KR101772974B1 - 휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법 - Google Patents

휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법 Download PDF

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Abstract

인간 유사 숨쉬기 동작을 수행할 수 있는 휴머노이드 로봇 및 그의 인간 유사 동작 생성 방법을 제안한다.
사용자의 명령에 따른 기본 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 목표 회전 각도를 산출하고, 숨쉬기 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 회전 각도를 산출하고; 기본 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 목표 회전 각도와 숨쉬기 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 회전 각도를 합산하고, 합산된 각도를 숨쉬기 동작과 관련된 관절부를 이루는 각 회전 관절에 제공하여 숨쉬기 동작을 생성함으로써, 사용자로 하여금 친밀감과 심미적 안정감을 느끼게 할 수 있다.

Description

휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법{METHOD FOR GENERATING HUMAN-LIKE MOTION OF HUMANOID ROBOT}
인간 유사 동작을 수행할 수 있는 휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법에 관한 것이다.
최근 들어 인간의 파트너로서 생활을 지원하는 즉, 주거 환경 외의 일상 생활 중 다양한 측면에서 인적 활동을 지원하는 실용 로봇의 개발이 진행되고 있으며, 실용 로봇은 산업용 로봇과는 다르게 인간과 같은 생활 환경에서 인간과 유사한 움직임을 가지며, 인간처럼 만들어진 로봇이라 하여 휴머노이드 로봇(Humanoid Robot)이라 불려지고 있다.
인간의 외모와 유사한 형태의 휴머노이드 로봇은 외관에서뿐만 아니라 실제 동작을 수행함에 있어서도 인간과 유사한 모습을 보여주어야 사용자로 하여금 자연스러움과 친밀함, 편안함을 제공할 수 있다.
따라서, 최근에는 휴머노이드 로봇에 인간 유사 동작을 구현하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다.
인간 유사 숨쉬기 동작을 수행할 수 있는 휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법을 제안하고자 한다.
이를 위해 본 발명의 일 측면은 사용자의 명령에 따른 기본 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 목표 회전 각도를 산출하고; 숨쉬기 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 회전 각도를 산출하고; 기본 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 목표 회전 각도와 숨쉬기 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 회전 각도를 합산하고, 합산된 각도를 숨쉬기 동작과 관련된 관절부를 이루는 각 회전 관절에 제공하여 숨쉬기 동작을 생성한다.
또한, 숨쉬기 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 회전 각도는 상기 휴머노이드 로봇이 정지 상태로 있거나, 작업과 무관한 제스처 동작을 수행하는 경우에 산출한다.
또한, 기본 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 목표 회전 각도를 산출하는 것은: 기본 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 기준 회전 각도에 외부로부터 입력되는 검출 정보를 이용하여 산출한 보상 각도를 합산하여 산출한다.
또한, 외부로부터 입력되는 검출 정보는 카메라를 통해 촬영된 이동 공간 주변의 영상 정보이다.
또한, 숨쉬기 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 회전 각도를 산출하는 것은: 휴머노이드 로봇의 체력 레벨을 산출하고; 산출된 체력 레벨을 이용하여 숨쉬기 동작의 주파수를 산출하고; 산출된 숨쉬기 동작의 주파수를 이용하여 숨쉬기 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 회전 각도를 산출하는 것을 포함한다.
또한, 휴머노이드 로봇의 체력 레벨을 산출하는 것은: 기본 동작의 이전 제어 주기에서 산출된 이전 제어 주기 체력 레벨 정보, 체력 회복량 정보 및 휴머노이드 로봇의 에너지 소모량 정보를 이용하여 산출한다.
또한, 휴머노이드 로봇의 에너지 소모량 정보는 각 회전 관절에서 검출되는 전류값의 총합으로 산출한다.
또한, 숨쉬기 동작과 관련된 관절부는 휴머노이드 로봇의 어깨 관절부, 팔꿈치 관절부 및 목 관절부를 포함한다.
제안된 휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법에 의하면, 휴머노이드 로봇에 인간 유사 숨쉬기 동작을 구현함으로써 사용자로 하여금 친밀감과 심미적 안정감을 느끼게 할 수 있다.
또한, 제안된 휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법에 의하면, 숨쉬기 동작을 기본 동작의 특성에 따라 제어함으로써, 휴머노이드 로봇의 조작 정밀도를 저하시키지 않으면서 숨쉬기 동작을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 휴머노이드 로봇의 외관 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 휴머노이드 로봇의 주요 기구 및 관절 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 휴머노이드 로봇의 제어 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 숨쉬기 동작 제어부의 상세 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법을 도시한 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 휴머노이드 로봇의 외관 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 휴머노이드 로봇(100)은 인간과 마찬가지로 두 개의 다리(110L, 110R)에 의해 직립 이동하는 이족 보행 로봇으로, 몸통(102), 머리(104), 팔(106L, 106R)로 이루어진 상체(101)와, 두 개의 다리(110L, 110R)로 이루어진 하체(103)를 가진다.
휴머노이드 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. 머리(104)에서 인간의 눈의 형상을 가진 기구부에는 이동 공간의 주위를 촬영하기 위한 카메라(41)가 장착된다.
휴머노이드 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"은 각각 휴머노이드 로봇(100)의 왼쪽(left)과 오른쪽(right)을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 휴머노이드 로봇의 주요 기구 및 관절 구조를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 휴머노이드 로봇(100)의 머리(104)에는 이동 공간의 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 중심 회전)의 회전 관절(281)과, 피치 방향(pitch, Y축 중심 회전)의 회전 관절(282) 및 롤 방향(roll, X축 중심 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.
휴머노이드 로봇(100)의 두 개의 팔(106L, 106R)은 각각 상박 링크(31), 하박 링크(32) 및 손(108L, 108R)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(108L, 108R)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(108L, 108R)에는 5개의 손가락(108a)이 설치된다. 각각의 손가락(108a)에는 모터에 의해 구동되는 다수의 관절(미도시)들이 설치될 수 있다. 손가락(108a)은 팔(106L, 106R)의 움직임에 연동하여 물건을 파지하거나 특정 방향을 가리키는 것과 같은 다양한 동작을 실행한다.
몸통(102)에는 상체(101)가 회전할 수 있도록 요우 방향(yaw, Z축 중심 회전)의 1 자유도를 가지는 허리 관절부(240)가 설치된다.
상체(101)의 하측에 설치되는 허리 관절부(240)에는 상체(101)를 지지하기 위한 골반(15)이 연결된다. 골반(15)은 펠비스 링크(16)를 통해 힙 관절부(210)에 연결된다. 펠비스 링크(16)에는 휴머노이드 로봇(100)의 자세 정보(각도 정보)를 검출하기 위한 관성 센서(Inertial Measurement Unit; IMU, 17)가 설치된다. 관성 센서(17)는 중력 방향과 관성계에 대해 펠비스 링크(16)의 상대적 각도를 검출하여 롤 방향, 피치 방향, 요우 방향의 자세 정보(각도 정보)를 발생시킨다. 이 관성 센서(17)는 펠비스 링크(16) 뿐만 아니라 몸통(102), 머리(104) 등에 설치하는 것도 가능하다.
그리고, 휴머노이드 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 중심 회전)의 회전 관절(211; 힙 요우 조인트)과, 피치 방향(pitch, Y축 중심 회전)의 회전 관절(212; 힙 피치 조인트)과, 롤 방향(roll, X축 중심 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 힘/토크 센서(Multi-Axis Force and Torque Sensor; 24)가 각각 설치된다. 힘/토크 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.
도 2에 도시되어 있지는 않지만, 휴머노이드 로봇(100)의 각 관절부에는 동력(전기, 유압)에 의해 각 회전 관절을 구동하는 모터 등의 액츄에이터(도 3의 "제 1 및 제 2 구동부"에 해당)와, 각 액츄에이터에 흐르는 전류값을 검출하는 변류기 센서(도 3의 "제 1 및 제 2 전류 검출부"에 해당)가 설치된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 휴머노이드 로봇의 제어 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 휴머노이드 로봇(100)은 입력부(310), 카메라(41), 자세 검출부(320), 제어부(400), 저장부(330), 제 1 서보 제어부(340), 제 1 구동부(350), 제 1 전류 검출부(360), 제 2 서보 제어부(370), 제 2 구동부(380) 및 제 2 전류 검출부(390)를 포함한다.
입력부(310)는 사용자가 휴머노이드 로봇(100)의 동작 명령(예: 휴머노이드 명령, 작업 명령 등)을 입력하기 위한 것으로, 사용자 인터페이스(UI)나 원격 조작기 등으로 구성할 수 있다.
카메라(41)는 피사체로부터 반사되는 빛을 검출하고, 이를 디지털 신호로 변환 및 처리하여 이동 공간 주변의 영상을 획득한다. 카메라(41)로는 스테레오 카메라, TOF(Time of Flight) 카메라 등이 이용될 수 있으며, 이외에도 휴머노이드 로봇(100)이 휴머노이드하는 경로 상에 위치하는 물체에 대한 영상 정보를 획득할 수 있는 장치라면 어떠한 장치라도 사용 가능함은 물론이다.
자세 검출부(320)는 펠비스 링크(16)의 롤 방향, 피치 방향, 요우 방향의 기울기 및 회전 각도를 측정하는 관성 센서(17)와, 휴머노이드 로봇(100)의 발(112L, 112R)과 발목 관절부(230)의 사이에 설치되어 발(112L, 112R)의 지면 접촉 여부를 검출하는 힘/토크 센서(24)를 포함한다.
여기서, 관성 센서(17)는 휴머노이드 로봇(100)의 가속도, 속도, 방향(각도) 등 다양한 항법 관련 정보를 측정하기 위한 것으로, 각도를 측정하는 기울기 센서와, 각속도를 측정하는 각속도 센서를 포함하여 구성된다. 여기서, 기울기 센서로는 가속도계가 이용되고 각속도 센서로는 레이트 자이로스코프(rate-gyroscope)가 이용된다.
제어부(400)는 휴머노이드 로봇(100)의 전반적인 동작을 제어하는 것으로, 기본 동작 제어부(410), 숨쉬기 동작 제어부(420) 및 최종 목표 회전 각도 산출부(430)를 포함한다.
기본 동작 제어부(410)는 사용자의 명령에 따른 동작(이하 "기본 동작"이라 함)을 수행하기 위해 각 회전 관절에 출력해야 할 회전 각도를 산출하기 위한 것으로, 보상 각도 산출부(412)와 목표 회전 각도 산출부(414)를 포함한다.
보상 각도 산출부(412)는 카메라(41)나 관성 센서(17) 등으로부터 입력되는 검출 정보를 이용하여 기본 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 기준 회전 각도에 보상해야 하는 각도를 산출한다.
목표 회전 각도 산출부(414)는 기본 동작과 관련하여 저장부(330)로부터 판독한 각 회전 관절의 기준 회전 각도에 보상 각도 산출부(412)를 통해 산출된 보상 각도를 합산하여 기본 동작의 목표 회전 각도를 산출한다.
물론, 카메라(41)나 관성 센서(17) 등으로부터 입력되는 검출 정보가 없는 경우에는 저장부(330)에 미리 저장되어 있는 기본 동작에 대한 각 회전 관절의 기준 회전 각도가 기본 동작의 목표 회전 각도가 된다.
숨쉬기 동작 제어부(420)는 숨쉬기 동작을 수행하기 위해 숨쉬기 동작과 관련된 관절부를 이루는 각 회전 관절에 출력해야 할 회전 각도를 산출하기 위한 것으로, 제 1 및 제 2 전류 검출부(360, 390)를 통해 산출된 전류 검출 정보, 저장부(330)에 미리 저장되어 있는 각종 정보들을 이용하여 숨쉬기 동작의 회전 각도를 산출한다. 숨쉬기 동작 제어부(420)의 상세 구성 및 동작 설명(숨쉬기 동작의 회전 각도 산출 방식)은 이하 도 4와 관련된 설명 부분에서 상세하게 설명하도록 한다.
최종 목표 회전 각도 산출부(430)는 기본 동작 제어부(410)를 통해 산출된 기본 동작의 목표 회전 각도와 숨쉬기 동작 제어부(420)를 통해 산출된 숨쉬기 동작의 회전 각도를 합산하여 최종 목표 회전 각도를 산출하고, 산출된 최종 목표 회전 각도를 숨쉬기 동작과 관련된 즉, 숨쉬기 동작의 수행 시 사용될 수 있는 어깨 관절부(250L, 250R), 팔꿈치 관절부(260), 목 관절부(280)의 각 회전 관절을 회전 구동하는 제 2 구동부(380)를 제어하는 제 2 서보 제어부(370)에 출력한다.
저장부(330)는 휴머노이드 로봇(100)이 기본 동작을 수행하기 위해 필요로 하는 사전 정보 및 휴머노이드 로봇(100)이 숨쉬기 동작을 수행하기 위해 필요로 하는 사전 정보 등을 저장하기 위한 메모리로, 저장부(330)에는 휴머노이드 로봇(100)의 기본 동작(예: 보행, 물체 파지, 제스처 등) 각각에 대한 각 회전 관절의 기준 회전 각도 및 숨쉬기 동작의 크기를 조절하는 인자(Magnitude Scaling Factor; 이하 "MSF"라 함), 숨쉬기 동작의 회전 각도 산출의 중간 과정에서 산출되는 각종 정보 등이 저장된다.
본 발명의 실시예에서는 휴머노이드 로봇(100)이 기본 동작 및 숨쉬기 동작을 수행하기 위해 필요로 하는 사전 정보 등을 저장하기 위한 저장부(330)가 별도로 마련되는 구성을 예로 들어 설명하였으나, 저장부(330)의 구성을 채용하지 않고 제어부(400) 내의 내부 메모리에 기본 동작 및 숨쉬기 동작을 수행하기 위해 필요로 하는 사전 정보 등을 저장하도록 구성할 수도 있다.
제 1 서보 제어부(340)는 기본 동작 제어부(410)로부터 전달된 목표 회전 각도 정보를 추종하기 위한 관절 토크(τ)를 생성하고, 생성된 관절 토크(τ)에 대응하는 토크 제어 신호를 숨쉬기 동작과 큰 관련이 없는 힙 관절부(210), 무릎 관절부(220), 발목 관절부(230), 허리 관절부(240), 손목 관절부(270)의 각 회전 관절을 회전 구동하는 제 1 구동부(350)에 출력한다.
제 1 구동부(350)는 관절부를 이루는 각 회전 관절에 전기 또는 유압에 의한 동력을 전달하기 위한 모터 등의 액추에이터로, 제 1 서보 제어부(340)로부터 전달된 토크 제어 신호에 따라 힙 관절부(210), 무릎 관절부(220), 발목 관절부(230), 허리 관절부(240), 손목 관절부(270)의 각 회전 관절을 회전 구동한다.
제 1 전류 검출부(360)는 힙 관절부(210), 무릎 관절부(220), 발목 관절부(230), 허리 관절부(240), 손목 관절부(270)에 마련된 각 회전 관절을 회전 구동하기 위해 설치된 액추에이터(구동부)에 흐르는 전류값을 검출하기 위한 것으로, 제 1 전류 검출부(360)로는 변류기 센서(CT 센서) 등이 이용될 수 있다.
또한 제 2 서보 제어부(370)는 최종 목표 회전 각도 산출부(430)로부터 전달된 최종 목표 회전 각도 정보를 추종하기 위한 관절 토크(τ)를 생성하고, 생성된 관절 토크(τ)에 대응하는 토크 제어 신호를 숨쉬기 동작과 관련된 어깨 관절부(250L, 250R), 팔꿈치 관절부(260), 목 관절부(280)의 각 회전 관절을 회전 구동하는 제 2 구동부(380)에 출력한다.
제 2 구동부(380)는 관절부를 이루는 각 회전 관절에 전기 또는 유압에 의한 동력을 전달하기 위한 모터 등의 액추에이터로, 제 2 서보 제어부(370)로부터 전달된 토크 제어 신호에 따라 어깨 관절부(250L, 250R), 팔꿈치 관절부(260), 목 관절부(280)의 각 회전 관절을 회전 구동한다.
제 2 전류 검출부(390)는 어깨 관절부(250L, 250R), 팔꿈치 관절부(260), 목 관절부(280)에 마련된 각 회전 관절을 회전 구동하기 위해 설치된 액추에이터(구동부)에 흐르는 전류값을 검출하기 위한 것으로, 제 2 전류 검출부(390)로는 변류기 센서(CT 센서) 등이 이용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 최종 목표 회전 각도 산출부(430)를 통해 산출된 최종 목표 회전 각도 정보(기본 동작에 숨쉬기 동작이 포함되어 있는 형태의 동작이 됨)를 모든 관절부에 제공하지 않고, 숨쉬기 동작과 관련된 어깨 관절부(250L, 250R), 팔꿈치 관절부(260), 목 관절부(280)의 각 회전 관절을 회전 구동하는 제 2 구동부(380)를 제어하는 제 2 서보 제어부(370)에만 출력한다. 본 발명의 실시예에서는 숨쉬기 동작과 관련된 관절부를 어깨 관절부(250L, 250R), 팔꿈치 관절부(260), 목 관절부(280)로 설정한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이외에도 숨쉬기 동작과 가장 밀접한 관련이 있는(숨쉬기 동작에 의해 가장 큰 움직임이 있는) 어깨 관절부(250L, 250R)만을 숨쉬기 동작과 관련된 관절부로 설정하는 등 다양한 방식으로 숨쉬기 동작과 관련된 관절부를 설정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 휴머노이드 로봇(100)이 기본 동작을 수행하기 위해 산출한 각 회전 관절의 목표 회전 각도에 휴머노이드 로봇(100)이 숨쉬기 동작을 수행하기 위해 산출한 각 회전 관절의 회전 각도를 합산하고, 합산된 최종 목표 회전 각도를 이용하여 휴머노이드 로봇(100)의 동작을 제어한다(기본 동작에 숨쉬기 동작을 부가하는 방식). 여기서, 휴머노이드 로봇(100)을 전술한 동작 제어 알고리즘에 따라 제어하는 경우, 숨쉬기 동작과 관련된 관절부(250L, 250R, 260, 280)의 각 회전 관절을 회전 구동하는 액추에이터(제 2 구동부, 380)를 제어하는 제 2 서보 제어부(370)로 출력되는 최종 목표 회전 각도는 아래의 [수학식 1]과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 1]
최종 목표 회전 각도=기본 동작의 목표 회전 각도+숨쉬기 동작의 회전 각도
여기서, 기본 동작의 목표 회전 각도는 휴머노이드 로봇(100)의 기본 동작을 제어하기 위한 각 회전 관절의 회전 각도로, 기본 동작 제어부(410)는 저장부(330)에 미리 저장되어 있는 기본 동작(예: 보행, 물체 파지, 제스처 등)에 대한 각 회전 관절의 기준 회전 각도에 카메라(41)나 관성 센서(17) 등으로부터 입력되는 검출 정보를 이용하여 산출한 보상 각도를 합산하여 기본 동작의 목표 회전 각도를 산출한다. 물론, 카메라(41)나 관성 센서(17) 등으로부터 입력되는 검출 정보가 없는 경우에는 저장부(330)에 미리 저장되어 있는 기본 동작에 대한 각 회전 관절의 기준 회전 각도가 기본 동작의 목표 회전 각도가 된다.
숨쉬기 동작의 회전 각도를 산출하는 방식에 대해서는 이하에서 도 4를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 4는 도 3에 도시된 숨쉬기 동작 제어부의 상세 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 숨쉬기 동작 제어부(420)는 에너지 소모량 산출부(422), 체력 레벨 산출부(424), 숨쉬기 동작 주파수 산출부(426) 및 숨쉬기 동작 회전 각도 산출부(428)를 포함한다.
숨쉬기 동작 회전 각도 산출부(428)는 기본 동작의 목표 회전 각도에 더해져 최종 목표 회전 각도를 이루는 숨쉬기 동작의 회전 각도(기본 동작의 목표 회전 각도에 추가적으로 합산되는 회전 각도)를 산출하기 위한 것으로, 아래의 [수학식 2]를 이용하여 숨쉬기 동작의 회전 각도를 산출한다.
[수학식 2]
숨쉬기 동작의 회전 각도=회전 방향×MSF×{(1-cos(2×π×BF×T)}
여기서, 회전 방향은 휴머노이드 로봇(100)의 숨쉬기 동작을 구현하기 위한 회전 관절의 회전 방향으로 1 또는 -1의 값을 가지며, 각 회전 관절별로 시스템 하드웨어의 구성 요소(기어비 등)에 따라 결정된다. 또한, 여기서 MSF는 크기 조절 인자를 나타내고, BF는 숨쉬기 동작의 주파수를 나타내며, T는 휴머노이드 로봇(100)의 동작에 대한 제어 주기를 나타낸다.
크기 조절 인자(Magnitude Scaling Factor; MSF)는 숨쉬기 동작의 크기를 결정하는 값으로, 휴머노이드 로봇(100)이 수행하고자 하는 기본 동작의 특성에 따라 0에서부터 1까지의 값에서 설정할 수 있다. 예를 들어, 휴머노이드 로봇(100)이 제자리에 서 있는 경우(대기 자세, 정지 상태)에는 MSF를 가장 큰 값인 1로 설정하고, 제스처(gesture, 예: 손 흔들기, 인사 등)와 같이 기본 동작의 조작 정밀도가 크게 요구되지 않아 기본 동작에 숨쉬기 동작이 부가되어도 무방한 경우에는 MSF를 0과 1 사이의 값으로 설정하여 휴머노이드 로봇(100)의 숨쉬기 동작을 구현할 수 있다. 하지만, 관절부(회전 관절)의 조작 정밀도가 높게 요구되는 기본 동작(예: 물체 파지 등의 조작 작업, 주로 팔이나 손을 이용하는 기본 동작)에 대해서는 MSF를 0으로 설정하여 숨쉬기 동작을 수행하지 않도록 제어함으로써, 작업에 방해가 되지 않도록 할 수 있다. MSF는 기본 동작의 특성에 따라 미리 설정되어 별도의 저장부(330)나 제어부(400) 내의 내부 메모리에 저장된다.
숨쉬기 동작의 주파수(Breathing Frequency; BF)는 숨쉬기 동작의 빠르기(숨이 가쁜 정도)를 나타내는 값으로, 빠른 휴머노이드 동작이나 달리기 동작을 수행하는 경우 점차 증가하게 된다. 즉, 인간과 유사한 숨쉬기 동작을 구현하기 위해 휴머노이드 로봇(100)이 빠른 동작을 지속하는 경우에는 숨쉬기 동작의 주파수를 증가시켜, 휴머노이드 로봇(100)으로 하여금 가쁜 숨쉬기 동작을 수행하도록 제어하는 것이다. 숨쉬기 동작 주파수 산출부(426)는 아래의 [수학식 3]을 이용하여 숨쉬기 동작의 주파수(BF)를 산출하고, 산출된 숨쉬기 동작의 주파수를 숨쉬기 동작 회전 각도 산출부(428)에 출력한다.
[수학식 3]
Figure 112010084595219-pat00001
여기서, K1은 BF와 PSL 사이의 관계를 최적화하기 위해(즉, 단위를 일치시키기 위해) 설정되는 상수값이다.
체력 레벨(Physical Strength Level; PSL)은 현재 휴머노이드 로봇(100)의 활력 정도를 수치화한 값으로, 숨쉬기 동작의 빠르기를 결정하는 요소가 된다. [수학식 3]을 통해 알 수 있는 바와 같이, 휴머노이드 로봇(100)은 체력 레벨값이 작을수록 빠른 템포로 숨쉬기 동작을 수행하게 된다. 예를 들어, 휴머노이드 로봇(100)이 빠른 휴머노이드 동작이나 달리기 동작을 수행하는 경우 체력 레벨값은 점차 감소하게 되며, 이러한 감소된 체력 레벨값으로 인해 숨쉬기 동작의 주파수가 증가하므로, 휴머노이드 로봇(100)은 가쁜 숨쉬기 동작을 수행하게 된다. 체력 레벨 산출부(424)는 아래의 [수학식 4]와 [수학식 5]를 이용하여 체력 레벨(PSL)을 산출하고, 산출된 체력 레벨을 숨쉬기 동작 주파수 산출부(426)에 출력한다.
[수학식 4]
체력 레벨(PSL)=이전 단계의 체력 레벨-에너지 소모량
[수학식 5]
체력 레벨(PSL)=이전 단계의 체력 레벨+체력 회복량
이 때, 휴머노이드 로봇(100)이 기본 동작을 수행하는 경우에는 [수학식 4]를 적용하여 체력 레벨을 산출하고, 휴머노이드 로봇(100)이 정지 상태로 있는 경우에는 [수학식 5]를 적용하여 체력 레벨을 산출한다.
체력 레벨은 매 제어 주기마다 산출되며, 휴머노이드 로봇(100)의 기본 동작이 지속되면 에너지 소모량으로 인해 점차 감소하고([수학식 4] 적용), 반대로 아무런 동작을 수행하지 않은 채 정지 상태(대기 자세)를 유지하고 있으면 체력 회복량으로 인해 점차 증가하게 된다([수학식 5] 적용). 단, 체력 레벨값이 무한정 증가하는 것은 아니므로, 임의의 값에 도달하면 포화(saturation)하는 것으로 정의하며, 0에서 설정 레벨(예: 0~100 레벨)을 가지도록 설계할 수 있다.
여기서, 이전 단계의 체력 레벨은 휴머노이드 로봇(100)의 이전 제어 주기에서 산출된 체력 레벨값이다. 휴머노이드 로봇(100)의 최초 동작 시점에 가장 큰 체력 레벨값이 저장되어 있으며, 이후, 휴머노이드 로봇(100)의 동작이 시작되면 에너지 소모량이 발생하여 체력 레벨값은 감소하게 되고, 휴머노이드 로봇(100)이 정지해 있으면 에너지 소모량은 0이 되어 체력 레벨값은 증가하게 된다.
체력 회복량은 휴머노이드 로봇(100)의 체력 레벨값을 증가시키는 양의 상수값으로, 체력 레벨값과의 관계에서 적절한 상수값을 찾아내어 설정한다(예: 체력 레벨이 0~100 레벨을 가지도록 설계된 경우에, 체력 회복량을 5 레벨로 설정). 즉, 체력 회복량이라고 표현하고 있지만, 실제로는 체력 레벨값에 대응하도록 환산된 값을 의미한다.
에너지 소모량은 현재 제어 주기에서 휴머노이드 로봇(100)이 소모한 총 에너지량을 의미한다. 휴머노이드 로봇(100)이 소모한 총 에너지량은 휴머노이드 로봇(100)의 각 회전 관절에 장착된 모터 등의 액추에이터에서 측정되는 전류값의 총합으로부터 산출할 수 있다. 휴머노이드 로봇(100)의 각 회전 관절에서 측정되는 전류값들은 휴머노이드 로봇(100)의 동작 방향에 따라 양의 값 또는 음의 값을 모두 가질 수 있기 때문에 측정된 전류값은 그 절대값을 이용하여 에너지 소모량을 산출하게 된다. 에너지 소모량 산출부(422)는 아래의 [수학식 6]에 나타낸 바와 같이, 제 1 전류 검출부(360) 및 제 2 전류 검출부(390)를 통해 검출되는 모든 전류값 정보를 합산하여 에너지 소모량을 산출하고, 산출된 에너지 소모량을 체력 레벨 산출부(424)에 출력한다.
[수학식 6]
Figure 112010084595219-pat00002
여기서, K2는 PSL과의 관계를 최적화하기 위해(즉, 단위를 일치시키기 위해) 설정되는 상수값이다. 여기서는 에너지 소모량이라고 표현하고 있지만, 실제로는 체력 레벨값에 대응하도록 환산된 값을 의미한다.
[수학식 6]에서는 각 회전 관절에 장착된 모터 등의 액추에이터에서 측정되는 전류값의 총합으로부터 에너지 소모량을 산출하는 경우를 예시하고 있지만, 각 회전 관절에 장착된 모터 등의 액추에이터에서 측정되는 토크값의 총합으로부터 에너지 소모량을 산출하는 것도 가능하다.
이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법을 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예의 동작설명을 위한 초기조건으로서, 저장부(330)에는 휴머노이드 로봇(100)의 기본 동작(예: 보행, 물체 파지, 제스처 등) 각각에 대한 각 회전 관절의 기준 회전 각도 및 숨쉬기 동작의 크기를 조절하는 인자(MSF)가 미리 저장되어 있는 것을 전제한다.
입력부(310)를 통해 사용자로부터 휴머노이드 로봇(100)의 동작 명령이 입력되면 휴머노이드 로봇(100)의 기본 동작 수행이 시작된다.
입력부(310)를 통해 동작 명령이 입력되면 제어부(400) 내의 기본 동작 제어부(410)는 입력된 동작 명령(기본 동작)과 관련하여 저장부(330)로부터 판독한 각 회전 관절의 기준 회전 각도에 카메라(41)나 관성 센서(17) 등으로부터 입력되는 검출 정보를 이용하여 산출한 보상 각도를 합산하여 기본 동작의 목표 회전 각도를 산출한다(510). 기본 동작 제어부(410)는 산출된 기본 동작의 목표 회전 각도를 제 1 서보 제어부(340)에 출력한다.
다음으로, 제어부(400) 내의 숨쉬기 동작 제어부(420)는 입력된 동작 명령과 관련하여 저장부(330)로부터 크기 조절 인자(MSF) 정보를 판독한다(520).
숨쉬기 동작 제어부(420)는 저장부(330)로부터 판독한 MSF가 0이면 휴머노이드 로봇(100)이 수행해야 할 기본 동작이 물체 파지 작업과 같이 높은 조작 정밀도를 필요로 하는 동작이라고 판단하고, 더 이상 숨쉬기 동작의 회전 각도를 산출하기 위한 이후의 과정을 진행하지 않는다.
한편, 숨쉬기 동작 제어부(420)는 저장부(330)로부터 판독한 MSF가 0이 아니면 기본 동작의 조작 정밀도가 크게 요구되지 않아 기본 동작에 숨쉬기 동작이 부가되어도 무방한 경우라고 판단하고, 숨쉬기 동작의 회전 각도를 산출하기 위한 이후의 과정을 계속 진행한다.
이후, 숨쉬기 동작 제어부(420)는 이전 제어 주기에서 산출된 체력 레벨값, 체력 회복량 정보 및 제 1 및 제 2 전류 검출부(360, 390)의 전류 검출 정보를 통해 산출된 에너지 소모량을 이용하여 현 제어 주기에서의 체력 레벨값을 산출한다(530).
다음으로, 숨쉬기 동작 제어부(420)는 산출된 체력 레벨값을 이용하여 수행될 숨쉬기 동작의 주파수(숨쉬기 동작의 빠르기)를 산출한다(540).
이후, 숨쉬기 동작 제어부(420)는 숨쉬기 동작을 구현하기 위한 회전 관절의 회전 방향 정보, 저장부(330)로부터 판독한 MSF, 동작 540을 통해 산출된 숨쉬기 동작의 주파수 정보를 이용하여 숨쉬기 동작의 회전 각도를 산출한다(550).
다음으로, 제어부(400) 내의 최종 목표 회전 각도 산출부(430)는 기본 동작 제어부(410)를 통해 산출된 기본 동작의 목표 회전 각도와 숨쉬기 동작 제어부(420)를 통해 산출된 숨쉬기 동작의 회전 각도를 합산하여 최종 목표 회전 각도를 산출한다(560).
이후, 최종 목표 회전 각도 산출부(430)는 산출한 최종 목표 회전 각도를 숨쉬기 동작과 관련된 관절부(250L, 250R, 260, 280)의 각 회전 관절을 회전 구동하는 제 2 구동부(380)를 제어하는 제 2 서보 제어부(370)로 출력하여 휴머노이드 로봇(100)의 동작을 제어한다(570). 이 때, 휴머노이드 로봇(100)의 동작은 기본 동작에 숨쉬기 동작이 부가(포함)된 형태의 동작이 된다.
100 : 휴머노이드 로봇 310 : 입력부
320 : 자세 검출부 400 : 제어부
410 : 기본 동작 제어부 420 : 숨쉬기 동작 제어부
430 : 최종 목표 회전 각도 산출부 330 : 저장부
340 : 제 1 서보 제어부 350 : 제 1 구동부
360 : 제 1 전류 검출부 370 : 제 2 서보 제어부
380 : 제 2 구동부 390 : 제 2 전류 검출부

Claims (8)

  1. 사용자의 명령에 따른 기본 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 목표 회전 각도를 산출하고;
    숨쉬기 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 회전 각도를 산출하고;
    상기 기본 동작을 수행하기 위한 상기 각 회전 관절의 목표 회전 각도와 상기 숨쉬기 동작을 수행하기 위한 상기 각 회전 관절의 회전 각도를 합산하고, 상기 합산된 각도를 상기 숨쉬기 동작과 관련된 관절부를 이루는 각 회전 관절에 제공하여 상기 숨쉬기 동작을 생성하되,
    상기 숨쉬기 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 회전 각도를 산출하는 것은:
    휴머노이드 로봇의 체력 레벨을 산출하고;
    상기 산출된 체력 레벨을 이용하여 상기 숨쉬기 동작의 주파수를 산출하고;
    상기 산출된 숨쉬기 동작의 주파수를 이용하여 상기 숨쉬기 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 회전 각도를 산출하는 것을 포함하는 휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 숨쉬기 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 회전 각도는 상기 휴머노이드 로봇이 정지 상태로 있거나, 작업과 무관한 제스처 동작을 수행하는 경우에 산출하는 휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기본 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 목표 회전 각도를 산출하는 것은:
    상기 기본 동작을 수행하기 위한 각 회전 관절의 기준 회전 각도에 외부로부터 입력되는 검출 정보를 이용하여 산출한 보상 각도를 합산하여 산출하는 휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 외부로부터 입력되는 검출 정보는 카메라를 통해 촬영된 이동 공간 주변의 영상 정보인 휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 휴머노이드 로봇의 체력 레벨을 산출하는 것은:
    상기 기본 동작의 이전 제어 주기에서 산출된 이전 제어 주기 체력 레벨 정보, 체력 회복량 정보 및 상기 휴머노이드 로봇의 에너지 소모량 정보를 이용하여 산출하는 휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 휴머노이드 로봇의 에너지 소모량 정보는 상기 각 회전 관절에서 검출되는 전류값의 총합에 기초하여 산출하는 휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 숨쉬기 동작과 관련된 관절부는 상기 휴머노이드 로봇의 어깨 관절부, 팔꿈치 관절부 및 목 관절부를 포함하는 휴머노이드 로봇의 인간 유사 동작 생성 방법.
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