KR20140085684A - Method and system for controlling walking of robot - Google Patents

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KR20140085684A KR1020120154118A KR20120154118A KR20140085684A KR 20140085684 A KR20140085684 A KR 20140085684A KR 1020120154118 A KR1020120154118 A KR 1020120154118A KR 20120154118 A KR20120154118 A KR 20120154118A KR 20140085684 A KR20140085684 A KR 20140085684A
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Abstract

Introduced in the present invention are a method and a system for controlling the walking of a robot. The method comprises the following: a measuring step which measures the load of an object when a robot lifts the object; a drawing step which draws the kinematically changed center of gravity of the robot by reflecting the measured load of the object; a calculating step which calculates separation displacement between the changed center of gravity and a ZMP area when the changed center of gravity diverges from the ZMP area of the robot; and a converting step which generates virtual supporting force by substituting the calculated separation displacement into a virtual spring-damper model, and converts the generated virtual supporting force into a driving torque of a joint of the robot using Jacobian transposed matrix.

Description

로봇의 보행제어방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING WALKING OF ROBOT}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method and system for controlling walking,

본 발명은 근력 증강 착용식 로봇이 미지의 고하중물을 들고 보행이나 작업을 할 때 무게중심 COM(Center of Mass)의 위치값을 정적 안정 영역으로 변환시켜 안정상태를 강화하는 로봇의 보행제어방법 및 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a walking control method of a robot for enhancing a stable state by converting a position value of a center of mass (COM) of a center of gravity into a static stable region when a muscle-strengthening robot performs walking or working with an unknown heavy load And a system.

착용식 로봇을 포함하는 이족 보행 로봇에서 기본적으로 정적 안정상태는 ZMP(Zero Moment Point) 영역이 발바닥 영역 안에 존재할 때 유지가 된다. 하지만 착용식 로봇의 이족 보행에서는 기본적으로 착용자가 균형을 유지하려 노력을 하기 때문에 관련된 제어 알고리즘이 요구되지는 않는다. 그러나, 외부의 고 하중물이 추가로 장착되어 보행을 하거나 작업을 수행할 때에는 추가 하중물의 무게에 의한 모멘트가 작용되어 불편함이나 위험함을 초래한다. In a biped robot including a wearable robot, a static stable state is maintained when a ZMP (zero moment point) region exists in the plantar region. However, in the bipedal walking of a wearable robot, the control algorithm is not required because the wearer basically strives to maintain the balance. However, when an external heavy load is additionally mounted, the moment due to the weight of the additional load is applied when walking or performing work, resulting in inconvenience or danger.

따라서, 본 발명은 이를 해결하기 위한 방법으로 추가되는 고 하중물에 의해서 발생하는 모멘트를 최소화하기 위한 알고리즘을 제안한다. 고 하중물에 의해서 착용로봇 전체 무게중심인 COM이 발바닥 외부 영역에 존재하게 될 때, 추가 모멘트가 발생하게 되는데, 이때 본 발명에서 제안하는 직교 좌표계에서 가상으로 구성되어 있는 스프링-댐퍼 모델의 가상 힘 제어기는 각 좌표 방향으로 가상의 힘을 만들어 낼 수 있고 이러한 효과를 이용하여 추가 모멘트를 상쇄시킬 수 있다. 이를 이용하여 이족 안정성을 기본적으로 증대시킬 수 있다.
Therefore, the present invention proposes an algorithm for minimizing a moment generated by a high load added as a method for solving this problem. When COM, which is the center of gravity of the entire robot, is present in the area outside the soles of the robot by the high load, an additional moment is generated. At this time, the virtual force of the spring- damper model virtually configured in the orthogonal coordinate system proposed in the present invention The controller can create a virtual force in each coordinate direction and use this effect to offset the additional moment. This can basically increase the bioremediation stability.

종래의 KR10-2012-0069923 A "보행 로봇 및 그 자세 제어 방법"은 "토크 서보로각 관절이동작하는 보행로봇의 안정적인 자세 제어를 위한 보행 로봇 및 그 자세 제어 방법을 제안한다. 로봇의 무게중심을 이용하여 가상 중력 가속도를 계산하고, 계산된 가상 중력 가속도로부터 링크에 힘을 인가하기 위한 중력 보상 토크를 계산하여 외부에서 작용하는 어떠한 힘이나 지면의 경사도 등을 포함한 외부의 변화에도 직립 자세와 목표한상체 각도를 안정적으로 유지할 수 있다. 또한, 로봇이 지면의 경사 방향과 경사도에대해 정보가 주어지지 않은 상황에서도 중력 방향에 대해 직립 자세를 유지할 수 있고, 서 있는 면이 서서히 기울어 질 경우에도 그에 맞추어 발목 관절 각도가바뀌면서상체와 다리는 변함없는 자세를 유지할 수 있다"를 제시한다. Conventional KR 10-2012-0069923 A "Walking robot and its attitude control method" proposes a walking robot and its attitude control method for stable attitude control of a walking robot in which each joint is operated by a torque servo. And calculates the gravity compensation torque for applying the force to the link from the calculated virtual gravitational acceleration to calculate the gravity compensation torque to calculate the gravity compensation torque for the upright posture and the target In addition, even when the robot is not given information about the inclination direction and the inclination of the ground, the robot can maintain the standing posture with respect to the gravity direction, and even when the standing surface is gradually inclined The angle of the ankle joint is changed so that the upper body and the legs can maintain the unchanged posture ".

그러나 이러한 기술에 의하더라도 고 하중물의 이동시 로봇의 중심을 보정하도록 구동하여 안정을 이루는 방안은 제시되지 않았고, 또한, 그와 동시에 Z축 방향으로의 지지력을 통하여 착용자가 편안한 자세를 유지할 수 있도록 하는 부분에 대하여는 제시되지 않았다.
However, even with such a technique, there is no suggestion of stabilizing the robot by moving the center of the robot to compensate for the movement of the heavy load, and at the same time, a portion that allows the wearer to maintain a comfortable posture through the supporting force in the Z- .

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
It should be understood that the foregoing description of the background art is merely for the purpose of promoting an understanding of the background of the present invention and is not to be construed as an admission that the prior art is known to those skilled in the art.

KRKR 10-2012-006992310-2012-0069923 AA

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 근력 증강 착용식 로봇이 미지의 고하중물을 들고 보행이나 작업을 할 때 무게중심 COM(Center of Mass)의 위치값을 정적 안정 영역으로 변환시켜 안정상태를 강화하는 로봇의 보행제어방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been proposed in order to solve such a problem, and the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a muscle strength strengthening robot which converts a center of mass (COM) position into a static stable region when walking or working with an unknown high- And to provide a walking control method and system of a robot for enhancing a stable state.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇의 보행제어방법은, 로봇이 물건을 들어올릴 경우 물건의 하중을 측정하는 측정단계; 상기 측정된 물건의 하중을 반영하여 기구학적으로 변경된 로봇의 무게중심을 도출하는 도출단계; 상기 변경된 무게중심이 로봇의 ZMP영역에서 벗어난 경우 변경된 무게중심과 ZMP영역 사이의 이격변위를 산출하는 산출단계; 및 상기 산출된 이격변위를 가상의 스프링-댐퍼 모델에 대입하여 가상의 지지력을 생성하고, 생성된 가상의 지지력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절의 구동토크로 환산하는 환산단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling a walking of a robot, the method comprising: measuring a load of an object when the robot lifts the object; A derivation step of deriving a center of gravity of a robot that is mechanically changed by reflecting a load of the measured object; Calculating a distance displacement between the changed center of gravity and the ZMP region when the changed center of gravity deviates from the ZMP region of the robot; And a conversion step of substituting the calculated distance displacement into a virtual spring-damper model to generate a virtual supporting force, and converting the generated virtual supporting force into driving torque of the robot joint using a Jacobian transposition matrix .

상기 측정단계는 F/T센서(힘-토크센서)를 통하여 물건의 하중을 측정할 수 있다.The measuring step can measure the load of the object through the F / T sensor (force-torque sensor).

상기 무게중심과 이격변위는 X,Y 평면좌표로 표현될 수 있다.The center of gravity and the displacement of the center of gravity may be represented by X, Y plane coordinates.

상기 환산단계는 가상의 스프링-댐퍼 모델을 X,Y축을 기준으로 각각 마련하고 가상의 지지력을 X,Y축을 기준으로 각각 생성할 수 있다.In the conversion step, a virtual spring-damper model may be provided with respect to the X and Y axes, respectively, and a virtual bearing force may be generated with respect to the X and Y axes.

상기 산출단계는 이격변위의 X,Y값은 변경된 무게중심과 ZMP영역 사이의 차이를 통하여 산출하고 이격변위의 Z값은 변경된 무게중심과 로봇의 무하중 상태에서의 본래 무게중심간의 차이를 통하여 산출하며, 상기 환산단계는 가상의 스프링-댐퍼 모델을 X,Y,Z축을 기준으로 각각 마련하고 산출된 이격변위를 대입하여 가상의 지지력을 X,Y,Z축을 기준으로 각각 생성할 수 있다.In the calculating step, the X and Y values of the displacement are calculated through the difference between the changed center of gravity and the ZMP region, and the Z value of the displacement is calculated through the difference between the changed center of gravity and the original center of gravity of the robot in the no- In the conversion step, a virtual spring-damper model may be provided on the basis of the X, Y, and Z axes, and the calculated spacing displacement may be substituted to generate virtual support forces based on the X, Y, and Z axes, respectively.

상기 산출단계는 변경된 무게중심과 로봇의 무하중 상태에서의 본래 무게중심간의 이격변위를 산출하고, 상기 환산단계는 산출된 이격변위를 가상의 스프링-댐퍼 모델에 대입하여 가상의 지지력을 생성하며 생성된 가상의 지지력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절의 구동토크로 환산할 수 있다.Wherein the calculation step calculates a displacement displacement between the changed center of gravity and the original center of gravity in the no-load state of the robot, and the converting step creates a virtual supporting force by substituting the calculated distance displacement into a virtual spring- The virtual supporting force can be converted into the driving torque of the robot joint using the Jacobian transposition matrix.

본 발명의 로봇의 보행제어시스템은, 로봇이 물건을 파지하는 지점에 마련되어 물건의 하중을 측정하는 측정센서; 측정된 물건의 하중을 반영하여 기구학적으로 변경된 로봇의 무게중심을 도출하고, 변경된 무게중심이 로봇의 ZMP영역에서 벗어난 경우 변경된 무게중심과 ZMP영역 사이의 이격변위를 산출하며, 산출된 이격변위를 가상의 스프링-댐퍼 모델에 대입하여 가상의 지지력을 생성하고, 생성된 가상의 지지력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절의 구동토크로 환산하는 제어부;를 포함한다.A walking control system for a robot according to the present invention includes: a measurement sensor provided at a position where a robot grips an object to measure a load of the object; The center of gravity of the robot that has been mechanically changed is calculated by reflecting the load of the measured object, and when the changed center of gravity is deviated from the ZMP region of the robot, the center of gravity of the changed center of gravity and the ZMP region are calculated. And a controller for generating a virtual bearing force by substituting the imaginary spring-damper model and converting the generated imaginary bearing force into driving torque of the robot joint using the Jacobian transpose matrix.

상기 제어부는 이격변위의 X,Y값은 변경된 무게중심과 ZMP영역 사이의 차이를 통하여 산출하고 이격변위의 Z값은 변경된 무게중심과 로봇의 무하중 상태에서의 본래 무게중심간의 차이를 통하여 산출하며, 가상의 스프링-댐퍼 모델을 X,Y,Z축을 기준으로 각각 마련하고 산출된 이격변위를 대입하여 가상의 지지력을 X,Y,Z축을 기준으로 각각 생성할 수 있다.
The control unit calculates the X and Y values of the displacement based on the difference between the changed center of gravity and the ZMP region and calculates the Z value of the displacement based on the difference between the changed center of gravity and the original center of gravity of the robot in the no- , And a virtual spring-damper model is prepared with respect to the X, Y, and Z axes, respectively, and the calculated spacing displacements are substituted to generate virtual bearing forces based on the X, Y, and Z axes, respectively.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 로봇의 보행제어방법 및 시스템에 따르면, 고 하중물에 의해서 착용로봇 전체 무게중심인 COM이 발바닥 외부 영역에 존재하게 될 때, 추가 모멘트가 발생하게 되는데, 직교 좌표계에서 가상으로 구성되어 있는 스프링-댐퍼 모델의 가상 힘 제어기는 각 좌표 방향으로 가상의 힘을 만들어 낼 수 있고 이러한 효과를 이용하여 추가 모멘트를 상쇄시킬 수 있다. According to the method and system for controlling the walking of the robot having the above-described structure, an additional moment is generated when COM, which is the center of gravity of the entire robot, is present in the region outside the soles of the robot by the high load, The virtual force controller of the spring - damper model can generate a virtual force in each coordinate direction and can use this effect to offset the additional moment.

이를 이용하여 로봇의 이족 안정성을 기본적으로 증대시킬 수 있다.
By using this, the biped stability of the robot can be basically increased.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어시스템의 구성도.
도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법을 설명하기 위한 모식도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 순서도.1 is a block diagram of a robot walking control system according to an embodiment of the present invention;
2 to 3 are schematic views for explaining a walking control method of a robot according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart of a method of controlling a walking of a robot according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 로봇의 보행제어방법 및 시스템에 대하여 살펴본다.Hereinafter, a method and system for controlling the walking of a robot according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어시스템의 구성도이고, 도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법을 설명하기 위한 모식도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 순서도이다.FIG. 1 is a configuration diagram of a walking control system for a robot according to an embodiment of the present invention, FIGS. 2 to 3 are schematic views for explaining a walking control method of a robot according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a flowchart of a walking control method of a robot according to an embodiment of the present invention.

도 1과 같이, 본 발명의 로봇의 보행제어시스템은 착용형 로봇의 예로써, 착용자가 로봇을 입은 상태에서 물건을 들어올린 상황을 나타낸다. 이 경우 물건의 하중에 의해 로봇의 무게중심이 변경될 것이고, 그에 따라 무게중심을 안정영역으로 이동시켜 기본적인 로봇의 균형을 유지하도록 하는데 목적이 있다.As shown in FIG. 1, the walking control system for a robot according to the present invention is an example of a wearable robot, and shows a state in which a wearer lifts a thing while wearing a robot. In this case, the center of gravity of the robot will be changed by the load of the object, and accordingly, the center of gravity is moved to the stable region to maintain the balance of the basic robot.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 순서도로서, 이를 위한 본 발명의 로봇의 보행제어방법은, 로봇이 물건을 들어올릴 경우 물건의 하중을 측정하는 측정단계(S100); 상기 측정된 물건의 하중을 반영하여 기구학적으로 변경된 로봇의 무게중심을 도출하는 도출단계(S200); 상기 변경된 무게중심이 로봇의 ZMP영역에서 벗어난 경우 변경된 무게중심과 ZMP영역 사이의 이격변위를 산출하는 산출단계(S300); 및 상기 산출된 이격변위를 가상의 스프링-댐퍼 모델에 대입하여 가상의 지지력을 생성하고, 생성된 가상의 지지력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절의 구동토크로 환산하는 환산단계(S400);를 포함한다.FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of controlling a walking of a robot according to an embodiment of the present invention. The walking control method for a robot according to the present invention includes a measuring step S100 for measuring a load of an object when the robot lifts the object, ; A derivation step (S200) of deriving a center of gravity of a robot that is mechanically changed by reflecting a load of the measured object; A calculation step (S300) of calculating a displacement between the changed center of gravity and the ZMP region when the changed center of gravity is deviated from the ZMP region of the robot; And a step S400 of converting the generated virtual displacement into a driving torque of the robot joint using the Jacobian transpose matrix by substituting the calculated displacement displacement into a virtual spring-damper model to generate a virtual supporting force. .

먼저 도 1에 도시된 바와 같이 로봇이 물건을 들어올리기 전에 먼저 착용자가 착용을 하고 무하중 상태에서의 무게중심(10)을 구한다. 로봇의 무게중심(10)의 경우, 로봇의 각 부분의 중량을 알고 있으며, 착용자의 착용상태에 따라 각 링크의 회전각이 주어지므로, 이를 이용하여 전체 로봇의 무게중심을 계산할 수 있는 것이다.First, as shown in FIG. 1, the wearer wears the robot before lifting the object, and the center of gravity 10 in the no-load state is obtained. In the case of the center of gravity 10 of the robot, the weight of each part of the robot is known, and the rotation center of each link is given according to the wearing state of the wearer.

착용 로봇의 경우 착용자가 기본적인 균형을 잡기 때문에 초기 무게중심을 위한 별도의 제어는 필요하지 않고, 다만 착용자마다 다른 신체조건으로 인하여 착용시 무게중심이 어느 정도는 착용자마다 변할 수 있게 때문에, 초기 착용시마다 새로이 무게중심을 계산해야 하는 것이다.In the case of a wearable robot, since the wearer balances the basic balance, there is no need for a separate control for the initial center of gravity. However, due to different physical conditions of the wearer, You need to calculate the new center of gravity.

한편, 초기 무게중심을 계산한 경우에는 로봇이 물건(30)을 들어올릴 경우 물건의 하중을 측정하는 측정단계(S100)를 수행한다. 상기 측정단계(S100)는 F/T센서(32, 힘-토크센서)를 통하여 물건의 하중을 측정할 수 있는데, 이는 로봇이 물건을 잡아 들어올리는 파지부에 마련되어 물건의 중량을 측정한다.On the other hand, when the initial center of gravity is calculated, if the robot lifts the object 30, the measurement step S100 of measuring the load of the object is performed. In the measurement step S100, the load of the object can be measured through the F / T sensor 32 (force-torque sensor), which is provided in the grip part for picking up the object to measure the weight of the object.

그리고 상기 측정된 물건의 하중을 반영하여 기구학적으로 변경된 로봇의 무게중심을 도출하는 도출단계(S200)를 수행한다.The derivation step S200 of deriving the center of gravity of the robot that has been mechanically changed by reflecting the load of the measured object is performed.

즉, 로봇의 경우 자체적인 중량과 물건의 중량을 알고, 로봇 링크의 각도를 알기 때문에, 이를 이용한 변경된 무게중심(20)을 구하는 것은 기구학적인 접근을 통하여 쉽게 알 수 있는 것이다.That is, in the case of a robot, knowing the weight of the robot itself and the weight of the robot and knowing the angle of the robot link, it is easy to find the changed center of gravity 20 using the kinematic approach.

그리고 상기 변경된 무게중심이 로봇의 ZMP영역에서 벗어난 경우 변경된 무게중심과 ZMP영역 사이의 이격변위를 산출하는 산출단계(S300)를 수행한다.When the changed center of gravity is deviated from the ZMP region of the robot, a calculation step (S300) of calculating a discrete displacement between the changed center of gravity and the ZMP region is performed.

즉, 로봇이 ZMP(Zero Moment Point)를 벗어난 경우에는 안정하지 않은 것으로 평가할 수 있는바, 발바닥이 전유하게 되는 ZMP의 영역에 로봇의 무게중심이 위치되는지를 판단하는 것이다.That is, when the robot is out of ZMP (Zero Moment Point), it can be judged that the robot is not stable, and it is determined whether the center of gravity of the robot is located in the ZMP area where the sole is fully occupied.

즉, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법을 설명하기 위한 모식도로서, 양 발바닥이 점유하며 그리게 되는 폐곡선의 ZMP에 로봇의 무게중심을 지면으로 투영한 점이 속하는 경우에는 안정으로 판단하고, 그 무게중심을 투영한 점이 ZMP를 벗어나는 경우에는 불안정으로 판단한다.That is, FIG. 3 is a schematic view for explaining a walking control method of a robot according to an embodiment of the present invention. When the center of gravity of the robot is projected on the ground to the ZMP of a closed curve drawn on both feet, And when the point at which the center of gravity is projected deviates from the ZMP, it is judged to be unstable.

따라서, 상기 변경된 무게중심이 로봇의 ZMP영역에서 벗어난 경우 변경된 무게중심과 ZMP영역 사이의 이격변위를 산출하는 것이다. 이는 결론적으로 △X, △Y로 표현될 것이다.Accordingly, when the changed center of gravity deviates from the ZMP region of the robot, the calculated displacement is calculated between the changed center of gravity and the ZMP region. This will be expressed as ΔX and ΔY in conclusion.

한편, 상기 산출된 이격변위를 가상의 스프링-댐퍼 모델에 대입하여 가상의 지지력을 생성하고, 생성된 가상의 지지력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절의 구동토크로 환산하는 환산단계(S400)를 수행한다. 즉, 로봇의 변경된 무게중심과 ZMP 영역의 사이에 가상의 스프링-댐퍼 모델이 구비되어 로봇의 무게중심을 ZMP의 영역으로 잡아 끌어온다고 생각할 수 있다.(S400) of transforming the calculated displacement force into a virtual spring-damper model to generate a virtual bearing force, and converting the generated virtual bearing force into a driving torque of the robot joint using a Jacobian transpose matrix, . That is, a virtual spring-damper model is provided between the changed center of gravity of the robot and the ZMP region, and the center of gravity of the robot is dragged into the ZMP region.

따라서, 이러한 과정을 통하여 X,Y 방향으로의 가상의 지지력을 도출하고, 이를 결국 로봇의 각 관절(110,120,130,140,150,160,170)에서의 모터 구동토크로 환산하여 지령함으로써 로봇이 물건을 들고 순간 휘청하더라도 다시 안정적인 자세를 취하도록 구동되는 것이다.
Accordingly, the virtual supporting force in the X and Y directions is derived through this process, and the virtual supporting force is converted into the motor driving torque at each joint 110,120,130,140,150,160,170 of the robot, so that even when the robot holds the object and wobbles, .

구체적으로, 상기 무게중심과 이격변위는 X,Y 평면좌표로 표현된다. 그리고 상기 환산단계(S400)는 가상의 스프링-댐퍼 모델을 X,Y축을 기준으로 각각 마련하고 가상의 지지력을 X,Y축을 기준으로 각각 생성한다.
Specifically, the center of gravity and the displacement are represented by X, Y plane coordinates. In the conversion step S400, virtual spring-damper models are prepared on the basis of the X and Y axes, respectively, and imaginary support forces are generated on the basis of the X and Y axes.

한편, 상기 산출단계(S300)는 이격변위의 X,Y값은 변경된 무게중심과 ZMP영역 사이의 차이를 통하여 산출하고 이격변위의 Z값은 변경된 무게중심과 로봇의 무하중 상태에서의 본래 무게중심간의 차이를 통하여 산출하며, 상기 환산단계(S400)는 가상의 스프링-댐퍼 모델을 X,Y,Z축을 기준으로 각각 마련하고 산출된 이격변위를 대입하여 가상의 지지력을 X,Y,Z축을 기준으로 각각 생성할 수 있다.In the calculation step S300, the X and Y values of the displacement are calculated through the difference between the changed center of gravity and the ZMP region, and the Z value of the displacement is calculated based on the changed center of gravity and the original center of gravity (S400), a virtual spring-damper model is prepared on the basis of the X, Y, and Z axes, and the calculated spacing displacement is substituted to calculate the imaginary bearing force based on the X, Y, and Z axes Respectively.

즉, 무게중심을 안정영역으로 보내기 위해서는 X.Y좌표의 이격변위만을 통하여 X,Y축상으로 필요한 가상 지지력을 구하는 것이고, 로봇이 물건을 들어올릴 경우 하방으로 주저앉게 되고 이는 착용자에게 불편함을 가중하는바, 이를 초기의 상태로 돌리기 위해 Z축 이격변위를 따로 산출하여 가상의 지지력을 Z축 방향으로 구하는 것이다. 이러한 과정을 통해 결국 X,Y,Z축으로의 가상의 지지력이 모두 구해지고, 이를 통해 각 관절에서의 구동토크를 구하도록 하는 것이다.In other words, in order to transmit the center of gravity to the stable region, the virtual supporting force required on the X and Y axes is obtained through only the displacement of the X and Y coordinates, and when the robot lifts the object, it sinks downward. , And the Z-axis separation displacement is separately calculated to return it to the initial state, and the virtual supporting force is obtained in the Z-axis direction. Through this process, the virtual supporting forces in the X, Y, and Z axes are finally obtained, and the driving torque at each joint is obtained.

구체적으로, 도 3과 같이 X축과 Y축 평면에서의 변경된 무게중심의 투영점(20)과 발바닥(100)이 이루는 ZMP 영역(ZMP)에 위치하는 투영 점(10')간의 이격거리를 △X, △Y로 구하고, 이를 이용하여 가상의 지지력을 생성한 후 각 관절에 구동토크로서 환산하여 지령한다.Specifically, the distance between the projection points 10 'located in the ZMP region ZMP formed by the projected points 20 of the changed center of gravity in the X-axis and Y-axis planes and the sole 100 as shown in Fig. X, and DELTA Y to generate a virtual supporting force, which is then converted into driving torque for each joint.

이러한 과정은 아래의 식으로 표현될 수 있다.This process can be expressed by the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

상기의 식은 X축에서의 이격변위인 △X와 그 미분값을 각각 스프링-댐퍼 모델에 대입하여 가상의 지지력인 F_virtual force를 구하는 과정을 나타낸다. 그리고 그 가상의 지지력은 자코비안 전치행렬을 통하여 각 관절에서의 구동토크인 τ_m으로 환산되어 관절의 모터에 지령되는 것이다. 이는 Y축의 경우도 마찬가지고 Z축의 경우도 마찬가지이다. 다만, Z축의 경우에는 본래의 무게중심과 변화된 무게중심간의 Z축 이격변위를 △Z로 사용하는 것이다.
The above equation shows the process of obtaining the imaginary bearing force F_virtual force by substituting the differential value DELTA X and the differential value in the X-axis into the spring-damper model. Then, the imaginary bearing force is converted to τ_m, which is the driving torque at each joint, through the Jacobian transposition matrix, and is directed to the motor of the joint. This is true for the Y axis and for the Z axis. However, in the case of the Z axis, the Z axis displacement between the original center of gravity and the changed center of gravity is used as DELTA Z.

한편, 도 2와 같이, 상기 산출단계(S300)는 변경된 무게중심(20)과 로봇의 무하중 상태에서의 본래 무게중심(10)간의 이격변위(△X, △Y)를 산출하고, 상기 환산단계(S400)는 산출된 이격변위를 가상의 스프링-댐퍼 모델에 대입하여 가상의 지지력을 생성하며 생성된 가상의 지지력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절의 구동토크로 환산하도록 할 수도 있다. 즉, X,Y축 상에서의 이격변위를 ZMP를 기준으로 하지 않고 본래의 무게중심과의 차이를 계산하는 것이다. 이러한 방법은 ZMP 영역을 기준으로 차이를 구하는 경우보다 좀 더 정확하고 안정적인 방법이다.2, the calculating step S300 calculates the displacement deviations? X and? Y between the changed center of gravity 20 and the original center of gravity 10 in the no-load state of the robot, In step S400, the calculated displacement displacement is substituted into a virtual spring-damper model to generate a virtual bearing force, and the generated virtual bearing force may be converted into driving torque of the robot joint using a Jacobian transpose matrix. That is, the displacement on the X and Y axes is calculated based on the difference from the original center of gravity without reference to the ZMP. This method is a more accurate and stable method than the difference based on the ZMP domain.

따라서, 본 발명의 상기 개념을 종합하면, 물건을 들지 않은 무하중 상태에서의 착용자가 초기에 로봇을 착용한 상태에서의 본래 무게중심을 구하고, 물건을 들고 난 후 변경된 무게중심을 구한 후 두 무게중심의 X,Y,Z 방향 이격변위를 각각 구하고 이를 각각 스프링-댐퍼모델에 대입하여 가상의 지지력을 X,Y,Z 방향으로 각각 구하며 이를 자코비안 전치행렬을 통하여 각 관절에서의 토크 단위로 환산하고 관절의 모터에 지령하도록 하는 것이다.Therefore, according to the concept of the present invention, it is possible to obtain the original center of gravity in a state in which the wearer initially wears the robot in an unloaded state without lifting the object, obtain the changed center of gravity after lifting the object, The X, Y, and Z directional displacements of the center are respectively obtained and substituted into the spring-damper model. The imaginary bearing forces are obtained in the X, Y, and Z directions, respectively, and converted into torque units in each joint through the Jacobian transpose matrix. And to instruct the motor of the joint.

또는, X,Y축의 경우 변경된 무게중심의 X,Y좌표와 ZMP 영역에 들어갈 수 있는 지점의 X,Y좌표 간의 이격변위를 기준으로 가상 지지력을 구하고, Z축의 경우 본래의 무게중심의 Z좌표와 변경된 무게중심의 Z좌표간의 이격변위를 기준으로 가상 지지력을 구하도록 하는 것도 가능한 것이다.Alternatively, in the case of the X and Y axes, the imaginary bearing capacity is determined based on the X and Y coordinates of the changed center of gravity and the X and Y coordinates of the points that can enter the ZMP region. In the case of the Z axis, It is also possible to obtain the virtual supporting force based on the displacement between the Z-coordinates of the changed center of gravity.

이와 같은 방식으로 X,Y,Z 방향의 가상 지지력을 자코비안 전치행렬로 각 관절에서의 구동토크로 환산하여 지령하는 것이며, 이를 통하여 로봇은 물건을 들어올린 경우라도 자동적으로 자세를 틀어 무게중심을 안정적으로 유지하며 수직방향으로도 본래의 자세를 유지할 수 있도록 함으로써 착용자에게 편안함을 부여하는 것이다.
In this way, the virtual support force in the X, Y, and Z directions is converted into the driving torque at each joint by the Jacobian transpose matrix, and the robot automatically moves the posture to the center of gravity And maintains the original posture even in the vertical direction, thereby giving comfort to the wearer.

한편, 본 발명의 로봇의 보행제어시스템은, 로봇이 물건(30)을 파지하는 지점에 마련되어 물건(30)의 하중을 측정하는 측정센서(32); 측정된 물건(30)의 하중을 반영하여 기구학적으로 변경된 로봇의 무게중심(20)을 도출하고, 변경된 무게중심(20)이 로봇의 ZMP영역에서 벗어난 경우 변경된 무게중심(20)과 ZMP영역 사이의 이격변위를 산출하며, 산출된 이격변위를 가상의 스프링-댐퍼 모델에 대입하여 가상의 지지력을 생성하고, 생성된 가상의 지지력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절의 구동토크로 환산하는 제어부(300);를 포함한다.Meanwhile, the robot walking control system of the present invention includes a measurement sensor 32 provided at a position where the robot grips the object 30 to measure the load of the object 30; The center of gravity 20 of the robot that has been mechanically changed is derived reflecting the load of the measured object 30 and when the changed center of gravity 20 is deviated from the ZMP region of the robot, A controller for calculating a virtual bearing capacity by substituting the calculated displacement displacement into a virtual spring-damper model and converting the generated virtual bearing force into a driving torque of the robot joint using a Jacobian transposed matrix, (300).

그리고, 상기 제어부(300)는 이격변위의 X,Y값은 변경된 무게중심(20)과 ZMP영역 사이의 차이를 통하여 산출하고 이격변위의 Z값은 변경된 무게중심(20)과 로봇의 무하중 상태에서의 본래 무게중심(10)간의 차이를 통하여 산출하며, 가상의 스프링-댐퍼 모델을 X,Y,Z축을 기준으로 각각 마련하고 산출된 이격변위를 대입하여 가상의 지지력을 X,Y,Z축을 기준으로 각각 생성할 수 있음은 앞서 살핀 바와 같다.
The control unit 300 calculates the X and Y values of the displacement based on the difference between the changed center of gravity 20 and the ZMP region and calculates the Z value of the displacement based on the changed center of gravity 20 and the no- Y, and Z axes of the virtual spring-damper model, and substituting the calculated spacing displacements to calculate the imaginary support forces on the X, Y, and Z axes As described above.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 로봇의 보행제어방법 및 시스템에 따르면, 고 하중물에 의해서 착용로봇 전체 무게중심인 COM이 발바닥 외부 영역에 존재하게 될 때, 추가 모멘트가 발생하게 되는데, 직교 좌표계에서 가상으로 구성되어 있는 스프링-댐퍼 모델의 가상 힘 제어기는 각 좌표 방향으로 가상의 힘을 만들어 낼 수 있고 이러한 효과를 이용하여 추가 모멘트를 상쇄시킬 수 있다. According to the method and system for controlling the walking of the robot having the above-described structure, an additional moment is generated when COM, which is the center of gravity of the entire robot, is present in the region outside the soles of the robot by the high load, The virtual force controller of the spring - damper model can generate a virtual force in each coordinate direction and can use this effect to offset the additional moment.

이를 이용하여 로봇의 이족 안정성을 기본적으로 증대시킬 수 있다.
By using this, the biped stability of the robot can be basically increased.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific 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 following claims It will be apparent to those of ordinary skill in the art.

100 : 발바닥 10 : 본래의 무게중심
20 : 변경된 무게중심 300 : 제어부100: sole 10: original center of gravity
20: changed center of gravity 300:

Claims (8)

로봇이 물건을 들어올릴 경우 물건의 하중을 측정하는 측정단계(S100);
상기 측정된 물건의 하중을 반영하여 기구학적으로 변경된 로봇의 무게중심을 도출하는 도출단계(S200);
상기 변경된 무게중심이 로봇의 ZMP영역에서 벗어난 경우 변경된 무게중심과 ZMP영역 사이의 이격변위를 산출하는 산출단계(S300); 및
상기 산출된 이격변위를 가상의 스프링-댐퍼 모델에 대입하여 가상의 지지력을 생성하고, 생성된 가상의 지지력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절의 구동토크로 환산하는 환산단계(S400);를 포함하는 로봇의 보행제어방법.A measurement step (S100) of measuring the load of the object when the robot lifts the object;
A derivation step (S200) of deriving a center of gravity of a robot that is mechanically changed by reflecting a load of the measured object;
A calculation step (S300) of calculating a displacement between the changed center of gravity and the ZMP region when the changed center of gravity is deviated from the ZMP region of the robot; And
A step S400 of substituting the calculated distance displacement into a virtual spring-damper model to generate a virtual supporting force, and converting the generated virtual supporting force into driving torque of the robot joint using a Jacobian transposition matrix; Wherein the robot is a walking robot. 청구항 1에 있어서,
상기 측정단계(S100)는 F/T센서(힘-토크센서)를 통하여 물건의 하중을 측정하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.The method according to claim 1,
Wherein the measuring step S100 measures the load of the object through the F / T sensor (force-torque sensor). 청구항 1에 있어서,
상기 무게중심과 이격변위는 X,Y 평면좌표로 표현된 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.The method according to claim 1,
Wherein the center of gravity and the displacement are represented by X, Y plane coordinates. 청구항 3에 있어서,
상기 환산단계(S400)는 가상의 스프링-댐퍼 모델을 X,Y축을 기준으로 각각 마련하고 가상의 지지력을 X,Y축을 기준으로 각각 생성하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.The method of claim 3,
Wherein the conversion step S400 comprises the steps of providing virtual spring-damper models with respect to the X and Y axes, respectively, and generating virtual supporting forces with respect to the X and Y axes, respectively. 청구항 1에 있어서,
상기 산출단계(S300)는 이격변위의 X,Y값은 변경된 무게중심과 ZMP영역 사이의 차이를 통하여 산출하고 이격변위의 Z값은 변경된 무게중심과 로봇의 무하중 상태에서의 본래 무게중심간의 차이를 통하여 산출하며, 상기 환산단계(S400)는 가상의 스프링-댐퍼 모델을 X,Y,Z축을 기준으로 각각 마련하고 산출된 이격변위를 대입하여 가상의 지지력을 X,Y,Z축을 기준으로 각각 생성하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.The method according to claim 1,
In the calculating step S300, the X and Y values of the displacement are calculated through the difference between the changed center of gravity and the ZMP region, and the Z value of the displacement is calculated as the difference between the changed center of gravity and the original center of gravity of the robot in the no- (S400), a virtual spring-damper model is prepared on the basis of the X, Y, and Z axes, and the calculated spacing displacements are substituted to calculate virtual support forces based on the X, Y, and Z axes Wherein the step of generating the walking control signal comprises the steps of: 청구항 1에 있어서,
상기 산출단계(S300)는 변경된 무게중심과 로봇의 무하중 상태에서의 본래 무게중심간의 이격변위를 산출하고, 상기 환산단계(S400)는 산출된 이격변위를 가상의 스프링-댐퍼 모델에 대입하여 가상의 지지력을 생성하며 생성된 가상의 지지력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절의 구동토크로 환산하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.The method according to claim 1,
The calculating step S300 calculates a displacement between the changed center of gravity and the original center of gravity of the robot in the no-load state, and the converting step S400 substitutes the calculated distance displacement into a virtual spring- And converting the generated imaginary bearing force into a driving torque of the robot joint using a Jacobian transpose matrix. 로봇이 물건(30)을 파지하는 지점에 마련되어 물건(30)의 하중을 측정하는 측정센서(32);
측정된 물건(30)의 하중을 반영하여 기구학적으로 변경된 로봇의 무게중심(20)을 도출하고, 변경된 무게중심(20)이 로봇의 ZMP영역에서 벗어난 경우 변경된 무게중심(20)과 ZMP영역 사이의 이격변위를 산출하며, 산출된 이격변위를 가상의 스프링-댐퍼 모델에 대입하여 가상의 지지력을 생성하고, 생성된 가상의 지지력을 자코비안 전치행렬을 이용하여 로봇 관절의 구동토크로 환산하는 제어부(300);를 포함하는 로봇의 보행제어시스템.A measurement sensor 32 provided at a position where the robot grips the object 30 to measure a load of the object 30;
The center of gravity 20 of the robot that has been mechanically changed is derived reflecting the load of the measured object 30 and when the changed center of gravity 20 is deviated from the ZMP region of the robot, A controller for calculating a virtual bearing capacity by substituting the calculated displacement displacement into a virtual spring-damper model and converting the generated virtual bearing force into a driving torque of the robot joint using a Jacobian transposed matrix, (300) for controlling the walking of the robot. 청구항 7에 있어서,
상기 제어부(300)는 이격변위의 X,Y값은 변경된 무게중심(20)과 ZMP영역 사이의 차이를 통하여 산출하고 이격변위의 Z값은 변경된 무게중심(20)과 로봇의 무하중 상태에서의 본래 무게중심(10)간의 차이를 통하여 산출하며, 가상의 스프링-댐퍼 모델을 X,Y,Z축을 기준으로 각각 마련하고 산출된 이격변위를 대입하여 가상의 지지력을 X,Y,Z축을 기준으로 각각 생성하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어시스템.The method of claim 7,
The control unit 300 calculates the X and Y values of the displacement based on the difference between the changed center of gravity 20 and the ZMP region and the Z value of the separated displacement is calculated from the changed center of gravity 20 and the non- The virtual spring-damper model is prepared based on the X, Y, and Z axes, and the calculated spacing displacement is substituted to calculate the imaginary support force based on the X, Y, and Z axes Respectively, of the robot.
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