KR20100022647A - Robot control system based analog neuron - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 로봇 제어시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아날로그 뉴런 기반의 로봇 제어 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a robot control system, and more particularly, to an analog neuron-based robot control system.
일반적으로 전기적 또는 자기적 작용을 이용하여 인간과 유사한 동작을 행하는 장치를 로봇이라 한다. 로봇의 어원은 슬라브어의 ROBOTA(노예 기계)에서 유래한다고 전해진다. 우리나라에 로봇이 보급되기 시작한 것은 1960년대 말부터이며, 생산 작업의 자동화, 무인화 등을 목적으로 한 매니퓰레이터(manipulator)나 반송 로봇 등의 산업용 로봇(industrial robot)이 개발되어 활용되고 있다. In general, a device that performs an operation similar to a human by using an electric or magnetic action is called a robot. The etymology of the robot is said to come from Slavic ROBOTA (slave machine). Since the late 1960s, robots began to spread in Korea, and industrial robots, such as manipulators and transfer robots, have been developed and utilized for the purpose of automation and unmanned production.
최근에는 가동 다리를 구비하는 다리식 이동로봇에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 인간의 동작을 모델로 하는 다리식 이동로봇을 인간형 로봇(humanoid robot)이라 한다. 로봇의 이동 방식은 크롤러(crawler)식, 2조, 4족 또는 6족 방식 등이 있다. 2족 직립 방식은 고르지 않은 장소나 장애물 등 작업경 로 상에 요철이 있는 보행면이나, 계단, 사다리 등의 불연속적 보행에 대응할 수 있는 등 유연한 이동작업을 실현할 수 있다. 그러나 2족 직립 방식은 다른 이동 방식에 비하여 자세 제어나 보행 제어가 어렵고 불안정한 면이 있다.Recently, researches on a legged mobile robot having a movable leg have been actively conducted. In particular, a legged mobile robot that models a human motion is called a humanoid robot. The robot can be crawled, crawled, grouped 4,
다리식 이동로봇의 안정적 보행을 위한 로봇의 보행패턴 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 대표적인 방법이 CPG(central pattern generator)를 이용한 로봇의 보행패턴 연구이다. CPG는 뉴런(neuron)을 수학적으로 모델링하여 생체기관의 정보전달 및 처리 방식에 유사한 신호 패턴을 생성하는 것이다. 기존의 CPG를 이용한 로봇의 보행패턴 방식은 모델링을 통한 소프트웨어 방식으로 뉴런의 특성을 간략화시켜 단순히 일정한 패턴만을 발생시키는 것으로 복잡한 뉴런의 메커니즘을 정확히 표현할 수 없다. 즉, 소프트웨어 방식의 CPG에서 실제 뉴런의 기능의 극히 일부만이 이용되기 때문에 생체 모방형 로봇의 보행패턴을 충분히 나타내지 못한다.Research on walking patterns of robots for stable walking of legged mobile robots is being actively conducted, and a representative method is walking research on robots using CPG (central pattern generator). CPG mathematically models neurons to generate signal patterns that are similar to the information transmission and processing methods of biological organs. The walking pattern method of the robot using the conventional CPG is a software method through modeling, which simplifies the characteristics of the neuron and simply generates a certain pattern, so that the mechanism of the complex neuron cannot be accurately expressed. In other words, since only a part of the functions of the actual neurons are used in the software-based CPG, the walking pattern of the biomimetic robot is not sufficiently represented.
로봇의 보행패턴을 적응적으로 표현할 수 있는 로봇 제어 시스템이 요구된다.There is a need for a robot control system capable of adaptively expressing a walking pattern of a robot.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 아날로그 뉴런 기반의 로봇 제어 시스템을 제공함에 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide an analog neuron-based robot control system.
본 발명의 일 실시예에 따른 아날로그 뉴런 기반의 로봇 제어 시스템은 로봇에 장착된 센서로부터 센서신호를 수신하여 동작퍼텐션을 생성하는 센서신호 수신부, 상기 동작퍼텐션을 복수의 뉴런 회로로 이루어진 뉴런 네트워크를 이용하여 펄스 빈도수로 표현되는 패턴신호로 변환하는 감각 패턴 생성부, 및 상기 감각 패턴신호를 로봇의 동작에 관련된 액추에이터를 구동시키기 위한 운동 신호로 변환하는 운동 패턴 생성부를 포함한다. Analog neuron-based robot control system according to an embodiment of the present invention is a sensor signal receiving unit for generating a motion potential by receiving a sensor signal from a sensor mounted on the robot, a neuron network consisting of a plurality of neuronal circuits A sensory pattern generator for converting the sensory pattern signal into a pattern signal represented by a pulse frequency, and an exercise pattern generator for converting the sensory pattern signal into an exercise signal for driving an actuator related to the operation of the robot.
상기 뉴런 회로는 부성저항(negative resistance), 트랜지스터 임피던스(transistor impedance), 누설 저항(leakage resistance) 및 세포막 용량(membrane capacitor)을 포함할 수 있다. 상기 부성저항은 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 사이리스터(thyristor)로 마련될 수 있다. 상기 부성저항의 게이트 변수는 세포막 포텐셜(membrane potential), 인덕터 로드 포텐셜(inductor load potential)일 수 있다. The neuron circuit may include a negative resistance, a transistor impedance, a leakage resistance, and a membrane capacitor. The negative resistance may be provided by a silicon controlled rectifier (SCR) thyristor. The gate variable of the negative resistance may be a membrane potential and an inductor load potential.
상기 운동 패턴 생성부는 로봇의 단위 동작 또는 기본 동작을 지시하는 명령신호를 전압신호로 변환시키는 신호 변환기 및 상기 전압신호를 비교전압과 비교하 여 상기 패턴신호를 상기 운동신호로 출력하는 운동뉴런의 동작 여부를 제어하는 아날로그 스위치를 포함할 수 있다. 상기 아날로그 스위치는 상기 단위 동작 또는 상기 기본 동작의 수만큼의 복수의 비교기를 포함하되, 각 비교기의 비교전압은 서로 다르게 정해질 수 있다. 상기 운동뉴런은 상기 패턴신호와 동일한 신호를 출력하는 전압 폴러워(voltage follower), 상기 전압 폴러워에서 출력되는 패턴신호를 필터링하는 적분기 및 상기 적분기를 통과한 패턴신호를 상기 액추에이터를 구동시키기 위한 운동 신호로 증폭시키는 증폭기를 포함할 수 있다. The motion pattern generator is a signal converter for converting a command signal indicating a unit operation or a basic operation of the robot into a voltage signal and whether the motion neuron outputs the pattern signal as the motion signal by comparing the voltage signal with a comparison voltage. It may include an analog switch for controlling. The analog switch may include a plurality of comparators as many as the unit operation or the basic operation, and the comparison voltage of each comparator may be determined differently. The exercise neuron may include a voltage follower outputting the same signal as the pattern signal, an integrator for filtering the pattern signal output from the voltage follower, and a pattern signal passing through the integrator to drive the actuator. It may include an amplifier to amplify the signal.
실제 생물학적 뉴런의 특성과 유사한 기능을 수행하는 아날로그 뉴런 회로를 이용하여 로봇의 움직임을 보다 인간과 유사하게 동작시킬 수 있다. 또한, 다수의 뉴런 회로를 이용하여 뉴런 네트워크를 구성하여 패턴신호를 생성함으로써 하나의 뉴런 회로가 고장 나더라도 다른 패턴신호를 생성하여 환경에 적절하게 로봇의 움직임을 제어할 수 있다. Analog neuron circuits, which perform functions similar to those of real biological neurons, can be used to make robots move more like humans. In addition, by constructing a neuron network using a plurality of neuron circuits to generate a pattern signal, even if one neuron circuit fails, it is possible to generate another pattern signal to control the movement of the robot according to the environment.
도 1은 4족 보행 로봇의 구조의 일 예를 나타낸다. 1 shows an example of the structure of a quadruped walking robot.
도 1을 참조하면, 4족 보행 로봇(10)을 4족 보행 동물의 외형 및 골격 구조를 모방하여 제작될 수 있다. 4족 보행 로봇(10)은 지면을 지지하는 한 쌍의 전방다리부(400R, 400L)와, 각 전방다리부(400R, 400L)의 사이에 마련되어 각 전방다리 부(400R, 400L)가 결합됨과 동시에 각 전방다리부(400R, 400L)에서 발생되는 충격하중을 완충하는 견골부(200)와, 견골부(200)와 소정거리 이격되어 결합되는 골반부(300)와, 골반부(300)에 결합되어 지면을 지지하는 한 쌍의 후방다리부(500R, 500L)를 구비한다.Referring to FIG. 1, the group 4
견골부(200)에는 다족 보행동물의 외형을 모방하였을 경우 머리에 해당하는 두부(100)가 결합되어 마련될 수 있으며, 두부(100)에는 화상인식을 위한 CCD(Charge Coupled Device) 카메라(120)와 별도의 조명수단 및 각종 감지센서(예를 들어 거리감지센서 등)가 장착될 수 있다. The
4족 보행 로봇(10)에는 로봇의 동작을 제어하는 제어 시스템이 마련된다. 제어 시스템은 각종 감지센서로부터 감지신호를 수신하여 로봇의 동작 범위를 결정하고 동작 관련 장치들을 제어하다. 제어 시스템은 마이크로 칩 등으로 구비될 수 있으며 4족 보행 로봇(10)에서 장착되는 위치에는 제한이 없다.The
이하, 로봇의 동작을 제어하는 로봇 제어 시스템에 대하여 설명한다. 앞서 4족 보행 로봇(10)을 예로 들었으나, 로봇 제어 시스템은 로봇의 형태나 다리의 수 등에는 제한이 되지 않는다. Hereinafter, a robot control system for controlling the operation of the robot will be described. Although the four-legged
도 2는 본 발명에 따른 일시예인 로봇 제어 시스템과 생체 신경계의 구조를 비교한 것이다. Figure 2 compares the structure of the robot control system which is a temporary example according to the present invention and the biological nervous system.
도 2를 참조하면, 일반적인 생체 신경계는 감각뉴런(sensory neuron), 연합뉴런(intermediate neuron) 및 운동뉴런(motor neuron)으로 이루어진다. 각 뉴런과 뉴런 사이는 시냅스로 연결된다. Referring to FIG. 2, a general biological nervous system includes sensory neurons, intermediate neurons, and motor neurons. Each neuron and neuron is connected by a synapse.
제안하는 로봇 제어 시스템은 생체 신경계의 구조에 대응하는 구조를 가진다. 생체 신경계에 대응하는 로봇 제어 시스템은 각종 센서로부터의 센서신호를 수집하는 인공 수상돌기(artificial dendrite), 인공 수상돌기로부터 동작퍼텐셜(action potential)을 받아서 감각뉴런 신호를 생성하는 인공 감각뉴런 세포체(artificial sensory neuron cell body) 및 감각뉴런 신호를 받아서 운동뉴런 신호를 생성하는 인공 운동뉴런 세포체(artificial motor neuron cell body)로 이루어진다. 로봇 제어 시스템에서 감각뉴런 신호 및 운동뉴런 신호는 실제 생체 신경계 뉴런의 신호와 같이 펄스 빈도수로 표현된다. 즉, 뉴런 정보는 신호의 주기 변화에 따라 다르고 진폭에는 영향을 받지 않는다.The proposed robot control system has a structure corresponding to that of the biological nervous system. The robot control system corresponding to the biological nervous system includes an artificial dendrite that collects sensor signals from various sensors, and an artificial sensory neuron cell body that generates sensory neuron signals by receiving an action potential from the artificial dendrite. sensory neuron cell body) and an artificial motor neuron cell body that receives sensory neuron signals and generates motor neuron signals. In the robot control system, sensory neuron signals and motor neuron signals are expressed as pulse frequencies, as are signals of actual biological nervous system neurons. That is, neuron information varies with the period of the signal and is not affected by amplitude.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예인 로봇 제어 시스템을 도시한 블록도이다.Figure 3 is a block diagram showing a robot control system according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 로봇 제어 시스템은 각종 센서(110)로부터 센서신호를 수신하는 센서신호 수신부(120), 센서신호를 감각 패턴신호로 변환하는 감각 패턴 생성부(130) 및 감각 패턴신호를 액추에이터(150) 구동을 위한 운동 패턴신호로 변환하는 운동 패턴 생성부(140)를 포함한다.Referring to FIG. 3, the robot control system may include a
센서(110)는 화상인식을 위한 시각센서, 음성인식을 위한 음향센서, 접촉인식하기 위한 압력센서 등 로봇에 부착 가능한 다양한 기능의 센서로 마련될 수 있다. 각 센서(110)에서 측정된 센서신호는 이진(binary) 신호 형태로 센서신호 수신부(120)에 수집될 수 있다. 센서신호 수신부(120)는 각 센서(110)로부터 수집된 센서신호를 종합하여 동작퍼텐션을 생성하여 감각 패턴 생성부(130)로 전달한다. The
감각 패턴 생성부(130)는 다수의 감각 뉴런으로 이루어질 수 있다. 감각 뉴 런은 뉴런 회로(neuron circuit)로 구성되며, 다수의 뉴런 회로는 서로 연결되어 뉴런 네트워크(neuron network)를 형성할 수 있다. 뉴런 네트워크에서 다수의 뉴런 회로는 서로 연동하여 진동 패턴을 생성시킨다. 감각 패턴 생성부(130)는 동작퍼텐션을 펄스 빈도수로 표현되는 감각 패턴신호를 생성하여 운동 패턴 생성부(140)로 전달한다. 감각 패턴신호는 동작퍼텐셜을 주파수로 표현한다. 감각 패턴신호는 감각 패턴 생성부(130)에 포함되는 뉴런 회로의 수, 뉴런 네트워크의 연결 구조에 따라 달라질 수 있다.The
운동 패턴 생성부(140)는 다수의 운동 뉴런으로 이루어진다. 다수의 운동 뉴런은 뉴런 네트워크를 구성하여 운동신호(moving signal)를 생성할 수 있다. 또는 하나의 운동 뉴런이 하나의 액추에이터(150)를 담당하거나 몇 개의 운동 뉴런이 하나의 액추에이터(150)를 담당하여 운동신호를 액추에이터(150)로 전달할 수 있다. 운동신호는 다수의 액추에이터(150)의 작동순서, 작동범위 등을 지시하는 정보일 수 있다. The
운동 패턴 생성부(140)는 명령신호(command signal)에 따라 다수의 운동 뉴런을 선택적으로 작동시킬 수 있다. 운동 패턴 생성부(140)는 명령신호에 따라 운동 뉴런의 작동 여부를 결정할 수 있다. 즉, 운동 패턴 생성부(140)는 운동 뉴런을 제어하여 로봇의 움직임을 제어한다. 로봇의 동작은 다수의 액추에이터(150)의 복합적인 작동에 따라 결정되며, 명령신호는 상기 복합적인 작동을 구성하는 단위 동작 또는 전진, 후진, 우회전, 좌회전 등과 같은 로봇의 기본적인 동작을 의미하는 신호일 수 있다. 단위 동작은 하나의 액추에이터(150)의 작동을 의미하고, 기본 동 작은 적어도 하나의 액추에이터(150)로 작동되는 로봇의 기초적인 동작을 의미한다. 명령신호는 사용자가 리모컨을 통하여 로봇으로 전송하는 신호 또는 로봇에 부착된 센서로부터 전송되는 신호일 수 있다. 명령신호는 아날로그 신호일 수 있다. 즉, 리모컨이나 센서로부터 전송되는 신호가 뉴런 회로 또는 뉴런 네트워크 등을 통하여 아날로그 신호로 변환되어 운동 패턴 생성부(140)로 입력된다. 여기서, 명령신호는 감각 패턴 생성부(130)의 뉴런 회로 또는 뉴런 네트워크를 통하여 생성되는 신호일 수도 있고, 또는 별도로 마련되는 뉴런 회로 또는 뉴런 네트워크를 통하여 생성되는 신호일 수도 있다. 또는 명령신호는 로봇의 과거 행동을 통하여 습득된 아날로그 신호일 수 있으며, 기억된 아날로그 신호가 운동 패턴 생성부(140)로 인가되면 로봇은 과거 행동과 동일한 움직임을 수행할 수 있다. The
액추에이터(150)는 로봇의 동작에 관련된 구동기기로써 구동방식이나 구조에 제한이 없다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예인 뉴런 회로를 나타낸다.4 shows a neuron circuit according to one embodiment according to the present invention.
도 4를 참조하면, 뉴런 회로(neuron circuit)는 생체 뉴런의 기능을 회로화한 것이다. 뉴런 회로는 부성저항(negative resistance) 및 트랜지스터 임피던스(transistor impedance)를 포함한다. 뉴런 회로에서 R은 누설 저항(leakage resistance), C는 세포막 용량(membrane capacitor)을 나타낸다.Referring to FIG. 4, a neuron circuit circuits the function of a living neuron. Neuronal circuits include negative resistance and transistor impedance. In neuronal circuits, R stands for leakage resistance and C stands for membrane capacitor.
부성저항은 PNP 트랜지스터 및 NPN 트랜지스터가 접합되는 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 사이리스터(thyristor)로 마련될 수 있다. 부성저항의 게이트 변수는 세포막 포텐셜(membrane potential), 인덕터 로드 포텐셜(inductor load potential)이다. 부성저항은 생체 뉴런에서 나트륨(sodium) 채널을 나타낸다.The negative resistance may be provided as a silicon controlled rectifier (SCR) thyristor to which the PNP transistor and the NPN transistor are bonded. Negative resistance gate parameters are membrane potential and inductor load potential. Negative resistance represents sodium channels in living neurons.
트랜지스터 임피던스는 RC의 90ㅀ 위상 시프트 및 트랜지스터의 180ㅀ 위상 시프트로 인덕턴스(inductance)와 유사한 위상 시프트 결과를 나타낸다. 트랜지스터 임피던스는 생체 뉴런에서 칼륨(potassium) 채널을 나타낸다. 즉, 트랜지스터 임피던스는 생체 뉴런에서 칼륨 이온의 움직임에 의한 신호와 동일한 신호를 생성시킨다.Transistor impedance shows a phase shift result similar to inductance with a 90 Hz phase shift of RC and a 180 dB phase shift of the transistor. Transistor impedance represents potassium channels in living neurons. That is, the transistor impedance generates the same signal as that caused by the movement of potassium ions in the living neurons.
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예인 뉴런 네트워크를 나타낸다. 도 6은 본 발명에 따른 다른 실시예인 뉴런 네트워크를 나타낸다.5 shows a neuronal network, an embodiment according to the present invention. 6 shows a neuronal network, which is another embodiment according to the present invention.
도 5 및 6을 참조하면, 뉴런 네트워크는 복수의 뉴런 회로 및 뉴런 회로를 서로 연결하는 시냅스로 구성된다. 뉴런 네트워크를 구성하는 뉴런 회로 및 시냅스의 수에는 제한이 없다. 시냅스는 하나의 뉴런 회로에서 다른 하나의 뉴런 회로로 신호를 전달한다. 뉴런 회로 사이에는 하나의 시냅스가 연결되어 일방으로만 신호가 전달될 수도 있고 두개의 시냅스가 연결되어 양방향으로 신호가 전달될 수도 있다. 5 and 6, a neuron network is composed of a plurality of neuron circuits and synapses connecting the neuron circuits to each other. There is no limit to the number of neuronal circuits and synapses that make up a neuronal network. Synapses transmit signals from one neuronal circuit to another. One synapse may be connected between neuron circuits to transmit a signal in only one direction, or two synapses may be connected to transmit a signal in both directions.
도 5는 3개의 뉴런 회로를 6개의 시냅스로 연결한 것이고, 도 6은 4개의 뉴런 회로를 8개의 시냅스로 연결한 것이다. 뉴런 네트워크는 2개, 3개, 4개, ... 등 다수의 뉴런 회로를 시냅스로 연결한 것이다. 2개의 뉴런 회로가 사용될 때 최대 2의 시냅스가 사용될 수 있고, 3개의 뉴런 회로가 사용될 때 최대 6개의 시냅스가 사용될 수 있고, 4개의 뉴런 회로가 사용될 때 최대 12개의 시냅스가 사용될 수 있다. 시냅스의 연결 상태에 따라 뉴런 네트워크에서 생성되는 패턴신호는 달라질 수 있다. 예를 들어, 뉴런 네트워크에서 하나의 뉴런 회로가 파손되면 뉴런 네트워크의 연결 상태가 달라지고, 뉴런 네트워크는 나머지 뉴런 회로 및 시냅스를 이용하여 다른 패턴의 신호를 생성시킨다. FIG. 5 shows three neuron circuits connected by six synapses, and FIG. 6 shows four neuron circuits connected by eight synapses. A neuron network is a synapse of many neuronal circuits, including two, three, four, ... Up to two synapses may be used when two neuronal circuits are used, up to six synapses may be used when three neuronal circuits are used, and up to 12 synapses may be used when four neuronal circuits are used. Depending on the synapse connection state, the pattern signal generated in the neuronal network may vary. For example, if one neuron circuit breaks in a neuron network, the neuron network is connected and the neuron network generates signals of different patterns using the remaining neuron circuits and synapses.
도 7은 도 5의 뉴런 네트워크에서 생성되는 패턴신호의 일 예를 나타낸다. 도 8은 도 6의 뉴런 네트워크에서 생성되는 패턴신호의 일 예를 나타낸다. 뉴런 네트워크를 구성하는 뉴런 회로의 수 및 시냅스의 연결 상태에 따라 생성되는 패턴신호가 다른 것을 볼 수 있다.FIG. 7 illustrates an example of a pattern signal generated in the neuron network of FIG. 5. FIG. 8 illustrates an example of a pattern signal generated in the neuron network of FIG. 6. It can be seen that the pattern signal generated differs depending on the number of neuronal circuits and synaptic connections that form the neuron network.
도 9는 본 발명에 따른 일 실시예인 운동 패턴 생성부를 도시한 블록도이다.9 is a block diagram showing an exercise pattern generator according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 운동 패턴 생성부(140)는 신호 변환기(210), 아날로그 스위치(220) 및 운동 뉴런(230)으로 구성된다. Referring to FIG. 9, the
신호 변환기(210)는 주파수-전압 변환기(frequency to voltage converter)로 구성될 수 있다. 신호 변환기(210)는 명령신호(command signal)를 전압신호로 변환시킨다. 명령신호는 사용자의 리모컨으로부터 전송되는 신호 또는 로봇에 부착된 센서로부터 전송되는 신호일 수 있다. 명령신호는 뉴런 회로 또는 뉴런 네트워크를 통하여 로봇의 단위 동작 또는 기본 동작을 의미하도록 변환된 아날로그 신호일 수 있다. The
아날로그 스위치(220)는 복수의 운동 뉴런(230)의 작동 여부를 제어한다. 즉, 아날로그 스위치(220)는 생체 신경계의 프리시냅틱(pre-synaptic)의 역할을 수행한다. 아날로그 스위치(220)는 로봇의 단위 동작 또는 기본 동작의 수만큼의 비교기(comparator)로 구성될 수 있으며, 각 비교기는 로봇의 단위 동작 또는 기본 동작을 담당하는 적어도 하나의 운동뉴런(230)과 연결된다. 각각의 비교기는 특정 비교전압을 가지며, 입력되는 전압신호와 비교전압을 비교하여 전압신호가 비교전압보다 같거나 크면 연결된 운동뉴런(230)을 작동(on)시킨다. 패턴신호는 모든 운동뉴런(230)으로 전달되지만 작동되는 운동뉴런(230)만이 패턴신호에 따른 운동신호를 생성시킨다. The
예를 들어, 로봇의 기본 동작이 전진(forward), 후진(backward), 우회전(right) 및 좌회전(left)로 이루어진다고 할 때, 각 기본 동작을 담당하는 4개의 비교기가 마련될 수 있고 각 비교기의 비교전압은 V1ref, V2ref, V3ref, V4ref로 정해질 수 있다. 신호 변환기(210)에서 변환된 전압신호가 V1ref와 같거나 크면 아날로그 스위치(220)는 V1ref의 비교전압을 가지는 비교기와 연결된 운동뉴런(230)만을 작동시키고, 그 이외의 운동뉴런(230)은 작동시키지 않는다.For example, if the basic motion of the robot consists of forward, backward, right and left, four comparators for each basic motion can be provided and each comparator The comparison voltage of may be determined as V1ref, V2ref, V3ref, and V4ref. If the voltage signal converted by the
운동 뉴런(230)은 패턴신호를 액추에이터를 구동시킬 수 있는 운동 신호로 변환하여 출력한다. 운동 뉴런(230)은 최소한 로봇의 단위 동작 또는 기본 동작의 수에 해당하는 개수로 마련될 수 있다. 예를 들어, 로봇의 기본 동작이 전진, 후진, 우회전 및 좌회전이라고 할 때 운동 뉴런(240)은 최소한 4개로 마련될 수 있으며, 각 운동 뉴런(240)은 각각의 기본 동작을 담당한다.The
도 10은 본 발명에 따른 일 실시예인 운동 뉴런을 도시한 블록도이다.10 is a block diagram illustrating an example of a motor neuron according to the present invention.
도 10을 참조하면, 운동 뉴런(230)은 전압 폴러워(voltage follower; 310), 적분기(320) 및 증폭기(330)로 구성된다. Referring to FIG. 10, the
전압 폴러워(310)는 입력되는 패턴신호와 동일한 신호를 출력하여 적분 기(320)로 인가한다. 적분기(320)는 전압 폴러워(310)에서 출력되는 패턴신호를 필터링한다. 적분기(320)는 정해진 주파수보다 높은 주파수를 차단하고 낮은 주파수를 통과시키는 저역통과필터(low pass filter)로 마련될 수 있다. 적분기(320)에 정해지는 주파수는 각 운동 뉴런마다 같은 값 또는 다른 값으로 정해질 수 있다. 각 운동 뉴런(230)마다 적분기(320)의 주파수가 달리 정해지면, 특정 패턴신호만이 해당 운동 뉴런(230)으로부터 생성되도록 할 수 있고 패턴신호가 바뀜에 따라 운동 뉴런(230)으로부터 생성되는 운동신호가 달라질 수 있다. 증폭기(330)는 적분기(320)를 통과한 패턴신호를 액추에이터를 구동시키기에 적절한 크기의 운동신호로 증폭시켜 출력한다.The
도 11은 본 발명에 따른 일 실시예인 로봇 제어 시스템의 동작을 나타낸다.11 shows the operation of a robot control system according to an embodiment of the present invention.
도 11을 참조하면, 로봇에 장착된 각종 센서로부터 입수된 센서 신호는 감각 패턴 생성부에 마련된 뉴런 네트워크를 통하여 패턴신호로 생성된다. 뉴런 네트워크에서 생성된 패턴신호는 다수의 운동 뉴런으로 전달될 수 있다. 패턴신호는 신호의 진동폭에는 상관없이 주파수로 표현된다. 운동 패턴 생성부에는 로봇의 단위 동작 또는 기본 동작을 지시하는 명령신호가 인가될 수 있으며, 명령신호에 따라 작동되는 운동 뉴런이 결정된다. 명령신호는 전진, 후진, 우회전, 좌회전 등과 같은 로봇의 기본 동작을 의미할 수 있으며, 다수의 운동 뉴런은 로봇의 기본 동작을 담당하는 운동 뉴런들로 나뉠 수 있다. 운동 패턴 생성부로부터 생성된 패턴신호는 모든 운동 뉴런으로 전달될 수 있으나, 명령신호에 따라 작동되는 운동 뉴런만이 패턴신호를 액추에이터를 구동시킬 수 있는 운동신호로 출력하여 로봇을 동작시킨 다.Referring to FIG. 11, a sensor signal obtained from various sensors mounted on a robot is generated as a pattern signal through a neuron network provided in the sensory pattern generator. The pattern signal generated in the neuron network may be transmitted to a plurality of motor neurons. The pattern signal is expressed in frequency irrespective of the vibration width of the signal. A command signal indicating a unit motion or basic motion of the robot may be applied to the motion pattern generator, and a motion neuron operated according to the command signal is determined. The command signal may mean a basic motion of the robot such as forward, backward, right turn, and left turn, and a plurality of motor neurons may be divided into motor neurons that are responsible for the basic motion of the robot. The pattern signal generated from the exercise pattern generator may be transmitted to all motor neurons, but only the motor neurons operated according to the command signal output the pattern signal as an exercise signal capable of driving the actuator to operate the robot.
로봇의 제어에 있어서, 뉴런 네트워크를 어떻게 구성하느냐에 따라 로봇의 보행이나 주행 패턴이 결정될 수 있다. 로봇의 제어를 수치적 디지털 방식으로 제어하는 것에 비하여, 제안한 바와 같이 생물학적 신경 시스템과 유사한 구조로 구성된 아날로그 방식의 뉴런 네트워크를 이용한 로봇 제어 시스템은 생체 모방형 로봇의 제어에 적합하고 로봇의 행동방식을 보다 잘 표현할 수 있다. In the control of the robot, the walking or driving pattern of the robot may be determined according to how the neuron network is configured. Compared to numerically controlling the control of the robot, as proposed, the robot control system using analog neuron network composed of a structure similar to the biological nervous system is suitable for the control of the biomimetic robot and the behavior of the robot. I can express it better.
일반적인 소프트웨어로 뉴런을 표현하는 디지털 방식에서는 하나의 뉴런이 고장 나면 경우 로봇이 전체적으로 고장이 발생하거나 폭주한다. 그러나, 뉴런 회로로 구성된 뉴런 네트워크를 이용한 아날로그 방식에서는 하나의 뉴런이 고장 나더라도 나머지 뉴런들이 조건에 알맞은 신호를 생성하여 실제 생물체와 같이 적절한 움직임을 구현할 수 있다. 예를 들어, 사람이 한쪽 다리를 다치면 정상적으로 걸을 때와 다른 패턴으로 걷거나 목발을 이용하여 다른 패턴으로 걷는 것과 같이, 4족 로봇의 경우 한쪽 다리가 고장 나면 뉴런 네트워크에서 다른 패턴신호를 생성하게 되고 이에 따라 로봇은 나머지 3개의 다리로 움직일 수 있다. In the digital way of expressing neurons in general software, if one neuron fails, the robot will fail or runaway. However, in an analog method using a neuron network composed of neuron circuits, even if one neuron fails, the remaining neurons generate a signal suitable for a condition, thereby realizing proper movement like a real organism. For example, if a person injuries one leg, walking in a different pattern than walking normally or walking in a different pattern using crutches, a quadruped robot generates another pattern signal in the neuron network when one leg fails. This allows the robot to move on the remaining three legs.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는, 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.As mentioned above, preferred embodiments of the present invention have been described in detail, but those skilled in the art to which the present invention pertains should understand the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as defined in the appended claims. It will be appreciated that various modifications or changes can be made. Accordingly, modifications to future embodiments of the present invention will not depart from the technology of the present invention.
도 1은 4족 보행 로봇의 구조의 일 예를 나타낸다. 1 shows an example of the structure of a quadruped walking robot.
도 2는 본 발명에 따른 일시예인 로봇 제어 시스템과 생체 신경계의 구조를 비교한 것이다. Figure 2 compares the structure of the robot control system which is a temporary example according to the present invention and the biological nervous system.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예인 로봇 제어 시스템을 도시한 블록도이다.Figure 3 is a block diagram showing a robot control system according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예인 뉴런 회로를 나타낸다.4 shows a neuron circuit according to one embodiment according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예인 뉴런 네트워크를 나타낸다. 5 shows a neuronal network, an embodiment according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 다른 실시예인 뉴런 네트워크를 나타낸다.6 shows a neuronal network, which is another embodiment according to the present invention.
도 7은 도 5의 뉴런 네트워크에서 생성되는 패턴신호의 일 예를 나타낸다.FIG. 7 illustrates an example of a pattern signal generated in the neuron network of FIG. 5.
도 8은 도 6의 뉴런 네트워크에서 생성되는 패턴신호의 일 예를 나타낸다.FIG. 8 illustrates an example of a pattern signal generated in the neuron network of FIG. 6.
도 9는 본 발명에 따른 일 실시예인 운동 패턴 생성부를 도시한 블록도이다.9 is a block diagram showing an exercise pattern generator according to an embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명에 따른 일 실시예인 운동 뉴런을 도시한 블록도이다.10 is a block diagram illustrating an example of a motor neuron according to the present invention.
도 11은 본 발명에 따른 일 실시예인 로봇 제어 시스템의 동작을 나타낸다.11 shows the operation of a robot control system according to an embodiment of the present invention.
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