KR101820775B1 - 로봇 발 착지 제어시스템 - Google Patents

Abstract

중심축을 기준으로 양측에 배치되는 복수의 거리센서가 마련되고, 각각의 거리센서는 거리센서와 지면 사이의 거리를 측정하는 로봇의 발바닥모듈; 및 복수의 거리센서로부터 측정된 지면과의 거리값을 수신하고, 각각의 수신된 거리값들과 복수의 거리센서간의 이격거리를 이용하여 발바닥모듈과 지면이 이루는 상대각도를 연산하는 제어부;를 포함하는 로봇 발 착지 제어시스템이 소개된다.

Description

로봇 발 착지 제어시스템 {SYSTEM FOR CONTROLLING FOOT LANDING OF ROBOT}

본 발명은 로봇의 보행을 제어함에 있어 지면과 발바닥이 평행 상태로 보행을 할 수 있고 정확한 지면 높이에 착지할 수 있도록 발바닥을 제어하는 로봇 발 착지 제어시스템에 관한 것이다.

최근 개발되는 자율보행로봇의 경우 지면이 불규칙한 상황에서도 보행이 안정적으로 이루어질 수 있도록 하는 기술의 개발이 절실히 요구된다. 로봇이 자율적으로 보행을 하거나 또는 인터페이스를 통해 사람의 입력을 받아 보행하는 경우 지면과 안정적으로 접촉이 이루어지고 제어부에서 지면과 발바닥의 접촉 상태를 정확히 파악하고 예측하여 균형을 제어하는 것이 필수적이다.

이를 위해 카메라센서 또는 거리측정센서들이 사양하게 사용되고 있고, 이에 관한 기존의 기술에서는 노면의 상태 및 보행자의 상태를 판단하고 보행자의 안전을 확보하기 위한 전동식 보행보조장치를 제공하기 위한 것이 제시되었는데, 기존의 보행보조장치는, 사용자에 의해 가해지는 압력을 감지하여 압력신호를 출력하는 조작부와; 복수의 바퀴들 중 적어도 하나에 동력을 제공하는 구동부와; 상기 사용자와의 거리 및 기울기를 측정하는 센서부와; 상기 압력신호에 따라 상기 구동부의 동작을 제어하고, 상기 측정된 거리에 따라 상기 사용자의 낙상 여부를 판단하며 상기 측정된 기울기에 따라 노면의 상태를 판단하는 제어부를 포함하도록 구성되어 있었다.

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 10-2015-0068598 A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 로봇의 보행을 제어함에 있어 지면과 발바닥이 평행 상태로 보행을 할 수 있도록 발바닥을 제어하는 로봇 발 착지 제어시스템을 제공하고자 함이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇 발 착지 제어시스템은, 중심축을 기준으로 양측에 배치되는 복수의 거리센서가 마련되고, 각각의 거리센서는 거리센서와 지면 사이의 거리를 측정하는 로봇의 발바닥모듈; 및 복수의 거리센서로부터 측정된 지면과의 거리값을 수신하고, 각각의 수신된 거리값들과 복수의 거리센서간의 이격거리를 이용하여 발바닥모듈과 지면이 이루는 상대각도를 연산하는 제어부;를 포함한다.

제어부는 복수의 거리센서로부터 수신된 각 거리값의 차이값과 거리센서간의 이격거리를 삼각함수에 대입하여 발바닥모듈과 지면이 이루는 상대각도를 연산할 수 있다.

발바닥모듈은 전방좌측, 전방우측, 후방좌측, 후방우측의 각 지점에 거리센서가 각각 마련될 수 있다.

제어부는 전방좌측과 후방좌측 거리센서의 거리값들의 평균인 좌측평균값을 도출하고, 전방우측과 후방우측 거리센서의 거리값들의 평균인 우측평균값을 도출하며, 좌측평균값과 우측평균값의 차이값 및 발바닥모듈의 폭값을 역탄젠트 함수에 대입하여 발바닥모듈이 지면과 이루는 롤링각도를 연산할 수 있다.

발바닥모듈의 폭값은 전방좌측 거리센서와 전방우측 거리센서 사이의 이격거리인 전방거리 및 후방좌측 거리센서와 후방우측 거리센서 사이의 이격거리인 후방거리의 평균값일 수 있다.

제어부는 전방좌측과 전방우측 거리센서의 거리값들의 평균인 전방평균값을 도출하고, 후방좌측과 후방우측 거리센서의 거리값들의 평균인 후방평균값을 도출하며, 전방평균값과 후방평균값의 차이값 및 발바닥모듈의 길이값을 역탄젠트 함수에 대입하여 발바닥모듈이 지면과 이루는 피칭각도를 연산할 수 있다.

발바닥모듈의 길이값은 전방좌측 거리센서와 후방좌측 거리센서 사이의 이격거리인 좌측거리 및 전방우측 거리센서와 후방우측 거리센서 사이의 이격거리인 우측거리의 평균값일 수 있다.

발바닥모듈은 전방중앙, 후방중앙, 좌측중앙, 우측중앙의 각 지점에 거리센서가 각각 마련될 수 있다.

제어부는 전방중앙과 후방중앙의 거리센서들의 거리값들과 발바닥모듈의 길이값을 이용하여 발바닥모듈이 지면과 이루는 피칭각도를 연산하고, 좌측중앙과 우측중앙의 거리센서들의 거리값들과 발바닥모듈의 폭값을 이용하여 발바닥모듈이 지면과 이루는 롤링각도를 연산할 수 있다.

제어부는 발바닥모듈과 지면이 이루는 상대각도를 보상하도록 발바닥모듈의 구동부를 실시간으로 피드백 제어함으로써 발바닥모듈이 지면과 평행을 이루도록 할 수 있다.

제어부는 발바닥모듈과 지면이 이루는 상대각도를 연산하고, 발바닥모듈의 구동부를 제어하여 발바닥모듈이 연산된 상대각도만큼 역으로 움직이도록 함으로써 발바닥모듈과 지면이 평행을 이루도록 할 수 있다.

제어부는 복수의 거리센서들의 거리값들의 평균을 구함으로써 발바닥모듈이 지면과 이루는 상대거리를 연산할 수 있다.

제어부는 상대거리가 일정범위 이내에 위치되는 경우 발바닥모듈의 구동부를 실시간으로 피드백 제어함으로써 발바닥모듈이 지면과 평행을 이루도록 할 수 있다.

본 발명의 로봇 발 착지 제어시스템에 따르면, 로봇의 보행을 제어함에 있어 지면과 평행 상태로 보행을 할 수 있도록 발바닥을 제어할 수 있다.

특히 로봇의 발바닥에 거리측정을 위한 센서를 설치하고, 이를 통해 발바닥이 지면과 이루는 상대적인 각도를 연산함으로써 비교적 정확하고 실시간으로 로봇의 현재 발바닥의 각도를 측정할 수 있는 장점이 있다.

그리고 이를 통해 로봇이 보행중 공중에서 발바닥이 미리 지면과 평행을 이루도록 실시간으로 제어하고, 평행을 이룬 상태에서 지면에 발바닥이 착지하도록 함으로써 안정적인 보행의 제어가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 발 착지 제어시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 발 착지 제어시스템의 또 다른 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 발 착지 제어시스템을 통한 로봇 발바닥의 움직임을 나타낸 도면.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 발 착지 제어시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 발 착지 제어시스템의 또 다른 구성도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 발 착지 제어시스템을 통한 로봇 발바닥의 움직임을 나타낸 도면이다.

종래의 이족 보행 로봇은 대부분 착지면의 기울기를 고려하지 않는 Blind 보행 알고리즘으로써, 발의 착지 이후에 발생하는 불안정성을 센서 피드백 제어로 대응하는 방법으로써 대응 속도가 느리고 불안정성에 대한 대처 능력이 낮은 문제가 있었다. 한편, 최근에는 카메라나 Lidar를 사용하여 지형을 측정한 후, 발착지 위치의 높이나 기울기를 미리 반영하여 이족보행을 수행하는 기술이 선보이고 있으나, 계산량이 많고 센서의 흔들림이 오차에 반영되어 실시간으로 제어하기에는 쉽지 않은 문제가 있었다.

본 발명을 통해 제안하는 기술의 특징은 거리 측정 센서를 발바닥의 4개 모서리에 장착하고, 각 센서에서부터 지면 사이의 거리를 실시간 측정하여 발바닥과 지면 사이의 평균 거리, 상대 롤링 및 피칭 각도를 쉽게 측정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명을 통하여 이족 보행 로봇이 험지를 보행할 때 착지면과 착지발의 위치와 방위가 실시간으로 일치할 수 있도록 하여 보행 안정성을 극대화하는 데에 본 발명의 목적이 있다.

이를 위한 본 발명에 따른 로봇 발 착지 제어시스템은, 중심축을 기준으로 양측에 배치되는 복수의 거리센서(200)가 마련되고, 각각의 거리센서(200)는 거리센서(200)와 지면(GL) 사이의 거리를 측정하는 로봇의 발바닥모듈(100); 및 복수의 거리센서(200)로부터 측정된 지면(GL)과의 거리값을 수신하고, 각각의 수신된 거리값들과 복수의 거리센서(200)간의 이격거리를 이용하여 발바닥모듈(100)과 지면(GL)이 이루는 상대각도를 연산하는 제어부(400);를 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 발 착지 제어시스템의 구성도로써, 로봇의 발바닥을 나타내고 있다. 로봇의 발바닥에는 도시된 바와 같이 4개의 지점에 거리센서들(220,240,260,280)이 각각 설치되어 있다. 즉, 발바닥의 전후방향 중심축을 기준으로 좌우에 거리센서가 각각 배치되고, 가로축을 기준으로 전후로 거리센서가 각각 장착된 것을 볼 수 있다.

그리고 각각의 거리센서들(220,240,260,280)은 거리센서와 지면(GL)간의 사이에 이격된 거리(220D,240D,260D,280D)를 측정한다. 이러한 거리센서에는 적외선센서가 가장 대표적으로 이용될 수 있을 것이고, 또는 레이저나 초음파 등의 다양한 센서도 적용이 가능할 것이다.

한편, 발바닥모듈(100)에는 이러한 거리센서(200)들이 마련되고, 로봇에 마련된 제어부(400)에서는 각각의 거리센서들의 거리값들(220D,240D,260D,280D)을 수신하여 지면(GL)과 발바닥모듈(100)의 이격거리 또는 발바닥모듈(100)이 지면(GL)과 이루는 상대각도를 연산하도록 한다.

구체적으로, 제어부(400)에서는 복수의 거리센서로부터 수신된 각 거리값의 차이값과 거리센서간의 이격거리를 삼각함수에 대입하여 발바닥모듈(100)과 지면(GL)이 이루는 상대각도를 연산할 수 있다.

예를 들어, 도 1과 같이 발바닥모듈(100)은 전방좌측, 전방우측, 후방좌측, 후방우측의 각 지점에 거리센서(220,240,260,280)가 각각 마련될 수 있다. 그리고 제어부(400)는 전방좌측과 후방좌측 거리센서(220,260)의 거리값들(220D,260D)의 평균인 좌측평균값을 도출하고, 전방우측과 후방우측 거리센서(240,280)의 거리값들(240D,280D)의 평균인 우측평균값을 도출하며, 좌측평균값과 우측평균값의 차이값 및 발바닥모듈(100)의 폭값을 역탄젠트 함수에 대입하여 발바닥모듈(100)이 지면(GL)과 이루는 롤링각도를 연산할 수 있다.

상기 수학식은 발바닥모듈(100)의 롤링각도를 연산하기 위한 수식으로써, d1,d4는 전방좌측과 후방좌측 거리센서의 거리값들(220D,260D)을 나타내고, d2,d3는 전방우측과 후방우측 거리센서의 거리값들(240D,280D)을 나타낸다. 각각의 평균값의 차이값과 발바닥모듈(100)의 폭값 W를 역탄젠트를 취할 경우 바로 발바닥모듈(100)이 지면(GL)과 이루는 상대적인 롤링각도를 연산할 수 있는 것이다.

그리고, 이러한 경우 발바닥모듈(100)의 폭값은 전방좌측 거리센서와 전방우측 거리센서 사이의 이격거리인 전방거리 및 후방좌측 거리센서와 후방우측 거리센서 사이의 이격거리인 후방거리의 평균값일 수 있다. 거리센서가 제시된 실시예와 같이 4개일 경우에는 좌,우 센서간의 이격거리가 서로 다를 수 있으므로 그 평균값을 취해 비교적 정확한 센서간의 이격거리를 사용하도록 하는 것이다.

한편, 제어부(400)는 전방좌측과 전방우측 거리센서의 거리값들(220D,240D)의 평균인 전방평균값을 도출하고, 후방좌측과 후방우측 거리센서의 거리값들(260D,280D)의 평균인 후방평균값을 도출하며, 전방평균값과 후방평균값의 차이값 및 발바닥모듈(100)의 길이값을 역탄젠트 함수에 대입하여 발바닥모듈(100)이 지면(GL)과 이루는 피칭각도를 연산할 수 있다.

이 경우, 발바닥모듈(100)의 길이값은 전방좌측 거리센서와 후방좌측 거리센서 사이의 이격거리인 좌측거리 및 전방우측 거리센서와 후방우측 거리센서 사이의 이격거리인 우측거리의 평균값일 수 있다. 피칭각도를 연산하는 수학식은 아래와 같다.

한편, 도시되지는 않았지만 발바닥모듈(100)은 전방중앙, 후방중앙, 좌측중앙, 우측중앙의 각 지점에 거리센서가 각각 마련될 수 있다. 즉, 발바닥모듈(100)의 각 모서리지점에 센서가 설치되는 것이 아니라 마름모 모양의 각 꼭지점 부분에 센서들을 마련하는 것도 가능하다. 이 경우 역시 제어부(400)는 전방중앙과 후방중앙의 거리센서들의 거리값들과 발바닥모듈(100)의 길이값을 이용하여 발바닥모듈(100)이 지면(GL)과 이루는 피칭각도를 연산하고, 좌측중앙과 우측중앙의 거리센서들의 거리값들과 발바닥모듈(100)의 폭값을 이용하여 발바닥모듈(100)이 지면(GL)과 이루는 롤링각도를 연산할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 발 착지 제어시스템의 또 다른 구성도로서, 제어부(400)는 발바닥모듈(100)과 지면(GL)이 이루는 상대각도를 보상하도록 발바닥모듈(100)의 구동부를 실시간으로 피드백 제어함으로써 발바닥모듈(100)이 지면(GL)과 평행을 이루도록 할 수 있다.

즉, 제어부(400)는 발바닥모듈(100)과 지면(GL)이 이루는 상대각도를 연산하고, 발바닥모듈(100)의 구동부를 제어하여 발바닥모듈(100)이 연산된 상대각도만큼 역으로 움직이도록 함으로써 발바닥모듈(100)과 지면(GL)이 평행을 이루도록 할 수 있다.

로봇의 발바닥모듈(100)은 구동부를 통해 좌우 회전 또는 전후 회전이 가능하고, 제어부(400)가 로봇의 발바닥모듈(100)과 지면(GL)이 이루는 상대각도를 연산하고 그 상대각도가 없도록 구동부를 제어함으로써 로봇의 보행시 발바닥모듈(100)과 지면(GL)이 평행이 되도록, 즉 롤링각도와 피칭각도가 없는 상태에서 안정적으로 발바닥모듈(100)이 지면(GL)에 안착되도록 하는 것이다. 이러한 구동부는 로봇의 기타 액추에이터와는 별개로, 발바닥모듈(100)의 각도만을 제어하기 위한 개별적인 구동부로 마련됨이 바람직하다.

한편, 제어부(400)는 복수의 거리센서들의 거리값들의 평균을 구함으로써 발바닥모듈(100)이 지면(GL)과 이루는 상대거리를 연산할 수 있다. 그리고, 제어부(400)는 상대거리가 일정범위 이내에 위치되는 경우 발바닥모듈(100)의 구동부를 실시간으로 피드백 제어함으로써 발바닥모듈(100)이 지면(GL)과 평행을 이루도록 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 발 착지 제어시스템을 통한 로봇 발바닥의 움직임을 나타낸 도면으로써, 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 적외선 센서의 경우 측정 범위가 제한되어 있는 것이 보통이다. 즉, 로봇의 발바닥모듈(100)이 지면(GL)과 너무 근접해 있는 경우에는 실질적으로 유효한 거리값을 알기 어렵고, 너무 멀리 떨어져 있는 경우에는 그 거리값의 의미가 없는 경우도 있다.

따라서, 로봇의 보행시 공중에서 스윙하고 있으며 지면(GL)에 디디려고 하는 발바닥모듈(100)의 경우 지속적으로 발바닥모듈(100)과 지면(GL)과의 상대거리를 측정하며, 상대거리가 도 3의 D와 같이 된 경우부터 제어부(400)는 발바닥모듈(100)의 상대각도를 제어하여 지면(GL)과 발바닥모듈(100)이 평행이 되도록 한다. 그리고 로봇이 보행을 하는 도중에도 지속적으로 발바닥모듈(100)과 지면(GL)이 평행이 되도록 실시간으로 피드백제어 함으로써 지면(GL)각도가 변동되더라도 발바닥모듈(100)은 실시간으로 평행이 되도록 하는 것이다. 그리고 이와 같이 평행이 완료된 상태에서 로봇의 발바닥모듈(100)은 지면(GL)과 상대거리가 D'가 되는데, 적외선 센서의 종류에 따라서는 거리 D' 이내에서는 측정이 어려운 경우가 있어 그 이하의 값은 무시하고 더 이상 발바닥모듈(100)의 상대각도 변화는 주지 않도록 하는 것이다.

이러한 보행제어의 과정을 통해 로봇의 보행을 제어함에 있어 지면(GL)과 평행 상태로 발바닥이 지면(GL)과 접촉하고 보행을 할 수 있도록 하여 다양한 지면(GL)의 각도에도 대응하며 안정적으로 균형을 유지할 수 있는 것이다.

특히 로봇의 발바닥에 거리측정을 위한 센서를 설치하고, 이를 통해 발바닥이 지면(GL)과 이루는 상대적인 각도를 연산함으로써 비교적 정확하고 실시간으로 로봇의 현재 발바닥의 각도를 측정할 수 있는 장점이 있다.

그리고 이를 통해 로봇이 보행중 공중에서 발바닥이 미리 지면(GL)과 평행을 이루도록 실시간으로 제어하고, 평행을 이룬 상태에서 지면(GL)에 발바닥이 착지하도록 함으로써 안정적인 보행의 제어가 가능하다.

본 발명의 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.

100 : 발바닥모듈 200 : 거리센서
400 : 제어부 600 : 구동부
GL : 지면

Claims (13)

1. 중심축을 기준으로 양측에 배치되는 복수의 거리센서가 마련되고, 각각의 거리센서는 거리센서와 지면 사이의 거리를 측정하는 로봇의 발바닥모듈; 및
   복수의 거리센서로부터 측정된 지면과의 거리값을 수신하고, 각각의 수신된 거리값들과 복수의 거리센서간의 이격거리를 이용하여 발바닥모듈과 지면이 이루는 상대각도를 연산하는 제어부;를 포함하며,
   제어부는 복수의 거리센서들에서 측정된 거리값들의 평균을 구함으로써 발바닥모듈이 지면과 이루는 상대거리를 연산하고, 상대거리가 일정범위 이내에 위치되는 경우 발바닥모듈과 지면이 이루는 상대각도를 보상하도록 발바닥모듈의 구동부를 실시간으로 피드백 제어함으로써 발바닥모듈이 지면과 평행을 이루도록 하는 것을 특징으로 하는 로봇 발 착지 제어시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   제어부는 복수의 거리센서로부터 수신된 각 거리값의 차이값과 거리센서간의 이격거리를 삼각함수에 대입하여 발바닥모듈과 지면이 이루는 상대각도를 연산하는 것을 특징으로 하는 로봇 발 착지 제어시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   발바닥모듈은 전방좌측, 전방우측, 후방좌측, 후방우측의 각 지점에 거리센서가 각각 마련된 것을 특징으로 하는 로봇 발 착지 제어시스템.
4. 청구항 3에 있어서,
   제어부는 전방좌측과 후방좌측 거리센서의 거리값들의 평균인 좌측평균값을 도출하고, 전방우측과 후방우측 거리센서의 거리값들의 평균인 우측평균값을 도출하며, 좌측평균값과 우측평균값의 차이값 및 발바닥모듈의 폭값을 역탄젠트 함수에 대입하여 발바닥모듈이 지면과 이루는 롤링각도를 연산하는 것을 특징으로 하는 로봇 발 착지 제어시스템.
5. 청구항 4에 있어서,
   발바닥모듈의 폭값은 전방좌측 거리센서와 전방우측 거리센서 사이의 이격거리인 전방거리 및 후방좌측 거리센서와 후방우측 거리센서 사이의 이격거리인 후방거리의 평균값인 것을 특징으로 하는 로봇 발 착지 제어시스템.
6. 청구항 3에 있어서,
   제어부는 전방좌측과 전방우측 거리센서의 거리값들의 평균인 전방평균값을 도출하고, 후방좌측과 후방우측 거리센서의 거리값들의 평균인 후방평균값을 도출하며, 전방평균값과 후방평균값의 차이값 및 발바닥모듈의 길이값을 역탄젠트 함수에 대입하여 발바닥모듈이 지면과 이루는 피칭각도를 연산하는 것을 특징으로 하는 로봇 발 착지 제어시스템.
7. 청구항 6에 있어서,
   발바닥모듈의 길이값은 전방좌측 거리센서와 후방좌측 거리센서 사이의 이격거리인 좌측거리 및 전방우측 거리센서와 후방우측 거리센서 사이의 이격거리인 우측거리의 평균값인 것을 특징으로 하는 로봇 발 착지 제어시스템.
8. 청구항 1에 있어서,
   발바닥모듈은 전방중앙, 후방중앙, 좌측중앙, 우측중앙의 각 지점에 거리센서가 각각 마련된 것을 특징으로 하는 로봇 발 착지 제어시스템.
9. 청구항 8에 있어서,
   제어부는 전방중앙과 후방중앙의 거리센서들의 거리값들과 발바닥모듈의 길이값을 이용하여 발바닥모듈이 지면과 이루는 피칭각도를 연산하고, 좌측중앙과 우측중앙의 거리센서들의 거리값들과 발바닥모듈의 폭값을 이용하여 발바닥모듈이 지면과 이루는 롤링각도를 연산하는 것을 특징으로 하는 로봇 발 착지 제어시스템.
10. 삭제
11. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 발바닥모듈과 지면이 이루는 상대각도를 연산하고, 발바닥모듈의 구동부를 제어하여 발바닥모듈이 연산된 상대각도만큼 역으로 움직이도록 함으로써 발바닥모듈과 지면이 평행을 이루도록 하는 것을 특징으로 하는 로봇 발 착지 제어시스템.
12. 삭제
13. 삭제

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