KR20080045645A

KR20080045645A - 이동로봇

Info

Publication number: KR20080045645A
Application number: KR1020070117985A
Authority: KR
Inventors: 료스케 나카무라; 아즈사 아미노
Original assignee: 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
Priority date: 2006-11-20
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2008-05-23
Also published as: JP4930003B2; US7658245B2; US20080135312A1; JP2008126349A; KR100950953B1

Abstract

본 발명은 부정지면에서도 차륜을 구비한 다리를 확실하게 접지시켜 안정된 보행을 실현하고, 고속이고 또한 안정된 로봇장치를 제공하는 것이다.

제어장치(110)와 경사각도 및 각속도를 검출하는 경사각도 검지장치를 가지는 몸통체(100)와, 대퇴부(12)와 하지부(13)를 가지고 대퇴부는 몸통체에 대하여 정면방향이 되는 X 및 측면방향이 되는 Y축 주위로 회전 가능하게 된 복수의 다리(11)를 구비한 이동로봇에 있어서, 하지부(13)의 밑에 설치되어 Y축 주위로 회전 가능하게 된 차륜(14)과, 하지부(13)의 밑에 Y축 주위로 회동 가능하게 되어 노면에 접지 가능하게 된 가동 지지부(15)를 구비하고, 노면의 요철에 따라 가동 지지부(15)를 접지시키지 않고, 차륜(14)으로 도립(倒立)을 유지한 채로 이동하는 동축 2륜 도립진자 제어동작과, 차륜(14) 및 가동 지지부(15)의 노면에 대한 접지를 제어하여 보행하는 2족 보행 제어동작을 변환한다.

Description

이동로봇{MOVING ROBOT}

본 발명은 다리 끝에 차륜을 구비하여 부정지를 이동 가능하게 된 각차륜형 이동로봇에 관한 것이다.

로봇의 이동방식으로서 차륜에 의한 이동과 다리에 의한 이동이 있다. 다리에 의한 이동은 ZMP(Zero moment Point)를 규범으로 하여 로봇의 자세를 제어하여 보행을 행하고 있다. ZMP란, 접지점의 항력 중심이고, 항력에 의한 모멘트가 제로가 되는 바닥면상의 점이다. 로봇이 보행하는 경우, 로봇 자신의 운동에 의한 관성력, 로봇에 대한 중력, 바닥으로부터 받는 반력 등을 고려하여 보행제어를 행할 필요가 있다. ZMP를 로봇의 발바닥에 의한 지지 볼록 다각형에 들어가도록 보행패턴을 생성하면 전도되지 않고 보행을 행할 수 있다.

차륜에 의한 이동에서는 자동차로 대표되는 3점 이상의 접지점을 가지는 정적 안정된 이동방법과 바이크와 같이 타이어의 각운동량을 이용하여 가로방향의 안정을 유지하는 방법, 특허문헌 1에 나타내는 바와 같은 이동체의 진행방향의 경사각도, 각속도를 피드백함으로써 동적으로 안정을 유지하는 동축 2륜 도립진자에 의한 것이 알려져 있다.

차륜에 의한 이동에서는 이동효율이나 이동속도의 면에서 우수한 반면, 이동할 수 있는 환경에 제한이 크고, 대지 적응성이 낮다는 특징이 있다. 또 다리에 의한 이동에서는 이동효율이나 이동속도의 면에서 뒤떨어지나, 대지 적응성이 높다.

따라서 차륜과 다리의 조합에 의하여 이들의 이점을 겸비하기 때문에, 차륜을 필요에 따라 옆으로 쓰러 뜨려, 발바닥의 접촉면적을 증가시킴으로써 2족 보행을 실현하는 것이 알려져 특허문헌 1에 기재되어 있다. 마찬가지로 통상의 보행동작보다 다이내믹하고 고속의 이동을 실현하기 위하여 각식(脚式) 이동로봇에 롤러 스케이트화를 신게 함으로써 롤러 스케이팅을 행하는 것이 알려져 특허문헌 2에 기재되어 있다.

[특허문헌 1]

일본국 특개2005-288561호 공보

[특허문헌 2]

일본국 특개2001-138272호 공보

상기 특허문헌 1에 기재된 것에서는, 차륜이동과 다리이동의 변환시에 한쪽 발의 차륜만으로 설치하고 있는 기간이 있어 안정성에 어려움이 있었다. 또 특허문헌 2에 기재된 것에서는 설치된 차륜에 대하여 적절한 마찰조정과 탄성지정을 행함으로써 노면에 대한 요철에의 적응성을 높일 필요가 있고, 차륜이 회전하기 쉬워, 부정지면에서 보행을 행할 경우는 차륜이 회전하지 않을 정도로 밖에 차 낼 수 없어 보행속도가 느린 것이었다.

본 발명의 목적은, 차륜과 보행의 이동수단의 변환을 안정되게 행함과 동시에, 요철이 큰 부정지면에서도 차륜을 구비한 다리를 확실하게 접지시켜 안정된 보행을 실현하고, 고속이면서 또한 안정된 로봇장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 제어장치와 중력방향에 대한 경사각도 및 각속도를 검출하는 경사각도 검지장치를 가지는 몸통체와, 대퇴부와 하지부를 가지고, 상기 대퇴부는 상기 몸통체에 대하여 정면방향이 되는 X 및 측면방향이 되는 Y축 주위로 회전 가능하게 된 복수의 다리를 구비한 이동로봇에 있어서, 상기 하지부의 밑에 설치되어 Y축 주위로 회전 가능하게 된 차륜과, 상기 하지부의 밑에 Y축 주위로 회동 가능하게 되어 노면에 접지 가능하게 된 가동 지지부를 구비하고, 노면의 요철에 따라 상기 가동 지지부를 접지시키지 않고, 상기 차륜으로 도립을 유지한 채로 이동하는 동축 2륜 도립진자 제어동작과, 상기 차륜 및 상기 가동 지 지부의 노면에 대한 접지를 제어하여 보행하는 2족 보행 제어동작을 변환하는 것이다.

본 발명에 의하면, 노면의 요철에 따라 차륜으로 도립을 유지한 채로 이동하는 동축 2륜 도립진자 제어동작과, 차륜 및 가동 지지부의 노면에 대한 접지를 제어하여 보행하는 2족 보행 제어동작을 변환하기 때문에, 요철이 적은 노면에서는 차륜에 의한 고속이동을 행하고, 부정지면에서는 노면의 오목부에 다리를 접지함으로써 안정된 보행을 행할 수 있다.

도 1은 이동로봇의 전체의 개략, 도 2는 관절배치를 나타낸다.

로봇(1)은 다리부(10)와 몸통체(100)로 이분된다. 다리부(10)는 좌우의 다리(11R, 11L)로 이루어지고, 각각은 대퇴부(12R, 12L), 하지부(13R, 13L), 차륜(14R, 14L), 가동 지지부(15R, 15L)로 이루어져 있다. 이들 다리의 좌우를 구별할 필요가 있는 경우는 오른쪽을 나타내는 경우는 「R」을, 왼쪽을 나타내는 경우는 「L」을 말미에 붙였다.

몸통체(100)는 좌우의 다리(11R, 11L)의 상부에 위치하고, 모든 관절과 차륜의 동작을 제어하는 제어장치(110)와 몸통체의 중력방향에 대한 경사각도, 각속도를 검출하는 경사각도 검지장치(111)를 구비한다. 또 로봇 정면방향을 X축, 측면방향을 Y축, 수직방향을 Z축이라 하였다. 대퇴부(12R, 12L)와 몸통체(100) 사이에는 X축 방향 회전관절(20R, 20L)과 Y축 방향 회전관절(21R, 21L)이 설치되어 있다.

대퇴부(12R, 12L)와 하지부(13R, 13L)의 사이에는 Y축 방향 회전관절(22R, 22L)이 설치되어 있다. 하지부(13R, 13L)의 밑에는 차축(23R, 23L)이 Y축 방향에 설치되고, Y축 주위로 회전하는 차륜(14R, 14L)이 설치되어 있다. 또 마찬가지로 하지부(13R, 13L)의 밑에 가동 지지부(15R, 15L)가 Y축 방향 회전관절(24R, 24L)을 거쳐 접속되고, 또한 회전관절(25R, 25L)이 Y축 방향 회전관절(24R, 24L)에 직교하도록 설치되고, 가동 지지부(15R, 15L)는 Y축 주위로 회동, Z축 주위로 요동 가능하게 되어 있다.

또, 관절(24R, 24L)과 차축(23R, 23L)의 회전축은 동일하게 하였다. 또 모든 관절과 차륜에는 각도 검출기능을 가지는 모터가 설치되어 있고, 제어장치(110)로부터 지정된 토오크를 발생할 수 있다.

로봇(1)은 노면의 요철이 적은 장면에서는 관절(24R, 24L) 및 관절(25R, 25L)을 움직여 가동 지지부(15R, 15L)를 접지시키지 않고, 차륜 옆에 접어 동축 2륜 도립진자 제어에 의하여 고속으로, 차륜 이동을 행한다. 구체적으로는 제어장치(110)가 경사각도 검지장치(111)로부터 몸통체의 중력방향에 대한 경사각도, 각속도, 차륜(14R, 14L)으로부터 차륜 회전각도와 차륜 회전 각속도의 정보를 취득하여 피드백에 의하여 도립을 유지한 채로 이동시킨다.

노면에 요철이 있는 경우, 종래의 로봇 보행시에 다리를 접지시킨 후는 발목 등의 관절을 사용하여 노면의 경사를 따라 다리를 접지시켜 보행을 행하고 있다. 그러나 노면에 요철이 큰 경우, 다리의 설치면적이 충분한 크기를 가지지 않은 경 우, 노면의 요철의 영향이 커져 안정성이 낮아진다.

따라서 로봇(1)은 노면의 요철이 큰 장면에서는 노면의 요철을 탐색하면서 2족 보행을 행한다. 로봇에 의한 노면 요철 대응의 2족 보행은 이하에 나타내는 상태(단계)를 천이하면서 실현된다.

(1) 오른쪽 다리를 들어 올리고, 왼쪽 다리에 의하여 전신을 지지하는 편각(片脚) 지지기

(2 )오른쪽 다리를 내리고, 완전히 접지시킬 지점을 탐색하는 편각 지지기

(3) 오른쪽 다리를 완전히 내리고, 양 다리에 의하여 전신을 지지하는 양각(兩脚) 지지기

(4) 왼쪽 다리를 들어 올리고, 오른쪽 다리에 의하여 전신을 지지하는 편각 지지기

(5) 왼쪽 다리를 내리고, 완전히 접지시킬 지점을 탐색하는 편각 지지기

(6) 왼쪽 다리를 내리고, 양 다리에 의하여 전신을 지지하는 양각 지지기

「완전히 접지」란, 노면에 대하여 회전하지 않도록 제어한 상태에서 차륜을 노면에 접지시키고, 또한 가동 지지부도 노면을 따르도록 접지시킴으로써, 다리와 노면의 위치관계를 바꾸지 않도록 한 상태(단계)라 한다.

또, 차륜을 노면에 접지시키나, 차륜의 회전을 허용하도록 차륜을 제어하고, 또한 가동 지지부를 노면에서 뜨게 함으로써, 다리와 노면의 접촉을 유지한 채로 노면을 따르는 방향의 다리의 이동을 돕게 하는 상태를 차륜 접지상태라 부른다.

또한, 완전히 접지되고, 지면에 대하여 상대위치가 변하지 않도록 제어되어 있는 다리를 지지각, 차륜 접지상태 또는 차륜과 가동 지지부가 모두 노면으로부터 떠 있는 다리를 유각(遊脚)이라 부른다.

보행 중인 제어장치(110) 중의 제어블럭을 도 3에 나타낸다.

로봇(1)에서 동작 패턴 생성부(30)에 의하여 생성되는 차륜 회전관절(23R, 23L)을 제외한, 다리(11R, 11L)에 있는 전 관절에 대한 각도 목표값을 시계열을 따라 늘어 놓은 것을 다리의 동작 패턴이라 한다. 이후, 이 다리의 동작 패턴에 대하여 설명한다. 수평면상에서의 전신의 중심위치 벡터를 GXY, 높이방향을 Gh, 로봇(1)의 질량을 M, 가동 지지부가 발생시키는 토오크를 η라 하여 두면, 바닥면상에 있는 ZMP 위치(ZXY)와의 관계는 중력 정수(G)를 이용하여 다음식으로 나타내진다.

동작 패턴 생성부(30)는 중심위치(GXY) 및 중심높이(Gh)를 전신의 관절각도와 경사각도 검출장치(111)로부터 얻어지는 경사각도에 의하여 계산에 의해 얻을 수 있다. 수학식 1에 의하여 얻어진 ZMP가 하나 또는 2개의 지지각이 이루는 지지 볼록 다각형 내에 유지되도록 동작 패턴 생성부(30)는 다리의 동작 패턴을 생성한다. 지지 볼록다각형이란, 도 5에 나타내는 바와 같이 접지하고 있는 부분 모두를 포함하는 볼록다각형 중에서 최소의 것이다. 양 다리로 접지하고 있는 경우에서도 마찬가지로 2개의 지지 볼록다각형이 있는 것이 아니라, 하나의 큰 지지 볼록다각 형이 있다고 간주한다. 생성된 동작 패턴에 대하여 다리의 관절은 위치제어가 행하여져 추종을 행한다.

도 4에 양각 지지기의 상태(S1)에서 한 걸음 발을 내디뎌 다음의 양각 지지기(S6)에 들어 가기까지의 플로우차트를 나타낸다. 노면에는 요철은 있으나 평균 경사는 제로라고 하였다.

양각 지지기(S1)의 상태를 설명한다. 이 상태에서는 양각(11R, 11L) 모두 완전하게 접지하고 있다. ZMP는 양각(11R, 11L)의 2개의 다리가 만드는 지지 볼록다각형 내라고 한다. 이 때의 양각은 지지각 관절 제어부(31)에 의하여 관절마다 위치제어를 받고 있다. 좌우의 차륜(14L, 14R)의 회전각도도 위치 제어되어 있다. 차륜은 차륜 회전각도를 θ, 차륜 목표 회전각도를 φ라 하여 수학식 2를 이용한 지지각 차륜 제어부(33)에 의하여 구동 토오크(τ)를 주고, 차륜 회전각도(θ)와 차륜 목표 회전각도(φ)를 일치시킨다. 여기서 차륜의 좌우를 나타내는 R, L은 생략하고 있다.

K1, K2는 제어게인이고, 목표 차륜 각도(φ)와 현재의 차륜 각도(θ)의 차에 K1을 곱한 것, 목표 차륜 각속도(dφ/dt)와 현재의 차륜 각속도(dθ/dt)와의 차에 K2를 곱한 것의 합이 차륜 구동 토오크(τ)로 되어 있다. K1, K2는 다리에 외란이 들어 간 경우에도 위치를 원래의 위치로 되돌리도록 PD, LQR 제어이론 등으로 설정 되어 있다. 차륜 목표 회전각도(φ)는 전회의 단계에서 유각이 지지각으로 역할이 변환된 시점의 차륜각도(θ)가 설정되어 있다. 여기서는 다음에 오른쪽 다리(11R)를 내디려고 하여 오른쪽 다리(11R)를 들어 올려도 전도되지 않기 때문에 ZMP를 왼쪽 다리(11L)만이 만드는 지지 볼록다각형에 들어 가도록 모든 다리관절, 가동 지지부(15R)를 움직이는 24L, 25L을 제어한다.

다음에 관절(24R)을 회전시켜 가동 지지부의 접지를 해제하고, 그 후에 간접 21R, 22R을 움직여 오른쪽 다리(11R)를 올려 유각으로 하여 진행방향으로 움직인다(S2). 상태 S2 에서 S5까지의 사이도 ZMP는 지지 볼록다각형에 들어 가도록 제어된다. 유각이 된 시점에서 차륜의 구동 토오크(τ)는 유각 차륜 제어부(34)에 의하여 수학식 3에 의하여 주어진다. 여기서도 차륜의 좌우를 나타내는 R, L은 생략하고 있다.

K3은 제어 게인이고, 목표 차륜 각속도(dφ/dt)와 현재의 차륜 각속도(dθ/dt)와의 차에 K3을 곱한 것의 합이 차륜 구동 토오크(τ)로 되어 있다. K3과 상기한 K2는 다른 값을 취하여도 된다. 차륜(14R)의 목표 차륜 각속도(dφ/dt)와 현재의 차륜 각속도(dθ/dt)와의 차가 0에 수속되도록 설정되어 있다. 여기서는 목표 차륜 각속도(dφ/dt)는 0이라 한다.

동작패턴에 따라 오른쪽 다리(11R)를 차륜 접지시킨다(S3). 다리를 내려 실 제로 접지한 순간은 관절(21R, 22R) 또는 차륜(14R)에 외란이 가해지기 때문에 관절에 옵저버를 조립하여 둠으로써 인식할 수 있다. 접지한 후의 유각은 차륜(14R)으로부터 가해지는 X축 방향의 외력에 대해서는 다리의 자세를 변형하기 쉽고, Z축 방향의 외력에 대해서는 다리의 자세를 변형시키지 않는다는 방향마다 다른 특성을 가지는 위치제어를 유각 관절 제어부(32)에 의하여 행한다.

접지를 인식하였을 때에 차륜(14R)의 차륜 회전 각속도(dθ/dt)가 목표 회전 속도(dφ/dt)와 S2의 상태와 비교하여 크게 엇갈린 경우는 차륜(14R)의 바로 밑에 요철이 있다고 판단할 수 있다. 접지한 후에 차륜(14R)에 Z축 방향의 하중을 인가함으로써 도 6에 나타내는 바와 같이 노면의 요철을 따라 차륜이 회전하고, 관절(23R)의 장소가 노면을 따라 움직인다. 여기서 유각의 각 관절의 목표 각도를 수시 그 시점에서의 현재 각도로 변경한다. 이에 의하여 차륜(14R)은 노면의 오목부를 탐사할 수 있다(S4).

다리의 길이나 관절의 토오크 한계 등으로 실제의 자세는 제한을 받기 때문에 차륜(14R)의 이동량은 제한된다. 따라서 차륜은 일정 속도 이하가 된 경우, 또는 일정회전 이상한 경우는 회전을 정지시킨다. 차륜(14R)은 노면의 오목부에 도달하면 회전이 정지하기 때문에, 차륜의 회전속도가 정지, 또는 노면이 평탄하다고 판단할 수 있을 정도로 차륜 회전속도가 충분히 작아졌을 때의 차륜 위치가 오른쪽 다리(11R)를 완전하게 접지시키는 점이라고 정한다.

차륜의 제어를 지지각 차륜 제어부(33)에 의한 것으로 변경하여 지면에 대하여 차륜 위치를 고정한다. 또, 유각의 위치제어를 S1의 상태의 것으로 되돌려, 가 동 지지부(15R)를 관절(24R, 25R)을 접지할 때까지 움직인다. 접지한 경우는 관절(24R, 25R)에 옵저버를 조립하여 둠으로써 판정한다. 이에 의하여 11R을 완전하게 접지시킨다(S5). 또 오른쪽 다리의 제어를 S1과 마찬가지로 지지각 관절 제어부(31)에 의한 것으로 변경한다. 제일 마지막에 다음 보행과 안정성을 확보하기 위하여 ZMP는 양각(11R, 11L)의 2개의 다리가 만드는 지지 볼록다각형 내에 있도록 다리의 관절을 움직인다(S6).

이상의 설명은 유각으로서 오른쪽 다리(11R)를 사용하였으나, 왼발(11L)을 사용한 경우도 마찬가지이다.

이상의 순서에 따라 보행을 행함으로써 노면의 요철의 오목부에 확실하게 다리를 접지할 수 있어, 안정된 보행을 실현할 수 있다. 또 다리가 2개인 경우에 있어서 설명하고 있으나, 3개 이상의 경우에서도 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 일 실시형태를 나타내는 정면 및 측면도,

도 2는 본 발명에 의한 일 실시형태에서의 관절 구성을 나타내는 도,

도 3은 본 발명에 의한 일 실시형태에서의 제어블럭도,

도 4는 본 발명에 의한 일 실시형태에서의 플로우차트,

도 5는 본 발명에 의한 일 실시형태에서의 편각(片脚)의 접지를 나타내는 평면도,

도 6은 일 실시형태에 있어서 유각(遊脚)을 접지시켰을 때의 노면의 요철과 차륜 회전방향을 나타내는 도면이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 이동로봇 10 : 다리부

11R, 11L : 다리 12R, 12L : 대퇴부

13R, 13L : 하지부 14R, 14L : 차륜

15R, 15L : 가동 지지부 100 : 몸통체

Claims

제어장치와 중력방향에 대한 경사각도 및 각속도를 검출하는 경사각도 검지장치를 가지는 몸통체와, 대퇴부와 하지부를 가지고, 상기 대퇴부는 상기 몸통체에 대하여 정면방향이 되는 X 및 측면방향이 되는 Y축 주위로 회전 가능하게 된 복수의 다리를 구비한 이동로봇에 있어서,

상기 하지부의 밑에 설치되어 Y축 주위로 회전 가능하게 된 차륜과,

상기 하지부의 밑에 Y축 주위로 회동 가능하게 되어 노면에 접지 가능하게 된 가동 지지부를 구비하고,

노면의 요철에 따라 상기 가동 지지부를 접지시키지 않고, 상기 차륜으로 도립을 유지한 채로 이동하는 동축 2륜 도립진자 제어동작과, 상기 차륜 및 상기 가동 지지부의 노면에 대한 접지를 제어하여 보행하는 2족 보행 제어동작을 변환하는 것을 특징으로 하는 이동로봇.
제 1항에 있어서,

상기 2족 보행 제어동작은, 상기 차륜을 회전하지 않도록 하여 노면에 접지시키고, 또한 가동 지지부도 노면에 접지시키는 완전히 접지상태와, 상기 차륜의 회전을 허용하여 노면에 접지시키고, 또한 상기 가동 지지부를 노면에서 뜨게 하는 차륜 접지상태를 가지고 상기 다리의 이동을 행하는 것을 특징으로 하는 이동로봇.
제 1항에 있어서,

상기 2족 보행 제어 동작 중에 상기 다리를 내려 접지하는 경우, 상기 차륜의 회전을 허용하여 노면에 접지시키고, 또한 상기 가동 지지부를 노면에서 뜨게 하는 차륜 접지상태로 하여, 상기 차륜의 회전이 일정속도 이하, 또는 일정회전 이상하였을 때, 회전을 정지하도록 제어받는 것을 특징으로 하는 이동로봇.
제 1항에 있어서,

상기 다리를 좌우의 2개로 하고,

(1) 오른쪽 다리를 들어 올리고, 왼쪽 다리의 상기 차륜을 회전하지 않게 하여 노면에 접지시키고, 또한 가동 지지부도 노면에 접지시키는 완전히 접지상태로 하여 전신을 지지하는 단계

(2) 오른쪽 다리를 내리고 오른쪽 다리의 상기 차륜의 회전을 허용하여 노면에 접지시키고, 또한 상기 가동 지지부를 노면에서 뜨게 하는 차륜 접지상태로 하여, 상기 차륜의 회전이 일정속도 이하, 또는 일정회전 이상하였을 때, 회전을 정지하도록 하여 접지시키는 지점을 탐색하는 단계

(3) 오른쪽 다리를 완전히 내리고, 양 다리를 상기 완전히 접지상태로 하여 전신을 지지하는 단계

(4) 왼쪽 다리를 들어 올리고, 오른쪽 다리를 상기 완전히 접지상태로 하여 전신을 지지하는 편각 지지기

(5) 왼쪽 다리를 내리고, 왼쪽 다리의 상기 차륜의 회전을 허용하여 노면에 접지시키고, 또한 상기 가동 지지부를 노면에서 뜨게 하는 차륜 접지상태로 하여, 상기 차륜의 회전이 일정속도 이하, 또는 일정회전 이상하였을 때, 회전을 정지하도록 하여 접지시키는 지점을 탐색하는 단계

(6) 왼쪽 다리를 내리고, 양 다리를 상기 완전히 접지상태로 하여 전신을 지지하는 단계의 상태를 천이하면서 행하여지는 것을 특징으로 하는 이동로봇.
제 1항에 있어서,

상기 다리를 좌우의 2개로 하고, 상기 차륜은 각도 검출기능을 가진 모터로 구동되는 것을 특징으로 하는 이동로봇.