KR102503700B1 - 보행 로봇의 자세 제어를 위한 힘 측정 시스템 - Google Patents

보행 로봇의 자세 제어를 위한 힘 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 보행 로봇의 자세 제어를 위한 힘 측정 시스템은 보행 로봇의 발에 장착되어 보행 로봇의 보행 시 상기 보행 로봇의 무게에 의한 수직 하중을 측정하는 로드 셀 센서; 상기 로드 셀 센서와 연결?? 상기 수직 하중 외에 상기 로드 셀 센서에 작용하는 회전 모멘트를 제거하는 로드 엔드 베어링; 및 상기 로드 셀 센서에 의해 측정된 데이터로부터 상기 보행 로봇의 착지력을 측정하고, ZMP(Zero Moment Point)를 계산하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

보행 로봇의 자세 제어를 위한 힘 측정 시스템{FORCE MEASUREMENT SYSTEM FOR ATTITUDE CONTROL OF WALKING ROBOT}
본 발명은 보행 로봇의 자세를 제어하기 위한 힘, 자세하게는, 보행 로봇의 발이 지면에 착지할 때 발생하는 착지력을 측정하고, 이로부터 현재 보행 로봇의 자세 및 ZMP(Zero Moment Point)를 계산하는 시스템에 관한 것이다.
보행 로봇은 사람의 보행 형태를 모방한 2족 보행 로봇, 포유류의 신체구조 및 보행 형태를 모방한 4족 보행 로봇, 4개 이상의 다리를 가지는 다족 보행 로봇으로 분류될 수 있으며, 2족 보행 로봇은 안정적인 보행을 위해 보행 시 균형을 유지하는 것이 특히 중요하다.
ZMP(Zero Moment Point) 방법은 보행 로봇을 안정적으로 제어하기 위한 대표적인 방법으로, 보행 로봇의 발이 지면에 착지될 때 발생하는 힘(이하, 착지력)을 측정하여, 보행 동안 보행 로봇의 발 내부에 무게 중심점이 계속적으로 위치하도록 제어하는 방법이다.
종래에는 보행 로봇의 발목에 F/T(Force/Torque) 센서를 장착하여 착지력을 측정하였다. 그러나 F/T 센서는 매우 고가여서, 보다 정확한 착지력을 측정할 수 있는 고성능의 F/T 센서를 사용하기 위해서는 예산이 많이 필요한 문제가 있다.
이에 최근에는 상대적으로 저가인 로드 셀(load cell) 센서를 이용하여 수직 항력을 측정하고, 이를 통해 보행 로봇의 착지력을 예측하여 ZMP 제어에 적용하는 방법이 활용되고 있다.
이 때, 로드 셀 센서에는 회전 모멘트가 작용하지 않고, 오로지 보행 로봇의 무게에 의한 수직 하중만 작용하도록 하여야 보행 로봇의 착지력을 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 종래 로드셀 센서가 장착된 보행 로봇용 발의 사시도이고, 도 2는 도 1에 나타난 보행 로봇용 발의 측단면도이다.
도 1을 참조하면, 로드 셀 센서(1)는 보행 로봇용 발(10)의 각 모서리 측에 장착될 수 있다. 예를 들어, 도면과 같이 사각형 형태의 보행 로봇의 발 한 쪽에는 총 4개의 로드 셀 센서(1)가 장착될 수 있으며, 이 때, 보행 로봇용 발(10)에 장착되는 로드 셀 센서는 빔형 로드 셀 센서일 수 있다. 빔형 로드 셀 센서는 한 축에 가해지는 인장/압축력을 측정할 수 있어, 무게 저울 및 보행 로봇의 발에 많이 적용되고 있다.
도 2를 참조하면, 로드 셀 센서(1)는 보행 로봇용 발(10)의 발바닥 상판(11) 및 발바닥 하판(12) 사이에 구비되어, 볼트(2)를 통해 발바닥 상판(11) 및 발바닥 하판(12)에 연결 및 고정될 수 있다.
한편, 보행 로봇이 안정적으로 보행하기 위해서는 발목의 회전 운동이 요구될 수 있다. 구체적으로, 보행 로봇이 평평한 지면 상에서 동작할 때는 보행 로봇의 발에 수직 하중만이 작용하지만, 비탈길 또는 장애물이 있는 장소에서 동작하는 경우에는 수직 하중 외에 회전 모멘트가 발생하게 된다.
이 때, 도 1 및 도 2와 같이 로드 셀 센서(1)가 발바닥 상판(11) 및 발바닥 하판(12)과 볼트(2)를 통해 연결된 구조에서는, 로드 셀 센서(1)에는 보행 로봇의 수직 하중뿐만 아니라 발목의 회전으로 인한 모멘트가 적용되게 되며, 이에 따라 보행 로봇의 착지력을 정확하게 측정하는데 한계가 있다. 이와 같이, 착지력이 정확하게 측정되지 않는 경우, ZMP 계산의 오차가 커지게 되고, 이는 결과적으로 보행 로봇의 안정적인 보행을 방해하게 된다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0005816호 대한민국 등록특허공보 제1534939호
본 발명은 보행 로봇의 자세 제어를 위한 힘 측정 시스템에 관한 것으로, 보행 로봇의 발에 장착된 로드 셀 센서에 보행 로봇의 수직 하중만 작용하도록 하여 보행 로봇의 착지력을 정확하게 측정하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 보행 로봇의 자세 제어를 위한 힘 측정 시스템은 보행 로봇의 발에 장착되어 보행 로봇의 보행 시 상기 보행 로봇의 무게에 의한 수직 하중을 측정하는 로드 셀 센서; 상기 로드 셀 센서와 연결된 상기 수직 하중 외에 상기 로드 셀 센서에 작용하는 회전 모멘트를 제거하는 로드 엔드 베어링; 및 상기 로드 셀 센서에 의해 측정된 데이터로부터 상기 보행 로봇의 착지력을 측정하고, ZMP(Zero Moment Point)를 계산하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 따르면, 상기 보행 로봇의 발을 발바닥 상판 및 발바닥 하판을 포함하도록 이루어지고, 상기 발바닥 상판은 상기 로드 셀 센서와 연결되고, 상기 발바닥 하판은 상기 로드 엔드 베어링과 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 따르면, 상기 로드 셀 센서는 상기 발바닥 상판에 사각 배치를 이루도록 장착되는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 따르면, 상기 로드 셀 센서는 상기 로드 엔드 베어링에 의해 상기 발바닥 하판으로부터 이격되는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 따르면, 상기 발바닥 하판은 상기 로드 엔드 베어링이 삽입되는 홈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 따르면, 상기 로드 셀 센서는 상기 수직 하중에 따른 전압을 출력하며, 상기 로드 셀 센서에서 출력되는 전압을 증폭시켜주는 앰프(AMP)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 따르면, 상기 앰프는 상기 로드 셀 센서마다 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 보행 로봇의 현재 자세를 측정하는 IMU(inertial measurement unit) 센서를 더 포함하며, 상기 예측된 ZMP와 상기 현재 자세에 관한 데이터를 취합하여 상기 보행 로봇을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 로드 엔드 베어링이 로드 셀 센서에 작용하는 보행 로봇의 발목의 회전 운동으로 인한 모멘트를 상쇄시켜 정확한 착지력 측정 및 ZMP 계산이 가능하며, 보행 로봇을 보다 안정적으로 운용할 수 있다.
또한, 본 발명은 비교적 저가의 로드 셀 센서를 이용하므로 보행 로봇의 개발 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명은 2족 보행 로봇 및 4족 이상의 다족 보행 로봇에 용이하게 적용할 수 있다.
도 1은 종래 로드셀 센서가 장착된 보행 로봇용 발의 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타난 보행 로봇용 발의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 힘 측정 시스템이 적용된 보행 로봇용 발의 사시도이다.
도 4는 도 3에 나타난 보행 로봇용 발의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 힘 측정 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 ZMP 계산 개념도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “구성된다” 또는 “포함한다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 구 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니됨을 유의해야 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 보행 로봇의 자세 제어를 위한 힘 측정 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 보행 로봇이 보행할 때, 발목의 회전으로 인한 모멘트는 제거하고, 보행 로봇의 무게에 의한 수직 하중만을 이용하여 착지력을 정확하게 측정할 수 있도록 한 것이 특징이다. 나아가, 본 발명에 따르면, 측정된 착지력은 보행 로봇의 ZMP를 계산하는데 활용될 수 있다.
본 발명의 힘 측정 시스템은 보행 로봇의 자세를 제어하기 위해 보행 로봇용 발에 장착될 수 있다. 본 발명의 힘 측정 시스템은 2족 보행 로봇, 4족 보행 로봇 및 다족 보행 로봇에 모두 적용 가능하며, 이 때, 보행 로봇용 발마다 각각 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 힘 측정 시스템이 적용된 보행 로봇용 발의 사시도이고, 도 4는 도 3에 나타난 보행 로봇용 발의 단면도이다.
본 발명의 힘 측정 시스템(100)은 보행 로봇의 착지력을 측정하는 로드 셀 센서(110), 보행 로봇의 발목의 회전 운동으로 인한 모멘트를 제거하는 로드 엔드 베어링(120) 및 측정된 착지력으로부터 보행 로봇의 ZMP를 계산하는 제어부(130)을 포함할 수 있다. 이들 중 적어도 일부는 보행 로봇용 발(200)에 장착될 수 있다.
일 실시예로, 보행 로봇용 발(200)은 도 3과 같이 서로 분리된 발바닥 상판(210) 및 발바닥 하판(220)을 포함하도록 이루어질 수 있다. 보행 로봇용 발(200)의 발바닥 상판(210)은 보행 로봇의 발목과 연결되고, 발바닥 하판(220)은 보행 시 지면과 접촉할 수 있다. 본 발명의 로드 셀 센서(110) 및 로드 엔드 베어링(120)은 발바닥 상판(210) 및 발바닥 하판(220) 사이에 구비되어, 보행 로봇용 발(200)에 장착될 수 있다.
로드 셀 센서(110)는 보행 로봇용 발(200)에 장착되어 보행 로봇의 보행 시 보행 로봇의 무게에 의한 수직 하중(A)을 측정할 수 있다. 보행 로봇용 발(200)에는 4개의 로드 셀 센서(110)가 장착될 수 있으며, 로드 셀 센서(110)는 사각 배치를 이루도록 발바닥 상판(210)에 장착될 수 있다.
예를 들어, 보행 로봇용 발(200)의 발바닥 상판(210)이 4개의 모서리를 갖는 사각 형상인 경우, 4개의 로드 셀 센서(110)는 상기 4개의 모서리 부근에 각각 구비되어 사각 배치를 이룰 수 있다.
로드 셀 센서(110)는 발바닥 상판(210)과 연결되도록 보행 로봇용 발(200)에 장착될 수 있다. 즉, 발바닥 상판(210)의 일측은 보행 로봇의 발목과 연결되고, 타측은 로드 셀 센서(110)와 연결될 수 있다. 로드 셀 센서(110)는 볼트(141)를 통해 발바닥 상판(210)에 장착될 수 있다.
로드 셀 센서(110)는, 도면과 같이, 발바닥 상판(210)의 모서리 부근에서 발바닥 상판(210)의 일부와 오버랩 되도록 장착될 수 있다. 즉, 로드 셀 센서(110)는 발바닥 상판(210)과 오버랩 되는 부분(111)과 발바닥 하판(220)과 오버랩 되는 부분(112)을 포함할 수 있으며, 로드 셀 센서(110)는 발바닥 상판(210)과 오버랩 되는 부분(111)에서 볼트(141)를 통해 발바닥 상판(210)과 연결될 수 있다.
상기 연결을 위해, 발바닥 상판(210)은 두께 방향으로 관통하는 제1홀(211)을 포함할 수 있다. 제1홀(211)은 발바닥 상판(210)의 모서리 부분에 형성될 수 있다. 로드 셀 센서(110)는 발바닥 상판(210)과 오버랩 되는 부분(111)에, 로드 셀 센서(110)를 두께 방향으로 관통하는 제2홀(111a)을 포함할 수 있다. 제2홀(111a)의 내측면에는 볼트(141) 체결을 위한 나사산이 형성될 수 있다.
제1홀(211) 및 제2홀(111a)은 서로 대응되는 개수로 형성될 수 있으며, 발바닥 상판(210)과 로드 셀 센서(110)는 제1홀(211) 및 제2홀(111a)이 서로 겹쳐지는 상태에서 상하로 배치될 수 있다.
구체적으로, 로드 셀 센서(110)는 제2홀(111a)이 제1홀(211)과 겹쳐져 하나의 연속적인 홀을 형성하도록 발바닥 상판(210)의 하부에 배치될 수 있으며, 이 상태에서 볼트(141)는 제1홀(211) 측에서 제2홀(111a)의 적어도 일부 깊이까지 삽입될 수 있다. 이에 따라 로드 셀 센서(110)는 발바닥 상판(210)의 하부에 고정될 수 있다.
본 발명의 로드 셀 센서(110)는 보행 로봇의 보행 시 로드 셀 센서(110)에 적용되는 보행 로봇의 수직 하중(A)에 따라 전압을 출력할 수 있다. 로드 셀 센서(110)에서 출력된 전압은 데이터화 되어 제어부(130)로 전달되며, 착지력 측정 및 ZMP 계산에 활용될 수 있다.
본 발명의 힘 측정 시스템(100)은 로드 셀 센서(110)에서 출력되는 전압을 증폭시켜주는 앰프(AMP, amplifier)(150)를 더 포함할 수 있다. 로드 셀 센서(110)에서 출력된 전압이 앰프에서 증폭되면서, 제어부(130)에서의 착지력 측정이 용이해질 수 있다. 앰프(150)는 로드 셀 센서(110)마다 구비되어, 로드 셀 센서(110)와 1대 1로 연결될 수 있다.
한편, 종래와 같이, 로드 셀 센서(110)가 발바닥 상판(210) 및 발바닥 하판(220)과 볼트(141)로 연결된 상태에서 보행 로봇이 보행을 하는 경우, 로드 셀 센서(110)에는 보행 로봇의 무게에 의한 수직 하중 외에 발목의 회전 운동으로 인한 모멘트(B)(도면에 표시된 방향과 상이한 방향으로 작용할 수 있음)가 작용하게 되며, 이는 보행 로봇의 착지력을 정확하게 측정하는데 방해가 될 수 있다.
이에 본 발명의 힘 측정 시스템(100)은 상기 발목의 회전 운동으로 인한 모멘트(B)를 제거하기 위한 구성으로 로드 엔드 베어링(120)을 포함할 수 있다. 로드 엔드 베어링(120)은 로드 셀 센서(110)와 연결되어, 로드 셀 센서(110)에 적용되는 보행 로봇의 발목의 회전 운동으로 인한 모멘트(B)를 상쇄할 수 있으며, 이에 따라 로드 셀 센서(110)에는 오직 보행 로봇의 수직 하중(A)만이 작용할 수 있게 되어, 정확한 착지력 계측이 가능하게 된다.
로드 엔드 베어링(120)은 로드 셀 센서(110)마다 구비될 수 있다. 일 실시예로, 도면과 같이, 로드 셀 센서(110)마다 2개의 로드 엔드 베어링(120)이 구비될 수 있으며, 이들은 수평 방향으로 이격 배치될 수 있다.
로드 셀 센서(110)는 발바닥 하판(220)과 오버랩 되는 부분(112)에서 볼트를 통해 로드 엔드 베어링(120)과 연결될 수 있으며, 이 때, 볼트는 로드 엔드 베어링(120)의 일부일 수 있다.
상기 연결을 위해, 로드 셀 센서(110)는 발바닥 하판(220)과 오버랩 되는 부분(112)에, 로드 셀 센서(110)를 두께 방향으로 관통하는 제3홀(112a)을 포함할 수 있다. 제3홀(112a)의 내측면에는 볼트 체결을 위한 나사산이 형성될 수 있다.
제3홀(112a)은 로드 엔드 베어링(120)과 대응되는 개수로 형성될 수 있다. 로드 엔드 베어링(120)은 제3홀(112a)을 통해 로드 셀 센서(110)와 연결될 수 있으며, 로드 엔드 베어링(120)의 볼트 부분은 제3홀(112a)의 일부 깊이까지 삽입될 수 있다.
한편, 로드 엔드 베어링(120)은 보행 로봇용 발(200)의 발바닥 하판(220)과 연결되어 보행 로봇용 발(200)에 장착될 수 있다. 발바닥 하판(220)은 로드 엔드 베어링(120)의 일부가 삽입되는 홈(222)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 발바닥 하판(220)은 모서리 부분마다 발바닥 상판(210) 측으로 돌출된 돌출부(221)를 포함할 수 있으며, 로드 엔드 베어링(120)이 삽입되는 홈(222)은 돌출부(221) 상에 로드 엔드 베어링(120)과 대응되는 개수로 형성될 수 있다.
발바닥 하판(220)은 홈(222)과 제3홀(112a)이 상하로 이격되도록 로드 셀 센서(110)의 하부에 배치될 수 있으며, 이 상태에서, 로드 엔드 베어링(120)의 일측(볼트 부분)은 제3홀(112a)에 삽입되고, 타측(고리 부분)은 홈(222)에 삽입될 수 있다.
또한, 도면에는 자세하게 도시되지 않았으나, 돌출부(221)는 돌출부(221) 상에 형성된 홈(222)을 동시에 관통하는 스페이서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 스페이서는 원통형 파이프 구조로서, 로드 엔드 베어링(120)을 고정시켜 로드 엔드 베어링(120)의 휘어짐을 방지하는 역할을 할 수 있다.
한편, 로드 엔드 베어링(120)은 상기 홈(222)에 삽입된 상태에서, 고정 핀(142)에 의해 발바닥 하판(220) 상에 고정될 수 있다. 고정 핀(142)은 일 방향으로 연장된 형태로서, 홈(222)에 삽입된 로드 엔드 베어링(120)을 동시에 관통할 수 있다. 이 때, 고정 핀(142)은 스페이서 내측에서 로드 엔드 베어링(120)을 동시에 관통하도록 구비될 수 있다.
정리하면, 로드 엔드 베어링(120)은 일측은 로드 셀 센서(110)와 연결되고, 타측은 발바닥 하판(220)과 연결될 수 있다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 로드 셀 센서(110)는, 종래 구조와 달리, 로드 엔드 베어링(120)과 연결되며, 로드 엔드 베어링(120)에 의해 발바닥 하판(220)으로부터 이격될 수 있다. 이와 같은 구조를 통해, 로드 셀 센서(110)에는 보행 로봇의 수직 하중(A)만이 작용할 수 있다.
제어부(130)는 로드 셀 센서(110)에 의해 측정된 데이터로부터 보행 로봇의 착지력을 측정하고, ZMP를 계산할 수 있다. 구체적으로, 제어부(130)는 보행 로봇용 발(200)에 장착된 모든 로드 셀 센서(110)에서 출력된 전압 데이터를 취합하여 착지력을 측정하고, ZMP를 계산할 수 있다. 본 발명에서, ZMP를 계산하는 과정은 ZMP를 예측하는 과정을 포함할 수 있다.
제어부(130)는 서브 임베디드 시스템(sub embedded system)(170)과 메인 임베디드 시스템(main embedded system)(180)을 포함할 수 있다. 서브 임베디드 시스템(170)은 보행 로봇용 발(200)과 각각 연결되어 각 발의 로드 셀 센서(110) 데이터를 취합하고, 메인 임베디드 시스템(180)은 서브 임베디드 시스템(170)과 동시에 연결되어 서브 임베디드 시스템(170)의 데이터를 취합할 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여, 로드 셀 센서(110)에서 측정된 데이터를 제어부(130)에 전달 및 처리하는 과정에 대해 살펴본다.
먼저, 보행 로봇이 보행함에 따라 보행 로봇용 발(200)에 장착된 로드 셀 센서(110)에 보행 로봇의 수직 하중(A)이 가해지게 되면, 로드 셀 센서(110)는 전압 데이터를 출력할 수 있다.
로드 셀 센서(110)에서 출력된 전압 데이터는 ADC(Analog to Digital Convertor)를 통해 디지털 카운트 값으로 획득된 후, 연결된 서브 임베디드 시스템(170)으로 전달될 수 있다. 한편, 로드 셀 센서(110)와 연결되는 앰프(150)를 더 포함하는 실시예에 따르면, 로드 셀 센서(110)에서 출력된 전압 데이터는 앰프(150)를 거쳐 증폭된 후, ADC를 통해 디지털 카운트 값으로 획득되어 연결된 서브 임베디드 시스템(131)으로 전달될 수 있다.
다음으로, 서브 임베디드 시스템(131)은 각 발의 로드 셀 센서(110) 데이터를 취합하여 메인 임베디드 시스템(132)으로 전달할 수 있다.메인 임베디드 시스템(132)은 서브 임베디드 시스템(131)으로부터 전달 받은 각 발의 데이터들을 통해 현재 로봇의 착지력을 포함한 자세를 측정하고, ZMP를 계산할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 ZMP 계산 개념도이다. ZMP는 보행 로봇용 발(200)의 일 변을 따라 연장되는 x축 및 y축 별로 각각 계산될 수 있으며, x축 ZMP 및 y축 ZMP는 각각 보행 로봇용 발(200)에 장착된 힘 측정 시스템(100)을 이용하여, 아래 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112021019835889-pat00001
Figure 112021019835889-pat00002
Figure 112021019835889-pat00003
: 각 로드 셀 센서에서 계측된 힘
Figure 112021019835889-pat00004
: 각 로드 셀 센서가 설치된 지점의 x축 및 y축 거리
Figure 112021019835889-pat00005
: 보행 로봇용 발의 길이
Figure 112021019835889-pat00006
: 보행 로봇용 발의 너비
또한, 메인 임베디드 시스템(132)에서 측정된 착지력 및 ZMP 계산 값은 메인 임베디드 시스템(132)과 연결된 제어 PC(160)로 전달될 수 있으며, 제어 PC(160)는 로봇의 착지력 및 ZMP 계산 값을 통해 보행 로봇의 자세를 안정적으로 제어할 수 있다. ZMP가 보행 로봇용 발(200)의 소정 영역 내에 위치할 때, 보행 로봇은 안정적인 보행이 가능할 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 제어부(130)는 보행 로봇의 현재 자세를 측정하는 IMU(inertial measurement unit) 센서(133)를 더 포함할 수 있다. 도 4와 같이, IMU 센서(133)는 메인 임베디드 시스템(132)과 연결될 수 있으며, IMU 센서(133)에 의해 측정된 보행 로봇의 현재 자세는 메인 임베디드 시스템(132)에서 서브 임베디스 시스템(131)으로부터 전달 받은 데이터와 함께 취합될 수 있다.
본 발명의 힘 측정 시스템(100)은 로드 셀 센서(110)를 통해 측정된 착지력 및 이로부터 계산된 ZMP 데이터와 IMU 센서(133)로부터 측정된 현재 보행 로봇 자세에 관한 데이터를 취합함으로써 보행 로봇의 자세를 보다 원활하게 제어할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 힘 측정 시스템
110: 로드 셀 센서
120: 로드 엔드 베어링
130: 제어부
150: 앰프
210: 발바닥 상판
220: 발바닥 하판

Claims (8)

  1. 보행 로봇의 발에 장착되어 보행 로봇의 보행 시 상기 보행 로봇의 무게에 의한 수직 하중을 측정하는 로드 셀 센서;
    상기 로드 셀 센서와 연결?? 상기 수직 하중 외에 상기 로드 셀 센서에 작용하는 회전 모멘트를 제거하는 로드 엔드 베어링; 및
    상기 로드 셀 센서에 의해 측정된 데이터로부터 상기 보행 로봇의 착지력을 측정하고, ZMP(Zero Moment Point)를 계산하는 제어부를 포함하고,
    상기 보행 로봇의 발은 발바닥 상판 및 발바닥 하판을 포함하도록 이루어지고,
    상기 발바닥 상판은 상기 로드 셀 센서와 연결되고, 상기 발바닥 하판은 상기 로드 엔드 베어링과 연결되며,
    상기 발바닥 상판과 상기 로드 셀 센서는, 상기 발바닥 상판을 두께방향으로 관통하는 제1홀과 상기 로드 셀 센서를 두께방향으로 관통하는 제2홀이 서로 겹쳐진 상태에서 상기 로드 셀 센서가 하부에 고정되도록 상하로 결합되고,
    상기 로드 셀 센서는 상기 발바닥 하판과 오버랩되는 부분에 두께방향으로 관통하는 제3홀을 더 포함하고,
    상기 로드 엔드 베어링의 일측은 상기 제3홀을 통해 상기 로드 셀 센서와 연결되고, 상기 로드 엔드 베어링의 타측은 상기 발바닥 하판에 포함된 홈에 삽입되어 상기 발바닥 하판과 연결되는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 자세 제어를 위한 힘 측정 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 로드 셀 센서는 상기 발바닥 상판에 사각 배치를 이루도록 장착되는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 자세 제어를 위한 힘 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 로드 셀 센서는 상기 로드 엔드 베어링에 의해 상기 발바닥 하판으로부터 이격되는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 자세 제어를 위한 힘 측정 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 로드 셀 센서는 상기 수직 하중에 따른 전압을 출력하며,
    상기 로드 셀 센서에서 출력되는 전압을 증폭시켜주는 앰프(AMP)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 자세 제어를 위한 힘 측정 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 앰프는 상기 로드 셀 센서마다 구비되는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 자세 제어를 위한 힘 측정 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 보행 로봇의 현재 자세를 측정하는 IMU(inertial measurement unit) 센서를 더 포함하며,
    상기 계산된 ZMP와 상기 현재 자세에 관한 데이터를 취합하여 상기 보행 로봇을 제어하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 자세 제어를 위한 힘 측정 시스템.
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