KR20180098889A - 감속기 변형 모델을 이용한 로봇 - Google Patents

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KR20180098889A
KR20180098889A KR1020170025614A KR20170025614A KR20180098889A KR 20180098889 A KR20180098889 A KR 20180098889A KR 1020170025614 A KR1020170025614 A KR 1020170025614A KR 20170025614 A KR20170025614 A KR 20170025614A KR 20180098889 A KR20180098889 A KR 20180098889A
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박재흥
김지섭
김민곤
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 로봇을 개시한다. 본 발명은, 복수개의 프레임과, 각 프레임을 연결하는 관절부를 포함하는 바디부와, 상기 관절부에 상기 관절부의 제어각도를 입력하는 제어부와, 상기 제어부와 상기 관절부를 연결하며 상기 관절부의 제어각도를 상기 관절부의 변형을 고려하여 명령각도로 변환하는 입력비교기를 포함한다.

Description

감속기 변형 모델을 이용한 로봇{ROBOT USING REDUCTION GEAR DEFORMATION MODEL}
본 발명은 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 로봇에 관한 것이다.
로봇은 복수개의 프레임과 복수개의 프레임을 연결하는 관절부를 포함할 수 있다. 이때, 로봇은 관절부에 다양한 구동부가 배치되어 복수개의 프레임을 서로 독립적으로 운동시키거나 개별적으로 운동시킴으로써 다양한 작업을 구현할 수 있다. 이러한 구동부를 정확하게 제어하기 위하여 다양한 방법이 연구되고 있다. 예를 들면, 구동부를 정확하게 제어하기 위하여 구동부를 시뮬레이션한 후 시뮬레이션한 결과를 근거로 구동부를 제어할 수 있다.
상기와 같은 로봇 중 2족 로봇은 다양한 환경에서의 업무 수행이 가능하다. 이때, 2족 로봇은 상체의 자유도를 활용하여 물체를 집어 올리고 미는 등의 활동을 할 수 있어야 한다. 기존의 보행 안정성만을 고려하여 구동부를 제어하는 경우 물체의 하중으로 인하여 보행에 악영향을 주게 된다. 또한, 이러한 문제를 해결하기 위해 상체의 자세가 보행 중 변하거나 상체에 작업으로 인한 하중이 실려도 로봇 전체의 무게 중심 제어를 이용해 보행 안정성을 높이는 것이 상당히 어려울 수 있다.
뿐만 아니라 상기와 같이 2족 로봇의 경우 직립하여 있는 경우 각 프레임의 하중에 의한 각 프레임 사이의 각도 변형으로 인하여 관절부를 정확하게 제어하는 것이 어려울 수 있다.
본 발명의 실시예들은 로봇을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 복수개의 프레임과, 각 프레임을 연결하는 관절부를 포함하는 바디부와, 상기 관절부에 상기 관절부의 제어각도를 입력하는 제어부와, 상기 제어부와 상기 관절부를 연결하며 상기 관절부의 제어각도를 상기 관절부의 변형을 고려하여 명령각도로 변환하는 입력비교기를 포함하는 로봇을 제공할 수 있다.
또한, 상기 명령각도는 상기 제어각도, 상기 관절부의 하중토크(Gravity Torque) 및 상기 관절부의 관절강직도(joint stiffness)의 함수일 수 있다.
또한, 상기 관절부의 하중토크는 상기 제어각도의 함수일 수 있다.
또한, 상기 관절부는, 구동부와, 상기 구동부 및 상기 프레임을 연결하는 감속기와, 상기 구동부와 연결되어 상기 구동부의 작동각도를 감지하는 엔코더를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 복수개의 프레임과, 각 프레임을 연결하는 관절부를 포함하는 바디부와, 상기 관절부에서 측정된 상기 관절부의 작동각도를 상기 관절부의 변형을 고려하여 실제작동각도로 변환하는 출력비교기와, 상기 출력비교기와 전기적으로 연결되어 상기 실제작동각도를 저장하는 제어부를 포함하는 로봇을 제공할 수 있다.
또한, 상기 실제작동각도는 상기 관절부의 작동각도, 상기 관절부의 하중토크(Gravity Torque) 및 상기 관절부의 관절강직도(joint stiffness)의 함수일 수 있다.
또한, 상기 실제작동각도는 1차 테일러 전개 방법 또는 뉴턴-랩슨 방법(Newton-Raphson method)를 통하여 산출될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 정밀한 제어가 가능함으로써 로봇의 작동 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 구동 각도의 오차 범위를 최소화함으로써 정확한 구동 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 일부를 보여주는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 로봇의 관절부를 보여주는 개념도이다.
도 3은 도 1에 도시된 로봇의 제어흐름을 보여주는 블록도이다.
도 4는 입력비교기 및 출력비교기의 존재 유무에 따른 도 1에 도시된 로봇의 수평도와 시간 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 일부를 보여주는 개념도이다. 도 2는 도 1에 도시된 로봇의 관절부를 보여주는 개념도이다. 도 3은 도 1에 도시된 로봇의 제어흐름을 보여주는 블록도이다. 도 4는 입력비교기 및 출력비교기의 존재 유무에 따른 도 1에 도시된 로봇의 수평도와 시간 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 로봇(100)은 복수개의 프레임(110), 관절부(120), 제어부(130), 입력비교기(140) 및 출력비교기(150)를 포함할 수 있다. 이때, 복수개의 프레임(110)은 다양한 형태로 형성되어 서로 연결될 수 있다. 또한, 복수개의 프레임(110)은 서로 다양한 각도로 움직이는 것이 가능하다.
각 프레임(110)사이에는 관절부(120)가 배치되어 각 프레임(110)을 회전시킬 수 있다. 이때, 관절부(120)는 구동부(121), 감속기(122) 및 엔코더(123)를 포함할 수 있다.
구동부(121)는 모터 형태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 구동부(121)는 DC모터 또는 BLDC 모터를 포함할 수 있다.
감속기(122)는 다양한 형태일 수 있다. 예를 들면, 감속기(122)는 하모닉 드라이브, 싸이클로이드(Cycloid), 유성기어를 포함할 수 있다. 이러한 경우 감속기(122)의 일단은 구동부(121)와 연결되고, 감속기(122)의 타단은 프레임(110)에 연결될 수 있다. 특히 감속기(122)와 구동부(121)는 기어 등으로 연결될 수 있으며, 프레임(110)은 감속기(122)의 출력단과 연결될 수 있다. 이때, 구동부(121)의 작동에 따라서 감속기(122)는 구동부(121)의 회전속도를 감속하여 프레임(110)으로 전달할 수 있다.
엔코더(123)는 구동부(121)에 설치되어 구동부(121)의 작동정도를 측정할 수 있다. 이러한 경우 엔코더(123)는 구동부(121)의 회전축(121a)이 회전하는 정도인 작동각도를 측정할 수 있다. 이때, 작동각도는 회전축(121a)의 기준점이 기준 위치를 기준으로 구동부(121)의 회전축(121a)이 회전했을 때 기준 위치로부터 회전축(121a)의 기준점이 회전한 각도일 수 있다. 이러한 엔코더(123)는 일부가 구동부(121)의 회전축(121a)과 연결되며, 엔코더(123)의 다른 일부는 구동부(121)에 고정되도록 설치됨으로써 회전축(121a)이 회전 정도를 감지할 수 있다. 이때, 엔코더(123)는 자기센서, 홀센서 등을 포함할 수 있다.
제어부(130)는 관절부(120)에 제어각도를 입력할 수 있다. 이때, 제어부(130)는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제어부(130)는 퍼스널 컴퓨터, 노트북, 휴대폰 또는 휴대용 단말기 등을 포함할 수 있다. 상기 제어각도는 구동부(121)가 작동하여 각 프레임(110)이 기 설정된 위치에 배치되기 위하여 구동부(121)의 회전축(121a)이 회전하여야 하는 각도일 수 있다. 이러한 경우 작동각도와 제어각도는 상이할 수 있다. 구체적으로 제어각도가 입력되는 경우 회전축(121a)은 회전할 수 있다. 이때, 감속기(122)와 구동부(121) 사이에는 백래쉬, 마찰 등으로 인하여 회전축(121a)의 실제 작동각도는 제어각도보다 작아질 수 있다. 또한, 각 프레임(110)이 지면으로부터 이격되는 경우 각 프레임(110)에 의하여 감속기(122)에 하중이 가해짐으로써 입력한 제어각도만큼 구동부(121)가 작동하는 경우에도 회전축(121a)의 실제 작동각도는 제어각도보다 크거나 작아질 수 있다. 특히 상기와 같은 백래쉬 값, 감속기(122) 내부의 마찰력 등의 경우에는 미리 제거가 가능하나 하중으로 인하여 감속기(122)에 가해지는 토크에 의한 제어각도와 작동각도의 차이는 줄이기 어려울 수 있다.
이러한 것을 해결하기 위하여 입력비교기(140)는 제어각도를 입력 받아 명령각도로 변환할 수 있다. 구체적으로 입력비교기(140)는 제어각도, 관절부(120)의 하중토크(Gravity Torgque) 및 관절부(120)의 관절강직도(Joint Stiffness)의 함수일 수 있다. 이때, 관절부(120)의 하중토크는 제어각도의 함수일 수 있다. 이러한 경우 하중토크를 산출한 함수는 제어부(130) 및 입력비교기(140) 중 적어도 하나에 기 설정된 상태일 수 있다. 또한, 관절부(120)의 하중토크는 각 프레임(110)의 하중으로 인하여 발생하는 토크와, ZMP 위치로 인하여 발생하는 각 구성요소의 하중으로 인하여 발생하는 토크 등을 포함할 수 있다. 이러한 입력비교기(140)에서 명령각도를 변환하는 방법은 하기와 같다.
우선 관절부(120)에 연결되어 있는 프레임(110)과 관절부(120) 사이의 관계를 선형 탄성 모델(Linear Elastic Model)로 가정할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 명령각도와 실제 작동각도의 차이를 의미한다. 또한,
Figure pat00003
는 명령각도를 의미하며,
Figure pat00004
는 관절부(120)가 실제로 작동하는 실제 작동각도를 의미한다.
이때, 명령각도와 실제 작동각도 사이의 차이는 하중토크의 함수인 것으로 가정하고 이를 확인하기 위하여 실험을 수행할 수 있다. 구체적으로 관절부(120)의 출력단에 연결되는 각 프레임(110)과 동일한 재질의 바(bar)를 연결하고, 바의 끝단에 물체를 배치한 후 물체의 무게를 변화시키면서 관절부(120)에서의 실제 관절각도를 관성측정센서를 통하여 측정함으로써 하중토크를 산출할 수 있다. 이 결과, 명령각도와 실제 작동각도 차이 및 하중토크 사이에는 하중토크가 증가하는 경우 명령각도와 실제 작동각도 사이의 차이가 커지는 것을 확인할 수 있다. 이를 근거로 상기와 같은 가정이 맞다는 것을 확인할 수 있다.
이러한 결과를 바탕으로 명령각도와 실제 작동각도 사이의 차이를 하중토크에 관한 식으로 표현하면 하기의 수학식 2로 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00005
여기서 f(τ)는 토크의 함수를 의미하며,
Figure pat00006
는 관절강직도를 의미한다. 또한,
Figure pat00007
는 감속기(122)에 각 프레임(110) 등의 하중으로 인하여 발생하는 하중토크를 의미한다.
상기와 같은 수학식 1와 수학식 2는 서로 동일한 값에 대한 수식이므로 하기의 수학식 3으로 표현될 수 있다. 이때, 하중토크는 엔코더(123)에서 실제 측정된 작동각도의 함수일 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00008
한편, 상기와 같은 수학식 3으로부터 명령각도를 작동각도의 함수로 표현하면 상기와 같을 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00009
상기와 같은 경우 실제 작동각도는 사용자가 로봇의 관절부(120)를 제어하고 싶은 제어각도와 동일하므로 수학식 4는 수학식 5로 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00010
이때,
Figure pat00011
는 제어각도일 수 있다.
따라서 상기의 결과를 근거로 살펴보면, 명령각도는 제어각도의 함수로 표현될 수 있다.
입력비교기(140)는 상기의 수식을 근거로 제어부(130)에서 제어각도가 전송되는 경우 제어각도를 명령각도로 변환할 수 있다. 이러한 경우 관절강직도는 제어부(130) 및 입력비교기(140) 중 적어도 하나에 기 설정된 상태일 수 있다. 또한, 제어각도에 따른 하중토크 또한 제어각도에 따라서 각 하중별로 테이블 형태로 제어부(130) 및 입력비교기(140) 중 적어도 하나에 기 설정된 상태일 수 있다.
출력비교기(150)는 관절부(120)에서 엔코더(123)를 통해 측정된 작동각도를 관절부(120)의 변형을 고려하여 실제작동각도로 변환할 수 있다. 구체적으로 작동각도로부터 실제작동각도를 산출하는 방법을 살펴보면, 작동각도와 실제작동각도의 차이는 하기의 수학식으로 정의될 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00012
Figure pat00013
수학식 6을 실제작동각도를 중심으로 정렬하면 하기의 수학식 7과 같을 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00014
여기서,
Figure pat00015
는 엔코더(123)에서 측정된 회전축(121a)의 작동각도일 수 있다.
상기와 같은 수학식 7을 1차 테일러 전개 방법(1st Taylor expansion) 또는 뉴턴-랩슨 방법(Newton-Raphson method)을 사용하면 하기의 수학식과 같아질 수 있다.
[수학식 8]
Figure pat00016
[수학식 9]
Figure pat00017
여기서 수학식 8은 1차 테일러 전개 방법을 통하여 산출된 식이며, 수학식 9는 뉴턴-랩슨 방법을 이용할 수 있는 식일 수 있다.
상기와 같은 수학식 8 또는 수학식 9를 통하여 실제 작동각도를 산출할 수 있다. 출력비교기(150)는 상기와 같은 수식을 통하여 실제 작동각도를 산출하여 제어부(130)로 전송할 수 있다.
이때, 제어부(130)는 상기에서 산출된 실제 작동각도를 산출하여 제어각도를 비교할 수 있다. 제어부(130)는 산출된 실제 작동각도를 근거로 제어각도를 조절할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 제어각도의 입력 후 실제 작동각도를 모니터링함으로써 로봇(100)의 전체 제어를 정밀하게 수행할 수 있다.
한편, 상기와 같은 입력비교기(140)와 출력비교기(150)는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제어부(130)와 유사하게 퍼스널 컴퓨터, 회로기판, 휴대폰, 휴대용 단말기 등을 포함할 수 있다. 다른 실시예로써 입력비교기(140)와 출력비교기(150)는 제어부(130)와 일체로 형성되는 것도 가능하다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 입력비교기(140), 출력비교기(150) 및 제어부(130)가 일체로 형성되는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
입력비교기(140), 출력비교기(150), 제어부(130) 및 구동부(121) 사이에는 다양한 방법으로 데이터를 전송하거나 전송 받을 수 있다. 예를 들면, 입력비교기(140), 출력비교기(150), 제어부(130) 및 구동부(121)는 서로 유선 또는 무선으로 연결되어 데이터를 송수신할 수 있다.
상기와 같은 로봇(100)의 경우 입력비교기(140)와 출력비교기(150)를 사용하여 제어하는 경우와 이를 사용하지 않고 제어하는 경우를 비교하면, 입력비교기(140)와 출력비교기(150)를 사용하여 제어하는 경우가 정확한 제어가 가능하다.
구체적으로 상기와 같은 내용을 확인하기 위하여 2족 보행 로봇(100)을 입력비교기(140) 및 출력비교기(150)를 사용하지 않은 상태에서 제자리 걸음을 걷도록 설치한 후 로봇(100) 몸체의 수평도를 측정할 수 있다. 이때, 로봇(100) 몸체의 수평도는 로봇(100)의 허리 부분에서 측정될 수 있다. 또한, 입력비교기(140) 및 출력비교기(150)를 사용한 상태에서 상기와 같은 실험을 반복할 수 있다. 이러한 경우 도 4(a)에 도시된 것과 같이 입력비교기(140)와 출력비교기(150)를 사용하지 않는 경우 시간이 24초에 걸쳐서 보행 로봇이 한발짝 구동하는 동안 로봇(100)의 수평도를 측정한 결과를 비교하면, 로봇(100)의 수평도는 대략 0.04라디안(Rad)이 될 수 있다. 반면, 입력비교기(140)와 출력비교기(150)를 사용하는 경우 로봇(100)의 수평도는 약 0.01라디안(Rad) 이하가 됨을 확인할 수 있다. 이는 입력비교기(140)와 출력비교기(150)를 사용하지 않고 제어하는 경우 제어각도와 작동각도가 상이해짐으로써 감속기(122) 부분의 변형으로 인하여 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 입력비교기(140)와 출력비교기(150)를 사용하는 경우 제어각도를 실제 작동각도와 거의 유사하게 입력함으로써 로봇(100)의 안정성을 확보할 수 있다.
또 다른 실험으로써 도 4(b)에 도시된 것과 같이 로봇(100)이 3초 동안에 한걸음 움직이도록 작동하는 경우를 살펴보면, 입력비교기(140)와 출력비교기(150)가 존재하지 않는 경우는 로봇(100)의 수평도가 지속적으로 흔들리는 것을 확인할 수 있다. 반면, 입력비교기(140)와 출력비교기(150)가 존재하는 경우 로봇(100)의 수평도는 대략 0.01라디안(Rad) 이하의 범위에서 안정화됨으로써 로봇(100)의 수평도가 흔들리지 않을 수 있다.
따라서 상기와 같은 로봇(100)은 입력비교기(140)와 출력비교기(150)를 통하여 감속기(122)의 변형에 따른 오차를 최소화함으로써 로봇(100)의 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 로봇(100)은 정밀한 제어가 가능하므로 보행 안정성을 확보할 수 있다. 로봇(100)은 실제 운동에 대응되도록 제어가 가능함으로써 정밀한 작동이 가능하다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100: 로봇
110: 프레임
120: 관절부
121: 구동부
122: 감속기
123: 엔코더
130: 제어부
140: 입력비교기
150: 출력비교기

Claims (7)

  1. 복수개의 프레임과, 각 프레임을 연결하는 관절부를 포함하는 바디부;
    상기 관절부에 상기 관절부의 제어각도를 입력하는 제어부; 및
    상기 제어부와 상기 관절부를 연결하며 상기 관절부의 제어각도를 상기 관절부의 변형을 고려하여 명령각도로 변환하는 입력비교기;를 포함하는 로봇.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 명령각도는 상기 제어각도, 상기 관절부의 하중토크(Gravity Torque) 및 상기 관절부의 관절강직도(joint stiffness)의 함수인 로봇.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 관절부의 하중토크는 상기 제어각도의 함수인 로봇.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 관절부는,
    구동부;
    상기 구동부 및 상기 프레임을 연결하는 감속기; 및
    상기 구동부와 연결되어 상기 구동부의 작동각도를 감지하는 엔코더;를 포함하는 로봇.
  5. 복수개의 프레임과, 각 프레임을 연결하는 관절부를 포함하는 바디부;
    상기 관절부에서 측정된 상기 관절부의 작동각도를 상기 관절부의 변형을 고려하여 실제작동각도로 변환하는 출력비교기; 및
    상기 출력비교기와 전기적으로 연결되어 상기 실제작동각도를 저장하는 제어부;를 포함하는 로봇.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 실제작동각도는 상기 관절부의 작동각도, 상기 관절부의 하중토크(Gravity Torque) 및 상기 관절부의 관절강직도(joint stiffness)의 함수인 로봇.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 실제작동각도는 1차 테일러 전개 방법 또는 뉴턴-랩슨 방법(Newton-Raphson method)를 통하여 산출되는 로봇.
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