KR20090036093A - 휴머노이드 로봇의 보행 안정성을 위한 골반기구 메커니즘 - Google Patents

Abstract

골반기구는 롤, 피치, 요의 회전자유도가 있는 구조를 가지며, 각각의 자유도는 기어 감속된 DC 모터에 의하여 구동 및 제어된다. 본 골반기구는 로봇 몸체의 균형을 맞추고, 운동범위의 제한 조건을 위배하지 않기 위해 각 회전축이 교차되어 있는 구조로 설계되어 하체와 상체를 연결하며 두 부분의 3개 회전상대운동을 가능하게 할 수 있다. 골반기구의 역할은 상체의 자세방향 유지기능과 하부 다리에서 전달되는 외란 및 토크의 제거기능으로 나뉜다. 따라서 일정한 목표방향을 지향하는 자세를 갖도록 하기 위한 각 모터의 제어각도가 역기구학의 해로 구해진 후 이 기준각도를 실시간으로 추종하도록 하는 제어시스템이 된다.

휴머노이드 로봇, 골반기구, 보행 안정성

Description

휴머노이드 로봇의 보행 안정성을 위한 골반기구 메커니즘{The pelvis platform mechanism for bipedal stability of the humanoid robot}

구조적 안정화 문제는 휴머노이드 로봇이 걷고 멈추고, 계단과 경사면을 오르내리고, 방향을 선회하는 등, 보행 중의 여러 상황에서 안정적으로 로봇의 중심을 유지하는 능력이다. 보행의 안정성 확보 문제가 우선적으로 갖춰져야 하는 이유는 안정적으로 걸을 수 있는 능력을 갖춘 이후에야 여타의 서비스, 노동을 할 수 있고, 충격과 요동이 없는 로봇 시스템의 구조적 안정이 센서에 의한 환경인식, 컴퓨터의 안정적인 연산 처리를 가능하게 하기 때문이다. 이러한 능력을 확보하기 위해서는 로봇 몸체의 각 부분이 상호 연관되어 중심 균형 유지 시스템에 의해 각 관절 요소들이 동시적으로 제어되어야 한다. 로봇 전체적인 구조설계와 각 몸체 부분의 움직임 제어, 균형 감지를 위한 센서피드백, 실시간 동시제어 기술 등이 요구된다.

휴머노이드 로봇 개발에 있어 가장 기본적이고 이동에 중요한 보행의 안정성에 관한 연구는 대부분 하체구조 즉 다리부분에서의 강체형 링크구조들과 각 링크들 간의 관절각의 상호조합에 의한 보행패턴 형성 및 균형유지를 위한 제어연구들 을 바탕으로 하고 있다. 기존 연구는 하체의 보행패턴 및 ZMP 안정을 위한 다리관절각 제어에 중점을 두고 있는 반면, 본 연구에서는 로봇 전체적인 동적 평형 관점에서 상체부분을 고려한 점이 다르다고 할 수 있다. 기구학적으로 구속되지 않은 열린 연결구조(Open chain) 시스템인 휴머노이드 로봇은 지면과의 접촉과 중력 영향을 제외하면, 공중에 떠 있는 자유 구조물(Free structure)로 볼 수 있다. 보행 순간의 휴머노이드 로봇은 다리의 흔들림 운동(Swing motion)에 의하여 상체도 영향을 받는 관계에 있으므로, 상대적으로 질량이 큰 상체부분의 운동을 동적 평형 관점에서 고려할 필요가 있다. 따라서 상체의 제어를 위하여 하체와 상체 사이에 3개의 회전자유도를 갖는 골반기구 메커니즘(The mechanism of pelvis platform)을 설계하고, 이를 보행 안정성 관점에서 제어하여 휴머노이드 로봇 개발에 활용하기 위한 기술로 삼고자 한다. 3개의 회전자유도를 갖는 골반기구는 기존 휴머노이드 로봇에서는 고려되지 않은 부분으로서 상체의 다양한 자세 및 서비스 기능을 위한 차후의 인간 친화적 기능을 위해서도 필요한 구조가 될 수 있다.

보행 시 상체의 평형유지는 안정적이고 지속적인 보행제어를 위해 필연적이다. 보행중인 로봇은 외부의 고정점 또는 고정면이 존재하지 않으며, 계속 전진하는 상태에서 단지 지면에 접촉하는 동안 받는 접촉지지력에 의존한다. 보행중인 로봇의 역학적 평형 상태를 자유물체도로 분석할 때, 로봇이 바닥에 쓰러지지 않도록 하기 위해서는 움직이는 각 몸체의 질량에 의한 무게, 다리의 회전력과 그 반작용력, 지면에 접촉하는 발에서의 접촉지지력 간에 정적, 동적 평형 상태가 유지되어야 한다. 즉, 전진 보행 상태에서 일정 평균속도로 걸어가고 있다면, y 축 방향의 정적 평형유지와 x 축 방향의 평균가속도의 0인 조건 그리고 z 축의 모멘트 평형이 이루어져야 한다. 즉, 보행 중 로봇의 몸체는 정적, 동적 평형을 유지해야만 지속적 보행작용을 유지할 수 있다. 자연상태에서 두 발의 보행패턴과 움직임은 상체의 기울어짐을 야기하여 결국 상체는 균형을 잃게 되고 결국 로봇은 쓰러지게 된다.

골반기구는 하체 다리와 연결된 기저프레임과 상체 부위와 연결되는 상위프레임 그리고 이 사이의 3개 프레임으로 구성되어 있다. 제어프레임은 각각 롤, 피치, 요의 회전자유도를 갖고 있다. 이는 각각 상체의 횡교차각(cross level), 고도각(elevation), 방위각(azimuth)에 해당한다. 기저프레임 상에는 x 축, y 축 방향의 기울기각을 측정할 수 있는 기울기센서(tilt sensor)가 설치된다. z 축 방향의 회전각은 전자나침반(electronic compass)에 의해 측정되며, 제어프레임들은 독립 적으로 제어되어 최종적으로 상위프레임과 이와 강체결합된 상체의 자세를 특정 방향으로 유지할 수 있다.

골반기구는 로봇의 보행 시 동적 평형을 유지할 뿐만 아니라, 특정 자세를 유지할 수 있는 여유자유도를 가능케 하면서, 보행 시의 일정 주파수 외란에 대한 제거능력을 갖출 수 있다. 일반적 보행 상황에서 팔 동작 없이도 모멘트 평형을 유지하면서 제어가 안되는 경우에 비해 몸체 상부에의 외란 및 충격을 완화할 수 있다.

본 발명의 골반기구 시스템은 3개의 자유도를 갖는 축과 각 축을 회전시키기 위한 DC기어모터의 결합으로 구성되어 있다. 모터 축과 프레임 간의 결합을 위해서 필수적으로 모터 브래킷이 필요하며, 모터 브래킷은 모터 본체와 모터가 위치하는 프레임을 M5 나사에 의해 체결되도록 한다. 모터는 엔코더가 부착된 12V 또는 24V 전원의 DC 기어 모터를 사용하고, 기어비는 보통 1/212 ~ 1/189 이며, 모터의 정격토크는 약 8 Kg-cm 이다. 모터 브래킷과 각 프레임들은 경량화와 제작의 용이성을 위해 알루미늄 소재를 사용하고 각 두께는 3~4 mm 를 사용한다.

세 개의 프레임은 각 프레임 상에 부착된 모터의 회전에 의해 롤, 피치, 요의 회전 운동이 가능하고, 회전각도는 모터의 엔코더 신호의 분석에 의해 피드백된다. 세 개의 프레임 상에는 절대 수준에의 기울어진 각도를 측정하기 위해 기울기 센서가 부착되어, 롤(X 축)과 피치각(Y축)을 알기 위한 것이다. 단 Z 축의 절대 좌 표는 전자나침반 시스템을 부착하여 절대 회전각도를 알 수 있다. 모터 상에 부착된 엔코더의 신호는 일정 시간 동안에의 회전각도를 알아낼 수 있으므로 초기 각도가 기준각 즉, 0도가 아니면, 절대 각도를 알 수 없다. 따라서, 모터의 초기 위치 각도는 기울기 센서에 의한 각도로 계산하고, 이후 모터의 회전에 의해 회전한 각도는 엔코더 신호의 분석을 통해서 계산한다. 이는 기울기 센서는 잡음과 외란에 민감하여, 빠른 순간의 회전 상황에서는 정확한 값을 계산하지 못할 가능성이 높기 때문이다.

세 개의 모터를 회전시키기 위한 제어 시스템은 센서에 의한 프레임 각도를 피드백 받아, 최 상단 프레임이 특정 각도가 되도록 세 개의 모터 회전 각도를 역기구학에 의해 계산하고, 계산된 세 개의 각도 값이 모터의 회전 각도 제어값으로 피드백제어된다. 모터의 회전각도 제어는 PD 제어기에 의해 이루어진다.

도1은 대표도로서 골반기구 시스템 구조를 나타낸 것이고, 도2는 이를 개념적으로 표현한 것이다. 휴머노이드 로봇의 하체부와 직접 연결되는 요프레임은 요모터에 의해 구동되며, 도2에서 방위각의 회전을 담당한다. 기준좌표계로 분석할 때, Z축 회전을 담당하게 된다. 도1에서의 피치 프레임은 피치모터에 의해 구동되고, 도2에서는 고도각(Y축)의 회전을 담당한다. 공간상의 효율과 회전관성을 줄이기 위하여 모터는 축의 바깥쪽에 위치하며, 도1에서의 피치축 위치에 피치모터가 위치하게 된다. 도1에서는 가시화의 명료를 위하여 모터를 부착해 놓지 않은 상태이다. 피치 프레임 상에 위치하면서 롤축을 회전시키는 롤모터는 최종적으로 상체 연결 프레임의 회전을 담당하고 도2에서 횡교차각을 의미하고 롤프레임은 상체연결부와 동일한 프레임에 속하는 구조로 도2에서 원형판 구조로 표시되어 있다. 하체 연결부에는 도2에서와 같이 X축 기울기 센서와 Y축 기울기 센서가 장착되어 있어 절대 수준의 각도를 알 수 있다.

도3부터 도8까지는 골반기구 프레임이 실제 휴머노이드 로봇에 적용되어 설치되어 있는 구조를 나타낸다. 도3에는 요모터, 롤모터, 피치모터의 위치를 표시한 것이고, 도4, 도5와 도6은 이러한 구조가 보행하는 로봇에 적용되어 있는 것을 나타낸 것이다.도 7은 실제 시작품으로 제작된 골반 기구 시스템을 위에서 본 것이고,도8은 골반 부 가까이서 대각으로 본 것을 나타낸 것이다. 도9는 시작품으로 제작된 전체 휴머노이드 로봇 구조의 측면을 나타낸 것이다.

마지막으로 도10은 청구항 2의 골반기구 제어 시스템을 위한 제어 흐름도를 나타낸 것이다. 여기에서 매 순간(약 0.05초 간격) 역기구학 해의 각도를 추종하도록 각 모터가 PD 제어 방식에 의해 각도를 추종하며, 하체프레임 상의 외란각도에도 불구하고 상체 프레임이 정해진 목표각을 항상 유지하도록 실시간 제어된다.

Claims (2)

1. 휴머노이드 로봇의 허리와 골반부위에 위치하는 3개의 회전자유도를 가진 골반기구 메커니즘
2. 세 개의 골반 기구 프레임의 동시 제어에 의해 최종 프레임 각도를 결정하는 제어 기능

Images