KR20020086464A - 보행식 이동 로봇 및 그 제어 방법, 보행식 이동 로봇을위한 다리부 구조, 및 보행식 이동 로봇을 위한 가동 다리유닛 - Google Patents

보행식 이동 로봇 및 그 제어 방법, 보행식 이동 로봇을위한 다리부 구조, 및 보행식 이동 로봇을 위한 가동 다리유닛 Download PDF

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Abstract

본 발명에 관한 보행식 이동 로봇은 비교적 느린 샘플링 주기로 ZMP 안정도 판별 규범을 이용하면서 기체의 자세 안정 제어를 행할 수 있게 한다.
보행식 이동 로봇은 가동 다리의 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형으로 이루어지는 ZMP 안정 영역과, ZMP가 ZMP 안정 영역의 거의 중앙을 향하도록 기체의 변형량 또는 운동량이 생성되는 ZMP 거동 공간을 갖는다. ZMP 거동 공간에 있어서, 로봇의 변형량(혹은 운동량)의 정부는, 부(-)가 ZMP를 안정 영역의 가장자리로 이동시키고자 하는 공간 왜곡을 발생시키는 방향이 되고, 정(+)이 ZMP를 안정 영역의 중심으로 이동시키고자 하는 공간 왜곡을 발생시키는 방향이 된다.

Description

보행식 이동 로봇 및 그 제어 방법, 보행식 이동 로봇을 위한 다리부 구조, 및 보행식 이동 로봇을 위한 가동 다리 유닛{LEGGED MOBILE ROBOT AND CONTROL METHOD THEREOF, LEG STRUCTURE OF LEGGED MOBILE ROBOT, AND MOBILE LEG UNIT FOR LEGGED MOBILE ROBOT}
전기적 또는 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작과 닮은 운동을 행하는 기계 장치를 "로봇"이라고 한다. 로봇의 어원은 슬라브어의 ROBOTA(노예 기계)에서 유래한다고 알려져 있다. 일본에서 로봇이 보급되기 시작한 것은 1960년대 말부터인데, 그 대부분은 공장에서의 생산 작업의 자동화 및 무인화 등을 목적으로한 매니퓰레이터(manipulator)나 반송 로봇 등의 산업용 로봇(industrial robot)이었다.
최근에는 인간이나 원숭이 등의 2족 직립 보행을 하는 동물의 신체 메커니즘과 동작을 모방한 보행식 이동 로봇에 관한 연구개발이 진전되고 있어, 실용화에의 기대도 높아지고 있다. 2족 직립에 의한 보행식 이동은 크롤러(crawler)식이나, 4족 또는 6족식 등에 비하여 불안정하여 자세 제어나 보행 제어가 어렵지만, 고르지 못한 지면이나 장애물 등 작업 경로 상에 요철이 있는 보행면이나, 계단 및 사다리의 승강 등 불연속적인 보행면에 대응할 수 있는 등, 유연한 이동 작업을 실현할 수 있다는 점에서 우수하다.
인간의 생체 메커니즘과 동작을 재현한 보행식 이동 로봇을, 특히 인간형 로봇(humanoid robot)이라 부른다. 인간형 로봇은 예를 들면 생활 지원, 즉 주거 환경 기타 일상 생활에 있어서 다양한 장면에 있어서의 인적 활동의 지원 등을 행할 수 있다.
인간의 작업 공간이나 주거 공간의 대부분은 2족 직립 보행이라는 인간이 갖는 신체 메커니즘과 행동 양식에 맞게 형성되어 있다. 바꾸어 말하면, 인간의 주거 공간은 차륜 그 밖의 구동 장치를 이동 수단으로 한 현재의 기계 시스템이 이동하는 데에는 많은 장벽이 존재한다. 따라서, 기계 시스템 즉 로봇이 다양한 인적 작업을 대행하고, 인간의 주거 공간에 더욱 깊이 침투해 가기 위해서는 로봇의 이동 가능 범위가 인간의 이동 가능 범위와 거의 동일한 것이 바람직하다. 이것이 보행식 이동 로봇의 실용화가 크게 기대되고 있는 이유이기도 하다. 2족 직립 보행을 하는 것은 로봇이 인간의 주거 환경과의 친화성을 높이는데 필수적이라고 할 수 있다.
2족의 보행식 이동 로봇에 관한 자세 제어와 안정 보행에 관한 기술은 이미 많이 제안되어 있다. 여기에서 말하는 안정된 "보행"이라 함은 "넘어지지 않고 다리를 사용하여 이동하는 것"이라고 정의할 수 있을 것이다. 로봇의 자세 안정 제어는 로봇의 넘어짐을 회피하는데 매우 중요하다. 왜냐하면, 넘어짐은 로봇이 실행중인 작업을 중단하는 것을 의미하며, 또한 넘어진 상태로부터 일어나서 작업을 재개하려면 상당한 수고와 시간이 들기 때문이다. 또한, 무엇보다도 넘어짐에 의해서 로봇 본체 자체, 또는 넘어지는 로봇과 충돌하는 상대편 물체에도 치명적인 손상을 주게 될 위험이 있기 때문이다. 따라서, 보행식 이동 로봇의 설계 및 개발에 있어서, 자세 안정 제어와 보행시의 넘어짐 방지는 가장 중요한 과제 중의 하나이다.
보행식 이동 로봇의 자세 안정 제어와 보행시의 넘어짐 방지에 관한 제안의 대다수는, ZMP(Zero Moment Point)를 보행의 안정도 판별의 규범으로서 이용하고 있다. ZMP에 의한 안정도 판별 규범은 보행계(步行系)로부터 노면에는 중력과 관성력, 및 이들 모멘트가 노면으로부터 보행계로의 반작용으로서의 바닥 반력 및 바닥 반력 모멘트와 균형을 이룬다고 하는 "달랑베르의 원리(D'Alembert's principle)"에 기초하는 것이다. 역학적 추론의 귀결로서, 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형(즉 ZMP 안정 영역)의 변 위에 또는 그 내측에 피치축 및 롤축 모멘트가 제로(0)가 되는 점, 즉 "ZMP(Zero Moment Point)"가 존재한다.
요약하자면, ZMP 규범이라 함은 "보행의 모든 순간에 있어서, ZMP가 다리부와 노면이 형성하는 지지 다각형의 내측에 존재하며, 또한 로봇이 노면을 누르는 방향의 힘이 작용하면, 로봇이 넘어지지(기체가 회전 운동) 않고 안정되게 보행할 수 있다"는 것이다
ZMP 규범에 의거한 2족 보행 패턴 생성에 따르면, 발바닥 착지점을 미리 설정할 수 있으며, 노면 형상에 따른 발끝의 운동학적 구속 조건을 고려하기 쉬운 등의 이점이 있다. 또한 ZMP를 안정도 판별 규범으로 하는 것은, 힘이 아니라 궤도를 운동 제어상의 목표값으로 하는 것을 의미하므로, 기술적으로 실현 가능성이 높아진다.
또, ZMP의 개념 및 ZMP를 보행 로봇의 안정도 판별 규범에 적용하는 점에 관해서는, Miomir Vukobratovic 저술 “LEGGED LOCOMOTION ROBOTS”(가토 이치로 외, 『보행 로봇과 인공 다리』(닛칸 고교 신문사))에 기재되어 있다.
종래에는 ZMP를 안정도 판별 규범으로 하는 로봇의 자세 안정 제어와 보행 제어는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역에서 벗어나면 안정 영역으로 다시 되돌아가도록 보정 제어를 하는 것이 일반적이다. 바꾸어 말하면, 통상의 동작 기간 중에 ZMP는 자유로이 이동할 수 있지만, 그 이동량이 소정 영역을 넘었을 때 비로소 다리부 등의 각 관절 구동을 제어하여, 사후적으로 ZMP 위치를 제어한다.
예를 들면, 일본 특허공개 평5-305579호 공보에 기재된 보행식 이동 로봇은 ZMP가 제로가 되는 바닥면 위의 점을 목표값과 일치시킴으로써 안정 보행을 행하게 되어 있다.
또한, 일본 특허공개 평5-305581호 공보에 기재된 보행식 이동 로봇은 ZMP가 지지 다면체(다각형)의 내부, 또는 착지하거나 땅에서 뗄 때에 ZMP가 지지 다각형의 단부(端部)로부터 적어도 소정의 여유를 갖는 위치에 있도록 구성하였다. 이 경우, 외란(外亂) 등을 받더라도 소정 거리만큼 ZMP의 여유가 있어서, 보행시의 기체의 안정성이 향상된다.
또한, 일본 특허공개 평5-305583호 공보에는 보행식 이동 로봇의 보행 속도를 ZMP 목표 위치에 따라서 제어하는 점에 대하여 개시하고 있다. 즉, 미리 설정된 보행 패턴 데이터를 이용하여, ZMP를 목표 위치에 일치시키도록 다리부 관절을 구동함과 아울러, 상지의 경사를 검출하여 그 검출값에 따라서 설정된 보행 패턴 데이터의 토출 속도를 변경한다. 예기치 못한 요철을 밟아 로봇이 예를 들어 앞쪽으로 기울 때는 토출 속도를 빠르게 함으로써 자세를 회복할 수 있다. 또한, ZMP를 목표 위치로 제어할 수 있으므로, 양쪽 다리 지지기에서 토출 속도를 변경해도 지장이 없다.
또한, 일본 특허공개 평5-305585호 공보에는 보행식 이동 로봇의 착지 위치를 ZMP 목표 위치에 따라서 제어하는 점에 대하여 개시하고 있다. 즉, 동 공보에 기재된 보행식 이동 로봇은 ZMP 목표 위치와 실측 위치 간의 차이를 검출하고, 이 차이를 해소하도록 다리부의 한쪽 또는 양쪽을 구동하거나, 또는 ZMP 목표 위치 주위의 모멘트를 검출하여 그것이 제로가 되도록 다리부를 구동함으로써 안정 보행을 실현한다.
또한, 일본 특허공개 평5-305586호 공보에는 보행식 이동 로봇의 경사 자세를 ZMP 목표 위치에 따라서 제어하는 점에 대하여 개시하고 있다. 즉, ZMP 목표 위치 주위의 모멘트를 검출하여, 모멘트가 발생한 때에는 그것이 제로가 되도록 다리부를 구동함으로써 안정 보행을 행한다.
상술한 로봇의 자세 안정도 제어는 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형 즉 ZMP 안정 영역의 변 위에 또는 그 내측에 피치 및 롤축 모멘트가 제로가 되는 점을 탐색하는 것을 기본 동작으로 한다. 또한, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역에서 벗어나면 안정 영역으로 다시 되돌아가도록 보정 제어를 행하는 것이다.
그러나, ZMP 규범은 로봇의 기체 및 노면이 강체(剛體)에 무한히 가깝다(즉 어떠한 힘이나 모멘트가 작용하더라도 변형되거나 움직이지 않는다)고 가정할 수 있는 것을 전제로 하여 적용할 수 있는 규범에 불과하다. 바꾸어 말하면, 로봇과 노면이 강체에 무한히 가깝다고 가정할 수 없는 경우, 예를 들면 로봇이 고속으로 움직여서 ZMP에 작용하는(병진) 힘이나, 다리 전환시의 충격력이 커져서, 로봇 자신에게 변형이나 운동이 발생하게 되는 경우에는, 인가되는 힘에 대한 로봇의 변형량을 적절히 관리하지 않으면, ZMP가 존재하고 있는 공간 자체가 불안정하게 되며, 만일 로봇의 자세가 ZMP 규범을 만족하더라도(ZMP가 지지 다각형의 내측에 존재하고, 또한 로봇이 노면을 누르는 방향의 힘을 작용시키고 있다), 불안정한 ZMP를 안정시키기 위해, 로봇의 자세가 불안정하게 된다. 특히, 로봇의 중심이 낮아질수록 기체에 고속의 회전 동작이 발생하여, 안정 보행의 실현이 곤란하게 된다.
도 1 및 도 2에는 로봇과 노면이 무한히 강체에 가까운 이상적인 모델의 경우와, 현실적으로는 강체가 아닌 경우에 있어서 ZMP 위치와 로봇의 변형량(또는 운동량)과의 관계(즉 로봇이 갖는 ZMP 거동 공간)를 각각 나타내고 있다.
로봇과 노면이 무한히 강체에 가까운 이상적인 경우에는, 그 ZMP 거동 공간에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 산출된 ZMP 안정 영역내의 어느 ZMP 위치에 있어서도 로봇에 변형량(또는 운동량)은 발생하지 않는다. 바꾸어 말하면, 어느 ZMP 위치에 있어서도, 로봇은 기체의 자세 안정성을 잃지 않는다.
그러나, 실제 시스템의 ZMP 거동 공간에서는 로봇과 노면은 강체가 아니고, 산출된 ZMP 안정 영역내이더라고, ZMP 위치에 따라서는 로봇에 변형량(또는 운동량)이 발생하게 된다. 도 2에 나타낸 예에서는, ZMP 안정 영역내의 거의 중앙 부근에서는 로봇에 변형량(또는 운동량)은 발생하지 않으므로, 그 상태에서는 로봇은 기체의 자세 안정성을 잃지 않는다. 그러나, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙에서 멀어짐에 따라서, 로봇의 변형량(또는 운동량)은 부방향(負方向)으로 증대되어 간다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같은 ZMP 거동 공간은 ZMP 위치와 기체가 바닥면으로부터 받는 바닥 반력으로 정의된다. 이 ZMP 거동 공간에서의 로봇의 변형량(또는 운동량)의 정부(正負)는, 부(負)가 ZMP를 안정 영역의 가장자리로 이동시키고자 하는 공간 왜곡을 발생시키는 방향이 되고, 정(正)이 ZMP를 안정 영역의 중심으로 이동시키고자 하는 공간 왜곡을 발생시키는 방향이 된다. 따라서, 도 2에 나타낸 바와 같이, ZMP 위치가 안정 영역의 중앙에서 멀어짐에 따라서 로봇의 변형량(또는 운동량)이 부방향으로 증대되어 가는 것은 ZMP 안정 영역내이지만, 로봇은 ZMP 안정 영역의 가장자리를 향하도록 변형되고, 결국에는 기체가 넘어지게된다.
이 때문에, 계산상으로는 로봇의 ZMP 위치는 ZMP 안정 영역내에 있으면서도, ZMP 안정 영역의 중심으로 되돌아가도록 기체의 자세 제어를 항상 실행하고 있어야만 한다. 이와 같이 ZMP 위치를 끊임없이 중심으로 되돌리려고 하는 제어 방식의 대표적인 예가 "도립 진자(倒立 振子)"이다. 그러나, 이 경우 고속(즉 샘플링 주기가 아주 짧다) 제어를 행해야만 하고, 자세 제어를 위한 계산기 부하가 증대되게 된다.
즉, ZMP 안정도 판별 규범은 로봇과 노면이 강체라고 하는, 현실적으로는 만족하기 곤란한 전제 조건을 포함하는 이상적인 환경하에서의 보행의 실현을 목표로 한 안정도 판별 규범에 불과하다. 따라서, 인간의 주거 환경에서 안정된 움직임이나 보행을 자율적으로 계속하기 위해서는, ZMP의 존재 공간의 안정성을 고려한 로봇 시스템 구성 방법을 고안하는 것이 중요하다.
또한, 보행식 이동 로봇에 있어서의 보행식 작업시의 안정성 및 제어성은 보행 패턴 즉 사지의 동작 패턴뿐만 아니라, 보행 등 다리를 사용하여 작업을 행하는 지면이나 노면 상황의 영향을 받고 있다. 왜냐하면, 다리가 노면에 접지되고 있는 한, 노면으로부터 항상 반력을 받고 있기 때문이다. 또한, 노면으로부터의 반력은 특히 보행 등의 보행식 작업중에 유휴 다리(idling leg)가 착지하였을 때에 큰 충격력으로 작용하고, 경우에 따라서는 이것이 외란이 되어 로봇의 자세를 불안정하게 한다.
바꾸어 말하면, 2족 보행 등의 보행식 이동 로봇이 자세를 흐트러트리지 않고 보행 등의 보행식 작업을 행하기 위해서는, 착지할 때에도 안정된 자세를 유지하면서 노면에 잘 적응하고, 접지시에 노면으로부터 받는 반력을 가능한 줄이는 것이 바람직하다. 또한, 노면에 접지되는 발바닥의 발바닥의 구조는 로봇과 그 접지면 간의 양호한 관계를 성립시키는데 아주 중요하다.
예를 들면, 착지시에 지면으로부터 받는 충격을 완화시키기 위하여, 족부의 발바닥면에 탄성체를 장착하는 것이 당업계에서 널리 알려져 있다.
착지시에 지면으로부터 반력을 받았을 때, 로봇의 기체에는 예를 들면 롤축 회전, 피치축 회전 등 여러 가지 외란이 인가된다. 전진 보행을 전제로 하여 구성되는 보행식 로봇의 경우, 전후 방향의 이동 자유도가 풍부하며, 진행 방향 즉 피치축 회전의 외란에 대해서는 비교적 쉽게 대처할 수 있다. 한편, 기체를 가로 방향으로 흔들리도록 작용하는 롤축 회전의 외란에 대해서는 로버스트(robust) 특성이 낮다. 그러나, 노면으로부터의 충격력을, 발바닥의 탄성체에 의하여 균일하게 완화시키는 것만으로는, 각 축 회전의 충격력을 단순히 흡수하는 작용밖에 얻을 수 없으며, 노면에 접지시 또는 그 밖의 외란 등에 의하여 잃게 된 기체의 자세 안정성을 회복할 수는 없다. 즉 접지시의 충격을 완화하면서도 결국에는 기체가 넘어지게 되는 사태를 초래하게 된다. 이 경우, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역에서 벗어나서야 비로소 ZMP의 보정 제어를 행하는, 사후적인 제어로는 한계가 있다.
또한, ZMP의 탐색이라 함은 즉, 2족 보행의 기체에 있어서, ZMP 궤도가 좌우의 양 발 사이(즉 각 발의 내측)를 통과하는 것을 의미한다. 구체적으로는, 기체가 전진 운동을 행한 결과, ZMP 궤도가 한쪽 발의 외측으로 이동하게 되면, 다른쪽발을 한쪽 발의 더욱 외측을 향하여 들여놓지 않으면 자세 안정성을 유지할 수 없다. 이것은 다른쪽 발을 한쪽 발과 교차하도록 하는 다리부의 동작이며, 좌우의 다리부끼리가 서로 간섭하게 되는, 물리적·기구학적으로 실현이 아주 곤란한 동작이다.
또한, 2족의 보행식 이동 로봇은 일반적으로 인간이나 원숭이 등의 생체 메커니즘에 의거하여, 전진 운동을 기초로 하여 설계되어 있기 때문에, 전후 방향의 외란에 대한 로버스트 특성은 우수하지만, 가로 방향의 외란에 대한 로버스트 특성은 비교적 낮다.
그러나, 다리를 사용하여 작업할 때의 자세 안정성을, 기체의 동작 제어만을 가지고 실현하는 것은 콘트롤러의 연산 속도, 제어 대상의 응답 속도, 그 밖의 문제로 인하여 아직 곤란하다. 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역에서 벗어나서야 비로소 ZMP의 보정 제어를 행한다고 하는 사후적인 제어에서는 한계가 있다.
본 발명은 적어도 복수개의 가동 다리를 구비한 보행식 이동 로봇에 관한 것으로, 특히 가동 다리에 의하여 보행이나 기타 보행식 작업을 행하는 보행식 이동 로봇에 관한 것이다.
더욱 구체적으로는, 본 발명은 소위 ZMP(Zero Moment Point)를 안정도 판별 규범으로서 이용하면서 보행식 작업시에 있어서의 기체의 자세 안정 제어를 행하는 보행식 이동 로봇에 관한 것으로, 특히 비교적 느린 샘플링 주기로 ZMP 안정도 판별 규범을 이용하면서 기체의 자세 안정 제어를 행하는 보행식 이동 로봇에 관한 것이다.
도 1은 로봇과 노면이 무한히 강체에 가까운 이상적인 모델의 경우에 있어서 ZMP 위치와 로봇의 변형량(또는 운동량) 사이의 관계(즉 로봇이 갖는 ZMP 거동 공간)을 나타낸 도면이다.
도 2는 현실적으로는 강체가 아닌 경우에 있어서의 ZMP 위치와 로봇의 변형량(또는 운동량) 사이의 관계(즉 로봇이 갖는 ZMP 거동 공간)을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시에 이용되는 "인간 형태" 또는 "인간형"의 보행식 이동 로봇(100)이 직립해 있는 모습을 전방에서 바라본 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시에 이용되는 "인간 형태" 또는 "인간형"의 보행식 이동 로봇(100)이 직립해 있는 모습을 후방에서 바라본 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 보행식 이동 로봇(100)이 구비하는 관절 자유도 구성을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시형태에 따른 보행식 이동 로봇(100)의 제어 시스템 구성을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 7은 로봇의 변형량 또는 운동량과 ZMP 위치 사이의 관계를 표시한 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 8은 로봇의 변형량 또는 운동량과 ZMP 위치 사이의 관계를 표시한 ZMP 거동 공간의 다른 구성예를 나타낸 도면이다.
도 9는 로봇의 변형량 또는 운동량과 ZMP 위치 사이의 관계를 표시한 ZMP 거동 공간의 또 다른 구성예를 나타낸 도면이다.
도 10은 로봇의 변형량 또는 운동량과 ZMP 위치 사이의 관계를 표시한 ZMP 거동 공간의 또 다른 구성예를 나타낸 도면이다.
도 11은 로봇의 변형량 또는 운동량과 ZMP 위치 사이의 관계를 표시한 ZMP 거동 공간의 또 다른 구성예를 나타낸 도면이다.
도 12는 한쪽 다리 지지 후기의 좌측 입각에 있어서의 Y방향(진행 방향과 직교 방향)의 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 13는 한쪽 다리 지지 후기의 좌측 입각에 있어서의 X방향(진행 방향)의 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 14는 한쪽 다리 지지 후기의 좌측 입각에 있어서의 Y방향(진행 방향과 직교 방향)의 ZMP 거동 공간의 이상적인 구성예를 나타낸 도면이다.
도 15는 한쪽 다리 지지 후기의 좌측 입각에 있어서의 X방향(진행 방향)의 ZMP 거동 공간의 이상적인 구성예를 나타낸 도면이다.
도 16은 한쪽 다리 지지 후기의 체간부에 있어서 Y방향(진행 방향과 직교 방향)의 ZMP 거동 공간의 이상적인 구성예를 나타낸 도면이다.
도 17은 한쪽 다리 지지 후기의 체간부에 있어서 X방향(진행 방향)의 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 18은 양쪽 다리 지지기의 좌측 입각에 있어서의 Y방향(진행 방향과 직교 방향)의 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 19는 양쪽 다리 지지기의 좌측 입각에 있어서의 X방향(진행 방향)의 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 20은 양쪽 다리 지지기의 좌측 입각에 있어서의 Y방향(진행 방향과 직교 방향)의 이상적인 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 21은 양쪽 다리 지지기의 좌측 입각에 있어서의 Y방향(진행 방향과 직교 방향)의 이상적인 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 22는 양쪽 다리 지지기의 체간부에 있어서 Y방향(진행 방향과 직교 방향)의 이상적인 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 23은 양쪽 다리 지지기의 체간부에 있어서 X방향(진행 방향)의 이상적인 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 24는 한쪽 다리 지지 전기의 우측 입각에 있어서의 Y방향(진행 방향과 직교 방향)의 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 25는 한쪽 다리 지지 전기의 우측 입각에 있어서의 X방향(진행 방향)의 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 26은 한쪽 다리 지지 전기의 우측 입각에 있어서의 Y방향(진행 방향과 직교 방향)의 이상적인 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 27은 한쪽 다리 지지 전기의 우측 입각에 있어서의 X방향(진행 방향)의 이상적인 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 28은 한쪽 다리 지지 전기의 체간부에 있어서 Y방향(진행 방향과 직교 방향)의 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 29은 한쪽 다리 지지 전기의 체간부에 있어서 X방향(진행 방향)의 이상적인 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 30은 본 발명의 한 실시형태에 따른 보행식 이동 로봇(100)에 대하여 적용가능한 좌측 발바닥부의 표면측의 외관을 도시한 사시도이다.
도 31은 본 발명의 한 실시형태에 따른 보행식 이동 로봇(100)에 대하여 적용가능한 좌측 다리부의 이면측의 외관을 도시한 사시도이다.
도 32는 좌측 발바닥의 외측 측면도이다.
도 33은 좌측 발바닥의 저면도이다.
도 34는 좌측 발바닥의 정면도이다.
도 35는 좌측 발바닥의 상면도이다.
도 36은 도 35에 나타낸 선분 A-A를 따른 단면도이다.
도 37은 발바닥 완충재(안)(405)와 발바닥 완충재(밖)(404)의 탄성 계수를 비교한 도면이다.
도 38은 발바닥 완충재(안)(405)와 발바닥 완충재(밖)(404)의 변형량을 비교한 도면이다.
도 39는 발바닥 프레임(403)의 상면을 도시한 사시도이다.
도 40은 발바닥 프레임(403)의 저면을 도시한 사시도이다.
도 41은 발바닥 프레임(403)을 롤축 방향으로 분할한 단면도이다.
도 42는 발바닥 프레임(403)의 롤축 회전의 강성이 피치축 회전에 비하여 강화되어 있는 모습을 도시한 도면이다.
도 43은 본 발명의 한 실시형태에 따른 좌측 발바닥부의 표면측의 외관을 도시한 사시도이다.
도 44는 본 발명의 한 실시형태에 따른 좌측 발바닥부의 이면측의 외관을 도시한 사시도이다.
도 45는 본 발명의 한 실시형태에 따른 좌측 발바닥부의 측면도이다.
도 46은 본 발명의 한 실시형태에 따른 좌측 발바닥부의 저면도이다.
도 47은 본 발명의 한 실시형태에 따른 보행식 이동 로봇(100)의 좌우의 각다리부(104)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 48은 도 47에 도시한 보행식 이동 로봇(100)의 다리부 유닛의 외측(발바닥의 장심의 반대측) 측면도이다.
도 49는 도 47에 도시한 보행식 이동 로봇(100)의 다리부 유닛의 정면도이다.
도 50은 도 47에 도시한 보행식 이동 로봇(100)의 다리부 유닛의 내측(발바닥의 장심측) 측면도이다.
도 51은 ZMP 거동 공간의 제어 시스템(500)의 기능 구성을 모식적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 목적은 이른바 ZMP(Zero Moment Point)를 안정도 판별 규범으로 이용하면서 다리를 사용한 작업시에 있어서의 기체의 자세 안정 제어를 바람직하게 행할 수 있는, 우수한 보행식 이동 로봇 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 비교적 느린 샘플링 주기로 ZMP 안정도 판별 규범을 이용하면서 기체의 자세 안정 제어를 바람직하게 행할 수 있는, 우수한 보행식 이동 로봇 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 인간의 주거 환경에서 안정된 움직임이나 보행을 자율적으로 계속하도록 하는 ZMP 거동 공간이 형성된, 우수한 보행식 이동 로봇 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 접지시에 노면으로부터 받는 충격력을 완화함과 아울러, 흐트러진 기체의 자세 안정성을 회복하거나, 회복을 용이하게 할 수 있는, 보행식 이동 로봇의 가동 다리 유닛에 있어서의 족부의 발바닥 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 로봇의 기체의 동작을 제어할 뿐만 아니라 자세 안정성을 용이하게 유지할 수 있도록 구성된, 우수한 보행식 이동 로봇을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 가로 방향의 외란에 대한 로버스트 특성을 강화함으로써 자세 안정성을 용이하게 유지할 수 있도록 구성된, 우수한 보행식 이동 로봇을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 참작하여 이루어진 것으로, 그 제1 국면은, 2이상의 가동 다리를 구비한 보행식 이동 로봇 또는 그 제어 방법으로서, 기체의 피치축 모멘트 및 롤축 모멘트가 제로(0)가 되는 ZMP 위치와 기체가 바닥면으로부터 받는 바닥 반력으로 정의되는 ZMP 거동 공간을 제어하는 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계를 구비하며, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는 미리 ZMP 거동 공간에 소정의 왜곡 또는 소정의 특성을 부여하고 있는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇 또는 그 제어 방법이다.
[배경 기술]의 란에서도 이미 설명한 바와 같이 ZMP 안정도 판별 규범은 로봇의 기체 및 노면이 강체(剛體)에 무한히 가까운 것으로 가정할 수 있는 경우에만 적용할 수 있는 규범에 불과하다. 즉, 로봇과 노면이 강체에 무한히 가까운 것으로 가정할 수 없으므로, 인가되는 힘에 대한 로봇의 변형량을 적절히 또한 비교적 짧은 샘플링 주기로 관리하지 않으면, ZMP가 존재하는 공간 자체가 불안정하게 되어, 설령 로봇의 자세가 ZMP 안정도 판별 규범을 만족하더라도, 불안정한 ZMP를 안정화시키기 위하여 로봇의 자세가 불안정하게 된다.
따라서, 본 발명의 제1 국면에 따른 보행식 이동 로봇 또는 그 제어 방법에서는, ZMP(Zero Moment Point)를 자세의 안정도 판별 규범으로 채용하는데, 로봇의 기체의 변형량이나 운동량을 고려하여 안정된 ZMP의 존재 공간을 갖는 로봇 시스템 구성을 채용한다.
즉, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는 ZMP 위치가 상기 가동 다리의 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형으로 이루어지는 ZMP 안정 영역의 중앙에서 ZMP 위치가 벗어남에 따라 ZMP 위치를 상기 ZMP 안정 영역의 중앙으로 이동시키고자 하는 기체의 변형량 또는 운동량이 생기도록 ZMP 거동 공간에 미리 왜곡을 부여하고 있다. 이에 따라서, 기체의 자세 안정성을 유지하기 쉬운 구조가 된다. 또는, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는 상기 바닥 반력에 따라서 상기 로봇의 변형량 또는 운동량의 크기 혹은 방향이 변화하도록 소정의 특성을 부여해도 된다.
본 발명의 제1 국면에 따른 보행식 이동 로봇 또는 그 제어 방법에서는 ZMP 위치의 이동량이 소정의 영역을 넘어서야 비로소 사후적인 보정 제어를 개시하는것이 아니라, 미리 로봇의 자세가 안정되도록 하는 공간 왜곡이나 소정의 특성이 부여되어 있으므로, 기체의 제어 메커니즘이 충분한 응답 속도를 갖지 않더라도, 외란 등에 대하여 높은 로버스트 특성을 얻을 수 있다.
여기에서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는 상기 ZMP 안정 영역의 거의 중심에 있어서 기체의 변형량 또는 운동량의 극소점을 설정하도록 해도 된다. 이 경우, 항상 자세가 안정되는 방향으로 기체의 변형량이나 운동량이 발생하므로, 자세 안정성을 유지하기가 용이해진다. 또한, 비교적 낮은 샘플링 주기이더라도 충분한 자세 안정 제어를 행할 수 있다.
또한, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는 상기 ZMP 안정 영역의 거의 중심에 있어서 기체의 변형량 또는 운동량의 극소점을 설정함과 아울러, 상기 ZMP 안정 영역의 경계 부근에서 기체의 변형량 또는 운동량의 극대점을 설정해도 된다. 이 경우, 극대점에 끼워진 영역에서는, ZMP 위치가 항상 ZMP 안정 영역의 중심을 향하도록 기체의 변형량 또는 운동량이 발생하므로, 자세 안정성을 유지하기가 용이해지며, 또한 비교적 낮은 샘플링 주기이더라도 충분한 자세 안정 제어를 행할 수 있다. 이에 비하여, 극대점을 넘은 시점부터는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 외측을 향하는 변형량 또는 운동량이 발생하므로, 로봇은 "자세 안정 모드"에서 "넘어짐 모드"로 전환한다.
또한, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는 ZMP 위치가 기체의 외측을 향하는 방향을 정방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 한쪽 다리 지지 후기(單脚支持後期)의 입각(立脚)에 대하여, 로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 극대값의 ZMP 위치를 정방향으로 이동시키도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다.
이 경우, 한쪽 다리 지지 후기의 입각에 있어서는, ZMP 위치의 Y방향으로의 이동량에 거의 선형적으로 굽힘량이 감소한다. 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 상기 입각은 내측을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 상기 입각은 외측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동하더라도 상기 입각은 외측으로는 굽어지기 어렵게 된다.
또, 로봇의 총 중량을 100으로 하였을 때, 바닥 반력이 100이상이 될 때에는 바닥 반력이 "크다"고 하고, 바닥 반력이 20∼100 정도일 때에는 바닥 반력이 "중간"이라 하고, 또한 바닥 반력이 20이하가 될 때에 바닥 반력이 "작다"고 한다(이하 동일). 다만, 이들은 대강의 기준이며, 로봇의 기체 구조, 중량에 따라서 변경할 수 있다. 특히, "바닥 반력이 작다"는 것을 정성적(定性的)으로 표현하면, 양쪽 다리 지지기에서, 한쪽 다리로 거의 전신을 지탱하고 있을 때의 다른쪽 다리에 가해지고 있는 정도의 바닥 반력을 말한다.
또한, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는 ZMP 위치가 기체의 전방을 향하는 방향을 정방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하도록 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 한쪽 다리 지지 후기의 입각에 대하여, 로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 변화가 작아지도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다.
이 경우, 한쪽 다리 지지 후기의 입각에 있어서는, ZMP 위치의 X방향으로의 이동량에 거의 선형적으로 굽힘량이 감소한다. 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 전방을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 전방 또는 후방의 어디로 이동하더라도 상기 입각은 외측으로는 굽어지기 어렵게 된다.
또한 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는, 한쪽 다리 지지 후기의 입각에 대하여, 진행 방향과 직교 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다. 또한, 진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다.
이 경우, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 한쪽 다리 지지 후기의 입각은 내측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 상기 입각은 외측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 상기 입각은 외측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 상기 입각은 내측을 향하여 굽어지게 구성된다. 또한, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 전방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 후방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 전방을 향하여 굽어지게 구성된다.
또한, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는 한쪽 다리 지지 후기의 체간부에 대하여, 진행 방향과 직교하는 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다. 또한, 진행 방향에 있어서, 바닥반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다.
이 경우, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 체간부는 내측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 체간부는 외측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 체간부는 외측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 체간부는 내측을 향하여 굽어지게 구성된다. 또한, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 체간부는 전방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 체간부는 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 체간부는 후방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 체간부는 전방을 향하여 굽어지게 구성된다.
또한, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는, ZMP 위치가 기체의 외측을 향하는 방향을 정방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 양쪽 다리 지지기의 입각에 대하여, 로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 변화가 작아지도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다.
이 경우, ZMP 위치의 기체 외측으로의 이동량에 거의 선형적으로 입각의 굽힘량이 감소한다. 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 상기 입각은 내측을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 상기 입각은 외측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 내측 또는 외측의 어디로 이동하더라도 상기 입각은 굽어지기 어렵게 구성되어 있다. 양쪽 다리 지지기(兩脚支持期)에서는 2개의 다리로 지지하기 때문에 1개의 다리로 지지하는 한쪽 다리 지지기에 비하여 다리의 굽힘량은 작다.
또한 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는 ZMP 위치가 기체의 전방을 향하는 방향을 정방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 양쪽 다리 지지기의 입각에 대하여, 로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 변화가 작아지도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다.
이 경우, ZMP 위치의 기체 전방으로의 이동량에 거의 선형적으로 입각의 굽힘량이 감소한다. 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 전방을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 전방 또는 후방의 어디로 이동하더라도 상기 입각은 굽어지기 어렵게 구성되어 있다. 양쪽 다리 지지기에서는 2개의 다리로 지지하기 때문에 1개의 다리로 지지하는 한쪽 다리 지지기에 비하여 다리의 굽힘량은 작다.
또한, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는 양쪽 다리 지지기의 입각에 대하여, 진행 방향과 직교하는 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남에 따라 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다. 또한, 진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다.
이 경우, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 양쪽 다리 지지기의 입각은 내측을 향하여 굽어지는데, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 상기 입각은 외측을 향하여 굽어짐과 아울러, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 상기 입각은 외측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 상기 입각은 내측을 향하여 굽어지게 구성된다. 또한, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 전방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 후방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 전방을 향하여 굽어지게 구성된다.
또한, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 양쪽 다리 지지기의 체간부에 대하여, 진행 방향과 직교하는 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남에 따라 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다. 또한, 진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다.
이 경우, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 체간부는 내측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 체간부는 외측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 체간부는 외측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 체간부는 내측을 향하여 굽어지게 구성된다. 또한, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 체간부는 전방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 체간부는 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 체간부는 후방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 체간부는 전방을 향하여 굽어지도록 구성된다.
또한, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는 ZMP 위치가 기체의 외측을 향하는 방향을 부방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 한쪽 다리 지지 전기의 입각에 대하여, 로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 극대값의 ZMP 위치를 정방향으로 이동시키도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다.
이 경우, 한쪽 다리 지지 전기의 입각에 있어서는, ZMP 위치의 Y방향으로의 이동량에 거의 선형적으로 굽힘량이 감소한다. 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 상기 입각은 내측을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 상기 입각은 외측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동하더라도 상기 입각은 외측으로는 굽어지기 어렵게 된다.
또한, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는 ZMP 위치가 기체의 전방을 향하는 방향을 정방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 한쪽 다리 지지 전기의 입각에 대하여, 로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 변화가 작아지도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다.
이 경우, 한쪽 다리 지지 전기의 입각에 있어서는, ZMP 위치의 X방향으로의 이동량에 거의 선형적으로 굽힘량이 감소한다. 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 전방을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 기체의 전방 또는 후방 어디로 이동하더라도 상기 입각은 굽어지기 어렵게 된다.
또한, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는 한쪽 다리 지지 전기의 입각에 대하여, 진행 방향과 직교하는 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남에 따라 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다. 또한, 진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다.
이 경우, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 한쪽 다리 지지 전기의 입각은 외측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 상기 입각은 내측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 상기 입각은 내측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 상기 입각은 외측을 향하여 굽어지게 구성된다. 또한, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 전방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 후방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 상기 입각은 전방을 향하여 굽어지게 구성된다.
또한, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단 또는 단계는 한쪽 다리 지지 전기의 체간부에 대하여, 진행 방향과 직교하는 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남에 따라 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다. 또한, 진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여해도 된다.
이 경우, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 체간부는 외측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 체간부는 내측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 체간부는 내측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 체간부는 외측을 향하여 굽어지게 구성된다. 또한, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 체간부는 전방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 체간부는 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 체간부는 후방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 체간부는 전방을 향하여 굽어지게 구성된다.
또한, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 거의 평판상의 발바닥 프레임과, 상기 발바닥 프레임의 저면에 배치되며, 초기의 비교적 변형량이 큰 영역과 그 이후의 비교적 변형량이 작은 영역으로 이루어지는 비선형 탄성 특성을 갖는 발바닥 완충체와, 상기 발바닥 프레임의 상면의 거의 중앙에 배치되며, 상기 보행식 이동 로봇의 가동 다리와 연결하기 위한 발목 연결부로 구성되는 각 가동 다리의 다리부 구조이어도 된다.
이와 같이 비선형 변형 특성을 갖는 발바닥 완충체를 사용함으로써, 먼저 노면과 접촉을 시작하면 발바닥 완충체가 변형을 개시하기 때문에 충분한 완충 작용을 기대할 수 있다. 또한 변형이 더욱 진행되면, 비선형 특성에 의하여 이번에는 인가 하중 당 변형량이 감소해 가기 때문에, 과도한 변형에 의하여 발바닥이 불안정하게 되는 일은 없다. 바꾸어 말하면, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단이 다리부 구조에 의하여 구성됨으로써, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 내측을 향하는 로봇의 변형량이나 운동량을 생기도록 하는 공간 왜곡을 갖는 ZMP 거동 공간을 부여할 수 있다.
또한, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 상기 가동 다리에 있어서의 관절 자유도를 실현하는 실현하는 하나 이상의 관절 액추에이터와, 상기 관절 액추에이터를 상기 보행식 이동 로봇의 기체의 내측에서부터 지지하기 위한, 제1 강성을 갖는내측 지지체와, 상기 관절 액추에이터를 상기 보행식 이동 로봇의 기체의 외측에서부터 지지하기 위한, 제1 강성보다도 비교적 큰 제2 강성을 갖는 외측 지지체로 구성되는 각 가동 다리의 다리부 구조이어도 된다.
이러한 다리부 구조로 이루어지는 ZMP 거동 공간 제어 수단을 구비함으로써, 예기치 못한 외란이 기체에 발생한 경우이더라도, ZMP가 기체의 외측 즉 발바닥의 장심의 반대측으로 이동하기 어렵게 작용할 수 있다. 이 결과, 보행식 이동 로봇 전체적으로는 가로 방향의 외란에 대한 로버스트 특성이 강화되므로, 기체의 자세 안정성 제어가 현저히 용이해진다. 바꾸어 말하면, 외란에 의하여 ZMP가 기체의 내측 즉 발바닥의 장심측으로 이동하도록 유도된다. 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 내측을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 생기도록 하는 공간 왜곡을 ZMP 거동 공간에 부여할 수 있다. 예를 들면, 보행식 이동 로봇은 예기치 못한 외란에 의하여 발바닥의 장심측, 즉 좌우의 양 다리 사이를 향하여 ZMP가 이동한 경우에는 유휴 다리를 고속으로 착지시킴으로써, 안정 영역을 배증시킬 수 있으며, 넘어짐을 용이하게 막을 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 국면은 적어도 복수개의 가동 다리를 구비한 보행식 이동 로봇을 위한 다리부 구조로서, 거의 평판상의 발바닥 프레임과, 상기 발바닥 프레임의 저면에 배치되며, 초기의 비교적 변형량이 큰 영역과 그 이후의 비교적 변형량이 작은 영역으로 이루어지는 비선형 탄성 특성을 갖는 발바닥 완충체와, 상기 발바닥 프레임의 상면의 거의 중앙에 배치되며, 상기 보행식 이동 로봇의 가동 다리와 연결하기 위한 발목 연결부를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇을 위한 다리부 구조이다.
상기 발바닥 완충체는 예를 들면 높이가 서로 다른 2이상의 완충 부재를 상기 발바닥 프레임의 저면의 소정 부위에 배치함으로써 구성된다. 높이가 서로 다른 완충 부재를 조합함으로써, 발바닥 완충체의 비선형적인 변형 특성을 비교적 용이하게 실현할 수 있다.
이와 같이 비선형 변형 특성을 갖는 발바닥 완충체를 사용함으로써, 먼저 노면과 접촉을 개시하면 발바닥 완충체가 변형을 개시하기 때문에, 충분한 완충 작용을 기대할 수 있다. 또한, 변형이 더 진행되면, 비선형 특성에 의하여 이번에는 인가 인가 하중 당 변형량이 감소해 가기 때문에, 과도한 변형에 의하여 발바닥이 불안정하게 되는 일은 없다. 바꾸어 말하면, 본 발명의 제2 국면에 따른 보행식 이동 로봇을 위한 다리부 구조에 따르면, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 내측을 향하는 로봇의 변형량이나 운동량을 생기게 하도록 하는 공간 왜곡을 갖는 ZMP 거동 공간을 부여할 수 있다.
또한 상기 발바닥 완충체는 상기 발바닥 프레임의 저면의 내측 및 외측에 각각 배치해도 된다. 이 경우, 상기 발바닥 프레임의 저면의 내측 및 외측에 각각 배치되고, 또한 내측보다도 외측의 발바닥 완충체의 탄성 계수를 높게 설정해도 된다.
내측와 외측 발바닥 완충체의 변형 특성의 차이로 인하여, 높은 충격력이 인가되었을 때에는, 내측 발바닥 완충체의 쪽이 더 깊이 가라앉게 된다. 이 결과, 이 발바닥 프레임상에 탑재된 다리부 유닛이 기체의 내측, 즉 중심측(발바닥의 장심측)을 향하여 경사지게 되며, 로봇의 ZMP 위치를 기체의 내측으로 향하게 하면서, 유휴 다리를 착지시킴으로써 안정 영역을 배증(倍增)시키는 방향으로 이동시켜서, 자세의 안정성 및 제어성을 향상시키는 효과를 이끌어낼 수 있다.
한편, 상기 발바닥 프레임은 상기 보행식 이동 로봇의 피치축 회전보다도 롤축 회전의 강성을 강화해도 된다. 예를 들면, 발바닥 프레임의 상면 및/또는 저면의 소정 부위에 오목부를 형성함으로써, 상기 보행식 이동 로봇의 피치축 회전보다도 롤축 회전의 강성을 강화할 수 있다.
2족 직립 타입의 보행식 이동 로봇은 일반적으로 보행 방향 즉 전후 방향(피치축 회전 방향)에 비하여, 가로 방향(롤축 회전 방향)의 ZMP의 존재 범위가 좁다. 바꾸어 말하면, 롤축 회전의 외란에 대한 로버스트 특성이 낮기 때문에, 가로 방향 즉 롤축 회전에 대해서는 아주 높은 제어 정밀도가 요구되고 있다. 본 발명에 따른 다리부 구조에 따르면, 롤축 회전의 강성을 강화할 수 있으며, 가로 방향의 외란에 대한 로버스트 특성을 현저히 향상시키는 효과를 이끌어낼 수 있다. 이 결과, 2족 직립 보행 로봇의 자세 안정 제어가 용이해진다.
또한, 본 발명의 제3 국면은 적어도 1세트의 좌우의 가동 다리 유닛을 구비하여 보행 작업을 행하는 타입의 보행식 이동 로봇으로, 상기 가동 다리 유닛은 상기 가동 다리에 있어서의 관절 자유도를 실현하는 하나 이상의 관절 액추에이터와, 상기 관절 액추에이터를 상기 보행식 이동 로봇의 기체의 내측에서부터 지지하기 위한, 제1 강성을 갖는 내측 지지체와, 상기 관절 액추에이터를 상기 보행식 이동 로봇의 기체의 외측에서부터 지지하기 위한, 제1 강성보다도 비교적 큰 제2 강성을 갖는 외측 지지체를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇이다.
본 발명의 제3 국면에 따른 보행식 이동 로봇에 따르면, 좌우 각각의 가동 다리 유닛에 대하여, 그 외측 지지체와 내측 지지체에서 강성을 다르게 하는 구조, 즉 내측 지지체에 비하여 외측 지지체의 강성(특히 굽힘 강성)을 강화한 구조를 채용한다. 이러한 구성을 채용함으로써, 예기치 못한 외란이 기체에 발생한 경우이더라도, ZMP가 기체의 외측 즉 발바닥의 장심의 반대측으로 이동하기 어렵게 작용할 수 있다. 이 결과, 보행식 이동 로봇 전체적으로는 가로 방향의 외란에 대한 로버스트 특성이 강화되므로, 기체의 자세 안정화 제어가 용이해진다.
바꾸어 말하면, 본 발명의 제3 국면에 따르면, 외란에 의하여 ZMP가 기체의 내측 즉 발바닥의 장심측으로 이동하도록 유도된다. 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 내측을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 발생시키도록 하는 공간 왜곡을 ZMP 거동 공간에 부여할 수 있다. 예를 들면, 보행식 이동 로봇은 예기치 못한 외란에 의하여 발바닥의 장심 측, 즉 좌우의 양 다리 사이를 향하여 ZMP가 이동한 경우에는 유휴 다리를 고속으로 착지시킴으로서 안정 영역을 배증할 수 있으며, 넘어짐을 용이하게 막을 수 있다.
여기에서, 제2 강성은 제1 강성의 1.2배 이상의 굽힘 강성인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는 제2 강성은 제1 강성의 1.5∼2.0배 정도인 것이 더욱 바람직하다.
이와 같은 제1 강성과 제2 강성의 차이는 상기 내측 지지체와 외측 지지체의 두께의 차이에 의하여 실현된다.
또는 제1 강성과 제2 강성의 차이는 상기 내측 지지체와 상기 외측 지지체의 형상의 차이에 의하여 실현된다.
또는, 제1 강성과 제2 강성의 차이는 상기 내측 지지체와 상기 외측 지지체를 강도가 다른 소재를 사용하여 구성함으로써도 실현된다.
또한, 상기 가동 다리의 관절 자유도는 적어도 대퇴부 롤축 및 슬관절 롤축 회전의 각 자유도를 포함하고 있어도 된다. 게다가, 발바닥과 연결하기 위한 발목관절의 자유도를 구비하고 있어도 된다.
또한, 본 발명의 제4 국면은 보행 작업을 행하는 타입의 보행식 이동 로봇에 대하여 좌우의 조합으로 사용되는 가동 다리 유닛으로, 상기 가동 다리에 있어서의 관절 자유도를 실현하는 하나 이상의 관절 액추에이터와, 상기 관절 액추에이터를 상기 보행식 이동 로봇의 기체의 내측에서부터 지지하기 위한, 제1 강성을 갖는 내측 지지체와, 상기 관절 액추에이터를 상기 보행식 이동 로봇의 기체의 외측에서부터 지지하기 위한, 제1 강성보다도 비교적 큰 제2 강성을 갖는 외측 지지체를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇을 위한 가동 다리 유닛이다.
본 발명의 제4 국면에 따른 가동 다리 유닛을 좌우 1세트로 하여 탑재한 보행식 이동 로봇에 있어서는 좌우 각각의 가동 다리 유닛의 외측 지지체와 내측 지지체에서 강성을 다르게 하는 구조, 즉 내측 지지체에 비하여 외측 지지체의 강성(특히 굽힘 강성)을 강화한 구조가 된다. 따라서, 예기치 못한 외란이 기체에 발생한 경우이더라도, ZMP가 기체의 외측, 즉 발바닥의 장심의 반대측으로 이동하기 어렵게 작용할 수 있다. 이 결과, 보행식 이동 로봇 전체적으로는 가로 방향의 외란에 대한 로버스트 특성이 강화되므로, 기체의 자세 안정화 제어가 현저히 용이해진다.
바꾸어 말하면, 본 발명의 제4 국면에 따르면, 외란에 의하여 ZMP가 기체의 내측, 즉 발바닥의 장심측으로 이동하도록 유도된다. 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 내측을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 생기게 하는 공간 왜곡을 ZMP 거동 공간에 부여할 수 있다. 예를 들면, 당해 가동 다리 유닛을 탑재한 보행식 이동 로봇은 예기치 못한 외란에 의하여 발바닥의 장심측, 즉 좌우의 양 다리 사이를 향하여 ZMP가 이동한 경우에는 유각(遊脚)을 고속으로 착지시킴으로써 안정 영역을 배증할 수 있으며, 넘어짐을 용이하게 막을 수 있다.
여기에서, 제2 강성은 제1 강성의 1.2배 이상의 굽힘 강성인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는 제2 강성은 제1 강성의 1.5∼2.0배 정도인 것이 더욱 바람직하다.
이와 같은 제1 강성과 제2 강성의 차이는 상기 내측 지지체와 외측 지지체의 두께의 차이에 의하여 실현된다.
또는 제1 강성과 제2 강성의 차이는 상기 내측 지지체와 상기 외측 지지체의 형상의 차이에 의하여 실현된다.
또는, 제1 강성과 제2 강성의 차이는 상기 내측 지지체와 상기 외측 지지체를 강도가 다른 소재를 사용하여 구성함으로써도 실현된다.
또한, 상기 가동 다리의 관절 자유도는 적어도 대퇴부 롤축 및 슬관절 롤축 회전의 각 자유도를 포함하고 있어도 된다. 게다가, 발바닥과 연결하기 위한 발목관절의 자유도를 구비하고 있어도 된다.
또한, 본 발명의 제5 국면은 2이상의 가동 다리를 구비한 보행식 이동 로봇의 제어 방법으로, 기체의 피치축 모멘트 및 롤축 모멘트가 제로(0)가 되는 ZMP의 위치와 기체가 바닥면으로부터 받는 바닥 반력으로 정의되는 ZMP 거동 공간을 정의하는 단계와, 상기 정의된 ZMP 거동 공간의 정의에 의거하여 ZMP 안정 위치를 구하는 단계와, 상기 구해진 ZMP 안정 위치에 의거하여 기체 동작을 제어하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법이다.
본 발명의 제5 국면에 따른 보행식 이동 로봇의 제어 방법에 따르면, ZMP를 자세의 안정도 판별 규범으로 채용하는데, 기체의 변형량이나 운동량을 고려하여 안정된 ZMP 존재 공간을 갖는 기체 동작의 제어를 행할 수 있다.
즉 ZMP 위치가 상기 가동 다리의 발바닥 착지점과 노면이 형성하는 지지 다각형으로 이루어지는 ZMP 안정 영역의 중앙에서 ZMP 위치가 벗어남에 따라 ZMP 위치를 상기 ZMP 안정 영역의 중앙으로 이동시키고자 하는 기체의 변형량 또는 운동량이 생기도록 ZMP 거동 공간에 공간 왜곡을 미리 부여할 수 있다. 이 결과, 기체의 제어 메커니즘이 충분한 응답 속도를 갖지 않는 경우이더라도, 외란 등에 대하여 높은 로버스트 특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 제5 국면에 따른 보행식 이동 로봇의 제어 방법은 상기 보행식 이동 로봇과 노면의 접촉 상황에 따라서 ZMP 거동 공간의 정의를 변경하는 단계를 더 구비해도 된다.
이 경우, 발바닥이 바닥면으로부터 받는 바닥 반력이 변화한 경우 등, 노면과의 접촉 상황에 따라서 ZMP 거동 공간에 부여하는 공간 왜곡을 동적으로 제어할 수 있으며, 어떠한 상황에서도 항상 ZMP 위치가 벗어남에 따라 ZMP 위치를 상기 ZMP 안정 영역의 중앙으로 이동시키고자 하는 기체의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하여, 기체의 자세 안정 제어를 용이한 상태로 할 수 있다.
또한, 상기의 ZMP 거동 공간을 정의하는 단계에서는, 상기 ZMP 거동 공간에 있어서의 극대점 및/또는 극소점을 임의로 지정해도 된다. 또한, 임의의 시각에 상기 ZMP 거동 공간에 있어서의 극대점 및/또는 극소점을 임의로 설정해도 된다. 또한, 한쪽 다리 지지 후기, 양쪽 다리 지지기, 한쪽 다리 지지 전기 등 다리의 지지 상태에 따라서 상기 ZMP 거동 공간에 있어서의 극대점 및/또는 극소점을 임의로 지정해도 된다.
이 경우, 로봇이 보행 작업을 행할 때에, 시시각각 변하는 보행 패턴에 따라서 자세의 안정 제어가 용이한 공간 왜곡을 갖는 ZMP 거동 공간을 동적으로 생성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적, 특징과 잇점은 후술하는 본 발명의 실시예 및 첨부하는 도면에 기초하는 보다 상세한 설명에 의해서 명확해질 것이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
A. 로봇의 구성
도 3 및 도 4에는 본 발명의 실시에 이용되는 "인간 형태" 또는 "인간형"의 보행식 이동 로봇(100)이 직립해 있는 모습을 전방 및 후방 각각에서 바라본 상태를 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 보행식 이동 로봇(100)은 체간부(101)와, 머리부(102)와, 좌우의 상지부(103)와, 보행식 이동을 행하는 좌우 2족의 하지부(104)와, 기체의 동작을 총괄적으로 제어하는 제어부(105)로 구성된다.
좌우 각각의 하지(104)는 대퇴부와, 슬관절과, 정강이부와, 발목과, 발바닥으로 구성되며, 고관절에 의하여 체간부의 거의 최하단에서 연결되어 있다. 또한, 좌우 각각의 상지는 상완(上腕)과, 주관절과, 전완(前腕)으로 구성되며, 견관절(肩關節)에 의하여 체간부 윗쪽의 좌우 각 측부 가장자리에서 연결되어 있다. 또한, 머리부는 목관절에 의해서 체간부의 거의 가장 상단부 중앙에 연결되어 있다.
제어부(105)는 이 보행식 이동 로봇(100)을 구성하는 각 관절 액추에이터의 구동 제어와 각 센서(후술함) 등으로부터의 외부 입력을 처리하는 콘트롤러(주 제어부)와, 전원 회로 그 밖의 주변 기기류를 탑재한 하우징이다. 제어부는 그 밖에 원격 조작용의 통신 인터페이스와 통신 장치를 포함할 수 있다. 또한, 도 3 및 도 4에 도시한 예에서는 보행식 이동 로봇(100)이 제어부를 등에 짊어진 듯한 형태로 되어 있지만, 제어부의 설치 장소는 특별히 한정되지 않는다.
이와 같이 구성된 보행식 이동 로봇(100)은 제어부(105)에 의한 전신 협동적인 동작 제어에 의하여, 2족 보행을 실현할 수 있다. 일반적으로 이러한 2족 보행은 다음에 나타낸 각 동작 기간으로 분할되는 보행 주기를 반복함으로써 행해진다.
(1) 우측 다리를 들어올린, 좌측 다리에 의한 한쪽 다리 지지기
(2) 우측 다리가 접지된 양쪽 다리 지지기
(3) 좌측 다리를 들어올린, 우측 다리에 의한 한쪽 다리 지지기
(4) 좌측 다리가 접지된 양쪽 다리 지지기
보행식 이동 로봇(100)에 있어서의 보행 제어는 미리 하지(下肢)의 목표 궤도를 계획하고, 상기의 각 기간에 있어서 계획 궤도를 수정함으로써 실현된다. 즉 양쪽 다리 지지기에서는, 다리 궤도의 수정을 정지하여, 계획 궤도에 대한 총 수정량을 이용하여 허리의 높이를 일정한 값으로 수정한다. 또한, 한쪽 다리 지지기에서는, 수정을 받는 다리의 발목과 허리의 상대 위치 관계를 계획 궤도로 복귀시키도록 수정 궤도를 생성한다. 구체적인 수정은 ZMP에 대한 편차를 작게 하기 위한 위치, 속도 및 가속도가 연속되도록, 5차 다항식을 이용한 보간(補間) 계산에 의하여 행한다.
도 5에는 이 보행식 이동 로봇(100)이 구비하는 관절 자유도 구성을 모식적으로 도시하고 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 보행식 이동 로봇(100)은 2개의 완부(腕部)와 머리부(1)를 갖는 상지(上肢)와, 이동 동작을 실현하는 2개의 다리부로 이루어지는 하지(下肢)와, 상지와 하지를 연결하는 체간부로 구성된, 복수의 팔다리를 구비한 구조체이다.
머리부(1)를 지지하는 목관절은 목관절 요우축(2)과, 목관절 피치축(3)과, 목관절 롤축(4)이라는 3개의 자유도를 갖고 있다.
또한, 각 완부는 견관절 피치축(8)과, 견관절 롤축(9)과, 상완 요우축(10)과 주관절 피치축(11)과, 전완 요우축(12)과, 손목관절 피치축(13)과, 손목관절 롤축(14)과, 손부(15)로 구성된다. 손부(15)는 실제로는 복수개의 손가락을 포함하는 다관절 및 다자유도의 구조체이다. 다만, 손부(15)의 동작은 로봇(100)의 자세 제어와 보행 제어에 대한 기여 또는 영향이 적기 때문에, 본 명세서에서는 제로 자유도라고 가정한다. 따라서, 각 완부는 7개의 자유도를 갖게 된다.
또한, 체간부는 체간 피치축(5)과, 체간 롤축(6)과, 체간 요우축(7)이라는 3개의 자유도를 갖는다.
또한, 하지를 구성하는 각각의 다리부는 고관절 요우축(16)과, 고관절 피치축(17)과, 고관절 롤축(18)과, 슬관절 피치축(19)과, 발목관절 피치축(20)과, 발목관절 롤축(21)과, 족부(22)로 구성된다. 인체의 족부(22)는 실제로는 다관절 및 다자유도의 발바닥을 포함한 구조체이지만, 본 실시형태에 따른 보행식 이동 로봇(100)의 발바닥은 제로 자유도로 한다. 따라서, 각 다리부는 6개의 자유도로 구성되어 있다.
이상을 총괄하면, 본 실시예에 따른 보행식 이동 로봇(100) 전체적으로는 합계 3＋7×2＋3＋6×2＝32 자유도를 갖게 된다. 다만, 엔터테인먼트용의 보행식 이동 로봇(100)이 반드시 32개의 자유도로 한정되는 것은 아니다. 설계 및 제작상의 제약 조건, 요구 사양 등에 따라서, 자유도 즉 관절수를 적절히 증감할 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같은 보행식 이동 로봇(100)이 갖는 각 자유도는 실제로는 작동기를 이용하여 실장된다. 외관상 필요 이상의 부풀림을 배제하여 인간의 자연스런 형상에 근사시킬 것, 2족 보행이라는 불안정 구조체에 대해 자세 제어를 행할 것 등의 요청으로부터, 작동기는 소형 및 경량인 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 기어 직결형으로 또한 서보 제어계를 원칩화하여 모터 유닛에 내장한 타입의 소형 AC 서보 작동기를 탑재한 것으로 했다. 또한, 이러한 종류의 AC 서보 작동기에 관해서는, 예를 들면 본 출원인에게 이미 양도되어 있는 일본 특허공개 2000-299970호 공보(특허출원 평11-33386호)에 개시되어 있다.
도 6에는 본 실시형태에 따른 보행식 이동 로봇(100)의 제어 시스템 구성을 모식적으로 도시하고 있다. 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 제어 시스템은 사용자 입력 등에 동적으로 반응하여 정서 판단이나 감정 표현을 담당하는 사고 제어모듈(200)과, 관절 액추에이터의 구동 등 로봇의 전신 협조 운동을 제어하는 운동 제어 모듈(300)로 구성된다.
사고 제어 모듈(200)은 정서 판단이나 감정 표현에 관한 연산 처리를 실행하는 CPU(Central Processing Unit)(211), RAM(Random Access Memory)(212), ROM(Read Only Memory)(213), 및 외부 기억 장치(하드 디스크 드라이버 등)(214) 로 구성되며, 모듈내에서 자기 완결된 처리를 행할 수 있는 독립 구동형의 정보 처리 장치이다.
사고 제어 모듈(200)은 정서 판단이나 감정 표현에 관한 연산 처리를 실행하는 CPU(Central Processing Unit)(211), RAM(Random Access Memory)(212), ROM(Read Only Memory)(213), 및 외부 기억 장치(하드 디스크 드라이버 등)(214) 로 구성되며, 모듈내에서 자기 완결된 처리를 행할 수 있는 독립된 정보 처리 장치이다.
사고 제어 모듈(200)에서는, 화상 입력 장치(251)에서 입력되는 시각 데이터, 음성 입력 장치(252)에서 입력되는 청각 데이터 등, 외계로부터의 자극 등에 따라서, 보행식 이동 로봇(100)의 현재의 감정이나 의사를 결정한다. 게다가, 의사 결정의 의거한 동작(액션) 또는 행동 시퀀스(behavior), 즉 두 손과 두 발의 운동을 실행하도록, 운동 제어 모듈(300)에 대하여 지령을 발행한다.
한쪽의 운동 제어 모듈(300)은 로봇(100)의 전신 협조 운동을 제어하는 CPU(Central Processing Unit)(311), RAM(Random Access Memory)(312), ROM(Read Only Memory)(313), 및 외부 기억 장치(하드 디스크 드라이버 등)(314)로 구성되며, 모듈내에서 자기 완결된 처리를 행할 수 있는 독립 구동형의 정보 처리 장치이다. 외부 기억 장치(314)에는 예를 들면 오프 라인으로 산출된 보행 패턴, ZMP 목표 궤도, 그 밖의 행동 계획을 축적할 수 있다.
운동 제어 모듈(300)에는 로봇(100)의 전신에 분산되는 각각의 관절 자유도를 실현하는 각 관절 액추에이터(도 5를 참조), 체간부의 자세 및 경사를 계측하는 자세 센서(351), 좌우의 발바닥의 착지 여부를 검출하는 접지 확인 센서(352 및 353), 배터리 등의 전원을 관리하는 전원 제어 장치 등의 각종 장치가 버스 인터페이스(301)를 경유하여 접속되어 있다.
사고 제어 모듈(200)과 운동 제어 모듈(300)은 공통의 플랫폼 상에서 구축되며, 양자 사이는 버스 인터페이스(201 및 301)을 통하여 서로 접속되어 있다.
운동 제어 모듈(300)에서는 사고 제어 모듈(200)로부터 지시된 행동을 재현하기 위하여, 각 관절 액추에이터에 의한 전신 협조 운동을 제어한다. 즉 CPU(311)는 사고 제어 모듈(200)로부터 지시받은 행동에 따른 동작 패턴을 외부 기억 장치(314)로부터 받거나, 또는 내부적으로 동작 패턴을 생성한다. 그리고, CPU(311)는 지시받은 동작 패턴에 따라서, 다리부 운동, ZMP 궤도, 체간 운동, 상지 운동, 허리부 수평 위치 및 높이 등을 설정함과 아울러, 이들 설정 내용에 따른 동작을 지시하는 지령값을 각 관절 액추에이터에 전송한다.
또한, CPU(311)는 자세 센서(351)의 출력 신호에 의하여 로봇(100)의 체간 부분의 자세와 경사를 검출함과 아울러, 각 접지 확인 센서(352 및 353)의 출력 신호에 의하여 각 가동 다리가 유휴 상태 또는 서 있는 상태의 어느 상태인가를 검출함으로써, 보행식 이동 로봇(100)의 전신 협조 운동을 적절히 제어할 수 있다.
또한, CPU(311)는 ZMP 위치가 항상 ZMP 안정 영역의 중심을 향하도록, 기체의 자세와 동작을 제어한다.
게다가, 운동 제어 모듈(300)은 사고 제어 모듈(200)에서 결정된 의사에 기초한 행동이 어느 정도 발현되었는지, 즉 처리 상황을 사고 제어 모듈(200)로 돌려보내도록 되어 있다.
B.로봇의 자세 제어
보행식 이동 로봇의 대다수는 ZMP(Zero Moment Point)를 보행의 안정도 판별 규범으로서 채용한다.
ZMP에 의한 안정도 판별 규범은 보행계로부터 노면에는 중력과 관성력, 및 이들 모멘트가 노면으로부터 보행계로의 반작용으로서의 바닥 반력, 및 바닥 반력 모멘트와 균형을 이룬다고 하는 "달랑베르의 원리(d'Alembert's principle)"에 의거한 것으로, "보행의 모든 순간에 있어서, ZMP가 다리부와 노면이 형성하는 지지 다각형의 내측에 존재하고, 또한 로봇이 노면을 누르는 방향의 힘이 작용하면 로봇이 넘어지지(기체가 회전운동) 않고 안정되게 보행할 수 있다"는 것이다.
ZMP를 안정도 판별 규범에 이용한 로봇의 자세 안정도 제어는 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 내측에 피치 및 롤축 모멘트가 제로가 되는 점을 탐색하는 것을 기본으로 한다. ZMP 안정도 판별 규범에 의거한 2족 보행 패턴 생성에 따르면, 발바닥 접지점을 미리 설정할 수 있으며, 노면 형상에 따른 발끝의운동학적 구속 조건을 고려하기 쉽다는 등의 이점이 있다. 또한, ZMP를 안정도 판별 규범으로 하는 것은 힘이 아니라 궤도를 운동 제어상의 목표값으로 하는 것을 의미하므로, 기술적으로 실현 가능성이 높아진다.
그러나, "종래의 기술란"에서도 이미 설명한 바와 같이, ZMP 규범은 로봇의 기체 및 노면이 강체에 무한히 가까운 것으로 가정할 수 있는 경우에만 적용할 수 있는 규범에 불과하다. 즉 로봇과 노면이 강체에 무한히 가까운 것으로 가정할 수 없는 경우, 예를 들면 로봇이 고속으로 움직임으로써 ZMP에 작용하는(병진) 힘이나, 발바꿈시의 충격력이 커져서, 로봇 자신에게 변형이나 운동이 발생하게 되는 경우에는, 인가되는 힘에 대한 로봇의 변형량을 적절히 관리하지 않으면, ZMP가 존재하고 있는 공간 자체가 불안정하게 되고, 만일 로봇의 자세가 ZMP 안정도 판별 규범을 만족하더라도, 불안정한 ZMP 위치에 놓이기 때문에, 로봇의 자세가 불안정하게 된다.
또한, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역에서 벗어나서야 비로소 보정 제어를 한다고 하는 사후적 제어로는, 충분한 속도로 응답할 수 없으며, 외란 등에 대한 로버스트 특성이 높지 않다.
따라서, 본 실시형태에서는, 로봇의 기체의 변형량이나 운동량을 고려하여 안정된 ZMP 거동 공간을 갖는 로봇 시스템 구성을 채용한다. ZMP 거동 공간은 ZMP 위치와 기체가 바닥면으로부터 받는 바닥 반력으로 정의되는데, 본 실시형태에서는 기체가 안정되는 변형량이나 운동량이 발생하도록, ZMP 거동 공간에 소정의 왜곡 또는 소정의 특성이 미리 부여되어 있다.
따라서, ZMP 위치의 이동량이 소정의 영역을 넘어서야 비로소 사후적인 보정 제어를 개시하는 것이 아니라, 미리 로봇의 자세가 안정되도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있으므로, 기체의 제어 메커니즘이 충분한 응답 속도를 가지지 않더라도, 외란 등에 대하여 높은 로버스트 특성을 얻을 수 있다.
여기에서, 로봇의 변형량(또는 운동량)의 정부(正負)는, 부(負)가 ZMP를 안정 영역의 가장자리로 이동시키고자 하는 공간 왜곡을 생기게 하는 방향이 되고, 정(正)이 ZMP를 안정 영역의 중심으로 이동시키고자 하는 공간 왜곡을 생기게 하는 방향이 된다는 점에 유의하기 바란다.
도 7에는 로봇의 변형량 또는 운동량과 ZMP 위치간의 관계를 표시한 ZMP 거동 공간의 구성예를 나타내고 있다.
도 7에 나타낸 예에서는, ZMP 거동 공간은 포물선 또는 원호로 표시되는 비선형 곡선으로 구성된다. 또한 도시하지 않았지만, 불연속점이나 변곡점을 포함해도 된다.
ZMP 위치가 ZMP 안정도 영역내의 거의 중앙 부근에 있어서는, 로봇에게 큰 변형량(또는 운동량)은 발생하지 않으므로, 그 상태에서는 로봇은 기체의 자세 안정성을 잃지 않는다.
또한, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙에서 멀어짐에 따라서, 로봇의 변형량(또는 운동량)은 정방향으로 증대해 간다. 이에 수반하여, ZMP를 안정 영역의 중심으로 이동시키고자 하는 공간 왜곡을 발생시키는 작용이 일어나므로, 역시 기체의 자세 안정성을 유지하기 쉬워진다.
또한, 도 8에는 로봇의 변형량 또는 운동량과 ZMP 위치간의 관계를 표시한 ZMP 거동 공간의 다른 구성예를 나타내고 있다.
도 8에 나타낸 예에서는, ZMP 거동 공간은 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근의 선형 직선과, 그 좌우 양단에서 접속되는 비선형 곡선으로 구성되며, 직선과 곡선 사이에 불연속점을 포함하고 있다. 또한 도시하지 않았지만 변곡점을 포함해도 된다.
ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서는, 평탄하며 즉 로봇에게 큰 변형량(또는 운동량)은 발생하지 않으므로, 그 상태에서는 로봇은 기체의 자세 안정성을 잃지 않는다.
또한, ZMP 위치가 평탄한 영역을 벗어나면, 로봇의 변형량(또는 운동량)은 정방향으로 급격히 증대해 간다. 이에 따라서, ZMP를 안정 영역의 중심으로 이동시키고자 하는 공간 왜곡을 생기게 하는 작용이 일어나므로, 적극적인 운동 제어가 없어도, 기체의 자세 안정성을 유지하기 쉬워진다.
또한, 도 9에는 로봇의 변형량 또는 운동량과 ZMP 위치간의 관계를 표시한 ZMP 거동 공간의 또 다른 구성예를 나타내고 있다.
도 9에 나타낸 예에서는, ZMP 거동 공간은 복수의 선형 직선을 연결하여 구성되며, 복수의 불연속점을 포함하고 있다.
ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서는, ZMP 중앙 위치로부터의 거리에 대응하여 로봇의 변형량(또는 운동량)이 서서히 정방향으로 증대하는 비교적 경사가 완만한 직선으로 ZMP 거동 공간이 형성된다. 또한, ZMP 중앙 위치로부터의 거리가 소정 값에 도달한 시점에서, ZMP 중앙 위치로부터의 거리에 대응하여 로봇의 변형량(또는 운동량)이 급격히 정방향으로 증대해 가는 비교적 경사가 급한 직선으로 ZMP 거동 공간이 형성되어 있다.
도시한 예에서는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서는, ZMP를 안정 영역의 중심으로 이동시키고자 하는 공간 왜곡을 생기게 하는 비교적 약한 작용이 일어남과 아울러, ZMP 위치가 ZMP 중앙 위치에서 소정 거리만큼 떨어진 시점에서는, ZMP를 안정 영역의 중심으로 이동시키고자 하는 공간 왜곡을 생기게 하는 비교적 강한 작용이 일어나게 된다. 따라서, 적극적인 운동 제어가 없어도, 마찬가지로 기체의 자세 안정성을 유지하기 쉬워진다.
또한, 도 10에는 로봇의 변형량 또는 운동량과 ZMP 위치간의 관계를 표시한 ZMP 거동 공간의 또 다른 구성예를 나타내고 있다.
도 10에 나타낸 예에서는, ZMP 거동 공간은 비선형 곡선으로 구성되며, ZMP 안정 영역의 거의 중앙 위치에 극소점을 가짐과 아울러, ZMP 안정 영역의 경계 부근에서 극대점을 갖고 있다.
이와 같은 ZMP 거동 공간에 있어서는, ZMP 위치가 좌우의 극대점의 내측에는 ZMP 중앙 위치로부터의 거리에 대응하여 로봇의 변형량(또는 운동량)은 정방향으로 증대되므로, 기체의 자세 안정성의 유지가 용이한 자세 안정 모드를 형성한다.
한편, ZMP 위치가 좌우의 극대점의 외측에서는, 로봇의 변형량(또는 운동량)은 서서히 감소해 가고, ZMP를 안정 영역의 중심으로 이동시키고자 하는 공간 왜곡은 저하되어 간다. 이 결과, 기체는 자세 안정성을 잃기 쉬워지며, 넘어짐 모드를형성한다.
또한 도 11에는 로봇의 변형량 또는 운동량과 ZMP 위치간의 관계를 표시한 ZMP 거동 공간의 또 다른 구성예를 나타내고 있다.
도 11에 나타낸 예에서는, 복수의 선형 직선을 연결하여 구성되며, 복수의 불연속점을 포함하고 있다. ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서는, ZMP 중앙 위치로부터의 거리에 대응하여 로봇의 변형량(또는 운동량)이 서서히 부방향으로 증대되는 비교적 경사가 완만한 직선으로 ZMP 거동 공간이 형성된다. 또한, ZMP 중앙 위치로부터의 거리가 소정 값에 도달한 시점에서 평탄해진다.
이 경우의 ZMP 거동 공간은 ZMP 안정 영역내의 어느 위치에 있어서도 로봇의 변형량(또는 운동량)이 부방향으로만 작용하고, ZMP 위치가 그 중앙 위치에서 어느 정도이상 멀어지면, ZMP를 안정 영역 밖으로 이동시키고자 하는 공간 왜곡은 일정량이 된다. 따라서, 불안정하기는 하지만 제어가 비교적 용이한 ZMP 거동 공간이라고 할 수 있다.
다음으로, 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같은 2족의 보행식 이동 로봇(100)이 보행 동작을 행하는 경우를 예로 들어, ZMP 거동 공간에 관하여 고찰해 보자. 본 실시형태에서는, ZMP 거동 공간은 ZMP 안정 영역의 거의 중앙에 ZMP 위치가 향하도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있으며, 기체가 안정된 방향으로 ZMP 위치가 스스로 이동하도록, 바닥 반력에 따른 기체의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 되어 있다.
도 12 및 도 13에는 한쪽 다리 지지 후기의 좌측 입각에 있어서의 Y방향(진행 방향과 직교 방향) 및 X방향(진행 방향)의 ZMP 거동 공간의 구성예를 각각 나타내고 있다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 한쪽 다리 지지 후기의 좌측 입각에 있어서의 Y방향의 ZMP 거동 공간은 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서 ZMP 위치가 기체의 외측을 향하여 이동했을 때에는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기지 않도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 이 결과, 지지 다리로서 서 있는 좌측 다리에 있어서는, ZMP 위치의 Y방향으로의 이동량에 거의 선형적으로 굽힘량이 감소한다. 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 내측을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 외측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동하더라도 서 있는 좌측 다리는 외측으로는 굽어지기 어렵게 되도록 구성되어 있다.
또, 로봇의 총 중량을 100으로 하였을 때, 바닥 반력이 100이상이 될 때에는 바닥 반력이 "크다"고 하고, 바닥 반력이 20∼100 정도일 때에는 바닥 반력이 "중간"이라 하고, 또한 바닥 반력이 20이하가 될 때에 바닥 반력이 "작다"고 한다(이하 동일). 다만, 이들은 대강의 기준이며, 로봇의 기체 구조, 중량에 따라서 변경할 수 있다. 특히, "바닥 반력이 작다"는 것을 정성적(定性的)으로 표현하면, 양쪽 다리 지지기에서, 한쪽 다리로 거의 전신을 지탱하고 있을 때의 다른쪽 다리에가해지고 있는 정도의 바닥 반력을 말한다.
또한, 도 13에 나타낸 바와 같이, 한쪽 다리 지지 후기의 좌측 입각에 있어서의 X방향의 ZMP 거동 공간은 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서 기체에 발생하는 변형량 또는 운동량이 점차 작아져 가도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 이 결과, 지지 다리로서 서 있는 좌측 다리에 있어서는, ZMP 위치의 X방향으로의 이동량에 거의 선형적으로 굽힘량이 감소한다. 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 전방을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 전방 또는 후방의 어디로 이동하더라도 서 있는 좌측 다리는 외측으로는 굽어지기 어렵게 되도록 구성되어 있다.
도 14 및 도 15에는 한쪽 다리 지지 후기의 좌측 입각에 있어서의 Y방향(진행 방향과 직교 방향) 및 X방향(진행 방향)의 이상적인 ZMP 거동 공간의 구성예를 각각 나타내고 있다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 한쪽 다리 지지 후기의 좌측 입각에 있어서의 Y방향의 이상적인 ZMP 거동 공간은 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥반력이 커짐에 따라서 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 정방향, 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 이 결과, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 내측을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 외측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 외측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 내측을 향하여 굽어지도록 구성되어 있다.
또한, 도 15에 나타낸 바와 같이, 한쪽 다리 지지 후기의 좌측 입각에 있어서의 X방향의 이상적인 ZMP 거동 공간은 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 정방향, 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 이 결과, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 전방을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 후방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 전방을 향하여 굽어지도록 구성되어 있다.
도 16 및 도 17에는, 한쪽 다리 지지 후기의 체간부에 있어서 Y방향(진행 방향과 직교 방향) 및 X방향(진행 방향)의 이상적인 ZMP 거동 공간의 구성예를 각각 나타내고 있다.
도 16에 나타낸 바와 같이, 한쪽 다리 지지 후기의 체간부에 있어서 Y방향의 이상적인 ZMP 거동 공간은 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 정방향, 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 이 결과, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 체간부는 내측을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 체간부는 외측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 체간부는 외측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 체간부는 내측을 향하여 굽어지도록 구성되어 있다.
또한, 도 17에 나타낸 바와 같이, 한쪽 다리 지지 후기의 체간부에 있어서 X방향의 이상적인 ZMP 거동 공간은 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 정방향, 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 이 결과, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 체간부는 전방을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 체간부는 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 체간부는 후방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 체간부는 전방을 향하여 굽어지도록 구성되어 있다.
도 18 및 도 19에는 양쪽 다리 지지기의 좌측 입각에 있어서의 Y방향(진행 방향과 직교 방향) 및 X방향(진행 방향)의 ZMP 거동 공간의 구성예를 각각 나타내고 있다.
도 18에 나타낸 바와 같이, 양쪽 다리 지지기의 좌측 입각에 있어서의 Y방향의 ZMP 거동 공간은 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 기체에 발생하는 변형량 또는 운동량이 점차로 작아져 가도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 양쪽 다리 지지기에서는 2개의 다리로 지지하기 때문에, 1개의 다리로 지지하는 한쪽 다리 지지기보다 ZMP 거동 공간의 강성이 높아지며, 공간 왜곡은 작다. 이 결과, ZMP 위치의 Y방향으로의 이동량에 거의 선형적으로 서 있는 좌측 다리의 굽힘량이감소한다. 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 내측을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 외측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 내측 또는 외측의 어디로 이동하더라도 서 있는 좌측 다리는 굽어지기 어렵게 구성되어 있다. 양쪽 다리 지지기에서는 2개의 다리로 지지하기 때문에 1개의 다리로 지지하는 한쪽 다리 지지기에 비하여 다리의 굽힘량은 작다.
도 19에 나타낸 바와 같이, 양쪽 다리 지지기의 좌측 입각에 있어서의 X방향의 ZMP 거동 공간은 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 기체에 발생하는 변형량 또는 운동량이 점차로 작아져 가도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 양쪽 다리 지지기에서는 2개의 다리로 지지하기 때문에, 1개의 다리로 지지하는 한쪽 다리 지지기에 비하여, ZMP 거동 공간의 강성이 높아지며, 공간 왜곡은 작다. 이 결과, ZMP 위치의 X방향으로의 이동량에 거의 선형적으로 서 있는 좌측 다리의 굽힘량이 감소한다. 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 전방을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 전방 또는 후방의 어디로 이동하더라도 서 있는 좌측 다리는 굽어지기 어렵게 구성되어 있다. 양쪽 다리 지지기에서는 2개의다리로 지지하기 때문에 1개의 다리로 지지하는 한쪽 다리 지지기에 비하여 다리의 굽힘량은 작다.
도 20 및 도 21에는 양쪽 다리 지지기의 좌측 입각에 있어서의 Y방향(진행 방향과 직교 방향) 및 X방향(진행 방향)의 이상적인 ZMP 거동 공간의 구성예를 각각 나타내고 있다.
도 20에 나타낸 바와 같이, 양쪽 다리 지지기의 좌측 입각에 있어서의 Y방향의 ZMP 거동 공간은 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 정방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 양쪽 다리 지지기에서는 2개의 다리로 지지하기 때문에, 1개의 다리로 지지하는 한쪽 다리 지지기보다 ZMP 거동 공간의 강성이 높아지며, 공간 왜곡은 작다. 이 결과, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 내측을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 외측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 내측으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 외측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 내측을 향하여 굽어지도록 구성되어 있다. 양쪽 다리 지지기에서는 2개의 다리로 지지하기 때문에 1개의 다리로 지지하는 한쪽 다리 지지기에 비하여 다리의 굽힘량은 작다.
도 21에 나타낸 바와 같이, 양쪽 다리 지지기의 좌측 입각에 있어서의 X방향의 이상적인 ZMP 거동 공간은 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 정방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 양쪽 다리 지지기에서는 2개의 다리로 지지하기 때문에, 1개의 다리로 지지하는 한쪽 다리 지지기보다 ZMP 거동 공간의 강성이 높아지며, 공간 왜곡은 작다. 이 결과, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 전방을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 후방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 서 있는 좌측 다리는 전방을 향하여 굽어지도록 구성되어 있다. 양쪽 다리 지지기에서는 2개의 다리로 지지하기 때문에 1개의 다리로 지지하는 한쪽 다리 지지기에 비하여 다리의 굽힘량은 작다.
도 22 및 도 23에는 양쪽 다리 지지기의 체간부에 있어서 Y방향(진행 방향과 직교 방향) 및 X방향(진행 방향)의 이상적인 ZMP 거동 공간의 구성예를 각각 나타내고 있다.
도 22에 나타낸 바와 같이, 양쪽 다리 지지기의 체간부에 있어서 Y방향의 이상적인 ZMP 거동 공간은 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 정방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 양쪽 다리 지지기에서는 2개의 다리로 지지하기 때문에, 1개의 다리로 지지하는 한쪽 다리 지지기보다 ZMP 거동 공간의 강성이 높아지며, 공간 왜곡은 작다. 이 결과, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 체간부은 내측을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 체간부은 외측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 내측으로 이동했을 때에는 체간부은 외측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 체간부은 내측을 향하여 굽어지도록 구성되어 있다.
또한, 도 23에 나타낸 바와 같이, 양쪽 다리 지지기의 체간부에 있어서의 X방향의 이상적인 ZMP 거동 공간은 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 정방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 양쪽 다리 지지기에서는 2개의 다리로 지지하기 때문에, 1개의 다리로 지지하는 한쪽 다리 지지기보다 ZMP 거동 공간의 강성이 높아지며, 공간 왜곡은 작다. 이 결과, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 체간부는 전방을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 체간부는 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 체간부은 후방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 체간부은 전방을 향하여 굽어지도록 구성되어 있다.
도 24 및 도 25에는 한쪽 다리 지지 전기의 우측 입각에 있어서의 Y방향(진행 방향과 직교 방향) 및 X방향(진행 방향)의 ZMP 거동 공간의 구성예를 각각 나타내고 있다.
도 24에 나타낸 바와 같이, 한쪽 다리 지지 전기의 우측 입각에 있어서의 Y방향의 ZMP 거동 공간은 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 기체의 외측을 향하여 이동했을 때에는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하지 않도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 이 결과, 지지 다리로서 서 있는 우측 다리에 있어서는, ZMP 위치의 Y방향으로의 이동량에 거의 선형적으로 굽힘량이 감소한다. 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 서 있는 우측 다리는 내측을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 서 있는 우측 다리는 외측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동하더라도 서 있는 우측 다리는 외측으로는 굽어지기 어렵게 구성되어 있다.
또한, 도 25에 나타낸 바와 같이, 한쪽 다리 지지 전기의 우측 입각에 있어서의 X방향의 ZMP 거동 공간은 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 기체에 발생하는 변형량 또는 운동량이 점차로 작아져 가도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 이 결과, 지지 다리로서 서 있는 우측 다리에 있어서는, ZMP 위치의 X방향으로의 이동량에 거의 선형적으로 굽힘량이 감소한다. 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 서 있는 우측 다리는 전방을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 서 있는 우측 다리는 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 전방 또는 후방의 어디로 이동하더라도 서 있는 우측 다리는 굽어지기 어렵게 구성되어 있다.
도 26 및 도 27에는 한쪽 다리 지지 전기의 우측 입각에 있어서의 Y방향(진행 방향과 직교 방향) 및 X방향(진행 방향)의 ZMP 거동 공간의 구성예를 각각 나타내고 있다.
도 26에 나타낸 바와 같이, 한쪽 다리 지지 전기의 우측 입각에 있어서의 Y방향의 ZMP 거동 공간은 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 정방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 이 결과, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 서 있는 우측 다리는 외측을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 서 있는 우측 다리는 내측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 서 있는 우측 다리는 내측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 서 있는 우측 다리는 외측을 향하여 굽어지도록 구성되어 있다.
또한, 도 27에 나타낸 바와 같이, 한쪽 다리 지지 전기의 우측 입각에 있어서의 X방향의 이상적인 ZMP 거동 공간은 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 정방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 이 결과, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 서 있는 우측 다리는 전방을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 서 있는 우측 다리는 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 서 있는 우측 다리는 후방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 서 있는 우측 다리는 전방을 향하여 굽어지도록 구성되어 있다.
도 28 및 도 29에는 한쪽 다리 지지 전기의 체간부에 있어서의 Y방향(진행 방향과 직교 방향) 및 X방향(진행 방향)의 이상적인 ZMP 거동 공간의 구성예를 각각 나타내고 있다.
도 28에 나타낸 바와 같이, 한쪽 다리 지지 전기의 체간부에 있어서 Y방향의 이상적인 ZMP 거동 공간은 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 정방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 이 결과, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 체간부는 외측을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 체간부는 내측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 체간부는 내측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 체간부는 외측을 향하여 굽어지도록 구성되어 있다.
또한, 도 29에 나타낸 바와 같이, 한쪽 다리 지지 전기의 체간부에 있어서 X방향의 이상적인 ZMP 거동 공간은 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 정방향 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는 공간 왜곡이 부여되어 있다. 이 결과, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 체간부는 전방을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 체간부는 후방을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 전방으로 이동했을 때에는 체간부는 후방을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 후방으로 이동했을 때에는 체간부는 전방을 향하여 굽어지도록 구성되어 있다.
C. ZMP 거동 공간의 실현예
B항에서는, 단순히 ZMP 안정도 판별 규범에 따를 뿐만 아니라, 로봇과 노면이 강체에 무한히 가까운 것으로 가정할 수 없는 경우를 고려하여, ZMP 위치와 마루 반력으로 정의되는 ZMP 거동 공간이라는 관점에서, 자세 안정성이 뛰어난 로봇 시스템의 구성 방법에 대하여 설명하였다.
이 항에서는 기체를 안정되게 유도하도록 하는 공간 왜곡이 부여된 ZMP 거동 공간을 하드웨어적으로 구비한 보행식 이동 로봇의 구성에 관하여 설명하겠다.
C-1. 발바닥 구조에 의한 안정된 ZMP 거동 공간의 형성
이 항에서는, 보행식 이동 로봇(100)의 족부의 발바닥 구조를 사용하여, 기체를 용이하게 안정 방향으로 향하게 하기 위한 공간 왜곡이 부여된 ZMP 거동 공간에 관련된 실시형태에 관하여 설명하겠다.
도 30은 본 발명의 한 실시형태에 따른 보행식 이동 로봇(100)에 대하여 적용가능한 좌측 발바닥부의 표면측 외관을 나타내고 있다. 또한, 도 31에는 이 좌측 발바닥부의 이면측의 외관을 나타내고 있다. 또한, 도 32∼도 35에는 이 좌측 발바닥부의 측면도(단 외측의 측면), 저면도, 정면도, 상면도가 각각 도시되어 있다. 또한, 도 36에는 도 35의 선분 A-A를 따른 단면도가 도시되어 있다.
다만, 이하의 설명에서는, 발바닥의 "이면측"은 저면 즉 노면에 접지되는 면을 가리키며, 발바닥의 "표면측"은 그 반대측의 상면을 가리키는 것으로 한다. 또한, 발바닥의 "내측"은 기체의 내측이 되는 부위(예를 들면, 좌측 발바닥이라면 우측 즉 발바닥의 장심측)을 가리키며, 발바닥의 "외측"은 기체의 내측이 되는 부위(예를 들면 좌측 발바닥이라면 좌측 즉 발바닥의 장심의 반대측)을 가리키는 것으로 한다.
도 30 및 도 31에 도시한 바와 같이, 발바닥은 발바닥 프레임(403)과, 그 상면을 피복하는 커버(402)로 구성된다. 도 36에서 알 수 있듯이 커버(402)는 경량화 등을 위하여 중공의 구조체로 형성된다.
발바닥 프레임(403) 상면의 거의 중앙에는 해당하는 가동 다리 유닛과 발목관절에 의하여 연결되는 발목 연결부(401)가 배치되어 있다.
발바닥 프레임(403), 커버(402), 발목부 연결부(401) 등의 구조체는 예를 들면 초 두랄루민(super duralumin)과 같은 경량 및 고강성의 소재를 사용하여 제작되고 있다.
도 33에서도 알 수 있듯이, 발바닥 프레임(403)의 저면의 전후 좌우의 각 측부 가장자리를 따라서, 발바닥 완충재(안)(404)와, 발바닥 완충재(밖)(405)와, 발바닥 완충재(앞)(406)와, 발바닥 완충재(뒤)(407)가 각각 배치되어 있다. 이들 완충재(404∼407)는 예를 들면 우레탄 고무와 같은 소정의 탄성 계수를 갖는 탄성체를 사용하여 구성할 수 있다.
도 32에서도 알 수 있듯이, 발바닥 완충재(밖)(404)는 양단부의 솟아오른 부위(404-a)와, 그 사이의 움푹패인 부위(404-b)로 구성되는 거의 오목형상의 구조체이다. 또한, 도 31에서 알 수 있듯이, 발바닥 완충재(안)(405)도 마찬가지로 양단부가 솟아오른 거의 오목형상의 구조체로 구성되어 있으며, 발바닥의 저면에는 네 모서리에 볼록부가 형성되어 있다. 각 발바닥 완충재(안/밖)(404, 405)의 오목형상의 깊이는 예를 들면 0.5mm정도이면 된다.
발바닥이 노면에 접지되어 노면으로부터 반력 등이 인가되면, 초기에는 솟아오른 부위(404-a)만으로 지지하기 때문에, 탄성 계수가 작아진다(즉 외력에 대한 변형량이 크다). 이에 비하여, 부위(404-a)의 수축이 진행되어 움푹 패인 부위(404-b)와 동일 높이에 도달한 이후에는 완충재(404)의 저면 전면에서 지지하게 되기 때문에, 탄성 계수가 커진다(즉 외력에 대한 변형량이 작아진다).
완충재(404, 405)가 이러한 거의 오목형상의 구조체로 구성되는 경우, 바닥반력 등의 하중에 대한 완충재의 변형 특성을 비선형으로 할 수 있다. 통상의 보행시와 같이 바닥 반력이 작은 상태에서는, 발바닥 프레임의 발바닥의 네 모서리에 형성된 볼록부만으로 지지한다. 이에 비하여, 착지시 등의 충격에 의하여 바닥 반력이 소정 값을 넘으면, 발바닥에 배치된 완충재(404∼407) 전면에서 지지하게 되므로, 접지면을 수용하는 특성이 변화하여, 충격력에 적절히 대처할 수 있다.
이와 같이 비선형 변형 특성을 갖는 발바닥 완충체를 사용함으로써, 먼저 노면과 접촉을 시작하면 발바닥 완충체가 변형을 일으키기 때문에, 충분한 완충 작용을 기대할 수 있다. 또한 변형이 더욱 진행되면, 비선형 특성에 의하여 이번에는 인가 하중 당 변형량이 감소해 가기 때문에, 과도한 변형에 의하여 발바닥이 불안정하게 되는 일은 없다.
본 실시형태에서는, 발바닥 완충재(밖)(404) 및 발바닥 완충재(안)(405)에서 탄성 특성을 다르게 하고 있다. 더욱 구체적으로는, 도 37에 나타낸 바와 같이, 발바닥 완충재(안)(405)에 비하여, 발바닥 완충재(밖)(404)의 탄성 계수를 크게 설정하고 있다. 이 결과, 발바닥 완충재(밖)(404)와, 발바닥 완충재(안)(405)는 모두 통상의 보행시와 충격력 인가시에 있어서 변형량은 비선형이 되는데, 도 38에 나타낸 바와 같이, 비선형 영역에서의 변형량은 발바닥 완충재(안)(405)의 쪽이 발바닥 완충재(밖)(404)보다도 커진다.
이러한 발바닥 완충재(안)(405)와 발바닥 완충재(밖)(404)의 변형 특성의 차이로 인하여, 높은 충격력이 인가되었을 때에는, 발바닥 완충재(안)(405)의 쪽이 더 깊이 가라앉게 된다. 이 결과, 이 발바닥 프레임(403)상에 탑재된 다리부유닛(도시하지 않음)이 기체의 내측, 즉 중심측(발바닥의 장심측)을 향하여 경사지게 되며, 로봇의 ZMP 위치를 기체의 내측, 즉 유휴 다리를 착지시킴으로써 ZMP 안정 영역이 배증(倍增)하는 방향으로 이동시키는 작용이 일어난다.
즉, 도 30∼도 35에 도시한 바와 같은 발바닥 구조를 채용함으로써, 로봇의 다리부의 ZMP 거동 공간에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향, 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 정방향, 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡이 형성된다. 따라서, 도 14, 도 20 및 도 26을 참조하면서 이미 설명한 바와 같이, 한쪽 다리 지지 후기, 양쪽 다리 지지기, 및 한쪽 다리 지지 전기의 각 국면에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 입각은 내측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 입각은 외측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 바다의 내측으로 이동했을 때에는 입각은 외측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 입각은 내측을 향하여 굽어지도록 구성된다. 이 결과, 보행식 이동 로봇의 자세의 안정성 및 제어성을 향상시킨다(또는 자세 안정 제어를 용이하게 한다)는 효과를 얻을 수 있다.
또, 완충재의 비선형적인 변형 특성은 완충재의 단면에 대하여 상술한 바와같은 요철 형상을 형성하는 이외에도, 탄성 계수가 다른 탄성체를 적층하여도 얻을 수 있다. 또한, 사용하는 완충재의 저면의 형상, 면적, 탄성 계수 등 재질을 다르게 함으로써, 내측(발바닥의 장심측)과 외측(발바닥의 장심의 반대측)에서 그 변형 특성을 용이하게 다르게 할 수 있다.
도 39는 발바닥 프레임(403)의 상면을 도시한 사시도이다. 마찬가지로, 도 40은 발바닥 프레임(403)의 저면을 도시한 사시도이다.
각 도면에 도시한 바와 같이, 발바닥 프레임(403)은 예를 들면 초 두랄루민 등의 경량 및 고강성 소재로 이루어지는 평판 구조체이다.
도 39에 도시한 바와 같이, 발바닥 프레임(403)의 상면에는 앞뒤로 각각 한 부위에 오목부(a)(403-a) 및 오목부(b)(403-b)가 오목하게 형성되어 있다. 이들 오목부(403-a와 403-b) 사이의 볼록부(d)(403-d)에는 발목 연결용 부품의 배치 위치(403-f)가 설정되어 있다.
또한, 도 40에 도시한 바와 같이, 발바닥 프레임(403)의 저면에는 거의 중앙에 오목부(c)(403-c)가 오목하게 형성되어 있으며, 그 외주에는 볼록부(e)(403-e)가 형성되어 있다.
도 41에는 이 발바닥 프레임(403)을 롤축 방향(즉 기체의 전후 방향)을 따라서 분할한 단면도를 도시하고 있다. 도 41에서 알 수 있듯이, 각 오목부(403-a, 403-b, 403-c)는 평판 구조의 발바닥 프레임(403)의 두께를 얇게 함으로써, 발바닥 전체의 강성의 균형을 조정하는 효과가 있다.
본 실시형태에서는, 발바닥 프레임(403) 상면의 거의 중앙에는 앞뒤 양측의오목부(403-a, 403-b)에 끼워진 볼록부(403-d)가 존재하므로, 피치축 회전에 비하여, 롤러축 회전의 강성이 강화되어 있다(도 42를 참조).
도 3 및 도 4에 도시한 기체의 전체 구성으로부터 추측할 수 있듯이, 2족 직립 타입의 보행식 이동 로봇(100)은 보행 방향 즉 전후 방향(피치축 회전 방향)에 비하여, 가로 방향(롤축 회전 방향)의 ZMP의 존재 범위가 좁다. 바꾸어 말하면, 롤축 회전의 외란에 대한 로버스트 특성이 낮기 때문에, 가로 방향 즉 롤축 회전에 대해서는 엄격한 제어 정밀도가 요구되고 있다. 본 실시형태에서는, 도 39∼도 41에 나타낸 바와 같은 발바닥 프레임(403)의 구조를 채용함으로써, 롤축 회전의 강성을 강화할 수 있으며, 가로 방향의 외란에 대한 로버스트 특성을 현저히 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
즉, 도 39∼도 41에 나타낸 바와 같은 발바닥 구조를 채용함으로써, 로봇의 다리부의 ZMP 거동 공간에 있어서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡이 형성된다. 따라서, 도 14, 도 20 및 도 26을 참조하면서 이미 설명한 바와 같이, 한쪽 다리 지지 후기, 양쪽 다리 지지기, 및 한쪽 다리 지지 전기의 각 국면에 있어서, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 입각은 내측을 향하여 굽어지도록 구성된다.
이와 같은 기계적 구성에 의하여 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하도록 하는 ZMP 거동 공간의 공간 왜곡을 형성함으로써, 자세의 안정성 및 제어성을 향상시키는 효과를 이끌어낼 수 있다. 또는, 비교적 느린 샘플링 주기를 가지고 기체의 자세 안정성을 유지할 수 있는 등 자세 안정 제어를 용이하게 하는 효과를이끌어낼 수 있다.
도 43에는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 좌측 다리부의 표면측 외관을 도시하고 있다. 또한, 도 44에는 이 좌측 발바닥부의 이면측 외관을 도시하고 있다. 또한, 도 45 및 도 46에는 이 좌측 발바닥부의 측면도(단, 외측의 측면), 저면도를 각각 도시하고 있다.
도 43 및 도 44에 도시한 바와 같이, 발바닥은 발바닥 프레임(503)과, 그 상면을 피복하는 커버(502)로 구성되어 있다. 커버(502)는 경량화 등을 위하여, 중공의 구조체로 형성된다. 발바닥 프레임(503) 상면의 거의 중앙에는 해당하는 가동 다리 유닛과 발목관절에 의하여 연결되는 발목 연결부(501)가 배치되어 있다.
발바닥 프레임(503)은 도 39∼도 41에 나타낸 상술한 실시형태와 마찬가지로, 상면 및 저면의 거의 중앙부에 하나 이상의 오목부가 형성된 평판 구조체로 구성되며, 피치축 회전 및 롤축 회전의 강성의 균형이 조정되어 있다. 즉 피치축 회전에 비하여, 롤축 회전의 강성이 강화되어 있으며(도 43 참조), 가로 방향의 외란에 대한 로버스트 특성을 현저히 향상시키는 효과가 얻어지고 있다.
발바닥 프레임(503), 커버(502), 발목부 연결부(501) 등의 구조체는 예를 들면 초 두랄루민과 같은 경량 및 고강성 소재를 이용하여 제작되고 있다(상술한 것과 동일).
도 44 및 도 46에서도 알 수 있듯이, 발바닥 프레임(503)의 저면의 전후 좌우의 네 모서리에는 각각 발바닥 완충재(안-앞)(504)과, 발바닥 완충재(밖-앞)(505)과, 발바닥 완충재(안-뒤)(506)와, 발바닥 완충재(밖-뒤)(507)가 배치되어 있다. 또한, 내측(발바닥의 장심측)의 측부 가장자리를 따라서 1개의 발바닥 완충재(안-중간)(508)이 배치되며, 발바닥의 외측의 측부 가장자리를 따라서 2개의 발바닥 완충재(밖-중간)(509-a) 및 (509-b)가 배치되어 있다. 이들 완충재(504∼509)는 예를 들면 우레탄 고무와 같은 탄성 계수가 소정 값으로 설정된 탄성체를 사용하여 구성할 수 있다.
도 45에서도 알 수 있듯이, 발바닥의 내측 거의 중앙에 배치된 발바닥 완충재(안-중간)(508) 및 발바닥의 외측 거의 중앙에 배치된 발바닥 완충재(밖-중간)(509-a 및 509-b)는 발바닥의 네 모서리에 배치된 그 밖의 발바닥 완충재(504∼507)보다도 높이가 낮게 구성되어 있다. 이 높이의 차(t)는 예를 들면 0.5mm정도이면 충분하다. 이 완충재 사이의 높고낮음의 차에 의하여, 발바닥 전체가 갖는 탄성 특성에 비선형 특성을 부여할 수 있다(도 37∼도 38 참조).
발바닥이 노면에 접지되어 노면으로부터 반력 등이 인가되면, 초기에는 높이가 높은 네 모서리의 발바닥 완충재(504∼507)만으로 지지하기 때문에, 탄성 계수가 작아진다(즉 외력에 대한 변형량이 크다). 이에 비하여, 네 모서리의 발바닥 완충재(504∼507)의 수축이 진행되어, 발바닥 완충재(안-중간)(508), 발바닥 완충재(밖-중간)(509-a, 509-b)와 동일 높이에 도달한 이후는 모든 완충재(504∼509)에 의해 지지하게 되기 때문에, 탄성 계수가 커진다(즉 외력에 대한 변형량이 작아진다).
요컨대, 네 모서리의 완충재(504∼507)와 내측 및 외측의 거의 중앙에 배치된 완충재(508∼509)와의 사이에서 높이의 차를 둔 경우, 바닥 반력 등의 하중에대한 완충재의 변형 특성을 비선형으로 할 수 있다. 통상의 보행시와 같이, 바닥 반력이 작은 상태에서는, 발바닥 프레임의 발바닥의 4모서리에 형성된 볼록부만으로 지지한다. 이에 비하여, 착지시 등의 충격에 의하여 바닥 반력이 소정 값을 넘으면, 발바닥에 배치된 모든 완충재(504∼509) 전면에서 지지하게 되므로, 접지면을 수용하는 특성이 변화하여, 충격력에 적절히 대처할 수 있다.
이와 같이 비선형 변형 특성을 갖는 발바닥 완충재를 다리부의 발바닥에 사용함으로써, 먼저 노면과 접촉을 시작하면 발바닥 완충체가 변형을 시작하기 때문에, 충분한 완충 작용을 기대할 수 있다. 또한, 변형이 더욱 진행하면, 비선형 특성에 의하여 이번에는 인가되는 하중 당 변형량이 감소해가므로, 과도한 변형에 의하여 발바닥이 불안정하게 되는 일은 없다.
또한, 본 실시형태에서는, 내측 거의 중앙의 발바닥 완충재(508)와 외측 거의 중앙의 발바닥 완충재(509)에서, 갯수의 차이를 두어 발바닥의 내측과 외측에서 탄성 특성을 달리 하고 있다. 더욱 구체적으로는, 도 37에 나타낸 바와 같이 발바닥의 내측에 비하여 외측의 완충재의 갯수를 더 많게 함으로써, 탄성 계수를 크게 설정하고 있다. 이 결과, 발바닥 완충재(밖)(509)와 발바닥 완충재(안)(508)는 모두 통상의 보행시와 충격력 인가시에 있어서 변형량은 비선형이 되지만, 도 38에 나타낸 바와 같이, 비선형 영역에서의 변형량은 발바닥 완충재(내측)(508)의 쪽이 발바닥 완충재(밖)(509)보다도 커진다.
이러한 발바닥 완충재(안)(508)와 발바닥 완충재(밖)(509)의 변형 특성의 차이에 기인하여, 높은 충격력이 인가되었을 때에는, 발바닥 완충재(안)(508)의 쪽이더 깊이 가라앉게 된다. 이 결과, 이 발바닥 프레임(503)상에 탑재된 다리부 유닛(도시하지 않음)이, 기체의 내측, 즉 중심을 향하여 기울어지게 되며, 로봇의 ZMP 위치를 기체의 내측, 즉 유휴 다리를 착지시킴으로써 안정 영역이 배증하는 방향으로 이동시키는 작용이 일어난다.
즉, 도 43∼도 46에 도시한 바와 같은 발바닥 구조를 채용함으로써, 로봇의 다리부의 ZMP 거동 공간에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 부방향, 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 정방향, 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기는 공간 왜곡이 형성된다. 따라서, 도 14, 도 20 및 도 26을 참조하면서 이미 설명한 바와 같이, 한쪽 다리 지지 후기, 양쪽 다리 지지기, 및 한쪽 다리 지지 전기의 각 국면에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 입각은 내측을 향하여 굽어짐과 아울러, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 입각은 외측을 향하여 굽어지는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, 반대로 ZMP 위치가 기체의 내측으로 이동했을 때에는 입각은 외측을 향하여 굽어짐과 아울러 ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 입각은 내측을 향하여 굽어지도록 구성된다. 이 결과, 보행식 이동 로봇의 자세의 안정성 및 제어성을 향상시킨다(또는 자세 안정 제어를 용이하게 한다)는 효과를 도출할 수 있다.
또, 완충재의 비선형적인 변형 특성은 완충재의 단면에 대하여 상술한 바와 같은 요철 형상을 형성하는 이외에도, 탄성 계수가 다른 탄성체를 적층함으로써도 얻을 수 있다. 또한, 사용하는 완충재의 저면의 형상, 면적, 탄성 계수 등 재질을 달리 하여, 발바닥의 내측(발바닥의 장심측)과 외측(발바닥의 장심의 반대측)에서 그 변형 특성을 용이하게 다르게 할 수 있다.
이 항에서 설명한 본 발명의 실시형태에 따르면, 본 발명에 고유한 발바닥 구조에 의하여 안정된 공간 왜곡을 ZMP 거동 공간에 형성함으로써, 비교적 느린 샘플링 주기로 ZMP 안정도 판별 규범을 이용하면서 기체의 자세 안정 제어를 행할 수 있다는 점을 충분히 이해하기 바란다.
C-2. 다리부 구조에 의한 안정된 ZMP 거동 공간의 형성
이 항에서는 보행식 이동 로봇(100)의 다리부 유닛의 프레임 구조를 이용하여, 기체를 용이하게 안정방향으로 향하게 하기 위한 공간 왜곡이 부여된 ZMP 거동 공간에 관련된 실시형태에 관하여 설명하겠다.
이 실시형태에서는, 좌우 각각의 다리부 유닛에 대하여, 그 외측과 내측에서 강성을 다르게 한 구조, 즉 다리부의 내측 프레임에 비하여 외측 프레임의 강성(특히 굽힘 강성)을 강화한 구조를 채용한다.
이와 같은 다리부 유닛의 구성에 의하여, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하는 공간 왜곡이 ZMP 거동 공간에 형성되므로, 자세의 안정성 및 제어성을 향상시킨다(또는 자세 안정 제어를 용이하게 한다)는 효과를 도출할 수 있다.
또한, 예기치 못한 외란이 발생한 경우이더라도, 로봇의 ZMP 위치가 기체의 외측, 즉 발바닥의 장심의 반대측으로 이동하기 어려워지도록 하여, 넘어짐을 용이하게(즉, 기계적 구조를 이용하여 자연스럽게) 회피할 수 있다.
도 47에는 본 실시형태에 따른 보행식 이동 로봇(100)에 있어서 좌우의 각 다리부(604)의 구성을 도시하고 있다.
도 47에 도시한 바와 같이, 다리부(604)는 대퇴부 유닛(611)과, 정강이부 유닛(612), 발바닥(613)으로 구성된다.
대퇴부 유닛(611)의 거의 상단에는 그 상측의 체간부(601)와의 사이에서 피치축 및 롤축의 각 축 회전의 관절 자유도를 부여하기 위한, 고관절 롤축 작동기)(621)와, 고관절 피치축 작동기(622)가 배치되어 있다. 또한, 대퇴부 유닛(611)의 거의 하단에는 그 하측의 정강이부 유닛(612)과의 사이에서 피치축 회전의 관절 자유도를 부여하기 위한 슬관절 피치축 작동기(623)가 배치되어 있다.
대퇴부 유닛(611)의 내측, 즉 발바닥의 장심측은 대퇴부 내측 측판(631)에 의해 지지되어 있다. 또한, 그 외측, 즉 발바닥의 장심의 반대측은 대퇴부 외측 측판(632)에 의해 지지되어 있다. 또한 대퇴부 유닛(611)의 정면은 대퇴부 정면 플레이트(635)로 피복되어 있다. 대퇴부 내측 측판(631) 및 대퇴부 외측 측판(632)은 비교적 경량이어도 강성을 실현할 수 있는 초 두랄루민 등의 소재를 이용하여 구성되어 있다.
또한, 정강이부 유닛(612)의 거의 하단에는 그 하측의 발바닥(613)과의 사이에서 피치축 회전의 관절 자유도를 부여하기 위하여, 발목관절 피치축 작동기(624)가 배치되어 있다.
정강이부 유닛(612)의 내측, 즉 발바닥의 장심측은 정강이부 내측 측판(633)에 의해 지지되어 있다. 또한, 그 외측, 즉 발바닥의 장심의 반대측은 정강이부 외측 측판(634)에 의해 지지되어 있다. 또한 정강이부 유닛(612)의 정면은 대퇴부 정면 플레이트(636)로 피복되어 있다. 정강이부 내측 측판(633) 및 정강이부 외측 측판(634)은 비교적 경량이어도 강성을 실현할 수 있는 초 두랄루민 등의 소재를 이용하여 구성되어 있다.
도 48∼도 50에는 보행식 이동 로봇(100)의 다리부의 3면, 즉 외측(발바닥의 장심의 반대측) 측면도, 정면도, 내측(발바닥의 장심측) 측면도를 각각 도시하고 있다.
도 49에서 알 수 있듯이, 본 실시형태에서는, 대퇴부 내측 측판(631)에 비하여, 대퇴부 외측 측판(632)의 두께가 두껍게 구성되어 있다(즉 t1＞t2). 이 결과, 대퇴부 외측 측판(632)의 강성(특히 굽힘 강성)이 높아진다. 마찬가지로, 정강이부 내측 측판(633)에 비하여, 정강이부 외측 측판(634)의 두께가 두껍게 구성되어 있다. 이 결과, 정강이부 외측 측판(634)의 강성(특히 굽힘 강성)이 높아진다.
도 47∼도 50에 나타낸 바와 같이, 다리부 유닛의 내측 및 외측의 기계적 강도를 이와 같이 구성함으로써, 로봇의 다리부의 ZMP 거동 공간에 있어서, ZMP 위치가 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 정방향, 즉 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡이 형성된다. 따라서, 도 14, 도 20, 및 도 26을 참조하면서 이미 설명한 바와 같이, 한쪽 다리 지지 후기, 양쪽 다리 지지기, 및 한쪽 다리 지지 전기의 각 국면에 있어서, ZMP 위치가 기체의 외측으로 이동했을 때에는 입각은 내측을 향하여 굽어지도록 구성된다. 이 결과, 자세의 안정성 및 제어성을 향상시키는 효과를 도출할 수 있다. 또는, 비교적 느린 샘플링 주기로 기체의 자세 안정성을 유지할 수 있는 등, 자세 안정 제어를 용이하게 하는 효과를 도출할 수 있다.
또한, 다리부(604) 전체적으로도 내측에 비하여 외측의 강성(특히 굽힘 강성)을 강화한 구조체를 실현할 수 있다. 이에 따라서, 예기치 못한 외란이 발생한 경우이더라도, 다리부(604)는 로봇(100)의 ZMP 위치가 기체의 외측, 즉 발바닥의 장심의 반대측으로 이동하기 어렵게 되도록 자연스럽게(즉 제어 없이) 작용할 수 있다.
다리부(604)의 내측 프레임에 비하여 그 외측 프레임의 강성을 크게 설정함으로써, 기체의 외측, 즉 발바닥의 장심측으로의 예기치 못한 외란에 의한 ZMP 이동량을 감소시킬 수 있다. 또한, 외란에 의한 ZMP 이동 방향을, 다리부(604)의 동작에 의하여 대응이 용이한 기체의 내측, 즉 발바닥의 장심측으로 유도할 수 있다. 이 결과, 로봇(600) 전체적으로 외란에 대한 로버스트 특성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 발바닥의 장심측의 다리 강성을 비교적 낮게 설정함으로써, 단지 위치 제어의 기능밖에 갖지 않는 저비용의 작동기 시스템에 있어서도, 충격 및 진동이 작은 발바꿈 동작을 실현할 수 있다. 이것은 움직임이나 보행 중의 화상 처리도 용이하게 하고, 결과적으로 자율 기능을 갖는 2족 보행 로봇 시스템 또는 인간 형태 로봇 시스템을 매우 저렴한 비용으로 구성하는 것을 가능하게 한다.
로봇(100)의 ZMP 위치가 외측, 즉 발바닥의 장심의 반대측으로 이동하기 어렵게 하는 작용 효과를 얻기 위해서는, 다리부(604)의 외측에서의 강성을, 내측의 강성의 1.2배 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 다리부(604)의 외측에서의 강성을, 내측의 강성의 1.5∼2배로 설정하는 것이 좋다.
도 47∼도 50에 도시한 실시형태에서는, 다리부(604)의 내측과 외측에서 강성(특히 굽힘 강성)을 다르게 하기 위하여, 사용하는 측판(631∼634)의 두께의 차이를 이용하였으나, 본 발명의 요지는 반드시 이것에 한하지 않는다. 동일한 작용을 이끌어내기 위하여, 측판(631∼634)의 두께가 아니라, 형상(표면 형상 및 단면 형상)의 차이, 구성 소재의 차이(탄성 계수가 다른 소재를 사용하는 등)를 이용해도 된다.
이 항에서 설명한 본 발명의 실시형태에 따르면, 본 발명에 고유한 다리부 유닛의 구성에 의하여 안정된 ZMP 공간을 형성함으로써, 비교적 느린 샘플링 주기로 ZMP 안정도 판별 규범을 이용하면서 기체의 자세 안정 제어를 행할 수 있다는 점을 충분히 이해하기 바란다.
D. ZMP 거동 공간의 제어 시스템
본 실시형태에서는, 운동 제어 모듈(300)내에 있어서 ZMP를 자세 안정도의 판별 규범에 이용하여 기체의 자세와 동작의 제어를 연산 처리한다. 이 때, 기체의 ZMP 거동 공간을 정의하여, 이 ZMP 거동 공간의 정의에 의거하여 ZMP 안정 위치를 구하여, ZMP 위치가 항상 ZMP 안정 영역의 중심을 향하도록 기체의 자세와 동작을 제어한다. 또한, 노면과의 접촉 상황에 따라서 ZMP 거동 공간을 순차로 재정의함으로써, 항상 ZMP 위치를 ZMP 안정 영역의 중앙으로 이동시키고자 하는 기체의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡을 ZMP 거동 공간에 부여함으로써, 기체의 자세 안정 제어를 용이한 상태로 유지할 수 있다.
이 항에서는 ZMP 거동 공간의 제어 시스템의 구성에 관하여 상세히 설명하겠다.
도 51에는 ZMP 거동 공간의 제어 시스템(500)의 기능 구성을 모식적으로 도시하고 있다. 이 제어 시스템(500)은 실제로는 운전 제어 모듈(300)내의 CPU(311)가 소정의 제어 프로그램을 실행하는 형태로 실현된다.
도 51에 도시한 바와 같이, ZMP 거동 공간의 제어 시스템(500)은 ZMP 거동 공간 정의부(501)와, 안정점 계산부(502)로 구성된다.
ZMP 거동 공간 정의부(501)는 기체의 자세에 관련된 목표값과, 실제 기체의 상태값을 입력하여, ZMP 거동 공간을 정의한다. 정의된 ZMP 거동 공간에는 ZMP 위치를 ZMP 안정 영역의 중앙으로 이동시키고자 하는 기체의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡이 형성되어 있다.
목표값은 예를 들면 계획 궤도로부터 산출되는 각 관절 액추에이터의 회전각, 각속도, 각가속도 등이다. 또한, 제조품의 상태값은 각 관절 액추에이터에 배치된 엔코더에서 출력되는 관절의 회전각, 각속도, 각가속도, 그 밖의 기체 상의 센서 입력, 및 ZMP 실측값 등이다.
ZMP 거동 공간은 예를 들면 다음 식으로 정의된다.
여기에서, 벡터 T는 계획 궤도 등으로부터 구해지는 목표값이다. 또한 행령 B, C, D는 공간 변환용의 행렬이다.
단, 상기의 ZMP 거동 공간의 정의식은 B항에서 설명한 바와 같은 ZMP 거동 공간의 개념을 가장 단순화하여 기술한 것으로, 본 발명의 요지는 이것에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 식은 각각의 항을 선형 독립으로 가산하여 구성되는데, 간섭항도 고려하여 계산하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에서는, ZMP 거동 공간 정의부(501)는 노면과의 접촉 상황에 따라서 ZMP 거동 공간의 정의를 동적으로 전환하도록 되어 있다. 예를 들면, 보행식 이동 로봇은 다리를 사용한 작업의 과정에서, 좌측 다리에 의한 한쪽 다리 지지기, 좌측 다리가 접지된 양쪽 다리 지지기, 우측 다리에 의한 한쪽 다리 지지기, 우측 다리가 접지된 양쪽 다리 지지기와 같은 각 동작 양상을 차례로 반복하는데, 각 동작 양상마다 노면과의 접촉 상황은 극적으로 변화된다. 따라서, ZMP 거동 공간의 정의를 순차로 전환해 나감으로써, 어떠한 동작 양상에 있어서도, 항상 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙으로 이동시키고자 하는 변형량 또는 운동량이 생기는 공간 왜곡을 형성하도록 한다.
안정점 계산부(502)는 상술한 ZMP 거동 공간의 정의식을 2단계로 미분함으로써, 그 안정점을 구한다. 산출된 안정점을 기초로 각 관절 액추에이터에 대한 지령값이 생성되며, 기체 동작을 서보 제어할 수 있다. 이 결과, ZMP 위치를 ZMP 안정 영역의 중앙으로 이동시키도록 하는 공간 왜곡이 실현된다.
본 실시형태에 따르면, 운동 제어 모듈(300)내의 CPU(311)가 실행하는 제어 프로그램의 설명에 의하여 로봇의 ZMP 거동 공간을 임의로 정의할 수 있다.
예를 들면, ZMP 거동 공간에 있어서의 극대점 및/또는 극소점을 임의로 지정하도록 해도 된다. 또한, 임의의 시각에, ZMP 거동 공간에 있어서의 극대점 및/또는 극소점을 임의로 지정하도록 해도 된다. 또한, 한쪽 다리 지지 후기, 양쪽 다리 지지기, 한쪽 다리 지지 전기 등 다리의 지지 상태에 따라서, ZMP 거동 공간에 있어서의 극대점 및/또는 극소점을 임의로 지정하도록 해도 된다.
이와 같이, ZMP 안정 영역내의 극대점 또는 극소점을 설정함으로써, 로봇이 다리를 사용한 작업을 행할 때에, 시시각각 변하는 보행 패턴에 따라서 자세의 안정 제어가 용이한 공간 왜곡을 갖는 ZMP 거동 공간을 동적으로 생성할 수 있다.
또한, 상술한 본 발명의 각 실시형태에서는, ZMP 위치와 바닥 반력에 의하여 ZMP 거동 공간을 정의하고 있으나, ZMP 위치와 바닥 반력 이외에, 기체에 대한 외력 추진 방향 및 그 크기의 성분을 더 부가하여 ZMP 거동 공간을 정의할 수도 있다.
보충
이상, 특정의 실시예를 참조하면서, 본 발명에 관하여 상세히 설명하였다. 그러나, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 당업자가 상기 실시예의 수정이나 응용을 행하는 것이 가능하다는 것은 자명하다.
본 발명의 요지는 반드시 "로봇"이라 불리는 제품에 한정되지 않는다. 즉 전기적 또는 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작과 닮은 운동을 행하는 기계 장치이라면, 예를 들면 완구 등과 같은 다른 산업 분야에 속하는 제품이더라도, 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다.
이상, 예시적인 형태로 본 발명을 개시하였는데, 한정적으로 해석해서는 아니 될 것이다. 본 발명의 요지를 판단하기 위해서는, 청구의 범위의 란을 참작해야 할 것이다.
본 발명에 따르면, 이른바 ZMP(Zero Moment Point)를 안정도 판별 규범으로 이용하면서 다리를 사용한 작업시에 있어서의 기체의 자세 안정 제어를 적절히 행할 수 있는, 우수한 보행식 이동 로봇 및 그 제어 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 비교적 느린 샘플링 주기로 ZMP 안정도 판별 규범을 이용하면서 기체의 자세 안정 제어를 바람직하게 행할 수 있는, 우수한 보행식 이동 로봇 및 그 제어 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 인간의 주거 환경에서 안정된 움직임이나 보행을 자율적으로 계속하기 위하여, ZMP 위치의 안정성을 고려한 공간 왜곡이 부여된 ZMP 거동 공간이 구성된, 우수한 보행식 이동 로봇 및 그 제어 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, ZMP의 위치와 기체가 바닥면으로부터 받는 바닥 반력으로 정의되는 ZMP 거동 공간을 정의하여, ZMP 거동 공간의 정의를 기초로 ZMP 안정 위치를 구하여, 자세를 안정되게 유지하는 지령값을 각 가동 부위에 발행할 수 있다. 또한, 노면과의 접촉 상황에 따라서 ZMP 거동 공간에 부여하는 공간 왜곡을 동적으로 제어하여, 항상 ZMP 위치를 ZMP 안정 영역의 중앙으로 이동시키고자 하는 기체의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하여, 기체의 자세 안정 제어를 용이한 상태로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 접지시에 노면으로부터 받는 충격력을 완화함과 아울러, 흐트러진 기체의 자세 안정성을 회복하거나, 또는 회복을 용이하게 할 수 있는, 보행식 이동 로봇의 가동 다리 유닛에 있어서의 족부의 발바닥 구조를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기체의 동작을 제어할 뿐만 아니라 자세 안정성을 용이하게 유지할 수 있도록 구성된, 우수한 보행식 이동 로봇을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 가로 방향의 외란에 대한 로버스트 특성을 강화함으로써 자세 안정성을 용이하게 유지할 수 있도록 구성된, 우수한 보행식 이동 로봇을 제공할 수 있다.

Claims (59)

  1. 2개 이상의 가동 다리를 구비한 보행식 이동 로봇이며,
    기체의 피치축 모멘트 및 롤축 모멘트가 제로(0)가 되는 ZMP의 위치와 기체가 바닥면으로부터 받는 바닥 반력으로 정의되는 ZMP 거동 공간을 제어하는 ZMP 거동 공간 제어 수단을 구비하며,
    상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 미리 ZMP 거동 공간에 소정의 왜곡 또는 소정의 특성을 부여하고 있는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  2. 제1항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 ZMP 위치가 상기 가동 다리의 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형으로 이루어지는 ZMP 안정 영역의 중앙으로부터 ZMP 위치가 벗어남에 따라 ZMP 위치를 상기 ZMP 안정 영역의 중앙으로 이동시키고자 하는 기체의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 ZMP 거동 공간에 미리 왜곡을 부여하고 있는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  3. 제1항에 있어서, 상기 소정의 특성은 상기 바닥 반력에 따라 상기 로봇의 변형량 또는 운동량의 크기 혹은 방향이 변화하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  4. 제2항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 상기 ZMP 안정 영역의 거의 중심에서 기체의 변형량 또는 운동량의 극소점을 설정하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  5. 제2항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 상기 ZMP 안정 영역의 거의 중심에서 기체의 변형량 또는 운동량의 극소점을 설정함과 아울러, 상기 ZMP 안정 영역의 경계 부근에서 기체의 변형량 또는 운동량의 극대점을 설정하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  6. 제1항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 ZMP 위치가 기체의 외측을 향하는 방향을 정방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 한쪽 다리 지지 후기(單脚支持後期)의 입각(立脚)에 대하여,
    로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 극대값의 ZMP 위치를 정방향으로 이동시키도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  7. 제1항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 ZMP 위치가 기체의 전방을 향하는 방향을 정방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 한쪽 다리 지지 후기의 입각에 대하여,
    로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 변화가 작아지도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  8. 제1항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 한쪽 다리 지지 후기의 입각에 대하여,
    진행 방향과 직교 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡을 부여함과 아울러,
    진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  9. 제1항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 한쪽 다리 지지 후기의 체간부(體幹部)에 대하여,
    진행 방향과 직교하는 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡을 부여함과 아울러,
    진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  10. 제1항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 ZMP 위치가 기체의 외측을 향하는 방향을 정방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 양쪽 다리 지지기(兩脚支持期)의 입각에 대하여,
    로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 변화가 작아지도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  11. 제1항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 ZMP 위치가 기체의 전방을 향하는 방향을 정방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 양쪽 다리 지지기의 입각에 대하여,
    로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 변화가 작아지도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  12. 제1항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 양쪽 다리 지지기의 입각에 대하여,
    진행 방향과 직교하는 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡을 부여함과 아울러,
    진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  13. 제1항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 양쪽 다리 지지기의 체간부에 대하여,
    진행 방향과 직교하는 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡을 부여함과 아울러,
    진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  14. 제1항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 ZMP 위치가 기체의 외측을 향하는 방향을 부방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 한쪽 다리 지지 전기(單脚支持前期)의 입각에 대하여,
    로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 극대값의 ZMP 위치를 정방향으로 이동시키는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  15. 제1항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 ZMP 위치가 기체의 전방을 향하는 방향을 정방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 한쪽 다리 지지 전기의 입각에 대하여,
    로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 변화가 작아지도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  16. 제1항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 한쪽 다리 지지 전기의 입각에 대하여,
    진행 방향과 직교하는 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여함과 아울러,
    진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  17. 제1항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 한쪽 다리 지지 전기의 체간부에 대하여,
    진행 방향과 직교하는 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는 ZMP 위치가ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡을 부여함과 아울러,
    진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  18. 제1항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은
    거의 평판상인 발바닥 프레임과,
    상기 발바닥 프레임의 저면에 배치된, 초기의 비교적 변형량이 큰 영역과 그 이후의 비교적 변형량이 작은 영역으로 이루어지는 비선형 탄성 특성을 갖는 발바닥 완충체와,
    상기 발바닥 프레임의 상면의 거의 중앙에 배치된, 상기 보행식 이동 로봇의 가동 다리와 연결하기 위한 발목 연결부로 구성되는 각 가동 다리의 다리부 구조인 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  19. 제1항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은
    상기 가동 다리에 있어서의 관절 자유도를 실현하는 하나 이상의 관절 액추에이터와,
    상기 관절 액추에이터를 상기 보행식 이동 로봇의 기체의 내측으로부터 지지하기 위한, 제1 강성을 갖는 내측 지지체와,
    상기 관절 액추에이터를 상기 보행식 이동 로봇의 기체의 외측으로부터 지지하기 위한, 제1 강성보다도 비교적 큰 제2 강성을 갖는 외측 지지체로 구성되는 각 가동 다리의 다리부 구조인 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  20. 적어도 복수개의 가동 다리를 구비한 보행식 이동 로봇을 위한 다리부 구조이며,
    거의 평판상인 발바닥 프레임과,
    상기 발바닥 프레임의 저면에 배치되며, 초기의 비교적 변형량이 큰 영역과 그 이후의 비교적 변형량이 작은 영역으로 이루어지는 비선형 탄성 특성을 갖는 발바닥 완충체와,
    상기 발바닥 프레임의 상면의 거의 중앙에 배치되며, 상기 보행식 이동 로봇의 가동 다리와 연결하기 위한 발목 연결부를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇을 위한 다리부 구조.
  21. 제20항에 있어서, 상기 발바닥 완충체는 높이가 다른 2개 이상의 완충 부재를 상기 발바닥 프레임의 저면의 소정 부위에 배치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇을 위한 다리부 구조.
  22. 제20항에 있어서, 상기 발바닥 완충체는 상기 발바닥 프레임의 저면의 내측 및 외측에 각각 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇을 위한 다리부 구조.
  23. 제20항에 있어서, 상기 발바닥 완충체는 상기 발바닥 프레임의 저면의 내측 및 외측에 각각 배치되며, 또한 내측보다도 외측의 발바닥 완충체의 탄성 계수를 높게 설정한 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇을 위한 다리부 구조.
  24. 제20항에 있어서, 상기 발바닥 프레임은 상기 보행식 이동 로봇의 피치축 회전보다도 롤축 회전의 강성을 강화하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇을 위한 다리부 구조.
  25. 제20항에 있어서, 상기 발바닥 프레임은 상면 및/또는 저면의 소정 부위에 오목부를 형성함으로써, 상기 보행식 이동 로봇의 피치축 회전보다도 롤축 회전의 강성을 강화하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇을 위한 다리부 구조.
  26. 적어도 1세트의 좌우의 가동 다리 유닛을 구비하여 보행식 작업을 행하는 타입의 보행식 이동 로봇이며,
    상기 가동 다리 유닛은,
    상기 가동 다리에 있어서의 관절 자유도를 실현하는 하나 이상의 관절 액추에이터와,
    상기 관절 액추에이터를 상기 보행식 이동 로봇의 기체의 내측으로부터 지지하기 위한, 제1 강성을 갖는 내측 지지체와,
    상기 관절 액추에이터를 상기 보행식 이동 로봇의 기체의 외측으로부터 지지하기 위한, 제1 강성보다도 비교적 큰 제2 강성을 갖는 외측 지지체를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  27. 제26항에 있어서, 상기 제2 강성은 상기 제1 강성의 1.2배 이상의 굽힘 강성을 나타내는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  28. 제26항에 있어서, 상기 제1 강성과 상기 제2 강성의 차이는 상기 내측 지지체와 상기 외측 지지체의 두께의 차이에 의하여 실현되는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  29. 제26항에 있어서, 상기 제1 강성과 상기 제2 강성의 차이는 상기 내측 지지체와 상기 외측 지지체의 형상의 차이에 의하여 실현되는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  30. 제26항에 있어서, 상기 제1 강성과 상기 제2 강성의 차이는 상기 내측 지지체와 상기 외측 지지체를 강도가 다른 소재를 이용하여 구성함으로써 실현되는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  31. 제26항에 있어서, 상기 가동 다리의 관절 자유도는 적어도 대퇴부 롤축 및 슬관절 롤축 회전의 각각의 자유도를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇.
  32. 보행식 작업을 행하는 보행식 이동 로봇에 대하여 좌우의 조합으로 사용되는 가동 다리 유닛이며,
    상기 가동 다리에 있어서의 관절 자유도를 실현하는 하나 이상의 관절 액추에이터와,
    상기 관절 액추에이터를 상기 보행식 이동 로봇의 기체의 내측으로부터 지지하기 위한, 제1 강성을 갖는 내측 지지체와,
    상기 관절 액추에이터를 상기 보행식 이동 로봇의 기체의 외측으로부터 지지하기 위한, 제1 강성보다도 비교적 큰 제2 강성을 갖는 외측 지지체를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇을 위한 가동 다리 유닛.
  33. 제32항에 있어서, 상기 제2 강성은 상기 제1 강성의 1.2배 이상의 굽힘 강성을 나타내는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇을 위한 가동 다리 유닛.
  34. 제32항에 있어서, 상기 제1 강성과 상기 제2 강성의 차이는 상기 내측 지지체와 상기 외측 지지체의 두께의 차이에 의하여 실현되는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇을 위한 가동 다리 유닛.
  35. 제32항에 있어서, 상기 제1 강성과 상기 제2 강성의 차이는 상기 내측 지지체와 상기 외측 지지체의 형상의 차이에 의하여 실현되는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇을 위한 가동 다리 유닛.
  36. 제32항에 있어서, 상기 제1 강성과 상기 제2 강성의 차이는 상기 내측 지지체와 상기 외측 지지체를 강도가 다른 소재를 이용하여 구성함으로써 실현되는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇을 위한 가동 다리 유닛.
  37. 제32항에 있어서, 상기 가동 다리의 관절 자유도는 적어도 대퇴부 롤축 및 슬관절 롤축 회전의 각각의 자유도를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇을 위한 가동 다리 유닛.
  38. 2개 이상의 가동 다리를 구비한 보행식 이동 로봇의 제어 방법에 있어서,
    기체의 피치축 모멘트 및 롤축 모멘트가 제로(0)가 되는 ZMP 위치와 기체가 바닥면으로부터 받는 바닥 반력으로 정의되는 ZMP 거동 공간을 제어하는 ZMP 거동 공간 제어 단계를 구비하며,
    상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는 미리 ZMP 거동 공간에 소정의 왜곡 또는 소정의 특성을 부여하고 있는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  39. 제38항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는, ZMP 위치가 상기 가동 다리의 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형으로 이루어지는 ZMP 안정 영역의 중앙으로부터 ZMP 위치가 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 상기 ZMP 안정 영역의 중앙으로 이동시키고자 하는 기체의 변형량 또는 운동량이 생기도록 ZMP 거동 공간에 미리 왜곡을 부여하고 있는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  40. 제38항에 있어서, 상기 소정의 특성은 상기 바닥 반력에 따라서 로봇의 변형량 또는 운동량 혹은 방향이 변화하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  41. 제39항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는, 상기 ZMP 안정 영역의 거의 중심에서 기체의 변형량 또는 운동량의 극소점을 설정하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  42. 제39항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는, 상기 ZMP 안정 영역의 거의 중심에서 기체의 변형량 또는 운동량의 극소점을 설정함과 아울러, 상기 ZMP 안정 영역의 경계 부근에서 기체의 변형량 또는 운동량의 극대점을 설정하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  43. 제38항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는, ZMP 위치가 기체의 외측을 향하는 방향을 정방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 한쪽 다리 지지 후기의 입각에 대하여,
    로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 극대값의 ZMP 위치를 정방향으로 이동시키는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  44. 제38항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는, ZMP 위치가 기체의 전방을 향하는 방향을 정방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 한쪽 다리 지지 후기의 입각에 대하여,
    로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 변화가 작아지도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  45. 제38항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는, 한쪽 다리 지지 후기의 입각에 대하여,
    진행 방향과 직교 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡을 부여함과 아울러,
    진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  46. 제38항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는, 한쪽 다리 지지 후기의 체간부에 대하여,
    진행 방향과 직교하는 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡을 부여함과 아울러,
    진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  47. 제38항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는, ZMP 위치가 기체의 외측을 향하는 방향을 정방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 양쪽 다리 지지기의 입각에 대하여,
    로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 변화가 작아지도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  48. 제38항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는, ZMP 위치가 기체의 전방을 향하는 방향을 정방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 양쪽 다리 지지기의 입각에 대하여,
    로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 변화가 작아지도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  49. 제38항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는, 양쪽 다리 지지기의 입각에 대하여,
    진행 방향과 직교하는 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여함과 아울러,
    진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  50. 제38항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는, 양쪽 다리 지지기의 체간부에 대하여,
    진행 방향과 직교하는 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는 공간 왜곡을 부여함과 아울러,
    진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  51. 제38항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는, ZMP 위치가 기체의 외측을 향하는 방향을 부 방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 한쪽 다리 지지 전기의 입각에 대하여,
    로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 극대값의 ZMP 위치를 정방향으로 이동시키도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  52. 제38항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는 ZMP 위치가 기체의 전방을 향하는 방향을 정방향으로 하는 제1 좌표축과 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중앙을 향하게 하는 로봇의 변형량 또는 운동량을 정방향으로 하는 제2 좌표축으로 이루어지는 ZMP 거동 공간에 있어서, 한쪽 다리 지지 전기의 입각에 대하여,
    로봇의 변형량 또는 운동량이 부 영역에 있어서 ZMP 안정 영역의 거의 중앙 부근에서 극대값을 가지며, 또한 바닥 반력의 증대와 함께 상기 변형량 또는 운동량의 변화가 작아지도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  53. 제38항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는, 한쪽 다리 지지 전기의 입각에 대하여,
    진행 방향과 직교하는 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡을 부여함과 아울러,
    진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  54. 제38항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간 제어 단계에서는, 한쪽 다리 지지 전기의 체간부에 대하여,
    진행 방향과 직교하는 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는 ZMP 위치가ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 생기도록 하는 공간 왜곡을 부여함과 아울러,
    진행 방향에 있어서, 바닥 반력이 작을 때에는, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어나는 방향을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하는데, 바닥 반력이 커짐에 따라서, ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심으로부터 벗어남과 동시에 ZMP 위치가 ZMP 안정 영역의 중심을 향하는 로봇의 변형량 또는 운동량이 발생하도록 하는 공간 왜곡을 부여하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  55. 2개 이상의 가동 다리를 구비한 보행식 이동 로봇의 제어 방법이며,
    기체의 피치축 모멘트 및 롤축 모멘트가 제로(0)가 되는 ZMP 위치와 기체가 바닥면으로부터 받는 바닥 반력으로 정의되는 ZMP 거동 공간을 정의하는 단계와,
    상기 정의된 ZMP 거동 공간의 정의에 의거하여 ZMP 안정 위치를 구하는 단계와,
    상기 구해진 ZMP 안정 위치에 의거하여 기체 동작을 제어하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  56. 제55항에 있어서, 상기 보행식 이동 로봇과 노면간의 접촉 상황에 따라서 ZMP 거동 공간의 정의를 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  57. 제55항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간을 정의하는 단계에서는, 상기 ZMP 거동 공간에 있어서의 극대점 및/또는 극소점을 임의로 지정할 수 있는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  58. 제55항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간을 정의하는 단계에서는, 임의의 시각에 상기 ZMP 거동 공간에 있어서의 극대점 및/또는 극소점을 임의로 지정할 수 있는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
  59. 제55항에 있어서, 상기 ZMP 거동 공간을 정의하는 단계에서는, 다리의 지지 상태에 따라서 상기 ZMP 거동 공간에 있어서의 극대점 및/또는 극소점을 임의로 지정할 수 있는 것을 특징으로 하는 보행식 이동 로봇의 제어 방법.
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