KR20120024098A - 보행 로봇 및 그 제어방법 - Google Patents

보행 로봇 및 그 제어방법 Download PDF

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KR20120024098A
KR20120024098A KR1020100086787A KR20100086787A KR20120024098A KR 20120024098 A KR20120024098 A KR 20120024098A KR 1020100086787 A KR1020100086787 A KR 1020100086787A KR 20100086787 A KR20100086787 A KR 20100086787A KR 20120024098 A KR20120024098 A KR 20120024098A
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이민형
노경식
권웅
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삼성전자주식회사
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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid

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Abstract

보행 로봇 및 그 제어방법이 개시된다. 본 발명에 따른 보행 로봇 및 그 제어방법은 로봇의 다리에 마련된 적어도 하나의 관절부, 관절부의 각도와 각속도를 감지하는 감지부, 안정적인 보행시의 관절부의 각도 및 각속도의 정보를 저장하는 메모리부,　메모리부에 저장된 각도와 각속도의 정보로 목표궤적을 생성하는 목표궤적 생성부, 생성된 목표궤적과 관절부의 순시 각도 및 각속도를 비교하여 관절부의 안정도를 확인하고, 불안정한 관절부가 존재하면, 불안정한 관절부에 대해 목표궤적을 추종하도록 하는 제어토크를 계산하는 제어 토크 계산부 및 계산된 제어토크를 불안정한 관절부에 전달하여 보행을 제어하는 서보 제어부를 포함한다.
따라서, 본 발명은 복잡한 동적 방정식(Dynamics Equation)을 풀지 않고 FSM을 이용하여 관절부의 토크를 제어함으로써 안정적인 보행을 구현할 수 있다.

Description

보행 로봇 및 그 제어방법{WALKING ROBOT AND CONTROL METHOD THEREOF}
토크 기반에 따라 보행하는 로봇의 안정적인 보행 제어를 위한 보행 로봇 및 그 제어방법에 관한 것이다.
인간과 유사한 관절 체계를 가지고 인간의 작업 및 생활 공간에서 인간과 공존하며 보행하는 로봇의 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다. 보행 로봇은 이족 또는 3족 이상의 복수의 다리를 가지는 다족 보행 로봇으로 구성되며, 안정적인 보행을 위해 각 관절에 위치한 전기 모터, 유압 모터 등의 액츄에이터를 구동해야 한다. 액츄에이터의 구동 방식은 각 관절의 지령(command) 각도, 즉 지령(command) 위치를 주고 그것을 추종 제어하는 위치 기반의 ZMP(Zero Moment Point) 제어 방식과, 각 관절의 지령(command) 토크를 주고 그것을 추종 제어하는 토크 기반의 FSM(Finite State Machine) 제어 방식을 들 수 있다.
ZMP 제어 방식은 ZMP 구속 조건, 즉 ZMP가 지지하는 다리로 이루어진 지지다각형 내의 안전 영역(한발로 지지하고 있을 경우에는 그 발의 영역, 양발로 지지하고 있을 경우에는 양발의 영역을 포함하는 convex polygon 내에서 안전을 고려하여 작게 설정한 영역을 의미한다)에 존재해야 한다는 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 각도를 계산하고, 각 관절의 현재 각도와 목표 각도에 기초하여 각 관절의 목표 제어 값을 계산한다. 또한 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 제어하여 보행하는 방식이다.
그러나, ZMP 제어 방식은 위치 기반의 제어 방법이기 때문에 정확한 위치 제어가 가능한 반면, ZMP를 제어하기 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 커서 주위 환경에 큰 충격을 줄 수 있다. 또한 각 관절의 각도를 계산하기 위해선 기구학적 특이점(Kinematic Singularity)을 피해야 하므로 보행 중 무릎을 항상 굽힌 자세를 유지하게 되어 인간과 다른 부자연스러운 보행을 하게 된다.
이에 반해, FSM 제어 방식은 매 제어 시간마다 위치를 추종하여 보행하는 방식이 아니라 로봇의 각 동작 상태(State)를 미리 정의해 두고(Finite State),　보행 시 각 동작 상태(State)를 참조하여 각 관절의 목표 토크를 계산하고 이를 추종하도록 제어하여 보행하는 방식으로, 보행 중 각 관절의 토크를 제어하므로 낮은 서보 게인이 가능하여 에너지 효율이 높고 강성이 낮아서 주위 환경에 대해 안전하다. 또한 기구학적 특이점(Kinematic Singularity)을 피할 필요가 없으므로 인간과 같이 무릎을 편 상태의 자연스러운 보행이 가능하다.
그러나, FSM 제어 방식은 미리 정의된 동작 상태(State)에 의존하여 로봇의 보행을 제어하므로 보행 제어가 부적절할 경우 로봇이 균형을 잃을 수 있다. 따라서 보행 동작과 관계 없이 로봇의 균형을 잡기 위한 별도의 밸런싱(Balancing) 동작을 하게 된다. 로봇의 밸런싱 동작을 위해 안정적인 균형을 구현할 수 있는 지령 토크를 구해야 하는데, 지령 토크를 구하기 위해서는 매우 복잡한 동적 방정식(Dynamics Equation)을 풀어야 하므로 현재까지 6자유도 관절 구조의 다리를 가진 로봇에서 구현되지 못하였다.
본 발명의 일 측면은 안정적인 보행시의 목표궤적을 생성하고, 목표궤적을 추종하도록 제어토크를 산출하는 보행 로봇 및 그 제어방법을 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 사용자에 의해 보행 변경을 입력받으면, 변경될 보행의 목표궤적을 추종하도록 제어토크를 산출하는 보행 로봇 및 그 제어방법을 제공한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 보행 로봇은 로봇의 다리에 마련된 적어도 하나의 관절부, 관절부의 각도와 각속도를 감지하는 감지부,안정적인 보행시의 관절부의 각도 및 각속도의 정보를 저장하는 메모리부,　메모리부에 저장된 각도와 각속도의 정보로 목표궤적을 생성하는 목표궤적 생성부, 생성된 목표궤적과 관절부의 순시 각도 및 각속도를 비교하여 관절부의 안정도를 확인하고, 불안정한 관절부가 존재하면, 불안정한 관절부에 대해 목표궤적을 추종하도록 하는 제어토크를 계산하는 제어 토크 계산부 및 계산된 제어토크를 불안정한 관절부에 전달하여 보행을 제어하는 서보제어부를 포함한다.
한편, 제어 토크 계산부는 순시 각도 및 각속도가 목표궤적 내에 있는지 여부로 관절부의 안정도를 확인할 수 있다.
또한, 제어 토크 계산부는 불안정한 관절부에 대해 목표궤적을 추종하도록 하는 제어각도 및 각속도를 계산하고, 계산된 제어각도 및 각속도를 이용하여 제어토크를 계산할 수 있다.
또한, 관절부는 로봇의 대퇴골부를 움직이는 고관절부, 무릎관절부 및 발목관절부로 구성되고, 목표궤적 생성부는 고관절부, 무릎관절부 및 발목관절부의 목표궤적을 각각 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 보행 로봇의 제어방법은 로봇의 다리에 마련된 적어도 하나의 관절부, 관절부의 각도 및 각속도를 감지하는 감지부 및 안정적인 보행시의 관절부의 각도 및 각속도의 정보를 저장하는 메모리부를 구비한 보행 로봇의 제어방법으로서, 메모리부에 저장된 각도 및 각속도의 정보로 목표궤적을 생성하고,　생성된 목표궤적과 관절부의 순시 각도 및 각속도를 비교하여 관절부의 안정도를 확인하고, 관절부의 안정도 확인결과, 불안정한 관절부가 존재하면 불안정한 관절부에 대해 목표궤적을 추종하는 제어토크를 산출하고,　계산된 제어토크를 불안정한 관절부에 전달하여 보행을 제어한다.
한편, 관절부의 안정도 확인은 순시 각도 및 각속도가 목표궤적 내에 있는지 여부로 확인할 수 있다.
또한, 제어토크의 산출은 순시 각도 및 각속도와 목표궤적을 비교하여 목표궤적을 추종하도록 하는 제어각도 및 각속도를 계산하고, 계산된 제어각도 및 각속도를 이용하여 산출할 수 있다.
또한, 관절부는 고관절부, 무릎관절부 및 발목관절부로 구성되고, 목표궤적은 고관절부, 무릎관절부 및 발목관절부에 대해 각각 생성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 보행 로봇은 사용자로부터 제 1 보행에서 제 2 보행으로의 로봇 보행 전환을 입력받는 사용자 인터페이스부,　로봇의 다리에 마련된 적어도 하나의 관절부, 관절부의 각도와 각속도를 감지하는 감지부, 제 1 보행 및 제 2 보행시 관절부의 각도 및 각속도의 정보를 각각 저장하는 메모리부, 메모리부에 저장된 제 1 보행 및 제 2 보행의 각도 및 각속도 정보로 목표궤적을 각각 생성하는 목표궤적 생성부, 사용자로부터 로봇 보행 전환을 입력받으면, 제 1 보행의 목표궤적에서 제 2 보행의 목표궤적을 추종하도록 제어토크를 계산하는 제어 토크 계산부 및 계산된 제어토크를 관절부에 전달하여 보행을 제어하는 서보제어부를　포함한다.
한편, 제어 토크 계산부는 감지된 관절부의 순시각도 및 각속도가 제 2 보행의 목표궤적 내에 위치할 때까지 제어 토크를 계산할 수 있다.
또한, 제어 토크 계산부는 감지된 관절부의 순시 각도 및 각속도와 제 2 보행의 목표궤적을 비교하여 제어각도 및 각속도를 계산하고, 계산된 제어 각도 및 각속도로 제어토크를 계산할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 보행 로봇의 제어방법은 사용자로부터 제 1 보행에서 제 2 보행으로의 로봇 보행 전환을 입력받는 사용자 인터페이스부, 로봇의 다리에 마련된 적어도 하나의 관절부, 관절부의 각도와 각속도를 감지하는 감지부 및 제 1 보행 및 제 2 보행시 관절부의 각도 및 각속도의 정보를 각각 저장하는 메모리부를 구비한 보행 로봇의 제어방법으로서, 메모리부에 저장된 제 1 보행 및 제 2 보행의 각도 및 각속도 정보로 목표궤적을 각각 생성하고, 사용자로부터 로봇 보행 전환을 입력받으면, 생성된 제 1 보행의 목표궤적에서 제 2 보행의 목표궤적을 추종하도록 제어토크를 계산하고, 계산된 제어토크를 관절부에 전달하여 보행을 제어한다.
한편, 제어토크는 관절부의 순시 각도 및 각속도가 제 2 보행의 목표궤적 내에 위치할 때까지 계산될 수 있다.
또한, 제어토크는 관절부의 순시 각도 및 각속도와 제 2 보행의 목표궤적을 비교하여 제어 각도 및 각속도를 계산하고 계산된 제어 각도 및 각속도로 계산될 수 있다.
개시된 보행 로봇 및 그 제어 방법에 의하면, 복잡한 동적 방정식(Dynamics Equation)을 풀지 않고 FSM을 이용하여 관절부의 토크를 제어함으로써 안정적인 보행을 구현할 수 있다.
또한, 미리 정해진 안정적인 보행시의 각 관절의 각도와 각속도를 이용하여 간단한 제어토크의 계산이 가능하다. 이러한 각 관절의 각도 및 각속도를 이용한 제어토크의 계산은 로봇의 균형 유지 및 자연스러운 모션 전환을 복잡한 계산없이 가능하게 한다. 　
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의 외관 구성도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 로봇의 주요 관절 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 FSM 기반 보행 시, 로봇의 동작 상태와 각 동작 상태의 제어 동작을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의　보행　제어　블록도이다.
도 5a는 고관절부의 회전각도 측정을 도시한 도면이다.
도 5b는 무릎관절부의 회전각도 측정을 도시한 도면이다.
도 5c는 발목관절부의 회전각도 측정을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의 보행 제어 방법을 나타낸 동작 순서도이다.
도 7은, 도 6의 로봇의 보행 제어 방법에 따라 보행궤적을 추종하는 모습을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 로봇의 보행 제어 방법을 나타낸 동작 순서도이다.
도 9는, 도 8의 로봇의 보행 제어방법에 따라 트랜지션 모션을 생성하는 모습을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의 외관 구성도이다.
도 1에서, 로봇(100)은 인간과 마찬가지로 두 개의 다리(110)에 의해 직립 이동하는 이족 보행 로봇으로, 몸통(102), 머리(104), 팔(106)로 이루어진 상체(101)와, 두 개의 다리(110)로 이루어진 하체(103)를 가진다.
로봇(100)의 상체(101)는 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 하체(103)는 상체(101)의 몸통(102) 하부 양측에 연결된 두 개의 다리(110L, 110R)와, 두 개의 다리(110L, 110R) 말단에 각각 연결된 발(112L, 112R)로 이루어진다.
참조 부호에서, "R"과 "L"는 각각 로봇(100)의 오른쪽(right)과 왼쪽(left)을 나타내고, COG(Center Of Gravity)는 로봇(100)의 무게 중심을 나타낸다.
도 2는 도 1에 나타낸 로봇의 주요 관절 구조를 나타낸 도면이다.
도 2에서, 로봇(100)의 몸통(102)에는 포즈 센서(pose sensor; 14)가 설치된다. 포즈 센서(14)는 연직축에 대한 상체(101)와 두 다리(110L, 110R)의 기울기인 경사 각도와 그 각속도를 검출하여 자세 정보를 발생시킨다. 이 포즈 센서(14)는 몸통(102) 뿐만 아니라 두 다리(110L, 110R)에 설치해도 좋다.
몸통(102)에는 상체(101)가 회전할 수 있도록 요우 방향의 1 자유도를 가지는 허리 관절부(15)가 설치된다.
또한, 로봇(100)의 머리(104)에는 주위를 촬영하는 카메라(41)와, 사용자 음성을 입력하는 마이크로폰(42)이 설치된다.
머리(104)는 목 관절부(280)를 통해 상체(101)의 몸통(102)과 연결된다. 목 관절부(280)는 요우 방향(yaw, Z축 회전)의 회전 관절(281)과, 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 각각의 회전 관절(281, 282, 283)에는 머리(104)의 회전을 위한 모터들(예를 들어, 전기 모터, 유압 모터 등의 액츄에이터)이 연결된다.
로봇(100)의 두 개의 팔(106L, 106R)은 각각 상박 링크(31), 하박 링크(32) 및 손(33)을 가진다.
상박 링크(31)는 어깨 관절부(250L, 250R)를 통해 상체(101)에 연결되고, 상박 링크(31)와 하박 링크(32)는 팔꿈치 관절부(260)를 통해 서로 연결되며, 하박 링크(32)와 손(33)은 손목 관절부(270)를 통해 서로 연결된다.
어깨 관절부(250L, 250R)는 상체(101)의 몸통(102)의 양측에 설치되어 두 개의 팔(106L, 106R)을 상체(101)의 몸통(102)에 연결한다.
팔꿈치 관절부(260)는 피치 방향의 회전 관절(261)과, 요우 방향의 회전 관절(262)를 포함하여 2 자유도를 가진다.
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.
그리고, 로봇(100)의 두 개의 다리(110L, 110R)는 각각 대퇴 링크(21)와 하퇴 링크(22), 발(112L, 112R)을 가진다.
대퇴 링크(21)는 인간의 허벅다리(허벅지)에 해당하는 부분으로 　고관절부(210)를 통해 상체(101)의 몸통(102)에 연결되고, 대퇴 링크(21)와 하퇴 링크(22)는 무릎 관절부(220)를 통해 서로 연결되며, 하퇴 링크(22)와 발(112L, 112R)은 발목 관절부(230)를 통해 서로 연결된다.
고관절부(210)는 요우 방향(yaw, Z축 주위의 회전)의 회전 관절(211; 힙 요우 조인트)과, 피치 방향(pitch, Y축 주위의 회전)의 회전 관절(212; 힙 피치 조인트)과, 롤 방향(roll, X축 주위의 회전)의 회전 관절(213; 힙 롤 조인트)을 포함하여 3 자유도를 가진다.
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.
두 개의 다리(110L, 110R) 각각에는 고관절부(210), 무릎 관절부(220), 발목 관절부(230)에 대해 6개의 회전 관절이 마련되므로, 두 개의 다리(110L, 110R) 전체에 대해서는 12개의 회전 관절이 마련된다.
한편, 두 개의 다리(110L, 110R)에서 발(112L, 112R)과 발목 관절부(230)의 사이에는 다축 F/T센서(Multi-Axis Force and Torque Sensor; 24)가 각각 설치된다. F/T 센서(24)는 발(112L, 112R)로부터 전달되는 힘의 3방향 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향 성분(Mx, My, Mz)을 측정함으로써 발(112L, 112R)의 착지 여부 및 발(112L, 112R)에 가해지는 하중을 검출한다.
도면에 도시되어 있지 않지만, 로봇(100)에는 각 회전 관절을 구동하는 모터 등과 같은 액츄에이터가 설치된다. 로봇(100)의 동작 전반을 제어하는 보행 제어부는 이 모터를 적절히 제어함으로써 로봇(100)의 다양한 동작을 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 FSM 기반 보행 시, 로봇의 동작 상태와 각 동작 상태의 제어 동작을 나타낸 도면이다.
도 3에서, 토크 기반의 FSM 제어 방식은 로봇(100)의 동작 상태를 미리 정의된 복수 개의 동작 상태(예를 들어, S1, S2, S3, S4, S5, S6의 6개 상태)로 구분한다. 각각의 동작 상태(S1, S2, S3, S4, S5, S6)는 보행 시 로봇(100)의 한 다리(110L 또는 110R)가 취하는 포즈를 의미하고, 이러한 로봇(100)의 포즈를 적절하게 전환함으로서 안정적인 보행이 이루어지도록 한다.
또한, 이러한 동작 상태(S1, S2, S3, S4, S5, S6)와 동작 상태 전환을 통해 하나의 보행 모션(motion)을 구성한다.
제1동작 상태(S1; flight)는 다리(110L 또는 110R)를 스윙(Swing)하는 포즈이고, 제2동작 상태(S2; loading)는 발(112)을 지면에 내려 놓는 포즈이며, 제3동작 상태(S3; heel contact)는 발(112) 뒤쪽(heel)을 지면에 접촉시키는 포즈이고, 제4동작 상태(S4; heel and toe contact)는　발(112) 뒤쪽(heel)과 앞쪽(toe)을 동시에 지면에 접촉시키는 포즈이며, 제5동작 상태(S5; toe contact)는 발(112)　앞쪽(toe)을 접촉시키는 포즈이고, 제6동작 상태(S6; unloading)는 발(112)을 지면에서 떼어 내는 포즈에 해당한다.
각각의 동작 상태에서 다른 동작 상태로 전환하기 위해서는 그 동작 상태의 전환을 위한　제어 동작(Control Action)이 요구된다.
보다 구체적으로 설명하면, 제1동작 상태(S1)에서 제2동작 상태(S2)로 전환하는 경우(S1→S2), 발(112) 뒤쪽(heel)이 지면에 닿게 하는 제어 동작(heel touches ground)이 요구된다.
제2동작 상태(S2)에서 제3동작 상태(S3)로 전환하는 경우(S2→S3), 지면에 닿은 발(112)에 연결된 무릎(구체적으로, 무릎 관절부)를 구부리는 제어 동작(knee bends)이 요구된다.
제3동작 상태(S3)에서 제4동작 상태(S4)로 전환하는 경우(S3→S4), 발(112) 앞쪽(toe)이 지면에 닿게 하는 제어 동작(ball of foot touches ground)이 요구된다.
제4동작 상태(S4)에서 제5동작 상태(S5)로 전환하는 경우(S4→S5), 지면에 닿은 발(112)에 연결된 무릎을 펴는 제어 동작(knee extends)이 요구된다.
제5동작 상태(S5)에서 제6동작 상태(S6)로 전환하는 경우(S5→S6), 지면에 닿은 발(112)에 연결된 무릎을 완전하게 펴는 제어 동작(knee fully extended)이 요구된다.
제6동작 상태(S6)에서 제1동작 상태(S1)로 전환하는 경우(S6→S1), 발(112) 앞쪽(toe)을 지면에서 떼어 내는 제어 동작(ball of foot leaves ground)이 요구된다.
따라서, 로봇(100)은 제어 동작(Control Action)의 실행을 위해 각 제어 동작(Control Action)에 대응하여 각 관절의 토크 지령을 계산하고, 계산된 토크 지령을 각 관절에 설치된 모터 등의 액츄에이터에 출력하여 액츄에이터를　구동시킨다.
이러한 토크 기반의 FSM 제어 방식은, 미리 정의된 각 동작 상태(S1, S2, S3, S4, S5, S6)에 의존하여 로봇(100)의 보행을 제어한다. 하지만, 로봇(100)의 동작 상태(S1, S2, S3, S4, S5, S6)를 바꾸는 것만으로는 보행 제어가 부적절하여 로봇(100)이 균형을 잃을 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 토크 기반의 FSM 제어 방식에서는 안정적인 보행시의 목표궤적을 생성하고, 목표궤적을 추종하도록 하는 제어 토크를 계산한다. 또한, 계산된 제어 토크를 각 관절부에 설치된 모터 등의 액츄에이터에 출력하여 로봇이 균형을 유지하면서 안정적이고 자연스러운 보행을 수행할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의　보행　제어　블록도로서, 사용자 인터페이스부(310), 감지부(320), 메모리부(330) 및 보행 제어부(340) 및 관절부(350)를 포함한다.
사용자 인터페이스부(310)는 로봇의 보행을 지시하기 위한 사용자 명령을 입력한다.
감지부(320)는　로봇의 몸통에 설치되어 상체와 두 다리의 기울기나 자세를 검출하는 포즈 센서와, 로봇의 발과 발목 관절부의 사이에 설치되어 발의 지면 접촉 여부를 검출하는 F/T 센서를 포함한다.
특히, 본 실시예에서 감지부(320)는 각 관절부(350)의 각도와 각속도를 측정한다. 감지부(320)는 로봇의 보행을 제어하기 위해 고관절부, 무릎관절부 및 발목 관절부의 각도와 각속도를 측정한다.
각 관절부(350)의 회전각도를 측정하는 방법은 도 5a, 도 5b 및 도 5c를 통해 설명한다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 고관절부, 무릎관절부 및 발목관절부의 회전각도 측정을 도시한 도면으로서 로봇의 측면을 기준으로 도시하였다. 도 5a, 도 5b 및 도 5c에서 연직축을 기준으로 피치방향으로 각 관절의 회전각도가 측정되고, 무릎관절부는 +θ방향만 존재함이 도시되어 있다.
메모리부(330)는 안정적인 보행 시, FSM(Finite State Machine)에 기반을 둔 로봇　다리의 동작 상태(state) 데이터와, 로봇　다리의 동작 상태(state)에 대응하는 각 관절부(350)의 각도 및 각속도 데이터를 저장한다.
FSM은 몸통과 다리의 제한된 상태(state) 변화를 순차적으로 나타낸 것이다. 다리의 제한된 상태(state)는 각 관절부(350)의 각도와 각속도에 따라 결정된다. 즉, 메모리부(330)는 안정적인 보행이 이루어질 때 고관절부, 무릎관절부 및 발목관절부의 각도와 각속도 데이터를 저장한다.
또한, 메모리부(330)는 보행 모션(motion)의 종류를 다르게 설정하고, 안정적인 보행이 이루어질 때 고관절부, 무릎관절부 및 발목관절부의 각도와 각속도　데이터를 각 모션별로 저장한다.
한편, 보행 모션의 종류는 보행의 속도, 보폭 등을 기준으로 다르게 설정될 수 있다. 예컨대, 보폭이 10cm인 보행이 제 1 보행으로 설정되고, 20cm인 보행이 제 2 보행으로 설정될 수 있다. 　　　
보행 제어부(340)는 사용자 인터페이스부(310)로부터 입력된 보행 명령과 감지부(320)로부터 감지된 센서 정보를 바탕으로 로봇의 보행을 제어하는 PD(Proportional-Derivative) Controller로, 목표 궤적 생성부(341), 제어 토크 계산부(342) 및 서보 제어부(343)를 포함한다.
목표 궤적 생성부(341)는 메모리부(330)에 저장된 안정적인 보행시 각 관절부(350)의 각도 및 각속도로 목표궤적을 생성한다. 목표궤적이란, 안정적 보행시 각 관절부(350)의 각속도의 각도에 따른 변화를 곡선으로 연결한 한계 순환궤적이다.
목표 궤적 생성부(341)는 고관절부, 무릎관절부 및 발목관절부의 목표궤적을 각각 생성한다. 즉, 오른쪽과 왼쪽의 고관절부, 무릎관절부 및 발목관절부 각각에 대해 목표궤적이 생기므로 6개의 목표궤적이 생성된다.
또한, 목표 궤적 생성부(341)는 사용자 인터페이스부(310)로부터 보행 모션 전환(제 1 보행에서 제 2 보행으로의 전환)을 입력받으면 제 1 보행 및 제 2 보행의 목표궤적을 각각 생성한다. 예컨대, 사용자 인터페이스부(310)로부터 보폭이 10cm인 제 1 보행에서 보폭이 20cm인 제 2 보행으로의 전환을 입력받으면, 목표 궤적 생성부(341)는 메모리부(330)에 저장된 제 1 보행 및 제 2 보행시 각 관절부(350)의 각도 및 각속도 데이터로 목표궤적을 각각 생성한다. 즉, 제 1 보행 및 제 2 보행시 고관절부, 무릎관절부 및 발목관절부의 목표궤적이 각각 생성되는 것이다.
제어 토크 계산부(342)는 목표 궤적 생성부(341)에서 생성된 각 관절부(350)의 목표 궤적을 추종하기 위한 제어 토크를 계산한다.
구체적으로, 제어 토크 계산부(342)는 각 관절부(350)의 순시 각도 및 각속도와 목표궤적을 비교하여 각 관절부(350)의 안정도를 확인하고, 불안정한 관절부(350)에 대해 　제어각도 및 각속도를 계산한다. 또한, 계산된 제어각도 및 각속도를 이용하여 제어토크를 계산한다. 이러한 제어토크의 계산은 매 제어주기마다 이루어지고, 제어주기는 1ms로 설정될 수 있다.
제어 토크 계산부(342)는 사용자로부터 보행 모션전환을 입력받으면, 　　트랜지션 모션(transition motion) 생성을 위한 제어토크를 계산한다. 이로써 보행 모션간에 　자연스럽고 안정적인 전환이 가능하다.
구체적으로, 제어 토크 계산부(342)는 사용자 인터페이스부(310)로부터 보행 전환(보행 1에서 보행 2로의 전환)을 입력받으면, 보행 1의 목표궤적에서 보행 2의 목표궤적을 추종하도록 각 관절부(350)별로 제어토크를 계산한다.
이러한 각 관절의 각도 및 각속도를 이용한 제어토크의 계산은 로봇의 균형 유지 및 자연스러운 모션 전환을 복잡한 계산없이 가능하게 한다. 　
서보 제어부(343)는 제어 토크 계산부(342)에서 계산된 제어 토크를 다리의 관절부(350)에 제공하고, 관절부(350)에 설치된 모터 등의 액츄에이터를　구동시키도록 계산된 제어 토크에 대응하는 토크 제어 신호를 관절부(350)에 출력한다.
따라서, 관절부(350)는 서보 제어부(343)로부터 토크 제어 신호를 입력받아 관절부에 설치된 모터 등의 액츄에이터를　구동시킴으로써 조인트의 목표 궤적에 따라 로봇이 균형을 유지하면서 안정적인 보행을 구현할 수 있도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의 보행 제어 방법을 나타낸 동작 순서도이고, 도 7은, 도 6의 로봇의 보행 제어 방법에 따라 보행궤적을 추종하는 모습을 나타낸 그래프이다.
먼저 사용자 인터페이스부를 통해 로봇의 보행을 지시하는 사용자 명령이 입력되면, 목표 궤적 생성부는 안정적인 보행 시 각 관절부의 각도와 각속도를 이용하여 목표궤적을 생성(410)한다. 상기 안정적 보행 시의 각 관절부의 각도 및 각속도는 실험을 통해 얻어진다.
한편, 목표궤적이란 다리의 동작 상태(state)가 변화함에 따라　각 관절부의 각도에 따른 각속도의 변화를 곡선으로 연결한 것이다. 즉, 목표궤적은 고관절부, 무릎 관절부 및 발목관절부에 대해 각각 생성된다.
목표궤적이 생성(410)되면, 제어 토크 계산부는 각 관절부의 안정도를 확인(420)한다. 구체적으로, 각 관절부의 순시 각도 및 각속도와 목표궤적을 비교하고, 목표궤적을 벗어난 순시 각도 및 각속도가 있는지 판단한다. 예컨대, 무릎 관절부 및 발목관절부의 순시 각도 및 각속도는 목표궤적 내에 존재하지만, 고관절부의 현재 각도 및 각속도가 목표궤적을 벗어난 것으로 판단되면, 고관절부가 불안정한 것으로 확인한다.
도 7를 참조하면, 현재 상태(state)에서 관절부의 각도 및 각속도의 위치는 목표궤적 내의 (θd,θ'd)여야 하지만, 순시 각도 및 각속도는 (θc,θ'c)임을 알 수 있다. 따라서, 제어 토크 계산부는 상기 관절부가 불안정한 것으로 확인하고, 상기 관절부의 목표궤적을 추종할 제어각도 및 각속도를 계산한다.
제어 토크 계산부는 관절부의 순시 각도 및 각속도가 목표궤적을 따르도록 하는 제어 각도 및 각속도를 매 제어주기마다 계산(430)한다. 제어주기는 1ms일 수 있고, 1ms마다 제어 각도 및 각속도가 산출된다. 여기서, 상기 제어주기는 설계자에 의해 변경될 수 있고 제어주기의 수치를 변경하여 제어하는 것도 본 발명의 범주에 포함된다.
제어 토크 계산부는 순시 각도 및 각속도의 위치인 (θc,θ'c)에서 목표 궤적 내에 위치한 최종 목표 각도 및 각속도(θdf,θ'df)로 변환시키기 위해 매 제어주기마다 제어 각도 및 각속도(θd,n,θ'd,n)를 계산한다.
제어 각도 및 각속도(θd,n,θ'd,n)를 계산하는 방법은 아래의 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 따른다.
Figure pat00001
Figure pat00002
[수학식 1]및 [수학식 2]를 참조하면, 제어 각도 및 각속도(θd,n,θ'd,n)는 　매 제어주기에서의 현재 각도 및 각속도(θd,n-1,θ'd,n-1)에서 (△θ,△θ')를 제어주기(△t)로 나눈 단위시간 당 제어 각도 및 각속도를 합함으로써 계산됨을 알 수 있다.
이와 같이 제어 각도 및 각속도가 계산(430)되면, 제어 토크 계산부는 제어 각도 및 각속도로 제어토크를 계산(440)한다. 제어토크의 계산은 수학식 3을 따른다.
Figure pat00003
[수학식 3]에서 τA는 매 제어주기에서의 토크 값, θd,n, θ'd,n는 매 제어주기에서의 제어각도 및 각속도, θd-1, θ'd- 1는 매 제어주기에서의 현재각도 및 각속도이다. kp ,i와 kd ,i는 계수이고, 여기서 i는 각 관절을 의미하므로 각 관절마다 제어 토크를 구할 수 있다. 　
제어 토크 계산부에서 제어토크를 계산(440)하면, 서보 제어부는 상기 제어 토크를 해당하는 관절부에 제공(450)하고, 상기 관절부에 설치된 모터 등의 액츄에이터를 구동시킴으로써 목표궤적을 따라 로봇이 균형을 유지하면서 안정적인 보행을 구현할 수 있게 한다.
한편, 토크 기반의 FSM 제어 방식은, 미리 정의된 각 동작 상태에 의존하여 로봇의 보행을 제어하므로 로봇의 보행 모션을 전환할 때 단순히 로봇의 동작상태를 바꾸는 것만으로는 부자연스러운 동작이 구현되거나 로봇이 균형을 잃을 염려가 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 의한 로봇의 보행 제어방법에서는 모션 전환시 트랜지션 스테이트(transition state)들을 구하고, 두 종류의 모션을 자연스럽게 연결하는 트랜지션 모션(transition motion)을 수행할 수 있도록 제어한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 로봇의 보행 제어 방법을 나타낸 동작 순서도이고, 도 9는, 도 8의 로봇의 보행 제어방법에 따라 트랜지션 모션을 생성하는 모습을 나타낸 그래프이다.
먼저 사용자 인터페이스부를 통해 제 1 보행에서 제 2보행으로 로봇의 보행 모션을 전환하라는 사용자 명령이 입력(510)된다. 보행 모션의 종류는 보행의 속도, 보폭 등을 기준으로 다르게 설정될 수 있다.　
로봇 보행 모션을 전환하라는 사용자 명령이 입력(510)되면, 목표 궤적 생성부는 메모리부에 저장된 제 1 보행 및 제 2 보행의 안정적인 보행 시 각도 및 각속도를 이용하여 각 관절부마다 목표궤적을 생성(520)한다. 즉, 목표 궤적 생성부는 제 1 보행 및 제 2 보행의 목표궤적을 생성(520)하는 것이다.
목표궤적이 생성(520)되면, 제어 토크 계산부는 제 1 보행에서 제 2 보행으로 전환하기 위한 제어토크를 계산(550)한다. 제어토크는 제 1 보행의 목표궤적에서 제 2 보행의 목표궤적을 추종하도록 계산된다.
제어토크의 계산에 대해 구체적으로 설명하면, 먼저 각 관절부의 순시 각도 및 각속도가 제 2 보행의 목표궤적 상에 위치하는지 확인(530)한다. 이때 순시 각도 및 각속도가 목표궤적 상에 위치하지 않는다면, 제 2 보행의 목표궤적을 추종할 제어 토크를 계산(550)한다.
도 8을 참조하면, 로봇 모션 변경의 사용자 명령이 입력된 시점에서 관절부의 각도 및 각속도의 위치는 제 1 보행의 (θc,θ'c)이다. 따라서, 제어 토크 계산부는 순시 각도 및 각속도를 제 2 보행의 목표궤적 내에 위치한 최종 목표 각도 및 각속도(θd,θ'd)로 위치시키기 위해 매 제어 주기마다 제어 각도 및 각속도(θd,n,θ'd,n)를 계산(540)한다. 또한, 제어 토크 계산부는 계산된 제어각도 및 각속도를 이용하여 제어토크를 계산(550)한다.
이러한 제어토크의 계산(550)은 로봇이 제 2 보행을 수행하는 시점인 각 관절부의 순시 각도 및 각속도가 제 2 보행의 목표궤적 내에 위치할 때까지 수행(530)된다.
한편, 제어각도, 각속도 및 제어토크의 계산은 도 5에서 설명한 [수학식 1] 내지 [수학식 3]을 따르므로, 이에 대한 설명은 도 5로 대체한다.
이렇게 제어 토크 계산부에서 제어 토크를 계산하면, 서보 제어부는 상기 제어 토크를 해당하는 관절부에 제공(560)하고, 상기 관절부에 설치된 모터 등의 액츄에이터를 구동시킴으로써 보행 모션의 전환을 자연스럽게 수행할 수 있는 트랜지션 모션을 구현할 수 있게 한다.
310: 사용자 인터페이스부
320: 감지부
330: 메모리부
340: 보행 제어부
350: 관절부

Claims (14)

  1. 로봇의 다리에 마련된 적어도 하나의 관절부;
    상기 관절부의 각도 및 각속도를 감지하는 감지부;
    안정적인 보행시의 상기 관절부의 각도 및 각속도의 정보를 저장하는 메모리부;
    상기 메모리부에 저장된 각도와 각속도의 정보로 목표궤적을 생성하는 목표궤적 생성부;
    상기 생성된 목표궤적과 상기 관절부의 순시 각도 및 각속도를 비교하여 상기 관절부의 안정도를 확인하고, 불안정한 관절부가 존재하면, 상기 불안정한 관절부에 대해 상기 목표궤적을 추종하도록 하는 제어토크를 계산하는 제어 토크 계산부; 및
    상기 계산된 제어토크를 상기 불안정한 관절부에 전달하여 상기 보행을 제어하는 서보제어부;를 포함하는 보행 로봇.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 토크 계산부는
    상기 순시 각도 및 각속도가 상기 목표궤적 내에 있는지 여부로 상기 관절부의 안정도를 확인하는 것인 보행 로봇.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 토크 계산부는
    상기 불안정한 관절부에 대해 상기 목표궤적을 추종하도록 하는 제어각도 및 각속도를 계산하고,
    상기 계산된 제어각도 및 각속도를 이용하여 제어토크를 계산하는 것인 보행 로봇.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 관절부는 상기 로봇의 대퇴골부를 움직이는 고관절부, 무릎관절부 및 발목관절부로 구성되고,
    상기 목표궤적 생성부는 상기 고관절부, 무릎관절부 및 발목관절부의 목표궤적을 각각 생성하는 보행 로봇. 　　
  5. 로봇의 다리에 마련된 적어도 하나의 관절부, 상기 관절부의 각도 및 각속도를 감지하는 감지부 및 안정적인 보행시의 상기 관절부의 각도 및 각속도의 정보를 저장하는 메모리부를 구비한 보행 로봇의 제어방법에 있어서,
    상기 메모리부에 저장된 각도 및 각속도의 정보로 목표궤적을 생성하고;
    상기 생성된 목표궤적과 상기 관절부의 순시 각도 및 각속도를 비교하여 　상기 관절부의 안정도를 확인하고;
    상기 관절부의 안정도 확인결과, 불안정한 관절부가 존재하면 상기 불안정한 관절부에 대해 상기 목표궤적을 추종하는 제어토크를 산출하고;
    상기 계산된 제어토크를 상기 불안정한 관절부에 전달하여 상기 보행을 제어하는 보행 로봇의 제어방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 관절부의 안정도는
    상기 순시 각도 및 각속도가 상기 목표궤적 내에 있는지 여부로 확인되는 것인 로봇의 제어방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제어토크는
    상기 순시 각도 및 각속도와 상기 목표궤적을 비교하여 상기 목표궤적을 추종하도록 하는 제어각도 및 각속도를 계산하고,
    상기 계산된 제어각도 및 각속도를 이용하여 산출되는 것인 로봇의 제어방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 관절부는 고관절부, 무릎관절부 및 발목관절부로 구성되고,
    상기 목표궤적은 상기 고관절부, 무릎관절부 및 발목관절부에 대해 각각 생성되는 것인 보행 로봇의 제어방법.
  9. 사용자로부터 제 1 보행에서 제 2 보행으로의 로봇 보행 전환을 입력받는 사용자 인터페이스부;
    로봇의 다리에 마련된 적어도 하나의 관절부;
    상기 관절부의 각도와 각속도를 감지하는 감지부;
    상기 제 1 보행 및 제 2 보행시 상기 관절부의 각도 및 각속도의 정보를 각각 저장하는 메모리부;
    상기 메모리부에 저장된 상기 제 1 보행 및 제 2 보행의 각도 및 각속도 정보로 목표궤적을 각각 생성하는 목표궤적 생성부;
    상기 사용자로부터 로봇 보행 전환을 입력받으면, 상기 제 1 보행의 목표궤적에서 상기 제 2 보행의 목표궤적을 추종하도록 제어토크를 계산하는 제어 토크 계산부; 및
    상기 계산된 제어토크를 상기 관절부에 전달하여 상기 보행을 제어하는 서보제어부;를　포함하는 보행 로봇.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제어 토크 계산부는
    상기 감지된 관절부의 순시각도 및 각속도가 상기 제 2 보행의 목표궤적 내에 위치할 때까지 제어 토크를 계산하는 보행 로봇.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제어 토크 계산부는
    감지된 관절부의 순시 각도 및 각속도와 상기 제 2 보행의 목표궤적을 비교하여 제어각도 및 각속도를 계산하고, 상기 계산된 제어 각도 및 각속도로 상기 제어토크를 계산하는 보행 로봇.
  12. 사용자로부터 제 1 보행에서 제 2 보행으로의 로봇 보행 전환을 입력받는 사용자 인터페이스부, 로봇의 다리에 마련된 적어도 하나의 관절부, 상기 관절부의 각도와 각속도를 감지하는 감지부 및 상기 제 1 보행 및 제 2 보행시 상기 관절부의 각도 및 각속도의 정보를 각각 저장하는 메모리부를 구비한 보행 로봇의 제어방법에 있어서,
    상기 메모리부에 저장된 상기 제 1 보행 및 제 2 보행의 각도 및 각속도 정보로 목표궤적을 각각 생성하고;
    상기 사용자로부터 로봇 보행 전환을 입력받으면, 상기 생성된 제 1 보행의 목표궤적에서 상기 제 2 보행의 목표궤적을 추종하도록 제어토크를 계산하고;
    상기 계산된 제어토크를 상기 관절부에 전달하여 상기 보행을 제어하는 보행 로봇의 제어방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제어토크는
    상기 관절부의 순시 각도 및 각속도가 상기 제 2 보행의 목표궤적 내에 위치할 때까지 계산되는 것인 보행 로봇의 제어방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제어토크는
    상기 관절부의 순시 각도 및 각속도와 상기 제 2 보행의 목표궤적을 비교하여 제어 각도 및 각속도를 계산하고, 상기 계산된 제어 각도 및 각속도로 계산되는 것인 보행 로봇의 제어방법.
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