KR20100078248A

KR20100078248A - 보행 로봇 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20100078248A
Application number: KR20080136452A
Authority: KR
Inventors: 노창현
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2010-07-08
Also published as: US8892257B2; US20100168917A1

Abstract

본 발명은 보행 로봇이 보행을 위해 지면에 발을 착지할 때에 발생하는 충격을 흡수하기 위한 방법에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 보행 로봇의 발이 지면에 착지될 때 발바닥 또는 발목에 설치된 F/T센서에서 외력을 측정하여 외력에 순응하는 방향으로 발바닥의 자세를 조정해 줌으로서 착지 시 보행 로봇으로 전달되는 충격을 흡수할 수 있으며, 보행속도(예를 들면, 정지, 보행, 주행 등)에 따라 발바닥의 자세 조정 속도를 조절해 줌으로서 보행 상태에 관계없이 충격 흡수에 적절한 탄성 특성을 가질 수 있어 안정적인 보행 모션을 이룰 수 있게 된다.

Description

보행 로봇 및 그 제어방법{WALKING ROBOT AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 보행 로봇 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보행 로봇이 보행을 위해 지면에 발을 착지할 때에 발생하는 충격을 흡수하기 위한 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전기적 또는 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작과 닮은 운동을 행하는 기계장치를 로봇이라고 한다. 초기의 로봇은 생산 현장에서의 작업 자동화ㆍ무인화 등을 목적으로 한 매니퓰레이터나 반송 로봇 등의 산업용 로봇으로 인간을 대신하여 위험한 작업이나 단순한 반복 작업, 큰 힘을 필요로 하는 작업을 수행하였으나, 최근에는 인간과 유사한 관절 체계를 가지고 인간의 작업 및 생활공간에서 인간과 공존하며 두 발로 걸을 수 있는 이족 보행 로봇(이하, 보행 로봇이라 한다)의 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.

보행 로봇은 다음과 같은 과정을 통해 보행을 수행한다. 먼저 보행속도와 걸음 수, 보폭 등과 같은 보행명령이 주어지면 양 발(왼발과 오른발)의 목표위치와 방향을 결정하여 이를 바탕으로 시간에 대한 양 발의 위치와 방향 궤적(trajectory)을 만들어 보행패턴을 생성하며, 그 보행패턴에 따라 양 발의 위치 와 방향을 제어하여 보행을 수행한다. 이러한 보행 로봇은 보행을 위해 양 발을 번갈아 가면서 지면에 착지하게 되는데 발이 지면에 착지될 때 보행 로봇으로 충격이 전달된다. 이에 착지 시 보행 로봇으로 전달되는 충격을 흡수하기 위해 발목 관절을 스프링과 댐퍼로 모델링하여 발목 관절이 탄성 특성을 가지도록 임피던스 제어를 수행한다. 그러나 임피던스 제어방법은 제어 특성을 조정하기 위한 스프링과 댐퍼의 계수가 직관적이지 않으며, 다양한 보행 모션에 따라 스프링과 댐퍼의 계수 변경이 필요하여 충격 흡수에 적절한 탄성 특성을 가질 수 없다.

본 발명은 보행 로봇의 발이 지면에 착지될 때 가해지는 외력을 측정하여 발바닥의 자세를 조정해 줌으로서 착지 시 보행 로봇으로 전달되는 충격을 흡수할 수 있는 제어방법을 제시하고자 한다.

이를 위해 본 발명의 실시예는 보행 로봇의 착지되는 발의 모멘트를 측정하고; 상기 측정된 모멘트에 따라 상기 발의 자세를 외력에 순응하는 방향으로 조정하는 것을 특징으로 한다.

상기 발의 모멘트를 측정하는 것은, 지면에 대하여 상기 보행 로봇을 지지하는 발바닥의 모멘트를 측정하는 것을 특징으로 한다.

상기 발의 자세를 조정하는 것은, 상기 발바닥의 모멘트에 비례하여 상기 외력에 순응하는 방향으로 상기 발바닥을 움직이는 것을 특징으로 한다.

상기 외력에 순응하는 방향은 상기 보행 로봇의 착지 충격을 흡수하는 방향인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 상기 발의 자세를 조정하는 응답 특성을 제어하는 것을 더 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예는 상기 응답 특성의 속도를 실시간으로 조절하는 것을 더 포함하고, 상기 응답 특성의 속도를 조절하는 것은, 상기 보행 로봇의 보행속도에 따라 상기 발바닥의 자세를 조정하는 속도를 조절하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 실시예는 보행 로봇의 착지되는 발의 모멘트를 측정하는 센서; 상기 측정된 모멘트에 따라 상기 발의 자세를 외력에 순응하는 방향으로 조정하는 자세조정부를 포함한다.

상기 센서는 상기 보행 로봇의 발바닥에 설치되어 지면에 대하여 상기 보행 로봇을 지지하는 상기 발바닥의 모멘트를 측정하는 Force/Torque센서인 것을 특징으로 한다.

상기 자세조정부는 상기 발바닥의 모멘트에 비례하여 상기 보행 로봇의 착지 충격을 흡수하는 방향으로 상기 발바닥을 움직이는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 상기 발의 자세를 조정하는 응답 특성을 제어하는 필터를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예는 상기 응답 특성의 속도를 실시간으로 조절하는 속도조절부를 더 포함하고, 상기 속도조절부는 상기 보행 로봇의 보행속도에 따라 상기 필터의 통과 주파수를 조절하여 상기 발바닥의 자세 조정 속도를 조절하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 실시예에 의하면 보행 로봇의 발이 지면에 착지될 때 발바닥 또는 발목에 설치된 F/T센서에서 외력을 측정하여 외력에 순응하는 방향으로 발바닥의 자세를 조정해 줌으로서 착지 시 보행 로봇으로 전달되는 충격을 흡수할 수 있으며, 보행속도(예를 들면, 정지, 보행, 주행 등)에 따라 발바닥의 자세 조정 속도를 조절해 줌으로서 보행 상태에 관계없이 충격 흡수에 적절한 탄성 특성을 가질 수 있어 안정적인 보행 모션을 이룰 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 보행 로봇의 외관 구성도이다.

도 1에서, 본 발명의 실시예에 의한 인간과 마찬가지로 두 개의 다리(11R, 11L)에 의해 직립 이동하는 이족 보행 로봇으로, 몸통(12)과, 몸통(12)의 상부에 두 개의 팔(13R, 13L)과 머리(14)를 구비하며, 두 개의 다리(11R, 11L)와 팔(13R, 13L) 선단에는 각각 발(15R, 15L)과 손(16R, 16L)을 구비한다.

참조부호에서, R과 L은 보행 로봇(10)의 오른쪽(Right)과 왼쪽(Left)을 나타내고, COG는 보행 로봇(10)의 무게 중심을 나타내며, ZMP는 보행 로봇(10)의 발(15R, 15L)과 지면의 접촉면에서 롤 방향(roll; 보행 로봇의 보행 진행방향인 x축 방향)과 피치 방향(pitch; 보행 로봇의 좌우 보폭 방향인 y축 방향)의 모멘트가 0이 되는 점을 나타낸다.

도 2는 도 1에 나타낸 보행 로봇의 주요 관절 구조를 나타낸 도면이다.

도 2에서, 두 개의 다리(11R, 11L)는 보행 로봇(10)의 발목, 무릎, 힙에 해당하는 부분이 회전할 수 있도록 발목 관절(17R, 17L), 무릎 관절(18R, 18L), 힙 관절(19R, 19L)을 각각 구비하고, 힙 관절(19R, 19L)은 두 개의 다리(11R, 11L)와 연결되는 몸통(12) 아래의 양 쪽 끝에 위치한다.

각 다리(11R, 11L)의 발목 관절(17R, 17L)은 x축(roll axis)과 y축(pitch axis)로 움직임이 가능하고, 무릎 관절(18R, 18L)은 y축(pitch axis)로 움직임이 가능하며, 힙 관절(19R, 19L)은 x축(roll axis)과 y축(pitch axis), z축(yaw axis)로 움직임이 가능하다.

또한, 두 개의 다리(11R, 11L)에는 힙 관절(19R, 19L)과 무릎 관절(18R, 18L)을 연결하는 상부 링크(20R, 20L)와, 무릎 관절(18R, 18L)과 발목 관절(17R, 17L)을 연결하는 하부 링크(21R, 21L)를 각각 포함하여 각 관절((17R, 17L), (18R, 18L), (19R, 19L))의 움직임에 따라 일정 수준의 자유도를 가지고 보행이 가능하도록 한다. 각 다리(11R, 11L)의 발(15R, 15L)과 발목 관절(17R, 17L) 사이에는 힘/토크 측정센서(22R, 22L;Force and Torque sensor;이하 F/T센서라 한다)가 각각 설치되어 발(15R, 15L)로부터 전달되는 힘의 3방향 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향 성분(Mx, My, Mz)을 측정하여 ZMP 정보를 제공한다. ZMP는 보행 로봇(10)의 발(15R, 15L;구체적으로, 발바닥)과 지면의 접촉면에서 롤 축(x축 방향)과 피치 축(y축 방향)의 모멘트가 0이 되는 점을 나타낸다.

그리고, 두 개의 다리(11R, 11L)와 연결되는 몸통(12)에는 보행 로봇(10)의 허리에 해당하는 부분이 회전할 수 있도록 허리 관절(23)을 구비하며, 허리 관절(23)은 몸통(12) 아래의 양쪽 끝에 위치한 힙 관절(19R, 19L)을 연결하는 힙 링크(24)의 중심(24G) 위치 즉, 보행 로봇(10)의 무게 중심(COG) 위치와 동일한 축 선상에 위치하여 x축과 y축, z축으로 움직임이 가능하다.

도면에 나타내지는 않았지만, 보행 로봇(10)의 모든 관절((17R, 17L), (18R, 18L), (19R, 19L), 23)은 구동을 위한 모터(예를 들어, 엑츄에이터와 같은 전동장치;90, 도 4에 도시함)를 각각 포함하고 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 보행 로봇의 ZMP 궤적을 나타낸 도면으로서, 보행 로봇(10)의 보행진행 방향(x축 방향)과 좌우 보폭 방향(y축 방향)에 대한 ZMP 궤적을 x-y 평면상에 나타낸 것이다.

도 3에서, B는 보폭의 절반을 나타낸다.

도 3에서 알 수 있듯이, 보행 로봇(10)이 안정된 보행 모션을 수행하기 위해서는 지면에서 모멘트의 합이 0이 되는 지점 즉, 양 발(15R, 15L)을 내딛을 지점들을 미리 결정하여야 하며, 또한 양발 지지 위상(Double Support Phase;이하 DSP라 한다)/한발 지지 위상(Single Support Phase;이하 SSP라 한다)과 같은 지지상태를 미리 결정하는 ZMP 궤적을 설정해야 한다.

보행 로봇(10)의 발(15R, 15L)을 내딛을 지점들은 일반적으로 주기함수로 기술되며, 지지상태들은 ZMP를 옮기는데 이용된다. SSP 상태에서 이동다리가 걸음을 만드는 동안에 ZMP가 지지다리의 발바닥 내에 머물러 있어야 한다. DSP 상태에서는 ZMP가 지지다리 발바닥 내부에서 이동다리 발바닥 내부로 빠르게 옮겨져야 한다. 연속적이고 안정된 보행 로봇(10)의 보행을 만들기 위해서는 위의 과정들이 반복되어야 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 보행 로봇의 제어 블록도로서, 설정부(50), 보행패턴 생성부(60), 제어부(70), 구동부(80), 모터(90) 및 위치/토크 검출부(100)를 포함하여 구성된다.

설정부(50)는 보행 로봇(10)이 안정한 보행을 하도록 다양한 보행 모션에 따라 목적하는 보행속도, 걸음 수, 보폭 등의 보행명령을 설정한다.

보행패턴 생성부(60)는 보행 로봇(10)이 목적하는 보행속도와 걸음 수, 보폭 등과 같은 보행명령이 주어지면 주어진 보행명령에 따라 보행패턴을 생성하는 것으 로, 이 보행패턴에 대응하는 일정 주파수를 가진 위상신호를 출력한다. 출력되는 위상신호는 각 다리(11R, 11L)의 보행 상태를 나타내는 것으로 각 다리(11R, 11L)를 다양한 보행 모션으로 구동하기 위한 신호이며, 보행패턴의 생성은 보행의 초기뿐만 아니라 보행 중에도 실시간으로 생성된다.

제어부(70)는 보행 로봇(10)의 전반적인 동작을 제어하는 것으로, 보행패턴 생성부(60)에서 생성된 보행패턴에 따라 보행 로봇(10)이 안정한 보행을 하도록 보행궤적을 산출하고, 역 운동학을 통해 각 다리(11R, 11L)의 관절((17R, 17L), (18R, 18L), (19R, 19L))의 모터 제어량을 산출한다.

구동부(80)는 제어부(70)에서 산출된 모터 제어량에 따라 각 다리(11R, 11L)의 관절((17R, 17L), (18R, 18L), (19R, 19L))을 움직이도록 모터(90)를 구동시킨다.

위치/토크 검출부(100)는 모터(90)의 위치와 토크를 검출하여 위치/토크 정보를 보행패턴 생성부(60)에 전달한다. 보행패턴 생성부(60)는 위치/토크 검출부에 의해 검출된 모터(90)의 위치/토크 정보를 전달받아 보행패턴을 변경하며, F/T센서에 의해 측정된 발(15R, 15L)의 모멘트 값을 전달받아 지면에 착지되는 발(15R, 15L)의 충격을 완화하도록 발바닥의 자세를 조정해 준다.

도 5는 본 발명의 실시예에 의한 보행 로봇의 착지 제어를 위한 제어신호의 생성 개념을 나타낸 도면이다.

도 5에서, 본 발명의 실시예에서는 보행 로봇(10)의 착지 제어를 위해 F/T센서의 측정 값을 사용한다. 보행 로봇(10)의 발(15R, 15L)이 지면에 착지될 때 발바 닥 또는 발목에 설치된 F/T센서(22R, 22L)에서 외력을 측정하여 외력에 순응하는 방향으로 발(15R, 15L;구체적으로, 발바닥)의 자세를 조정해 줌으로서 착지 시 보행 로봇(10)으로 전달되는 충격을 흡수할 수 있고, 보행속도(예를 들면, 정지, 보행, 주행 등)에 따라 발(15R, 15L;구체적으로, 발바닥)의 자세 조정 속도를 조절하여 발목 관절(17R, 17L)이 충격 흡수에 적절한 탄성 특성을 가질 수 있도록 한다.

본 발명의 실시예에 의한 착지 제어는 발바닥 또는 발목에 설치되는 F/T센서(22R, 22L)에 의해 측정되는 모멘트에 기초하여 보행 로봇(10)의 발바닥의 자세를 조정한다. F/T센서(22R, 22L)에 의해 측정되는 모멘트 값에 비례하여 발바닥의 자세를 조정하는 자세조정부(61)와, 자세조정부(61)의 출력을 완곡하게 하여 발바닥의 자세 조정이 유연하게 이루어질 수 있도록 하는 저역 통과 필터(62)와, 저역 통과 필터(62)의 주파수를 실시간으로 조정하여 자세조정부(61)의 출력 값이 변화하는 속도 즉, 자세 조정 속도를 조절하는 속도조절부(63)를 포함하여 발(15R, 15L;구체적으로, 발바닥)의 자세를 조정하기 위한 자세 제어 정보(Fp)를 출력한다.

이를 보다 자세히 설명하면, F/T센서(22R, 22L)에 의해 측정된 모멘트 값을 자세조정부(61)에서 전달받아 모멘트 값에 비례하도록 발(15R, 15L;구체적으로, 발바닥)의 자세를 조정한다. 발(15R, 15L;구체적으로, 발바닥)의 자세 조정은 도 6의 (B), (C)에 도시한 바와 같이, 발(15R, 15L;구체적으로, 발바닥)에 가해지는 외력의 방향을 따르며 출력은 저역 통과 필터(62)를 거친다. 저역 통과 필터(62)는 외력의 방향에 따라 급격하게 변화하는 자세조정부(61)의 출력을 완곡하게 하여 부드러운 자세 조정 효과를 갖도록 한다. 이때 속도조절부(63)는 F/T센서(22R, 22L)의 측정 모멘트 값에 비례하도록 저역 통과 필터(62)의 통과 주파수를 조정한다. 통과 주파수는 자세조정부(61)의 출력에 대한 지연 특성을 갖는데 통과 주파수가 낮을수록 출력 값이 느리게 변하며, 주파수가 높을수록 출력 값이 빠르게 변하는 성질을 이용하여 F/T센서(22R, 22L)의 측정 모멘트 값을 통과 주파수 조정에 사용한다. 이를 이용하면 느린 보행에서는 발바닥의 자세 조정이 느리게 수행되며, 빠른 보행에서는 그만큼 착지 충격이 크게 발생하므로 이를 흡수하기 위한 발바닥의 자세 조정도 신속하게 이루어지게 된다. 결과적으로 다양한 보행속도(예를 들어, 정지, 보행, 주행 등)에 관계없이 보행 로봇(10)의 착지 충격을 흡수하기에 적합한 탄성 특성을 갖게 되는 것이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 의한 보행 로봇의 착지 시 외력에 따라 조정되는 발바닥의 자세를 나타낸 도면이다.

도 6의 (A)는 보행 로봇(10)의 발바닥이 지면에 밀착된 상태를 나타낸 것이고, 도 6의 (B),(C)는 보행 로봇(10)의 발바닥이 외력에 대하여 순응하도록 F/T센서(22R, 22L)의 측정 값에 따라 발바닥의 자세를 조정한 상태를 나타낸 것으로, 발바닥을 힘의 방향으로 움직여서 힘의 영향을 상쇄하는 것이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 의한 보행 로봇의 착지 제어를 위한 방법을 나타낸 동작 순서도이다.

도 7에서, 보행 로봇(10)의 보행속도와 걸음 수, 보폭 등과 같은 보행명령이 설정되면(200), 보행패턴 생성부(60)에서는 양 발(15R, 15L)의 목표위치와 방향을 결정하여 이를 바탕으로 시간에 대한 양 발(15R, 15L)의 위치와 방향 궤 적(trajectory)을 만드는 보행패턴을 생성한다(202).

생성된 보행패턴은 제어부(70)에 전달되고 제어부(70)는 역 운동학을 통해 각 다리(11R, 11L)의 관절((17R, 17L), (18R, 18L), (19R, 19L))의 모터 제어량을 산출하여 구동부(80)에 전달한다(204).

따라서, 구동부(80)는 제어부(70)에서 산출된 모터 제어량에 따라 각 관절((17R, 17L), (18R, 18L), (19R, 19L))의 모터(90)를 구동하여 양 발(15R, 15L)의 위치와 방향을 제어함으로서 보행 로봇(10)이 안정한 보행을 수행하도록 한다(206).

보행 로봇(10)은 보행을 위해 양 발(15R, 15L)을 번갈아 가면서 지면에 착지하게 되는데 발(15R, 15L)이 지면에 착지될 때 보행 로봇(10)으로 충격이 전달된다. 이에 보행 로봇(10)의 발(15R, 15L)이 지면에 착지될 때 발바닥에 가해지는 외력을 측정하기 위해 발바닥 또는 발목에 설치된 F/T센서(22R, 22L)로부터 모멘트 값을 측정한다(208).

F/T센서(22R, 22L)로부터 측정된 모멘트 값은 자세조정부(61)와 속도조절부(63)에 전달되고 자세조정부(61)는 F/T센서(22R, 22L)의 측정 값에 비례하여 발바닥의 자세를 조정하고(210), 속도조절부(63)는 보행 로봇(10)의 보행속도에 따라 발바닥의 자세 조정 속도를 조절하여 착지 시 보행 로봇(10)으로 전달되는 충격을 적절히 흡수할 수 있도록 한다(212).

이후, 다음 보행 제어를 수행한다(214).

한편, 본 발명의 실시예에서는 위치 기반의 ZMP 제어방식으로 안정된 보행 모션을 수행하는 보행 로봇(10)을 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 보행 로봇(10)의 제한된 동작 상태(State)를 미리 정의해 두고(Finite State), 보행 시 제한된 동작 상태(State)를 순차적으로 변화시켜 안정된 보행 모션을 수행하는 토크 기반의 FSM(Finite State Machine) 제어방식에서도 본 발명과 동일한 목적 및 효과를 달성할 수 있음은 물론이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 보행 로봇의 ZMP 궤적을 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 보행 로봇의 제어 블록도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 보행 로봇 11R, 11L : 다리

15R, 15L : 발 17R, 17L : 발목 관절

18R, 18L : 무릎 관절 19R, 19L : 힙 관절

22R, 22L : F/T센서 50 : 설정부

60 : 보행패턴 생성부 61 : 자세조정부

62 : 저역 통과 필터 63 : 속도조절부

70 : 제어부 90 : 모터

Claims

보행 로봇의 착지되는 발의 모멘트를 측정하고;

상기 측정된 모멘트에 따라 상기 발의 자세를 외력에 순응하는 방향으로 조정하는 보행 로봇의 제어방법.
제1항에 있어서,

상기 발의 모멘트를 측정하는 것은,

지면에 대하여 상기 보행 로봇을 지지하는 발바닥의 모멘트를 측정하는 보행 로봇의 제어방법.
제2항에 있어서,

상기 발의 자세를 조정하는 것은,

상기 발바닥의 모멘트에 비례하여 상기 외력에 순응하는 방향으로 상기 발바닥을 움직이는 보행 로봇의 제어방법.
제3항에 있어서,

상기 외력에 순응하는 방향은 상기 보행 로봇의 착지 충격을 흡수하는 방향인 보행 로봇의 제어방법.
제3항에 있어서,

상기 발의 자세를 조정하는 응답 특성을 제어하는 것을 더 포함하는 보행 로봇의 제어방법.
제5항에 있어서,

상기 응답 특성의 속도를 실시간으로 조절하는 것을 더 포함하고,

상기 응답 특성의 속도를 조절하는 것은,

상기 보행 로봇의 보행속도에 따라 상기 발바닥의 자세를 조정하는 속도를 조절하는 보행 로봇의 제어방법.
보행 로봇의 착지되는 발의 모멘트를 측정하는 센서;

상기 측정된 모멘트에 따라 상기 발의 자세를 외력에 순응하는 방향으로 조정하는 자세조정부를 포함하는 보행 로봇.
제7항에 있어서,

상기 센서는 상기 보행 로봇의 발바닥에 설치되어 지면에 대하여 상기 보행 로봇을 지지하는 상기 발바닥의 모멘트를 측정하는 Force/Torque센서인 보행 로봇.
제8항에 있어서,

상기 자세조정부는 상기 발바닥의 모멘트에 비례하여 상기 보행 로봇의 착지 충격을 흡수하는 방향으로 상기 발바닥을 움직이는 보행 로봇.
제9항에 있어서,

상기 발의 자세를 조정하는 응답 특성을 제어하는 필터를 더 포함하는 보행 로봇.
제10항에 있어서,

상기 응답 특성의 속도를 실시간으로 조절하는 속도조절부를 더 포함하고,

상기 속도조절부는 상기 보행 로봇의 보행속도에 따라 상기 필터의 통과 주파수를 조절하여 상기 발바닥의 자세 조정 속도를 조절하는 보행 로봇.