KR20010050543A - 로봇의 이동 제어 장치 및 이동 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

로봇의 자세의 안정성은 상측 사지가 주요한 역할을 하는 몸동작의 진행중에 손상되면 본 발명의 이동 장치 및 이동 제어 방법에 의해 회복될 수 있다. 이 장치 및 방법은 발의 움직임의 임의의 선택된 패턴, ZMP의 궤도, 몸통의 움직임 패턴 및 상측 사지의 움직임 패턴으로부터 허리의 움직임 패턴을 유도함으로써 보행을 위한 전체 신체의 움직임 패턴을 구한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 로봇은 로봇이 똑바로 서있거나 또는 보행하는 가에 관계없이 안정한 보행을 구현할 수 있도록 하측 사지의 보조를 결정할 수 있다. 특히, 로봇이 직립하고 있는 동안 상측 사지 및 몸통을 포함한 상체를 이용한 몸동작으로 이루어지면, 상기 상체의 보조(gait)에 응답하여 안정한 보행을 유지할 수 있도록 하측 사지의 보조를 결정할 수 있다.

Description

로봇의 이동 제어 장치 및 이동 제어 방법{Ambulation control apparatus and ambulation control method of robot}
본 발명은 리얼리티의 수준을 높인 생물체 같이 행동하도록 적용된 구조를 갖는 로봇에 이용되는 이동(ambulation) 제어 장치 및 이동 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 본 발명은 사람이나 원숭이 같은 직립 양족 동물의 움직임 및 신체적인 메카니즘을 모방한 구조를 갖는 양족 이동성 로봇(bipedal ambulatory robot)에 이용되는 이동 제어 장치 및 이동 제어 방법에 관한 것이다.
더 정확하게는, 본 발명은 직립 양족 동물에 적용되며, 상측 사지들(limbs)에 장착된 몸통, 머리 및 팔을 포함한 신체의 상체를 갖는 양족 이동성 로봇에 이용되는 이동 제어 장치 및 이동 제어 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 놀랄만한 리얼리티를 갖는 몸동작을 포함한 사람의 움직임을 모방하고 균형을 잃지 않고 두 다리로 보행하는 로봇에 이용되는 이동 제어 장치 및 이동 제어 방법에 관한 것이다.
로봇은 전기 및/또는 자기 효과를 이용하여 사람과 같이 움직이는 기계적 장치를 말한다. 용어 "로봇"은 슬라브 용어 "ROBOTA(원격 종속 기계)"로부터 유래된 것으로 밝혀진다. 로봇은 19세기말에 일본에서 대중화되었지만, 이들의 대부분은 조종 장치 및 운반 로봇을 포함한 공장에서의 자동화 및 인력 절감을 위해 설계된 산업용 로봇이었다.
사람 또는 원숭이 같은 직립 양족 동물의 움직임 및 신체적인 메카니즘과 닮은 구조를 갖는 양족 이동성 로봇 분야에서의 최근의 대규모의 연구 개발의 결과로서, 로봇이 실질적인 응용으로 기대된다. 직립 양족 동물에 적용되는 양족 이동성 로봇은 어려움 없이 장벽을 넘거나 계단을 오르내리는 유연한 보행을 할 수 있는 장점이 있다.
그러나, 역사적으로 하측 사지의 움직임의 여러 가지 측면에서의 연구로부터 시작된 양족 이동성 로봇의 연구 개발이 전체 직립 양족물에 미치지는 않았었다.
예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제 3-184782호는 양족 이동성 로봇의 몸체 아래로부터의 대응하는 구조에 적용 가능한 관절을 개시하였다.
일본 특허 출원 공개 제 5-305579호에는 양족 이동성 로봇의 이동 제어 장치가 개시된다. 상기 특허 문서에 따른 이동 제어 장치는 로봇이 보행하는 바닥에서의 로봇의 ZMP(zero moment point)를 목표 위치와 일치시키는 방식으로 양족 이동성 로봇을 제어하기 위하여 적용된다. 제로 모멘트 포인트는 바닥의 반작용이 영(nil)과 동일한 바닥에서의 포인트이다. 그러나, 모멘트를 일으키는 몸체(24)가 블랙 박스의 종류이고, 문서가 양족 이동성 로봇의 하측 사지만을 보유하고, 사람을 모방한 전체 로봇이 아닌 상기 특허 문서는 도 1로부터 명확히 이해될 수 있다.
그러나, 대부분의 연구자들에게는 양족 이동성 로봇의 연구 개발의 궁극적인 목적이 사람과 같이 보이고 사람과 같이 움직이는 구조의 구현이다. 더 정확하게는, 양족 이동성 로봇은 두 개의 발로 보행하기에 적합한 하측 사지, 몸체, 머리 및 팔을 포함한 상체(이후 명세서에서는 간단히 상측 사지로 언급됨) 및 상측 사지와 하측 사지를 연결하는 몸통부를 갖으며 직립 양족물에 적용되는 구조이다. 완전한 로봇은 선정된 우선 구조에 따라 조화된 방식으로 상측 사지, 하측 사지 및 몸통부를 이동하여 직립 보행하며 그 두 발로 작업하도록 제어되어야 한다.
신체적인 구조와 움직임에 관련하여 사람을 모방한 양족 이동성 로봇은 휴머노이드 로봇으로 불린다. 휴머노이드 로봇은 생활의 여러 가지 상황에서 우리의 일상의 생활에 도움을 줄 수 있다.
양족 이동성 로봇은 크게 산업에서 이용되는 것과 오락에서 이용되는 것으로 분류된다.
산업적 응용을 위한 로봇은 주로 제조, 건설 및 전력 생산의 분야에서 사람이 하기 어려운 작업을 하며 여러 가지 다른 산업 현장에서 사람을 대신하도록 설계된다. 예를 들면, 상기 분야의 로봇은 원자력 설비, 열전력 설비, 석유화학 설비 및 작업을 관리하기 위한 다른 설비, 및 여러 가지 위험하고 어려운 작업을 위한 제조 공장 및 초고층 빌딩에서 사람 대신하여 이용된다. 따라서, 상기 분야의 로봇은 이들이 두 발로 보행하더라고 특별한 방식으로 특별한 응용 또는 기능을 위한 동작과 관련하여 설계 및 제조된다. 즉, 이들은 사람이나 원숭이 같은 직립 양족 동물의 움직임과 신체적인 메카니즘을 모방한 구조를 갖을 필요는 없다. 예를 들어, 이들은 정교한 방식으로 움직여서 특별한 응용을 위한 작업을 위하여 신체의 특정 부분에서의 높은 자유도를 보여줄 수는 있지만, 머리 및 손목 같은 응용에 직접 관련되지 않은 신체의 다른 부분의 자유도는 낮게 될 수 있다. 그 결과, 불가피하게 상기 로봇은 어색하게 움직이며 특별히 일치 가능한 것으로 나타나지 않는다.
한편, 오락용 로봇은 어려운 작업을 수행하기 위해 적용되는 것보다는 우리의 생활에 도움을 주기 위해 우리의 일상 생활과 더 밀접히 관련된다. 즉, 이 분야의 로봇은 사람과 원숭이의 직립 양족 동물의 물리적인 메카니즘을 모방하여 유연하게 움직이도록 설계된다. 이들이 고도의 지능을 갖는 사람이나 원숭이 같은 직립 포유 동물의 모방 분야에서, 이들은 표현적으로 풍부한 것이 바람직하다. 이점에서, 이들은 엄밀하게는 휴머노이드 로봇이다.
요컨대, 오락용 로봇이 산업 응용의 로봇과 기초 기술을 공유하지만, 이들은 전체적으로 궁극적인 목적을 달성하기 위한 하드웨어 메카니즘, 움직임 제어 방법 및 소프트웨어 구성에 있어서 서로 상이하다.
공지된 바와 같이, 인체는 수백개 이상의 관절을 갖고 있고, 그러므로 수백개의 자유도를 갖는다. 로봇이 상기 자유도를 달성하기 위하여 사람의 행동을 완전히 모방한다면 동일한 자유도를 보여주는 것이 바람직하지만, 수백개의 작동기가 제공된 로봇은 제조 비용, 중량 및 크기에 있어서 전체적으로 실행불가능하다. 또한, 높은 자유도를 갖는 로봇은 위치, 활동 및 균형을 제어하기 위해 필수적으로 증가하는 계산량을 필요로 한다.
요약하면, 휴머노이드 로봇은 제한된 자유도를 갖는 사람의 신체적 메카니즘을 모방하도록 설계되어야 한다. 또한, 오락용 로봇은 사람과 같이 행동해야 하며, 인체보다 훨씬 적은 자유도를 갖는 표현으로도 충분하다.
또한, 직립 양족물에 적용된 양족 이동성 로봇은 어려움 없이 장벽을 넘으며 계단을 오르내리도록 하여 유연하게 보행할 수 있지만, 그 중력 중심이 높기 때문에, 그 자세 및 보행을 제어하는 동작이 어렵다. 특히, 오락용 로봇은 표현적으로 풍부한 자세 및 안정된 보행을 위해 제어되어야 한다.
한편, 인간 또는 원숭이의 "표현"은 작업의 수행뿐만 아니라 그 감정의 표명과 관련하여 팔과 몸체를 포함한 상측 사지의 움직임에 상당히 의존한다. 상기 움직임은 "몸동작"로 불리운다.
우리의 일상 생활에서, 몸동작은 직립 또는 보행 아니면 발로 이동하는 신체상에서 거의 일정하게 나타난다. 또한, 사람의 전체 신체의 중력 중심이 크게 움직여서 사람이 몸동작하는 동안 관성 모멘트를 일으킨다. 사람 또는 원숭이는 이들이 중력 중심과 관성의 균형을 자동적으로 보상함으로써 직립 또는 보행할 수 있도록 생성된다.
한편, 휴머노이드 로봇은 지적된 바와 같이 표현이 풍부해야 하기 때문에, 몸동작이 필수적으로 요구된다. 따라서, 로봇은 상체가 주요한 역할을 하는 제스체에 응답하여 자세 제어 및 안정한 보행을 필요로 한다.
여러 가지 기술들이 자세 및 안정한 보행과 관련하여 양족 이동성 로봇을 제어하기 위해 제안되어왔다. 그러나, 공지된 기술의 대부분은 바당의 반작용으로 인한 로봇의 모멘트가 영과 동일한 ZMP(제로 모멘트 포인트)가 목표 위치와 일치하도록 적용된 것이다.
예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제 5-305579호에는 로봇이 보행하는 바닥에서의 로봇의 ZMP가 목표 위치와 일치하도록 하는 방식으로 제어됨이 개시된다.
또한, 일본 특허 출원 공개 제 5-305581호의 양족 이동성 로봇은, 로봇의 발중 하나가 바닥에 착지되거나 또는 바닥으로부터 들어올려질 때, ZMP가 지지 다면체의 내부에 배치되거나, 또는 소정의 마진으로 로봇의 지지 다면체의 단부로부터 분리된 위치에 배치된다. 이러한 구성으로, 로봇은 소정의 거리의 안전 마진 때문에 외부 방해를 받더라도 보행의 안정도를 유지할 수 있다.
일본 특허 출원 공개 제 5-305583호에는 또한 ZMP 목표 위치에 의해 양족 이동성 로봇의 보행 속도를 제어하는 기술이 개시된다. 특히, 상기 특허 문서의 양족 이동성 로봇은 선정된 보행 패턴 데이터를 이용하고, 로봇의 다리 관절은 ZMP를 목표 위치와 일치시키도록 동작되며, 반면 상체의 기울임이 검출되어 선정된 보행 패턴의 전달률이 기울임의 검출된 값에 따라 변화되도록 한다. 그 결과, 로봇이 예기치않은 바닥의 파동을 타고, 앞으로 기울어지면, 선정된 보행 패턴 데이터 전달률은 로봇이 적절한 자세를 회복하도록 상승된다. 또한, ZMP는 목표 위치와 일치하도록 제어되기 때문에, 로봇이 두발로 서있을 때, 선정된 보행 패턴 데이터의 전달률이 변경되면 어떠한 문제도 일어나지 않는다.
또한, 일본 특허 출원 공개 제 5-305585호는 ZMP의 목표 위치에 따라 양족 이동성 로봇의 두 발 모두의 착지 위치를 제어하는 기술이 개시된다. 특히, 상기 특허 문서의 양족 이동성 로봇은 목표 위치와 ZMP의 실제로 검출된 위치사이의 불일치를 검출하여 불일치를 제거하기 위해 다리중 하나나 모두를 구동하거나, 또는 ZMP 목표 위치 주위의 모멘트를 검출하여 검출된 모멘트가 제로가 되도록 다리를 구동한다.
또한, 일본 특허 출원 공개 제 5-305586호는 ZMP 목표 위치를 통해 양족 이동성 로봇의 기울어진 자세를 제어하기 위한 기술을 개시한다. 특히, 상기 특허 문서의 양족 이동성 로봇은 ZMP 목표 위치 주위의 모멘트를 검출하여, 소정의 모멘트가 검출된다면, 검출된 모멘트가 안정한 보행을 위해 제로로 되도록 다리를 구동시킨다.
더불어, 『"Data Books of Bipedal Ambulatory Robots", (2nd edition), A General Study (A)Subsidized by the Ministry of Education, "A Study on Ambulation and Control of Bipedal Ambulatory Robot", Research Group(February, 1986) 및 "The Development of Bipedal Ambulatory Robot Adapted to Compensate the Tri-Axial Moment by a Motion of the Upper Limbs"(6th Symposium on Intelligent Moving Robots, May 21 and 22, 1992)』를 포함한 공지된 문서들에서는, 상측 사지를 구동하기 위한 적어도 상측 사지 관절 및 상측 사지와 연결된 다수의 다리를 포함하며 보행을 위해 다리 관절을 구동하기 위해 적용된 양족 이동성 로봇을 설명하는에, 여기서 상측 사지의 보조(gait)는 하측 사지의 보조에 기초하여 결정된다(그러므로, 다리의 움직임으로 인한 로봇의 자세의 소정의 불안정이 상측 사지의 보조에 의해 수정된다).
따라서, 상기 제시딘 공지 기술들은 로봇의 상측 사지가 주요한 역할을 하는 것으로 간주되는 움직임을 취함으로써 로봇의 보행의 자세 및 안정도를 제어하기 위해 적용되지 않는다. 즉, 상기 기술들은 로봇이 외부 방해롤 인해 더 이상 보행할 수 없을 때 그 상측 사지의 자세(그리고, 시간에 따라 변하는 이들의 움직임)를 변경시킴으로써 양족 이동성 로봇의 보행의 안정도를 회복하기 위한 것이다. 달리 말하면, 상기 기술들은 하측 사지가 외부 방해로 인한 불안정성을 수정하기 위하여 보행시 주요한 역할을 하는 로봇의 상측 사지의 자세를 변경하여, 기술이 상측 사지의 표현을 무시할 수 있도록 의도된 것이다. 또한, 상기 문서에 설명된 기술은 상측 사지가 주요한 역할을 하는 몸동작의 진행중에 손실된 자세의 안정성을 회복할 수 없다.
도 1은 본 발명이 적용되는 휴머노이드 로봇(100)의 개략적인 사시 정면도를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 휴머노이드 로봇의 개략적인 사시 배면도를 도시한 도면.
도 3은 로봇에 적용되는 자유도의 모델을 도시한 도 1의 휴머노이드 로봇(100)의 개략적인 예시도를 도시한 도면.
도 4는 그 제어 시스템을 도시한 본 발명이 적용되는 휴머노이드 로봇(100)의 개략적인 예시도를 도시한 도면.
도 5는 그 보행을 제어하기 위하여 휴머노이드 로봇(100)에 적용되는 선형 및 비간섭 다중 머티리얼 포인트 근사화 모델의 개략적인 예시도를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇(100)의 보행을 제어하기 위한 동작의 시퀀스의 흐름도를 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇(100)의 안정적인 보행에 적용된 허리의 움직임을 제어하기 위한 동작의 다른 시퀀스의 흐름도를 도시한 도면.
도 8은 허리 및 그 주변을 예시한 도 5의 다중 머티리얼 포인트 모델의 확대된 개략적인 사시도를 도시한 도면.
도 9는 관절 모델의 구성을 도시한 휴머노이드 로봇의 개략적인 예시도를 도시한 도면.
도 10은 관절 모델의 구성을 도시한 다른 휴머노이드 로봇의 개략적인 예시도를 도시한 도면.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
100: 휴머노이드 로봇
따라서, 상기 제시된 기술적 문제의 관점에서, 본 발명의 목적은, 생체의 행동 및 메카니즘을 모방하기 위해 적용된 구조를 갖는 로봇을 효과적으로 제어하기 위한 이동 제어 장치 및 이동 제어 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 사람이나 원숭이 같은 직립 양족물의 행동 및 메카니즘을 모방하기 위해 적용된 구조를 갖는 양족 이동성 로봇을 효과적으로 제어하기 위한 이동 장치 및 이동 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 몸체, 머리 및 팔을 포함한 상체와 함께 직립 양족물에 적용되는 하측 가지를 갖는 직립 양족 이동성 로봇을 효과적으로 제어하기 위한 이동 제어 장치 및 이동 제어 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 안정적으로 보행할 수 있도록 하며 사람과 같이 행동하며 표현이 풍부하도록 로봇을 효과적으로 제어하기 위한 이동 제어 장치 및 이동 제어 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상체가 주요한 역할을 하는 몸동작의 활동이나 소정의 다른 표현으로 인해 자세의 안정도가 손상될 때마다 자세의 안정도를 회복시키도록, 몸통, 머리 및 팔을 포함한 상체와 함께 직립 양족물에 적용된 하체를 갖는 직립 양족 이동성 로봇을 효과적으로 제어하기 위한 이동 제어 장치 및 이동 제어 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상측 사지의 보조(본 명세서에서 이용되는 용어 "보조"는 "관절 각도의 시간 연속 변화"로 불리우며 실질적으로 "움직임의 패턴"과 같은 의미를 갖는 산업 기술 용어임)에 응답하여 하측 사지의 보조를 결정할 수 있도록 직립 양족 이동성 로봇을 효과적으로 제어하기 위한 이동 제어 장치 및 이동 제어 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면, 이전의 목적들은 적어도 하측 사지들, 몸통 및 허리를 갖고 양족 동물에 적용되는 타입의 로봇을 제어하기 위한 이동 제어 장치 또는 이동 제어 방법을 제공하여 달성되는데, 상기 장치 또는 방법은, 임의로 선택된 발들의 움직임 패턴, ZMP의 궤도, 몸통의 움직임 패턴 및 상측 사지들의 움직임 패턴으로부터 허리의 움직임 패턴을 유도함으로써 보행을 위한 전체 신체의 움직임 패턴을 구하도록 적용된다.
본 발명의 제 2 양태에서는, ZMP가 목표 위치를 취할 수 있도록 하기 위하여 하측 사지들의 2개의 발들을 움직이도록 하여, 적어도 하측 사지들, 몸통 및 허리를 갖는 타입의 로봇을 제어하기 위한 이동 제어 장치 또는 이동 제어 방법이 또한 제공되는데, 상기 장치 또는 방법은,
요구된 활동을 구현하기 위하여 발들의 움직임, 몸통의 움직임, 상측 사지들의 움직임 및 허리의 자세와 높이를 선택하는 수단(a)와,
상기 수단(a)에 의해 선택된 발들의 움짐임에 기초하여 ZMP의 궤도를 선택하는 수단(b)와,
상기 수단(b)에 의해 선택된 ZMP상에서의 모멘트를 조정하기 위하여 허리의 움직임에 대한 해(solution)를 구하는 수단(c), 및
허리의 움직임에 대하여 구해진 해에 기초하여 허리의 움직임을 구현하는 수단(d)을 포함한다.
본 발명의 제 3 양태에서는, ZMP가 목표 위치를 취할 수 있도록 하기 위하여 하측 사지들의 2개의 발들을 움직이도록 하여, 적어도 하측 사지들, 몸통 및 허리를 갖는 타입의 로봇을 제어하기 위한 이동 제어 장치 또는 이동 제어 방법이 또한 제공되는데, 상기 장치 또는 방법은,
요구된 활동을 구현하기 위하여 발들의 움직임, 몸통의 움직임, 상측 사지들의 움직임 및 허리의 자세와 높이를 선택하는 수단(A)와,
상기 수단(A)에 의해 선택된 발들의 움짐임에 기초하여 ZMP의 궤도를 선택하는 수단(B)와,
비정밀 모델을 통해 상기 수단(B)에 의해 선택된 ZMP상에서의 모멘트를 조정하기 위하여 허리의 움직임에 대한 근사 해를 구하는 수단(C)와,
비정밀 모델을 통해 상기 수단(B)에 의해 선택된 ZMP상에서의 모멘트를 조정하기 위하여 허리의 움직임에 대한 근사해를 구하는 수단(D)와,
상기 수단(C)에 의해 구해진 근사 해와 상기 수단(D)에 의해 구해진 근사 해 사이의 차가 소정의 허용치 보다 작을 때, 허리의 움직임에 대한 해를 결론짓는 수단(E)와,
상기 수단(C)에 의해 구해진 근사 해과 상기 수단(D)에 의해 구해진 근사 해의 차가 선정된 허용치 보다 작지 않을 때, 미정밀 모델의 ZMP상에서의 모멘트를 변경하고, 변경된 값을 상기 수단에 입력시키는 수단(F), 및
허리의 움직임에 대하여 구해진 해에 기초하여 허리의 움직임을 구현하는 수단(G)을 포함한다.
본 발명의 목적의 위하여, 본 발명의 제 3 양태에 따른 이동 제어 장치 또는 이동 제어 방법에서의 비정밀 모델은 로봇에 대한 선형 및/또는 비간섭 다중 머티리얼 포인트 근사화 모델일 수 있다. 한편, 본 발명의 제 3 양태에 따른 이동 제어 장치 또는 이동 제어 방법에서의 정밀 모델은 고정 신체 모델이거나 또는 다중 머티리얼 포인트 시스템의 비선형 및/또는 간섭 근사화 모델일 수 있다.
본 발명의 제 3 양태에 따른 이동 제어 장치 또는 이동 제어 방법은, 몸통의 움직임과 상측 사지들의 움직임이 비정밀 모델을 통해 허리의 움직임에 대한 근사화 해를 구하는 상기 수단 또는 상기 단계에 의해 구해진 근사화 해에 의해 구현될 수 없을 때, 몸통의 움직임 패턴 및 상측 사지들의 움직임 패턴을 재선택/변경하는 수단 또는 단계 (C')를 더 포함한다.
본 발명의 목적을 위하여, 본 발명의 제 3 양태에 따른 이동 제어 장치 또는 이동 제어 방법의 비정밀 모델에 의한 허리 동작의 근사 해를 구하는 상기 수단 또는 상기 단계 (C)는, 발들, 몸통 및 상측 사지들의 움직임들에 의해 발생된 선택된 ZMP상에서의 모멘트 및 허리의 수평면 움직임에 의해 발생된 ZMP상에서의 모멘트의 조정 수학식을 풀어서 허리의 움직임에 대한 근사 해를 구하는 수단 또는 단계이다.
또한, 비정밀 모델에 의해 허리의 움직임에 대한 근사 해를 구하는 상기 수단 또는 상기 단계 (C)는 계산을 위해 시간 함수를 주파수 함수로 대체하는 수단 또는 단계이다.
또한, 비정밀 모델에 의해 허리의 움직임에 대한 근사 해를 구하는 상기 수단 또는 상기 단계 (C)는, 발들, 몸통 및 상측 사지들에 의해 발행된 선택된 ZMP상에서의 모멘트 또는 허리의 수평면 궤도에 퓨리에(Fourier) 시리즈 전개를 적용함으로써 허리의 수평면 궤도의 퓨리에 계수들을 계산적으로 결정하고, 역 퓨리에 시리즈 전개를 적용함으로써 허리의 움직임의 근사해를 부가적으로 구하는 수단 또는 단계이다.
본 발명의 제 4 양태에서는, 상체의 호라동을 표현하기 위한 다수의 관절이 제공된 상체 및 적어도 이동성 활동을 구현하기 위한 다리 관절을 갖는 타입의 로봇을 제어하기 위한 이동 제어 장치 및 이동 제어 방법이 또한 제공되는데, 여기서 안정한 보행을 위해 적용된 하체의 보조는 상체의 보조에 따라 결정된다.
따라서, 본 발명에 따른 이동 제어 장치 또는 이동 제어 방법은, 몸통 움직임의 선택된 패턴과 상측 사지의 움직임과 함께 발의 움직임에 기초하여 안정한 보행을 위해 적용된 로봇의 허리의 움직임을 구현할 수 있다. 몸통의 움직임 및 상체의 움직임은 상체를 이용하는 몸동작을 포함한 표현 활동인 상체의 보조에 대응한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 로봇은 로봇이 똑바로 서있거나 또는 보행하는가에 상관없이 안정한 보행을 구현할 수 있도록 하측 사지의 보조를 결정할 수 있다. 특히, 로봇이 똑바로 서있는동안 몸통 및 상측 사지를 포함한 상체를 이용하여 몸동작이 이루어지면, 상기 상체의 보조에 응답하여 안정한 보행을 할 수 있도록 하측 사지의 보조를 결정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 생체의 행동 및 메카니즘을 모방하기 위해 적용된 구조를 갖는 로봇을 효과적으로 제어하기 위한 이동 장치 및 이동 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 사람이나 또는 원숭이 같은 직립 보행 동물의 행동 및 메카니즘을 모방하기 위해 적용된 구조를 갖는 양족 이동성 로봇을 효과적으로 제어하기 위한 이동 제어 장치 및 이동 제어 방법이 또한 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 몸체, 머리 및 팔을 포함한 상체와 함께 직립 양족물에 적용되는 하측 사지를 갖는 직립 양족 이동성 로봇을 효과적으로 제어하기 위한 이동 제어 장치 및 이동 제어 방법이 또한 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 안정적으로 보행할 수 있도록 하며 사람과 같이 행동하며 표현이 풍부하도록 로봇을 효과적으로 제어하기 위한 이동 제어 장치 및 이동 제어 방법이 또한 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상체가 주요한 역할을 하는 몸동작의 활동이나 소정의 다른 표현으로 인해 자세의 안정도가 손상될 때마다 자세의 안정도를 회복시키도록, 몸통, 머리 및 팔을 포함한 상체와 함께 직립 양족물에 적용된 하체를 갖는 직립 양족 이동성 로봇을 효과적으로 제어하기 위한 이동 제어 장치 및 이동 제어 방법이 또한 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 직립 양족에 적용되며 몸통 아래로부터(또는, 허리 아래로부터)일 수 있는 하체의 안정한 움직임의 대응하는 패턴을 발생하기 위하여 허리 움직임의 패턴을 생성하도록 설계된 로봇을 제공하는 것이 가능하다. 따라서, 로봇의 자세적 안정성이 상체에 의해 유도된 몸동작 같은 표현으로 인해 손상되면, 하체의 적절한 움직임에 의해 회복될 수 있다. 각 하측 사지에서 6의 자유도를 갖는 양족 이동성 로봇의 경우, 각 다리의 자세는 대응하는 발의 위치 및 대응하는 허리의 높이의 위치에 의해 명확하게 결정된다. 즉, 허리 움직임의 패턴 발생은 다리의 자세 및 이에 따른 하측 사지의 보조가 자세에 의해 결정됨을 의미한다. 따라서, 본 발명에 따른 이동 제어 장치 또는 이동 제어 방법은 상체의 보조에 응답하여 안정한 양족물에 적용되는 하체의 보조를 결정하는 것이 가능하다.
이하, 본 발명은 본 발명의 양호한 실시예를 예시한 첨부된 도면을 참조하여 더 상세히 설명된다.
도 1 및 2는 정면도 및 배면도를 각각 예시한 본 발명이 적용되는 휴머노이드 로봇(100)의 개략적인 사시도이다. 도 3은 이것에 적용되는 자유도의 모델을 도시한 도 1의 휴머노이드 로봇(100)의 개략적인 예시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 휴머노이드 로봇(100)은 한쌍의 팔과 머리(1)를 포함한 상체와, 보행 활동을 실행하기 위한 한쌍의 다리를 포함한 하체 및, 상측의 사지(limbs)와 하측의 사지를 연결하는 몸통을 포함한다.
머리(1)를 지지하는 목 관절은 목 관절 편축(yawing axis; 2), 목 관절 피칭축(3) 및 목 관절 회전축(4)의 3개의 자유도를 갖는다.
상측 사지 각각은 어깨 관절 피칭축(8), 어깨 관절 회전축(9), 상측 팔 편축(10), 팔꿈치 관절 피칭축(11), 팔뚝 편축(12), 손목 관절 피칭축(13), 손목 관절 회전축(14) 및 손(15)을 포함한다. 사람의 손(15)은 사실상 다수의 손가락을 갖는 다중 관절 및 다중 자유도 구조로 되어있다. 그러나, 손(15)의 활동은 로봇(100)의 이동 제어 및 자세 제어에 거의 영향을 미치지 않기 때문에, 여기서는 제로의 자유도를 갖는 것으로 가정한다. 따라서, 상측 사지 각각은 7의 자유도를 갖는다.
몸통은 몸통 피칭축(5), 몸통 회전축(6) 및 몸통 편축(7)의 3개의 자유도를 갖는다.
하측 사지 각각은 엉덩이 관절 편축(16), 엉덩이 관절 피칭축(17), 엉덩이 관절 회전축(18), 무릎 관절 피칭축(19), 발목 관절 피칭축(20), 발목 관절 회전축(21) 및 발(22)을 포함한다. 본 발명을 위하여, 엉덩이 관절 피칭축(17)과 엉덩이 관절 회전축(18)의 교차점은 엉덩이 관절의 위치를 규정한다. 사람의 발(22)이 사실상 발바닥을 포함하여 다중 관절 및 다중 자유도 구조를 갖는 반면, 휴머노이드 로봇(100)의 발바닥은 본 발명을 위해서 제로의 자유도를 갖는다.
전체적으로, 본 실시예의 휴머노이드 로봇(100)은 총 3+7×2+3+6×2 = 32 의 자유도를 갖는다. 그러나, 오락을 위해 설계된 휴머노이드 로봇(100)의 자유도는 결코 32개로 제한되지 않는다. 자유도 및 로봇의 관절 수는 여러 가지 제한 및 요건, 특히 설계 및 제조와 관련하여 적절히 설정되어야 한다.
휴머노이드 로봇(100)의 자유도는 실질적으로 로봇에 이렇게 많은 작동기가 장착됨으로써 구현된다. 작동기는 로봇이 사람과 같이 보이고 사람과 같이 행동하더라도 정밀한 자세 제어를 필요로 하는 불안정한 양족 동물 구조를 갖는다는 관점에서 소형이며 경량인 것이 바람직하다. 본 실시예를 위하여, 기어가 직접 연결된 타입의 소형 AC 서보 액튜에이터 및 서보 제어 시스템은 모터 유닛에 포함된 단일 칩 형태로 구현된다. 이러한 AC 서보 작동기는 예를 들어 본 특허 출원의 출원인에게 양도된 일본 특허 출원 공개 번호 제 11--33386호에 개시 및 설명되어 있다.
도 4는 그 제어 시스템을 도시한 본 발명이 적용될 수 있는 휴머노이드 로봇(100)의 개략적인 예시도이다. 도시된 바와 같이, 휴머노이드 로봇(100)은 인체의 각 부분에 대응하는 기계적인 유닛 30, 40, 50R./L(R 및 L은 본 명세서에서 이용되는 바와 같이 우측과 좌측을 각각 표시하기 위한 접미사임), 및 좌표 방식으로 기계적 유닛의 움직임을 제어하기 위한 제어 유닛(80)을 포함한다.
휴머노이드 로봇(100)의 전체 움직임은 제어 유닛(80)에 의해 제어된다. 제어 유닛(80)은 CPU(central processing unit), 메모리 및 다른 주요 회로 구성요소(미도시)를 포함한 메인 메모리 유닛(81), 및 관련 회로 구성요소들간에 데이터 및 명령의 교환을 위해 이용되는 인터페이스(미도시) 및 전원 회로(미도시)를 포함한 주변 회로(82)를 포함한다.
본 발명의 목적을 위하여, 제어 유닛(80)은 소정의 적절한 위치에 설치될 수 있다. 이것은 도 4에서의 트렁크 유닛(40)에 장착되지만, 대안으로 머리 유닛(30)에 장착될 수 있다. 또한, 대안으로 제어 유닛(80)은 로봇(100)의 외부에 배치되어, 유선 또는 무선 통신 채널을 통해 로봇(100)의 본체와 통신할 수 있도록 한다.
도 3에 도시된 로봇(100)의 관절 각각의 자유도는 많은 대응하는 작동기에 의해 구현된다. 특히, 머리 유닛(30)에는, 목 관절 편축(2), 목 관절 피칭축(3) 및 목 관절 회전축(4) 각각에 목 관절 편축 작동기(A2), 목 관절 피칭축 작동기(A3) 및 목 관절 회전축 작동기(A4)가 제공된다.
한편, 몸통 유닛(40)에는, 몸통 피칭축(5), 몸통 회전축(6) 및 몸통 편축(7) 각각에 몸통 피칭축 작동기(A5), 몸통 회전축 작동기(A6) 및 몸통 편축 작동기(A7)가 제공된다.
한편, 상측 팔 유닛 51R/L, 팔꿈치 관절 유닛 52R/L 및 팔뚝 유닛 53R/L을 포함한 팔 유닛 50R/L 각각에는, 어께 관절 피칭축(8), 어께 관절 회전축(9), 상측 팔 편축(10), 팔꿈치 관절 피칭축(11), 팔꿈치 관절 회전축(12), 손목 관절 피칭축(13) 및 손목 관절 회전축(14) 각각에 어께 관절 피칭축 작동기(A8), 어께 관절 회전축 작동기(A9), 상측 팔 편축 작동기(A10), 팔꿈치 관절 피칭축 작동기(A11), 팔꿈치 관절 회전축 작동기(A12), 손목 관절 피칭축 작동기(A13) 및 손목 관절 회전축 작동기(A14)가 제공된다.
허벅다리 유닛 61R/L, 무릎 유닛 62R/L 및 정강이 유닛 63R/L을 포함한 다리 유닛 60R/L 각각에는, 엉덩이 관절 편축(16), 엉덩이 관절 피칭축(17), 엉덩이 관절 회전축(18), 무릎 관절 피칭축(19), 발목 관절 피칭축(20) 및 발목 관절 회전축(21) 각각에 엉덩이 관절 편축 작동기(A16), 엉덩이 관절 피칭축 작동기(A17), 엉덩이 관절 회전축 작동기(A18), 무릎 관절 피칭축 작동기(A19), 발목 관절 피칭축 작동기(A20) 및 발목 관절 회전축 작동기(A21)가 제공된다.
각 관절마다 제공된 작동기(A2, A3,...)는, 기어가 직접 연결되고 서보 제어 시스템이 모터 유닛에 포함된 단일 칩 형태로 구현되는 타입의 소형 AC 서보 작동기인 것이 바람직하다.
머리 유닛(30), 몸통 유닛(40), 팔 유닛 50R/L 및 다리 유닛 60R/L을 포함한 기계적 유닛에는 응답 가능한 작동기를 구동 및 제어하기 위한 보조 제어부(35, 45, 55R/L 및 65R/L)가 각각 제공된다. 로봇에는 우측 및 좌측 다리 유닛 60R/L의 발바닥중 하나 또는 이들 모두가 착지되는 가의 여부를 검출하기 위한 착지 확인 센서(91, 92)가 부가적으로 제공되며, 자세 센서(93)는 로봇의 자세를 검출하기 위하여 몸통 유닛(40)에 배치된다.
메인 제어부(80)는 센서(91 내지 93)의 출력에 응답하여 보조 제어부(34, 45, 55, 65)를 적절히 제어함으로써, 협조 방식으로 휴머노이드 로봇(100)이 그 상측 사지, 몸통 및 하측 사지를 움직일 수 있도록 한다. 메인 메모리부(81)는 발의 움직임, ZMP(zero moment point)의 궤도, 몸통의 움직임, 상측 사지의 움직임 및 허리의 높이를 선택하고, 선택된 움직임에 필요한 명령을 보조 제어부(35, 45, 55, 65)에 전달한다. 명령의 수신시, 보조 제어부는 메인 제어부(81)로부터 수신한 명령에 응답하여 구동 제어 신호를 각 작동기(A2, A3,...)에 출력한다. 본 명세서에서 이용되는 용어 "ZMP"는 바닥의 반작용으로 인한 로봇의 모멘트가 영(nil)에 같아지는 바닥에서의 포인트로서 언급된다. 본 명세서에서 이용되는 표현 "ZMP 궤도"는 로봇(100)이 보행하는 동안 ZMP가 움직이는 궤도를 언급한다.
본 실시예에서, 물리적으로 도 3에 도시된 바와 같은 자유도를 갖는 휴머노이드 로봇(100)은 로봇의 이동을 계산적으로 제어하기 위한 다중 머티리얼 포인트(material point) 근사화 모델로 대체된다. 휴머노이드 로봇(100)이 무한한 역속 머티리얼 포인트의 집합이지만, 로봇의 이동을 제어하기 위해 필요한 계산량이 이것을 유한 및 불연속 머티리얼 포인트를 갖는 근사화 모델로 대체될 수 있다.
도 5는 본 실시예에서 그 보행을 제어하기 위하여 휴머노이드 로봇(100)에 적용된 선형 및 비간섭 다중 머티리얼 포인트 근사화 모델의 개략적인 예시도이다.
도 5를 참조하면, O-XYZ 좌표 시스템은 절대 좌표 시스템에서의 회전축, 피칭축 및 편축을 도시하며, 반면 O'-X'Y'Z' 좌표 시스템은 로봇(100)과 함께 움직이는 움직임 좌표 시스템에서의 회전축, 피칭축 및 편축을 도시한다. 도 5의 다중 머티리얼 포인트 모델의 경우에, i는 제 i 머티리얼 포인트를 표시한다. 따라서, mi는 제 i 머티리얼 포인트의 질량을 표시하고, r'i는 (이동 좌표 시스템)에서의 제 i 머티리얼 포인트의 위치 벡터를 표시한다. 이후에 설명되는 것과 같이 허리의 움직임을 제어하기 위해 중요한 허리의 머티리얼 포인트의 질량은 mh로 표시되고, 반면 ZMP의 위치 벡터는 r'ZMP로 표시된다.
도 5의 비정밀 다중 머티리얼 포인트 근사화 모델의 경우, 모멘트의 공식이 선형 방정식 형태로 표시되고, 그러므로 피칭축 및 회전축과 인터페이스하지 않는다.
상기 다중 머티리얼 포인트 근사화 모델은 일반적으로 이하에 설명되는 바와 같은 방식으로 생성될 수 있다.
(1) 전체 로봇(100)의 질량 분포를 결정함.
(2) 머티리얼 포인트를 선택함. 머티리얼 포인트는 설계자의 입력에 따라 수동으로 선택되거나, 선정된 규칙에 따라 자동으로 선택될 수 있다.
(3) 각 영역의 중력 중심(머티리얼 포인트; i)을 결정하고, 중심 및 질량 mi을 머티리얼 포인트에 할당함.
(4) 각 머티리얼 포인트 mi를 머티리얼 포인트 ri에서의 중심 및 그 질량에 비례한 반경을 갖는 구(sphere)로서 표현함.
(5) 실제로 링크된 구, 즉 머티리얼 포인트를 연결시킴.
다중 머티리얼 포인트 모델은 와이어프레임 모델 형태로 로봇을 나타낸다. 도 5의 다중 머티리얼 포인트 근사화 모델에서, 어께, 팔꿈치, 손목, 몸통, 허리 및 발목은 자기 테이프 포인트로서 선택된다.
도 5의 다중 머티리얼 포인트 근사화 모델의 허리 정보에서의 회전각도(θhx, θhy, θhz)는 회전축, 피칭축 및 편축과 관련하여 휴머노이드 로봇(100)의 허리의 자세를 규정한다(허리 및 그 주변을 예시한 도 5의 다중 머티리얼 포인트 모델의 확대된 개략적인 사시도인 도 8을 참조함).
이하, 본 실시예의 휴머노이드 로봇(100)의 이동 제어 동작이 후술된다.
로봇은 통상 그 관절 또는 작동기가 실제로 이동하기 전에 미리 생성된 움직임 패턴에 따라 제어되는 방식으로 구동되도록 설계된다. 본 실시예의 로봇(100)의 경우, 로봇이 안정적으로 보행하도록 하는 허리 움직임 패턴은 다리 움직임 패턴, ZMP 궤도, 몸통 움직임 패턴, 상측 사지 움직임 패턴 및 임의로 선택된 다른 패턴에 기초하여 생성된다. 본 명세서에서 이용되는 ZMP는, 로봇이 보행할 때, 로봇의 다리중 하나의 발바닥이 어떠한 모멘트 없이 바닥에 정확하게 안착되는 포인트로 언급된다.
양족 이동성 로봇의 경우, 그 다리 각각이 6의 자유도를 갖으며(도 3 참조), 다리의 자세는 다리 22R/L의 위치, 수평 위치 및 허리의 높이에 의해 명확하게 정해진다. 따라서, 허리 움직임 패턴의 생성은 사실상 다리의 자세 또는 하측 사지의 "보조"의 선택이다(본 명세서에서 이용되는 용어 "보조"는 관절 각도의 시간 연속 변화"로 불리우는 산업 기술 용어로서, 실질적으로 "움직임 패턴"과 동일한 의미를 갖음).
도 6은 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇(100)의 보행을 제어하기 위한 동작 시퀀스의 흐름도이다. 로봇(100)의 관절들 각각의 움직임 및 위치는 도 5의 선형 및 비간섭 다중 머티리얼 포인트 근사화 모델 및 하기에 리스트된 다음의 파라미터들을 이용함으로써 후술된다. 대시(')를 갖는 심볼은 움직임 좌표 시스템을 기술한다.
[수학적 표현 1]
mh: 허리의 머티리얼 포인트의 질량
: 허리의 머티리얼 포인트의 위치 벡터
mi: 제 I 머티리일 포인트의 질량
: i 번째의 머티리얼 포인트의 위치 벡터
: ZMP의 위치 벡터
: 중력 가속 벡터
O'-X'Y'Z': (로봇과 함께 움직이는)움직임 좌표 시스템
O-XYZ: 절대 좌표 시스템
로봇(100)의 허리는 일정한 높이(r'hz+rqz=상수)임을 보여주고, 무릎 각각의 머티리얼 포인트는 제로와 동일한 것으로 가정한다.
도 6의 동작의 시퀀스는 보행 움직임 또는 몸동작일 수 있는 로봇(100)의 활동을 위한 유저 명령이 입력될 때 개시된다. 유저 명령으로 지시됨에 따른 로봇(100)의 활동은, 두 발로 보행시 로봇이 똑바로 서있을 때의 상측 사지와 몸통을 이용한 몸동작, 또는 로봇이 보행하고 있을 때 상측 사지 및 몸통을 이용한 몸동작일 수 있다.
상기 유저 명령은 발들의 움직임(더 정확하게는 각각의 발의 움직임) 및 다리의 움직임으로부터 유도되는 바와 같이 ZMP 궤도, 몸통의 움직임, 상측 사지의 움직임 다리의 높이 및 자세를 포함한 성분들 각각의 움직임 상태를 결정하기 위하여 메인 제어부(81) 및 패턴에 의해 해석된다(단계 S11). 특히, 발의 움직임 패턴, ZMP의 궤도, 몸통의 움직임 패턴 및 상측 사지의 움직임 패턴이 선택된다. 몸통의 움직임은 Z' 방향에 관련해서만 선택되고, X' 및 Y' 방향에 관련해서는 알려지지 않는다.
이때, 발, 몸통 및 상측 사지의 움직임에 따라 생성되는 선택된 ZMP상에서의 피칭축 주위의 모멘트 및 회전축 주위의 모멘트(Mx, My)는 선형 및 비간섭 다중 머티리얼 포인트 근사화 모델(단계 S12)에 의해 계산적으로 결정된다(단계 S12).
이때, 허러의 수평면 움직임(r'hx, r'hy)에 따라 생성된 선택된 ZMP상에서의 모멘트는 또한 선형 및 비간섭 다중 머티리얼 포인트 근사화 모델을 이용함으로써 계산적으로 결정된다(단계 S13).
이후, 선택된 ZMP상에서의 모멘트용 밸런싱 공식은 로봇과 함께 움직이는 움직임 좌표 시스템 O'-X'Y'Z'으로 유도된다. 특히, 발, 몸통 및 상측 사지의 움직임에 따라 발생된 모멘트(Mx, My)는 미지의 변수항으로서 우측에서 이용되며, 허리(rhx, rhy)는 수평면 움직임에서의 항은 미지의 변수항으로 좌측에 위치되어, 선형 비간섭 ZMP 수학식 1을 하기와 같이 유도한다.
[수학적 표현 2]
그러나, 다음의 수학식이 참으로 유지되는 것으로 가정한다.
[수학적 표현 3]
이때, 허리의 수평면 궤도는 ZMP 수학식 1을 풀어서 계산적으로 결정된다(단계 S15). 예를 들면, ZMP 수학식 1은 미지의 변수로 표시된 바와 같이 허리의 수평 절대 위치(rhx, rhy)에 대한 수치적 해(solution)를 구하기 위하여 율러의 방법(Euler's method) 또는 런지/쿠타 방법(Runge/Kutta method) 같은 공지의 방법을 이용하여 풀릴 수 있다(단계 S16). 여기서 구해진 수치 해는, ZMP가 목표 위치를 갖을 수 있도록 하는 허리의 수평적 절대 위치를 표시하는 로봇이 안정한 방식으로 보행할 수 있도록 하는 허리의 움직임 패턴에 대한 적절한 해이다. ZMP의 목표 위치는 통상 후자가 바닥에 착지할 때 발바닥상에 선택된다.
몸통 및 상측 사지의 미리 선택된 움직임이 계산적으로 구해진 근사치에 의해 구현될 수 없다면, 몸통과 상측 상지의 움직임 패턴은 다시 선택되거나 또는 수정된다(단계 S17). 이때, 무릅의 각 궤도는 또한 계산적으로 결정될 수 있다.
이때, 상술된 것과 같은 방식으로 구해진 전체 신체의 움직임 패턴은 (로봇(100)의 다수의 머티리얼 포인트 또는 정확한 신체를 비교함으로써) 정밀 모델의 선택된 ZMP상에서의 모멘트(eMx, eMy)를 계산적으로 결정하기 위한 대용으로 이용된다(단계 S18). [수학적 표현 3]의 수학식은 비정밀 모델에 대하여 참을 유지하는 것으로 가정하지만, 정밀 모델은 상기 가정을 필요로 하지 않는다(그러므로, 후자의 수학식은 시간과 관련하여 상수일 필요가 없음).
정밀 모델의 모멘트(eMx, eMy)는 허리의 움직임에 따라 생성된 모멘트에서의 에러를 표시한다. 이때, 단계 S19의 다음 단계에서는, 모멘트(eMx, eMy)가 비 정밀 모델의 근사치 모멘트의 각 허용치(εMx, εMy) 보다 작은가 아닌가의 여부가 판단된다. 만약, 이들이 허용치보다 작다면, 정확한 해가 허리의 안정한 움직임의 패턴을 위해 구해짐을 의미하고, 그러므로 전체 신체의 움직임 패턴이 처리 루틴이 종료될 수 있도록 로봇의 안정적인 보행을 위해 구해질 수 있다.
한편, 모멘트(eMx, eMy)가 비정밀 모델의 근사 모멘트의 각 허용치(εMx, εMy) 보다 작지 않다면, 근사 모델의 발생된 모멘트는 다시 한번 선형 및 비간섭 ZMP 수학식을 유도하기 위하여 정밀 모델(단계 S21)의 모멘트(eMx, eMy)를 이용하여 변경된다. 허리 움직임 및 다음의 변화 패턴의 근사 해의 상기 계산적 결정은 모멘트가 각 허용치보다 작은 것으로 발견될 때까지 반복된다.
요컨대, 도 6의 동작 시퀀스에서, 안정한 보행에 적용된 허리의 움직임은 상측 사지와 몸통 움직임의 선택된 패턴에 기초하여 발의 움직임과 더불어 구현될 수 있다. 몸통과 상측 사지의 움직임은 몸동작 또는 로봇(100)의 상체의 보조를 포함한 활동에 대응한다. 하측 사지의 "보조" 또는 다리의 자세는 다리 각각에서 6의 자유도를 갖는 양족 이동성 로봇(100)의 경우에 발 22R/L의 위치, 수평 위치 및 허리의 높이에 의해 명확하게 정해지기 때문에, 허리 움직임 패턴의 발생은 하측 사지의 "보조"가 결정됨을 의미한다.
따라서, 본 실시예의 직립 양족물에 적용된 양족 이동성 로봇(100)에서는, 로봇이 똑바로 서있거나 또는 2발로 보행하는 가에 상관없이 안정한 보행에 적합한 하측 사지의 보조를 결정하는 것이 가능하다.
특히, 로봇(100)이 똑바로 서있는 동안 상측 사지 및 몸통을 이용함으로써 몸동작이 이루어질 때, 이러지는 안정한 보행에 적용된 하측 사지의 보조를 결정하는 것이 가능하다(그리고, 상체의 불균형한 상태를 바로잡을 수 있다). 즉, 상체가 주요한 역할을 하는 몸동작에 의해 손상된 자세의 안정도는 허리의 수평 위치와 관련하여 정해진 보조를 결정함으로써 적절하게 회복될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇(100)의 안정한 보행에 적용되는 허리의 움직임을 제어하기 위한 동작의 다른 시퀀스의 흐름도이다. 로봇(100)의 관절들 각각의 위치 및 움직임은 또한 선형 및 비간섭 다중 머티리얼 포인트 근사화 모델을 이용함으로써 이후 병세서에서 설명된다.
도 7의 동작 시퀀스는 보행 동작 또는 몸동작일 수 있는 로봇(100)의 활동을 위해 유저 명령이 입력될 때 개시된다. 유저 명령에 의해 지시받음에 따른 로봇(100)의 활동은, 로봇이 똑바로 서서 보행하고 있을 때의 상측 사지 및 몸통을 이용한 몸동작, 또는 로봇이 2발로 보행하고 있을 때의 상측 사지 및 몸통을 이용한 몸동작일 수 있다.
상기 유저 명령은 발(더 정확하게는 발바닥)의 움직임 및 다리의 움직임으로부터 유도된 바와 같이 ZMP 궤도, 몸통의 움직임, 상측 사지의 움직임 및 허리 높이의 움직임을 포함한 성분들 각각의 움직임 및 상태를 결정하기 위하여 메인 제어부(81) 및 패턴에 의해 해석된다(단계 S31). 특히, 발의 움직임의 패턴, ZMP의 궤도, 몸통의 움직임 패턴 및 상측 사지의 움직임 패턴이 선택된다. 허리의 움직임은 Z' 방향에 관련해서만 선택되고, X' 및 Y' 방향에 관련해서는 미지의 상태로 남게 된다.
이때, 발, 몸통 및 상측 사지의 움직임에 따라 발생될 선택된 ZMP상에서의 피칭축 주위의 모멘트와 회전축 주위의 모멘트(Mx, My)는 (상기 설명 및 도 5에서 언급된)선형 및 비간섭 다중 머티리얼 포인트 근사화 모델을 이용하여 계산적으로 결정된다(단계 S32).
이때, 허리의 수평면 움직임(r'hx, r'hy)은 퓨리에(Fourier) 시리즈 전개를 받는다(단계 S33). 당 기술에 숙련된 지식을 가진 자들에게 공지된 바와 같이, 시간축 성분은 퓨티에 시리즈 전개의 결과에 따라 주파수 성분으로 대체될 수 있다. 즉, 허리의 움직임은 주기적인 움직임으로 표현될 수 있다. 또한, 본 실시예의 계산 속도는 FFT(Fast Fourier Transform)이 적용될 수 있기 때문에 급격히 향상될 수 있다.
이때, 피칭축 및 회전축 주위의 모멘트(Mx, My)는 또한 퓨리에 시리즈 전게를 받는다(단계 34).
이때, 허리의 수평면 궤도의 퓨리에 계수가 결정되며, 역 퓨리에 시리즈 전개가 허리 움직임의 근사 해를 구하기 위하여 수행된다(단계 S35). 여기서 구해진 수치적 해는 ZMP가 목표 위치를 얻을 수 있도록 허리의 수평 절대 위치를 표현하는 안정한 방식으로 로봇이 보행할 수 있도록 하는 허리 움직임의 패턴에 대한 근사 해이다. ZMP의 목표 위치는 통산 후자가 바닥에 착지될 때 발바닥에서 선택된다.
몸통과 상측 사지의 미리 선택된 움직임이 계산적으로 구해진 근사 해에 의해 구현될 수 없다면, 몸통 및 상측 사지의 움직임 패턴이 다시 선택되거나 또는 변경된다(단계 S37). 이때, 무릎 각각의 궤도가 또한 계산적으로 결정된다.
이때, 상술된 것과 같은 방식으로 구해진 전체 신체의 움직임 패턴은 (로봇(100)의 다수의 머티리얼 포인트 또는 정밀 신체를 포함한)정밀 모델의 선택된 ZMP상에서의 모멘트(eMx, eMy)를 계산적으로 결정하기 위하여 대체되어 이용된다(단계 S38). [수학적 표현 3]의 수학식이 비정밀 모델에서 참으로 유지된다고 가정하면, 정밀 모델은 상기 가정을 반드시 필요로 하지 않는다(그러므로, 후자의 수학식은 시간에 관련해서 일정할 필요가 없다).
정밀 모델의 모멘트(eMx, eMy)는 허리의 움직임에 따라서 발생된 모멘트에서의 에러를 나타낸다. 이때, 단계 S39의 다음 단계에서, 모멘트(eMx, eMy)가 비정밀 모델의 근사 모멘트의 각 허용치(εMx, εMy) 보다 작은가의 여부가 판단된다. 만약, 이들이 각 허용치보다 작다면, 이것은 정밀 해가 허리의 안정한 움직임 패턴을 위해 구해지고, 전체 신체의 움직임 패턴이 처리 루틴이 종료될 수 있도록 로봇(단계 S40)의 안정한 보행을 위해 구해질 수 있다.
한편, 모멘트(eMx, eMy)가 비정밀 모델의 근사 모멘트의 각 허용치(εMx, εMy) 보다 작지 않다면, 근사화 모델의 발생된 모멘트는 퓨리에 시리즈 전개를 다시 수행하기 위하여 정밀 모델(단계 S41)의 모멘트(eMx, eMy)를 이용하여 변경된다. 허리의 움직임 및 다음 변형의 움직임 패턴의 근사 해의 상기 계산적 결정은 모멘트가 각 허용치보다 작다고 확인될 때까지 반복된다.
당 기술에 숙련된 지식을 가진 자들은, 안정한 보행에 적용되는 허리의 움직임이 이어지는 도 7의 동작 시퀀스에 의해 구현될 수 있다. 특히, 주기적인 움직임은 ZMP 수학식의 수치적 해를 구하기 위한 방법에 의존하지 않고 퓨리에 시리즈 전개를 이용하여 신속히 정해질 수 있다. 또한, 계산적 속도는 FFT를 적용함으로써 급격히 향상된다.
몸통의 움직임 및 상측 사지의 움직임은 몸동작, 또는 로봇(100)의 상체의 보조를 포함한 활동에 대응한다. 다리의 자세 또는 하측 사지의 "보조"는 다리 각각에서 6의 자유도를 갖는 양족 이동성 로봇(100)의 경우에(도 3) 발 22R/L의 위치, 수평 위치 및 허리의 높이에 의해 명확하게 정해지기 때문에, 허리의 움직임 패턴의 발생은 하측 사지의 "보조"가 결정됨을 의미한다.
따라서, 본 실시예의 직립 양족물에 적용된 양족 이동성 로봇(100)에서는, 로봇이 똑바로 서있거나 두발로 보행하고 있는가에 상관없이 안정한 보행에 적합한 하측 사지의 보조를 결정하는 것이 가능하다.
특히, 로봇(100)이 똑바로 서있는 동안 상측 사지 및 몸통을 이용하여 몸동작이 이루어질 때, 이어지는 안정한 보행에 적용되는 하측 사지의 보조를 결정하는 것이 가능하다. 즉, 상체가 주요한 역할을 취하는 경우의 몸동작에 의해 선정된 자세의 안정도는 허리의 수평 위치와 관련하게 정해진 보조를 결정함으로서 적절하게 회복될 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예를 통하여 상세히 설명되었다. 그러나, 상기 실시예들이 본 발명의 범주 내에서 변경 및/또는 응용될 수 있음을 당기술의 당업자들은 이해할 수 있다.
로봇의 허리의 자세(θhx, θhy, θhz)가 피칭축(5), 몸통 회전축(6) 및 몸통 편축(7)의 3개의 자유도와 관련하여 설명되었지만, 휴머노이드 로봇(100)의 허리의 위치는 사람 또는 원숭이 같은 직립 양족물에 적용된 실제 양족 이동성 동물의 신체적인 메카니즘을 참조하여 여러 가지 다른 방식으로 조작될 수 있다.
또한, 본 발명은 "로봇"으로 불리우는 제조품을 한정되지 않는다. 즉, 본 발명은 제품이 전기 및/또는 자기 효과에 의해 사람의 행동을 모방한 기계적 장치인한 완구 산업 같은 여러 가지 산업의 제품에 적용될 수 있다.
요컨대, 본 발명은 명확한 이해를 돕기 위하여 특정한 실시예와 관련하여 설명되었으며, 따라서 상기 실시예는 본 발명의 범주를 결코 제한하고자 하는 것이 아니다.
본 발명의 이해를 돕기 위하여, 휴머노이드 로봇에서 이용될 수 있는 관절 모델의 구성은 도 9에 예시된다. 도 9를 참조하면, 어께 관절(5), 상측 팔(3), 팔꿈치 관절(6), 팔뚝(4), 손목 관절(7) 및 손(8) 부분은 "상측 사지"(17)로 언급된다. 엉덩이 관절(11)에서 몸통 관절(10)로 연장된 로봇의 부분은 "몸통"(18)으로 언급된다. 몸통 관절(10)은 사람의 척추의 자유도를 표현하는 역할을 한다. 결국, 엉덩이 관절(11), 허벅다리(12), 무릎 관절(14), 정강이(13), 발목 관절(15) 및 발(16)에 걸친 로봇의 부분은 "하측 사지"(19)로 언급된다. 더 개략적으로, 상기 몸통 관절로부터의 부분은 "상체"로서 언급되며, 나머지 부분은 "하체"로서 언급된다.
도 10은 휴머노이드 로봇에 이용될 수 있는 다른 관절 모델의 개략적인 예시도이다. 상기 모델은 몸통 관절(10)을 포함하지 않는 점에서 도 9의 모델과 상이하다. 여러 가지 성분들의 명칭에 대한 상기 설명을 참조한다. 사람의 척추에 대응하는 몸통 관절이 없는 경우 표현적으로는 부족한 휴머노이드 로봇의 상체를 만든다. 그러나, 상기 로봇은 상체의 움직임이 특별히 중요하지 않은 산업에서의 위험한 작업 및 다른 작업들에서 응용될 수 있다. 도 9 및 도 10의 참조번호는 다른 도면에서 이용되는 것과 일치하지 않는다.
따라서, 본 발명은 직립 양족물에 적용된 양족 이동성 로봇(100)에서는, 로봇이 똑바로 서있거나 두발로 보행하고 있는가에 상관없이 안정한 보행에 적합한 하측 사지의 보조를 결정하는 것이 가능하다.
특히, 로봇(100)이 똑바로 서있는 동안 상측 사지 및 몸통을 이용하여 몸동작이 이루어질 때, 이어지는 안정한 보행에 적용되는 하측 사지의 보조를 결정하는 것이 가능하다. 즉, 상체가 주요한 역할을 취하는 경우의 몸동작에 의해 선정된 자세의 안정도는 허리의 수평 위치와 관련하게 정해진 보조를 결정함으로서 적절하게 회복될 수 있다.

Claims (18)

  1. 적어도 하측 사지들(limbs), 몸통 및 허리를 갖고 양족 동물에 적용되는 타입의 로봇을 제어하기 위한 이동(zmbulation) 제어 장치에 있어서,
    상기 장치는, 임의로 선택된 발들의 움직임 패턴, ZMP의 궤도, 트렁크의 움직임 패턴 및 상측 사지들의 움직임 패턴으로부터 허리의 움직임 패턴을 유도함으로써 보행을 위한 전체 신체의 움직임 패턴을 구하도록 적용되는 이동 제어 장치.
  2. ZMP가 목표 위치를 취할 수 있도록 하기 위하여 하측 사지들의 두개의 발들을 움직이도록 하여, 적어도 하측 사지들, 몸통 및 허리를 갖는 타입의 로봇을 제어하기 위한 이동 제어 장치에 있어서,
    상기 장치는, 요구된 활동을 구현하기 위하여 발들의 움직임, 몸통의 움직임, 상측 사지들의 움직임 및 허리의 자세와 높이를 선택하는 수단 (a);
    상기 수단 (a)에 의해 선택된 발들의 움직임에 기초하여 ZMP의 궤도를 선택하는 수단 (b);
    상기 수단 (b)에 의해 선택된 ZMP상에서의 모멘트를 조정하기 위하여 허리의 움직임에 대한 해(solution)를 구하는 수단 (c); 및
    허리의 움직임에 대하여 구해진 해에 기초하여 허리의 움직임을 구현하는 수단 (d)를 포함하는 이동 제어 장치.
  3. ZMP가 목표 위치를 취할 수 있도록 하기 위하여 하측 사지들의 2개의 발들을 움직이도록 하여, 적어도 하측 사지들, 몸통 및 허리를 갖는 타입의 로봇을 제어하기 위한 이동 제어 장치에 있어서,
    상기 장치는 요구된 활동을 구현하기 위하여 발들의 움직임, 몸통의 움직임, 상측 사지들의 움직임 및 허리의 자세와 높이를 선택하는 수단 (A);
    상기 수단 (A)에 의해 선택된 발들의 움짐임에 기초하여 ZMP의 궤도를 선택하는 수단 (B);
    비정밀 모델을 통해 상기 수단 (B)에 의해 선택된 ZMP상에서의 모멘트를 조정하기 위하여 허리의 움직임에 대한 근사 해를 구하는 수단 (C);
    비정밀 모델을 통해 상기 수단 (B)에 의해 선택된 ZMP상에서의 모멘트를 조정하기 위하여 허리의 움직임에 대한 근사해를 구하는 수단 (D);
    상기 수단 (C)에 의해 구해진 근사 해와 상기 수단 (D)에 의해 구해진 근사 해 사이의 차가 소정의 허용치 보다 작을 때, 허리의 움직임에 대한 해를 결론짓는 수단 (E);
    상기 수단 (C)에 의해 구해진 근사 해과 상기 수단 (D)에 의해 구해진 근사 해의 차가 선정된 허용치 보다 작지 않을 때, 미정밀 모델의 ZMP상에서의 모멘트를 변경하고, 변경된 값을 상기 수단에 입력시키는 수단 (F);
    허리의 움직임에 대하여 구해진 해에 기초하여 허리의 움직임을 구현하는 수단 (G)를 포함하는 이동 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 비정밀 모델은 로봇에 대한 선형 및/또는 비간섭 다중 머티리얼 포인트(material point) 근사화 모델이고,
    상기 정밀 모델은 다중 머티리얼 포인트 시스템의 고정된 신체 모델 또는 비선형 및/또는 간섭 근사화 모델인 이동 제어 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    몸통의 움직임과 상측 사지들의 움직임이 비정밀 모델을 통해 허리의 움직임에 대한 근사화 해를 구하기 위한 상기 수단 (C)를 통해 구해진 근사화 해에 의해 구현될 수 없을 때, 몸통의 움직임 패턴 및 상측 사지들의 움직임 패턴을 재선택/변경하는 수단 (C')를 더 포함하는 이동 제어 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    비선형 모델을 통해 허리의 움직임에 대한 근사 해를 구하는 상기 수단 (C)는, 발들, 몸통 및 상측 사지들의 움직임들에 의해 발생된 선택된 ZMP상에서의 모멘트 및 허리의 수평면 움직임에 의해 발생된 ZMP상에서의 모멘트의 조정 수학식을 풀어서 허리의 움직임에 대한 근사 해를 구하는 수단인 이동 제어 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    비정밀 모델을 통해 허리의 움직임에 대한 근사 해를 구하는 상기 수단(C) 는, 계산을 위해 시간 함수를 주파수 함수로 대체하는 수단인 이동 제어 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    비정밀 모델을 통해 허리의 움직임에 대한 근사 해를 구하는 상기 수단 (C)는, 발들, 몸통 및 상측 사지들에 의해 발행된 선택된 ZMP상에서의 모멘트 또는 허리의 수평면 궤도에 퓨리에(Fourier) 시리즈 전개를 적용함으로써 허리의 수평면 궤도의 퓨리에 계수들을 계산적으로 결정하고, 역 퓨리에 시리즈 전개를 적용함으로써 허리의 움직임의 근사해를 부가적으로 구하는 수단인 이동 제어 장치.
  9. 상체의 활동을 표현하기 위해 다수의 관절들이 제공된 상체 및, 이동 활동을 실현하기 위해 적어도 다리 관절들을 갖는 하체를 구비한 타입의 로봇을 제어하기 위한 이동 제어 장치에 있어서,
    안정한 보행을 위해 적용된 하체의 보조(gait)는 상체의 보조에 따라 결정되는 이동 제어 장치.
  10. 적어도 하측 사지들, 몸통 및 허리를 갖고 양족 동물에 적용되는 타입의 로봇을 제어하기 위한 이동 제어 방법에 있어서,
    상기 방법은, 임의로 선택된 발들의 움직임 패턴, ZMP의 궤도, 트렁크의 움직임 패턴 및 상측 사지들의 움직임 패턴으로부터 허리의 움직임 패턴을 유도함으로써 보행을 위한 전체 신체의 움직임 패턴을 구하도록 적용되는 이동 제어 방법.
  11. ZMP가 목표 위치를 취할 수 있도록 하기 위하여 하측 사지들의 두개의 발들을 움직이도록 하여, 적어도 하측 사지들, 몸통 및 허리를 갖는 타입의 로봇을 제어하기 위한 이동 제어 방법에 있어서,
    요구된 활동을 구현하기 위하여 발들의 움직임, 몸통의 움직임, 상측 사지들의 움직임 및 허리의 자세와 높이를 선택하는 단계 (a);
    상기 단계 (a)에서 선택된 발들의 움짐임에 기초하여 ZMP의 궤도를 선택하는 단계 (b);
    상기 단계 (b)에서 선택된 ZMP상에서의 모멘트를 조정하기 위하여 허리의 움직임에 대한 해를 구하는 단계 (c); 및
    허리의 움직임에 대하여 구해진 해에 기초하여 허리의 움직임을 구현하는 단계 (d)를 포함하는 이동 제어 방법.
  12. ZMP가 목표 위치를 취할 수 있도록 하기 위하여 하측 사지들의 2개의 발들을 움직이도록 하여, 적어도 하측 사지들, 몸통 및 허리를 갖는 타입의 로봇을 제어하기 위한 이동 제어 방법에 있어서,
    요구된 활동을 구현하기 위하여 발들의 움직임, 몸통의 움직임, 상측 사지들의 움직임 및 허리의 자세와 높이를 선택하는 단계 (A);
    상기 수단 (A)에서 선택된 발들의 움짐임에 기초하여 ZMP의 궤도를 선택하는 단계 (B);
    비정밀 모델을 통해 상기 단계 (B)에서 선택된 ZMP상에서의 모멘트를 조정하기 위하여 허리의 움직임에 대한 근사 해를 구하는 단계 (C);
    비정밀 모델을 통해 상기 단계 (B)에서 선택된 ZMP상에서의 모멘트를 조정하기 위하여 허리의 움직임에 대한 근사해를 구하는 단계 (D);
    상기 수단 (C)에서 구해진 근사 해와 상기 단계 (D)에서 구해진 근사 해 사이의 차가 소정의 허용치 보다 작을 때, 허리의 움직임에 대한 해를 결론짓는 단계 (E);
    상기 단계 (C)에 의해 구해진 근사 해과 상기 단계 (D)에 의해 구해진 근사 해의 차가 선정된 허용치 보다 작지 않을 때, 미정밀 모델의 ZMP상에서의 모멘트를 변경하고, 변경된 값을 상기 단계에 입력시키는 단계 (F); 및
    허리의 움직임에 대하여 구해진 해에 기초하여 허리의 움직임을 구현하는 단계 (G)를 포함하는 이동 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 비정밀 모델은 로봇에 대한 선형 및/또는 비간섭 다중 머티리얼 포인트 근사화 모델이고,
    상기 정밀 모델은 다중 머티리얼 포인트 시스템의 고정된 신체 모델 또는 비선형 및/또는 간섭 근사화 모델인 이동 제어 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    몸통의 움직임과 상측 사지들의 움직임이 비정밀 모델을 통해 허리의 움직임에 대한 근사화 해를 구하기 위한 상기 단계 (C)에서 구해진 근사화 해에 의해 구현될 수 없을 때, 몸통의 움직임 패턴 및 상측 사지들의 움직임 패턴을 재선택/변경하는 단계 (C')를 더 포함하는 이동 제어 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    비선형 모델을 통해 허리의 움직임에 대한 근사 해를 구하는 상기 수단 (C)는, 발들, 몸통 및 상측 사지들의 움직임들에 의해 발생된 선택된 ZMP상에서의 모멘트 및 허리의 수평면 움직임에 의해 발생된 ZMP상에서의 모멘트의 조정 수학식을 풀어서 허리의 움직임에 대한 근사 해를 구하는 단계인 이동 제어 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    비정밀 모델을 통해 허리의 움직임에 대한 근사 해를 구하는 상기 단계 (C)는, 계산을 위해 시간 함수를 주파수 함수로 대체하는 단계인 이동 제어 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    비정밀 모델을 통해 허리의 움직임에 대한 근사 해를 구하는 상기 단계 (C)는, 발들, 몸통 및 상측 사지들에 의해 발행된 선택된 ZMP상에서의 모멘트 또는 허리의 수평면 궤도에 퓨리에 시리즈 전개를 적용함으로써 허리의 수평면 궤도의 퓨리에 계수들을 계산적으로 결정하고, 역 퓨리에 시리즈 전개를 적용함으로써 허리의 움직임의 근사해를 부가적으로 구하는 단계인 이동 제어 방법.
  18. 상체의 활동을 표현하기 위해 다수의 관절들이 제공된 상체 및, 이동 활동을 실현하기 위해 적어도 다리 관절들을 갖는 하체를 구비한 타입의 로봇을 제어하기 위한 이동 제어 방법에 있어서,
    안정한 보행을 위해 적용된 하체의 보조는 상체의 보조에 따라 결정되는 이동 제어 방법.
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