KR101760883B1

KR101760883B1 - 로봇 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR101760883B1
Application number: KR1020100088337A
Authority: KR
Inventors: 임복만; 노경식; 권웅; 이주석
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2017-08-04
Also published as: US20120065778A1; EP2428335B1; EP2428335A1; US8805583B2; KR20120026233A

Abstract

동역학 기반 동적 보행의 최적화를 통해 에너지 효율적이고 인간과 유사한 자연스러운 보행을 할 수 있는 로봇 및 그 제어방법을 개시한다.　로봇은 보행명령이 입력되는 입력부와, 제어변수를 통해 토크입력값을 계산하여 토크입력값에 대한 정동역학 계산을 통해 로봇의 결과모션을 구하고, 제어변수의 조정을 통해 목적함수의 값이 최소가 되도록 보행을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

로봇 및 그 제어방법{ROBOT AND CONTROL METHOD THEREOF}

동역학 기반의 동적 보행에 따라 보행하는 로봇 및 그 제어방법에 관한 것이다.

인간과 유사한 관절 체계를 가지고 인간의 작업 및 생활 공간에서 인간과 공존하며 보행하는 로봇의 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다. 보행 로봇은 이족 또는 3족 이상의 복수의 다리를 가지는 다족 보행 로봇으로 구성되며, 안정적인 보행을 위해 각 관절에 위치한 전기 액츄에이터, 유압 액츄에이터 등의 액츄에이터를 구동해야 한다. 액츄에이터의 구동 방식은 각 관절의 지령(command) 각도, 즉 지령(command) 위치를 주고 그것을 추종 제어하는 위치 기반의 ZMP(Zero Moment Point) 제어 방식과, 각 관절의 지령(command) 토크를 주고 그것을 추종 제어하는 토크 기반의 FSM(Finite State Machine) 제어 방식을 들 수 있다.

ZMP 제어 방식은 ZMP 구속 조건, 즉 ZMP가 지지하는 다리로 이루어진 지지다각형 내의 안전 영역(한발로 지지하고 있을 경우에는 그 발의 영역, 양발로 지지하고 있을 경우에는 양발의 영역을 포함하는 convex polygon 내에서 안전을 고려하여 작게 설정한 영역을 의미한다)에 존재해야 한다는 조건을 만족하도록 보행 방향, 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 계산된 보행 궤적의 역기구학(Inverse Kinematics) 계산을 통해 각 다리의 관절의 각도를 계산하고, 각 관절의 현재 각도와 목표 각도에 기초하여 각 관절의 목표 제어 값을 계산한다. 또한 매 제어시간마다 각각의 다리가 계산된 보행 궤적을 추종하도록 하는 서보 제어(servo control)를 통해 구현된다. 즉, 보행 시 각 다리의 위치가 보행 패턴에 따른 보행 궤적을 정확히 추종하는지 검출하고, 각 다리가 보행 궤적을 이탈하면 액츄에이터의 토크를 조절하여 각 다리가 보행 궤적을 정확히 추종하도록 제어하여 보행하는 방식이다. ZMP 제어 방식은 위치 기반의 제어 방법이기 때문에 정확한 위치 제어가 가능한 반면, ZMP를 제어하기 위해 각 관절의 정확한 각도 제어를 수행해야 하므로 높은 서보 게인을 필요로 한다. 이로 인해 높은 전류를 필요로 하기 때문에 에너지 효율이 낮고 관절의 강성이 크다.

이에 반해, FSM 제어 방식은 매 제어 시간마다 위치를 추종하여 보행하는 방식이 아니라 로봇의 각 동작 상태(State)를 미리 정의해 두고(Finite State), 보행 시 각 동작 상태(State)를 참조하여 각 관절의 목표 토크를 계산하고 이를 추종하도록 제어하여 보행하는 방식으로, 보행 중 각 관절의 토크를 제어하므로 낮은 서보 게인이 가능하여 에너지 효율이 높고 강성이 낮다. 또한 기구학적 특이점(Kinematic Singularity)을 피할 필요가 없으므로 인간과 같이 무릎을 편 상태의 자연스러운 보행이 가능하다.

동역학 기반 동적 보행(actuated dynamic walking)은 위치기반제어가 아닌 토크기반제어로 에너지 효율이 높고, 인간의 보행과 유사한 자연스러운 보행이 가능하나, 정확한 위치제어를 하지 않기 때문에 보폭이나 보행속도를 정확하게 제어하기 어렵다. 그리고 위치기반제어와 달리 관절공간(joint space) 상에서 직접 보행패턴을 계획하여야 하기 때문에 원하는 보폭, 속도, 방향을 가진 보행패턴을 구성하기가 어렵다.

동역학 기반 동적 보행의 최적화를 통해 에너지 효율적이고 인간과 유사한 자연스러운 보행을 할 수 있는 로봇 및 그 제어방법을 제시한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 대상관절경로를 결정하는 복수의 변수와 제어게인을 제어변수로 선정하고, 상기 제어변수를 통해 토크입력값을 계산하고, 상기 토크입력값에 대한 정동역학(forward dynamics) 계산을 통해 로봇의 결과모션을 구하고, 복수의 성능지수의 합의 형태로 목적함수를 설정하고, 상기 제어변수의 조정을 통해 상기 목적함수의 값이 최소가 되도록 하는 로봇의 보행제어방법을 제공한다.

대상관절경로를 결정하는 변수는 상기 로봇의 힙(hip)관절의 좌우 움직임을 나타내는 변수, 상기 로봇의 상체의 기울기를 나타내는 변수, 상기 로봇의 보폭 길이를 나타내는 변수, 상기 로봇의 무릎 굽힘 각도를 나타내는 변수, 상기 로봇의 보행속도를 나타내는 변수, 상기 로봇의 발목의 피치(pitch) 움직임을 나타내는 변수, 상기 로봇의 힙 관절의 좌우 움직임의 초기상태를 나타내는 변수, 상기 로봇의 보폭의 초기상태를 나타내는 변수를 포함할 수 있다.

제어게인은 위치게인(position gain)과 감쇄게인(damping gain)을 포함할 수 있다.

대상관절경로는 상기 로봇의 반주기 보행 동안 상기 로봇이 취하는 자세 중 복수의 자세를 기준자세로 하여, 상기 복수의 기준자세에서 상기 로봇의 각 관절의 각도 값의 보간(interpolation)을 통해 결정될 수 있다.

반주기 보행은 상기 로봇의 한 발이 일보 이동하는 것일 수 있다.

대상관절경로는 상기 로봇의 반주기 보행 동안 결정된 각 관절의 대상관절경로를 기반으로 상기 로봇의 왼발과 오른발의 스윙의 대칭성 및 보행의 주기성을 통해 얻어지는 각 관절의 전체 경로일 수 있다.

기준자세는 상기 로봇의 한 발의 일보 이동이 시작될 때의 자세, 상기 한발의 일보 이동이 완료될 때의 자세 및 상기 이동이 시작될 시점과 완료될 시점의 중간 시점의 자세를 포함할 수 있다.

관절은 상체관절, 힙관절, 무릎관절, 및 발목관절을 포함할 수 있다.

목적함수를 설정하는 것은, 바닥에 닿는 발의 위치오차를 나타내는 성능지수, 상기 바닥에 상기 발이 닿는 순간 상기로봇의 발에 전달되는 힘과 보행 주기성의 오차를 나타내는 성능지수, 보행속도의 오차를 나타내는 성능지수, 보행 중 소요되는 토크를 최소화하기 위한 성능지수 및 미리 정해진 보행형태와 비교했을 때 발생할 수 있는 보행형태의 오차를 최소화하기 위한 성능지수를 포함하는 복수의 성능지수의 합의 형태로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 로봇의 보행명령이 입력되는 입력부; 제어변수를 통해 토크입력값을 계산하고, 상기 토크입력값에 대한 정동역학 계산을 통해 상기 로봇의 결과모션을 구하고, 상기 제어변수의 조정을 통해 복수의 성능지수의 합의 형태로 설정된 목적함수의 값이 최소가 되도록 하여 로봇의 보행을 제어하는 제어부;를 포함하는 로봇을 제공한다.

제어변수는 상기 로봇의 대상관절경로를 결정하는 복수의 변수와 제어게인일 수 있다.

목적함수는 바닥에 닿는 발의 위치오차를 나타내는 성능지수, 상기 바닥에 상기 발이 닿는 순간 상기로봇의 발에 전달되는 힘과 보행 주기성의 오차를 나타내는 성능지수, 보행속도의 오차를 나타내는 성능지수, 보행 중 소요되는 토크를 최소화하기 위한 성능지수 및 미리 정해진 보행형태와 비교했을 때 발생할 수 있는 보행형태의 오차를 최소화하기 위한 성능지수를 포함하는 복수의 성능지수의 합의 형태일 수 있다.

동역학 기반 동적 보행의 최적화를 자동화할 수 있고, 이를 통해 로봇이 에너지 효율적이고 인간과 유사한 자연스러운 보행을 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 외관 구성도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 로봇의 주요 관절 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FSM 기반의 보행 시, 로봇의 동작 상태와 각 동작 상태의 제어동작을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행 제어 블록도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 관절의 피치(pitch) 움직임을 나타낸 개념도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 관절의 롤(roll) 움직임을 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 힙관절의 경로를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어순서도이다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

이하 다족보행로봇 중 이족보행로봇을 예로 들어 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 일 실시예에 의한 FSM 기반 보행 시, 로봇의 동작 상태와 각 동작 상태의 제어 동작을 나타낸 도면이다.

도 3에서, 토크 기반의 FSM 제어 방식은 로봇(100)의 동작 상태를 미리 정의된 복수 개의 동작 상태(예를 들어, S1, S2, S3, S4, S5, S6의 6개 상태)로 구분한다. 각각의 동작 상태(S1, S2, S3, S4, S5, S6)는 보행 시 로봇(100)의 한 다리(110L 또는 110R)가 취하는 포즈를 의미하며, 이러한 로봇(100)의 포즈를 적절하게 전환함으로써 안정적인 보행이 이루어지도록 한다.

제1동작 상태(S1; flight)는 다리(110L 또는 110R)를 스윙(Swing)하는 포즈이고, 제2동작 상태(S2; loading)는 발(112)을 지면에 내려 놓는 포즈이며, 제3동작 상태(S3; heel contact)는 발(112) 뒤쪽(heel)을 지면에 접촉시키는 포즈이고, 제4동작 상태(S4; heel and toe contact)는 발(112) 뒤쪽(heel)과 앞쪽(toe)을 동시에 지면에 접촉시키는 포즈이며, 제5동작 상태(S5; toe contact)는 발(112) 앞쪽(toe)을 접촉시키는 포즈이고, 제6동작 상태(S6; unloading)는 발(112)을 지면에서 떼어 내는 포즈에 해당한다.

각각의 동작 상태에서 다른 동작 상태로 전환하기 위해서는 그 동작 상태의 전환을 위한 제어 동작(Control Action)이 요구된다.

보다 구체적으로 설명하면, 제1동작 상태(S1)에서 제2동작 상태(S2)로 전환하는 경우(S1→S2), 발(112) 뒤쪽(heel)이 지면에 닿게 하는 제어 동작(heel touches ground)이 요구된다.

제2동작 상태(S2)에서 제3동작 상태(S3)로 전환하는 경우(S2→S3), 지면에 닿은 발(112)에 연결된 무릎(구체적으로, 무릎 관절부)를 구부리는 제어 동작(knee bends)이 요구된다.

제3동작 상태(S3)에서 제4동작 상태(S4)로 전환하는 경우(S3→S4), 발(112) 앞쪽(toe)이 지면에 닿게 하는 제어 동작(ball of foot touches ground)이 요구된다.

제4동작 상태(S4)에서 제5동작 상태(S5)로 전환하는 경우(S4→S5), 지면에 닿은 발(112)에 연결된 무릎을 펴는 제어 동작(knee extends)이 요구된다.

제5동작 상태(S5)에서 제6동작 상태(S6)로 전환하는 경우(S5→S6), 지면에 닿은 발(112)에 연결된 무릎을 완전하게 펴는 제어 동작(knee fully extended)이 요구된다.

제6동작 상태(S6)에서 제1동작 상태(S1)로 전환하는 경우(S6→S1), 발(112) 앞쪽(toe)을 지면에서 떼어 내는 제어 동작(ball of foot leaves ground)이 요구된다.

따라서, 로봇(100)은 제어 동작(Control Action)의 실행을 위해 각 제어 동작(Control Action)에 대응하여 각 관절의 토크 지령을 계산하고, 계산된 토크 지령을 각 관절에 설치된 모터 등의 액츄에이터에 출력하여 액츄에이터를 구동시킨다.

이러한 토크 기반의 FSM 제어 방식은, 미리 정의된 각 동작 상태(S1, S2, S3, S4, S5, S6)에 의존하여 로봇(100)의 보행을 제어한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의 제어블록도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 로봇(100)은 사용자에 의해 보행명령 등이 입력되는 입력부(400)와, 이 입력부(400)에 의해 입력된 동작 명령에 따라 전반적인 로봇 제어를 수행하는 제어부(410)와, 이 제어부(410)의 제어신호에 따라 로봇(100)의 각 관절을 구동하는 구동부(420)를 포함한다.

제어부(410)는 명령 해석부(412), 모션 궤적 생성부(414), 저장부(416) 및 모션 명령부(418)를 포함한다.

명령 해석부(412)는 입력부(400)에 의해 입력된 동작 명령을 해석하여 명령된 동작과 관련성이 높은 메인 모션을 수행하는 로봇 부분과, 명령된 동작과 관련성이 낮은 나머지 모션을 수행하는 로봇 부분을 각각 인식한다.

모션 궤적 생성부(414)는 명령 해석부(412)에 의해 인식된 로봇 부분 중 메인 모션을 수행하는 로봇 부분에 대해서는 로봇 동역학을 고려한 최적화 작업을 수행하여 최적화된 모션 궤적을 생성하고, 나머지 모션을 수행하는 로봇 부분에 대해서는 명령된 동작에 대응하도록 미리 정해진 모션 궤적을 생성한다. 이때, 모션 궤적은 관절 궤적, 링크 궤적, 엔드 이펙터(End-effecter, 예를 들면, 손끝과 발끝) 궤적 중 어느 하나이다.

저장부(416)에는 동작 명령별로 명령된 동작과 관련성이 높은 메인 모션을 수행하는 로봇 부분과, 명령된 동작과 관련성이 낮은 나머지 모션을 수행하는 로봇 부분이 구별되게 저장되어 있고, 동작 명령별로 명령된 동작에 대응하도록 미리 정해진 모션 궤적이 저장되어 있다.

모션 명령부(418)는 메인 모션을 수행하는 로봇 부분에 대해서는 모션 궤적 생성부(414)에 의해 생성된 최적화된 모션 궤적에 따라 움직이도록 하기 위한 모션 명령을 구동부(420)에 출력하여 구동부(420)의 작동을 제어하고, 나머지 모션을 수행하는 로봇 부분에 대해서는 모션 궤적 생성부(414)에 의해 생성된 명령된 동작에 대응하도록 미리 정해진 모션 궤적을 따라 움직이도록 하기 위한 모션 명령을 구동부(420)에 출력하여 구동부(420)의 작동을 제어한다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 보행의 최적화과정을 설명한다.

제어부(410)는 제어게인과 로봇의 보행 시 제어의 대상인 대상관절의 경로를 결정하는 복수의 변수를 최적화 변수로 선정한다.

보행에 관련된 각 관절의 많은 제어변수를 모두 최적화 변수로 선정하게 되면 문제의 복잡성이 증가하게 되어 최적화 시간 및 수렴율이 떨어지게 된다.

보행의 주기성과 다리의 스윙의 대칭성을 이용하면, 대상관절경로를 결정하는 최소한의 제어변수를 선정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 대상관절경로를 결정하는 제어변수는 로봇의 힙(hip)관절의 좌우 움직임을 나타내는 변수(P1=q_hip_roll), 로봇의 상체의 기울기를 나타내는 변수(P2=q_torso), 로봇의 보폭 길이를 나타내는 변수(P3=q_hipsweep), 로봇의 무릎 굽힘 각도를 나타내는 변수(P4=q_kneebend), 로봇의 보행속도를 나타내는 변수(P5=tf), 로봇의 발목의 피치(pitch) 움직임을 나타내는 변수(P6=q_ankle), 로봇의 힙 관절의 좌우 움직임의 초기상태를 나타내는 변수(P7=q_hip_roll_ini), 로봇의 보폭의 초기상태를 나타내는 변수(P8=q_hipsweep_ini)를 포함한다. P7과 P8은 로봇의 보행초기자세를 나타내는 제어변수이다. 전술한 제어변수들은 보행속도를 나타내는 변수인 P5를 제외하고는 해당 관절의 해당 자유도 방향으로의 각도로 나타난다. 본 발명의 일 실시예는 대상관절경로를 결정하는 변수를 8개로 구성하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 변수의 내용들도 전술한 내용에 한정되는 것은 아니다.

제어부(410)는 선정된 최적화 변수로 토크입력값을 산출하는 식을 매개화하여 토크입력값을 계산한다.

[수학식1]　　　　　　　　　　　

　τ는 토크입력값을 의미하고, i는 보행과 관련된 각 관절을 의미하는 것으로, 피치(pitch) 움직임(도5a의 θ1)이 가능한 몸통관절, 피치 움직임 및 롤(roll) 움직임이 가능한 왼쪽 및 오른쪽 힙관절(도5a의 θ2, θ3과 도5b의 θ8, θ9), 피치 움직임이 가능한 왼쪽 및 오른쪽 무릎관절(도5a의 θ4, θ5), 피치 움직임 및 롤 움직임이 가능한 왼쪽 및 오른쪽 발목관절(도5a의 θ6, θ7과 도5b의 θ10, θ11)을 포함한다.

kp는 위치게인(position gain)을 의미하고, kd는 감쇄게인(damping gain)을 의미한다. qd는 대상관절경로를 의미하고, q는 엔코더가 측정한 현재각도를 의미하고 q바는 각속도를 의미한다.

제어부(410)는 최적화 변수로 선정된 제어게인과 대상관절경로를 결정하는 변수로 매개화된 수학식1을 통해 토크입력값을 계산한다.

제어부(410)는 대상관절경로를 결정하기 위해 로봇이 한 발을 일보 이동하는 반주기 보행 동안 상기 로봇이 취하는 연속적인 자세 중에서 기준이 될 만한 복수의 자세를 선정하여 이를 기준자세로 삼는다. 본 발명의 일 실시예는 반주기 보행이 시작될 때의 자세, 반주기 보행이 완료될 때의 자세 및 반주기 보행이 시작될 시점과 완료될 시점의 중간 시점의 자세를 기준자세로 삼는다.

제어부(410)는 각 기준자세에서 상체관절, 힙관절, 무릎관절 및 발목관절이 각 자유도 방향으로 이루는 각도를 산출하고 이를 스플라인(spline) 보간하여 반주기 보행 동안 로봇의 각 대상관절의 경로를 결정한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 대상관절 중 힙관절의 경로를 나타낸 그래프이다. 힙관절의 피치(pitch) 방향의 각도 변화를 각 기준자세마다 산출하고 이를 스플라인 보간하여 반주기 보행 동안 로봇의 힙관절의 경로를 나타낸 것이다(원으로 표시된 부분). 실선은 오른쪽 힙관절의 경로를 나타낸 것이고 쇄선은 왼쪽 힙관절의 경로를 나타낸 것이다. 이렇게 반주기 보행동안의 경로를 결정하면 남은 보행동안의 경로는 보행의 주기성과 다리 스윙의 대칭성을 이용하여 도 6과 같이 결정할 수 있다.

제어부(410)는 로봇의 보행이 에너지 효율적이고 인간의 보행과 유사한 자연스러운 보행이 되도록 하기 위한 여러 성능지수의 합으로 구성된 목적함수(J)를 설정한다.

[수학식2]　　　　

　[수학식3]

수학식2는 로봇의 보행과 관련된 복수의 성능지수(J1~J5)의 합으로 이루어진 목적함수(J)를 나타낸다. 성능지수 앞의 계수들은 각 성능지수에 중요도를 부여하기 위한 가중치를 의미한다.

제어부(410)는 목적함수의 값이 수렴조건을 만족하는지 확인한다. 수렴조건은 목적함수의 값과 이전 과정에서 구해진 목적함수의 값이 일정 크기 이하로 차이가 나는 경우 만족된다. 여기서 일정크기는 사용자가 미리 설정할 수 있다. 제어부(410)는 목적함수의 값이 수렴조건을 만족하도록 하여 로봇의 보행이 에너지 효율적이고 인간의 보행에 유사한 자연스러운 보행이 되도록 한다.

수학식3은 목적함수의 각 성능지수의 수식을 나타낸다.

J1은 지면에 내딛는 로봇의 발의 위치의 오차를 나타내는 성능지수로서 x는 지면에 닿는 발의 실제 위치를 의미하고, xd는 지면에 닿는 발의 목표위치를 의미한다. i는 스텝의 횟수를 의미한다(이하 동일). 지면에 닿는 발의 실제위치와 목표위치의 차이이므로 발 위치의 오차를 나타내게 된다.

J2의 F는 로봇의 발이 지면에 닿을 때 로봇의 발에 전해지는 힘을 의미한다. J2의 제1항은 로봇의 발이 지면에 닿을 때 로봇의 발에 전해지는 힘을 의미하고, 제2항은 각 스텝마다 로봇의 발에 전해지는 힘의 차이를 의미한다. 그 힘의 차이가 없다면 로봇의 보행이 주기적으로 이루어 지고 있음을 의미하므로, 본 성능지수는 로봇의 발이 지면에 닿을 때 그 발에 전해지는 힘과 보행의 주기성의 오차를 나타낸다.

J3에서 v는 로봇의 실제보행속도를 의미하고 vd는 목표보행속도를 의미한다. 따라서 본 성능지수는 로봇의 보행속도의 오차를 나타낸다.

J4에서 τ는 로봇의 보행에 필요한 각 관절의 토크를 의미하고 tf는 계획된 보행이 완료되는 시간을 의미한다. 따라서 본 성능지수는 로봇의 보행 중 소요되는 토크를 나타낸다.

J5에서 P는 실제 대상관절경로를 결정하는 변수로 구성된 벡터를 의미하고, Ppred는 목표 대상관절경로를 결정하는 변수로 구성된 벡터를 의미한다. 그리고 T는 벡터를 전치(transpose)시키는 기호이고, W는 벡터 P의 원소의 개수를 행과 열의 수로 가지는 대각행렬로, 각 대각원소는 벡터를 구성하는 각 원소의 가중치로 작용할 수 있다. 따라서, 본 성능지수는 보행스타일의 오차를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예는 5개의 성능지수로 목적함수를 구성하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 성능지수의 내용들도 전술한 내용에 한정되지 않고 로봇의 보행과 관련된 다른 제한요소를 포함할 수 있다.

제어부(410)는 토크입력값을 이용하여 정동역학(forward dynamics)의 계산을 통해 로봇의 결과모션을 산출하고, 그 결과모션과 로봇의 실제보행의 데이터를 이용하여 목적함수 값을 계산한다. 계산한 목적함수값이 전술한 수렴조건을 만족하지 못하면, 제어부(410)는 최적화 변수값을 복수 회에 걸쳐 조정하여 목적함수 값이 수렴조건을 만족하도록 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어 순서도이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 제어부(410)는 제어게인과 로봇의 보행 시 제어의 대상인 대상관절의 경로를 결정하는 복수의 변수를 최적화 변수로 선정한다(600). 제어부(410)는 보행의 주기성과 다리 스윙의 대칭성을 이용하여 대상관절경로를 결정하는 최소한의 제어변수를 선정할 수 있다.

이어서, 제어부(410)는 선정된 최적화 변수로 토크입력값을 산출하는 식을 매개화하여 토크입력값을 계산한다(610, 620). 토크입력값을 산출하는 식은 다음과 같은 수학식1을 의미한다.

[수학식1]

이어서, 제어부(410)는 산출된 토크입력값을 이용하여 정동역학(forward dynamics)의 계산을 통해 로봇의 결과모션을 산출한다(630).

이어서, 제어부(410)는 로봇의 보행이 에너지 효율적이고 인간의 보행과 유사한 자연스러운 보행이 되도록 하기 위한 여러 성능지수의 합으로 구성된 목적함수를 설정하고, 결과모션과 로봇의 실제보행의 데이터를 이용하여 목적함수 값을 계산한다(640). 목적함수는 다음과 같은 수학식2를 의미한다.

[수학식2]

이어서, 제어부(410)는 목적함수 값이 수렴조건을 만족하는지 확인한다(650). 수렴조건은 목적함수 값이 이전 과정에서 구해진 목적함수의 값과 일정 크기 이하로 차이가 나는 경우 만족된다.

이어서, 제어부(410)는 목적함수의 값이 수렴조건을 만족하지 못하면, 최적화 변수의 값을 조정하여(660) 목적함수의 값이 수렴조건을 만족할 때까지 다시 전술한 과정을 반복한다.

100 : 로봇 101 : 상체
102 : 몸통 110L, 110R : 다리
112L, 112R : 발 210 : 힙 관절부
400 : 입력부 410 : 제어부
412 : 명령 해석부 414 : 모션 궤적 생성부
416 : 저장부 418 : 모션 명령부
420 : 구동부

Claims

대상관절경로를 결정하는 복수의 변수와 제어게인을 제어변수로 선정하고;
상기 제어변수를 통해 토크입력값을 계산하고;
상기 토크입력값에 대한 정동역학(forward dynamics) 계산을 통해 로봇의 결과모션을 구하고;
복수의 성능지수의 합의 형태로 목적함수를 설정하고;
상기 제어변수의 조정을 통해 상기 목적함수의 값이 최소가 되도록 하되,
상기 대상관절경로는 상기 로봇의 반주기(half cycle) 보행 동안 상기 로봇이 취하는 자세 중 복수의 자세를 기준자세로 하여, 상기 복수의 기준자세에서 상기 로봇의 각 관절의 각도값의 보간(interpolation)을 통해 결정되는 로봇의 보행제어방법.
제1항에 있어서,
상기 대상관절경로를 결정하는 복수의 변수는 상기 로봇의 힙(hip)관절의 좌우 움직임을 나타내는 변수, 상기 로봇의 상체의 기울기를 나타내는 변수, 상기 로봇의 보폭 길이를 나타내는 변수, 상기 로봇의 무릎 굽힘 각도를 나타내는 변수, 상기 로봇의 보행속도를 나타내는 변수, 상기 로봇의 발목의 피치(pitch) 움직임을 나타내는 변수, 상기 로봇의 힙 관절의 좌우 움직임의 초기상태를 나타내는 변수, 상기 로봇의 보폭의 초기상태를 나타내는 변수를 포함하는 로봇의 보행제어방법.
제1항에 있어서,
상기 제어게인은 위치게인(position gain)과 감쇄게인(damping gain)을 포함하는 로봇의 보행제어방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 반주기 보행은 상기 로봇의 한 발이 일보 이동하는 것인 로봇의 보행제어방법.
제1항에 있어서,
상기 대상관절경로는 상기 로봇의 반주기 보행 동안 결정된 각 관절의 대상관절경로를 기반으로 상기 로봇의 왼발과 오른발의 스윙의 대칭성 및 보행의 주기성을 통해 얻어지는 각 관절의 전체 경로인 로봇의 보행제어방법.
제1항에 있어서,
상기 기준자세는 상기 로봇의 한 발의 일보 이동이 시작될 때의 자세, 상기 한발의 일보 이동이 완료될 때의 자세 및 상기 이동이 시작될 시점과 완료될 시점의 중간 시점의 자세를 포함하는 로봇의 보행제어방법.
제1항에 있어서,
상기 관절은 상체관절, 힙관절, 무릎관절, 및 발목관절을 포함하는 로봇의 보행제어방법.
제1항에 있어서,
상기 목적함수를 설정하는 것은,
바닥에 닿는 발의 위치오차를 나타내는 성능지수, 상기 바닥에 상기 발이 닿는 순간 상기로봇의 발에 전달되는 힘과 보행 주기성의 오차를 나타내는 성능지수, 보행속도의 오차를 나타내는 성능지수, 보행 중 소요되는 토크를 최소화하기 위한 성능지수 및 미리 정해진 보행형태와 비교했을 때 발생할 수 있는 보행형태의 오차를 최소화하기 위한 성능지수를 포함하는 복수의 성능지수의 합의 형태로 이루어지는 로봇의 보행제어방법.
로봇의 보행명령이 입력되는 입력부; 및
제어변수를 통해 토크입력값을 계산하고, 상기 토크입력값에 대한 정동역학 계산을 통해 상기 로봇의 결과모션을 구하고, 상기 제어변수의 조정을 통해 복수의 성능지수의 합의 형태로 설정된 목적함수의 값이 최소가 되도록 하여 로봇의 보행을 제어하는 제어부를 포함하되,
대상관절경로는 상기 로봇의 반주기(half cycle) 보행 동안 상기 로봇이 취하는 자세 중 복수의 자세를 기준자세로 하여, 상기 복수의 기준자세에서 상기 로봇의 각 관절의 각도 값의 보간(interpolation)을 통해 결정되는 로봇.
제10항에 있어서,
상기 제어변수는 상기 로봇의 대상관절경로를 결정하는 복수의 변수와 제어게인인 로봇.
제11항에 있어서,
상기 대상관절경로를 결정하는 복수의 변수는 상기 로봇의 힙(hip)관절의 좌우 움직임을 나타내는 변수, 상기 로봇의 상체의 기울기를 나타내는 변수, 상기 로봇의 보폭 길이를 나타내는 변수, 상기 로봇의 무릎 굽힘 각도를 나타내는 변수, 상기 로봇의 보행속도를 나타내는 변수, 상기 로봇의 발목의 피치(pitch) 움직임을 나타내는 변수, 상기 로봇의 힙 관절의 좌우 움직임의 초기상태를 나타내는 변수, 상기 로봇의 보폭의 초기상태를 나타내는 변수를 포함하는 로봇.
제11항에 있어서,
상기 제어게인은 위치게인(position gain)과 감쇄게인(damping gain)을 포함하는 로봇.
삭제
제10항에 있어서,
상기 반주기 보행은 상기 로봇의 한 발이 일보 이동하는 것인 로봇.
제10항에 있어서,
상기 대상관절경로는 상기 로봇의 반주기 보행 동안 결정된 각 관절의 대상관절경로를 기반으로 상기 로봇의 왼발과 오른발의 스윙의 대칭성 및 보행의 주기성을 통해 얻어지는 각 관절의 전체 경로인 로봇.
제10항에 있어서,
상기 기준자세는 상기 로봇의 한 발의 일보 이동이 시작될 때의 자세, 상기 한발의 일보 이동이 완료될 때의 자세 및 상기 이동이 시작될 시점과 완료될 시점의 중간 시점의 자세를 포함하는 로봇.
제10항에 있어서,
상기 관절은 상체관절, 힙관절, 무릎관절, 및 발목관절을 포함하는 로봇.
제10항에 있어서,
상기 목적함수는 바닥에 닿는 발의 위치오차를 나타내는 성능지수, 상기 바닥에 상기 발이 닿는 순간 상기로봇의 발에 전달되는 힘과 보행 주기성의 오차를 나타내는 성능지수, 보행속도의 오차를 나타내는 성능지수, 보행 중 소요되는 토크를 최소화하기 위한 성능지수 및 미리 정해진 보행형태와 비교했을 때 발생할 수 있는 보행형태의 오차를 최소화하기 위한 성능지수를 포함하는 복수의 성능지수의 합의 형태인 로봇.