KR101986919B1 - 충돌 회피 및 궤도 복원 기능을 가진 휴머노이드 로봇 - Google Patents

충돌 회피 및 궤도 복원 기능을 가진 휴머노이드 로봇 Download PDF

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Abstract

발명은 궤도 실행을 위해 하측 사지 상에서 이동할 수 있는 휴머노이드 로봇에 관련된다. 발명에 따르면, 로봇은 속도의 함수로 동체 주위로 형성되는 안전 구역 내 장애물 침입을 검출할 수 있다. 바람직한 경우, 로봇이 기규정된 궤도를 실행할 때, 장애물과의 충돌을 회피하는 로봇이 장애물 회피 후 원 궤도에 재합류할 것이다. 로봇 속도 및 궤도 재합류는 초기 궤도와 재동기화되도록 적응된다. 유리하게도, 로봇의 상측 부재의 연결부 속도는 장애물과의 거리가 기설정 최소값 미만으로 감소하는 경우에 적응된다. 또한, 연결부는 장애물과 상측 부재의 충돌이 예측되는 경우에 정지된다.

Description

충돌 회피 및 궤도 복원 기능을 가진 휴머노이드 로봇 {HUMANOID ROBOT WITH COLLISION AVOIDANCE AND TRAJECTORY RECOVERY CAPABILITIES}
본 발명은 로봇 프로그래밍 시스템 분야에 관한 것이다. 특히, 발명은 사람 또는 동물 형태의 로봇과 같은, 관절 사지 상에서 움직이는, 그리고 사지를 이용하는, 로봇의 거동 및 모션의 편집 및 제어에 적용된다.
로봇은 소정의 사람 외양의 속성 - 머리, 몸통, 두 팔, 두 다리, 등 - 을 가질 때의 순간으로부터 휴머노이드로 인정받을 수 있다. 그러나 휴머노이드 로봇은 조금 더 또는 조금 덜 정교할 수 있다. 팔다리가 보다 더 많은 또는 보다 더 적은 개수의 관절을 가질 수 있다. 자체 균형을 정적으로 그리고 동적으로 제어할 수 있고, 2개의 다리로, 가능하다면 3차원적으로, 걸을 수 있으며, 또는 기저부 위에서 간단히 구를 수 있다. 휴머노이드는 환경으로부터 신호("듣고", "보고", "만지고", "감지하고", 등) 를 수득할 수 있고, 대체로 정교한 거동에 따라 반응하며, 말하기(speech) 또는 제스처에 의해 다른 로봇 또는 사람과 상호작용할 수 있다.
휴머노이드 로봇은 주어진 환경에서 단순히 A 지점으로부터 B 지점까지 또는 기규정된 시나리오에 따라 이동하도록, 또는 심지어 춤을 추도록 항법할 수 있다. 심지어 안무에 따라 협업하는 복수의 휴머노이드 로봇이 존재할 수 있다. 이러한 모든 시나리오에서, 예를 들어, 장애물이 궤도 간에 또는 멤버들의 움직임 간에 나타날 때와 같이, 로봇이 예상치않은 상황에 대처할 수 있다. 또한, 기계적 거동을 표시하는 방향의 절도있는 변화 대신에 충돌을 피하도록 궤도 또는 제스처의 매끄러운 변화와 같이, 사람처럼, 이러한 예상치않은 상황에 대처할 수 있는 로봇이 휴머노이드라는 인상을 발전시키는 것이 더욱 중요하다. 또한, 충돌을 피하기 위해, 로봇이 회피 시퀀스 이전에 실행되었던 제스처를 중단시키거나 궤도를 변경시켜야 할 때, 로봇이 사람이 하듯이 이전 궤도 또는 제스처를 재개하는 것이 매우 바람직하다.
종래 기술의 일부 해법에서, 충돌 회피는, 충돌 이전에 급작스런 중지 또는 방향 변화를 명령하여 로봇을 안전 모드로 배치함으로써, 대게 다루어진다. 이는 물론 만족스런 사용자 경험이 아니다.
특히 미국특허 제7,778,776호에서 개시되는, 다른 해법은, 장애물 주위로 침입불가 또는 안전 영역을 설정하고 소정의 제동 거리에서 로봇을 중지시키거나 회피 경로를 연산하는 과정을 포함한다. 그러나, 모든 장애물에 대해 안전 영역이 연산될 필요가 없기 때문에, 이러한 종래 기술의 해법은 매우 컴퓨터(연산) 집약적이다.
본 발명은 단일 안전 영역이 유지될 필요가 있도록, 로봇 주위에 안전 영역을 컴퓨팅함으로써 이 문제점을 해결한다.
이를 위해, 발명은 휴머노이드 로봇(100)의 상측 및 하측 부재 중 적어도 하나의 궤도(530a, 730) 제어 방법을 개시하며, 상기 방법은,
상기 로봇의 메모리에 목표 지점과 함께 초기 궤도를 저장하는 단계와,
적어도 상기 로봇의 온보드로부터 제어되는 감지 과정으로부터, 하나 이상의 장애물(540b, 910c)의 위치를 나타내는 데이터를 획득하는 단계와,
상기 로봇의 온보드 프로세서에 의해, 상기 로봇의 속도 및 방향에 따라 결정되는, 상기 로봇의 안전 영역(410b, 810)과, 상기 안전 영역 및 상기 하나 이상의 장애물의 상대적 위치와, 상기 안전 영역과 장애물의 충돌 개연성과, 일련의 명령들을, 연산하는 단계를 포함하며,
상기 일련의 명령들은, 상기 로봇의 상측 및 하측 부재들 중 적어도 하나의 속도 및 궤도 중 적어도 하나를 변화시키기 위한 명령으로서, 상기 일련의 명령은i) 안전 영역이 장애물과 충돌하는 것을 피하고, ii) 초기 타이밍에 메모리에 저장된 초기 궤도의 목표 지점에 재합류하고, 초기 제스처의 방향 및 콘텐트(content)를 보존하기 위하여, 상기 로봇의 상측 및 하측 부재 중 적어도 하나의 속도 또는 궤도 중 적어도 하나를, 공간 및 시간 중 적어도 하나에서 변화시킬 수 있도록 한다.
유리하게도, 상기 초기 궤도는 공간 및 시간으로 참조된다.
유리하게도, 상기 감지 과정은 복수의 레이저 라인 제너레이터, 복수의 이미징 센서, 복수의 음향 센서, 및 복수의 접촉 검출기 중 적어도 하나에 의해 수행된다.
유리하게도, 상기 감지 과정은, 복수의 레이저 라인 제너레이터, 복수의 이미징 센서, 복수의 음향 센서, 및 복수의 접촉 검출기 중 적어도 2개에 의해 수행된다.
유리하게도, 상기 화소들의 맵은 제1 감지 과정과 관련하여 상기 화소들의 맵 내 장애물 부재 확률의 신뢰도 레벨의 추정치를 증가시키는 제2 감지 과정 및 데이터 융합 프로세스의 출력에서 생성된다.
유리하게도, 상기 맵의 화소 내 장애물 부재 확률은 보다 높은 확률을 가진 감지 과정의 출력에 의해 업데이트되지 않을 경우 기설정 시간 파라미터 동안 0.5까지 감소한다.
유리하게도, 상기 로봇의 풋프린트의 안전 영역은, 로봇 주위의 사전에 결정된 안전거리(security distance) 및 상기 로봇의 속도에 기초하여 연산된다.
유리하게도, 상기 일련의 명령은 임의의 장애물과 상기 안전 영역의 충돌을 회피하기 위해 변화된 궤도를 결정하도록 연산된다.
유리하게도, 상기 일련의 명령은 상기 로봇이 상기 초기 궤도 상의 목표 지점에 도달해야할 때의 시간에 상기 초기 궤도의 목표 지점에 재합류할 수 있도록 변화된 궤도 및 변화된 속도를 결정하도록 또한 연산 된다.
유리하게도, 상기 로봇의 상측 부재는 모터로 작동되는 연결부에 의해 함께 관절화된 세그먼트들의 체인을 포함한다.
유리하게도, 상기 로봇의 일 부재의 안전 영역이 관절화된 세그먼트 주위로 사전에 결정된 안전 거리에 기초하여 연산된다.
유리하게도, 상기 일련의 명령은 안전 영역이 장애물에 접근할 때 관절화된 세그먼트의 연결부의 모터의 각속도 감소를 결정하도록 연산된다.
유리하게도, 상기 연결부의 모터의 각속도 감소는 체인의 최대 속도를 포화시키도록 연산된다.
발명은 휴머노이드 로봇을 또한 개시하며, 상기 로봇은,
적어도 하나의 상측 부재 및 하측 부재와,
목표 지점과 함께 초기 궤도 및 컴퓨터 코드 명령어를 저장하는 메모리와,
하나 이상의 장애물의 위치를 나타내는 데이터를 획득하도록 구성되는 복수의 감지 모듈과,
상기 컴퓨터 코드 명령어를 실행하도록 구성되는 프로세서를 포함하며,
상기 프로세서는, 상기 로봇의 상측 및 하측 부재 중 적어도 하나와 상기 로봇의 풋프린트 중 하나의 안전 영역과, 상기 안전 영역 및 상기 하나 이상의 장애물의 상대적 위치와, 상기 안전 영역과 장애물의 충돌 개연성과, 일련의 명령들을, 연산할 수 있고,
상기 일련의 명령들은, 상기 로봇의 상측 및 하측 부재들 중 적어도 하나의 속도 및 궤도 중 적어도 하나를 변화시키기 위한 명령으로서, 상기 일련의 명령은 i) 장애물과 안전 영역의 충돌을 회피하기 위해, 그리고, ii) 적절하고 가능한 시기에, 메모리에 저장된 초기 궤도의 목표 지점에 재합류하기 위해, 공간 및 시간 중 적어도 하나로 조건설정된다.
발명은 또한, 복수의 로봇에 의해 실행되는 안무 내에서, 또는 자체적으로 로봇에 의해 실행되는 안무의 일부분인지, 또는, 사전에 결정된 위치로 이동하기 위해 로봇의 항법 단계의 일부분으로만 궤도가 연산되는지 여부에 관계없이, 기연산된 궤도에 로봇이 재합류할 수 있게 한다. 이러한 실시예에서, 로봇의 궤도는 기계획된 궤도와 재-동기화되어, 매우 자연스럽게 충돌을 방지할 수 있다. 유리하게도, 로봇의 상측 부재는 환경 내 장애물을 회피할 수 있도록 하기 위해 또한 제어된다. 이러한 실시예에서, 상측 부재의 제스처는 또한 기계획된 제스처와 다시 동기화되거나, 또는, 모두 가장 자연스럽게 나타나도록 적응된다.
발명은 다수의 예시적 실시예의 다음 설명과, 다음과 같은 첨부 도면으로부터 그 다양한 특징 및 장점이 나타날 것이다.
도 1은 발명의 다수의 실시예에서 휴머노이드 로봇의 물리적 구조를 도시하고,
도 2는 발명의 다수의 실시예의 로봇의 소프트웨어 모듈의 기능적 구조를 도시하며,
도 3은 발명의 다수의 실시예에서 발명의 방법의 일 형태를 구현하기 위한 순서도를 도시하고,
도 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f는 발명의 다수의 실시예에서 로봇 주위로 안전 영역의 연산을 더 상세한 방식으로 도시하며,
도 5a, 5b, 5c는 발명의 다수의 실시예에서 재-동기화된 궤도의 연산을 더 상세한 방식으로 도시하고,
도 6은 발명의 다수의 실시예에서 발명의 다른 형태를 구현하기 위한 순서도를 도시하며,
도 7은 발명의 다수의 실시예에서 발명의 로봇의 상측 부재들의 부재 작용을 나타내고,
도 8은 발명의 다수의 실시예에서 로봇의 상측 부재를 고려한 안전 영역의 연산을 도시하며,
도 9a, 9b, 9c, 9d는 발명의 다수의 실시예에서 상이한 충돌 회피 전략을 도시한다.
도 1은 발명의 다수의 실시예에서 휴머노이드 로봇의 물리적 구조를 도시한다.
도면의 구체적 로봇(100)은 발명을 구현할 수 있는 휴머노이드 로봇의 단지 한 예로 간주된다. 도면 상의 로봇의 하측 사지는 워킹 기능을 하지 않지만, 표면 상에서 구르도록 기저부(140) 상에서 임의의 방향으로 이동할 수 있다. 발명은 워킹에 맞는 로봇으로 쉽게 구현될 수 있다. 예를 들자면, 이 로봇은 약 120cm 주변의 높이(110), 65cm 주변의 깊이(120), 및 40cm 근처의 폭(130)을 갖는다. 구체적 실시예에서, 발명의 로봇은 환경과 메시지(오디오, 비디오, 웹 페이지)를 통신할 수 있는, 또는, 사용자로부터 태블릿의 촉각 인터페이스를 통해 입력을 수신할 수 있는, 태블릿(150)을 가진다. 태블릿의 프로세서에 추가하여, 발명의 로봇은 그 자체 마더보드의 프로세서를 또한 이용하며, 이는 예를 들어, Intel™ 사의 ATOM ™ Z530 일 수 있다. 발명의 로봇은 마더보드와, 특히, 발명의 구체적 실시예에서, 로봇이 휠로 이용하는 볼 및 사지의 연결부들(joints)의 모터를 제어하는 센서와 자기 회전 인코더(MRE)를 지닌 보드 사이의 데이터 흐름의 취급을 전용으로 하는 프로세서를 또한 유리하게 포함한다. 모터는 유한한 연결부를 위해 필요한 최대 토크의 크기에 따라, 상이한 유형의 것일 수 있다. 예를 들어, e-minebea™ 사의 브러시 DC 코어리스 모터(예를 들어, SE24P2CTCA)가 사용될 수 있고, 또는 Maxon™ 사의 브러시리스 DC 모터(예를 들어, EC45_70W)가 사용될 수 있다. MRE는 12 또는 14비트 정밀도의, 홀 효과를 이용한 유형의 것이 바람직하다.
발명의 실시예에서, 도 1 상에 디스플레이되는 로봇은 다양한 종류의 센서를 또한 포함한다. 그 중 일부는 로봇의 위치 및 움직임을 제어하는데 사용된다. 이는 예를 들어, 3-축 자이로미터 및 3-축 가속계를 포함하는, 로봇의 몸통에 위치한, 관성 유닛(inertial unit)의 경우일 수 있다. 로봇은 Shenzen V-Vision Technology Ltd™ 사의 제품(OV5640)과 같은, 시스템 온 칩(SOC) 유형의 로봇의 포헤드(forehead)(상부 및 하부) 상에 2개의 2D 칼라 RGB 카메라(160)를 또한 포함할 수 있고, 이는 수평 약 57도 및 수직 44도의 시야 범위(FOV)와, 초당 5프레임에서 5백만 화소의 해상도를 가진다. 하나의 3D 센서(170)가 2D 카메라와 대략 동일한 FOV를 갖는, 초당 20 프레임에서 30만 화소의 해상도를 가진 ASUS XTION™ SOC 센서와 같이, 로봇의 눈 뒤에 또한 포함될 수 있다. 발명의 로봇은 환경 내 물체/사람에 대한 상대적 위치를 감지할 수 있도록, 예를 들어, 머리(180a)에 3개, 그리고, 기저부(180b)에 3개씩, 레이저 라인 제너레이터를 또한 갖출 수 있다. 발명의 로봇은 환경 내 소리를 감지할 수 있는 마이크로폰을 또한 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 300Hz 내지 12kHz의 주파수 범위에서 1kHz에서 300mV/Pa +/-3dB의 감도를 가진 4개의 마이크로폰(1kHz 대비 -10dB)이 로봇의 머리 상에 구현될 수 있다. 발명의 로봇은 환경 내 물체/사람에 대한 거리를 측정하기 위해, 기저부의 전방 및 후방에 위치할 수 있는, 2개의 소나 센서(sonar sensor)(190)를 또한 포함할 수 있다.
로봇은 사람과의 상호작용을 위해 머리와 손에 촉각 센서를 또한 포함할 수 있다. 로봇은 경로 상에서 만나는 장애물을 감지하기 위해 기저부 상에 범퍼(1B0)를 또한 포함할 수 있다.
로봇은 계획된 궤도 및 실제 궤도 간의 차이를 연산함으로써 터치하는 물체와 상부 부재의 접촉을 또한 감지할 수 있다. 이 효과를 위한 방법은, EP 14305848.5로 동일 출원인에 의해 동일 날짜에 출원된 유럽특허출원에 의해 개시되고 있다.
감정을 변환하고 환경 내 사람과 통신하기 위해, 발명의 로봇은
- 예를 들어, 눈, 귀에, 그리고, 어깨 상에, LED와,
- 귀 안에 위치하는 예를 들어, 2개의, 스피커
를 또한 포함할 수 있다.
발명의 로봇은 이더넷 RJ45 또는 와이파이 802.11 연결을 통해 기지국 또는 다른 로봇과 통신할 수 있다.
발명의 로봇은 약 400Wh의 에너지를 갖는 리튬 철 포스페이트 배터리에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 로봇은 포함하는 배터리 유형에 알맞는 충전소에 액세스할 수 있다.
로봇의 위치/움직임은 센서의 측정에 입각하여 사지 각각에 의해 형성된 체인과, 사지 각각의 단부에 형성된 이펙터(effectors)를 활성화시키는 알고리즘을 이용하여, 모터에 의해 제어된다.
센서(160, 170, 180, 190, 1A0, 1B0)로부터 또는 물체와 상측 부재와의 접촉 평가 결과로부터, 로봇의 컴퓨팅 모듈은 유럽특허출원번호 EP 14305849.3으로 동일 날짜에 출원된 유럽특허출원에 의해 개시되는 바와 같이, 그 환경에서 장애물들의 로컬 맵을 컴퓨팅할 수 있다.
도 2는 발명의 다수의 실시예에서 로봇의 소프트웨어 모듈의 기능적 구조를 도시한다.
도 2는 실시예들 중 여러가지에서 발명을 구현할 수 있는 물리적 및 기능적 구조의 도면이다. 이러한 유형의 로봇은 발명의 실시예에서 로봇의 기능을 파일롯할 수 있는 하이 레벨 소프트웨어를 유리하게 부여받는다. 이러한 유형의 소프트웨어 구조, 더빙된 NAOQI는, 특히, 2009년 10월 15일 공개된 특허출원 WO 2009/124955호에 개시되어 있다. 이는 본 발명의 구현에 필요한 소프트웨어 인프러스트럭처를 제공하는 교환 소프트웨어 및 원격 사이트 또는 PC와 로봇 간의 통신을 관리하기 위한 기본 기능을 포함한다. 또한, 유럽특허출원 EP14305578.8은 고급형 상호작용/대화 기능을 갖춘 로봇의 작동을 위해 설계된 운영 체제를 개시한다.
NAOQI는 로봇 애플리케이션용으로 최적화된 프레임웍으로서, 여러 언어, 특히, C++, Python, 및 Urbi를 지원한다. 본 발명의 범주 내에서, NAOQI의 다음 모듈이 특히 유용하다:
- 모듈 ALMemory(210)는 NAOQI의 다양한 모듈들 간에 공유되는 메모리를 관리하고,
- 모듈 DCM(220)은 물리적 로봇(모터, 센서)과의 통신을 관리하며,
- 모듈 ALRobotPose(230)는 기준 자세(posture)와 비교함으로써 로봇의 현 w자세를 컴퓨팅하고,
- 모듈 ALMotion 모듈(240)은 로봇의 움직임을 관리한다.
이러한 4개의 모듈들은 C++로 유리하게 코딩된다. 도면은 모듈들 간의 데이터 흐름을 또한 표시한다.
특히, 추락 충돌 회피 기능의 구현에 필요한 입력은 다음과 같다:
- 센서(예를 들어, 카메라, 레이저 라인 발생기, 소나, 촉각 센서)의 값,
- 로봇의 자세.
충돌 가능성 검출하는 경우에, 본 발명을 구현하도록 설계된 구체적 기능들은 로봇의 궤도를 업데이트하기 위한 명령을 보낸다.
각각의 모듈에 의해 처리되는 데이터에 대한 리프레시 사이클의 값이, 단지 예시로서, 도면에 또한 표시된다: 로봇 자세 업데이트의 경우 20ms이고, 센서들 중 일부의 값에 대해 10ms 다. 로봇 환경에서 장애물 맵은 매 100ms 마다 리프레시될 수 있고, 이는 단지 예시로서, 3D 카메라에 의해 획득되는 이미지 처리를 위한 전형적인 사이클 시간에 해당한다.
도 3은 다수의 실시예에서 발명의 방법의 일 형태를 구현하기 위한 순서도를 도시한다.
AlRobotPose 모듈(230)로부터 얻은 로봇 순간 속도 및 가속도(310)는 연속적으로 처리되어 로봇 정지 거리(320)를 컴퓨팅할 수 있고, 로봇 전방 안전 거리(330)가 이로부터 연산된다.
이러한 출력 및 연산된 로봇 위치로부터, 로봇 안전 영역(340)이 결정된다.
발명은 로봇이 움직이기 위해 장애물이 없어져야하는 로봇 주위 영역을 규정한다. 이러한 영역의 크기 및 형상은 병진 및 회전 운동에서의 로봇 순간 속도에 달려 있다. 안전 영역의 형상은 다음과 같이 결정된다:
- 로봇의 어떤 지점도 최소 거리라 불리는 소정의 거리(순수히 예시적인 구현예에서 10cm) 보다 가까이 장애물에 다가와서는 안됨,
- 정지 로봇에 의해 쓸려가는 영역 내부에 어떤 지점도 위치해서는 안되고, 로봇은 즉시 중지되어야 함.
- 모션 방향으로 안전 영역 크기는 연속적으로 로봇 정지 거리에 따라 좌우되는 "전방 거리"(frontal distance)라 불리는 소정의 거리에 의해 증가하며, 발명의 일 구현예에서, 단지 예로서, 전방 거리는 저속에서 최소 거리(즉, 10cm)와 같고, 최고속에서 40cm와 같으나, 로봇의 실제 속도에 따라, 다른 값들이 선택될 수 있고, 아래 공식을 이용하여 연산될 수 있으며, 이는 표에서 결과를 되보낸다.
최대 전방 거리에 포함되는 추가의 거리는 로봇 주위의 사람의 편안함, 센서 지연, 센서 불확실성을 고려한다. 전방 안전 거리 F는 다음의 공식으로부터 컴퓨팅된다:
F = MD + SD/MSD x (MFD - MD)
여기서:
MD = 최소 거리
SD = 정지 거리
MSD = 최대 정지 거리
MFD = 최대 전방 거리
로봇 속도의 함수(미터/초)로 전방 안전 거리(미터)의 예가 아래 표에서 주어진다:
속도(m/s) 전방 안전 거리(m)
0.1 0.12
0.2 0.17
0.3 0.25
0.35 0.30
0.4 0.35
0.5 0.40
0.55 0.40
알다시피, 0.1m/s의 최저속으로 이동하는 로봇의 최소 전방 안전 거리는 움직이지 않는 로봇의 절대 한도인 10cm의 최소 거리 바로 위다. 그 후 전방 안전 거리는 본 발명에 의해 개시되는 유형의 휴머노이드 로봇의 가장 흔한 디폴트 속도인 0.35m/s의 속도에 대해 30cm까지 증가한다.
전방 안전 거리는 40cm의 전방 안전 거리가 필요한 로봇의 최고속(0.55m/s) 너머까지 증가하지 않는다.
도 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f는 발명의 다수의 실시예에서 로봇 주위로 안전 영역의 연산을 더 상세한 방식으로 도시한다.
이러한 도면 상에서, 자동 로봇(410a, 410c, 410e)은 배향 속도(420a, 420c, 420e)로 이동하고 있다. 속도(420c)가 속도(420a)보다 크다는 것을 알 수 있다. 또한, 로봇(410e)의 움직임은 로봇(410c)의 전방 속도(420c)와 대략 동일한 전방 속도(420e)로, 로봇의 좌측으로 배향된다.
안전 영역(410b, 410d, 410f)은 로봇 주위로 형성되고, 이러한 안전 영역은 로봇 속도에 의해 결정되는 상이한 크기를 가진다. 도 4b, 4d, 4f에서, 삼각형(420b, 420d, 420f)의 배향은 로봇의 움직임 배향에 의해 결정된다. 한편, 삼각형(420b, 420d, 420f)의 크기는 로봇의 순간 속도에 좌우되고, 그 각자의 크기는 로봇의 속도와 함께 증가한다. 안전 영역은 로봇 주위로 형성되고, 종래 기술에서와 같이 각각의 장애물 주위로 형성되는 것이 아니다. 또한, 안전 영역은 도 4f에 도시되는 바와 같이 로봇과 함께 회전한다.
도 5a, 5b, 5c는 발명의 다수의 실시예에서 재-동기화된 궤도의 연산을 더 상세한 방식으로 도시한다.
발명의 로봇은 제 1 지점(510a)으로부터 제 2 지점(520a)까지 이동하기 위해 로봇의 목표(objective)에 의해서만 지향되는 변위를 실행할 수 있다. 이러한 상황 하에서, 로봇 부재들의 변위 및 관련 움직임의 타이밍이 그다지 중요하지 않다. 따라서, 장애물(540b) 회피를 위해 제 1 지점으로부터 제 2 지점까지 이동할 궤도(530a)를 변화시켜야 하는 로봇은 장애물 회피를 위해 우회를 행한 후 제 2 지점에 재합류하기 위해 시간 제약을 받지 않을 것이다. 그러나 로봇 부재들의 변위 및 모션은 독립적인 로봇으로, 또는 다른 로봇과 또는 사람과 연계하여, 안무 수행을 위해 조화를 이루어야 하며, 제 2 지점(520a)에 도달할 때의 시간은 안무와 일관될 필요가 있다 - 즉, 초기에 계획된 시간과 동일하여야 한다.
장애물(540b)이 충돌 경로 상에 있을 가능성이 있다고 결정될 때 초기 궤도(530a)가 변경될 것임을 도면 상에서 알 수 있다.
로봇이 궤도 상에서 진행할 때 로봇 주위로 안전 영역 내 장애물 존재는 예를 들어, 동일 양수인의 명의로 본 출원과 동일자로 출원된 유럽특허출원 EP 14305849.3호에 의해 개시된 방법을 이용하여 검출된다. 이 방법에 따르면, 로봇 환경의 로컬 화소 맵이 로봇 주위로 형성되고, 다수의 센서(통상적으로, 카메라 - 2D 또는 3D, 레이저 라인 제너레이터, 소나, 촉각 센서, 등)로부터 측정치들을 상관시킴으로써, 궤도 상에 장애물이 없을 확률이 결정된다. 맵은 로봇의 진행 표면 상에 돌출되는 기저부를 가진 실린더일 수 있으나, 일부 구현예에서, 풀 3D 볼륨일 수도 있다.
해당되는 경우에, 초기 궤도(550c)가 실행되지 않고 새 세그먼트(560c)로 대체되며, 이 경우에 로봇 속도는 로봇이 최초에 계획될 때의 순간에 제 2 지점(520a)에서 재합류할 수 있도록 적응되어야 한다. 따라서, 발명의 방법은 로봇 방향만 변경하거나 중지시키는 모션을 자동적으로 컴퓨팅하고 그 후 제 2 지점에서 초기 궤도에 재합류하며, 그러면서도 정확한 절대 위치 및 궤도 타이밍을 유지한다.
도 6은 다수의 실시예에서 발명의 다른 형태 구현을 위한 순서도를 도시한다.
발명은 로봇의 부재들에 의해 실행되는 움직임의 경우에 궤도의 초기 타이밍을 보존하면서 궤도 상에서 장애물과의 충돌을 회피하는 동일 문제를 또한 해결한다.
이러한 경우에, 문제점은 제스처의 속도 및 진폭을 변화시킬 수 있으면서, 초기 제스처의 콘텐트 및 일반적 방향을 지키면서 충돌을 회피할 수 있는 방식으로 제어되어야 하는 연결부 움직임에 있다.
이 결과는 예를 들어 다음의 단계들을 구현함으로써 실현된다:
- 모든 제어 사이클에서, 모션 컨트롤러는 모든 관절에 대해 연결부 목표 위치를 입력으로 취한다(610); 이 목표는 안무화된 애니메이션으로부터 나타날 수 있고 또는 연산 결과일 수 있다.
- 이러한 목표 위치로부터, 방법은 로봇의 매 지점의 목표 속도를 컴퓨팅한다(620);
- 모든 지점에 대하여, 방법은 지점을 지닌 체인에 대한 최대 연결부 속도를 컴퓨팅한다(630); 이 속도는 지점 근처 장애물 위치에 달려 있다(640). 장애물이 지점 근처에 있고 목표 속도 방향으로 있을 때 속도는 낮고, 장애물이 멀리 있거나 지점 목표 속도의 반대 방향에 있을 때 경계가 없어지며(국한되지 않으며), 그 사이의 상대적 장애물 위치에 연속적으로 좌우된다.
따라서 체인 내 연결부의 속도는 최대 안전 값에서 포화된다.
연결부 속도의 최대 안전값은 예를 들자면, 아래 설명되는 바와 같이 연산될 수 있다.
로봇 지점에 대한 장애물의 극좌표 위치(d, θ)가 표시되고, 장애물이 목표 속도 방향에 있을 때 θ = 0 이다. f(d, θ)가 체인 최대 안전 속도, θmin, θmax, dmin, dmax, fmin, fmax가 소정의 사용자 규정 파라미터라고 하자. 그랬을 때,
f(d, θ) = fmin , if θ ≤ θmin and d ≤ dmin
f(d, θ) = fmin + (d - dmin)/(dmax - dmin) * fmax , if θ ≤ θmin and dmin≤ d ≤ dmax
f(d, θ) = fmax , if θ 5 ≤ θmin and dmax ≤ d
f(d, θ) = f(d, 0) + (θ - θmin)/(θmax - θmin) * (fmax - f(d, 0)), if θmin ≤ θ ≤ θmax
f(d, θ) = fmax if θ ≥ θmax
일 실시예에서, 우리는 다음의 사용자 규정 파라미터를 이용할 수 있다:
θmin = π/4 rad, θmax = 3π/4 rad, dmin = 0.1 m, dmax = 0.5 m, fmin = 0 rad/s, fmax = 6 rad/s.
그러나 로봇의 사용 시나리오에 따라, 다른 값들이 사용될 수 있다. 로봇 환경에 따라, 파라미터의 동적 세팅을 또한 규정한다.
그 후, 결과 모션이 연산된다(650).
도 7은 다수의 실시예에서 발명의 로봇의 상측 부재의 부재들의 작동을 도시한다.
상측 부재 체인의 목표 위치(720)는 연산에서 입력되고, 궤도(730)를 이용하여 초기 위치(710)로부터 목표 위치(720)까지 부재 체인을 이동시키기 위한 제스처는, 장애물로부터 연결부의 거리를 고려하여 속도 포화를 이용하여 각각의 연결부에 대해 연산된다.
장애물 위치는, 예를 들어, 이미 언급된 장애물의 맵을 이용하여 결정되고, 실린더가 2D 맵 위에, 또는, 2D 맵에 추가하여, 센서들 중 일부(예를 들어, 3D 카메라)로부터 직접 얻은 다수의 기준점들을 이용하여, 구축된다. 일부 실시예에서, 절대 최소 안전 거리가 각각의 연결부 주위로 형성될 수 있다. 유리하게도, 이러한 절대 안전 거리는 대략 10cm 다.
도 8은 발명의 다수의 실시예에서 로봇의 상측 부재를 고려한 안전 영역의 연산을 도시한다.
이 도면은 로봇의 일 지점에 대한 장애물 위치(x, y) 및 목표 속도 방향(840)에 좌우되는 최대 속도를 도시한다. 진한 그레이 구역(810)에서, 최대 속도는 널(null)이다. 옅은 그레이 구역(820)에서, 최대 속도는 불변이다. 중간 그레이 구역(830)에서 로봇의 체인 내 연결부들의 속도는 이미 설명한 바와 같이 포화 속도를 규정함으로써 변화한다.
도 9a, 9b, 9c, 9d는 발명의 다수의 실시예에서 상이한 충돌 회피 전략을 도시한다.
이 도면의 예시에서, 도 9a에 도시되는 바와 같이, 우측으로 기준 모션을 가진, 단일 연결부가 고려된다.
도 9b에서, 장애물(910b)이 옅은 그레이 구역(820)에 있기 때문에 모션이 불변이다.
도 9c에서, 장애물(910c)이 중간 그레이 구역(830)에 있기 때문에 모션이 느려진다.
도 9d에서, 장애물(910d)이 진한 그레이 구역(810)에 있기 때문에 모션이 중지된다.
따라서, 로봇 주위의 안전 구역은 진행 표면 상의 장애물과, 진행 표면에 대해 소정의 고도에서 장애물을 포함할 수 있다. 2D 안전 영역 내 장애물 검출에 의해 결정되는 궤도 변화는 대체로 로봇 부재들과 제 2 부류의 장애물과의 충돌로부터 로봇을 또한 보호할 것이다.
그러나 이는, 특히, 로봇이 로봇으로부터 최소 안전 거리보다 멀리 있는 사람과 상호작용하느라 바쁠때 그러나 로봇의 부재는 물론 안전 구역 내에 진입할 수 있을 때, 항상 사실인 것은 아니다. 이러한 경우에, 로봇의 제스처는, 연결부 속도가 장애물과의 거리 검출에 기초하여 포화되는 실시예를 이용하여, 조심스럽게 제어되어야 한다.
따라서, 진행 표면 상에서의 로봇의 2D 궤도를 제어할 수 있고, 로봇 부재의 연결부(joint)의 각속도를 제어할 수 있는, 발명에 따른 알고리즘이 동시적으로 실행될 수 있어서, 약정된 자와 로봇의 상호작용 중 어떤 충돌도 발생하지 않음을 보장할 수 있다.
위 예는 발명의 실시예의 예시로 주어진 것이다. 이는 다음의 청구범위에 의해 규정되는 발명의 범위를 어떤 방식으로도 제한하지 않는다.

Claims (17)

  1. 휴머노이드 로봇(100)의 상측 및 하측 부재 중 적어도 하나의 궤도(530a, 730) 제어 방법에 있어서, 상기 방법은,
    상기 로봇의 메모리에 목표 지점과 함께 초기 궤도를 저장하는 단계와,
    적어도 상기 로봇의 온보드로부터 제어되는 감지 과정으로부터, 하나 이상의 장애물(540b, 910c)의 위치를 나타내는 데이터를 획득하는 단계와,
    상기 로봇의 온보드 프로세서에 의해, 상기 로봇의 속도 및 방향에 따라 결정되는, 상기 로봇의 안전 영역(410b, 810)과, 상기 안전 영역 및 상기 하나 이상의 장애물의 상대적 위치와, 상기 안전 영역과 장애물의 충돌 개연성과, 일련의 명령들을, 연산하는 단계를 포함하며,
    상기 일련의 명령들은 i) 안전 영역이 장애물과 충돌하는 것을 피하고, ii) 초기 타이밍에 메모리에 저장된 초기 궤도의 목표 지점에 재합류하고, 초기 제스처의 방향 및 콘텐트(content)를 보존하기 위하여, 상기 로봇의 상측 및 하측 부재 중 적어도 하나의 속도 또는 궤도 중 적어도 하나를, 공간 및 시간 중 적어도 하나에서 변화시킬 수 있도록 하는 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 목표 지점에 재합류하기 위한 상기 일련의 명령이:
    초기 궤도의 한 지점(point)을 연산하고, 상기 초기 궤도의 한 지점과 상기 목표 지점 간에 직선을 연산하며, 상기 초기 타이밍에 상기 목표 지점에 재합류하기 위해 상기 직선에서의 로봇의 속도를 연산하고, 상기 초기 궤도 지점까지 로봇의 궤도를 초기 궤도로서 정하고, 그 후, 상기 초기 궤도 지점과 상기 목표 지점 사이의 직선으로, 상기 로봇의 궤도를 형성하기 위한 명령을 포함하는 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 초기 제스처의 콘텐트 및 방향을 지키기 위한 일련의 명령은, 상기 로봇의 일 지점에 대한 목표 위치를 연산하기 위한 명령을 포함하고, 한 기준 모션(reference motion)을 갖는 상기 지점은 상기 지점을 지닌 체인에 대한 최대 연결부(joint) 속도를 컴퓨팅하며, 상기 최대 연결부 속도는 상기 지점과 장애물 간의 거리에 의해 결정되는 제어 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 과정은, 복수의 레이저 라인 제너레이터, 복수의 이미징 센서, 복수의 음향 센서, 및 복수의 접촉 검출기 중 적어도 하나에 의해 수행되는
    제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 감지 과정은, 복수의 레이저 라인 제너레이터, 복수의 이미징 센서, 복수의 음향 센서, 및 복수의 접촉 검출기 중 적어도 2개에 의해 수행되는
    제어 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안전 영역이 로봇의 풋프린트의 안전 영역이며, 로봇 주위의 사전에 결정된 안전 거리(security distance) 및 상기 로봇의 속도에 기초하여 연산되는 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 일련의 명령은 임의의 장애물과 상기 안전 영역의 충돌을 회피하기 위해 변화된 궤도를 결정하도록 연산되는 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 일련의 명령은 상기 로봇이 상기 초기 궤도 상의 목표 지점에 도달해야할 때의 시간에 상기 초기 궤도의 목표 지점에 재합류할 수 있도록 변화된 궤도 및 변화된 속도를 결정하도록 또한 연산되는
    제어 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로봇의 상측 부재는 모터로 작동되는 연결부에 의해 함께 관절화된 세그먼트들의 체인을 포함하는
    제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 로봇의 일 부재의 안전 영역이 관절화된 세그먼트 주위로 사전에 결정된 안전 거리에 기초하여 연산되는 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 일련의 명령은 안전 영역이 장애물에 접근할 때 관절화된 세그먼트의 연결부의 모터의 각속도 감소를 결정하도록 연산되는 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 연결부(joint)의 모터의 각속도 감소는 최대 안전 값으로 체인의 속도를 포화시키도록 연산되고, 상기 최대 안전 값은 상기 체인 내 일 지점의 목표 속도와, 상기 체인 내 상기 일 지점에 대한 장애물의 상대적 위치에 기초하여 연산되는 제어 방법.
  17. 휴머노이드 로봇에 있어서,
    적어도 하나의 상측 부재 및 하측 부재와,
    목표 지점과 함께 초기 궤도 및 컴퓨터 코드 명령어를 저장하는 메모리와,
    하나 이상의 장애물의 위치를 나타내는 데이터를 획득하도록 구성되는 복수의 감지 모듈과,
    상기 컴퓨터 코드 명령어를 실행하도록 구성되는 프로세서를 포함하며,
    상기 프로세서는, 상기 로봇의 속도 및 방향에 따라 결정되는, 상기 로봇의 안전 영역(410b, 810)과, 상기 안전 영역 및 상기 하나 이상의 장애물의 상대적 위치와, 상기 안전 영역과 장애물의 충돌 개연성과, 일련의 명령들을, 연산할 수 있고,
    상기 일련의 명령들은 i) 안전 영역이 장애물과 충돌하는 것을 피하고, ii) 초기 타이밍 내에서 메모리에 저장된 초기 궤도의 목표 지점에 재합류하고, 초기 제스처의 방향 및 콘텐트(content)를 보존하기 위하여, 상기 로봇의 상측 및 하측 부재 중 적어도 하나의 속도 또는 궤도 중 적어도 하나를, 공간 및 시간 중 적어도 하나에서 변화시킬 수 있는 휴머노이드 로봇.
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