KR20110084632A - 로봇의 보행 제어 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

로봇의 보행 제어 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일 측면에 따른 로봇의 보행 제어 장치는, 로봇의 복수 다리에 각각 마련된 관절부; 로봇의 자세를 감지하는 자세 감지부; 로봇의 자세로부터 보행 상태를 판단하는 보행 상태 판단부; 로봇의 자세로부터 로봇의 무게 중심을 판단하여 나트 포인트의 보상값을 산출하는 나트 포인트 보상값 산출부; 기준 나트 포인트를 나트 포인트 보상값으로 보상하여 목표 나트 포인트를 생성하고, 목표 나트 포인트를 이용하여 관절부의 목표 각도 궤적을 생성하는 목표 각도 궤적 생성부를 포함한다.
본 발명은 다음 스텝을 수행하기 위한 각 다리의 관절부의 각도 지령인 나트 포인트를 무게 중심에 기초하여 보상하고, 보상된 목표 나트 포인트를 스플라인으로 부드럽게 연결함으로서 사람의 보행과 최대한 유사한 보행을 수행할 수 있다.
또한 보행 중 균형을 유지하기 위해 현재 스텝 중간 지점의 관절부이 각도를 피드백하여 다음 스텝의 나트 포인트를 예측하여 조절함으로써 유연하고 안정적인 보행을 수행할 수 있다.

Description

로봇의 보행 제어 장치 및 그 제어 방법{Walking control apparatus of robot and method for controlling the same}
본 발명은 복수의 다리에 마련된 관절부의 구동을 제어하여 안정된 보행을 수행하도록 하는 로봇의 보행 제어 방법 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
로봇은 사람과 유사한 관절 체계를 가지고, 이 관절 체계를 이용하여 사람의 손발과 같은 동작을 하는 기계이다.
초기에는 공장의 생산 작업의 자동화, 무인화를 위한 산업용 로봇의 개발이 진행되었으나, 최근에는 사람에게 각종 서비스를 제공하기 위한 서비스용 로봇의 개발이 활발히 진행되고 있다.
이러한 서비스용 로봇은 대부분 사람의 보행을 모방한 보행을 수행하면서 사람에게 서비스를 제공한다. 이로 인해 로봇의 보행에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.
로봇의 보행 제어 방법은, 위치 기반(로봇 관절의 목표위치를 추종해야함을 의미한다)의 Zero Moment Point(이하, ZMP라 한다) 제어방법, 토크 기반(로봇 관절의 목표토크를 추종해야함을 의미한다)의 동적 보행 제어방법 또는 Finite State Machine(이하, FSM라 한다) 제어 방법이 있다.
ZMP 제어방법은 ZMP구속조건, 즉 ZMP가 지지하는 다리로 이루어진 지지다각형 내의 안전영역(한발로 지지하고 있을 경우에는 그 발의 영역, 양발로 지지하고 있을 경우에는 양발의 영역을 포함하는 convex polygon내에서 안전을 고려하여 작게 설정한 영역을 의미한다)에 존재해야한다는 조건을 만족하도록 보행 방향, 보행 폭, 보행 속도 등을 미리 설정하고, 이 설정에 대응하는 각 다리의 보행 패턴을 생성하며, 그 보행 패턴에 따라 각 다리의 보행 궤적을 계산한다.
또한 계산된 보행 궤적의 역기구학(Inverse Kinematics) 계산을 통해 각 다리의 관절의 위치를 계산하고, 각 관절의 현재 위치와 목표 위치에 기초하여 각 관절의 목표 제어 값을 계산한다.
토크 기반의 동적 보행 제어방법은, 매 제어시간마다 각각의 다리가 계산된 보행 궤적을 추종하도록 하는 서보 제어(servo control)를 통해 구현된다. 즉, 보행 시 각 다리의 위치가 보행 패턴에 따른 보행 궤적을 정확히 추종하는지 검출하고, 각 다리가 보행 궤적을 이탈하면 모터의 토크를 조절하여 각 다리가 보행 궤적을 정확히 추종하도록 제어한다.
FSM 제어방법은, 매 제어시간마다 위치를 추종하여 보행하는 방식이 아니라 보행 로봇의 각 동작 상태(State)를 미리 정해 두고 보행 시 각 동작 상태(여기서 상태라 함은 FSM에서의 상태(state)를 의미한다)를 참조하여 각 관절의 목표 토크를 계산하고 이를 추종하도록 제어하여 보행하는 방식이다.
FSM 제어방법은, 보행 시 동작 상태를 바꿈으로써 로봇이 다양한 포즈를 취할 수 있으나 한정된 동작 상태에서 선정해야 하는 제약으로 인하여 임무 수행을 위한 보행 동작과 관계 없이 로봇의 균형을 잡기 위한 별도의 동작을 하게 된다.
그러나 ZMP 제어 방법은 위치 기반의 제어 방법이기 때문에 정확한 위치 제어가 가능한 반면, 이를 위해 각 관절의 정확한 각도 제어를 수행해야 하므로 높은 서보 게인을 필요로 한다. 이로 인해 높은 전류를 필요로 하기 때문에 에너지 효율이 낮고 관절의 강성이 커져서 주위 환경에서의 충돌 시 큰 충격을 가할 수 있다.
또한, 주어진 COG와 Foot의 보행패턴으로부터 역기구학을 통하여 각 관절의 각도를 계산하기 위해선 기구학적 특이점(Kinematic Singularity)을 피해야 하므로 보행 중 무릎을 항상 굽힌 자세를 유지하게 되어 인간과 다른 부자연스러운 보행을 할 수 밖에 없다.
토크 기반의 동적 보행(Dynamic Walking) 제어 방법은 안정적인 보행을 위해서 동적 방정식(Dynamics Equation)을 풀어야 하나, 공간 상에서 임의의 방향을 구현 할 수 있는 6자유도 다리를 가진 로봇의 동적 방정식이 너무 복잡하므로, 실제로는 4자유도 이하 다리를 가진 로봇에만 적용되어 왔다.
FSM 제어 방법은 토크 명령에 의해 제어가 이루어지고 탄성 메커니즘에 적용할 수 있기 때문에 에너지 효율이 높고 강성이 낮아서 주위 환경에 대해 안전하지만, 정확한 위치 제어가 불가능하기 때문에 계단을 올라가거나 장애물을 피하는 등의 정확한 전신 모션을 수행하기 어렵다.
로봇의 안정된 보행을 유지하기 위한 로봇의 보행 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
로봇 보행의 효율과 성능을 개선하기 위한 로봇의 보행 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
일 측면에 따른 로봇의 보행 제어 장치는, 로봇의 복수 다리에 각각 마련된 관절부; 로봇의 자세를 감지하는 자세 감지부; 로봇의 자세로부터 보행 상태를 판단하는 보행 상태 판단부; 로봇의 자세로부터 로봇의 무게 중심을 판단하여 나트 포인트(Knot Point)의 보상값을 산출하는 나트 포인트 보상값 산출부; 기준 나트 포인트를 나트 포인트 보상값으로 보상하여 목표 나트 포인트를 생성하고, 목표 나트 포인트를 이용하여 관절부의 목표 각도 궤적을 생성하는 목표 각도 궤적 생성부를 포함한다.
목표 각도 궤적을 추종하는 토크를 산출하는 토크 산출부; 관절부로 토크를 출력하여 로봇의 보행을 제어하는 서보 제어부를 더 포함한다.
목표 각도 궤적 생성부는, 목표 나트 포인트를 스플라인으로 연결하는 스플라인 생성부를 포함한다.
나트 포인트 보상값 산출부는, 무게 중심의 변화 가속도를 판단하고, 판단된 무게 중심의 변화 가속도와 기준 가속도를 비교하여 나트 포인트 보상값을 산출한다.
나트 포인트 보상값 산출부는, 무게 중심이 X축 방향으로 변화된 거리를 판단하고, 판단된 무게 중심의 변화 거리와 기준 거리를 비교하여 나트 포인트 보상값을 산출한다.
나트 포인트 보상값 산출부는, 무게 중심이 Y축 방향으로 변화된 거리를 판단하고, 판단된 무게 중심의 변화 거리와 기준 거리를 비교하여 나트 포인트 보상값을 산출한다.
목표 나트 포인트는, 고관절부의 목표 롤 각도와 목표 피치 각도 중 적어도 어느 하나이다.
보행 상태 판단부는, 지면에 접촉된 지지 다리와, 지면에 비접촉된 스윙 다리를 판단한다.
목표 각도 궤적 생성부는, 지지 다리와 스윙 다리의 관절부의 기준 나트 포인트를 생성하고, 나트 포인트 보상값을 이용하여 기준 나트 포인트를 보상하고, 보상된 나트 포인트를 이용하여 지지 다리와 스윙 다리의 관절부의 목표 각도 궤적을 생성한다.
목표 각도 궤적 생성부는, 스윙 다리의 관절부의 기준 나트 포인트를 생성하고, 나트 포인트 보상값을 이용하여 기준 나트 포인트를 보상하고, 보상된 나트 포인트를 이용하여 스윙 다리의 관절부의 목표 각도 궤적을 생성한다.
다른 측면에 따른 로봇의 보행 제어 방법은, 로봇의 보행 시 로봇의 보행 상태를 판단하고, 로봇의 보행 상태에 대응하는 기준 나트 포인트를 생성하고, 로봇의 무게 중심을 감지하여 나트 포인트 보상값을 산출하고, 기준 나트 포인트에 나트 포인트 보상값을 보상한 목표 나트 포인트를 생성하고, 목표 나트 포인트를 연결하여 로봇의 다리에 마련된 관절부의 목표 각도 궤적을 생성한다.
목표 각도 궤적을 추종하는 토크를 산출하고, 토크에 대응하는 PWM을 생성하여 로봇의 관절부로 출력한다.
목표 각도 궤적을 생성하는 것은, 목표 나트 포인트를 스플라인으로 연결한다.
보행 상태를 판단하는 것은, 로봇의 발의 하중을 감지하고, 하중이 감지된 다리를 지면에 접촉된 지지 다리로 판단하고, 하중이 미감지된 다리를 지면에 비접촉된 스윙 다리로 판단한다.
나트 포인트 보상값을 산출하는 것은, 무게 중심의 롤 방향의 가속도를 판단하고, 판단된 무게 중심의 롤 방향의 가속도와 기준 무게 중심의 롤 방향의 가속도를 비교하여 나트 포인트 보상값을 산출한다.
목표 각도 궤적을 생성하는 것은, 로봇의 다리에 마련된 고관절부의 롤 목표 각도 궤적을 생성한다.
목표 각도 궤적을 생성하는 것은, 로봇의 지지 다리와 스윙 다리에 마련된 고관절부의 롤 목표 각도 궤적을 생성한다.
나트 포인트 보상값을 산출하는 것은, 무게 중심이 X축 방향으로 변화된 거리를 판단하고, 판단된 X축 방향의 무게 중심의 변화 거리와 X축 방향의 기준 거리를 비교하여 롤 나트 포인트 보상값을 산출하고, 무게 중심이 Y축 방향으로 변화된 거리를 판단하고, 판단된 Y축 방향의 무게 중심의 변화 거리와 Y축 방향의 기준 거리를 비교하여 피치 나트 포인트 보상값을 산출한다.
목표 각도 궤적을 생성하는 것은, 로봇의 다리에 마련된 고관절부의 롤 목표 각도 궤적을 생성하고, 로봇의 다리에 마련된 고관절부의 피치 목표 각도 궤적을 생성한다.
목표 각도 궤적을 생성하는 것은, 로봇의 스윙 다리에 마련된 고관절부의 롤 목표 각도 궤적 및 피치 목표 각도 궤적을 생성한다.
로봇의 보행 중 현재 스텝에서 나트 포인트 보상값을 산출하고, 로봇의 보행 중 다음 스텝의 기준 나트 포인트를 생성하고, 다음 스텝의 기준 나트 포인트를 보상하여 다음 스텝의 관절부의 목표 각도 궤적을 생성하는 것을 더 포함한다.
일 측면에 따르면 FSM 제어 및 토크 서보 제어를 수행하여 보행을 수행함으로써 각 관절의 회전 각도를 정확하게 제어할 필요가 없기 때문에 낮은 서보 게인으로 보행이 가능하여 에너지 소비를 줄일 수 있다.
또한 낮은 서보 게인으로 로봇의 보행이 가능하여 각 관절이 저강성을 가짐으로써 주위 환경과의 충돌 시 충격을 줄일 수 있다.
또한 무릎 펴기 보행을 할 수 있어 인간형 보행을 구현하여 로봇의 인간 친화성을 향상시킬 수 있고, 로봇의 무릎 굽힘을 위해 필요한 에너지를 절약할 수 있다.
또한, 다음 스텝을 수행하기 위한 각 다리의 관절부의 각도 지령인 나트 포인트를 무게 중심에 기초하여 보상하고, 보상된 목표 나트 포인트를 스플라인으로 부드럽게 연결함으로서 사람의 보행과 최대한 유사한 보행을 수행할 수 있다.
또한 보행 중 균형을 유지하기 위해 현재 스텝 중간 지점의 관절부이 각도를 피드백하여 다음 스텝의 나트 포인트를 예측하여 조절함으로써 유연하고 안정적인 보행을 수행할 수 있다. 이에 따라 로봇 보행의 효율과 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 로봇의 예시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 로봇의 관절 구조 예시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 로봇의 보행 시 한 스텝의 다리 상태 예시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 로봇의 보행 제어 장치의 제어 구성도이다.
도 5a 및 도 5b는 일 실시예에 따른 로봇의 무게 중심의 변화 예시도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 로봇의 보행 제어 장치에 마련된 보행 상태 판단부의 상세 구성도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 로봇의 보행 제어 장치에 마련된 목표 각도 궤적 생성부의 상세 구성도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 로봇의 보행 제어 장치의 목표 각도 궤적 생성 예시도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 로봇의 보행 제어 방법의 순서도이다.
도 10a 및 도 10b는 다른 실시예에 따른 로봇의 보행 제어 장치의 목표 각도 궤적 생성 예시도이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 로봇의 예시도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 로봇의 관절 구조 예시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 로봇(100)은 머리, 몸통, 팔로 이루어진 상체와, 복수의 다리로 이루어진 하체를 가진다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 로봇(100)의 상체는 몸통(102)과, 몸통(102)의 상부에 목(120)을 통해 연결된 머리(104)와, 몸통(102)의 상부 양측에 어깨(114L, 114R)를 통해 연결된 두 개의 팔(106L, 106R)과, 이 두 개의 팔(106L, 106R)의 말단에 각각 연결된 손(108L, 108R)으로 이루어진다.
로봇(100)의 하체는 상체의 몸통(102) 하부 양측에 연결된 두 개의 다리(110L, 110R)와, 두 개의 다리(110L, 110R) 말단에 각각 연결된 발(112L, 112R)로 이루어진다.
여기서 머리(104), 두 개의 팔(106L, 106R), 두 개의 다리(110L, 110R), 두 개의 손(108L, 108R)과 두 개의 발(112L, 112R)은 각각 관절을 통해 일정 수준의 자유도를 갖는다.
상체의 몸통(102) 내부는 커버(116)에 의해 보호된다. 참조 부호에서 "R"과 "L"는 각각 로봇(100)의 우측(Right)과 좌측(Left)을 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 머리(104)에는 주위를 촬영하는 카메라(41)와, 사용자 음성을 입력하는 마이크로폰(42)이 설치된다.
머리(104)는 목 관절부(280)를 통해 상체의 몸통(102)과 연결된다. 목 관절부(280)는 요우 방향(yaw, Z축 회전)의 회전 관절(281), 피치 방향(pitch, Y축 회전)의 회전 관절(282) 및 롤 방향(roll, X축 회전)의 회전 관절(283)을 포함하여 3 자유도를 가진다.
목 관절부(280)의 회전 관절(281, 282, 283)은 머리 회전용 모터들(미도시)이 각각 연결된다.
어깨 관절부(250L, 250R)는 상체의 몸통(102)의 양측에 장착되어 두 개의 팔(106L, 106R)을 상체의 몸통(102)에 연결한다.
두 개의 팔(106L, 106R)은 상박골부(31), 하박골부(32) 및 손(33)을 가진다.
좀 더 구체적으로, 상박골부(31)는 어깨 관절부(250L, 250R)를 통해 상체(102)에 연결되고, 상박골부(31)와 하박골부(32)는 팔꿈치 관절부(260)를 통해 서로 연결되며, 하박골부(32)와 손(33)은 손목 관절부(270)를 통해 서로 연결된다.
팔꿈치 관절부(260)는 피치 방향의 회전 관절(261)과, 요우 방향의 회전 관절(262)를 포함하여 2 자유도를 가지고, 손목 관절부(270)는 피치 방향의 회전 관절(271)과 롤 방향의 회전 관절(272)을 포함하여 2 자유도를 가진다.
손(33)에는 5개의 손가락(33a)이 설치된다. 각각의 손(33a)에는 모터에 의해 구동되는 다수의 관절(미도시)들이 설치될 수 있다. 손가락(33a)은 팔(106)의 움직임에 연동하여 물건을 파지하거나 특정 방향을 가리키는 것과 같은 다양한 동작을 실행한다.
상체의 몸통(102)에는 상체가 회전할 수 있도록 요우(Yaw) 방향의 회전 관절(15)이 설치된다.
또한 상체의 몸통(102)을 구성하는 가슴과 허리 사이에는 가슴이 허리에 대해 회전할 수 있도록 요우(Yaw) 방향의 회전 관절(15)이 설치된다.
상체의 몸통(102)에는 연직축에 대한 상체의 경사 각도와 그 각속도를 검출하는 상체 포즈 센서(pose sensor: 14)가 더 설치되는 것도 가능하다.
로봇(100)의 두 개의 다리(110L, 110R)는 각각 대퇴골부(21)와 하퇴골부(22), 발(112L, 112R)을 가진다.
대퇴골부(21)는 고관절부(210)를 통해 상체의 몸통(102)에 연결되고, 대퇴골부(21)와 하퇴골부(22)는 무릎 관절부(220)를 통해 서로 연결되며, 하퇴골부(22)와 발(112L, 112R)은 발목 관절부(230)를 통해 서로 연결된다.
고관절부(210)는 3 자유도를 가진다. 좀 더 구체적으로 고관절부(210)는 요 방향(yaw, Z축 회전)의 회전 관절(211)과, 피치 방향(pitch, Y축 회전)의 회전 관절(212), 롤 방향(roll, X축 회전)의 회전 관절(213)을 갖는다.
무릎 관절부(220)는 피치 방향의 회전 관절(221)을 포함하여 1 자유도를 가진다.
발목 관절부(230)는 피치 방향의 회전 관절(231)과 롤 방향의 회전 관절(232)을 포함하여 2 자유도를 가진다.
이에 따라 로봇 보행 시 로봇이 균형을 유지하면서 안정적이고 자연스러운 보행을 수행할 수 있도록 한다. 이를 도 4를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 4는 일 실시예에 따른 로봇의 보행 제어 장치의 구성도이다.
로봇의 보행 제어 장치는 사용자 인터페이스부(미도시)로부터 보행 지시 명령이 전송되면, 안정된 보행이 이루어지도록 사용자 인터페이스부(미도시)를 통하여 입력된 사용자 명령과 로봇의 자세를 바탕으로 각 관절부(210)에 설치된 모터 등의 액추에이터의 구동을 제어한다.
이러한 로봇의 보행 제어 장치는 자세감지부(310), 보행상태 판단부(320), 나트 포인트 보상값 산출부(330), 목표 각도 궤적 생성부(340), 토크 산출부(350), 서보 제어부(350)를 포함한다.
자세 감지부(310)는 로봇의 자세를 감지하여 감지된 자세 정보를 보행 상태 판단부(320) 및 나트 포인트 보상값 산출부(330)로 전송한다. 여기서 로봇의 자세 정보는 로봇의 착지 여부 정보, 착지에 의해 변경된 지지 다리와 스윙 다리 정보 및 로봇 무게 중심 정보이다.
이러한 자세 감지부(310)는 로봇의 무게 중심의 변화를 감지하는 무게 중심 감지부(미도시)와, 로봇의 착지 여부 및 착지 여부에 대응하는 지지 다리와 스윙 다리를 감지하는 힘/토크 감지부(24)를 가진다.
자세 감지부(310)의 무게 중심 감지부는 로봇 보행 시 로봇의 실제 자세에 대응한 각 관절부의 회전 각도에 기초하여 로봇의 무게 중심을 감지하고, 감지된 무게 중심의 변화를 산출하고, 산출된 무게 중심의 변화를 나트 포인트 보상값 산출부(330)로 전송한다.
즉, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 무게 중심 감지부는 로봇의 보행 방향에 대응한 X축 방향의 무게 중심 변화(Px)와, 로봇의 좌우 방향에 대응한 Y축 방향의 무게 중심 변화(Py)를 감지한다.
여기서 무게 중심의 변화는 로봇의 무게 중심의 연직선 위치와 지면에 디딘 발의 발목 위치 사이의 거리이다.
즉, 로봇은 보행 시 균형을 이루기 위해서 로봇의 무게 중심(COM: Center Of Mass)의 연직선이 지면에 디딘 발의 발목 위치와 일치해야 하기 때문에 로봇의 무게 중심의 연직선 위치와 지면에 디딘 발의 발목 위치 사이의 거리를 감지하는 것이다.
여기서 가속도는 거리를 미분하여 속도를 획득하고 획득된 속도를 다시 미분하여 획득된다.
힘/토크 감지부(24)는 다축 F/T 센서로, 발(112L, 112R)의 착지 여부, 착지에 대응하는 지지 다리와 스윙 다리를 판단하기 위해 발(112L, 112R)에 가해지는 하중을 감지하여 로봇의 자세 정보를 발생시킨다.
즉, 발(112L, 112R)에 가해지는 하중을 감지하기 위해 발(112L, 112R)로부터 전달되는 힘의 3방향 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향 성분(θx, θy, θz)을 감지하여 보행 상태 판단부(320)로 전송한다.
보행 상태 판단부(320)는 자세 감지부(310)의 힘/토크 감지부(24)에서 감지된 각 다리의 발에 가해지는 하중에 기초하여 착지 여부를 판단하고 또한 각 다리의 상태가 지지(Support) 상태인지, 스윙(Swing) 상태인지 판단한다.
즉, 하중이 감지된 다리를 지면에 접촉된 지지 다리로 판단하고, 하중이 미감지된 다리를 지면에 비접촉된 스윙 다리로 판단한다.
아울러 두 발이 각각 지면에 착지할 경우 발목의 힘/토크 감지부(24)에서 감지된 착지신호에 기초하여 각 발의 지지 상태와 스윙 상태의 전환(Switching)이 일어난다. 이를 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 일 실시예에 따른 로봇의 보행 제어 장치에 마련된 보행 상태 판단부의 상세 구성도이다.
보행 상태 판단부(320)는 두 다리 중 적어도 하나의 다리의 발에 하중이 가해지면 착지 상태라고 판단한다.
보행 상태 판단부(320)는 두 다리 중 어느 다리에 하중에 가해지는지 판단하고, 이때 우측 다리의 발에 하중이 가해진다고 판단되면 우측 다리는 지지 상태이고 좌측 다리는 스윙 상태라고 판단하고 이 상태를 '상태 머신 0'으로 인식한다.
그리고, 보행 상태 판단부(320)는 좌측 다리의 발에 하중이 가해진다고 판단되면 좌측 다리는 지지 상태이고 우측 다리는 스윙 상태라고 판단하고 이를 '상태 머신 1'로 인식하고, 인식 데이터를 목표 각도 궤적 생성부(340)로 전송한다.
이러한 보행 상태 판단부(320)는 FSM(Finite State Machine)에 기반을 둔 두 다리의 보행 상태 데이터가 저장되어 있다. 여기서 FSM은 두 다리의 제한된 상태 변화를 순차적으로 나타낸 것이다.
나트 포인트 보상값 산출부(330)는 자세 감지부(310)의 무게 중심 감지부에서 감지된 무게 중심 변화 정보에 기초하여 기준 나트 포인트의 보상값을 산출한다.
좀 더 구체적으로, 나트 포인트 보상값 산출부(330)는 자세 감지부(310)의 무게 중심 감지부에서 감지된 현재 실제의 무게 중심의 변화 정보와 현재의 기준 무게 중심의 변화 정보를 비교하여 기준 나트 포인트를 보상하기 위한 보상값을 산출한다. 이때 미분(Derivative) 제어를 이용하여 나트 포인트 보상값을 산출한다.
즉, 미분(Derivative) 제어를 이용한 나트 포인트 보상값 산출 식은 다음과 같다.
(식 1) △S=Kd * (Pc' - Pr')
여기서 kd는 미분제어의 D게인(gain)이고, Pc'는 실제 무게 중심의 변화 정보이고, Pr'는 기준 무게 중심의 변화 정보이다.
여기서 Pc는 로봇의 보행 방향에 대응한 X축 방향의 실제 무게 중심 변화(Px)이다. 즉 Pc는 로봇의 무게 중심의 연직선 위치와 지면에 디딘 발의 발목 위치 사이의 실제 거리이고, Pc'는 이 실제 거리를 미분한 실제 가속도이다.
그리고 Pr는 로봇의 보행 방향에 대응한 X축 방향의 기준 무게 중심 변화이다. 즉 Pr는 로봇의 무게 중심의 연직선 위치와 지면에 디딘 발의 발목 위치 사이의 기준 거리이고, Pc'는 이 기준 거리를 미분한 기준 가속도이다.
D게인(kd)은 반복 실험에 의하여 정해진 값으로, 최적의 안정된 보행이 수행되도록 하는 게인이고, 기준 무게 중심의 변화 정보는 로봇의 보행 상태에 대응하여 미리 설정되어 있다.
목표 각도 궤적 생성부(340)는 보행 상태 판단부(320)에서 판단된 현재 스텝의 각 다리 상태 정보에 기초하여 다음 스텝의 각 다리의 관절부의 기준 각도 궤적을 생성한다.
이때, 목표 각도 궤적 생성부(340)는 다음 스텝의 중간 지점 및 마지막 지점에서의 고관절부(210)의 각도를 기준 나트 포인트(Knot Point)로 정하고, 이 기준 나트 포인트를 연결하여 기준 각도 궤적을 생성한다.
여기서 한 스텝의 중간 지점 및 마지막 지점에서의 지지 다리와 스윙 다리의 고관절부(210)의 각도는 실험에 의해 미리 정해진 것이다.
그리고 목표 각도 궤적 생성부(340)는 다음 스텝의 기준 나트 포인트에 현재 상태에서 산출된 나트 포인트 보상값을 적용하여 목표 나트 포인트를 생성하고, 이 목표 나트 포인트를 연결하여 목표 각도 궤적을 생성하며, 생성된 목표 각도 궤적을 토크 산출부(350)로 전송한다. 이를 도 7 및 도 8을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명한다.
도 7은 일 실시예에 따른 로봇의 보행 제어 장치에 마련된 목표 각도 궤적 생성부(340)의 상세 구성도이고, 도 8은 일 실시예에 따른 로봇의 보행 제어 장치의 목표 각도 궤적 생성 예시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 목표 각도 궤적 생성부(340)는 지지 나트 포인트 보상부(341), 스윙 나트 포인트 보상부(342), 스플라인 생성부(343, 344), 스위치부(345), 좌측 다리 각도 궤적 생성부(346), 우측 다리 각도 궤적 생성부(347)를 포함한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 지지 나트 포인트 보상부(341)는 다음 스텝(K=1)에서 지지될 지지 다리의 고관절부(210)의 기준 나트 포인트에 나트 포인트 보상값 산출부(330)에서 산출된 현재 스텝(K=-1)의 나트 포인트 보상값(△S)을 보상하여 목표 나트 포인트를 생성한다.
또한 스윙 나트 포인트 보상부(342)는 다음 스텝(K=1)에서 스윙될 스윙 다리의 고관절부(210)의 기준 나트 포인트에 나트 포인트 보상값 산출부(330)에서 산출된 현재 스텝(K=-1)의 나트 포인트 보상값(△S)을 보상하여 목표 나트 포인트를 생성한다.
이때 지지 다리와 스윙 다리의 고관절부(210)의 각 기준 나트 포인트는 고관절부의 기준 롤 각도이고, 목표 나트 포인트는 고관절부의 목표 롤 각도이다.
스플라인 생성부(343, 344)는 지지 나트 포인트 보상부(341) 및 스윙 나트 포인트 보상부(342)에서 보상된 목표 나트 포인트를 스플라인으로 각각 연결하여 각 다리의 고관절부의 목표 각도 궤적을 각각 생성한다.
이때 스플라인 생성부(343, 344)는 목표 나트 포인트(K=1)를 기준으로 이 목표 나트 포인트와 인접하게 위치한 나트 포인트를 연결한다. 즉, 목표 나트 포인트(K=1)를 기준으로 목표 나트 포인트(K=1)의 이전에 존재하는 나트 포인트(K=0)와 이후에 존재하는 나트 포인트(K=2)를 연결한다.
스위치부(345)는 보행 상태 판단부(320)에서 전송된 각 다리의 보행 상태 데이터(0 또는 1)에 대응하여 지지 및 스윙하는 다리를 판단하고, 판단결과에 따라 지지하는 다리로 지지 목표 각도 궤적 데이터를 전송하고, 스윙하는 다리로 스윙 목표 각도 궤적 데이터를 전송한다.
좌측 다리 각도 궤적 생성부(346)는 스위치부(345)로부터 전송된 목표 각도 데이터에 따라 좌측 다리의 고관절부(210) 추종해야 할 좌측 목표 각도 궤적을 생성하여 토크 산출부(350)로 전송한다.
즉, 좌측 다리가 지지하는 상태일 때 지지 목표 각도 궤적 데이터가 전송되고, 좌측 다리가 스윙하는 상태일 때 스윙 목표 각도 궤적 데이터가 전송된다.
우측 다리 각도 궤적 생성부(347)는 스위치부(345)로부터 전송된 목표 각도 데이터에 따라 우측 다리의 고관절부(210)가 추종해야 할 우측 목표 각도 궤적을 생성하여 토크 산출부(350)로 전송한다.
즉, 우측 다리가 지지하는 상태일 때 지지 목표 각도 궤적 데이터가 전송되고, 우측 다리가 스윙하는 상태일 때 스윙 목표 각도 궤적 데이터가 전송된다.
토크 산출부(350)는 목표 각도 궤적 생성부(340)에서 전송된 각 다리의 목표 각도 궤적을 추종하기 위한 토크를 산출한다. 이때 각 다리의 고관절부(210)의 롤 각을 제어하기 위한 토크를 산출한다.
이러한 토크 산출부(350)는 고관절부(210)에 인가될 토크 산출 시 PD(Proportional-Derivative)제어를 이용하며, 토크 산출식은 다음과 같다.
(식2) T = kp1(θd-θc) + kd2(θd' - θc')
여기서 kp은 PD제어의 P게인(gain), kd은 PD제어의 D게인(gain)이고, θd는 고관절부의 다음 스텝의 목표 각도이고 θc는 고관절부의 현재 스텝에서의 실제 각도이다. 그리고 P, D 게인은 안정적인 보행이 가능하도록 하는 게인으로 실험을 통해 획득된 것이다.
여기서 토크는 목표 각도 궤적을 추종하기 위해 고관절부에 인가될 회전력이다.
서보 제어부(360)는 토크 산출부(350)에서 산출된 토크를 생성하기 위해 산출된 토크에 대응하는 PWM을 제어하여 관절부(210)로 출력한다.
이와 같이 무게 중심의 변화 정보를 이용하여 고관절부의 롤 각도를 보상하면서 위치 각도 궤적을 조절함으로써 로봇의 안정적인 보행을 수행할 수 있다.
아울러 각 관절부의 상태 따라 각 관절부의 임피던스 제어(강성 제어)를 수행하기 위한 신호를 출력하는 임피던스 제어부(미도시)를 더 포함하는 것도 가능하다.
도 9는 일 실시예에 따른 로봇의 보행 제어 방법의 순서도로, 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한다.
사용자인터페이스부(미도시)를 통해 로봇의 보행을 지시하기 위한 사용자의 명령이 입력되는지 판단하고, 로봇의 보행이 지시(410)되었다고 판단되면 로봇의 자세를 감지(420)한다.
로봇의 자세 감지 데이터 중 각 발목에 가해지는 하중을 판단하고, 각 발목에 가해지는 하중에 기초하여 지지하는 다리와 스윙하는 다리를 판단(430)하고, 다음 스텝의 지지 다리와 스윙 다리의 관절부의 기준 나트 포인트를 생성(440)한다.
다음, 로봇의 자세 감지 데이터 중 로봇의 무게 중심의 변화 정보를 판단하고, 현재 스텝에서의 실제 무게 중심의 변화 정보와 현재 스텝에서의 기준 무게 중심의 변화 정보를 비교하여 나트 포인트 보정값을 산출(450)한다.
이때 미분(Derivative) 제어를 이용하여 나트 포인트 보상값을 산출한다.
즉, 미분(Derivative) 제어를 이용한 나트 포인트 보상값 산출 식은 다음과 같다.
(식 1) △S=Kd * (Pc' - Pr')
여기서 kd는 미분제어의 D게인(gain)이고, Pc'는 실제 무게 중심의 변화 정보이고, Pr'는 기준 무게 중심의 변화 정보이다.
D게인(kd)은 반복 실험에 의하여 정해진 값으로, 최적의 안정된 보행이 수행되도록 하는 게인이고, 기준 무게 중심의 변화 정보는 로봇의 보행 상태에 대응하여 미리 설정되어 있다.
그리고 다음 스텝(K=1)에서 지지할 지지 다리의 고관절부(210)의 기준 나트 포인트에 현재 스텝(K=-1)의 나트 포인트 보상값(△S)을 보상하여 목표 나트 포인트를 생성한다.
또한 다음 스텝(K=1)에서 스윙할 스윙 다리의 고관절부(210)의 기준 나트 포인트에 현재 스텝(K=-1)의 나트 포인트 보상값(△S)을 보상(460)하여 목표 나트 포인트를 생성한다.
이때 지지 다리와 스윙 다리의 고관절부(210)의 각 기준 나트 포인트는 고관절부의 기준 롤 각도이고, 목표 나트 포인트는 고관절부의 목표 롤 각도이다.
다음, 각 다리의 목표 나트 포인트를 스플라인으로 각각 연결하여 각 다리의 고관절부(210)의 목표 각도 궤적을 각각 생성(470)한다.
이때 목표 나트 포인트(K=1)를 기준으로 목표 나트 포인트(K=1)와 목표 나트 포인트(K=1)의 이전에 존재하는 나트 포인트(K=0)를 스플라인으로 연결하고, 또한 목표 나트 포인트(K=1)와 이후에 존재하는 나트 포인트(K=2)를 스플라인으로 연결한다.
다음, 보행 상태 판단부(320)에서 판단된 각 다리의 보행 상태 데이터(0 또는 1)에 대응하여 다음 스텝의 지지 및 스윙할 다리를 판단하고, 지지할 다리의 고관절부(210)의 롤 각도를 지지 목표 각도 궤적을 추종하도록 하고, 스윙할 다리의 고관절부(210)의 롤 각도를 스윙 목표 각도 궤적을 추종하도록 한다.
즉, 지지 및 스윙 다리에 대응하여 우측 및 좌측 다리의 고관절부(210)가 추종해야 목표 각도 궤적을 생성한다.
각 다리의 목표 각도 궤적을 추종하기 위한 토크를 산출(480)한다. 이때 각 다리의 고관절부(210)의 롤 각을 제어하기 위한 토크를 산출한다.
각 다리의 고관절부(210)에 인가될 토크 산출 시 PD(Proportional-Derivative)제어를 이용하며, 토크 산출식은 다음과 같다.
(식2) T = kp1(θd-θc) + kd2(θd' - θc')
여기서 kp은 PD제어의 P게인(gain), kd은 PD제어의 D게인(gain)이고, θd는 고관절부의 다음 스텝의 목표 각도이고 θc는 고관절부의 현재 스텝에서의 실제 각도이다. 그리고 P, D 게인은 안정적인 보행이 가능하도록 하는 게인으로 실험을 통해 획득된 것이다.
다음, 산출된 토크를 생성하기 위해 산출된 토크에 대응하는 PWM을 제어하여 고관절부(210)로 출력(490)한다.
이와 같이, 다음 스텝을 수행하기 위한 각 다리의 관절부의 각도 지령인 나트 포인트를 무게 중심에 기초하여 보상하고, 보상된 목표 나트 포인트를 스플라인으로 부드럽게 연결함으로서 사람의 보행과 최대한 유사한 보행을 수행할 수 있다.
또한 보행 중 균형을 유지하기 위해 현재 스텝 중간 지점의 관절부이 각도를 피드백하여 다음 스텝의 나트 포인트를 예측하여 조절함으로써 유연하고 안정적인 보행을 수행할 수 있다.
일 실시예는 로봇의 각 다리에 마련된 고관절부의 롤 각도를 제어하는 구성으로, 다른 실시예는 로봇의 스윙할 다리에 마련된 고관절부의 롤 각도 및 피치 각도를 제어하는 구성이다.
이러한 다른 실시예에 따른 로봇의 보행 제어 장치를 도 4 및 도 10을 참조하여 설명한다.
로봇의 보행 제어 장치의 자세 감지부(310)는 로봇의 자세를 감지하여 감지된 자세 정보를 보행 상태 판단부(320) 및 나트 포인트 보상값 산출부(330)로 전송한다.
여기서 로봇의 자세 정보는 로봇의 착지 여부 정보, 착지에 의해 변경된 지지 다리와 스윙 다리 정보 및 로봇 무게 중심 정보이다.
이러한 자세 감지부(310)는 로봇의 무게 중심의 변화를 감지하는 무게 중심 감지부(미도시)와, 로봇의 착지 여부 및 착지 여부에 대응하는 지지 다리와 스윙 다리를 감지하는 힘/토크 감지부(24)를 가진다.
자세 감지부(310)의 무게 중심 감지부는 로봇 보행 시 로봇의 실제 자세에 대응한 각 관절부의 회전 각도에 기초하여 로봇의 무게 중심을 감지하고, 감지된 무게 중심의 변화를 산출하고, 산출된 무게 중심의 변화를 나트 포인트 보상값 산출부(330)로 전송한다.
즉, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 무게 중심 감지부는 로봇의 보행 방향에 대응한 X축 방향의 무게 중심 변화(Px)와, 로봇의 좌우 방향에 대응한 Y축 방향의 무게 중심 변화(Py)를 감지한다.
여기서 무게 중심의 변화는 로봇의 무게 중심의 연직선 위치와 지면에 디딘 발의 발목 위치 사이의 거리이다.
즉, 로봇은 보행 시 균형을 이루기 위해서 로봇의 무게 중심(COM: Center Of Mass)의 연직선이 지면에 디딘 발의 발목 위치와 일치해야 하기 때문에 로봇의 무게 중심의 연직선 위치와 지면에 디딘 발의 발목 위치 사이의 거리를 감지하는 것이다.
힘/토크 감지부(24)는 다축 F/T 센서로, 발(112L, 112R)의 착지 여부, 착지에 대응하는 지지 다리와 스윙 다리를 판단하기 위해 발(112L, 112R)에 가해지는 하중을 감지하여 로봇의 자세 정보를 발생시킨다.
즉, 발(112L, 112R)에 가해지는 하중을 감지하기 위해 발(112L, 112R)로부터 전달되는 힘의 3방향 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향 성분(θx, θy, θz)을 감지하여 보행 상태 판단부(320)로 전송한다.
보행 상태 판단부(320)는 자세 감지부(310)의 힘/토크 감지부(24)에서 감지된 각 다리의 발에 가해지는 하중에 기초하여 착지 여부를 판단하고 또한 각 다리의 상태가 지지(Support) 상태인지, 스윙(Swing) 상태인지 판단한다.
아울러 두 발이 각각 지면에 착지할 경우 발목의 힘/토크 감지부(24)에서 감지된 착지신호에 기초하여 각 발의 지지 상태와 스윙 상태의 전환(Switching)이 일어난다.
보행 상태 판단부(320)는 두 다리 중 어느 다리에 하중에 가해지는지 판단하고, 이때 우측 다리의 발에 하중이 가해진다고 판단되면 우측 다리는 지지 상태이고 좌측 다리는 스윙 상태라고 판단하고 이 상태를 '상태 머신 0'으로 인식한다.
그리고, 보행 상태 판단부(320)는 좌측 다리의 발에 하중이 가해진다고 판단되면 좌측 다리는 지지 상태이고 우측 다리는 스윙 상태라고 판단하고 이를 '상태 머신 1'로 인식하고, 인식 데이터를 목표 각도 궤적 생성부(340)로 전송한다.
이러한 보행 상태 판단부(320)는 FSM(Finite State Machine)에 기반을 둔 두 다리 의 보행 상태 데이터가 저장되어 있다. 여기서 FSM은 두 다리의 제한된 상태 변화를 순차적으로 나타낸 것이다.
나트 포인트 보상값 산출부(330)는 자세 감지부(310)의 무게 중심 감지부에서 감지된 무게 중심 위치에 기초하여 기준 나트 포인트의 보상값을 산출한다.
이때 나트 포인트 보상값 산출부(330)는 다음 스텝의 스윙 다리의 롤 나트 포인트 보상값(△R) 및 피치 나트 포인트 보상값(△P)을 산출한다.
좀 더 구체적으로, 나트 포인트 보상값 산출부(330)는 자세 감지부(310)의 무게 중심 감지부에서 감지된 현재 스텝의 X축 방향의 실제 무게 중심의 변화를 판단하고 판단된 X축 방향의 실제 무게 중심의 변화와 기준 무게 중심의 변화를 비교하여 다음 스텝의 스윙 다리의 롤 나트 포인트 보상값(△R)을 산출한다.
그리고 나트 포인트 보상값 산출부(330)는 자세 감지부(310)의 무게 중심 감지부에서 감지된 현재 스텝의 실제 무게 중심의 위치에서 Y축 방향의 실제 무게 중심의 변화를 판단하고 판단된 Y축 방향의 실제 무게 중심의 변화와 기준 무게 중심의 변화를 비교하여 다음 스텝의 스윙 다리의 피치 나트 포인트 보상값(△P)을 산출한다.
이때 비례미분(PD: Proportional-Derivative)제어를 이용하여 나트 포인트 보상값을 산출한다. 이 비례미분(PD) 제어를 이용한 나트 포인트 보상값 산출 식은 다음과 같다.
(식3) △R= kp2(Pc1 - Pr1) + kd2(Pc1' - Pr1')
(식4) △P= kp3(Pc2 - Pr2) + kd3(Pc2' - Pr2')
여기서 kp2, kp3은 PD제어의 P게인(gain), kd2, kd3은 PD제어의 D게인(gain)이다.
그리고 Pc1는 로봇의 보행 방향에 대응한 X축 방향의 실제 무게 중심 변화이고, Pc2는 로봇의 보행 방향에 대응한 Y축 방향의 실제 무게 중심 변화이다.
즉 Pc1는 로봇의 무게 중심의 연직선 위치와 지면에 디딘 발의 X축 방향의 발목 위치 사이의 실제 거리이고, Pc1'는 이 실제 거리를 미분한 실제 가속도이고, Pc2는 로봇의 무게 중심의 연직선 위치와 지면에 디딘 발의 Y축 방향의 발목 위치 사이의 실제 거리이고, Pc2'는 이 실제 거리를 미분한 실제 가속도이다.
그리고 Pr1는 로봇의 보행 방향에 대응한 X축 방향의 기준 무게 중심 변화이고, Pr2는 로봇의 보행 방향에 대응한 Y축 방향의 기준 무게 중심 변화이다.
즉 Pr1는 로봇의 무게 중심의 연직선 위치와 지면에 디딘 발의 X축 방향의 발목 위치 사이의 기준 거리이고, Pc'는 이 기준 거리를 미분한 기준 가속도이다.
그리고 Pr2는 로봇의 무게 중심의 연직선 위치와 지면에 디딘 발의 Y축 방향의 발목 위치 사이의 기준 거리이고, Pc'는 이 기준 거리를 미분한 기준 가속도이다.
PD게인은 반복 실험에 의하여 정해진 값으로, 최적의 안정된 보행이 수행되도록 하는 게인이고, 기준 무게 중심의 위치 정보는 로봇의 보행 상태에 대응하여 미리 설정되어 있다.
여기서 가속도 Pc1'와 Pc2'는 직접 감지하는 것도 가능하다.
목표 각도 궤적 생성부(340)는 보행 상태 판단부(320)에서 판단된 현재 스텝의 각 다리 상태 정보에 기초하여 다음 스텝의 각 다리의 관절부의 기준 각도 궤적을 생성한다.
이때, 목표 각도 궤적 생성부(340)는 다음 스텝의 중간 지점 및 마지막 지점에서의 고관절부(210)의 각도를 기준 나트 포인트(Knot Point)로 정하고, 이 기준 나트 포인트를 연결하여 기준 각도 궤적을 생성한다.
여기서 한 스텝의 중간 지점 및 마지막 지점에서의 지지 다리와 스윙 다리의 고관절부(210)의 각도는 실험에 의해 미리 정해진 것이다.
그리고 목표 각도 궤적 생성부(340)는 다음 스텝의 스윙 다리의 고관절부(210)의 기준 나트 포인트에 현재 스텝에서 산출된 나트 포인트 보상값을 적용하여 목표 나트 포인트를 생성하고, 이 목표 나트 포인트를 연결하여 목표 각도 궤적을 생성하며, 생성된 목표 각도 궤적을 토크 산출부(350)로 전송한다. 이를 도 10을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명한다.
도 10은 다른 실시예에 따른 로봇의 보행 제어 장치의 목표 각도 궤적 생성 예시도이다.
도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 다음 스텝(K=2)에서 스윙될 다리의 고관절부(210)의 롤 기준 나트 포인트에 나트 포인트 보상값 산출부(330)에서 산출된 현재 스텝(K=0)의 롤 나트 포인트 보상값(△R)을 보상하여 고관절부(210)의 롤 목표 나트 포인트를 생성한다.
이때 스윙 다리의 고관절부(210)의 각 기준 나트 포인트는 고관절부(210)의 기준 롤 각도이고, 목표 나트 포인트는 고관절부(210)의 목표 롤 각도이다.
그리고 목표 각도 궤적 생성부(340)는 롤 목표 나트 포인트를 스플라인으로 연결하여 스윙될 다리의 고관절부의 롤 목표 각도 궤적을 생성한다.
도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 다음 스텝(K=2)에서 스윙될 다리의 고관절부(210)의 피치 기준 나트 포인트에 나트 포인트 보상값 산출부(330)에서 산출된 현재 스텝(K=0)의 피치 나트 포인트 보상값(△R)을 보상하여 고관절부(210)의 피치 목표 나트 포인트를 생성한다.
이때 스윙 다리의 고관절부(210)의 피치 기준 나트 포인트는 고관절부(210)의 기준 피치 각도이고, 피치 목표 나트 포인트는 고관절부(210)의 목표 피치 각도이다.
그리고 목표 각도 궤적 생성부(340)는 피치 목표 나트 포인트를 스플라인으로 연결하여 스윙될 다리의 고관절부(210)의 피치 목표 각도 궤적을 생성한다.
아울러 나트 포인트 보상값 산출 시, 한 스텝의 중간 지점(K=-1)에서의 나트 포인트의 보상값을 산출하여 다음 스텝의 중간 지점(K=1)에서의 나트 포인트를 보상한다.
이때 한 스텝의 마지막 지점(K=0)에서의 나트 포인트의 보상값을 산출하여 다음 스텝의 마지막 지점(K=2)에서의 나트 포인트를 보상하는 것이 가능하다.
또한 한 스텝 내에 존재 하는 나트 포인트일지라도, 현재 스텝의 중간 지점(K=1)의 나트 포인트에서의 보상값을 산출하여 현재 스텝의 마지막 지점(K=2)의 나트 포인트를 보상하는 것도 가능하다.
스플라인으로 연결 시, 목표 나트 포인트(K=2)를 기준으로 목표 나트 포인트(K=2)의 이전에 존재하는 나트 포인트(K=1)와 이후에 존재하는 나트 포인트(K=3)를 연결한다.
토크 산출부(350)는 목표 각도 궤적 생성부(340)에서 전송된 스윙될 다리의 롤 목표 각도 궤적 및 피치 목표 각도 궤적을 추종하기 위한 토크를 산출한다.
이때 스윙될 다리의 고관절부(210)의 롤 각도 및 피치 각도를 제어하기 위한 토크를 산출한다.
이러한 토크 산출부(350)는 고관절부(210)에 인가될 토크 산출 시 PD(Proportional-Derivative)제어를 이용하며, 토크 산출식은 다음과 같다.
(식5) Tr = kp4(θd1-θc1) + kd4(θd1' - θc1')
(식6) Tp = kp5(θd2-θc2) + kd5(θd2' - θc2')
여기서 kp4,, kp5은 PD제어의 P게인(gain), kd4, kd5은 PD제어의 D게인(gain)이고, θd1, θd2는 고관절부의 다음 스텝의 목표 각도이고 θc1, θc2는 고관절부의 현재 스텝에서의 실제 각도이다. 그리고 P, D 게인은 안정적인 보행이 가능하도록 하는 게인으로 실험을 통해 획득된 것이다.
여기서 토크는 목표 각도 궤적을 추종하기 위해 고관절부에 인가될 회전력이다.
서보 제어부(360)는 토크 산출부(350)에서 산출된 롤 및 피치 토크를 생성하기 위해 산출된 토크에 대응하는 PWM을 제어하여 관절부(210)로 출력한다.
이와 같이 무게 중심의 위치 정보를 이용하여 고관절부의 롤 각도를 보상하면서 위치 각도 궤적을 조절함으로써 로봇의 안정적인 보행을 수행할 수 있다.
아울러 각 관절부의 상태 따라 각 관절부의 임피던스 제어(강성 제어)를 수행하기 위한 신호를 출력하는 임피던스 제어부(미도시)를 더 포함하는 것도 가능하다.
이와 같이, 다음 스텝을 수행하기 위한 각 다리의 관절부의 각도 지령인 나트 포인트를 무게 중심에 기초하여 보상하고, 보상된 목표 나트 포인트를 스플라인으로 부드럽게 연결함으로서 사람의 보행과 최대한 유사한 보행을 수행할 수 있다.
또한 보행 중 균형을 유지하기 위해 현재 스텝 중간 지점의 관절부이 각도를 피드백하여 다음 스텝의 나트 포인트를 예측하여 조절함으로써 유연하고 안정적인 보행을 수행할 수 있다.
21: 대퇴골부 22: 하퇴골부
14: 상체 포즈 센서 24: 토크/힘 감지부
110L, 110R: 다리 112L, 112R: 발
210: 고관절부 220: 무릎 관절부
230: 발목 관절부 310: 자세 감지부
320: 보행 상태 판단부 330: 나트 포인트 보상값 산출부
340: 목표 각도 궤적 생성부 350: 토크 산출부
360: 서보 제어부

Claims (22)

  1. 로봇의 복수 다리에 각각 마련된 관절부;
    상기 로봇의 자세를 감지하는 자세 감지부;
    상기 로봇의 자세로부터 보행 상태를 판단하는 보행 상태 판단부;
    상기 로봇의 자세로부터 상기 로봇의 무게 중심을 판단하여 나트 포인트의 보상값을 산출하는 나트 포인트 보상값 산출부;
    상기 보행 상태에 대응하는 상기 관절부의 기준 나트 포인트를 생성하고,
    상기 기준 나트 포인트를 상기 나트 포인트 보상값으로 보상하여 목표 나트 포인트를 생성하고, 상기 목표 나트 포인트를 이용하여 상기 관절부의 목표 각도 궤적을 생성하는 목표 각도 궤적 생성부를 포함하는 로봇의 보행 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 목표 각도 궤적을 추종하는 토크를 산출하는 토크 산출부;
    상기 관절부로 상기 토크를 출력하여 상기 로봇의 보행을 제어하는 서보 제어부를 더 포함하는 로봇의 보행 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 각도 궤적 생성부는,
    상기 목표 나트 포인트를 스플라인으로 연결하는 스플라인 생성부를 포함하는 로봇의 보행 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 나트 포인트 보상값 산출부는,
    상기 무게 중심의 변화 가속도를 판단하고, 판단된 무게 중심의 변화 가속도와 기준 가속도를 비교하여 상기 나트 포인트 보상값을 산출하는 로봇의 보행 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 나트 포인트 보상값 산출부는,
    상기 무게 중심이 X축 방향으로 변화된 거리를 판단하고, 판단된 무게 중심의 변화 거리와 기준 거리를 비교하여 상기 나트 포인트 보상값을 산출하는 로봇의 보행 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 나트 포인트 보상값 산출부는,
    상기 무게 중심이 Y축 방향으로 변화된 거리를 판단하고, 판단된 무게 중심의 변화 거리와 기준 거리를 비교하여 상기 나트 포인트 보상값을 산출하는 로봇의 보행 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 관절부는,
    상기 로봇의 대퇴골부를 움직이는 고관절부인 로봇의 보행 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 목표 나트 포인트는,
    상기 고관절부의 목표 롤 각도와 목표 피치 각도 중 적어도 어느 하나인 로봇의 보행 제어 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 보행 상태 판단부는,
    지면에 접촉된 지지 다리와, 상기 지면에 비접촉된 스윙 다리를 판단하는 로봇의 보행 제어 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 목표 각도 궤적 생성부는,
    상기 지지 다리와 스윙 다리의 관절부의 기준 나트 포인트를 생성하고, 상기 나트 포인트 보상값을 이용하여 상기 기준 나트 포인트를 보상하고, 상기 보상된 나트 포인트를 이용하여 상기 지지 다리와 스윙 다리의 관절부의 목표 각도 궤적을 생성하는 로봇의 보행 제어 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 목표 각도 궤적 생성부는,
    상기 스윙 다리의 관절부의 기준 나트 포인트를 생성하고, 상기 나트 포인트 보상값을 이용하여 상기 기준 나트 포인트를 보상하고, 상기 보상된 나트 포인트를 이용하여 상기 스윙 다리의 관절부의 목표 각도 궤적을 생성하는 로봇의 보행 제어 장치.
  12. 로봇의 보행 시 상기 로봇의 보행 상태를 판단하고,
    상기 로봇의 보행 상태에 대응하는 기준 나트 포인트를 생성하고,
    상기 로봇의 무게 중심을 감지하여 나트 포인트 보상값을 산출하고,
    상기 기준 나트 포인트에 상기 나트 포인트 보상값을 보상한 목표 나트 포인트를 생성하고,
    상기 목표 나트 포인트를 연결하여 상기 로봇의 다리에 마련된 관절부의 목표 각도 궤적을 생성하는 로봇의 보행 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 목표 각도 궤적을 추종하는 토크를 산출하고,
    상기 토크에 대응하는 PWM을 생성하여 상기 로봇의 관절부로 출력하는 것을 더 포함하는 로봇의 보행 제어 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 목표 각도 궤적을 생성하는 것은,
    상기 목표 나트 포인트를 스플라인으로 연결하는 로봇의 보행 제어 방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 보행 상태를 판단하는 것은,
    상기 로봇의 발의 하중을 감지하고,
    상기 하중이 감지된 다리를 지면에 접촉된 지지 다리로 판단하고,
    상기 하중이 미감지된 다리를 상기 지면에 비접촉된 스윙 다리로 판단하는 로봇의 보행 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 나트 포인트 보상값을 산출하는 것은,
    상기 무게 중심의 X축 방향의 가속도를 판단하고,
    상기 판단된 무게 중심의 X축 방향의 가속도와 기준 가속도를 비교하여 상기 나트 포인트 보상값을 산출하는 로봇의 보행 제어 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 목표 각도 궤적을 생성하는 것은,
    상기 로봇의 다리에 마련된 고관절부의 롤 목표 각도 궤적을 생성하는 로봇의 보행 제어 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 목표 각도 궤적을 생성하는 것은,
    상기 로봇의 지지 다리와 스윙 다리에 마련된 고관절부의 롤 목표 각도 궤적을 생성하는 로봇의 보행 제어 방법.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 나트 포인트 보상값을 산출하는 것은,
    상기 무게 중심이 X축 방향으로 변화된 거리를 판단하고,
    상기 판단된 X축 방향의 무게 중심의 변화 거리와 X축 방향의 기준 거리를 비교하여 롤 나트 포인트 보상값을 산출하고,
    상기 무게 중심이 Y축 방향으로 변화된 거리를 판단하고,
    상기 판단된 Y축 방향의 무게 중심의 변화 거리와 Y축 방향의 기준 거리를 비교하여 피치 나트 포인트 보상값을 산출하는 로봇의 보행 제어 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 목표 각도 궤적을 생성하는 것은,
    상기 로봇의 다리에 마련된 고관절부의 롤 목표 각도 궤적을 생성하고,
    상기 로봇의 다리에 마련된 고관절부의 피치 목표 각도 궤적을 생성하는 로봇의 보행 제어 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 목표 각도 궤적을 생성하는 것은,
    상기 로봇의 스윙 다리에 마련된 고관절부의 롤 목표 각도 궤적 및 피치 목표 각도 궤적을 생성하는 로봇의 보행 제어 방법.
  22. 제 12 항에 있어서,
    상기 로봇의 보행 중 현재 스텝에서 나트 포인트 보상값을 산출하고,
    상기 로봇의 보행 중 다음 스텝의 기준 나트 포인트를 생성하고,
    상기 다음 스텝의 기준 나트 포인트를 보상하여 상기 다음 스텝의 관절부의 목표 각도 궤적을 생성하는 것을 더 포함하는 로봇의 보행 제어 방법.
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