KR20130066947A - Vertical center of mass motion generation method using evolutionary optimized central pattern generator for human-like stable bipedal walking - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이족 보행 로봇(bipedal robot)의 보행에 관한 것으로 특히, 사람과 같은 안정적인 이족 보행을 위한 진화 최적화된(evolutionary optimized) 중앙 패턴 생성기(central pattern generator, CPG)를 이용한 수직 방향의 무게 중심(center of mass)의 움직임 생성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to the walking of bipedal robots, and in particular, to a vertical center of gravity using an evolutionary optimized central pattern generator (CPG) for stable bipedal walking such as humans. center of mass).
안정적인 이족 보행을 위한 걸음새 생성 방법의 개발은 이족 보행 로봇에 관한 핵심 연구 주제 중 하나이다. 특히 3차원 선형 역진자 모델(3-D linear inverted pendulum model, 3-D LIPM)은 이족 보행 로봇의 걸음새 생성을 위한 가장 널리 사용되고 있는 방법이다. Development of a gait generation method for stable bipedal walking is one of the key research topics for bipedal robots. In particular, the 3-D linear inverted pendulum model (3-D LIPM) is the most widely used method for generating the gait of biped walking robots.
이 방법에서는 이족 보행 로봇의 정면(sagittal) 방향과 측면(lateral) 방향으로의 무게 중심의 움직임 방정식을 분리(decouple)시키기 위해 무게 중심의 높이가 일정(constant)하다고 가정하고 있다.This method assumes that the height of the center of gravity is constant to decouple the equation of movement of the center of gravity in the sagittal and lateral directions of the biped walking robot.
이러한 3-D LIPM을 기반으로 다양한 이족 보행을 위한 걸음새 생성 방법이 개발되고 있으며, 대한민국 공개특허 제2010-0097881호(이족 로봇의 안정된 보행을 위한 칼만 필터의 지엠피 상태예측을 통한 균형제어 기법)외에 다수가 공개되어 있다.A method of generating a gait for various biped walking based on the 3-D LIPM has been developed. Many are open to the public.
전술한 선행특허는 이전 시점에서 이족로봇의 보행 제어에 이용된 COM(Center Of Mass) 오차값(이전 COM 오차값) 및 이전 COM 오차값에 따라 보행이 제어된 이족로봇에 대해 측정된 ZMP(Zero Moment Point) 값에 대해 칼만 필터링을 수행하여, 현재 시점에서의 상기 이족로봇의 보행 제어를 위한 COM 오차값(현재 COM 오차값)의 생성에 사용되는 COM 값을 생성하는 단계와; 생성된 COM 값을 ZMP 값으로 변환하여 현재 COM 오차값의 생성에 이용되는 예측 ZMP 값을 생성하는 단계와; 예측 ZMP 값과 이족로봇의 목적 ZMP 값 사이의 오차값(ZMP 오차값)을 생성하는 단계와; ZMP 오차값을 변환하여 현재 COM 오차값을 생성하는 단계; 및 현재 COM 오차값을 이족로봇에 적용하여 이족로봇의 보행을 제어하는 단계로 구성된다.The foregoing patent discloses a ZMP (Zero) measured for a biped robot whose gait is controlled according to a COM (Center Of Mass) error value (formerly COM error value) used for gait control of a biped robot at a previous time point and a previous COM error value. Generating a COM value used to generate a COM error value (current COM error value) for gait control of the biped robot at a current point of time by performing Kalman filtering on a Moment Point) value; Converting the generated COM value into a ZMP value to generate a predicted ZMP value used to generate a current COM error value; Generating an error value (ZMP error value) between the predicted ZMP value and the target ZMP value of the biped robot; Converting a ZMP error value to generate a current COM error value; And controlling the gait of the biped robot by applying a current COM error value to the biped robot.
그러나, 여전히 무게 중심의 높이를 일정하게 하는 것은 이족 보행 로봇을 작은 보폭으로 부자연스럽게 걷게 만드는 문제점이 있다.However, keeping the height of the center of gravity still has the problem of causing the biped walking robot to walk unnaturally with a small stride.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 진화 최적화된(evolutionary optimized) 중앙 패턴 생성기(central pattern generator, CPG)를 이용한 수직 방향의 무게 중심(center of mass) 움직임 생성을 목적으로 한다.The present invention has been made in view of the above problems, and aims at generating a center of mass motion in a vertical direction using an evolution optimized optimized central pattern generator (CPG).
또한, 본 발명은 이족 보행 로봇의 걸음새를 생성하기 위해 가변적 걸음 생성기(modifiable walking pattern generator, MWPG)를 이용하고, 수직 방향의 무게 중심 움직임을 위해 CPG를 이용하여 수직 방향의 무게 중심의 궤적을 생성함에 그 목적이 있다.In addition, the present invention uses a variable walking pattern generator (MWPG) to generate the gait of the biped walking robot, and generates a trajectory of the center of gravity in the vertical direction using CPG for the movement of the center of gravity in the vertical direction The purpose is to.
그리고, 본 발명은 진화 알고리즘(evolutionary algorithm)을 통해 CPG를 최적화함으로써, CPG로부터 원하는 출력 신호(output signal)를 도출하고, CPG의 센서 피드백(sensory feedback)을 통해 수직 방향의 무게 중심 움직임에 의한 외란(disturbance)을 보상함에 그 목적이 있다.In addition, the present invention optimizes the CPG through an evolutionary algorithm, thereby deriving a desired output signal from the CPG, and disturbance due to vertical center of gravity movement through the sensory feedback of the CPG. Its purpose is to compensate for the distance.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 안정적인 이족 보행을 위해 진화 최적화된 중앙 패턴 생성기를 이용한 수직 방향의 무게 중심 움직임 생성 방법은, 진화 최적화된(evolutionary optimized) 중앙 패턴생성기(central pattern generator, CPG)를 이용하여 수직 방향의 무게 중심 움직임을 생성하는 (a) 단계;를 포함한다.In order to achieve this technical problem, a vertical center of gravity motion generation method using an evolution optimized center pattern generator for stable biped walking of the present invention is an evolution optimized optimized central pattern generator (CPG). It includes; (a) generating a center of gravity movement in the vertical direction using.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 진화 최적화된(evolutionary optimized) 중앙 패턴 생성기(central pattern generator, CPG)를 이용한 수직 방향의 무게 중심(center of mass) 움직임 생성 방법을 이용함으로써, 이족 보행 로봇이 일정한(constant) 무게 중심 높이로 이족 보행하는 것과 비교하여 더 큰 보폭으로 사람처럼 자연스럽게 보행하는 것이 가능한 효과가 있다.According to the present invention as described above, by using a method of generating a center of mass movement in the vertical direction using an evolution optimized optimized central pattern generator (CPG), the biped walking robot is fixed ( constant) Compared to biped walking at the center of gravity, it is possible to walk naturally like a human with a larger stride.
그리고 본 발명에 따르면, CPG의 센서 피드백(sensory feedback)에 의해 외란(disturbance)을 보상하고, 이족 보행 로봇이 진화 최적화된 CPG에 의해 생성된 수직 방향의 무게 중심 궤적으로 보행하는 동안, 가변적 걸음 생성기(modifiable walking pattern generator)에 의해 걸음새를 변경하는 것이 가능한 효과도 있다.And according to the present invention, the variable step generator while compensating for disturbance (sensory feedback) of the CPG, while the biped walking robot walks on the vertical center of gravity trajectory generated by the evolution-optimized CPG It is also possible to change the pace by a (modifiable walking pattern generator).
도 1은 본 발명에 따른 평면에서의 3차원 선형 역진자 모델(3-D linear inverted pendulum model, 3D-LIPM)을 보이는 일예시도.
도 2는 본 발명에 따른 안정적인 이족 보행을 위해 진화 최적화된 중앙 패턴 생성기를 이용한 수직 방향의 무게 중심 움직임 생성 방법을 도시한 순서도.
도 3은 본 발명에 따른 안정적인 이족 보행을 위해 진화 최적화된 중앙 패턴 생성기를 이용한 수직 방향의 무게 중심 움직임 생성 방법의 제S10단계의 세부과정을 도시한 순서도.1 is an exemplary view showing a 3-D linear inverted pendulum model (3D-LIPM) in a plane according to the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method for generating a center of gravity movement in a vertical direction using an evolution-optimized center pattern generator for stable biped walking according to the present invention.
3 is a flowchart illustrating a detailed process of step S10 of the method for generating the center of gravity movement in the vertical direction using an evolution-optimized center pattern generator for stable biped walking according to the present invention.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.Specific features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims are to be interpreted in accordance with the technical idea of the present invention based on the principle that the inventor can properly define the concept of the term in order to explain his invention in the best way. It should be interpreted in terms of meaning and concept. It is to be noted that the detailed description of known functions and constructions related to the present invention is omitted when it is determined that the gist of the present invention may be unnecessarily blurred.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 대한 구성 및 작용에 대해서 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings for the configuration and operation of the embodiment of the present invention will be described in detail.
이족 보행(bipedal walking)은 한발지지 상태(single support phase)와 두발지지 상태(double support phase)로 이루어진다. 한발지지 상태에서의 인간형 로봇의 주요 동역학(dynamics)은 도 1과 같이 3차원 선형 역진자 모델(3-D linear inverted pendulum model, 3D-LIPM)로 모델링되고 지지하는 다리가 무게가 없는 막대이고 모든 질량(mass)이 한 점에 모여 있는 것으로 상정한다.Bipedal walking consists of a single support phase and a double support phase. The main dynamics of the humanoid robot in one-foot support state are the 3D linear inverted pendulum model (3D-LIPM) and the supporting legs are weightless rods as shown in FIG. It is assumed that mass is gathered at one point.
종래의 3-D LIPM에서는 수직 방향의 무게 중심(center of mass) 움직임을 고려하지 않는다. 즉, 무게 중심의 높이를 일정한(constant) 값으로 설정하고 결과적으로 이족 보행 로봇의 정면(sagittal) 방향과 측면(lateral) 방향으로의 무게 중심 움직임 방정식을 분리(decouple)할 수 있다. 3-D LIPM의 동역학 방정식은 다음과 같다.Conventional 3-D LIPM does not consider the center of mass movement in the vertical direction. That is, it is possible to set the height of the center of gravity to a constant value and consequently decouple the center of gravity equation of motion in the sagittal and lateral directions of the biped walking robot. The dynamic equation of 3-D LIPM is as follows.
여기서, 와 는 각각 무게 중심 위치와 ZMP(zero moment point)를 나타낸다. [수학식 1]로부터 3D-LIPM의 무게 중심의 움직임과 ZMP 사이의 관계를 얻을 수 있다.here, Wow Denotes the center of gravity position and the zero moment point (ZMP), respectively. From Equation 1, the relationship between the movement of the center of gravity of the 3D-LIPM and the ZMP can be obtained.
[수학식 1]의 해를 역라플라스변환(inverse Laplace transform)을 이용하여 그 해를 구함으로써 3D-LIPM의 무게 중심의 움직임 방정식을 다음과 같이 얻을 수 있다. [수학식 2]는 로봇의 정면(sagittal) 방향으로의 무게 중심의 움직임 방정식이고, [수학식 3]은 로봇의 측면(lateral) 방향으로의 무게 중심의 움직임 방정식이다.By solving the solution of Equation 1 using an inverse Laplace transform, the equation of motion of the center of gravity of the 3D-LIPM can be obtained as follows. [Equation 2] is the equation of motion of the center of gravity in the sagittal direction of the robot, and [Equation 3] is the equation of motion of the center of gravity in the lateral direction of the robot.
여기서, 와 는 각각 정면 방향과 측면 방향으로의 무게 중심의 처음/마지막의 위치와 속도를 나타낸다. 그리고 와 는 각각 와 를 나타내고, 는 를 나타낸다. 는 남아있는 한발지지 시간을 나타내고, 와 는 각각 정면 방향과 측면 방향의 ZMP 함수를 나타내며, 여기서 이고, 이다.here, Wow Are the first and last positions and speeds of the center of gravity in the front and lateral directions, respectively. And Wow Respectively Wow Lt; / RTI > The Indicates. Represents the remaining support time, Wow Represents the ZMP function in the front and side directions, respectively ego, to be.
[수학식 2]와 [수학식 3]의 오른 쪽의 첫 번째 두 번째 항은 각각 [수학식 1]의 동차해(homogeneous solution)와 특수해(particular solution)를 나타낸다. 특수해는 정면 방향과 측면 방향으로의 무게 중심 움직임을 와 를 이용하여 ZMP궤적을 변화시킴으로써 더욱 확장시킨다.The first and second terms on the right side of [Equation 2] and [Equation 3] represent the homogeneous solution and the specific solution of Equation 1, respectively. The special solution is the movement of the center of gravity in the front and side directions. Wow Expand further by changing the ZMP trajectory using.
종래의 3-D LIPM은 이 특수해를 고려하지 않고 동차해만을 고려하였는바, 결과적으로 기존의 3-D LIPM에서는 한발지지 상태에서 무게 중심의 움직임이 미리 정해져있고 가변적이지 못하다. 즉, 기존의 3-D LIPM에서는 이족 보행 로봇이 한발지지 시간, 두발지지 시간, 정면 방향과 측면 방향으로의 보폭, 다리의 방향으로 이루어진 걸음새를 각각 독립적으로 변경할 수 없다.The conventional 3-D LIPM does not consider this special solution but considers only a homogeneous solution. As a result, in the conventional 3-D LIPM, the movement of the center of gravity in a single support state is predetermined and not variable. That is, in the existing 3-D LIPM, the biped walking robot cannot independently change the gait consisting of one foot support time, two foot support time, stride length in the front direction and the lateral direction, and foot direction.
그러나, 가변적 걸음 생성기(modifiable walking pattern generator, MWPG)에서는 특수해를 고려함으로써, 이족 보행 로봇이 ZMP 변화에 의해서 걸음새를 독립적으로 변화시킬 수 있다.
However, by considering special solutions in a variable walking pattern generator (MWPG), the biped walking robot can independently change the pace by the ZMP change.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 안정적인 이족 보행을 위해 진화 최적화된 중앙 패턴 생성기를 이용한 수직 방향의 무게 중심 움직임 생성 방법은, 가변적 걸음 생성기(MWPG)를 이용하여 이족 보행 로봇의 기본적인 걸음새를 생성하되, 진화 최적화된(evolutionary optimized) 중앙 패턴 생성기(central pattern generator, CPG)를 이용하여 수직 방향의 무게 중심 움직임을 생성한다(S10).Hereinafter, the method for generating the center of gravity movement in the vertical direction using the evolution-optimized central pattern generator for stable biped walking according to the present invention will be described with reference to FIG. 2. In operation S10, the center of gravity movement in the vertical direction is generated using an evolution optimized optimized central pattern generator (CPG).
이때, CPG가 내부발생적으로 다차원의(multi-dimensional) 리드미컬한(rhythmic) 신호를 생성하고, CPG가 생성한 신호를 센서 피드백(sensory feedback)을 이용하여 환경의 변화(environmental perturbation)에 따라 수정한다. At this time, the CPG internally generates a multi-dimensional rhythmic signal, and modifies the signal generated by the CPG according to environmental perturbation using sensory feedback. .
상기 리드미컬한 신호의 생성은 [수학식 4]와 같이 신경 발진기(neural oscillator)를 이용하여 생성한다.The rhythmic signal is generated using a neural oscillator as shown in [Equation 4].
여기서, 와 는 각각 i번째 뉴런(neuron)의 내부 상태(inner state)와 자가 억제 상태(self-inhibition state)를 나타낸다. 은 출력신호(output signal)의 크기(amplitude)에 영향을 주는 외부 입력 신호(external input signal)를 나타내고 은 출력 신호(output signal)를 나타낸다. 는 i번째 뉴런과 j번째 뉴런 사이의 위상(phase) 차를 결정하는 연결 가중치(connecting weight)를 나타낸다. 는 자가 억제의 가중치를 나타내고 은 안정적인 이족 보행을 위해 필요한 센서 피드백 신호를 나타낸다. 와 은 출력 신호의 모양(shape)와 주기(period)에 영향을 주는 시간 상수(time constant)를 나타낸다.here, Wow Represents the inner state and the self-inhibition state of the i-th neuron, respectively. Denotes an external input signal that affects the amplitude of the output signal. Denotes an output signal. Denotes a connecting weight that determines a phase difference between the i th neuron and the j th neuron. Represents the weight of self-inhibition Represents the sensor feedback signal required for stable biped walking. Wow Denotes a time constant that affects the shape and period of the output signal.
그리고, 생물학적인 리드미컬한 운동(biological rhythmic locomotion)은 근육의 이완(extension)과 수축(flexion)의 연속으로 도출되며, 한쪽이 이완하면 다른 반대쪽은 수축하고 이러한 과정이 반복된다.Biological rhythmic locomotion is then derived from a series of muscle relaxation and flexion, with one relax and the other constrict and the process repeats.
이러한 생물학적인 시스템의 모델링을 위해서 CPG 구조가 개발되었고 본 발명에서는 수직 방향의 무게 중심의 궤적을 생성하기 위해서 이 구조가 이용된다. 이 구조에서는 기본적인 리드미컬한 운동이 신경 발진기에 의해서 생성되는데 이는 이완 뉴런과 수축 뉴런으로 이루어진다.
CPG structures have been developed for the modeling of such biological systems and are used in the present invention to generate trajectories of vertical centers of gravity. In this structure, basic rhythmic movements are generated by neural oscillators, which consist of relaxation neurons and contractile neurons.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 안정적인 이족 보행을 위해 진화 최적화된 중앙 패턴 생성기를 이용한 수직 방향의 무게 중심 움직임 생성 방법의 제S10단계에 대한 세부과정을 살피면 아래와 같다.Hereinafter, referring to FIG. 3, a detailed process of step S10 of the method for generating a center of gravity movement in the vertical direction using an evolution optimized center pattern generator for stable biped walking according to the present invention will be described below.
먼저, 본 발명은 3차원 선형 역진자 모델(3-D linear inverted pendulum model)의 수직 방향의 무게 중심(center of mass) 궤적을 [수학식 5]와 같이 CPG를 이용하여 생성한다(S11).First, the present invention generates a center of mass trajectory in the vertical direction of a 3-D linear inverted pendulum model using CPG as shown in [Equation 5] (S11).
여기서, 는 크기 조정 인수(amplitude scaling factor)이고 은 수직방향의 무게 중심 움직임을 위한 CPG에 의해 생성된 궤적을 나타낸다. 과 는 각각 이완과 수축 뉴런의 역할을 수행한다.here, Is the amplitude scaling factor Represents the trajectory generated by the CPG for vertical center of gravity movement. and Plays the role of relaxation and contraction neurons, respectively.
제S11단계 이후, 중앙 패턴 생성기(central pattern generator)의 센서 피드백(sensory feedback)을 통해 수직 방향의 무게 중심 움직임에 의한 외란(disturbance)을 보상한다(S12).After the step S11, the disturbance caused by the movement of the center of gravity in the vertical direction is compensated for through sensory feedback of the central pattern generator (S12).
이때, 이족 보행 로봇의 지면 반발력(ground reaction force, GRF)에 대한 진동(oscillation)을 최소화함으로써 걷는 동안 이족 보행 로봇의 안정성(stability)을 향상시키기 위해서 [수학식 6]과 같이 센서 피드백을 정의한다.At this time, the sensor feedback is defined as shown in [Equation 6] to minimize the oscillation of the ground reaction force (GRF) of the biped walking robot to improve the stability of the biped walking robot. .
여기서, 는 조정 인수이고, 와 은 각각 왼발과 오른발의 지면 반발력(GRF)를 나타내며, 은 로봇의 질량을 나타낸다.here, Is the adjustment factor, Wow Represents the ground reaction force (GRF) of the left and right feet, respectively. Represents the mass of the robot.
제S12단계 이후, 수직 방향의 무게 중심(center of mass) 궤적을 생성하기 위한 중앙 패턴 생성기(central pattern generator)를 진화 알고리즘(evolutionary algorithm)으로 최적화(optimization)한다(S13).After step S12, a central pattern generator for generating a center of mass trajectory in the vertical direction is optimized with an evolutionary algorithm (S13).
이때, 수직 방향의 무게 중심(center of mass) 궤적의 최적화는, 중앙 패턴 생성기(CPG)의 진화 최적화 알고리즘(evolutionary optimization algorithm)을 통해 이족 보행 로봇이 걷는 동안 지면 반발력(GRF)의 진동을 최소화한 출력 신호를 도출하는 것이다.At this time, the optimization of the center of mass trajectory in the vertical direction minimizes the vibration of the ground reaction force (GRF) while the biped walking robot walks through the evolutionary optimization algorithm of the center pattern generator (CPG). To derive the output signal.
또한, 진화 최적화된 중앙 패턴 생성기(CPG)에 의해 생성된 궤적의 주기(period)가 이족 보행 로봇의 걸음 주기(walking period)와 동일하도록 도출하고, 매 주기마다의 이 궤적의 크기(amplitude)가 서로 같아야 하 그 크기가 와 같아야 하며, 제S13단계의 최적화(optimization)는 [수학식 7]을 통해 도출한다.In addition, the period of the trajectory generated by the evolution optimized central pattern generator (CPG) is derived to be the same as the walking period of the biped walking robot, and the amplitude of this trajectory at each period is They must be the same size It should be equal to, and optimization of step S13 is derived through Equation 7.
여기서, 는 진화 최적화된 CPG에 의해 생성된 궤적의 주기이고, 와 는 각각 이 궤적의 처음과 끝 주기에서의 크기를 나타낸다. 는 걷는 동안 GRF와 로봇의 무게 사이의 차이의 합을 의미하고 는 로봇이 걷는 동안 넘어지면 주어지는 벌칙 값(penalty value)이다.here, Is the period of the trajectory generated by the evolutionary optimized CPG, Wow Are the magnitudes at the beginning and end of the trajectory, respectively. Is the sum of the differences between the GRF and the weight of the robot while walking Is the penalty value given when the robot falls down while walking.
그리고, 제S13단계의 수직 방향의 무게 중심(center of mass) 궤적을 생성하기 위한 중앙 패턴 생성기(central pattern generator, CPG)를 진화 최적화(evolutionary optimization)하여 신경 발진기(neural oscillator)의 , , 와 센서 피드백(sensory feedback)의 값을 도출한다(S14).In addition, the central pattern generator (CPG) for generating the center of mass trajectory in the vertical direction in step S13 may be evolutionarily optimized to achieve a neural oscillator. , , Of sensory feedback A value is derived (S14).
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be appreciated by those skilled in the art that numerous changes and modifications may be made without departing from the invention. And all such modifications and changes as fall within the scope of the present invention are therefore to be regarded as being within the scope of the present invention.
10: 평면
11: 3-D LIPM의 무게 중심(center of mass)
12: 3D-LIPM의 무게 중심을 지지하는 막대10: flat
11: center of mass of 3-D LIPM
12: Rod that supports the center of gravity of 3D-LIPM
Claims (7)
(a) 진화 최적화된(evolutionary optimized) 중앙 패턴생성기(central pattern generator, CPG)를 이용하여 수직 방향의 무게 중심 움직임을 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정적인 이족 보행을 위해 진화 최적화된 중앙 패턴 생성기를 이용한 수직 방향의 무게 중심 움직임 생성 방법.A method of generating vertical center of mass motion for a stable bipedal robot,
generating a center of gravity movement in a vertical direction using an evolution optimized optimized central pattern generator (CPG); Method of generating vertical center of gravity movement using pattern generator.
상기 (a) 단계는,
(a-1) 3차원 선형 역진자 모델(3-D linear inverted pendulum model)의 수직 방향의 무게 중심(center of mass) 궤적을 [수학식 5]에 의해 중앙 패턴생성기(central pattern generator, CPG)를 이용하여 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정적인 이족 보행을 위해 진화 최적화된 중앙 패턴 생성기를 이용한 수직 방향의 무게 중심 움직임 생성 방법.
[수학식 5]
상기 [수학식 5]의 는 크기 조정 인수(amplitude scaling factor)이고 은 수직 방향의 무게 중심 움직임을 위한 중앙 패턴 생성기(central pattern generator)에 의해 생성된 궤적이고, 과 는 각각 이완(extension)과 수축(flexion)에 따른 뉴런(neuron) 인자이다.The method of claim 1,
The step (a)
(a-1) The center of mass trajectory of the 3-D linear inverted pendulum model is expressed by the central pattern generator (CPG) by Equation 5. Generating using; a vertical center of gravity movement generating method using an evolution-optimized central pattern generator for stable bipedal walking, comprising: a step of generating the same.
&Quot; (5) "
Of Equation 5 above Is the amplitude scaling factor Is the trajectory generated by the central pattern generator for vertical center of gravity movement, and Are neuron factors according to extension and contraction, respectively.
상기 (a) 단계는,
(a-2) 상기 중앙 패턴 생성기(central pattern generator)의 센서 피드백(sensory feedback)을 통해 수직 방향의 무게 중심 움직임에 의한 외란(disturbance)을 보상하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정적인 이족 보행을 위해 진화 최적화된 중앙 패턴 생성기를 이용한 수직 방향의 무게 중심 움직임 생성 방법.The method of claim 1,
The step (a)
(a-2) compensating for disturbance caused by vertical center of gravity movement through sensory feedback of the central pattern generator; stable bipedal walking, comprising a A method of generating vertical center of gravity motion using an evolution-optimized central pattern generator.
상기 수직 방향의 무게 중심(center of mass) 움직임에 의한 외란(disturbance) 보상은,
상기 중앙 패턴 생성기(central pattern generator)가 [수학식 6]에 의한 센서 피드백(sensory feedback)을 통해 보상하는 것을 특징으로 하는 안정적인 이족 보행을 위해 진화 최적화된 중앙 패턴 생성기를 이용한 수직 방향의 무게 중심 움직임 생성 방법.
[수학식 6]
상기 [수학식 6]의 는 조정 인수(scaling factor)이고, 와 은 각각 왼발과 오른발의 지면 반발력(groud reaction force)을 나타내며, 은 로봇의 질량이다.The method of claim 3, wherein
Disturbance compensation by the center of mass movement in the vertical direction,
Vertical center of gravity movement using an evolution-optimized central pattern generator for stable bipedal walking, characterized in that the central pattern generator compensates for the sensory feedback by Equation 6 How to produce.
&Quot; (6) "
Of Equation 6 above Is the scaling factor, Wow Are the ground reaction forces of the left and right feet, respectively. Is the mass of the robot.
상기 (a) 단계는,
(a-3) 수직 방향의 무게 중심(center of mass) 궤적을 생성하기 위한 중앙 패턴 생성기(central pattern generator)를 진화 알고리즘(evolutionary algorithm)으로 최적화(optimization)하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정적인 이족 보행을 위해 진화 최적화된 중앙 패턴 생성기를 이용한 수직 방향의 무게 중심 움직임 생성 방법.The method of claim 1,
The step (a)
(a-3) optimizing a central pattern generator for generating a center of mass trajectory in a vertical direction with an evolutionary algorithm; A method of generating vertical center of gravity movement using an evolution-optimized central pattern generator for stable bipedal walking.
상기 수직 방향의 무게 중심(center of mass) 궤적의 최적화는,
[수학식 7]의 목적 함수(objective function)에 따른 진화 최적화 알고리즘(evolutionary optimization algorithm)을 통해 중앙 패턴 생성기(CPG)를 진화 최적화 하는 것을 특징으로 하는 안정적인 이족 보행을 위해 진화 최적화된 중앙 패턴 생성기를 이용한 수직 방향의 무게 중심 움직임 생성 방법.
[수학식 7]
상기 [수학식 7]의 는 진화 최적화된 CPG에 의해 생성된 궤적의 주기이고, 와 는 각각 이 궤적의 처음과 끝 주기에서의 크기이며, 는 걷는 동안 지면 반발력(ground reaction force)과 로봇의 무게 사이의 차이의 합을 의미하고, 는 로봇이 걷는 동안 넘어지면 주어지는 벌칙 값(penalty value)이다.The method of claim 5, wherein
The optimization of the center of mass trajectory in the vertical direction is
Evolution-optimized central pattern generator for stable bipedal walking characterized by evolutionary optimization of the central pattern generator (CPG) through an evolutionary optimization algorithm according to the objective function of Equation (7). Method of generating vertical center of gravity movement using.
&Quot; (7) "
Of Equation 7 above Is the period of the trajectory generated by the evolutionary optimized CPG, Wow Are the magnitudes at the beginning and end of this trajectory, respectively. Is the sum of the difference between the ground reaction force and the weight of the robot while walking, Is the penalty value given when the robot falls down while walking.
상기 수직 방향의 무게 중심(center of mass) 궤적을 생성하기 위한 중앙 패턴 생성기(central pattern generator, CPG)를 진화 최적화(evolutionary optimization)하여, 신경 발진기(neural oscillator)의 , , 와 센서 피드백(sensory feedback)의 (조정 인수, scaling factor)값을 도출하는 것을 특징으로 하는 안정적인 이족 보행을 위해 진화 최적화된 중앙 패턴 생성기를 이용한 수직 방향의 무게 중심 움직임 생성 방법.The method of claim 5, wherein
Evolutionary optimization of a central pattern generator (CPG) for generating the center of mass trajectory in the vertical direction, so that the neural oscillator , , Of sensory feedback A method of generating vertical center of gravity motion using an evolution-optimized central pattern generator for stable bipedal walking characterized by deriving (scaling factor) values.
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