movement of the rod as a joint angle signal; A shaft for connecting the load to the resistive rotary encoder; And a data processing module for processing the output signal of the resistance type rotary encoder to generate joint angle data.
상기 데이터 처리모듈은 상기 저항식 회전 엔코더의 출력신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기; 상기 아날로그/디지털 변환기에서 출력되는 디지털 신호를 인덱스로 내부 메모리에 미리 저장된 관절 각 데이터 테이블을 검색하여 검출 신호를 관절 각 데이터로 변환하는 마이크로프로세서; 상기 마이크로프로세서에서 출력되는 관절 각 데이터를 출력하기 위한 출력 포트를 포함하는 것을 특징으로 한다.The data processing module includes an analog / digital converter for converting the output signal of the resistive rotary encoder into a digital signal; A microprocessor for searching a joint data table stored in advance in an internal memory with an index of the digital signal output from the analog / digital converter and converting the detected signal into joint angle data; And an output port for outputting joint angle data output from the microprocessor.
상기 발바닥 압력센서는 이족보행로봇의 발바닥에 부착되어 발바닥 압력을 측정하는 압력 측정부; 상기 압력 측정부에서 측정한 발바닥 압력 측정 신호를 기반으로 로봇의 자세 변화에 따른 압력 중심 데이터를 생성하는 데이터 처리모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.The foot pressure sensor comprises: a pressure measuring unit attached to the sole of the biped walking robot for measuring the sole pressure; And a data processing module for generating pressure center data according to the posture change of the robot based on the plantar pressure measurement signal measured by the pressure measuring unit.
상기 압력 측정부는 프레임; 상기 프레임의 각 모서리에 장착되어 이족보행로봇의 발바닥 압력을 측정하는 복수의 촉각 압력 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.The pressure measuring unit includes a frame; And a plurality of tactile pressure sensors mounted on respective corners of the frame for measuring the plantar pressure of the bipedal walking robot.
상기 데이터 처리모듈은 상기 압력 측정부의 복수의 촉각 압력 센서에서 출력되는 위치별 압력 신호를 디지털 압력 데이터로 변환하는 아날로그/디지털 변환기; 상기 아날로그/디지털 변환기에서 출력되는 복수의 압력 데이터의 변화량을 기초로 압력 중심 데이터를 산출하는 마이크로프로세서; 상기 마이크로프로세서에서 산출한 압력 중심 데이터를 출력하기 위한 출력 포트를 포함하는 것을 특징으로 한다.Wherein the data processing module includes: an analog-to-digital converter for converting a position-based pressure signal output from the plurality of tactile-pressure sensors of the pressure measuring unit into digital pressure data; A microprocessor for calculating pressure center data based on a variation amount of a plurality of pressure data output from the analog / digital converter; And an output port for outputting pressure center data calculated by the microprocessor.
상기 데이터 연산기는 상기 웨어러블 센서에서 출력되는 관절 각 데이터에서 상기 발바닥 압력센서에서 출력되는 압력 중심 데이터를 감산하고, 그 결과치를 보행 궤적 데이터로 출력하는 것을 특징으로 한다.
The data calculator subtracts the pressure center data output from the plantar pressure sensor from the joint angle data output from the wearable sensor, and outputs the result as the walking locus data.
본 발명에 따르면 웨어러블 센서(wearable)를 이용하여 작업자의 관절 움직임을 직접 추적하고, 발바닥 센서를 통해 로봇의 압력 중심을 확보한 후, 이를 기반으로 이족보행로봇의 보행을 모방 제어함으로써, 보행 모방 제어에 정확성을 도모할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, the movement of the operator's joints is directly tracked using a wearable sensor, the pressure center of the robot is secured through the sole sensor, and the walk of the biped walking robot is imitated and controlled based on this, The accuracy can be improved.
또한, 본 발명에 따르면 이족보행 로봇의 압력 중심을 이용한 정적 보행에 근거하여 실제 로봇에 모방 제어를 응용함으로써, 로봇을 작업자의 의도대로 실시간 제어할 수 있는 장점이 있다.
In addition, according to the present invention, an imitation control is applied to an actual robot on the basis of a static walking using a pressure center of a biped walking robot, thereby realizing control of the robot in real time as intended by an operator.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이족보행로봇의 보행 모방 제어장치의 개념도,
도 2는 도 1의 이족보행로봇의 보행 모방 제어장치의 제어 구성도,
도 3은 도 2의 웨어러블 센서의 실시 예 구성도,
도 4는 도 2의 웨어러블 센서의 착용 예시와 작업자의 움직임에 따른 이족보행로봇의 보행 움직임 예시도,
도 5는 본 발명에 의한 작업자의 관절 각 위치에 따른 이족보행로봇의 움직임 데이터 비교도,
도 6은 도 2의 발바닥 압력센서의 실시 예 구성도.FIG. 1 is a conceptual diagram of a walking-mimic controller of a bipedal walking robot according to a preferred embodiment of the present invention,
Fig. 2 is a block diagram of a control system of the walking-mimic controller of the biped walking robot shown in Fig.
Fig. 3 is a configuration diagram of an embodiment of the wearable sensor of Fig. 2,
Fig. 4 is an illustration of wearing of the wearable sensor of Fig. 2 and a walking motion of a biped walking robot according to a movement of an operator,
FIG. 5 is a diagram showing a motion data comparison between biped walking robots according to the angular position of a worker according to the present invention,
Fig. 6 is a block diagram of an embodiment of the sole pressure sensor of Fig. 2; Fig.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이족보행로봇의 보행 모방 제어장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a walking / mimic controller of a biped walking robot according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이족보행로봇의 보행 모방 제어장치의 개념도로서, 궤적데이터 생성기(100), 로봇 제어기(200) 및 이족보행로봇(300)을 포함한다.FIG. 1 is a conceptual diagram of a walking / mimic controller of a bipedal walking robot according to a preferred embodiment of the present invention, which includes a
상기 궤적데이터 생성기(100)는 작업자의 관절 움직임에 따라 관절 각 데이터를 검출하고, 검출한 관절 각 데이터와 이족보행로봇의 발바닥 압력검출을 통해 생성한 압력 중심(COP) 데이터를 연산하여 움직임 모방을 위한 궤적데이터를 생성하는 역할을 한다.The
여기서 궤적데이터 생성기(100)는 도 2에 도시한 바와 같이, 작업자의 관절 움직임에 따라 관절 각 데이터를 검출하는 웨어러블 센서(110); 이족보행로봇(300)의 발바닥 압력을 검출하여 압력 중심 데이터를 생성하는 발바닥 압력센서(120); 상기 웨어러블 센서(110)의 관절 각 데이터와 상기 발바닥 압력센서(120)의 압력 중심 데이터를 연산하여 그 결과치를 보행 궤적데이터로 출력하는 데이터 연산기(130)를 포함한다.Here, as shown in FIG. 2, the
바람직하게 상기 웨어러블 센서(110)는 도 3에 도시한 바와 같이, 작업자의 관절 부위에 웨어러블 센서를 부착하기 위한 스트랩(strap)(111); 상기 스트랩(111)에 연결되며, 작업자의 관절 움직임에 따라 이동하는 로드(rod)(112); 상기 로드(rod)(112)의 움직임을 관절 각 신호로 검출하는 저항식 회전 엔코더(114); 상기 저항식 회전 엔코더(114)와 로드(112)를 연결하기 위한 샤프트(shaft)(113); 상기 저항식 회전 엔코더(114)의 출력신호를 처리하여 관절 각 데이터를 발생하는 데이터 처리모듈(115)을 포함한다.3, the
더욱 바람직하게 상기 데이터 처리모듈(115)은 상기 저항식 회전 엔코더(114)의 출력신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(115a); 상기 아날로그/디지털 변환기(115b)에서 출력되는 디지털 신호를 인덱스로 내부 메모리에 미리 저장된 관절 각 데이터 테이블을 검색하여 검출 신호를 관절 각 데이터로 변환하는 마이크로프로세서(115b); 상기 마이크로프로세서(115b)에서 출력되는 관절 각 데이터를 출력하기 위한 출력 포트(115c)를 포함한다. 여기서 출력 포트(115c)는 통신 포트로서, 유선 통신 포트 또는 무선 통신 포트로 구현할 수 있다.More preferably, the
또한, 상기 발바닥 압력센서(120)는 도 6에 도시한 바와 같이, 이족보행로봇(300)의 발바닥에 부착되어 발바닥 압력을 측정하는 압력 측정부(121); 상기 압력 측정부(121)에서 측정한 발바닥 압력 측정 신호를 기반으로 로봇의 자세 변화에 따른 압력 중심 데이터를 생성하는 데이터 처리모듈(122)을 포함한다.As shown in FIG. 6, the
여기서 상기 압력 측정부(121)는 프레임(121a); 상기 프레임(121a)의 각 모서리에 장착되어 이족보행로봇(300)의 발바닥 압력을 측정하는 복수의 촉각 압력 센서(121b, 121c, 121d, 121e)를 포함한다.The
또한, 상기 데이터 처리모듈(122)은 상기 압력 측정부(121)의 복수의 촉각 압력 센서(121b ~ 121e)에서 출력되는 위치별 압력 신호를 디지털 압력 데이터로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(122a); 상기 아날로그/디지털 변환기(122a)에서 출력되는 복수의 압력 데이터의 변화량을 기초로 압력 중심 데이터를 산출하는 마이크로프로세서(122b); 상기 마이크로프로세서(122b)에서 산출한 압력 중심 데이터를 출력하기 위한 출력 포트(122c)를 포함한다. 여기서 출력 포트(122c)는 통신 포트로서, 유선 통신 포트 또는 무선 통신 포트로 구현할 수 있다.Also, the
상기 로봇 제어기(200)는 상기 궤적데이터 생성기(100)에서 생성한 궤적데이터를 기초로 상기 이족보행로봇(300)의 보행을 제어하는 역할을 한다.The
상기 이족보행로봇(300)은 상기 로봇 제어기(200)의 제어에 따라 작업자의 움직임을 모방하는 역할을 한다.The
이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이족보행로봇의 보행 모방 제어장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The operation of the bipedal walking controller of the bipedal walking robot according to the preferred embodiment of the present invention will now be described in detail.
도 1에 도시한 바와 같이, 이족보행 로봇(300)은 작업자(조종자)가 실행하는 데로 같은 움직임을 모방할 수 있도록 제어된다. 이를 위해 궤적데이터 생성기(100)는 작업자의 움직임에 따라 궤적 데이터를 획득하여, 로봇 제어기(200)에 전달한다. 여기서 궤적 데이터는 작업자의 걸음걸이와 보행 패턴을 포함할 수 있다. 이러한 궤적 데이터를 기초로 로봇 제어기(200)는 액추에이터를 이용하여 이족보행로봇(300)을 제어한다.As shown in Fig. 1, the
이족보행로봇(300)을 작업자의 움직임에 대응하게 정확하게 모방하여 실시간으로 제어하기 위해서는, 작업자의 관절 움직임을 정확하게 측정하고, 이를 통해 이동보행로봇을 제어해야 한다.In order to precisely mimic the
이를 위해 궤적데이터 생성기(100)는 작업자의 관절 위치 각 θo1, ..., θom을 제공하며, 이는 각각 로봇의 위치 각 θr1, ..., θrm에 대응되는 작업자 팔과 다리 및 신체 모습을 나타낸다. 아울러 로봇 제어기(200)는 발바닥 압력센서(120)를 통해 압력 중심(COP)을 획득함으로써, 이족보행로봇(300)의 안정된 걸음걸이를 제어한다.To this end, the
이론적으로, 모방 제어는 하기 수식 (1)에서와 같이, 로봇의 해당 관절로 작업자의 관절 각을 복사시키면 쉽게 이루어질 수 있다. 이 경우, 작업자와 이족보행 로봇 간에는 데이터 전송 시간이 무시할 수 있는 정도인 것으로 가정한다.Theoretically, the imitation control can easily be achieved by copying the joint angle of the operator to the corresponding joint of the robot, as in Equation (1) below. In this case, it is assumed that the data transmission time between the operator and the biped robot is negligible.
이족보행 로봇에 대한 모방 제어를 하는데 가장 큰 문제는 보이지 않은 궤적 데이터를 따라 로봇이 어떻게 안정적으로 걷게 할 수 있느냐이다. 보이지 않는 궤적 데이터는 지속적으로 로봇 제어기(200)에 입력된다. 그렇게 하려면, 로봇 제어기(200)는 전체 보행 단계를 통해 안정적인 걸음걸이 알고리즘을 제공해야 한다.The biggest problem in imitating control of a bipedal walking robot is how the robot can walk stably according to the invisible trajectory data. Invisible locus data is continuously input to the
이를 위해 본 발명에서는 웨어러블 센서(110)를 이용하여, 작업자의 각 관절 각 위치를 검출한다. 도 3에 본 발명에 따른 웨어러블 센서(110)에 대한 구성이 도시되어 있다. 웨어러블 센서(110)는 저항식 회전 엔코더(114)와 스트랩(111) 및 데이터처리 모듈(115)을 포함한다. 스트랩(111)은 인간 관절에 웨어러블 센서(110)를 부착하기 위한 것이다 도 4에 스트랩(111)을 이용하여 웨어러블 센서(110)를 인간 관절에 부착한 예시가 도시된다. 작업자가 관절을 움직임에 따라, 부착된 웨어러블 센서(110)는 관절 각 위치신호를 발생한다. 예컨대, 작업자가 관절을 움직이게 되면 그에 연동하여 로드(112)가 움직이게 되고, 로드(112)의 움직임에 따라 저항식 회전 엔코더(114)도 연동한다. 이때 작업자가 관절을 구부린 것과 피는 것, 그리고 관절을 구부린 량과 핀 량에 따라 저항치가 달라진다(증가하거나 감소하는 것을 의미). 이러한 방식으로 검출되는 작업자의 움직임에 따른 관절 각 위치신호는 데이터 처리모듈(115)에 전달된다.To this end, the present invention uses the
데이터 처리모듈(115)의 아날로그/디지털 변환기(115a)는 입력되는 아날로그 관절 각 위치신호를 그에 대응하는 디지털 관절 각 데이터로 변환을 하게 되고, 마이크로프로세서(115b)는 그 변환된 디지털 신호를 인덱스로 내부 메모리에 미리 저장된 관절 각 데이터 테이블을 검색하여 검출 신호(관절 각 위치신호)를 관절 각 데이터로 변환한다. 이렇게 변환된 관절 각 데이터는 출력 포트(115c)를 통해 데이터 연산기(130)로 출력된다.The analog-to-
여기서 마이크로프로세서(115b)는 8-비트 Atmel AVR 마이크로 프로세서(ATmega8A)를 이용할 수 있다. ATmega8A칩은 기본적으로 8K 바이트의 플래시 프로그램 메모리와 1K 바이트 내부 SRAM을 포함한다. 그리고 저항식 회전 엔코더(114)는 적은 에너지 소비로 작동되며, 보행 측정에 적당한 저항식 회전 엔코더를 사용하는 것이 바람직하다.Here, the
여기서 웨어러블 센서(110)는 작업자의 엉덩이와 허벅지 및 무릎 등에 각각 부착될 수 있다. 통신 포트(출력 포트)를 통해 관절 각 수치가 모든 센서에 사용될 수 있도록 얻어진다.Here, the
도 5는 로봇 관절과 작업자 관절 사이의 일부 각 운동에 대한 비교 결과를 나타낸 것이다. 실험 결과에서는 작업자가 임의로 관절 위치를 움직일 때 로봇이 어떻게 모방을 잘하는 지를 보여주고 있다. 실험 결과에서 로봇(점선)이 작업자를 잘 따라 하고 있으며, 이때, 작업자와 액추에이터 간에 약간의 시간적 지연이 있음을 보여 주고 있다.5 shows a comparison result of some angular movements between the robot joint and the worker's joint. Experimental results show how robots cope well when an operator moves a joint position arbitrarily. Experimental results show that the robot (dotted line) follows the operator well and there is some time delay between the operator and the actuator.
로봇 관절이 작업자의 관절에 따라 움직일 있지만, 작업자는 로봇이 실제로 어떤 상태에 있는지 모른다. 로봇의 상태를 확인하는 좋은 방법은 압력 중심(COP)의 개념을 이용하는 것이다. 이는 지면과 발바닥 간의 힘을 측정하는 발바닥 압력센서(120)가 부착된 발바닥이 대부분의 로봇에 장착되어 있는 이유이다.Although the robot joint moves according to the operator's joint, the operator does not know what the robot actually is. A good way to check the state of the robot is to use the concept of pressure center (COP). This is why the sole with the
도 6은 압력 중심(COP)을 측정하기 위한 발바닥 압력센서(120)의 구조를 보인 것이다. 발바닥 압력센서(120)는 저항식 압력 센서인 촉각 압력 센서를 이용하는 것이 바람직하다. 로봇의 자세가 변함에 따라, 압력 센서 수치도 변하며, 이로 인해 측정된 압력 중심도 변한다. FIG. 6 shows the structure of the
예컨대, 압력 측정부(121)는 이족보행로봇(300)의 발바닥에 부착되어 발바닥 압력을 측정한다. 여기서 압력 측정부(121)는 프레임(121a)과 상기 프레임(121a)의 각 모서리에 발바닥 압력을 측정하는 복수의 촉각 압력 센서(121b, 121c, 121d, 121e)를 구비한다. 따라서 로봇이 보행을 하여 발바닥의 위치가 변경되면, 상기 복수의 촉각 압력 센서(121b, 121c, 121d, 121e)의 압력도 달라지며, 이로 인해 압력 중심도 달라진다.For example, the
상기 압력 측정부(121)에서 측정한 발바닥 압력 측정 신호는 데이터 처리모듈(122)에 전달되며, 데이터 처리모듈(122)은 이를 기반으로 로봇의 자세 변화에 따른 압력 중심 데이터를 생성한다.The plant pressure measurement signal measured by the
예컨대, 데이터 처리모듈(122)은 아날로그/디지털 변환기(122a)에서 복수의 촉각 압력 센서(121b ~ 121e)에서 출력되는 위치별 압력 신호를 디지털 압력 데이터로 변환하고, 마이크로프로세서(122b)에서 출력되는 복수의 압력 데이터의 변화량을 기초로 압력 중심 데이터를 산출한다. 즉, 로봇이 보행을 하면 복수의 촉각 압력 센서(121b ~ 121e)의 위치별 압력이 달라지며, 이렇게 검출되는 4개의 위치별 압력 값을 상호 비교하여 보면 어느 부분에 가장 압력이 높고, 어느 부분에 압력이 가장 낮은지를 알 수 있으며, 이러한 압력 정보를 기초로 압력 중심을 산출할 수 있게 된다. 압력 중심 계산 방식은 이미 잘 알려진 공지의 압력 중심 계산 방식을 이용하는 것이 바람직하다. 산출된 압력 중심 데이터는 출력 포트(122c)를 통해 데이터 연산기(130)에 전달된다.For example, the
여기서 발바닥 압력 센서는 32-비트 Cortex 마이크로제어기와 증분 압력 센서를 통합하여 운영하는 것이 바람직하다. Tekscan Inc사가 제작한 얇은 촉각 압력 센서인 FlexiForce를 압력 측정에 사용할 수 있다. Cortex(myCortex-LM308)칩은 기본적으로 16 K 바이트 플래시 프로그램 메모리와 4K 바이트 내부 SRAM을 포함한다.Here, the foot pressure sensor is preferably operated by integrating a 32-bit Cortex microcontroller and an incremental pressure sensor. FlexiForce, a thin tactile pressure sensor manufactured by Tekscan Inc, can be used for pressure measurement. The Cortex (myCortex-LM308) chip basically includes 16 Kbytes of flash program memory and 4 Kbytes of internal SRAM.
다음으로, 데이터 연산기(130)는 상기 웨어러블 센서(110)에서 출력되는 관절 각 데이터에서 상기 발바닥 압력센서(120)에서 출력되는 압력 중심 데이터를 감산하고, 그 결과치를 보행 궤적 데이터로 로봇 제어기(200)에 전달한다.Next, the
로봇 제어기(200)는 전달되는 보행 궤적 데이터를 기초로 액추에이터를 이용하여 이족보행로봇(300)의 보행을 제어하게 되며, 이로써 실시간으로 작업자의 움직임에 따른 보행 모방 제어가 이루어진다.The
이러한 본 발명에 따르면 작업자의 움직임을 매우 정밀하게 실시간으로 모방하며, 또한 높은 자유도를 얻을 수 있는 장점이 있다. 개발된 웨어러블 센서와 알고리즘을 이용하여 이족보행 로봇에 모방 제어를 적용하였으며, 압력 중심을 이용한 정적 보행에 근거하여 실제 로봇에 모방 제어를 응용하여, 로봇을 작업자의 의도대로 제어하는 거싱 가능하였다.According to the present invention, there is an advantage that a movement of a worker can be imitated very precisely in real time and a high degree of freedom can be obtained. The imitation control was applied to the biped walking robot using the developed wearable sensor and algorithm, and it was possible to control the robot according to the operator 's intention by applying the imitation control to the actual robot based on the static walking using the pressure center.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
Although the present invention has been described in detail with reference to the above embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention.
본 발명은 이족보행로봇의 보행을 모방 제어하는 기술에 효과적으로 적용된다.
The present invention is effectively applied to a technique of imitating and controlling the walking of a bipedal walking robot.
100: 궤적데이터 생성기
110: 웨어러블 센서
111: 스트랩(strap)
112: 로드(rod)
114: 저항식 회전 엔코더
115: 데이터 처리모듈
120: 발바닥 압력센서
130: 데이터 연산기100: Trajectory data generator
110: wearable sensor
111: strap
112: rod
114: Resistance type rotary encoder
115: Data processing module
120: sole pressure sensor
130: Data calculator
Claims (9)
상기 궤적데이터 생성기에서 생성한 궤적데이터를 기초로 상기 이족보행로봇의 보행을 제어하는 로봇 제어기; 및
상기 로봇 제어기의 제어에 따라 작업자의 움직임을 모방하는 상기 이족보행로봇을 포함하는 것을 특징으로 하는 이족보행로봇의 보행 모방 제어장치.A strap for attaching a wearable sensor to a joint of a worker; a rod connected to the strap and moving according to movement of the joint of the worker; And a data processing module for processing the output signal of the resistance type rotary encoder and generating joint angle data according to the movement of the operator. The wearable type rotary encoder includes: a shaft for connecting the resistance type rotary encoder and the rod; A foot pressure sensor for detecting the foot pressure of the biped walking robot to generate pressure center data and a pressure center data output from the foot pressure sensor in the joint angle data output from the wearable sensor, And a data calculator for outputting the trajectory data as the trajectory data, A locus data generator for generating locus data;
A robot controller for controlling the walking of the bipedal walking robot based on the locus data generated by the locus data generator; And
And a biped walking robot that imitates a movement of a worker under the control of the robot controller.
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