KR20050005995A - 2족 보행 이동 장치의 보행 제어 방법 - Google Patents

2족 보행 이동 장치의 보행 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 본체와, 상기 본체의 하부 양단에 요동가능하도록 부착된 다리부와, 상기 다리부를 요동시키는 구동부로 구성되고, 감지된 지면 반력에 기초하여 상기 2족 보행 이동 장치가 균형을 유지할 수 있도록 상기 구동부를 구동 제어하는 2족 보행 이동 장치의 보행 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 2족 보행 이동 장치의 보행 제어 방법은, 상기 다리부 하단에 부착된 측정센서에 대응되는 지점에 x좌표 및 y좌표를 부여하는 단계와; 상기 다리부 하단의 적어도 세 지점의 지면 반력을 측정하여 z좌표를 부여하는 단계와; 상기 측정된 지면 반력에 기초하여 지면 반력 평면을 구성하고, 상기 지면 반력 평면에 수직하는 수직벡터를 산출하는 단계와; 중력방향인 기준벡터에 상기 수직벡터가 합치되도록 하는 x축 기준의 회전각인 롤각 및 y축 기준의 회전각인 피치각을 산출하는 단계와; 상기 롤각 및 상기 피치각에 대응되게 구동부를 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 보다 효율적인 센서 및 상기 센서를 이용해 측정된 지면 반력을 이용하여 지면 반력 평면을 구성하는 것을 포함하는 보행 제어 방법에 의해 균형을 유지하면서 안정적인 보행을 할 수 있도록 해 준다.

Description

2족 보행 이동 장치의 보행 제어 방법{Controling Method of Biped Walking Robot}
본 발명은 2족 보행 이동 장치의 보행 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 균형을 유지하면서 안정적인 보행을 할 수 있도록 해 주는 2족 보행 이동 장치의 보행 제어 방법에 관한 것이다.
종래, 소위 2족 보행식 로봇은 전에 설정된 보행 패턴 데이터(이하, 보행 자세라고 한다.)를 생성하고, 이 보행 자세 데이터에 따라서 보행 제어를 행하고, 소정의 보행 패턴으로 다리부를 동작시켜 2족 보행을 실현하도록 하고 있다.
그런데, 이러한 2족 보행식 로봇은 예로서 노면 상황, 로봇 자체의 물리적 파라미터의 오차 등에 의해 보행시의 자세가 불안정하게 되기 쉽고, 경우에 따라서는 넘어질 수 있다.
이것에 대하여, 보행 자세 데이터를 전에 설정하지 않고, 실시간으로 로봇의 보행 상태를 인식하면서 보행 제어를 행하도록 하면, 보행시의 자세를 안정시켜 보행을 행하도록 하는 것도 가능하지만, 이러한 경우에도 예기하지 않은 노면 상황 등이 발생한 경우에는 보행 자세가 파괴되어 로봇이 넘어지게 된다.
따라서, 보행 제어에 의해, 로봇의 발바닥에서의 반력(反 力)과 중력의 합성 모멘트가 제로로 되는 점(이하, ZMP : Zero Moment Point라고 한다.)을 목표치에 수속시켜, 소위 ZMP 보상을 행할 필요가 있다. 이러한 ZMP 보상을 위한 제어 방법으로서는 예로서 일본 특개평5-305583호에 개시되어 있듯이 컴플라이언스(compliance) 제어를 이용하여 ZMP를 목표치에 수속시켜 로봇의 상체를 가속시켜 수정하는 방법과 로봇의 발의 접지 장소를 수정하는 제어 방법이 알려져 있다.
한편, 로봇의 안정적인 보행을 위해 보행시 지면으로부터 전달되는 지면 반력을 측정하는 대표적인 방법은 스트레인 게이지식 로드셀로서, 힘을 받아 변형되는 탄성체에 스트레인 게이지를 접착하고 휘트스톤 브릿지를 구성함으로써 외부에서 가해지는 힘의 크기를 전기적인 신호로 변환하는 방식이다. 따라서, 이러한 로드셀은 정밀 제작이 필수적이며 부가적인 회로들이 방대하여 주로 큰 힘이 작용하는 구조물에 적합한 방식이므로 보행 로봇과 같은 소형 구조물에 응용하는 데는 많은 제약이 따른다.
따라서, 본 발명의 목적은, 균형을 유지하면서 안정적인 보행을 할 수 있도록 해 주기 위해 보다 효율적인 센서 및 상기 센서를 이용해 측정된 지면 반력을 이용하여 지면 반력 평면을 구성하는 것을 포함하는 보행 제어 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 측정센서의 부착상태를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따라 측정센서에 좌표를 부여한 예를 보여주는 도면,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따라 지면 반력 평면을 구성하기 위한 z좌표를 산출해내는 예를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 따라 지면 반력 평면을 구성한 예를 보여주는 도면,
도 6은 본 발명에 따라 롤각 및 피치각을 산출해내는 예를 보여주는 도면,
도 7은 본 발명에 따른 2족 보행 이동 장치의 보행 제어 과정을 나타내는 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 다리부의 바닥면 3 : 측정센서
5 : 중력방향에 수직인 기준평면 7 : 지면 반력 평면
9 : 지면반력평면에 수직인 수직벡터 11 : 기준벡터
상기 목적은, 본 발명에 따라, 본체와, 상기 본체의 하부 양단에 요동가능하도록 부착된 다리부와, 상기 다리부를 요동시키는 구동부로 구성되고, 감지된 지면 반력에 기초하여 상기 2족 보행 이동 장치가 균형을 유지할 수 있도록 상기 구동부를 구동 제어하는 2족 보행 이동 장치의 보행 제어 방법에 있어서, 상기 다리부 하단에 부착된 측정센서에 대응되는 지점에 x좌표 및 y좌표를 부여하는 단계와; 상기 다리부 하단의 적어도 세 지점의 지면 반력을 측정하여 z좌표를 부여하는 단계와; 상기 측정된 지면 반력에 기초하여 지면 반력 평면을 구성하고, 상기 지면 반력 평면에 수직하는 수직벡터를 산출하는 단계와; 중력방향인 기준벡터에 상기 수직벡터가 합치되도록 하는 x축 기준의 회전각인 롤각 및 y축 기준의 회전각인 피치각을 산출하는 단계와; 상기 롤각 및 상기 피치각에 대응되게 구동부를 구동하는 단계를 포함하는 것에 의해 달성된다.
여기서, 상기 측정센서는, 필름형 감압센서로 구성되는 것이 효과적이다.
또한, 상기 측정센서에 좌표를 부여하는 단계는, 각 다리부의 하단에 직사각형의 형상을 이루도록 상기 측정센서를 다수 배치하고, 상기 직사각형의 형상의 대각선의 교차점을 좌표계의 원점으로 설정하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 롤각 및 상기 회전각을 산출하는 단계는, 상기 지면 반력 평면에 수직하는 수직벡터를 (a, b, c)라고 가정하면 상기 롤각은에 의하여 산출하고, 상기 피치각은에 의하여 산출해 낼 수 있다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 측정센서의 부착상태를 보여주는 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 측정센서(3)는 2족 보행 이동 장치인 로봇의 다리부 바닥면(1)의 모서리에 각각 하나씩 부착되어 있다.
여기서, 측정센서(3)로는 필름형 감압센서를 사용하는 것이 바람직하다.
측정센서인 필름형 감압센서는 계산기, 엘리베이터 버튼 등 다양한 디지털 스위치에 사용되고 있으며, 가해지는 압력에 따라 저항출력 값을 달리한다. 즉, 센서 표면에 힘을 가할 때 감소하는 저항이 발생하는 폴리머 필름 장치라 할 수 있다.
이러한 압력에 대한 특성을 가지고 있는 필름형 감압센서를 로봇 다리부의 바닥 각 모서리에 배치하고 그 위에 일정한 크기의 둥근 고무패드를 위치시켜서 고정하고 다시 그 위에 덮개 판을 부착하여 고정하면 로봇 다리부의 바닥이 완성된다. 이렇게 함으로써, 각 모서리의 필름형 감압센서를 이용하여 로봇의 부하를 보다 정확하게 측정할 수 있게 되며, 또한 저렴한 가격으로 구현할 수 있어서 소형 저가형 보행 로봇을 구현하는 데 장점이 있다.
따라서, 본 발명에 사용되는 2족 보행 로봇은 기존의 로드셀이나 스트레인 게이지 방식에 비하여 저가이면서 부가적인 시스템이 간략하여 보행 로봇과 같은 소형 구조물에 응용하기 유리한 필름형 감압센서를 사용한다.
도 2 내지 도 6은 X1및 X2가 향하는 방향을 전방이라 가정하고, 전방으로 비스듬한 빗면에 본 발명에 사용되는 2족 보행 로봇이 위치하고 있다는 가정 하에서의 보행 이동의 경우를 도시한 도면이다. 상기 도면들은 본 발명을 보다 명확히 설명하기 위해 도시된 것일 뿐, 예로 들고 있는 보행 이동의 경우에 한정되어 적용되는 것은 아님은 물론이다.
또한, 본 도면들에 나타나는 X1, X2, X3및 X4는 XYZ 직교 좌표계에서의 3차원 좌표를 나타내는 동시에 XY 평면에 투사된 2차원 좌표를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따라 도 1의 측정센서에 좌표를 부여한 예를 보여주는 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 X1과 X2사이의 거리를 a, 상기 X3와 X4사이의 거리를 b라고 했을 때, 2족 보행 로봇의 다리부 바닥면(1)의 각 모서리에 부착된 측정센서(3)가 형성하는 직사각형의 형상의 대각선의 교차점을 원점 (0, 0)으로 한다.
또한, 전방에 배치된 X2의 X좌표 및 Y좌표 모두를 +라고 했을 때, X1의 좌표는 (-a/2, b/2)이고, X2의 좌표는 (a/2, b/2)이고, X3의 좌표는 (-a/2, -b/2)이고, X4의 좌표는 (a/2, -b/2)이 된다.
여기서, 상기 대각선의 교차점을 원점으로, 상기 X2의 X좌표 및 Y좌표 모두를 +로 가정한 것은 단지 설명을 간단히 하여 이해를 돕기 위해 임의로 정한 것에 불과한 것으로서, 원점 및 좌표계의 배치는 사용자의 선택에 따라 얼마든지 변경될 수 있음은 물론이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따라 지면 반력 평면을 구성하기 위한 z좌표를 산출해 내는 예를 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명에 따라 지면 반력 평면을 구성한 예를 보여주는 도면이다.
여기서, 참조부호 5는 중력방향에 수직인 기준평면을, 참조부호 7은 지면 반력 평면을, 참조부호 9는 지면 반력 평면에 수직한 수직벡터를, 참조부호 11은 중력방향의 기준벡터를 나타낸다. 또한, 화살표의 크기 A는 X1지점에서의 지면 반력을, B는 X2지점에서의 지면 반력을, C는 X3지점에서의 지면 반력을 나타낸다.
3 지점의 좌표만 알고 있다면, 주어진 좌표계에서 임의의 한 평면을 구성할수 있음은 이미 알려진 사실이다. 그러므로, 본 실시예에서는 4 개의 좌표가 부여된 측정센서 중 임의로 선택된 3 개의 측정센서의 좌표에 기초하여 지면 반력 평면을 구성한다. 여기서는 특히 X1, X2및 X3지점을 이용하고 X4지점은 제외하고 있으나, 평면을 구성하는 좌표의 결정은 전적으로 사용자의 선택에 주어져 있음은 물론이다.
먼저, 도 3은 도 5의 X1및 X3가 위치하는 측면에서 X1및 X3의 z좌표에 해당되는 지면 반력 값을 시각적으로 도시한 평면이다. 전방으로 비탈진 지면인 경우, 전방에 위치한 지점(X1)이 상대적으로 후방에 위치한 지점(X3)보다 지면 반력을 보다 많이 받게 된다. 따라서, 측정센서(3)에서 감지된 압력에 대응하여 출력되는 전기 신호를 받아 이를 적절한 값으로 환산하여 해석하게 된다.
여기서, 측정센서(3)에서 전달된 전기 신호는 대체적으로 상기 비탈진 지면과 평행한 지면 반력 평면을 구성할 수 있도록 해석되는 것이 바람직하다.
이와 유사하게, 도 4는 도 5의 X2가 위치하는 측면에서 X2및 X3의 z좌표에 해당되는 지면 반력 값을 시각적으로 도시한 평면이다. 전방으로 비탈진 지면인 경우, 전방에 위치한 지점(X2)이 상대적으로 후방에 위치한 지점(X3)보다 지면 반력을 보다 많이 받게 된다. 따라서, 측정센서(3)에서 감지된 압력에 대응하여 출력되는 전기 신호를 받아 이를 적절한 값으로 환산하여 해석하게 된다.
이로써, 도 5의 참조부호 7에 해당되는 지면 반력 평면(7), 즉, XYZ 직교좌표계에서 측정센서(3)의 좌표 및 지면 반력에 기초하여 생성된 상기 세 점(X1, X2및 X3)을 포함하는 지면 반력 평면을 구성할 수 있게 된다. 또한, 이렇게 생성된 지면 반력 평면(7)에 수직한 수직벡터(9) 또한 산출할 수 있게 된다.
이러한 지면 반력 평면에 해당되는 방정식 및 이에 수직한 수직벡터를 나타내는 수식은 세 점의 좌표를 이용하면 손쉽게 구할 수 있다.
수직벡터(9)는 대체적으로 2족 보행 로봇의 다리부가 현재 위치하고 있는 방향과 밀접한 관계가 있다. 또한, 본 실시예의 환경처럼 전방으로 비스듬히 비탈진 지면 등과 같이 수평면이 아닌 지면 상태에서의 보행 이동에 있어서, 전체적인 2족 보행 로봇의 균형 유지를 위해 2족 보행 로봇 다리부의 축을 중력방향과 나란하게 위치시킬 필요가 있다.
따라서, 산출된 지면 반력 평면(7)에 수직한 수직벡터(9)를 중력방향인 기준벡터(11)에 합치시키기 위한 이동각을 계산해 내어, 산출된 이동각 만큼 상기 다리부를 요동시키면 된다.
상기 이동각을 산출해 내는 과정은, 본 발명에 따라 롤각 및 피치각을 산출해내는 예를 보여주는 도면인 도 6을 참조하여 설명한다.
여기서, θx는 수직벡터(9)를 X축을 기준으로 회전시키는 각도를 나타내는데, 롤(Roll)각으로 정의된다. 한편, θy는 수직벡터(9)를 Y축을 기준으로 회전시키는 각도를 나타내는데, 피치(Pitch)각으로 정의된다.
또한, a, b 및 c는 각각 수직벡터(9)의 x, y 및 z 방향의 크기를 나타내는기호로서, 상기에서 측정센서(3)의 좌표를 나타내기 위해 사용되었던 a 및 b와는 서로 무관하다.
도면에 도시된 바와 같이, 상기 θx의 크기는 수직벡터(9)를 YZ 평면에 투영시킨 선분에서부터 Z축까지의 각도로 정의되는데, 수식으로 나타내면 다음과 같다.
..... 수식(1)
이와 유사하게, 상기 θy의 크기는 수직벡터(9)를 XZ 평면에 투영시킨 선분에서부터 Z축까지의 각도로 정의되는데, 수식으로 나타내면 다음과 같다.
..... 수식(2)
이와 같이, 산출된 롤각 및 피치각, 즉 이동각 정보를 이용하여 다리부의 축을 중력방향과 나란하게 이동시킬 수 있게 구동부를 구동시킨다.
도 7은 본 발명에 따른 2족 보행 이동 장치의 보행 제어 과정을 나타내는 흐름도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 측정센서(3)를 2족 보행 로봇 다리부의 바닥면(1)의 모서리 부분에 부착하고(S1), 각 측정센서(3)의 부착위치에 좌표를 부여한다(S3). 이 후에, 측정센서(3)에서 측정된 지면 반력을 감지하고(S5), 측정센서(3)의 좌표 및 감지된 지면 반력에 기초하여 지면 반력 평면(7)을 구성한다(S7).
여기서, 측정센서(3)의 좌표 및 각 측정센서(3)에서 측정된 지면 반력에 해당되는 Z 좌표값은 동시에 환산되어 XYZ좌표계에서 하나의 3차원 좌표로 생성될 수있다.
또한, 이렇게 생성된 3차원 좌표 중 적어도 3 지점의 좌표를 이용하여 하나의 지면 반력 평면(7)을 생성하는 것이 바람직하다.
생성된 지면 반력 평면(7)에 수직한 수직벡터(9)를 산출하고(S9), 수직벡터(9)가 중력방향인 기준벡터(11)에 합치되도록 X축 기준의 회전각인 롤각 및 Y축 기준의 회전각인 피치각을 산출한다(S11).
상기 롤각 및 피치각의 산출식은 수식(1) 및 수식(2)에 표시된 바와 같다.
이렇게 산출된 롤각 및 피치각, 즉 이동각 정보를 이용하여 다리부의 축을 중력방향과 나란하게 이동시킬 수 있게 구동부를 구동시킨다(S13).
여기서, 비록 다리부, 무릎 또는 본체를 상호 연결해 주는 동시에 움직임을 원활하게 해주는 관절에 대하여는 언급하지 않았으나, 상기 구동부는 일반적으로 다리부의 상부에 위치하는 무릎 부위에 마련된 관절을 구동시키는 관절 구동용 모터인 것이 보통이다.
따라서, 이러한 모터는 상기 산출된 이동각 정보에 따라 도시하지 않은 제어부의 제어에 따라 적절하게 이동가능하게 제어되어, 수평이 아닌 지면을 보행 이동할 때에도 균형을 유지할 수 있도록 구동된다.
비록 본 실시예는 2족 보행 로봇의 보행 제어 방법에 한정하여 설명하였으나, 지면 반력 평면을 구성하고 이에 수직한 수직벡터를 이용하여, 균형 유지를 위한 이동각을 산출하는 방법은 적어도 3 지점에 측정센서(3)를 부착하여 지면 반력을 측정하는 것에 의해 균형을 유지할 필요가 있는 어떠한 시스템에도 적용가능함은 물론이다.
상기와 같은 구성에 의하여, 보다 효율적인 센서 및 상기 센서를 이용해 측정된 지면 반력을 이용하여 지면 반력 평면을 구성하는 것을 포함하는 보행 제어 방법에 의해 균형을 유지하면서 안정적인 보행을 할 수 있도록 해 준다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 보다 효율적인 센서 및 상기 센서를 이용해 측정된 지면 반력을 이용하여 지면 반력 평면을 구성하는 것을 포함하는 보행 제어 방법에 의해 균형을 유지하면서 안정적인 보행을 할 수 있도록 해 준다.

Claims (4)

  1. 본체와, 상기 본체의 하부 양단에 요동가능하도록 부착된 다리부와, 상기 다리부를 요동시키는 구동부로 구성되고, 감지된 지면 반력에 기초하여 상기 2족 보행 이동 장치가 균형을 유지할 수 있도록 상기 구동부를 구동 제어하는 2족 보행 이동 장치의 보행 제어 방법에 있어서,
    상기 다리부 하단에 부착된 측정센서에 대응되는 지점에 x좌표 및 y좌표를 부여하는 단계와;
    상기 다리부 하단의 적어도 세 지점의 지면 반력을 측정하여 z좌표를 부여하는 단계와;
    상기 측정된 지면 반력에 기초하여 지면 반력 평면을 구성하고, 상기 지면 반력 평면에 수직하는 수직벡터를 산출하는 단계와;
    중력방향인 기준벡터에 상기 수직벡터가 합치되도록 하는 x축 기준의 회전각인 롤각 및 y축 기준의 회전각인 피치각을 산출하는 단계와;
    상기 롤각 및 상기 피치각에 대응되게 구동부를 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2족 보행 이동 장치의 보행 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정센서는, 필름형 감압센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 2족 보행 이동 장치의 보행 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 측정센서에 좌표를 부여하는 단계는, 각 다리부의 하단에 직사각형의 형상을 이루도록 상기 측정센서를 다수 배치하고, 상기 직사각형의 형상의 대각선의 교차점을 좌표계의 원점으로 설정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 2족 보행 이동 장치의 보행 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 롤각 및 상기 회전각을 산출하는 단계는,
    상기 지면 반력 평면에 수직하는 수직벡터를 (a, b, c)라고 가정하면 상기 롤각은에 의하여 산출하고, 상기 피치각은에 의하여 산출해 내는 것을 특징으로 하는 2족 보행 이동 장치의 보행 제어 방법.
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