KR20110125899A - 보행 로봇 시스템 및 그 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법과 보행 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 보행 로봇 시스템 및 그 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법과 보행 방법은, 로봇발의 보행시 로봇발이 보행 지면과 접촉되는 방식으로 지면 정보를 검출 및 분석하고, 그 지면 정보를 지형별로 분류하여 지면 정보의 데이터 베이스를 구축할 수 있다. 또한, 로봇발의 보행시 보행 지면과 접촉되는 방식으로 감지되는 지면 정보를 제어부에 저장된 지면 정보 데이터와 비교하여 로봇발이 보행하고 있는 보행 지면의 종류를 판별하고, 그 보행 지면의 종류에 적합한 보행 알고리즘을 설정 및 변경할 수 있다.

Description

보행 로봇 시스템 및 그 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법과 보행 방법{WARKING ROBOT SYSTEM AND METHOD FOR ANALYSISING GROUND AND WARKING FOR THE SAME}

본 발명은 보행 지면을 보행하는 보행 로봇 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 로봇발의 접촉 방식으로 다양한 종류의 지면 정보를 지형별로 정확하고 간편하게 분석 및 분류할 수 있으며, 지면 정보의 데이터 베이스를 이용하여 보행 지면의 지형을 정확하게 판별한 후 보행 지면에 적합한 보행 알고리즘을 설정 및 변경할 수 있는 보행 로봇 시스템 및 그 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법과 보행 방법에 관한 것이다.

일반적으로 보행 로봇 시스템은 인간과 동물의 다리와 유사한 로봇발로 보행 지면을 따라 보행하는 로봇 시스템이다. 상기 로봇발은 보행 로봇 시스템의 설계 조건 및 기술의 발전에 따라 다양한 구조로 개발되고 있다.

그런데, 상기 보행 로봇 시스템은 상기 로봇발의 보행 알고리즘을 보행 지면의 종류에 따라 적절히 적용해야지만 원활한 보행이 가능하게 된다. 즉, 상기 보행 로봇 시스템은, 상기 보행 지면의 상태를 실시간으로 감지한 후 상기 보행 지면의 상태에 따라 상기 로봇발의 보행 동작을 적절히 제어할 필요성이 있다.

이를 위하여, 보행 로봇 시스템에는, 상기 로봇발이 보행하는 보행 지면의 상태를 감지하기 위한 감지부가 구비되어 있으며, 상기 로봇발의 보행 알고리즘이 지형별로 다양하게 저장된 제어부가 구비되어 있다. 즉, 상기 보행 로봇 시스템은 상기 감지부에 의해 감지되는 상기 보행 지면의 상태에 따라 보행 알고리즘을 실시간으로 변경하여 상기 로봇발의 보행 패턴을 최적화시킬 수 있다.

최근에는 카메라와 같은 비젼(vision) 타입의 감지부가 보행 로봇 시스템에 많이 채용되는 추세이다. 하지만, 비젼 타입의 감지부는 보행 지면의 상태를 판별하는 과정이 매우 복잡하고, 보행 지면의 표면 상태만 획득하는 문제점이 있다.

구체적으로 설명하면, 상기 감지부에 의해 연속 촬영되는 보행 지면의 영상은 복잡한 계산식과 장시간의 연산 작업을 통해 상기 지면 영상의 픽셀 정보로부터 상기 보행 지면의 정보를 검출한다. 따라서, 상기 제어부가 과부하로 인하여 에러를 일으킬 수 있고, 상기 로봇발의 보행 패턴을 보행 지면의 상태에 따라 실시간으로 신속하게 대응하는 것이 쉽지 않으며, 영상 처리 기술로는 다양한 종류의 지형을 정확히 인식하는 것이 불가능하다.

또한, 상기 감지부의 촬영 영상은 상기 보행 지면의 표면을 촬영한 영상이므로, 상기 보행 지면의 표면에 낙엽이나 눈과 같은 물질이 쌓여 있으면 상기 보행 지면의 상태를 파악하는 것이 불가능하다. 따라서, 상기 보행 로봇 시스템은 상기 보행 지면의 상태에 적합한 보행 패턴이 아닌, 상기 보행 지면에 쌓인 물질에 적합한 보행 패턴으로 보행하기 때문에 보행 에러가 발생될 수 있다.

본 발명의 실시예는, 보행 지면에 접촉되는 방식으로 보행 지면의 상태를 실시간으로 정확하게 판별할 수 있는 보행 로봇 시스템 및 그 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법과 보행 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예는, 지면 정보의 분석이 필요한 다양한 종류의 보행 지면에 로봇발을 보행시켜 지면 접촉 방식으로 지면 정보를 검출할 수 있고, 검출된 지면 정보를 분류하여 지형별로 지면 정보를 간편하게 데이터 베이스화할 수 있는 보행 로봇 시스템 및 그 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법과 보행 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예는, 로봇발의 보행시 보행 지면 접촉 방식으로 지면 정보를 검출할 수 있고, 검출된 지면 정보를 지면 정보의 데이터 베이스와 비교하여 보행 지면의 지형을 판별할 수 있으며, 보행 지면의 지형에 맞는 보행 알고리즘을 설정 및 변경하여 로봇발을 원활하게 보행시킬 수 있는 보행 로봇 시스템 및 그 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법과 보행 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 보행 지면을 보행하는 로봇발, 상기 로봇발의 발바닥부에 구비되고 상기 로봇발의 보행시 상기 발바닥부에 작용되는 지면 반력을 감지하는 반력감지부, 상기 로봇발의 관절부에 구비되고 상기 로봇발의 보행시 상기 관절부에 작용되는 토크를 감지하는 토크감지부, 상기 로봇발의 관절부에 연결되고 상기 로봇발의 보행시 상기 관절부에 발생되는 전류값의 변화를 감지하는 전류감지부, 및 상기 반력감지부와 상기 토크감지부 및 상기 전류감지부의 감지값을 이용하여 지면 분석 모드 또는 보행 모드 중 적어도 어느 한 모드를 수행하는 제어부를 포함하는 보행 로봇 시스템을 제공한다. 따라서, 상기 보행 로봇 시스템은 상기 반력 감지부와 상기 토크감지부 및 상기 전류감지부를 이용하여 상기 로봇발을 상기 보행 지면에 직접 접촉시키는 방식으로 상기 지면 정보를 정확하게 검출할 수 있다.

여기서, 상기 지면 분석 모드는 상기 지면 반력과 상기 토크 및 상기 전류값을 이용하여 상기 로봇발이 보행하는 보행 지면의 정보를 분석 및 분류한다. 그리고, 상기 보행 모드는 상기 지면 분석 모드를 통해 구축된 지면 정보 데이터를 이용하여 상기 로봇발이 보행하는 보행 지면의 종류에 따라 보행 알고리즘을 설정 및 변경한다. 따라서, 상기 보행 로봇 시스템은, 상기 로봇발에 의해 보행할 가능성이 있는 보행 지면들의 정보를 지형별로 데이터 베이스화할 수 있으며, 상기 로봇발이 보행하는 보행 지면의 정보와 지면 정보 데이터를 비교하여 상기 보행 지면의 지형에 적합한 보행 알고리즘으로 설정 및 변경할 수 있다.

상기 지면 분석 모드 및 상기 보행 모드는, 상기 로봇발의 보행시 상기 발바닥부가 상기 보행 지면에 접촉하는 구간에서만 실시될 수 있다. 따라서, 상기 보행 지면의 정보를 구하는 작업은 상기 발바닥부를 상기 보행 지면에 접촉시키는 구간에서만 제한적으로 실시되므로, 상기 지면 정보를 구하는 연산량을 획기적으로 감소시킬 수 있고, 그로 인하여 상기 제어부의 과부하를 줄일 수 있다.

상기 지면 분석 모드에서는 상기 지면 반력과 상기 토크 및 상기 전류값에 따라 상기 지면 정보를 통계적인 방법으로 분석한 후 상기 지면 정보를 지형별로 분류하여 상기 지면 정보 데이터를 구축할 수 있다. 상기 보행 모드에서는 상기 지면 반력과 상기 토크 및 상기 전류값에 따른 지면 정보를 상기 지면 정보 데이터에 비교하여 상기 로봇발이 보행하는 보행 지면의 종류에 따라 상기 로봇발의 보행 알고리즘을 설정 및 변경할 수 있다.

상기 지면 분석 모드에서는 보행 알고리즘의 적용이 용이함과 아울러 지면 정보를 신속하게 검출하기 위하여 상기 지면 반력과 상기 토크 및 상기 전류값이 단수개의 상기 로봇발을 통해 감지될 수 있다. 일반적으로, 상기 보행 로봇 시스템은 상기 로봇발을 단수개 또는 복수개로 구성할 수 있다. 그런데, 상기 로봇발을 단수개로 구성하면, 상기 지면 분석 모드에서 다양한 보행 알고리즘을 간편하게 적용할 수 있을 뿐만 아니라 상기 지면 정보를 신속하고 정확하게 파악할 수 있다.

상기 지면 분석 모드에서는 상기 지면 정보의 분산, 첨도, 비대칭도, 및 주파수 에너지의 분석을 통하여 상기 보행 지면의 특성 인자를 검출할 수 있다. 그리고, 상기 지면 분석 모드에서는 상기 특성 인자를 이용하여 상기 보행 지면의 종류에 따라 상기 지면 정보 데이터를 구축할 수 있다. 또한, 상기 지면 분석 모드에서는 상기 지면 정보 데이터의 지형별 경계값을 산출할 수 있다.

상기 보행 모드에서는 상기 로봇발의 보행시 감지된 상기 지면 정보로부터 상기 보행 지면의 특성 인자를 검출할 수 있다. 그리고, 상기 보행 모드에서는 상기 지형별 경계값과 상기 특성 인자를 비교하여 상기 보행 지면의 지형을 판별할 수 있다. 또한, 상기 보행 모드에서는 상기 지형의 종류에 따라 상기 로봇발의 보행 알고리즘을 설정 및 변경할 수 있다.

한편 본 실시예의 다른 측면에 따르면, 분석이 필요한 보행 지면을 따라 로봇발을 보행시키는 로봇발 보행 단계, 상기 로봇발의 발바닥부에 작용되는 지면 반력, 상기 로봇발의 관절부에 작용되는 토크, 및 상기 로봇발의 관절부에 발생되는 전류값을 감지하는 로봇발 감지 단계, 상기 지면 반력, 상기 토크, 및 상기 전류값을 이용하여 상기 로봇발이 보행하는 보행 지면의 특성 인자를 검출하는 지면 정보 검출 단계, 상기 보행 지면의 특성 인자를 지형별로 분류하여 지면 정보를 데이터 베이스화하는 지면 정보 분류 단계, 및 상기 지면 정보 데이터로부터 보행 지면의 지형별 경계값을 산출하는 지형별 경계값 산출 단계를 포함하는 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법을 제공한다.

즉, 상기 보행 로봇 시스템은, 상기 로봇발이 보행할 가능성이 있는 다양한 종류의 보행 지면에 대하여 상기 지면 정보 데이터를 지형별로 간편하게 구축할 수 있다. 특히, 상기 지면 정보 데이터의 지면 정보는 상기 로봇발을 상기 보행 지면에 직접 접촉시키는 방식으로 검출되므로, 상기 보행 지면의 표면에 낙엽 또는 눈 등이 쌓여 있는 상태에서도 상기 보행 지면의 상태를 정확히 검출할 수 있다.

상기 로봇발 보행 단계에서는, 분석이 필요한 다양한 종류의 보행 지면에 단수개의 보행 알고리즘으로 상기 로봇발을 보행시킬 수 있다. 즉, 상기 로봇발이 단수개의 보행 알고리즘으로 보행함으로써, 상기 보행 지면의 지형 변화에 따른 변화를 보다 정량적으로 검출할 수 있다.

상기 로봇발 감지 단계는 상기 로봇발이 상기 보행 지면에 접촉되는 구간에서만 실시될 수 있다. 따라서, 상기 로봇발 감지 단계는 상기 로봇발이 상기 보행 지면에 접촉되는 구간에서만 제한적으로 실시되므로, 상기 지면 정보를 구하는 연산량을 획기적으로 감소시킬 수 있고, 그로 인하여 시스템의 과부하를 줄일 수 있다.

상기 지면 정보 검출 단계에서는, 상기 지면 반력과 상기 토크 및 상기 전류값에 대한 분산, 첨도, 비대칭도, 및 주파수 에너지의 분석을 통하여 상기 보행 지면의 특성 인자를 검출할 수 있다.

또한 본 실시예의 또 다른 측면에 따르면, 임의의 보행 지면을 따라 로봇발을 보행시키는 로봇발 보행 단계, 상기 로봇발의 발바닥부에 작용되는 지면 반력, 상기 로봇발의 관절부에 작용되는 토크, 및 상기 로봇발의 관절부에 발생되는 전류값을 감지하는 로봇발 감지 단계, 상기 지면 반력, 상기 토크, 및 상기 전류값을 이용하여 상기 로봇발이 보행하는 보행 지면의 특성 인자를 검출하는 지면 정보 검출 단계, 상기 보행 지면의 특성 인자를 지형별 지면 정보가 저장된 지면 정보 데이터에 비교하여 상기 로봇발이 보행하는 보행 지면의 종류를 판별하는 지면 판별 단계, 및 상기 지면 판별 단계에서 판별된 보행 지면의 종류에 대응하는 보행 알고리즘을 설정 및 변경하고 상기 보행 알고리즘에 따라 상기 로봇발을 보행시키는 보행 알고리즘 설정 단계를 포함하는 보행 로봇 시스템의 보행 방법을 제공한다.

상기 로봇발 감지 단계는 상기 로봇발이 상기 보행 지면에 접촉되는 구간에서만 실시될 수 있다. 또한, 상기 지면 정보 검출 단계에서는, 상기 지면 반력과 상기 토크 및 상기 전류값에 대한 분산, 첨도, 비대칭도, 및 주파수 에너지의 분석을 통하여 상기 보행 지면의 특성 인자를 검출할 수 있다.

상기 지면 판별 단계에서는, 상기 지면 정보 데이터의 지형별 경계값과 상기 특성 인자를 비교하여 상기 지면 정보 데이터에서 상기 특성 인자가 위치되는 영역의 지면 정보를 판별할 수 있다. 즉, 상기 로봇발이 보행하고 있는 상기 지면 정보의 특성 인자를 상기 지면 정보 데이터의 지형별 경계값과 비교하여 상기 특성 인자가 위치되는 상기 지면 정보 데이터의 영역을 검출할 수 있으며, 상기 지면 정보 데이터의 영역에 해당하는 지형의 특성에 따라 보행 알고리즘을 설정 및 변경하여 상기 로봇발을 원활하게 보행시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 보행 로봇 시스템 및 그 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법과 보행 방법은, 로봇발을 보행 지면에 직접 접촉시키는 방식으로 보행 지면의 상태를 실시간으로 판별하기 때문에 로봇발의 실제 보행시 필요한 지면 정보를 정확하게 검출할 수 있다. 특히, 로봇발이 보행 지면에 접촉되는 구간에서만 지면 정보가 검출되므로, 지면 정보의 검출하기 위한 연산량을 감소시킬 수 있고, 지면 정보의 검출 속도를 증가시켜 보행 지면의 상태에 따라 신속하게 대처할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 보행 로봇 시스템 및 그 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법과 보행 방법은, 다양한 종류의 보행 지면에 로봇발을 보행시켜 보행 지면의 정보를 정확히 검출할 수 있고, 검출된 지면 정보를 지형별로 분류하여 지면의 종류에 따른 지면 정보 데이터를 간편하게 구축할 수 있다. 따라서, 보행 로봇 시스템은 실시간으로 지면 정보를 획득 및 분석할 수 있고, 로봇발이 보행 가능한 보행 지면이면 간편하게 적용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 보행 로봇 시스템 및 그 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법과 보행 방법은, 로봇발의 보행시 지면 접촉 방식으로 지면 정보를 정확하게 실시간으로 검출할 수 있고, 지면 정보를 지면 정보 데이터와 비교하여 보행 지면의 지형을 신속하게 판별할 수 있으며, 보행 지면의 지형에 맞는 보행 알고리즘을 설정 및 변경하여 로봇발을 원활하게 보행시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 보행 로봇 시스템의 구성이 개략적으로 도시된 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 보행 로봇 시스템의 로봇발을 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 5는 도 2에 도시된 로봇발이 탄탄한 평면 지형, 자갈 지형, 및 모래 지형을 보행할 때 검출되는 지면 정보를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 3 내지 도 5에 도시된 지면 정보로부터 검출된 지형별 특성 인자를 3차원으로 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 6에 도시된 지형별 특성인자를 이용하여 지면 정보의 지형별 경계값을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법이 도시된 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 보행 로봇 시스템의 보행 방법이 도시된 순서도이다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 보행 로봇 시스템의 구성이 개략적으로 도시된 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 보행 로봇 시스템의 로봇발을 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 보행 로봇 시스템(100)은 로봇발(110), 반력감지부(120), 토크감지부(130), 전류감지부(140), 및 제어부(150)를 포함한다. 보행 로봇 시스템(100)은 설계 조건 및 상황에 따라 복수개 또는 단수개의 로봇발(110)을 구비할 수 있다. 이하, 본 실시에서는 단수개의 로봇발(110)을 중심으로 보행 로봇 시스템(100)의 작동 상태를 설명하기로 한다.

상기 로봇발(110)은 보행 지면(G)을 따라 보행하는 장치로써, 인간이나 동물의 다리와 유사한 구조로 형성될 수 있다. 이러한 로봇발(110)의 구조는 보행 로봇 시스템(100)의 설계 조건 및 상황에 따라 다양한 구조가 적용될 수 있다.

예를 들면, 로봇발(110)은 발바닥부(111), 제1 다리부(112), 제1 관절부(113), 제2 다리부(114), 제2 관절부(115), 제3 다리부(116), 제3 관절부(117)를 구비할 수 있다. 발바닥부(111)는 로봇발(110)의 보행시 보행 지면(G)에 접촉되는 부재로써, 제1 다리부(112)의 하단부에 연결될 수 있다. 제2 다리부(114)의 하단부는 제1 다리부(112)의 상단부와 연결될 수 있고, 제2 다리부(114)의 상단부는 제3 다리부(116)의 하단부와 연결될 수 있다. 제3 다리부(116)의 상단부는 보행 로봇 시스템 본체(102)에 연결될 수 있다.

그리고, 제1 관절부(113)는 제1 다리부(112)의 상단부와 제2 다리부(114)의 하단부를 회전 가능하게 연결하는 부재이다. 제2 관절부(115)는 제2 다리부(114)의 상단부와 제3 다리부(116)의 하단부를 회전 가능하게 연결하는 부재이다. 제3 관절부(117)는 제3 다리부(116)의 상단부와 보행 로봇 시스템 본체(102)를 회전 가능하게 연결하는 부재이다.

상기 반력감지부(120)는 로봇발(110)의 보행시 보행 지면(G)으로부터 발바닥부(111)에 작용되는 지면 반력을 감지하는 부재이다. 반력감지부(120)는 로봇발(110)의 발바닥부(111)에 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 반력감지부(120)가 로드 셀(load cell)로 구성된 것으로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 설계 조건 및 상황에 따라 다양한 구조로 구성될 수 있다.

상기 토크감지부(130)는 로봇발(110)의 보행시 제1 관절부(113)와 제2 관절부(115) 및 제3 관절부(117)에 작용되는 토크를 감지하는 부재이다. 토크감지부(130)는 제1 관절부(113)와 제2 관절부(115) 및 제3 관절부(117)에 각각 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 반력감지부(120)가 토크 셀(torque cell)로 구성된 것으로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 설계 조건 및 상황에 따라 다양한 구조로 구성될 수 있다.

상기 전류감지부(140)는 로봇발(110)의 보행시 제1 관절부(113)와 제2 관절부(115) 및 제3 관절부(117)에 발생되는 전류값의 변화를 감지하는 부재이다. 전류감지부(140)는 제1 관절부(113)와 제2 관절부(115) 및 제3 관절부(117)에 각각 연결될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 전류감지부(140)가 전류계로 구성된 것으로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 설계 조건 및 상황에 따라 다양한 구조로 구성될 수 있다.

상기 제어부(150)는 보행 로봇 시스템(100)의 작동을 제어하는 장치이다. 제어부(150)는 보행 로봇 시스템 본체(102)의 내부에 구비될 수 있다. 제어부(150)는 반력감지부(120), 토크감지부(130), 전류감지부(140), 및 로봇발(110)에 신호 전달이 가능하게 연결될 수 있다. 이와 같은 제어부(150)는 반력감지부(120)와 토크감지부(130) 및 전류감지부(140)의 감지값을 이용하여 지면 분석 모드 또는 보행 모드 중 적어도 어느 한 모드를 수행할 수 있다. 즉, 보행 로봇 시스템(100)은 지면 분석 모드 전용으로 사용되거나, 보행 모드 전용으로만 사용되거나, 또는 지면 분석 모드와 보행 모드 전용으로 모두 사용될 수 있다.

이하에서는 보행 로봇 시스템(100)의 지면 분석 모드와 보행 모드를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

지면 분석 모드는 지면 반력과 토크 및 전류값을 이용하여 로봇발(110)이 보행하는 보행 지면(G)의 정보를 분석 및 분류하는 모드이다. 지면 분석 모드에서는, 로봇발(110)이 분석을 필요로 하는 보행 지면(G)을 따라 보행하고, 반력감지부(120)와 토크감지부(130) 및 전류감지부(140)는 지면 반력과 토크 및 전류값을 감지하며, 제어부(150)는 지면 반력과 토크 및 전류값을 이용하여 지면 정보를 구한 후 지면 정보를 통계적인 방법으로 분석한다.

여기서, 지면 분석 모드의 처리 과정를 보다 구체적으로 설명하면, 제어부(150)는 지면 반력과 토크 및 전류값의 분산, 첨도, 비대칭도, 및 주파수 에너지의 분석을 통하여 보행 지면(G)의 특성 인자를 검출할 수 있고, 특성 인자를 이용하여 보행 지면(G)의 종류에 따라 지면 정보 데이터를 구축할 수 있다. 그리고, 지면 정보 데이터에서 보행 지면(G)의 지형별 경계값을 산출할 수 있다.

그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 지면 분석 모드에서는 단수개의 로봇발(110)을 이용하여 지면 반력과 토크 및 전류값을 감지할 수 있다. 물론, 복수개의 로봇발(110)을 이용하여 지면 분석 모드를 수행하는 것도 가능하지만, 단수개의 로봇발(110)을 이용하면 로봇발(110)의 보행 알고리즘을 빠르고 간편하게 적용할 수 있는 이점이 있다.

보행 모드는 지면 분석 모드를 통해 구축된 지면 정보의 데이터 베이스를 이용하여 로봇발(110)이 보행하는 보행 지면(G)의 종류에 따라 보행 알고리즘을 설정 및 변경하는 모드이다. 보행 모드에서는, 로봇발(110)이 임의의 보행 지면(G)을 따라 보행하고, 반력감지부(120)와 토크감지부(130) 및 전류감지부(140)는 지면 반력과 토크 및 전류값을 감지하며, 제어부(150)는 지면 반력과 토크 및 전류값에 따른 지면 정보를 지면 분석 모드에서 구축된 지면 정보 데이터와 비교하여 로봇발(110)의 보행 알고지즘을 설정 및 변경한다.

여기서, 보행 모드의 처리 과정을 보다 구체적으로 설명하면, 제어부(150)는 지면 반력과 토크 및 전류값의 분산, 첨도, 비대칭도, 및 주파수 에너지의 분석을 통하여 보행 지면(G)의 특성 인자를 검출할 수 있고, 지면 정보 데이터의 지형별 경계값과 특성 인자를 비교하여 보행 지면(G)의 지형을 판별할 수 있다. 또한, 제어부(150)는 보행 지면(G)의 지형에 적합한 로봇발(110)의 보행 알고리즘을 설정 및 변경할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 보행 로봇 시스템(100)은 로봇발(110)을 보행 지면(G)에 직접 접촉시키는 방식으로 지면 분석 모드와 보행 모드를 수행하므로, 보행 지면(G)의 지형을 정확하게 검출할 수 있다. 즉, 보행 지면(G)의 지표에 낙엽이나 눈이 쌓인 경우라도, 보행 로봇 시스템(100)은 낙엽이나 눈에 방해받지 않고 보행 지면(G)의 지형을 정확하게 검출할 수 있다.

또한, 보행 로봇 시스템(100)의 지면 분석 모드 및 보행 모드는, 로봇발의 보행시 발바닥부(111)가 보행 지면(G)에 접촉하는 구간에서만 실시될 수 있다. 따라서, 지면 분석 모드 및 보행 모드는 보행 지면(G)에 발바닥부(111)를 접촉시키는 구간에서만 보행 지면(G)의 지면 정보를 검출하므로, 제어부(150)의 불필요한 연산량을 획기적으로 감소시켜 과부하를 줄일 수 있으며, 보행 지면(G)의 지면 정보도 매우 빠르게 검출할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 보행 로봇 시스템(100)의 지면 분석 방법 및 보행 방법을 살펴보면 다음과 같다.

도 3 내지 도 5는 도 2에 도시된 로봇발이 탄탄한 평면 지형, 자갈 지형, 및 모래 지형을 보행할 때 검출되는 지면 정보를 나타낸 그래프이고, 도 6은 도 3 내지 도 5에 도시된 지면 정보로부터 검출된 지형별 특성 인자를 3차원으로 나타낸 그래프이고, 도 7은 도 6에 도시된 지형별 특성인자를 이용하여 지면 정보의 지형별 경계값을 나타낸 그래프이다. 그리고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법이 도시된 순서도이며, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 보행 로봇 시스템의 보행 방법이 도시된 순서도이다.

도 8를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 보행 로봇 시스템(100)의 지면 분석 방법은 로봇발 보행 단계(10), 로봇발 감지 단계(11)(12), 지면 정보 검출 단계(13), 지면 정보 분류 단계(14), 및 지형별 경계값 산출 단계(15)를 포함한다. 여기서, 보행 로봇 시스템(100)은 지면 분석 모드 상태이다.

상기 로봇발 보행 단계(10)에서는, 지면 정보의 분석이 필요한 보행 지면(G)을 따라 로봇발(110)을 보행시킬 수 있다. 그리고, 로봇발 보행 단계(10)에서는 로봇발(110)이 다양한 종류의 보행 지면(G)을 따라 단수개의 보행 알고리즘으로 보행될 수 있다. 이와 같이 로봇발 보행 단계(10)에서 로봇발(110)이 항상 동일한 보행 알고리즘으로 보행되면, 보행 지면(G)의 지형 변화에 따른 차이점이 보다 명백히 구별될 수 있다.

상기 로봇발 감지 단계(11)(12)에서는, 로봇발(110)의 발바닥부(111)에 구비된 반력감지부(120)에 의해 지면 반력을 감지할 수 있고, 로봇발(110)의 관절부(113)(115)(117)에 구비된 토크감지부(130)에 의해 토크를 감지할 수 있으며, 로봇발(110)의 관절부(113)(115)(117)에 구비된 전류감지부(140)에 의해 전류값을 감지할 수 있다. 즉, 로봇발(110)이 다양한 종류의 보행 지면(G)을 따라 보행되면, 로봇발(110)과 보행 지면(G)이 직접 접촉되는 방식으로 보행 지면(G)들의 지면 정보를 정확히 검출할 수 있다.

또한, 로봇발 감지 단계(11)(12)는 로봇발(110)과 보행 지면(G)이 서로 접촉되는 구간에서만 실시될 수 있다. 즉, 로봇발 감지 단계(11)(12)는 보행 지면(G)에 로봇발(110)을 직접 접촉하는 구간에서만 제한적으로 실시될 수 있다. 따라서, 보행 로봇 시스템(100)의 지면 분석 과정은 로봇발(110)의 보행시 연속적으로 이루어지는 것이 아니라, 보행 지면(G)과 로봇발(110)이 접촉될 때마다 단속적으로 이루어진다. 그로 인하여, 지면 정보 검출 단계(13)에서 지면 정보를 구하는 연산 작업은 획기적으로 단축될 수 있고, 제어부(150)의 과부하도 감소되어 지면 정보 검출 단계(13)의 속도가 증가될 수 있다.

예를 들면, 도 3 내지 도 5에는 로봇발 감지 단계(11)(12)에서 감지된 평지, 모래, 및 자갈로 형성된 보행 지면(G)의 지면 정보를 나타낸 그래프로 도시되어 있다. 여기서, 그래프의 가로축은 시간(T)이며, 그래프의 세로축은 지면 정보의 크기(S)이다.

도 3에는 로봇발 보행 단계(10)에서 로봇발(110)이 평탄한 평지를 따라 여러 차례 반복적으로 보행할 경우, 로봇발 감지 단계(11)(12)에서 감지된 지면 정보의 신호 크기를 시간의 흐름에 따라 그래프로 표시하였다. 도 3에 도시된 같와 같이, 평지에서는 지면 정보의 신호가 일정한 크기와 형상으로 반복적으로 나타날 수 있으며, 그로 인하여 평지의 지면 정보들은 서로 겹쳐진 상태로 표시될 수 있다. 또한, 평지의 지면 정보는, 짧은 순간에 신호가 피크(peak)를 치는 특성이 있고, 초기의 위치로 복귀하는 속도도 빠른 특성이 있다.

도 4에는 로봇발 보행 단계(10)에서 로봇발(110)이 모래로 형성된 지면을 따라 여러 차례 반복적으로 보행할 경우, 로봇발 감지 단계(11)(12)에서 감지된 지면 정보의 신호 크기를 시간의 흐름에 따라 그래프로 표시하였다. 도 4에 도시된 같와 같이, 모래 지면에서는 지면 정보의 신호가 평지보다 크기가 작고 긴 시간에 걸쳐 나타날 수 있으며, 평지의 지면 정보들과 달리 서로 다른 형상으로 표시될 수 있다. 즉, 모래 지면의 지면 정보는, 모래의 부드러운 입자로 인하여 평지보다 피크 속도가 느리고 완만한 특성이 있다.

도 5에는 로봇발 보행 단계(10)에서 로봇발(110)이 자갈로 형성된 지면을 따라 여러 차례 반복적으로 보행할 경우, 로봇발 감지 단계(11)(12)에서 감지된 지면 정보의 신호 크기를 시간의 흐름에 따라 그래프로 표시하였다. 도 5에 도시된 같와 같이, 자갈 지면에서는 지면 정보의 신호가 매우 불규칙하게 나타날 수 있으며, 평지의 지면 정보들과 달리 서로 다른 형상으로 표시될 수 있다. 즉, 자갈 지면의 지면 정보는, 고르지 못한 지면 상황으로 인하여 평지나 모래 지면보다 매우 불규칙한 특성이 있다.

상기 지면 정보 검출 단계(13)에서는 로봇발 감지 단계(11)(12)에서 감지된 지면 반력, 토크, 및 전류값을 이용하여 로봇발(110)이 보행하는 보행 지면(G)의 특성 인자를 검출할 수 있다. 구체적으로 설명하면, 지면 정보 검출 단계에서는 지면 반력과 토크 및 전류값에 대한 분산(variance), 첨도(kurtosis), 비대칭도(skewness), 및 주파수 에너지(FFT 신호 분석)의 분석을 통하여 보행 지면(G)의 특성 인자를 검출할 수 있다. 한편, 분산과 비대칭도 및 첨도의 수학식은 아래와 같다.

상기 지면 정보 분류 단계(14)에서는 보행 지면(G)의 특성 인자를 지형별로 분류하여 지면 정보를 데이터 베이스로 형성할 수 있다. 즉, 지면 정보 분류 단계(14)에서는 지면 정보 검출 단계(13)에서 검출된 보행 지면(G)들에 대한 특성 인자들을 보행 지면(G)의 종류에 따라 분류할 수 있으며, 그로 인하여 지면 정보가 지형별로 분류된 지면 정보 데이터를 구축할 수 있다.

예를 들면, 도 6에는 지면 정보의 특성 인자들에 대한 분산, 첨도, 및 비대칭도의 상관 관계를 3차원의 산포도(scatter plot) 그래프로 나타내고 있다. 도 6을 참조하면, 도 3 내지 도 5에 표시된 평지, 모래, 및 자갈로 형성된 보행 지면(G)의 특성을 보다 직관적으로 확인할 수 있다. 즉, 평지와 모래로 형성된 보행 지면(G)의 특성 인자들은 일정한 집단을 이루고 있으나, 자갈로 형성된 보행 지면(G)의 특성 인자들은 매우 넓은 범위에서 불규칙적으로 분포되어 있다.

상기 지형별 경계값 산출 단계(15)에서는 지면 정보 데이터로부터 보행 지면(G)의 지형별 경계값(L)을 산출할 수 있다. 이와 같은 지형별 경계값(L)은 후술할 보행 로봇 시스템(100)의 보행 방법에서 보행 지면(G)의 지형을 판별하는 기준선으로 사용될 수 있다.

예를 들면, 도 7에는 보행 지면(G)의 특성 인자들에 대한 분산과 비대칭도의 그래프에서 지형별 경계값(L)을 표시한 도면이다. 여기서, 보행 지면(G)은 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 평지와 모래 및 자갈로 형성된 것으로 설명한다. 그리고, 도 의 그래프는 가로축이 분산이며 세로축이 비대칭도이다.

도 7에는 평지와 모래 및 자갈로 형성된 보행 지면(G)의 특성 인자들 사이에 ‘L’ 형상의 지형별 경계값(L)이 형성되어 있다. 즉, 지형별 경계값(L)의 일측은 가로축과 평행하게 형성되고, 지형별 경계값(L)의 타측은 세로축과 평행하게 형성된다. 하지만, 지형별 경계값(L)은 보행 지면(G)의 종류 및 보행 로봇 시스템(100)의 구조와 작동 환경에 따라 곡선과 사선 등과 같이 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 지형별 경계값(L)은, 평지와 모래로 형성된 보행 지면(G)을 특정 분산값(대략 0.14)으로 구획하고 있으며, 모래와 자갈로 형성된 보행 지면(G)을 특정 비대칭도(대략 0.08)로 구획하고 있다. 또한, 지형별 경계값(L)은 평지와 자갈로 형성된 보행 지면(G)을 특정 분산값(대략 0.14)과 특정 비대칭도(대략 0.08)로 구획하고 있다.

따라서, 보행 지면(G)의 지면 정보에 대한 분산과 비대칭도를 구하고, 이 분산과 비대칭도를 특정 분산값(대략 0.14)과 특정 비대칭도(대략 0.08)에 비교하여 보행 지면(G)이 평지와 모래 및 자갈로 형성된 보행 지면(G) 중 어디에 속하는지를 간단하고 신속하게 판별할 수 있다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 보행 로봇 시스템(100)의 보행 방법은 로봇발 보행 단계(20), 로봇발 감지 단계(21)(22), 지면 정보 검출 단계(23), 지면 판별 단계(24), 및 보행 알고리즘 설정 단계(25)를 포함한다. 여기서, 보행 로봇 시스템(100)은 보행 모드 상태이다.

상기 로봇발 보행 단계(20)에서는, 지면 정보를 알지 못하는 임의의 보행 지면(G)을 따라 로봇발(110)을 보행시킬 수 있다. 상기 로봇발 감지 단계(21)(22) 및 상기 지면 정보 검출 단계(23)는, 전술한 보행 로봇 시스템(100)의 지면 분석 방법에 기술된 내용과 동일 유사하기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 지면 판별 단계(24)에서는 지면 정보 검출 단계(23)에서 산출된 보행 지면(G)의 특성 인자를 제어부(150)에 저장된 지면 정보 데이터에 비교하여 로봇발(110)이 보행하고 있는 보행 지면(G)의 종류를 신속하고 정확하게 판별할 수 있다. 지면 정보 데이터는 보행 로봇 시스템(100)의 지면 분석 방법을 통해 구축된 것으로써, 보행 로봇 시스템(100)의 출고시 제어부(150)의 메모리에 미리 저장할 수 있다.

도 7을 참조하여 지면 판별 단계(24)를 구체적으로 설명하면, 보행 지면(G)의 특성 인자를 지면 정보 데이터의 지형별 경계값(L)과 비교한 후 특성 인자가 속하는 지면 정보 데이터의 영역을 구한다. 그러면, 지면 정보 데이터로부터 보행 지면(G)의 특성 인자가 속하는 영역에 해당하는 지면 정보를 인식할 수 있고, 그 지면 정보에 의해 보행 지면(G)의 지형을 정확하게 판별할 수 있다.

상기 보행 알고리즘 설정 단계(25)에서는, 지면 판별 단계(24)에서 판별된 보행 지면(G)의 종류에 대응하는 보행 알고리즘을 설정 및 변경하고, 보행 알고리즘에 따라 로봇발(110)을 보행시킬 수 있다. 즉, 제어부(150)에는 지형별로 지면 정보를 정리한 지면 정보 데이터와 함께 지형별로 적합한 보행 알고리즘이 미리 저장되어 있다. 따라서, 보행 알고리즘 설정 단계(25)에서는 지면 판별 단계(24)에서 판별된 보행 지면(G)의 지형에 따라 로봇발(110)의 보행 알고리즘을 최적화시킬 수 있으며, 그로 인하여 보행 로봇 시스템(100)이 매우 원활하게 보행할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 보행 로봇 시스템
110: 로봇발
120: 반력감지부
130: 토크감지부
140: 전류감지부
150: 제어부
G: 보행 지면
L: 지형별 경계값

Claims (14)

1. 보행 지면을 보행하는 로봇발;
   상기 로봇발의 발바닥부에 구비되고, 상기 로봇발의 보행시 상기 발바닥부에 작용되는 지면 반력을 감지하는 반력감지부;
   상기 로봇발의 관절부에 구비되고, 상기 로봇발의 보행시 상기 관절부에 작용되는 토크를 감지하는 토크감지부;
   상기 로봇발의 관절부에 연결되고, 상기 로봇발의 보행시 상기 관절부에 발생되는 전류값의 변화를 감지하는 전류감지부; 및
   상기 반력감지부와 상기 토크감지부 및 상기 전류감지부의 감지값을 이용하여 지면 분석 모드 또는 보행 모드 중 적어도 어느 한 모드를 수행하는 제어부;를 포함하고,
   상기 지면 분석 모드는 상기 지면 반력과 상기 토크 및 상기 전류값을 이용하여 상기 로봇발이 보행하는 보행 지면의 정보를 분석 및 분류하며,
   상기 보행 모드는 상기 지면 분석 모드를 통해 구축된 지면 정보 데이터를 이용하여 상기 로봇발이 보행하는 보행 지면의 종류에 따라 보행 알고리즘을 설정 및 변경하는 보행 로봇 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 지면 분석 모드 및 상기 보행 모드는, 상기 로봇발의 보행시 상기 발바닥부가 상기 보행 지면에 접촉하는 구간에서만 실시되는 것을 특징으로 하는 보행 로봇 시스템.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 지면 분석 모드에서는 상기 지면 반력과 상기 토크 및 상기 전류값에 따라 상기 지면 정보를 통계적인 방법으로 분석한 후 상기 지면 정보를 지형별로 분류하여 상기 지면 정보 데이터를 구축하며,
   상기 보행 모드에서는 상기 지면 반력과 상기 토크 및 상기 전류값에 따른 지면 정보를 상기 지면 정보 데이터에 비교하여 상기 로봇발이 보행하는 보행 지면의 종류에 따라 상기 로봇발의 보행 알고리즘을 설정 및 변경하는 보행 로봇 시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 지면 분석 모드에서는 보행 알고리즘의 적용이 용이함과 아울러 지면 정보를 신속하게 검출하기 위하여 상기 지면 반력과 상기 토크 및 상기 전류값이 단수개의 상기 로봇발을 통해 감지되는 보행 로봇 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 지면 분석 모드에서는, 상기 지면 정보의 분산, 첨도, 비대칭도, 및 주파수 에너지의 분석을 통하여 상기 보행 지면의 특성 인자를 검출하고, 상기 특성 인자를 이용하여 상기 보행 지면의 종류에 따라 상기 지면 정보 데이터를 구축하며, 상기 지면 정보 데이터의 지형별 경계값을 산출하는 보행 로봇 시스템.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 보행 모드에서는, 상기 로봇발의 보행시 감지된 상기 지면 정보로부터 상기 보행 지면의 특성 인자를 검출하고, 상기 지형별 경계값과 상기 특성 인자를 비교하여 상기 보행 지면의 지형을 판별하며, 상기 지형의 종류에 따라 상기 로봇발의 보행 알고리즘을 설정 및 변경하는 보행 로봇 시스템.
   
7. 분석이 필요한 보행 지면을 따라 로봇발을 보행시키는 로봇발 보행 단계;
   상기 로봇발의 발바닥부에 작용되는 지면 반력, 상기 로봇발의 관절부에 작용되는 토크, 및 상기 로봇발의 관절부에 발생되는 전류값을 감지하는 로봇발 감지 단계;
   상기 지면 반력, 상기 토크, 및 상기 전류값을 이용하여 상기 로봇발이 보행하는 보행 지면의 특성 인자를 검출하는 지면 정보 검출 단계;
   상기 보행 지면의 특성 인자를 지형별로 분류하여 지면 정보를 데이터 베이스화하는 지면 정보 분류 단계; 및
   상기 지면 정보 데이터로부터 상기 보행 지면의 지형별 경계값을 산출하는 지형별 경계값 산출 단계;
   를 포함하는 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 로봇발 보행 단계에서는, 분석이 필요한 다양한 종류의 보행 지면에 단수개의 보행 알고리즘으로 상기 로봇발을 보행시키는 것을 특징으로 하는 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 로봇발 감지 단계는 상기 로봇발이 상기 보행 지면에 접촉되는 구간에서만 실시되는 것을 특징으로 하는 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법.
   
10. 제7항에 있어서,
    상기 지면 정보 검출 단계에서는, 상기 지면 반력과 상기 토크 및 상기 전류값에 대한 분산, 첨도, 비대칭도, 및 주파수 에너지의 분석을 통하여 상기 보행 지면의 특성 인자를 검출하는 보행 로봇 시스템의 지면 분석 방법.
    
11. 임의의 보행 지면을 따라 로봇발을 보행시키는 로봇발 보행 단계;
    상기 로봇발의 발바닥부에 작용되는 지면 반력, 상기 로봇발의 관절부에 작용되는 토크, 및 상기 로봇발의 관절부에 발생되는 전류값을 감지하는 로봇발 감지 단계;
    상기 지면 반력, 상기 토크, 및 상기 전류값을 이용하여 상기 로봇발이 보행하는 보행 지면의 특성 인자를 검출하는 지면 정보 검출 단계;
    상기 보행 지면의 특성 인자를 지형별 지면 정보가 저장된 지면 정보 데이터에 비교하여 상기 로봇발이 보행하는 보행 지면의 종류를 판별하는 지면 판별 단계; 및
    상기 지면 판별 단계에서 판별된 보행 지면의 종류에 대응하는 보행 알고리즘을 설정 및 변경하고, 상기 보행 알고리즘에 따라 상기 로봇발을 보행시키는 보행 알고리즘 설정 단계;
    를 포함하는 보행 로봇 시스템의 보행 방법.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 로봇발 감지 단계는 상기 로봇발이 상기 보행 지면에 접촉되는 구간에서만 실시되는 것을 특징으로 하는 보행 로봇 시스템의 보행 방법.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 지면 정보 검출 단계에서는, 상기 지면 반력과 상기 토크 및 상기 전류값에 대한 분산, 첨도, 비대칭도, 및 주파수 에너지의 분석을 통하여 상기 보행 지면의 특성 인자를 검출하는 보행 로봇 시스템의 보행 방법.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 지면 판별 단계에서는, 상기 지면 정보 데이터의 지형별 경계값과 상기 특성 인자를 비교하여 상기 지면 정보 데이터에서 상기 특성 인자가 위치되는 영역의 지면 정보를 판별하는 보행 로봇 시스템의 보행 방법.

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