KR101732901B1 - 보행 로봇 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

보행 서보 제어 방식을 안정적으로 전환할 수 있는 보행 로봇 및 그 제어방법을 개시한다. 보행 로봇은 관절의 각도와 토크를 측정하는 센서부와, 관절의 각도와 토크에 따라 ZMP(Zero Moment Point) 제어 모드와 FSM(Finite State Machine) 제어 모드에서 인가되는 전압을 계산하여 각 관절 모터를 구동하고, FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환 시 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도를 저장하며, ZMP 제어 모드에서 FSM 제어 모드로 전환 시 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도를 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도에 대입하여 FSM 제어모드에 따른 동작을 수행하는 제어부를 포함하므로, 관절의 쳐짐 없이 안정적으로 보행 서보 제어 방식을 전환할 수 있다.

Description

보행 로봇 및 그 제어방법{WALKING ROBOT AND CONTROL METHOD THEREOF}

복수의 다리를 이용하여 보행하는 보행 로봇 및 그 제어방법에 관한 것이다.

로봇은 인간의 동작과 닮은 운동을 행하는 기계 장치를 의미한다. 초기의 로봇은 생산 작업의 자동화, 무인화 등을 목적으로 한 매니퓰레이터나 반송 로봇 등의 산업용 로봇이었다. 최근에는 인간의 2족 보행을 모방한 보행 로봇의 연구 개발이 진행되고 있다. 2족 보행은 4족 또는 6족 보행에 비해 불안정하고 자세 제어나 보행 제어가 상대적으로 어려운 단점이 있지만, 고르지 못한 지면 또는 불연속적인 보행 면에 좀 더 유연하게 대응할 수 있는 장점을 가지고 있다.

보행 로봇의 제어 방법은 위치 기반의 ZMP(Zero Moment Point) 제어 방식과 토크 기반의 FSM(Finite State Machine) 제어 방식을 들 수 있다.

ZMP 제어 방식은 보행 방향과 보행 폭, 보행 속도 등을 미리 설정하고, 이 설정에 대응하는 각 다리의 보행 패턴을 생성하며, 그 보행 패턴에 따라 각 다리의 보행 궤적을 계산한다. 또한, 2족 보행 로봇은 계산된 보행 궤적의 역 운동학 계산을 통해 각 관절의 모터의 목표 제어 값을 계산한다. 또한, 각각의 다리가 계산된 보행 궤적을 추종하도록 하는 서보 제어(SERVO CONTROL)를 통해 구현된다. 따라서, 보행 시 각 다리의 위치가 보행 패턴에 따른 보행 궤적을 정확히 추종하는지 검출하고, 각 다리가 보행 궤적을 이탈하면 모터의 토크를 조절하여 각 다리가 보행 궤적을 정확히 추종하도록 제어한다. FSM 제어 방식은 보행 로봇의 각 동작의 FSM과 상태를 미리 정의해 두고, 보행 시 각 동작의 상태를 참조하여 적절히 보행하는 방식이다.

ZMP 제어 방식은 위치 기반의 제어 방법이기 때문에 정확한 위치 제어가 가능한 반면, 이를 위해 높은 서보 게인을 요구하기 때문에 에너지 효율이 낮고 강성이 커서 주위 환경에 큰 충격을 가할 수 있다. FSM 제어 방식은 토크 명령에 의해 제어가 이루어지고 탄성 메커니즘에 적용할 수 있기 때문에 에너지 효율이 높고 강성이 낮아서 주위 환경에 대해 안전하지만, 정확한 위치 제어가 불가능하기 때문에 계단을 올라가거나 장애물을 피하는 등의 정확한 전신 모션을 수행하기 어렵다.

따라서, 보행 로봇은 보행 환경, 로봇 자체의 성능 등의 여러 가지 조건에 따라서 보행 서보 제어 방식이 다를 수 있으며, 여러 가지 서보 제어 방식을 혼용하여 사용할 필요가 있다. 하지만, 서보 제어 방식을 무작정 전환하게 되면 강성이 다른 서보 자체 특성 때문에 로봇 관절의 쳐짐이 일어날 수 있으며 이로 인해 하드웨어의 파손이 일어날 수 있다.

본 발명의 일측면은 보행 서보 제어 방식을 안정적으로 전환할 수 있는 보행 로봇 및 그 제어방법을 제공한다.

이를 위한 본 발명의 일실시예에 의한 보행 로봇의 제어방법은 FSM(Finite State Machine) 제어 모드와 ZMP(Zero Moment Point) 제어 모드 간의 상호 전환이 가능하며, 제어 모드 간의 상호 전환 시 일시 정지하는 보행 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 FSM 제어 모드에서 상기 ZMP 제어 모드로 전환 시 상기 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도를 저장하고, 상기 ZMP 제어 모드에서 상기 FSM 제어 모드로 전환 시 상기 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도를 상기 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도에 대입하여 상기 FSM 제어모드에 따른 동작을 구현할 수 있다.

상기 FSM 제어 모드에서 상기 ZMP 제어 모드로 전환할 때 일시 정지한 상태와 상기 ZMP 제어 모드에서 상기 FSM 제어 모드로 전환 시 일시 정지한 상태는 동일할 수 있다.

상기 FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환 시 상기 FSM 제어 모드의 현재 관절 각도를 상기 ZMP 제어 모드의 목표 관절 각도로 설정할 수 있다.

상기 FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환 시 상기 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도를 저장하는 것은, 상기 FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환 시 마지막 자세의 목표 관절 각도를 저장할 수 있다.

정확한 위치 제어가 요구되는 작업을 수행할 때 ZMP 제어 모드로 전환하며, 단순한 형태의 제어가 요구되는 작업을 수행할 때 FSM 제어 모드로 전환할 수 있다.

상기 ZMP 제어 모드는 각 관절의 각도 정보와, PID 제어식을 사용하여 관절 모터에 입력되는 전압을 계산하고, 상기 전압을 인가하여 관절 모터를 구동할 수 있다.

상기 FSM 제어 모드는 각 관절의 각도 정보와, PID 제어식을 사용하여 토크를 계산하고, 상기 토크를 사용하여 관절 모터에 인가되는 전압을 계산하며, 상기 전압을 인가하여 관절 모터를 구동할 수 있다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 의한 보행 로봇은 관절의 각도와 토크를 측정하는 센서부;와 상기 관절의 각도와 토크에 따라 ZMP(Zero Moment Point) 제어 모드와 FSM(Finite State Machine) 제어 모드에서 인가되는 전압을 계산하여 각 관절 모터를 구동하고, 상기 FSM 제어 모드에서 상기 ZMP 제어 모드로 전환 시 상기 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도를 저장하며, 상기 ZMP 제어 모드에서 상기 FSM 제어 모드로 전환 시 상기 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도를 상기 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도에 대입하여 상기 FSM 제어모드에 따른 동작을 수행하는 제어부;를 포함할 수 있다.

상기 제어부는 상기 FSM 제어 모드와 상기 ZMP 제어 모드 간의 상호 전환 시 상기 보행 로봇을 일시 정지시킬 수 있다.

상기 제어부는 상기 FSM 제어 모드에서 상기 ZMP 제어 모드로 전환 시 상기 FSM 제어 모드의 현재 관절 각도를 상기 ZMP 제어 모드의 목표 관절 각도로 치환할 수 있다.

상기 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도는, 상기 FSM 제어 모드에서 상기 ZMP 제어 모드로 전환하는 시점의 상기 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도일 수 있다.

상기 제어부는 정확한 위치 제어가 요구되는 작업을 수행할 때 ZMP 제어 모드로 전환하며, 단순한 형태의 제어가 요구되는 작업을 수행할 때 FSM 제어 모드로 전환할 수 있다.

상기 제어부는 보행 로봇의 현재 제어 모드, 외부 명령 및 목표 동작에 기초하여 ZMP 제어 모드와 FSM 제어 모드 간의 스위칭 동작을 수행하는 모드 스위칭부를 포함할 수 있다.

상기 제어부는 상기 모드 스위칭부의 스위칭에 따라 활성화되는 FSM-ZMP 변환부 및 ZMP-FSM 변환부를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는 상기 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도를 저장하는 데이터베이스를 포함할 수 있다.

한편, 상술한 본 발명의 일측면에 의하면 서로 다른 강성을 가진 위치 제어 모드와 토크 제어 모드 간의 상호 모드 전환 시 하드웨어의 파손이나 쳐짐이 없도록 하여 안정적인 보행이 가능하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의 외관 구성도
도 2는 도 1에 나타낸 로봇의 주요 관절 구조를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 보행 로봇의 제어 계통을 도시한 도면
도 4a 및 도 4b는 FSM 제어 모드와 ZMP 제어 모드 간의 모드 전환 시 목표 각도를 설정하는 일반적인 방법을 나타내는 도면
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 보행 로봇의 FSM 제어 모드와 ZMP 제어 모드 간의 모드 전환 방법을 설명하기 위한 도면
도 6은 ZMP 제어 모드에서 FSM 제어 모드로 전환 시 ZMP 제어 모드의 현재 관절 각도에 더해지는 일부 값(α)을 구하는 방법을 설명하기 위한 도면
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 보행 로봇의 모드 전환 방법을 설명하기 위한 제어 흐름도

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의 외관 구성도이다.

도 1에서, 로봇(100)은 인간과 마찬가지로 두 개의 다리(110)에 의해 직립 이동하는 이족 보행 로봇으로, 몸통(102), 머리(104), 팔(106)로 이루어진 상체(101)와, 두 개의 다리(110)로 이루어진 하체(103)를 가진다.

로봇(100)의 상체(101)는 몸통(102)과, 몸통(102)의 상부에 목(120)을 통해 연결된 머리(104)와, 몸통(102)의 상부 양측에 어깨(114L, 114R)를 통해 연결된 두 개의 팔(106L, 106R)과, 이 두 개의 팔(106L, 106R)의 말단에 각각 연결된 손(108L, 108R)으로 이루어진다.

로봇(100)의 하체(103)는 상체(101)의 몸통(102) 하부 양측에 연결된 두 개의 다리(110L, 110R)와, 두 개의 다리(110L, 110R) 말단에 각각 연결된 발(112L, 112R)로 이루어진다.

참조 부호에서, "R"과 "L"는 각각 로봇(100)의 오른쪽(right)과 왼쪽(left)을 나타내고, COG(Center Of Gravity)는 로봇(100)의 무게 중심을 나타낸다.

도 2는 도 1에 나타낸 로봇의 주요 관절 구조를 나타낸 도면이다.

도 2에서, 로봇(100)의 몸통(102)에는 포즈 센서(pose sensor; 14)가 설치된다. 포즈 센서(14)는 연직축에 대한 상체(101)의 기울기인 경사 각도와 그 각속도를 검출하여 자세 정보를 발생시킨다. 이 포즈 센서(14)는 몸통(102) 뿐만 아니라 머리(104)에 설치해도 좋다.

몸통(102)에는 상체(101)가 회전할 수 있도록 요우 방향의 1 자유도를 가지는 허리 관절부(15)가 설치된다.

또한, 로봇(100)의 머리(104)에는 주위를 촬영하는 카메라(41)와, 사용자 음성을 입력하는 마이크로폰(42)이 설치된다.

머리(104)는 목 관절부(280)를 통해 상체(101)의 몸통(102)과 연결된다. 목 관절부(280)는 요우 방향(yaw, Z축 회전)의 회전 관절(281)과, 피치 방향(pitch, Y축 회전)의 회전 관절(282) 및 롤 방향(roll, X축 회전)의 회전 관절(283)을 포함하여 3 자유도를 가진다.

목 관절부(280)의 각각의 회전 관절(281, 282, 283)에는 머리(104)의 회전을 위한 모터들(예를 들어, 전기 모터, 유압 모터 등의 액츄에이터)이 연결된다.

로봇(100)의 두 개의 팔(106L, 106R)은 각각 상박 링크(31), 하박 링크(32) 및 손(33)을 가진다.

상박 링크(31)는 어깨 관절부(250L, 250R)를 통해 상체(101)에 연결되고, 상박 링크(31)와 하박 링크(32)는 팔꿈치 관절부(260)를 통해 서로 연결되며, 하박 링크(32)와 손(33)은 손목 관절부(270)를 통해 서로 연결된다.

어깨 관절부(250L, 250R)는 상체(101)의 몸통(102)의 양측에 설치되어 두 개의 팔(106L, 106R)을 상체(101)의 몸통(102)에 연결한다.

팔꿈치 관절부(260)는 피치 방향의 회전 관절(261)과, 요우 방향의 회전 관절(262)를 포함하여 2 자유도를 가진다.

손목 관절부(270)는 피치 방향의 회전 관절(271)과, 롤 방향의 회전 관절(272)을 포함하여 2 자유도를 가진다.

손(33)에는 5개의 손가락(33a)이 설치된다. 각각의 손(33a)에는 모터에 의해 구동되는 다수의 관절(미도시)들이 설치될 수 있다. 손가락(33a)은 팔(106)의 움직임에 연동하여 물건을 파지하거나 특정 방향을 가리키는 것과 같은 다양한 동작을 실행한다.

그리고, 로봇(100)의 두 개의 다리(110L, 110R)는 각각 대퇴 링크(21)와 하퇴 링크(22), 발(112L, 112R)을 가진다.

대퇴 링크(21)는 인간의 허벅다리(허벅지)에 해당하는 부분으로 힙 관절부(210)를 통해 상체(101)의 몸통(102)에 연결되고, 대퇴 링크(21)와 하퇴 링크(22)는 무릎 관절부(220)를 통해 서로 연결되며, 하퇴 링크(22)와 발(112L, 112R)은 발목 관절부(230)를 통해 서로 연결된다.

힙 관절부(210)는 요우 방향(yaw, Z축 주위의 회전)의 회전 관절(211; 힙 요우 조인트)과, 피치 방향(pitch, Y축 주위의 회전)의 회전 관절(212; 힙 피치 조인트)과, 롤 방향(roll, X축 주위의 회전)의 회전 관절(213; 힙 롤 조인트)을 포함하여 3 자유도를 가진다.

무릎 관절부(220)는 피치 방향의 회전 관절(221)을 포함하여 1 자유도를 가진다.

발목 관절부(230)는 피치 방향의 회전 관절(231)과, 롤 방향의 회전 관절(232)을 포함하여 2 자유도를 가진다.

두 개의 다리(110L, 110R) 각각에는 힙 관절부(210), 무릎 관절부(220), 발목 관절부(230)에 대해 6개의 회전 관절이 마련되므로, 두 개의 다리(110L, 110R) 전체에 대해서는 12개의 회전 관절이 마련된다.

한편, 두 개의 다리(110L, 110R)에서 발(112L, 112R)과 발목 관절부(230)의 사이에는 다축 F/T센서(Multi-Axis Force and Torque Sensor; 24)가 각각 설치된다. F/T 센서(24)는 발(112L, 112R)로부터 전달되는 힘의 3방향 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향 성분(Mx, My, Mz)을 측정함으로써 발(112L, 112R)의 착지 여부 및 발(112L, 112R)에 가해지는 하중을 검출한다.

도면에 도시되어 있지 않지만, 로봇(100)에는 각 회전 관절을 구동하는 모터 등과 같은 액츄에이터가 설치된다. 로봇(100)의 동작 전반을 제어하는 제어부는 이 모터를 적절히 제어함으로써 로봇(100)의 다양한 동작을 구현할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 보행 로봇의 제어 계통을 도시한 도면이다. 도 3에 나타낸 제어부(300)는 기본적으로 보행 제어를 수행하고, 아울러 로봇(100)의 보행 환경(보행 면의 평탄 여부, 장애물 유무 등)에 따라 FSM 제어 모드와 ZMP 제어 모드 가운데 어느 하나의 서보 제어 모드를 선택하여 로봇(100)의 보행 모드를 선택하여 제어한다. FSM 제어 모드는 토크 기반 보행 제어 모드이고, ZMP 제어 모드는 위치 기반 보행 제어 모드이다.

제어부(300)는 평탄 지형에서의 보행 또는 비교적 단순한 형태의 보행 제어를 위해 FSM 제어 모드를 선택하여 보행 제어를 수행할 수 있다. 제어부(300)는 계단과 같은 비평탄 지형이나 장애물 등으로 인하여 보폭이 지정되어야 하는 경우 또는 문 열기 등과 같은 정확한 전신 동작 제어가 필요할 때 ZMP 제어 모드를 선택하여 보행 제어를 수행할 수 있다.

ZMP 제어 모드는 로봇(100)과 지면의 접촉면에서 롤. 피치 방향의 모멘트가 "0"이 되도록 제어하는 모드이다. ZMP 제어 모드는 ZMP가 로봇(100)의 서포트 폴리곤(Support Polygon) 내에 있을 때 넘어지지 않는다는 점을 이용하여 로봇(100)의 자세를 유지하는 제어 모드이다. ZMP 제어 모드는 로봇(100)의 ZMP가 서포트 폴리곤(Support Polygon) 내에 있도록 하기 위해서 각 관절들의 위치가 원하는 각도를 정확히 유지하여야 하며, 이로 인해 관절의 높은 강성이 필요하게 된다. ZMP 제어 모드는 각 관절들의 위치를 원하는 각도로 유지하기 위해 관절 각도 센서(예를 들면, 엔코더)를 사용한다. 관절 각도 센서를 이용하여 위치 제어를 하는 일예로 PID제어가 있으며, PID제어식은 다음과 같다.

수식 1

여기서, V는 각 관절 모터에 입력되는 전압이고,

는 PID제어의 p게인이고,

는 PID제어의 d게인이고,

는 PID 제어의 i게인이고,

는 관절의 목표 각도이고, x는 관절의 실제 각도이고,

는 샘플링 시간을 의미한다.

제어부(300)는 상술한 수식 1을 이용하여 각 관절 모터의 입력 전압 V을 계산하여 위치 제어를 할 수 있다.

FSM 제어 모드는 FSM(Finite State Machine)을 이용하여 보행을 하는 방식이다. FSM 제어 모드는 복수 개의 동작 상태(State)를 미리 정의하고(Finite State), 보행 시 각 동작 상태(State)를 참조하여 각 관절의 목표 토크를 계산하고 이를 추종하도록 제어하여 보행하는 방식이다. 즉, FSM 제어 모드는 미리 정의된 동작을 수행할 수 있도록 목표 토크를 주고 그것을 추종 제어하는 토크 기반 제어 모드이다. 목표 토크의 크기는 관절 각도 센서를 이용한 PID식에 의해 계산된다. 관절 각도 센서를 이용한 PID식을 이용한 토크 계산식은 다음과 같다.

수식 2

여기서,

는 목표 토크이고,

는 PID 제어식의 p게인이고,

는 PID 제어식의 d게인이고,

는 PID 제어식의 i게인이고,

는 목표 각도이고, x는 실제 각도이고,

는 샘플링 시간이다.

제어부(300)는 상술한 토크 계산식인 수식 2를 이용하여 목표 토크를 계산하면, 목표 토크와 미도시된 토크

센서에 의해 측정된 각 관절의 실제 토크를 이용하여 각 관절 모터에 인가되는 전압을 다음과 같은 수식 3에 의해 계산한다.

수식 3

여기서, V는 관절 모터에 인가되는 전압이며,

는 PID식의 p게인이고,

는 PID식의 d게인이고,

는 PID식의 i게인이고,

는 목표 토크이고,

는 실제 토크이고,

는 샘플링 시간이다.

제어부(300)의 모드 설정부(302)는 모드 스위칭부(304), ZMP-FSM 모드 전환부(306) 및 FSM-ZMP 모드 전환부(308)를 포함할 수 있다. 모드 스위칭부(304)는 로봇(100)의 현재의 제어 모드(FSM 또는 ZMP)와 사용자 인터페이스(310)를 통해 외부로부터 입력되는 사용자 명령, 모션 계획부(312)를 통해 입력되는 로봇(100)의 목표 동작에 기초하여 ZMP-FSM 모드 전환부(306)와 FSM-ZMP 모드 전환부(308) 중 어느 하나를 활성화시켜서 로봇(100)의 보행 제어 방식을 전환시킨다. 그리고, 모드 스위칭부(304)는 로봇(100)의 보행 제어 방법을 상호 전환함에 있어서 보행 데이터베이스(314)의 보행 제어 데이터와 FSM 데이터베이스(316)의 FSM 제어 데이터, 센서부(328)를 통해 측정되는 발바닥에 가해지는 힘과 각 관절의 토크, 상체의 자세, 시각 정보와 청각 정보도 함께 참조한다.

ZMP-FSM 모드 전환부(306)는 로봇(100)의 보행 제어 모드를 ZMP 제어 모드에서 FSM 제어 모드로 전환한다. 로봇(100)의 제어 모드가 FSM 제어 모드로 전환되면 로봇(100)은 FSM 기반 보행 제어부(318)에 의해 FSM 제어 모드로 제어된다.

FSM-ZMP 모드 전환부(308)는 로봇(100)의 보행 제어를 FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환한다. 로봇(100)의 제어 모드가 ZMP 기반 제어 모드로 전환되면, 로봇(100)은 ZMP 기반 보행 제어부(320)에 의해 ZMP 제어 모드로 제어된다.

로봇(100)의 제어는 임피던스 제어부(322)에 의한 각 관절의 임피던스 제어(강성 제어)와 관절 제어부(324)에 의한 각 관절부(326, 도 2에 도시한 모든 관절부를 포함)의 토크/위치 제어를 통해 이루어진다.

센서부(328)는 관절부(326)의 토크를 측정하는 토크 센서와, 각 관절부(326)의 각도를 측정하는 관절 각도 센서를 포함할 수 있다.

한편, FSM 제어 모드와 ZMP 제어 모드의 전환 시, 전환 전 제어 모드의 미지수와 전환 후 제어 모드의 미지수 즉, 관절 각도 간의 미지수 전환 방법에 대해 도면을 통해 구체적으로 설명하기로 한다.

도 4a 및 도 4b는 FSM 제어 모드와 ZMP 제어 모드 간의 모드 전환 시 목표 각도를 설정하는 일반적인 방법을 나타내는 도면이다.

도 4a를 참조하면, ZMP 제어 모드에서 FSM 제어 모드로 전환 시, ZMP 제어 모드에서 현재 관절 각도

를 FSM 제어 모드의 목표 각도

로 전환한다.

그러나, ZMP 제어 모드에서 FSM 제어 모드로 전환 시 ZMP 제어 모드의 현재 관절 각도

를 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도

로 전환하면 관절 강성이 큰 것에서 작은 것으로 변하기 때문에 갑작스런 관절의 쳐짐이 발생하게 되고, 이로 인해 전류/전압이 급작스럽게 증가하게 되어 하드웨어의 파손을 야기할 수 있다.

도 4b를 참조하면, ZMP 제어 모드에서 FSM 제어 모드로 전환 시, ZMP 제어 모드에서 현재 관절 각도

를 FSM 제어 모드의 목표 각도

로 전환한다.

FSM 제어 모드(강성이 낮은 모드)에서 ZMP 제어 모드(강성이 높은 모드)로 전환 시 FSM 제어 모드의 현재의 관절 각도를 ZMP 제어 모드의 목표 관절 각도로 전환하여도 성능상 큰 문제가 되지 않는다. 이는 FSM 제어 모드가 강성이 낮기 때문에 상대적으로 강성이 큰 ZMP 제어 모드로 전환 시 전류/전압값이 더욱 큰 값이 요구되므로 과전류/과전압으로 인한 하드웨어 손상이 없기 때문이다.

상술한 것처럼, ZMP 제어 모드에서 FSM 제어 모드로 전환 시에는 현재 관절 각도

를 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도

로 전환 시 관절의 쳐짐이 발생하고, 이로 인한 하드웨어의 손상이 일어날 수 있다. 이에 따라, 관절의 쳐짐으로 인한 하드웨어 손상을 방지하려면 목표 관절 각도 값에 관절이 쳐지는 양만큼 값을 더해주어야 한다. 즉, ZMP 제어 모드의 현재 관절 각도를 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도로 치환하는 것이 아니라, ZMP 제어 모드의 현재 관절 각도에 일부 값(α)을 더하여 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도를 설정해 주어야 한다.

이하, ZMP 제어 모드에서 FSM 제어 모드로 전환 시 ZMP 제어 모드의 현재 관절 각도에 더해지는 일부 값(α)을 구하는 방법에 대해 설명한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 보행 로봇의 FSM 제어 모드와 ZMP 제어 모드 간의 모드 전환 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 ZMP 제어 모드에서 FSM 제어 모드로 전환 시 ZMP 제어 모드의 현재 관절 각도에 더해지는 일부 값(α)을 구하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

ZMP 제어 모드에서 FSM 제어 모드로 전환 시, 상술한 것처럼 ZMP 제어 모드의 현재 관절 각도를 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도로 치환하는 경우 관절의 쳐짐이 발생할 수 있다.

이에 따라, ZMP 제어 모드의 현재 관절 각도에 일부 값(α)을 더하여 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도를 설정해주어야 한다. 이 때, 현재 관절 각도에 일부 값(α)을 더한 값을 설정하기 위해, FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환 시 마지막 자세의 목표 관절 각도를 이용할 수 있다.

도 6을 참조하여 구체적으로 설명하면, FSM 제어모드에서 목표 관절 각도가

이고, 현재 관절 각도가

인 경우 FSM 제어 모드는 강성이 상대적으로 낮으므로 (

-

)만큼 오차가 발생한다. 즉, 현재 관절 각도가 목표 관절 각도보다 (

-

) 차이만큼 다른 각도로 유지되고 있는 상태이다. 그리고, FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환 시 FSM 제어 모드의 현재 관절 각도를 ZMP 제어 모드의 목표 관절 각도로 치환한다. ZMP 제어 모드는 FSM 제어 모드와 비교 시 상대적으로 강성이 높으므로 FSM 제어 모드의 현재 관절 각도를 ZMP 제어 모드의 목표 관절 각도로 설정하여도 쳐짐이 발생하지 않는다.

그리고, 보행 데이터베이스(314)는 FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환 시 마지막 자세의 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도 X_LD를 저장한다.

이후, ZMP 제어 모드에서 FSM 제어 모드로 전환 시 이전에 FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환 시 보행 데이터베이스(314)에 저장된 마지막 자세의 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도 X_LD를 전환되는 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도 X_d로 치환한다. 도 6에 나타난 것처럼, 상술한 방식으로 목표 관절 각도를 설정하면, 실제 관절 각도가 점선으로 나타낸 관절 각도로 유지되므로, 모드 전환에 따라 관절의 쳐짐이 발생하지 않는 것을 알 수 있다.

즉, ZMP 제어 모드에서 FSM 제어 모드로 전환 시 관절의 쳐짐으로 인한 하드웨어 손상을 방지하기 위해, ZMP 제어 모드의 현재 관절 각도를 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도로 치환하는 것이 아니라, ZMP 제어 모드의 현재 관절 각도에 일부 값(α)을 더하여 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도를 설정해 주어야 한다. ZMP 제어 모드의 현재 관절 각도에 일부 각도(α)를 더한 각도는 이전에 FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환 시 보행 데이터베이스(314)에 저장된 마지막 자세의 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도와 동일하다. 여기서, 각도(α)는 ZMP 제어 모드와 FSM 제어 모드 간의 강성의 차이를 나타내는 척도가 된다. 따라서, ZMP 제어 모드에서 FSM 제어 모드로 전환 시, 이전에 FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환할 때, 보행 데이터베이스(314)에 저장된 마지막 자세의 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도를 사용하면 FSM 제어 모드와 ZMP 제어 모드의 강성의 차이를 보완해 줄 수 있다.

한편, 도 6을 참조하면 FSM 제어 모드에서 관절 각도, ZMP 제어 모드에서 관절각도가 일정한 것을 알 수 있다. 관절각도가 일정한 것은 정적인 상태인 것을 의미한다. 본 발명의 일측면에 의하면, FSM 제어 모드와 ZMP 제어 모드 간의 상호 전환 시 로봇(100)은 일시 정지하여 정적인 상태를 유지한다. 즉, FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환 시 일시 정지하며, ZMP 제어 모드에서 FSM 제어 모드로 전환 시 일시 정지한다. 그리고, 로봇(100)의 일시 정지한 상태는 동일하거나 오차가 거의 없는 상태이다. 따라서, 본 발명의 일측면에 의하면, 제어 모드 전환 시 동일한 모습으로 정지하고, 그 상태에서 제어 모드 전환을 수행하는 것을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 보행 로봇의 모드 전환 방법을 설명하기 위한 제어 흐름도이다.

로봇(100)은 FSM 제어 모드로 동작 수행 중 모든 전환의 필요성이 있는 경우 ZMP 제어 모드로 전환한다.(400,410)

로봇(100)은 FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환 시 FSM 제어 모드의 마지막 자세의 목표 관절 각도(X_LD)를 저장한다.(420)

로봇(100)은 ZMP 제어 모드로 동작 중 FSM 제어 모드로 전환의 필요성이 있는지 판단하고, 전환의 필요성이 있으면 ZMP 제어 모드에서 FSM 제어 모드로 전환한다. 이 때, 이전에 저장된 FSM 제어 모드의 마지막 자세의 목표 관절 각도(X_LD)를 전환될 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도에 대입한다. 그리고, 설정된 목표 관절 각도에 따라 FSM 제어 모드를 수행하여 동작한다.(430,440,450)

Claims (15)

1. FSM(Finite State Machine) 제어 모드와 ZMP(Zero Moment Point) 제어 모드 간의 상호 전환이 가능하며, 제어 모드 간의 상호 전환 시 일시 정지하는 보행 로봇의 제어 방법에 있어서,
   상기 FSM 제어 모드에서 상기 ZMP 제어 모드로 전환 시 상기 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도를 저장하고,
   상기 ZMP 제어 모드에서 상기 FSM 제어 모드로 전환 시 상기 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도를 상기 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도에 대입하여 상기 FSM 제어모드에 따른 동작을 구현하는 보행 로봇의 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 FSM 제어 모드에서 상기 ZMP 제어 모드로 전환 시 일시 정지한 상태와 상기 ZMP 제어 모드에서 상기 FSM 제어 모드로 전환 시 일시 정지한 상태는 동일한 것인 보행 로봇의 제어 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환 시 상기 FSM 제어 모드의 현재 관절 각도를 상기 ZMP 제어 모드의 목표 관절 각도에 대입하여 상기 ZMP 제어 모드에 따른 보행 동작을 수행하는 보행 로봇의 제어 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환 시 상기 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도를 저장하는 것은,
   상기 FSM 제어 모드에서 ZMP 제어 모드로 전환 시 마지막 자세의 목표 관절 각도를 저장하는 것인 보행 로봇의 제어 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   정확한 위치 제어가 요구되는 작업을 수행할 때 ZMP 제어 모드로 전환하며, 단순한 형태의 제어가 요구되는 작업을 수행할 때 FSM 제어 모드로 전환하는 보행 로봇의 제어 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 ZMP 제어 모드는 각 관절의 각도 정보와, PID 제어식을 사용하여 관절 모터에 입력되는 전압을 계산하고, 상기 전압을 인가하여 관절 모터를 구동하는 보행 로봇의 제어 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 FSM 제어 모드는 각 관절의 각도 정보와, PID 제어식을 사용하여 토크를 계산하고, 상기 토크를 사용하여 관절 모터에 인가되는 전압을 계산하며, 상기 전압을 인가하여 관절 모터를 구동하는 보행 로봇의 제어 방법.
8. 관절의 각도와 토크를 측정하는 센서부;
   상기 관절의 각도와 토크에 따라 ZMP(Zero Moment Point) 제어 모드와 FSM(Finite State Machine) 제어 모드에서 인가되는 전압을 계산하여 각 관절 모터를 구동하고,
   상기 FSM 제어 모드에서 상기 ZMP 제어 모드로 전환 시 상기 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도를 저장하며, 상기 ZMP 제어 모드에서 상기 FSM 제어 모드로 전환 시 상기 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도를 상기 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도에 대입하여 상기 FSM 제어모드에 따른 동작을 수행하는 제어부;를 포함하는 보행 로봇.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 FSM 제어 모드와 상기 ZMP 제어 모드 간의 상호 전환 시 상기 보행 로봇을 일시 정지시키는 보행 로봇.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 FSM 제어 모드에서 상기 ZMP 제어 모드로 전환 시 상기 FSM 제어 모드의 현재 관절 각도를 상기 ZMP 제어 모드의 목표 관절 각도로 치환하는 보행 로봇.
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도는,
    상기 FSM 제어 모드에서 상기 ZMP 제어 모드로 전환하는 시점의 상기 FSM 제어 모드의 목표 관절 각도인 것인 보행 로봇.
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는 정확한 위치 제어가 요구되는 작업을 수행할 때 ZMP 제어 모드로 전환하며, 단순한 형태의 제어가 요구되는 작업을 수행할 때 FSM 제어 모드로 전환하는 보행 로봇.
13. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는 보행 로봇의 현재 제어 모드, 외부 명령 및 목표 동작에 기초하여 ZMP 제어 모드와 FSM 제어 모드 간의 스위칭 동작을 수행하는 모드 스위칭부를 포함하는 보행 로봇.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 모드 스위칭부의 스위칭에 따라 활성화되는 FSM-ZMP 변환부 및 ZMP-FSM 변환부를 더 포함하는 보행 로봇.
15. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 FSM 제어 모드의 마지막 목표 관절 각도를 저장하는 데이터베이스를 포함하는 보행 로봇.

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