KR20120048410A - Pitch-balancing walking multi-ped robot - Google Patents

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KR20120048410A
KR20120048410A KR1020100110025A KR20100110025A KR20120048410A KR 20120048410 A KR20120048410 A KR 20120048410A KR 1020100110025 A KR1020100110025 A KR 1020100110025A KR 20100110025 A KR20100110025 A KR 20100110025A KR 20120048410 A KR20120048410 A KR 20120048410A
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안진웅
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Abstract

PURPOSE: A pitch-balancing legged robot is provided to prevent a pitch-over by reducing a longitudinal displacement of center of gravity in an acceleration and deceleration. CONSTITUTION: A pitch-balancing legged robot comprises a body(10), a plurality of legs(20), an acceleration sensor(30), a MCU(Micro Process Unit)(40), and a compensation unit(50). The plurality of legs is symmetrically arranged in the center part of the body, thereby supporting the body. The acceleration sensor measures an acceleration generated in a movement of the body. The MCU circulates a gravity center displacement value by using the measured acceleration. The compensation unit reduces a gravity center displacement by compensating the circulated gravity center displacement value.

Description

피치 밸런싱 다리형 로봇{PITCH-BALANCING WALKING MULTI-PED ROBOT}Pitch balancing leg robot {PITCH-BALANCING WALKING MULTI-PED ROBOT}

본 발명은 다리형 로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가감속시 무게중심이동을 저감하여 주행시 최대속도를 향상시키는 피치 밸런싱 다리형 로봇에 관한 것이다.The present invention relates to a leg-type robot, and more particularly, to a pitch balancing leg-type robot for reducing the center of gravity movement during acceleration and deceleration to improve the maximum speed during driving.

로봇은 산업용으로 개발되어 공장 자동화의 일환으로 사용되거나, 인간이 견딜 수 없는 극한의 환경에서 인간을 대신하여 정보를 수집하거나 채집하는데 사용되어 왔다. 이러한 로봇공학 분야는 근래에 들어 최첨단 우주개발산업에 사용되면서 발전을 거듭하여 왔고, 최근에 들어서는 인간 친화적인 가정용 로봇이 개발되기에 까지 이르렀다. 이러한 인간 친화적인 가정용 로봇의 대표적인 예가 바로 청소로봇이다.Robots have been developed for industrial use and as part of factory automation, or have been used to collect or collect information on behalf of humans in extreme environments that humans cannot tolerate. This field of robotics has been developed in recent years as it is used in the cutting-edge space development industry, and recently, until a human-friendly home robot was developed. A representative example of such a human-friendly home robot is a cleaning robot.

로봇의 하나인 청소로봇은 주택 또는 사무실과 같은 일정한 청소구역을 스스로 구동하면서, 먼지 또는 이물질을 흡입하는 기기이다. 이 같은 청소로봇은 먼지 또는 이물질을 흡입하는 진공 청소기의 구성은 물론 청소로봇을 주행시키기 위해 바퀴 에 구동력을 전달하는 우륜 및 좌륜모터를 포함하는 주행수단이 구비되어 있다. 우륜 및 좌륜모터의 회전에 의해 바퀴가 회전하면서, 청소로봇은 주행할 수 있다.One of the robots, the cleaning robot, is a device that inhales dust or foreign substances while driving itself in a certain cleaning area such as a house or office. Such a cleaning robot is provided with a driving means including a right wheel and a left wheel motor for transmitting a driving force to a wheel for driving the cleaning robot as well as a vacuum cleaner that sucks dust or foreign matter. As the wheel is rotated by the rotation of the right wheel and the left wheel motor, the cleaning robot can travel.

한편, 청소로봇과 같이 바퀴를 이용하여 주행하는 방법 이외에 네 개의 다리를 이용하여 로봇을 주행시키는 사족 로봇이 있다. 이러한 사족 로봇은 다리의 전후 구동에 따라 주행한다. On the other hand, there is a quadruped robot that runs the robot using four legs in addition to the method of traveling using wheels, such as a cleaning robot. This quadruped robot travels according to the forward and backward driving of the bridge.

그러나 이와 같은 차량이나 이동 로봇 등과 같은 모바일 시스템에서는 가감속에 의해 종방향 무게 쏠림이 발생된다. 이 쏠림양에 기인한 무게중심 이동치에 의해 무게중심을 기준으로 Pitch 방향의 각도 변위가 발생된다. 이 무게중심 이동치 값이 특정한 값 이상이 되면 Pitch-Over(Pitch 방향으로 전복이 됨)가 발생된다. 물리적으로 Pitch-Over가 발생되면, 앞 열(급 가속시)이나 뒷 열의 다리 또는 바퀴(급 감속시)가 들리게 된다.However, in such a mobile system such as a vehicle or a mobile robot, longitudinal weight deflection is generated by acceleration and deceleration. The angular displacement in the pitch direction is generated from the center of gravity due to the center of gravity shift due to this amount of tilt. If the value of the center of gravity shift value exceeds a certain value, a pitch-over (overturning in the pitch direction) occurs. Physically, when a pitch-over occurs, the front row (in case of rapid acceleration) or the rear row of legs or wheels (in case of sudden deceleration) can be heard.

통상적인 차량의 경우, 기하학적 종횡비인 H/L(여기에서 L은 앞 바퀴와 뒷 바퀴간 거리, H는 무게중심과 지면간 거리; 가감속 시 발생되는 관성에 의한 무게 쏠림량에 대한 비례관계를 가짐)가 작은 값을 가지면 발생되는 쏠림량이 작으며, 현가 장치가 별도로 Unsprung Mass와 Sprung Mass 사이에 장착되어 있으므로, 평지의 고속 주행 시 쏠림량과 같은 자체 모션에 의해 발생되는 Pitch의 량도 감쇠되어 작아진다. 또한 이러한 현가장치는 지면에 Pitch 값이 있는 경사길이나, 요철이 있는 경우에도 무게중심이 위치하는 차체의 안정적인 주행에 기여하게 된다. In a typical vehicle, the geometric aspect ratio, H / L (where L is the distance between the front and rear wheels, H is the distance between the center of gravity and the ground; the proportional relationship between the weight deflection due to inertia generated during acceleration and deceleration) Has a small value, and the amount of pull generated is small, and since the suspension device is mounted between Unsprung Mass and Sprung Mass separately, the amount of pitch generated by its own motion such as the amount of pull during high-speed driving on flat ground is also attenuated. Becomes smaller. In addition, such a suspension system contributes to the stable running of the vehicle body in which the center of gravity is located even when there is an inclined road having a pitch value or irregularities on the ground.

이에 비해 현가 장치의 적용이 쉽지 않은 다리형 로봇의 경우, 컨셉 설계 및 보완 단계에서 가감속 시 발생되는 무게 쏠림량과 이에 기인한 무게중심 이동치에 대한 고려가 필요하다.
On the other hand, in the case of the leg-type robot, which is not easy to apply the suspension system, it is necessary to consider the weight deflection caused by the acceleration and deceleration during the concept design and the complementary stage, and the center of gravity movement resulting from it.

상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 과제는 가감속시 발생되는 종방향 무게이동을 저감하여 Pitch-Over의 방지뿐만 아니라, 동일한 무게 및 동일한 구동 조건 하에서 최대 주행 속도(Maximum Forwarding Speed)를 증가시킬 수 있는 다리형 로봇을 제공하고자 함이다.An object of the present invention for solving the above problems is to reduce the longitudinal weight shift generated during acceleration and deceleration, not only to prevent the pitch-over, but also to increase the maximum forward speed under the same weight and the same driving conditions. It is to provide a legged robot that can.

상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 특징은 복수개의 다리를 갖는 로봇에 있어서, 몸체; 상기 몸체 하부에 위치하고, 상기 몸체의 중심에서 대칭적으로 위치하여 상기 몸체를 지지하는 복수개의 다리; 상기 몸체의 이동시 발생되는 가속도를 측정하는 가속도 센서; 상기 측정된 가속도를 이용해 상기 로봇의 무게중심 이동치를 계산하는 마이크로 프로세서; 및 상기 마이크로 프로세서에서 계산된 상기 무게중심 이동치를 보상하여 상기 무게중심 이동을 저감하는 보상부를 포함한다.A feature of the present invention for solving the above problems is a robot having a plurality of legs, the body; A plurality of legs positioned below the body and symmetrically positioned at the center of the body to support the body; An acceleration sensor measuring acceleration generated when the body moves; A microprocessor that calculates the center of gravity movement value of the robot using the measured acceleration; And a compensating unit for reducing the center of gravity movement by compensating for the center of gravity movement value calculated by the microprocessor.

여기서, 상기 복수개의 다리는 4개의 다리인 것이 바람직하고, 상기 몸체의 형상은, 동일한 무게를 갖는 형상 중 관성 모멘트가 최대인 것이 바람직하다.Here, the plurality of legs is preferably four legs, the shape of the body, it is preferable that the moment of inertia of the shape having the same weight is the maximum.

또한, 상기 보상부는, 이동이 가능한 일정한 무게를 갖는 바디와, 상기 바디를 이동시키는 엑츄에이터를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 엑츄에이터는 유공압 실리더 또는 모터인 것이 바람직하며, 상기 마이크로 프로세서에서 계산된 상기 이동치를 이용하여 상기 바디가 상기 무게중심의 이동을 저감하도록 하는 보상치의 거리만큼 상기 무게주심의 이동방향과 반대로 이동시키는 것이 바람직하다.The compensator may include a body having a constant weight capable of moving and an actuator for moving the body, and the actuator may be a pneumatic cylinder or a motor, and the movement calculated by the microprocessor. It is preferable to move the body by the direction opposite to the movement direction of the weight center by using a tooth distance of the compensation value to reduce the movement of the center of gravity.

이와 같은 본 발명을 제공하면, 가감속시 발생되는 종방향 무게이동을 저감하기 위한 구조 형상과, 보상 장치를 제공함으로써, Pitch-Over의 방지뿐만 아니라, 동일한 무게 및 동일한 구동 조건 하에서 최대 주행 속도(Maximum Forwarding Speed)를 증가시킬 수 있다.According to the present invention, by providing a structural shape for reducing the longitudinal weight movement generated during acceleration and deceleration and a compensation device, not only the prevention of the pitch-over, but also the maximum traveling speed under the same weight and the same driving conditions ( Maximum Forwarding Speed) can be increased.

또한, 간단한 구조로서 장치 구성이 용이하여 제조 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.In addition, there is an advantage that the device can be easily configured as a simple structure to lower the manufacturing cost.

도 1은 본 발명에 따른 피치 밸런싱 다리형 로봇의 모식도를 나타낸 도면,
도 2는 다리형 로봇의 가속 상황에서 뒤쪽으로의 무게 쏠림 및 발생된 Pitch에 의한 Lost Gait 사례를 나타내는 시뮬레이션 모식도,
도 3은 본 발명에 따른 다리형 로봇에 적용되는 좌표 기준을 설명한 도면,
도 4는 동일한 시뮬레이션 환경에서 모터 각속도를 75rpm으로 인가하였을 때, Pitch-Over가 발생된 사례를 나타낸 그래프,
도 5는 가속시 발생되는 무게 쏠림량을 보상하기 위한 전면(front)부 무게를 추가한 경우의 효과를 나타낸 도면,
도 6은 바퀴형 플랫폼의 정적인 상태의 자유물체도를 나타낸 도면,
도 7은 가속이 발생될 때 자유물체도를 나타낸 도면,
도 8은 Pitch를 산출하기 위한 자유물체도를 나타낸 도면,
1 is a view showing a schematic diagram of a pitch balancing leg robot according to the present invention,
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a lost gait example due to a weight pull backward and a generated pitch in an acceleration situation of a legged robot; FIG.
3 is a view for explaining the coordinate reference applied to the leg-shaped robot according to the present invention,
4 is a graph illustrating an example in which pitch-over occurs when the motor angular velocity is applied at 75 rpm in the same simulation environment.
5 is a view showing the effect of adding the weight of the front (front) to compensate for the amount of weight generated during acceleration;
6 is a view showing a free body of the static state of the wheeled platform,
7 is a diagram showing a free object diagram when acceleration is generated;
8 is a view showing a free body diagram for calculating the pitch,

이하에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명에 따른 피치 밸런싱 다리형 로봇의 모식도를 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 다리형 로봇은 복수개의 다리를 갖는 로봇에 있어서, 몸체(10); 상기 몸체 하부에 위치하고, 상기 몸체의 중심에서 대칭적으로 위치하여 상기 몸체를 지지하는 복수개의 다리(20); 상기 몸체의 이동시 발생되는 가속도를 측정하는 가속도 센서(30); 상기 측정된 가속도를 이용해 상기 로봇의 무게중심 이동치를 계산하는 마이크로 프로세서(MCU: Micro Process Unit)(40); 및 상기 마이크로 프로세서(MCU: Micro Process Unit)(40)에서 계산된 상기 무게중심 이동치를 보상하여 상기 무게중심 이동을 저감하는 보상부(50)를 포함하여 구성한다.1 is a diagram showing a schematic diagram of a pitch balancing leg robot according to the present invention. As shown in Figure 1, the leg-shaped robot of the present invention, a robot having a plurality of legs, the body (10); A plurality of legs 20 positioned below the body and symmetrically positioned at the center of the body to support the body; An acceleration sensor 30 that measures acceleration generated when the body moves; A micro processor unit (MCU) for calculating the center of gravity movement value of the robot using the measured acceleration; And a compensator 50 for reducing the center of gravity movement by compensating for the center of gravity movement value calculated by the micro processor unit (MCU).

이처럼 본 발명은 로봇이 가속 또는 감속시 발생되는 Pitch-Over(Pitch 방향으로 전복이 됨)의 발생을 저지하고 안정된 주행을 유도하기 위한 피치 밸런싱(PITCH BALANCING) 장치를 구비한 로봇을 제안한다. As such, the present invention proposes a robot having a pitch balancing device for preventing the generation of pitch-over (overturning in the pitch direction) generated when the robot accelerates or decelerates and inducing a stable running.

먼저, 무게 쏠림(무게중심 이동)에 의한 Lost Gait(지면과 닿지 않고, 공중에서 헛발질하여 견인력 생성에 기여하지 않음) 및 Pitch-Over 사례 및 쏠림량에 대한 정량적 검토를 위해, 4족 다리형 로봇에서 가속시 발생되는 뒤쪽으로의 무게 쏠림에 의해 발생되는 Lost Gait 사례, Pitch-Over 사례를 살펴보고, 이와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 피치 밸런싱 다리형 로봇에 대하여 상세히 설명하기로 한다. First of all, for the quantitative examination of Lost Gait due to weight deflection (not centered on the ground, it does not reach the ground and does not contribute to the generation of traction force by air), and the Pitch-Over case and the amount of deflection, In the following, the Lost Gait case and the Pitch-Over case caused by the backside of the weight generated during acceleration will be described, and the pitch balancing leg robot according to the present invention for solving such a problem will be described in detail.

도 2는 다리형 로봇의 가속 상황에서 뒤쪽으로의 무게 쏠림 및 발생된 Pitch 각도 변위에 의한 Lost Gait 사례를 나타내는 시뮬레이션 모식도이다.FIG. 2 is a simulation diagram illustrating a lost gait example due to weight deflection and generated pitch angular displacement in an acceleration situation of a legged robot. FIG.

도 2에 나타낸 바와 같이, 동적 시뮬레이션 조건은 고관절부에만 액츄에이터가 장착된 4족 로봇을 대상으로 정지 상태(step 1)에서 가속이 되는 주행 상황을 모사하였다. 도 2의 하단 5개의 그림은, 동일한 시간 간격을 가지는 5 프레임만을 나타낸 도면(step 1 ~ step 5)이다. 도 2과 같이 가속이 되는 상황에서 뒤쪽으로 무게가 쏠려 앞쪽 몸체가 들리며, 앞 열 다리가 지면과 닿지 않아(step3, step5), 결과적으로 견인력(Traction) 생성에 기여하지 않음을 나타낸다. 즉, 전복되기 쉬운 상태에 도달한다. 이때 각각의 Hip Joint에 장착한 모터들의 각속도를 20rpm으로 인가하였다. 이 경우에는 Pitch-Over(Pitch 방향으로 전복됨)는 발생되지 않았다. As shown in FIG. 2, the dynamic simulation condition simulated a driving situation in which the acceleration is performed at a stationary state (step 1) for a group 4 robot equipped with an actuator only in the hip joint. The lower five figures of FIG. 2 show only five frames having the same time interval (steps 1 to 5). As shown in FIG. 2, the front body is lifted by the weight being moved backwards, and the front row legs do not come into contact with the ground (step 3 and step 5), and as a result, they do not contribute to the generation of the traction. That is, it reaches the state which is easy to overturn. At this time, the angular velocity of the motors mounted on each hip joint was applied at 20 rpm. In this case, no pitch-over (overturned in the pitch direction) occurred.

도 3은 본 발명에 따른 다리형 로봇에 적용된는 좌표 기준을 설명한 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 로봇의 전후 즉, 종방향 축을 X축, 횡방향 축을 Y축, 수직 방향 축을 Z축이라고 하고, X축 중심으로 회전하는 것을 Roll, Y축을 중심으로 회전하는 것을 Pitch 및 Z축을 중심으로 회전하는 것을 Yaw라 한다. 이하에서 도 3에서 예시된 축과 회전방향을 기준으로 설명하기로 한다.3 is a view for explaining the coordinate reference applied to the leg-shaped robot according to the present invention. As shown in Fig. 3, the front and rear of the robot, that is, the vertical axis is referred to as the X axis, the horizontal axis is referred to as the Y axis, and the vertical axis is referred to as the Z axis. The rotation about the Z axis is called Yaw. Hereinafter will be described based on the axis and the rotation direction illustrated in FIG.

도 4은 동일한 시뮬레이션 환경에서 모터 각속도를 75rpm으로 인가하였을 때, Pitch-Over가 발생된 사례를 나타낸 그래프이다. 도 2의 경우보다 더 큰 가속도가 발생된 조건에서 Pitch-Over가 발생되었으며, 0.9초에서 Pitch 각도 변위 값이 -180deg에서 180deg로 급격히 바뀌는 즉 물리적으로 뒤집어 지는 현상을 나타나 있음을 알 수 있다. 그러므로, 이와 같이 가속시 발생되는 뒤쪽으로의 무게 쏠림량에 대해, 설계단계에서 단순하게 앞쪽 무게를 증가시켜 이를 보상시킬 수 있다. 4 is a graph illustrating an example in which pitch-over occurs when the motor angular velocity is applied at 75 rpm in the same simulation environment. It can be seen that the pitch-over occurred under the condition that the acceleration was greater than that of FIG. 2, and that the pitch angular displacement rapidly changed from -180 deg to 180 deg, that is, physically flipped at 0.9 seconds. Therefore, it is possible to compensate for this by simply increasing the front weight at the design stage for the amount of weight backward generated during acceleration.

도 5는 가속시 발생되는 무게 쏠림량을 보상하기 위한 전면(front)부 무게를 추가한 경우의 효과를 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 앞쪽에 무게를 증가시켜 얻은 주행속도의 증가와 모션 안정성의 효과가 있음을 알 수 있다.5 is a view showing the effect of adding the weight of the front (front) to compensate for the amount of weight caused during acceleration. As shown in Figure 5, it can be seen that there is an effect of increasing the running speed and motion stability obtained by increasing the weight in front.

도 5에서 빨간색 실선은 초기 컨셉 모델의 거동을, 초록색 점선은 전면(Front)부에 0.5kg을 추가, 파란색 일점쇄선은 1kg을 추가한 보완 모델의 거동을 나타낸다. 결과적으로 Front부에 무게를 추가하여, 가속시 발생되는 피치(Pitch)량이 감소되고, 종방향 속도(Forwarding Speed(Vx))는 향상되었음을 알 수 있다. In FIG. 5, the solid red line represents the behavior of the initial concept model, the green dotted line represents the behavior of the complementary model in which 0.5 kg is added to the front part and the blue dashed line is 1 kg. As a result, it can be seen that by adding weight to the front part, the amount of pitch generated during acceleration is reduced and the forwarding speed (Vx) is improved.

이는 동일한 구동 환경 및 에너지 조건에서, 무게 증가에 따른 속도 저감효과보다, 가속에 기인한 Pitch를 저감시켜 Lost Gait를 줄임으로써 얻어지는 Traction(견인력) 증가에 따른 속도 상승 효과가 크다는 것을 나타낸다.This indicates that, under the same driving environment and energy conditions, the speed increase effect due to the increase in the traction obtained by reducing the lost gait by reducing the pitch due to the acceleration is greater than the speed decrease effect due to the weight increase.

그러나 상기와 같은 가속만을 고려한 단순 보상 방식 (앞쪽에 무게를 추가시켜 무게 중심을 앞쪽으로 이동한 방식)은, 가속시에 뒤쪽으로 이동되는 무게 쏠림량에 대해 보상하는 효과를 가지지만, 급 감속시에는 앞쪽으로 무게 쏠림량이 더 커져 앞쪽을 중심으로 뒤집어 지는 역효과를 발생시킬 수 있으므로, 단순한 무게의 추가로 상술한 Pitch-Over 문제를 해결할 수 있는 것은 아니고, 무게를 추가와 이동을 통해 Pitch량을 줄이는 것이 관건이다.However, the simple compensation method considering only the acceleration as described above (the method of moving the center of gravity forward by adding weight in front) has the effect of compensating for the amount of weight deflection that is moved backward during acceleration, Since the weight pull amount in the front is greater and may cause an adverse effect of flipping around the front, the addition of simple weight does not solve the above-described pitch-over problem, and reduces the pitch amount by adding and moving the weight. It is the key.

도 6은 바퀴형 플랫폼의 정적인 상태의 자유물체도를 나타낸 도면이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 해당 자유물체도는 본 발명에서 예시하는 고관절부에만 액츄에이터가 장착 다리형 로봇에도 그대로 적용 가능하다. 6 is a view showing a free body of the static state of the wheeled platform. As shown in Fig. 6, the free object diagram is applicable to the leg-mounted robot in which the actuator is mounted only on the hip joint illustrated in the present invention.

이하에서는 이해를 돕기 위해 바퀴형 플랫폼을 대상으로 무게 쏠림량에 대해 설명한다. 힘평형과 A점에서의 모멘트평형조건을 통해 아래 [수학식 1]이 도출된다.
In the following description, the amount of weight deflection for the wheeled platform is explained for clarity. Equation 1 is derived from the force equilibrium and the moment equilibrium conditions at point A.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, RA-S는 는 정적인 상태에서 A지점에서의 정적 수직 하중(반력)이다.Where R AS is the static vertical load (reaction force) at point A in the static state.

도 7은 가속이 발생될 때 자유물체도를 나타낸 도면이다. 즉, x방향으로 가속이 발생할 때, 무게 중심에 작용하는 가속도에 의한 반력 즉 관성력을 나타낸 자유물체도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, A점과 B점에서의 모멘트 평행 조건을 통해 [수학식 2]와 [수학식 3]이 도출된다.
7 is a diagram illustrating a free object diagram when acceleration is generated. That is, when acceleration occurs in the x direction, it is a free-body diagram showing the reaction force, that is, the inertia force due to the acceleration acting on the center of gravity. As shown in Fig. 7, [Equation 2] and [Equation 3] are derived through the moment parallel conditions at points A and B.

Figure pat00002
Figure pat00002

Figure pat00003
Figure pat00003

도 8은 Pitch를 산출하기 위한 자유물체도를 나타낸 도면이다. 무게중심 이동치는 [수학식 4]와 같다. 여기에서 가상의 무게 중심 이동량(△x)을 산출하기 위해, 앞에서 산출된 RA_D와 RB _D를 바탕으로 도 8과 같이 정적인 상태로 등가 시켰다.
8 is a diagram illustrating a free body diagram for calculating a pitch. The center of gravity shift is shown in [Equation 4]. To calculate the center of gravity movement amount (△ x) of the virtual here, it was equivalent to the R and R A_D B _D calculated earlier in the static state as shown in Fig. 8 on the basis.

Figure pat00004
Figure pat00004

결과적으로 ax의 가속도를 가질 때, 의 무게중심의 이동(무게 쏠림)이 발생됨을 알 수 있다. 여기에서 도 8에 나타낸 바와 같이, 무게 중심 이동량이 뒷 바퀴를 넘어서지 않도록 한계를 설정하면, H/L비가 결정된 상태에서 시스템이 낼 수 있는 한계치(ax_MAX)와, requirement로 ax가 결정된 상태에서 고려해야 할 H/L비의 한계치 {H/L}MAX는 각각 다음의 [수학식 5] 및 [수학식 6]과 같다.
As a result, it can be seen that when the acceleration of a x , the center of gravity movement (weighting) occurs. Here, as shown in FIG. 8, if the limit is set so that the center of gravity movement does not exceed the rear wheel, the limit value (a x_MAX ) that the system can give in the state of H / L ratio is determined and a x is determined as a requirement. The limit of the H / L ratio to be considered {H / L} MAX is given by the following Equations 5 and 6, respectively.

Figure pat00005
Figure pat00005

Figure pat00006
Figure pat00006

차량의 경우, 통상적인 운전자가 가속 페달을 밟아서 생성시킬 수 있는 종방향 가속도를 감안하여 H/L을 설계하므로, 대부분의 가속, 감속 환경에서 앞바퀴나 뒷바퀴가 들리는 현상이 발생하지 않고, Pitch가 발생하더라도, 현가 시스템에서 감쇠시켜준다.In the case of a vehicle, the H / L is designed in consideration of the longitudinal acceleration that an ordinary driver can generate by stepping on the accelerator pedal, so that the front wheel or the rear wheel is not lifted in most acceleration and deceleration environments, and a pitch is generated. Even if the suspension is attenuated.

이에 반해, 현가 시스템의 장착이 어려우면서, H/L선정에 대한 자유도가 떨어지는 다리형 로봇에서는 요구되는 고속 주행 성능을 위해 추가적인 메커니즘적 보완이 필요하다. 이에 본 발명에서는 상술한 무게중심 이동(무게 쏠림)을 저감 또는 피치 밸런싱 장치를 구비한 다리형 로봇을 제안한다.On the other hand, it is difficult to mount the suspension system, and additional mechanisms need to be supplemented for the high speed driving performance that is required for the legged robots having less freedom for H / L selection. Accordingly, the present invention proposes a leg-shaped robot provided with the above-described center of gravity movement (weighting) or reducing or pitch balancing device.

즉, 도 1에서 제안한 바와 같이, 보정질량 m을 갖는 바디를 초기에 무게중심 위치에 배치되고, 좌 우측의 엑츄에이터를 통해 가속시 발생되는 무게중심 이동치를 보상하기 위해 보정 바디를 이동시키는 구조로 형성된다. 이때, 보정 바디를 이동해야 하는 변위는 [수학식 7]과 같다.
That is, as proposed in FIG. 1, the body having the correction mass m is initially disposed in the center of gravity, and formed into a structure for moving the correction body to compensate for the center of gravity movement value generated during acceleration through the actuator on the left and right sides. do. At this time, the displacement to move the correction body is as shown in [Equation 7].

Figure pat00007
Figure pat00007

이값을 바탕으로 보정 바디의 변위를 생성시키는 엑츄에이터의 지령치를 산출할 수 있다. 즉, 플랫폼의 종방향 가속도가 ax가 측정되면, 보정 바디의 변위량을 산출되어, 무게중심 이동을 저감 또는 보상하게 된다.Based on this value, it is possible to calculate the command value of the actuator that generates the displacement of the correction body. That is, when the longitudinal acceleration of the platform a x is measured, the displacement amount of the correction body is calculated to reduce or compensate the center of gravity movement.

즉, 도 1에서 나타낸 바와 같이, 로봇이 가감속시 발생되는 무게중심 이동치를 [수학식 4]를 이용하여 계산하고, 산출된 무게중심 이동치를 이용해 다시 [수학식 7]를 이용해서 바디가 이동해야 하는 변위량인 무게중심 이동 저감을 위한 보상치를 계산하여 상기 보상부의 엑츄에이터(53)에 명령값을 보낸다.That is, as shown in FIG. 1, the body of the robot is calculated by using Equation 4, and the body is moved by using Equation 7 again using the calculated center of gravity value. Compensation value for reducing the center of gravity movement, which should be the displacement amount, is sent to the actuator 53 of the compensation unit.

엑츄에이터(53)의 작동에 의해 일정한 무게를 갖는 바디는 상기 변위량 만큼 상기 무게중심 이동방향의 반대방향으로 이동하게 되면, 전체적으로 로봇의 무게중심 이동을 저감하게 되어 피치 밸런싱을 이룰 수 있게 된다.When the body having a constant weight by the operation of the actuator 53 is moved in the opposite direction of the center of gravity movement direction by the displacement amount, the movement of the center of gravity of the robot as a whole can be reduced to achieve pitch balancing.

여기서, 엑츄에이터(53)는 유공압 실린더 또는 모터 등 정밀하고 빠르게 물체의 이송을 구동할 수 있는 장치라면 모두 가능하다. 또한, 상기 로봇이 가감속시 나타나는 가속도 ax를 측정하기 위한 가속도 센서(30)는 3축 가속도 센서인 것이 바람직하다.Here, the actuator 53 may be any device that can drive the transfer of the object precisely and quickly, such as a hydraulic cylinder or a motor. In addition, the acceleration sensor 30 for measuring the acceleration a x that appears when the robot accelerates and decelerates is preferably a three-axis acceleration sensor.

가속도 센서(30)는 물체의 가속도를 측정하여 전기적 신호로 변환하는 센서로 본 발명에서는 3축 가속도 센서를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 로봇이 가감속시 대체적으로 가속도의 방향이 종방향 직선 방향이나, 대각선 방향 등으로 방향이 임의 적으로 형성할 수 있다는 점에서 보다 정밀한 측정을 위해 3축의 방향을 모두 측정이 가능한 3축 가속도 센서인 것이 바람직하다.The acceleration sensor 30 is a sensor that measures the acceleration of an object and converts it into an electrical signal. In the present invention, a three-axis acceleration sensor is preferably used. This is a 3-axis accelerometer that can measure all three axes for more precise measurement, since the direction of acceleration can be arbitrarily formed in the vertical direction or diagonal direction. Is preferably.

도 9는 본 발명에 따른 또다른 실시예로서, 피치 밸런싱을 갖는 다리형 로봇의 구조 형상을 나타낸 도면이다. 9 is a view showing the structural shape of the leg-shaped robot with pitch balancing as another embodiment according to the present invention.

가감속시 발생되는 종방향 무게 쏠림량(또는 무게중심 이동치)을 설계 치수 선정 단계에서 최소화하는 것이 1차적인 과업이 되며, 제약이 있을 때는, 아래와 같이 몸체 형상으로서, 디자인 설계를 통해 H/L을 낮추는 형상인 것이 바람직하다.Minimizing the longitudinal weight deflection (or center of gravity shift) generated during acceleration and deceleration at the design dimension selection stage is the primary task. It is preferable that it is a shape which lowers L.

도 9에 예시된 본 발명의 실시예는 가속에 의해 생성된 무게중심 이동에 의한 Pitch 각 가속도를 유발하는 모멘트의 관계를 무게중심 역학(Dynamics)로 나타내면 [수학식 8]과 같다.
In the exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIG. 9, the relationship between the moments causing the pitch angular acceleration due to the movement of the center of gravity generated by acceleration is represented by Equation (8).

Figure pat00008
Figure pat00008

따라서 발생된 무게중심 이동에 기인한 모멘트에 대해, Pitch(θ(t); Pitch 각 가속도를 두번 적분함)를 최소화하기 위해서 관성모멘트 Jc를 높이는 방법이 있는데, 이를 위해 무게 중심으로부터 멀어지는 위치에 무게가 커지도록 배치하는 형태가 바람직하다. 즉, 도 9에서 예시된 형상과 같다. Therefore, the moment of inertia due to the center of gravity movement, there is a way to increase the moment of inertia J c to minimize the pitch (θ (t); integral Pitch angular acceleration twice), to the position away from the center of gravity It is preferable to arrange the weight so as to increase the weight. That is, it is the same as the shape illustrated in FIG.

차량의 경우, 탑승 공간 및 엔진 위치 등의 몸체 형상 선정의 제약이 있으므로, H/L를 고려한 설계와 현가 시스템의 도움으로 무게중심 이동 감소를 도모할 수 있지만, 로봇의 경우 차량에 비해 비교적 몸체 형상 선정의 자유도가 높기 때문에, 도 9와 같은 피치 관성모메트를 증가시키는 몸체 형상 선정에 유리하다고 할 수 있다.In the case of a vehicle, there is a limitation in selecting a body shape such as a boarding space and an engine position. Therefore, the center of gravity movement can be reduced by the design of the H / L and the suspension system. Since the freedom of selection is high, it can be said that it is advantageous for the selection of the body shape which increases the pitch inertia matrix as shown in FIG.

이와 같은 형상은 피치 방향의 Inertia를 증가시키기 위한 몸체 형상 선정을 위한 방안으로, 동일한 무게를 가지는 몸체에서 무게중심에서부터 멀어질수록 무게가 높아지는 형상을 갖는 것이다. 이를 통해 동일한 무게 및 동일한 가감속 환경에서, 피치 관성을 최대화하여 무게 쏠림에 기인한 무게 중심에서의 피치 각 변위를 최소화 시키는 효과를 가진다.Such a shape is a method for selecting a body shape to increase Inertia in the pitch direction, and has a shape that increases in weight away from the center of gravity in a body having the same weight. This has the effect of minimizing the pitch angular displacement at the center of gravity due to weight deflection by maximizing pitch inertia under the same weight and the same acceleration / deceleration environment.

마지막으로 H/L비 설계과 몸체의 피치 이너샤(Inertia)의 증가 방안으로도, 요구되는 고속 주행 능력을 만족하기 힘든 경우(즉 공간 상 제약, 공기역학적 Air-Drag 등에 의해, 형상 선정에 제약이 있는 경우)에는, 앞에서 기술한 바와 같이 도 1과 같은 메커니즘적 추가를 통해, Pitch 저감 효과를 얻을 수 있다. Finally, even with the H / L ratio design and the increase of the pitch inertia of the body, it is difficult to satisfy the required high-speed driving capability (ie, space constraints, aerodynamic air drag, etc.). If any), as described above, through the mechanical addition as shown in Fig. 1, the pitch reduction effect can be obtained.

이처럼, 본 발명을 제공하면, 다리형 로봇에 있어서, 가감속시 발생되는 종방향 무게 쏠림량을 측정 계산하고, 이를 저감하기 위한 구조 형상과, 보상 장치를 제공함으로써, 무게중심 이동을 저감하며 Pitch Over의 방지뿐만 아니라, 동일한 무게 및 동일한 구동 조건 하에서 최대 주행 속도(Maximum Forwarding Speed)를 증가시킬 수 있다.
Thus, if the present invention provides, in the leg-shaped robot, by measuring and calculating the longitudinal weight pull amount generated during acceleration and deceleration, by providing a structural shape and a compensation device for reducing this, by reducing the center of gravity movement and pitch In addition to the prevention of over, the maximum forwarding speed can be increased under the same weight and the same driving conditions.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
While the invention has been shown and described with respect to the specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Anyone with it will know easily.

Claims (6)

복수개의 다리를 갖는 로봇에 있어서,
몸체;
상기 몸체 하부에 위치하고, 상기 몸체의 중심에서 대칭적으로 위치하여 상기 몸체를 지지하는 복수개의 다리;
상기 몸체의 이동시 발생되는 가속도를 측정하는 가속도 센서;
상기 측정된 가속도를 이용해 상기 로봇의 무게중심 이동치를 계산하는 마이크로 프로세서; 및
상기 마이크로 프로세서에서 계산된 상기 무게중심 이동치를 보상하여 상기 무게중심 이동을 저감하는 보상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 피치 밸런싱 다리형 로봇.
In a robot having a plurality of legs,
Body;
A plurality of legs positioned below the body and symmetrically positioned at the center of the body to support the body;
An acceleration sensor measuring acceleration generated when the body moves;
A microprocessor that calculates the center of gravity movement value of the robot using the measured acceleration; And
And a compensating unit for compensating the center of gravity movement value calculated by the microprocessor to reduce the center of gravity movement.
제1항에 있어서,
상기 복수개의 다리는 4개의 다리인 것을 특징으로 하는 피치 밸런싱 다리형 로봇.
The method of claim 1,
Pitch balancing leg robot, characterized in that the plurality of legs are four legs.
제1항에 있어서,
상기 몸체의 형상은,
동일한 무게를 갖는 형상 중 관성 모멘트가 최대인 것을 특징으로 하는 피치 밸런싱 다리형 로봇.
The method of claim 1,
The shape of the body,
Pitch balancing leg robot, characterized in that the maximum moment of inertia of the shape having the same weight.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보상부는,
이동이 가능한 일정한 무게를 갖는 바디와,
상기 바디를 이동시키는 엑츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 피치 밸런싱 다리형 로봇.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The compensation unit,
A body having a constant weight that can be moved,
Pitch balancing leg robot, characterized in that it comprises an actuator for moving the body.
제4항에 있어서,
상기 엑츄에이터는 유공압 실리더 또는 모터인 것을 특징으로 하는 피치 밸런싱 다리형 로봇.
The method of claim 4, wherein
And said actuator is a pneumatic cylinder or a motor.
제4항에 있어서,
상기 바디의 이동은,
상기 마이크로 프로세서에서 계산된 상기 이동치를 이용하여 상기 바디가 상기 무게중심의 이동을 저감하도록 하는 보상치의 거리만큼 상기 무게주심의 이동방향과 반대로 이동시키는 것을 특징으로 하는 피치 밸런싱 디리형 로봇.

The method of claim 4, wherein
Movement of the body,
And moving the body in a direction opposite to the movement direction of the center of gravity by the distance of the compensation value for reducing the movement of the center of gravity by using the movement value calculated by the microprocessor.

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