KR100529287B1 - 로봇 장치 및 그 자세 제어 방법 - Google Patents

Abstract

가속도 센서(41)에 의한 검출 출력으로서 얻어지는 가속도 정보에 따라, 장치 본체의 자세 상태가 정상의 자세 상태와는 상이한 이상한 자세 상태로 천이된 것을 CPU(102)에 의해 인식하고, 미리 작성하여 메모리(101)에 기억시키고 있는 전도 상태로부터의 자세 복귀를 행하기 위한 궤도 계획 데이터를 사용하여, 플레이백에 의해 각종 드라이버(3D~7D)를 제어하여 정상의 자세 상태로의 복귀 동작을 행한다.

Description

로봇 장치 및 그 자세 제어 방법 {ROBOT AND METHOD OF ITS ATTITUDE CONTROL}

본 발명은 전도(轉倒) 상태 등의 이상한 자세 상태로부터 통상의 자세 상태로 자립적으로 자세 복귀하는 기능을 가지는 로봇 장치 및 그 자세 제어 방법에 관한 것이다.

종래부터, 타이어의 회전에 의해 자주(自走)하는 타이어형 로봇이나 2족(足) 또는 4족의 자립형 보행 로봇 등 형식이 상이한 기구계(機構系)를 구비하는 각종 형태의 로봇 장치가 제안되어 있다.

이 종류의 로봇 장치는 소정의 자유도를 가지는 액추에이터 및 소정의 물리량을 검출하는 센서 등이 각각 소정 위치에 배치된 기구계를 구비하고, 마이크로컴퓨터를 사용한 제어부에 의해, 각종 센서의 출력 및 제어 프로그램에 따라 각종 액추에이터를 개별로 구동 제어함으로써 자주하고, 또 소정의 동작을 행할 수 있도록 되어 있다. 또, 이 종류의 로봇 장치는, 예를 들면 몸통부, 다리부 및 머리부 등의 각 구성 유닛이 각각 미리 정해진 상관 관계를 가지는 상태로 결합됨으로써 소정의 형상으로 조립되어 있다.

2개 또는 그 이상의 복수개의 다리를 가지는 다족(多足) 보행 로봇에는, 예를 들면 고양이나 개와 같은 동물 형태를 하고 있는 것이 있다. 이와 같은 형태의 다족 보행 로봇은, 예를 들면 4개의 다리를 가지고 있으며, 각 다리는 소정 수의 관절부를 구비하고 있다. 이 종류의 로봇의 다리 관절에 대하여 제어하는 방법으로서는, 위치 정보나 속도 정보를 교시(敎示)에 의해 기록하여 재현하는 방법이나, 위치 정보나 속도 정보를 운동 모델을 사용하여 연산에 의해 생성 실행하는 방법이 있다.

종래의 로봇 장치에서의 제어에서는, 교시에 의한 방법, 운동 모델에 의한 방법 모두 설계자의 예상되는 환경 하에서의 동작을 전제로 하고 있기 때문에, 이들 사용 환경이 상이한 경우에서는, 장치의 자세가 의도(意圖)에 반한 상황으로 되는 경우가 발생하고, 이상한 자세에 의해 장치의 기능이나 구조에 장해를 주어 고장나는, 또는 사용 환경에 장해를 초래할 가능성이 있었다.

도 1은 본 발명을 적용한 다족(多足) 보행 로봇의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 2는 상기 다족 보행 로봇의 전도(轉倒) 상태의 검출에 사용되는 가속도 센서 등 각종 센서의 설치 상태를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 3은 상기 다족 보행 로봇의 제어계(系)의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도.

도 4는 상기 다족 봇행 로봇의 기본 자세를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 5는 상기 다족 보행 로봇의 기본 자세로부터 왼쪽 앞발을 든 상태를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 6은 상기 다족 보행 로봇의 자세가 무너진 상태를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 7은 상기 다족 보행 로봇의 자세가 무너지지 않은 상태를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 8은 상기 다족 보행 로봇의 행동 패턴 편집 방법의 일예를 나타낸 플로 차트.

도 9는 상기 다족 보행 로봇에서의 제어부에 의한 전도 판별 알고리즘(algorithm)의 일예를 나타낸 플로 차트.

도 10 (A) 및 도 10 (B)는 상기 전도 판별 처리에서 요구되는 평균 가속도 Acc와 Y-Z 평면과의 편각 θ, 평균 가속도 Acc의 Y-Z 평면에의 투영 성분과 Z축과 이루는 각 φ의 관계를 개략적으로 나타낸 도면.

도 11은 상기 다족 보행 로봇의 형상에 의한 제약 조건으로부터 결정되는 보행 시의 전도 방향과 각 φ의 관계를 개략적으로 나타낸 도면.

도 12 (A), 도 12 (B), 도 12 (C) 및 도 12 (D)는 상기 다족 보행 로봇의 보행 시의 각종 전도 상태를 개략적으로 나타낸 각 측면도.

도 13은 상기 다족 보행 로봇의 전도 상태로부터 정상 자세 상태로의 복귀 동작의 과정을 개략적으로 나타낸 측면도.

도 14는 상기 다족 보행 로봇이 서 있는 자세에서의 접촉 센서에 의한 접촉 검출 상태를 개략적으로 나타낸 도면.

도 15는 상기 다족 보행 로봇이 앉은 자세에서의 접촉 센서에 의한 접촉 검출 상태를 개략적으로 나타낸 도면.

도 16은 상기 다족 보행 로봇이 서 있는 자세에서 CCD 카메라에 의해 화상 정보를 수납하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면.

도 17 (A), 도 17 (B), 도 17 (C) 및 도 17 (D)는 정상 바세 및 이상 자세의 상태에서 CCD 카메라에 의해 수납되는 각 화상 정보를 개략적으로 나타낸 도면.

도 18은 상기 CCD 카메라에 의해 수납되는 화상 정보에 따른 바닥면 상태의 판정 방법을 설명하기 위한 도면.

도 19는 이상 자세 검출 수단으로서 회전 검출 장치를 구비한 타이어형 로봇 장치의 개략적인 사시도.

도 20은 이상 자세 검출 수단으로서 바닥면 검출 장치를 구비한 타이형 로봇 장치의 개략적인 사시도.

도 21은 배면 전도 상태로부터의 복귀 동작 상태의 천이(遷移)를 개략적으로 나타낸 도면.

그래서, 본 발명의 목적은 전술한 바와 같은 종래의 로봇 장치의 실정을 감안하여, 전도 상태 등의 이상한 자세 상태에서의 사용에 의한 로봇 장치의 고장이나 사고를 방지하는 것에 있다.

또, 본 발명의 목적은 전도 상태 등의 이상한 자세 상태로부터 통상의 자세 상태로 자립적으로 자세 복귀할 수 있는 로봇 장치 및 그 자세 제어 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 관한 로봇 장치는 장치 본체의 자세를 인식하고, 인식 결과를 출력하는 자세 인식 수단과, 상기 인식 결과에 따라, 상기 장치 본체가 소정의 자세로 된 것을 판별하는 자세 판별 수단과, 상기 자세 판별 수단에 의해 상기 소정의 자세로 판별된 경우에, 상기 장치 본체의 자세를 수정하는 자세 수정 수단을 가지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관한 로봇 장치의 자세 제어 방법은 장치 본체의 자세를 인식하고, 그 인식 결과에 따라, 상기 장치 본체가 소정의 자세로 된 것을 판별하고,상기 소정의 자세로 판별된 경우에, 상기 장치 본체의 자세를 수정하는 것을 특징으로 한다.

다음에, 본 발명을 실시하기 위한 최상의 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

본 발명은, 예를 들면 도 1에 나타낸 바와 같은 구성의 다족 보행 로봇(1)에 적용된다.

이 다족 보행 로봇(1)은 다관절형(多關節型) 로봇이며, 4개의 다리를 가지는 동물형을 하고 있으며, 다관절형 로봇(1)은 본체(2), 오른쪽 앞발(3), 왼쪽 앞발(4), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6), 머리부(7), 몸통부(8), 꼬리(9) 등을 가지고 있다.

이 다관절형 로봇(1)은 오른쪽 앞발(3), 왼쪽 앞발(4), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6) 등의 관절부(10, 11, 12, 13)에는, 브레이크 기구(30)를 구비하고 있다. 이 브레이크 기구(30)의 작동을 이용하여, 각 오른쪽 앞발(3), 왼쪽 앞발(4), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6) 안의 임의의 동작부(다리)의 상대 위치 관계를, 다이렉트 티칭 방식으로 조작자가 위치 교시할 수 있는 것이다.

본체(2)는, 오른쪽 앞발(3), 왼쪽 앞발(4), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6)용의 브래킷(bracket)(20, 21, 22, 23)을 구비하고 있다. 머리부(7)는 본체(2)의 위의 전부(前部)에 설정되어 있고, 몸통부(8)는 머리부(7)보다는 뒤쪽에 위치하고 있다. 꼬리(9)는 몸통부(8)로부터 상방으로 돌출되어 있다.

본체(2)에 대하여 설치되어 있는 각 요소에 대하여 차례로 설명한다.

먼저, 오른쪽 앞발(3)은 다리(3a), 다리(3b), 브래킷(20), 관절부(10, 10a), 브레이크 기구(30), 서보 모터(3c, 3d, 3e) 등을 가지고 있다.

다리(3a)의 상단부는 브래킷(20)에 연결되어 있고, 다리(3a)는 중심축 CL1을 중심으로 하여 화살표 R1 방향으로 회전 가능하게 되어 있다. 다리(3a)와 다리(3b)는 관절부(10)에 의해 연결되어 있다. 서보 모터(3c)는 본체(2)에 내장되어 있으며, 서보 모터(3c)가 작동되면, 브래킷(20)이 중심축 CL2를 중심으로 하여 화살표 R2 방향으로 회전할 수 있다. 서보 모터(3d)가 작동되면, 다리(3a)가 중심축 CL1을 중심으로 하여 화살표 R1 방향으로 회전할 수 있다. 서보 모터(3e)가 작동되면, 다리(3b)가 다리(3a)에 대하여 중심축 CL3을 중심으로 하여 화살표 R3 방향으로 회전할 수 있다.

왼쪽 앞발(4)은 다리(4a, 4b), 브래킷(21), 관절부(11, 11a), 브레이크 기구(30), 서보 모터(4c, 4d, 4e) 등을 가지고 있다.

다리(4a)는 브래킷(21)에 연결되어 있고, 중심축 CL4를 중심으로 하여 화살표 R4 방향으로 회전할 수 있도록 되어 있다. 다리(4b)는 관절부(11)에 의해 다리(4a)에 대하여 연결되어 있다. 서보 모터(4c)는 본체(2)에 내장되어 있으며, 서보 모터(4c)가 작동되면, 브래킷(21)이 중심축 CL5를 중심으로 하여 화살표 R5 방향으로 회전한다. 서보 모터(4d)가 작동되면, 다리(4a)가 브래킷(21)에 대하여 중심축 CL4를 중심으로 하여 화살표 (R4) 방향으로 회전한다. 서보 모터(4e)가 작동되면, 다리(4b)가 중심축 CL6을 중심으로 하여 화살표 R6 방향으로 회전한다.

다음에, 오른쪽 뒷발(5)은 다리(5a, 5b), 브래킷(22), 관절부(12, 12a), 브레이크 기구(30), 서보 모터(5c, 5d, 5e)를 가지고 있다.

다리(5a)의 상단부는 브래킷(22)에 연결되어 있다. 서보 모터(5c)가 작동되면 브래킷(22)은 중심축 CL7을 중심으로 하여 화살표 R7 방향으로 회전할 수 있다. 서보 모터(5d)가 작동되면, 다리(5a)가 중심축 CL8을 중심으로 하여 화살표 R8 방향으로 회전할 수 있다. 서보 모터(5e)가 작동되면, 다리(5b)는 중심축 CL9를 중심으로 하여 화살표 R9 방향으로 회전할 수 있다.

왼쪽 뒷발(6)은 다리(6a, 6b), 브래킷(23), 관절부(13, 13a), 브레이크 기구(30), 서보 모터(6c, 6d, 6e)를 가지고 있다.

서보 모터(6c)가 작동되면, 브래킷(23)이 중심축 CL10을 중심으로 하여 화살표 R10 방향으로 회전할 수 있다. 서보 모터(6d)가 작동되면, 다리(6a)가 중심축 CL11을 중심으로 하여 화살표 R11 방향으로 회전할 수 있다. 서보 모터( 6e)가 작동되면, 다리(6b)는 중심축 CL12를 중심으로 하여 화살표 R12 방향으로 회전할 수 있다.

이와 같이, 각 오른쪽 앞발(3), 왼쪽 앞발(4), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6)은 각각 3 자유도로 구성되는 다리 부품으로 이루어지며, 복수축을 중심으로 하여 서보 모터에 의해 구동될 수 있다.

머리부(7)는 서보 모터(7a, 7b, 7c)를 가지고 있으며, 서보 모터(7a)가 작동되면, 중심축 CL20을 중심으로 하여 화살표 R20 방향으로 요동할 수 있다. 서보 모터(7b)가 작동되면, 머리부(7)는 중심축 CL21을 중심으로 하여 화살표 R21 방향으로 요동한다. 서보 모터(7c)가 작동되면, 머리부(7)는 중심축 CL22를 중심으로 하여 화살표 R22 방향으로 요동할 수 있다. 즉, 이 머리부(7)는 3 자유도로 구성되어 있다.

몸통부(8)에는 서보 모터(8a)를 가지고 있으며, 이 서보 모터(8a)가 작동되면, 중심축 CL23을 중심으로 하여 꼬리(9)가 화살표 R23 방향으로 요동한다.

또, 이 다관절 로봇(1)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 본체(2)에 3축(x, y, z)의 가속도 센서(41)를 내장하고 있으며, 임의의 자세에서의 본체(2)로의 가속도 및 각 속도를 검출할 수 있도록 되어 있다. 또, 머리부(7)에는, CCD 카메라(43)와 마이크로폰(44)이 배설되어 있다. 또한, 머리부, 각 다리 끝, 복부, 목부, 둔부(臀部), 꼬리에 접촉 센서(45)가 배설되어 있다. 각 센서에 의한 검출 출력은 도 3에 나타낸 바와 같이, 이 다관절형 로봇(1)의 제어부(100)에 배설되어 있는 CPU(중앙 처리 장치)(102)에 버스(103)를 통해 주어지도록 되어 있다.

여기에서, 도 3은 이 다관절형 로봇(1)의 제어부(100)와, 오른쪽 앞발(3), 왼쪽 앞발(4), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6), 머리부(7), 꼬리(9)의 각 관절축 구동용 각각의 서보 모터 및 위치 센서의 접속 관계예를 나타내고 있다.

제어부(100)는 메모리(101)와 CPU(중앙 처리 장치)(102)를 가지고 있으며, CPU(102)의 버스(103)는 전술한 오른쪽 앞발(3), 왼쪽 앞발(4), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6), 머리부(7), 꼬리(9)의 각 요소에 접속되어 있다.

오른쪽 앞발은 서보 모터(3c, 3d, 3e)와, 위치 센서(3P1, 3P2, 3P3)를 가지고 있다. 서보 모터(3c, 3d, 3e)는 각각 드라이버(3D)에 접속되어 있는 동시에 위치 센서(3P1, 3P2, 3P3)도 드라이버(3D)에 각각 접속되어 있다. 각 드라이버(3D)는 버스(103)에 접속되어 있다.

동일하게 하여, 왼쪽 앞발(4)의 서보 모터(4c, 4d, 4e), 위치 센서(4P1, 4P2, 4P3)는 드라이버(4D)에 접속되어 있다. 오른쪽 뒷발(5)의 서보 모터(5c, 5d, 5e)와, 위치 센서(5P1, 5P2, 5P3)는 드라이버(5D)에 각각 접속되어 있다. 왼쪽 뒷발(6)의 서보 모터(6c, 6d, 6e)와, 위치 센서(6P1, 6P2, 6P3)는 드라이버(6D)에 접속되어 있다.

머리부(7)의 서보 모터(7a, 7b, 7c)와, 위치 센서(7P1, 7P2, 7P3)는 드라이버(7D)에 접속되어 있다. 꼬리(9)의 서보 모터(9a)와 위치 센서(9P1)는 드라이버(9D)에 접속되어 있다.

오른쪽 앞발(3)의 각 위치 센서(3P1, 3P2, 3P3), 왼쪽 앞발(4)의 각 위치 센서(4P1, 4P2, 4P3), 오른쪽 뒷발(5)의 각 위치 센서(5P1, 5P2, 5P3) 및 왼쪽 뒷발(6)의 각 위치 센서(6P1, 6P2, 6P3)는 각각의 개소에서의 위치 정보를 얻는 것이며, 예를 들면 이들의 위치 센서로서는 관절 각도 검출용의 포텐시오미터(potentiometer) 등의 회전각 센서를 사용할 수 있다. 이 회전각 센서와 같은 위치 센서(3P1~6P3)에 의해 얻어지는 위치 정보가, CPU(102)에 피드백(feedback)되면, CPU(102)는 그 피드백된 위치 정보에 따라, 각 드라이버에 지령을 부여한다. 이에 따라 대응하는 드라이버는 대응하는 모터에 대하여 서보 제어를 행하고, CPU(102)로부터 주어진 지령 위치까지 서보 모터가 회전하도록 되어 있다.

도 4~도 7은, 도 1에 나타낸 다족 보행 로봇(1)을 보다 간단화하여 나타내고 있다. 몸통부(8)에는 머리부(7), 오른쪽 앞발(3), 왼쪽 앞발(4), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6)을 가지고 있다. 각 발(3~6)에 각각 관절부(10, 11, 12, 13, 30, 30, 30)가 각각 형성되어 있다.

도 4에 나타낸 다족 보행 로봇(1)의 자세는, 오른쪽 앞발(3), 왼쪽 앞발(4), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6)이 똑바로 된 기본 자세이다. 도 5는 도 4의 기본 자세로부터 왼쪽 앞발(4)의 관절부(11)와 관절부(30)에 동작을 부여한 상태를 나타내고 있다.

도 4에 나타낸 다족 보행 로봇(1)의 오른쪽 앞발(3), 왼쪽 앞발(4), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6)은 4개 모두 접지면(300)에 접지하고 있다. 도 5의 상태에서는 왼쪽 앞발(4)의 관절부(11, 30)에 대하여 동작이 부여되어 있으므로, 왼쪽 앞발(4)은 전방으로 돌출된 자세로 되어 있다.

조작자가 이와 같이 다족 보행 로봇(1)의 왼쪽 앞발(4)의 왼쪽 앞팔꿈치에 닿는 관절부(11)와, 왼쪽 앞어깨에 대응하는 관절부(30)에 대하여 각도를 결정하려고 하는 경우에는, 다음과 같이 하여 다족 로봇의 동작 패턴의 편집을 실행한다.

도 4와 도 5에 나타낸 다족 보행 로봇(1)에 대하여 이와 같은 관절부(11, 30)에 대하여 동작을 부여하는 편집 작업에서는, 도 2에 나타낸 제어부(100)의 외부 편집 지시 컴퓨터(400)의 소프트웨어 상에서, 도 5에 나타낸 다족 보행 로봇(1)의 중심(重心) W0의 위치를 계산하고, 그 중심 W0의 위치로부터 다족 보행 로봇(1)이 전도되지 않도록, 다른 오른쪽 앞발(3), 오른쪽 뒷발(6) 중 최소한 하나의 관절부 각도를 자동적으로 설정할 수 있도록 되어 있다. 이 지시는 상기 외부 편집 지시 컴퓨터(400)로부터 상기 제어부의 CPU(102)에 대하여 부여함으로써, CPU(102)는 대응하는 발의 서보 모터에 대하여 동작 지령을 부여할 수 있다.

이 경우에, 다족 보행 로봇(1)의 각부의 중량, 즉 몸통부(8)와 본체(2)의 중량, 오른쪽 앞발(3), 왼쪽 앞발(4), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6), 그리고 머리부(7)의 각각의 중량 등은, 미리 외부 편집 지시 컴퓨터(400)의 메모리(402)에 메모리 되어 있고, 이들의 중량 데이터에 따라, 도 4에 나타낸 다족 보행 로봇(1)의 중심 W0의 위치를 계산할 수 있다.

다음에, 도 8을 참조하여, 다족 보행 로봇의 동작 패턴의 편집 방법의 일예를 설명한다.

먼저, 스텝 S1에서, 상기 다족 보행 로봇(1)의 메모리(101)에는, 상기 다족 보행 로봇(1)의 각 구성 요소의 중량이나 형상 등의 정보가 미리 메모리되어 있다. 즉, 본체(2), 몸통부(8), 머리부(7), 오른쪽 앞발(3), 왼쪽 앞발(4), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6), 꼬리(9) 등 각각의 요소의 중량이나 정보가 메모리되어 있다. 그리고, 메모리(101)로부터 외부 편집 지시 컴퓨터(400)의 메모리(402)에 그 정보가 옮겨진다. 이것이 스텝 S1에서의 중량·형상 등의 정보 입수이다.

다음에, 스텝 S2에서, 상기 다족 보행 로봇(1)에 대하여 자세의 편집을 개시한다. 즉, 도 4에 나타낸 기본 자세로부터, 도 5에 나타낸 바와 같이 왼쪽 앞발(4)을 앞으로 돌출시키는 자세를 취하게 한다. 이 때, 관절부(11)와 관절부(30)에 대하여 동작을 교시하는 것이지만, 그대로이면, 다족 보행 로봇(1)은 도 6에 나타낸 바와 같이 중심이 왼쪽 앞발(4)쪽으로 이동해 버리므로, 왼쪽 전방으로 전도되어 버리게 된다.

그래서, 이와 같은 다족 보행 로봇(1)의 전도를 방지하기 위해, 도 5에 나타낸 바와 같이, 왼쪽 앞발(4)을 전방으로 절곡(切曲)하도록 관절부(11, 30)에 대하여 동작을 부여한 경우에는, 스텝 S3에서, 도 3에 나타낸 제어부(100)의 외부 편집 지시 컴퓨터(400)는, 다족 보행 로봇(1)의 중심 W0을 도 5와 같이 본체(2) 및 몸통부(8)에 관해 후방 T에 따라 새로운 중심 W1의 계산을 행하고 그 데이터를 새로운 계산 상의 중심값으로 한다. 이와 같이, 중심 W0을 새로운 중심 W1로 옮기기 위해서는, 도 7에 나타낸 바와 같이 오른쪽 앞발(3), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6)의 관절부(10, 12, 13)및 관절부(30, 30, 30)에 대하여 동작을 부여한다. 이 동작을 부여하는 것은 외부 편집 지시 컴퓨터(400)이다.

이 경우, 다족 보행 로봇(1)의 밸런스를 확실하게 취하기 위해, 각 오른쪽 앞발(3), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6)의 관절부(10, 12, 13 및 30, 30, 30)에 대하여 부여하는 동작은, 스텝 S4, S5와 같이 하는 것이 바람직하다. 즉, 다족 보행 로봇(1)의 새로운 중심 W1의 접지면(300)에 대한 투영점 IM이, 3각형상의 중심 위치 적정 범위 AR 내에 위치하고 있는 것이다. 이 적정 범위 AR은 오른쪽 앞발(3)의 접지점 CP1과, 오른쪽 뒷발(5)의 접지점 CP2 및 왼쪽 뒷발(6)의 접지점 CP3을 이어 형성되는 3각형상의 영역이다.

이 적정 범위 AR 내에 항상 중심 W1의 투영점 IM이 들어가 있음에 따라, 다족 보행 로봇(1)이 전도되지 않도록 하고, 각 오른쪽 앞발(3), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6)에서의 관절부(10, 12, 13) 및 관절부(30, 30, 30)의 동작을 부여할 수 있어, 가장 적은 동작으로 이와 같은 안정된 자세를 선택할 수 있다.

도 5와 도 7을 비교하여 명백한 바와 같이, 왼쪽 앞발(4)을 앞으로 돌출한 자세를 조작자가 다족 보행 로봇(1)에 대하여 가하면, 자동적으로 중심이 W0으로부터 W1로 변위(變位)되어, 다족 보행 로봇(1)으로서는 전체적으로 뒤쪽을 낮게 한 상태로 된다. 이와 같이 하여 스텝 S3에서의 중심 위치 계산을 행한 후, 다족 보행 로봇(1)이 스텝 S4에서 전도되는지 여부를 보아, 전도될 것 같으면, 외부 편집 지시 컴퓨터(400)가 다른 관절부의 동작(각도표) 계산이나 변경을 행하고, 재차 스텝 S3에서 중심 위치의 계산을 행한다.

스텝 S4에서 전도되지 않는 것이 명백하면, 스텝 S6으로 옮겨지고, 외부 편집 지시 컴퓨터(400)는 다족 보행 로봇(1)의 동작 패턴 편집을 종료한다. 이와 같이 편집을 종료한 경우에는, 외부 편집 지시 컴퓨터(400)는 다족 보행 로봇(1)의 CPU(102)에 대하여 동작 패턴을 정식으로 입력한다(스텝 S7).

또, 이 다족 보행 로봇(11)은 본체(2)에 내장된 3축(x, y, z)의 가속도 센서(41)에 의해 검출되는 각 축(x, y, z) 방향의 가속도 정보 AccXt, AccYt, AccZt에 따라, 상기 제어부(100)에 의해 전도 검출을 행하고 있으며, 전도 상태를 검출한 경우에는 통상의 자세 상태로의 자세 복귀를 행하도록 되어 있다.

여기에서, 상기 제어부(100)에 의한 전도 판별의 알고리즘(algorithm)을 도 9의 플로 차트에 나타내고 있다.

즉, 상기 제어부(100)는 상기 가속도 센서(41)에 의해 검출되는 각 축(x, y, z) 방향의 가속도 정보 AccXt, AccYt, AccZt에 따라, 다음과 같이 하여 전도 검출을 행한다.

먼저, 전도 판별 처리에서는, 스텝 S11에서, 데이터 버퍼의 가장 오래된 가속도 정보 AccXn, AccYn, AccZn을 파기하여, 데이터 버퍼의 데이터 시간 태그(tag)를 변경한다. 이 다족 보행 로봇(1)에서는, 데이터 버퍼의 버퍼량은 각 축(50)이다.

AccXk →AccXk + 1 (k = 0 ~ n -1)

AccYk →AccYk + 1 (k = 0 ~ n -1)

AccZk →AccZk + 1 (k = 0 ~ n -1)

다음의 스텝 S12에서는, 상기 가속도 센서(41)에 의해 측정된 각 축(x, y, z) 방향의 가속도 정보 AccXt, AccYt, AccZt를 데이터 버퍼에 격납한다. 이 데이터 갱신의 비율은 이 다족 보행 로봇(1)에서는 10ms이다.

AccXo →AccXt

AccYo →AccYt

AccZo →AccZt

다음의 스텝 S13에서는, 데이터 버퍼의 데이터로부터 각 축(x, y, z) 방향의 시간 평균 가속도 AccX, AccY, AccZ를 계산한다.

AccX = ΣAccXk/n (k = 0 ~ n)

AccY = ΣAccYk/n (k = 0 ~ n)

AccZ = ΣAccZk/n (k = 0 ~ n)

다음의 스텝 S14에서는, 평균 가속도 Acc와 Y - Z 평면과의 편각 θ, 평균 가속도 Acc의 Y - Z 평면에의 투영 성분과 Z축과 이루는 각 φ를 구한다(도 10 (A) 및 도 10 (B) 참조).

다음의 스텝 S15에서는, 평균 가속도(유클리드(Euclid) 거리) Acc가 허용 오차(△Acc) 범위 내에 있는지 여부의 판정을 행한다. 오차 범위 밖의 경우에는, 예를 들면 리프팅(lifting) 등에 의한 외부로부터 큰 힘을 받고 있다고 해서 전도 판별 처리에서 누락된다.

Acc > 1.0 + △Acc [G] 또는 Acc < 1.0 - △Acc [G]

→처리 예외

그리고, 다음의 스텝 S16에서는, 평균 가속도 Acc와 Y - Z 평면과의 편각 θ, 및 평균 가속도 Acc의 Y - Z 평면에의 투영 성분과 Z축과 이루는 각 φ와, 현재의 자세 상태에서의 템플레이트 데이터(template data)인, 평균 가속도 Acc와 Y - Z 평면과의 템플레이트 편각 θm, 및 평균 가속도 Acc의 Y - Z 평면에의 투영 성분과 Z축과 이루는 템플레이트각 φm과 비교하여, 각각의 허용 오차(△ θm, △φm) 범위 내이면 자세를 정상으로 하고, 범위 밖의 경우에는 전도 또는 이상 자세로 판정한다. 보행 시에 있어서는, θ= - π/2, φ= 임의로 된다.

θ> θm + △θm or θ< θm - △θm

φ> φm + △φm or φ< φm - △φm

여기에서, 전도라고 하는 현상은 각속도(角速度)의 샘플링 주기에 대하여 매우 저주파(低周波)의 현상이기 때문에, 전도 검출의 데이터로서 데이터 버퍼를 사용하고 있는 시간의 평균을 취함으로써 순간적인 노이즈에 의한 오(誤)변별을 경감할 수 있다. 이 방법은 데이터의 처리에 있어서, 디지털 필터 등에 의한 로패스(low-pass) 처리와 비교하여 부하(負荷)가 작다고 하는 이점이 있다.

그리고, 상기 전도 판별 처리에 의해 전도가 검출된 경우(스텝 S17)에는, 전도 복귀 스텝 S18로 옮겨지고, 다음과 같이 하여 통상의 자세로 자세 천이(遷移)를 행한다.

즉, 자세 천이 처리에서는, 먼저 전도 검출 시에 산출된 평균 가속도 Acc와 Y - Z 평면과의 편각 θ, 평균 가속도 Acc의 Y - Z 투영 성분의 Z축과 이루는 각 φ에 의해, 전도 방향의 판정을 행한다. 이 다족 보행 로봇(1)에서는, 형상에 의한 제약 조건으로부터 보행 시의 전도에서는 도 11의 (A), (B), (C), (D)에 나타낸 4 방향만 전도하도록 되어 있으며,

0 < φ < (1/4) π또는 - (1/4) π< φ < 0

에 의해, 도 12 (A)에 나타낸 전방 전도 상태(Head Side Down)에 있는지 여부를 판정하고,

에 의해, 도 12 (B)에 나타낸 우측 전도 상태(Right Side Down)에 있는지 여부를 판정하고,

- (1/4) π> φ> - (3/4) π

에 의해, 도 12 (C)에 나타낸 좌측 전도 상태(Left Side Down)에 있는지 여부를 판정하고, 또한,

에 의해, 도 12 (D)에 나타낸 후방 전도 상태(Tail Side Down)에 있는지 여부를 판정한다.

그리고, 미리 작성하여 메모리(101)에 기억시키고 있는 상기 4개의 전도 상태(Head Side Down, Right Side Down, Left Side Down, Tail Side Down)로부터의 자세 복귀를 행하기 위해, 궤도 계획 데이터를 사용한 플레이백(playback)에 의한 정상 자세로의 복귀를 행한다. 그리고, 상기 전도 복귀 동작을 실행 주에 전도 상태가 바뀌는 경우가 존재한다. 예를 들면, 전면(前面)을 아래로 하여 전도된 전방 전도 상태(Head Side Down)가, 전도 복귀를 위한 동작을 개시했을 때에, 측면 전도 상태로 상황이 변화된 경우, 이와 같은 경우에 있어서는, 현재 실행 중인 전도 복귀 동작을 신속하게 종료하고, 재차 검출 전도 복귀 동작을 실행함으로써 전도 상태로부터의 복귀 동작을 신속하게 실행할 수 있다.

여기에서, 도 13에서는, 전방 전도 상태(Head Side Down)로부터 정상 자세로의 복귀 동작의 경과를 개략적으로 나타내고 있다.

상기 전방 전도 상태로부터의 자세 복귀를 행하기 위한 궤도 계획 데이터는, 이 다관절형 로봇(1)의 각 오른쪽 앞발(3), 왼쪽 앞발(4), 오른쪽 뒷발(5), 왼쪽 뒷발(6)의 상대 위치 관계를 전술한 다이렉트 티칭 방식으로 조작자가 위치 교시를 행함으로써 생성하여 상기 메모리(101)에 기억시켜 둘 수 있다.

여기에서, 이 다관절형 로봇(1)의 설명에서는, 본체(2)에 내장된 3축(x, y, z)의 가속도 센서(41)에 의한 가속도 정보에 따라, 상기 제어부(100)에 의해 전도 판별을 행하고, 상기 4종류의 전도 상태(Head Side Down, Right Side Down, Left Side Down, Tail Side Down)로부터 정상 자세 상태로 복귀하는 복귀 동작을 행하도록 했지만, 상기 제어부(100)는 상기 본체(2)에 내장되는 각속도 센서나 각가속도(角加速度) 센서, 경사 센서 등의 검출 출력에 따라 전도 판별을 행하여, 정상 자세 상태로의 복귀 동작을 행하도록 해도 된다. 또, 상기 제어부(100)는 CCD 카메라(43)에 의해 얻어지는 화상 정보나 접촉 센서(45)에 의한 검출 출력 등에 따라 전도 판별을 행하여, 정상 자세 상태로의 복귀 동작을 행하도록 해도 된다. 또한, 상기 제어부(100)는 각종 센서에 의한 검출 출력을 복합적으로 사용하여, 전도 판별을 행하고, 정상 자세 상태로의 복귀 동작을 행하도록 할 수도 있다.

4다리형의 로봇 장치의 경우, 내부의 자세 모델과 다리 끝이나 본체의 각 부에 설치된 접촉 센서의 출력 비교에 의해 이상 자세를 검출할 수 있다.

즉, 예를 들면, 도 14에 나타낸 바와 같은 서 있는 자세에서는, 접촉 센서(45A, 45B, 45C) 중 다리 끝의 접속 센서(45A, 45B)만이 접촉 상태를 검출하지만, 도 15에 나타낸 바와 같은 앉아서 손으로 무엇인가를 하는 경우에 있어서는, 뒷다리 선단의 접촉 센서(45B)와 꼬리에 설치된 접촉 센서(45C)가 접촉 상태를 검출한다. 따라서, 로봇 장치가 실행되고 있는 자세와 그 때의 접촉 센서(45)의 이상(理想) 상태를 장치 본체 내에 기억시켜 두고, 자세 실행 중의 접촉 센서(45)의 출력을 비교함으로써 이상(異常) 상태의 검출을 행할 수 있다.

또, 화상 입력 장치를 구비하는 로봇 장치에서는, 노면(路面)을 인식하고, 그 위치와 장치가 현재 의도하는 자세와의 상관을 취함으로써, 이상 자세로서 검출할 수 있다.

즉, 상기 다관절형 로봇(1)에서는, 도 16에 나타낸 바와 같은 서 있는 자세를 정상 상태로 한 경우, CCD 카메라(43)에 의한 촬상(撮像) 출력으로서, 정상 자세 시에는, 도 17 (A)에 나타낸 바와 같이 바닥면 F가 수평 상태의 화상이 얻어지는 것에 대하여, 이상 자세 시에는, 도 17 (B)에 나타낸 바와 같은 바닥면 F의 천지(天地)가 역전된 화상이나, 도 17 (C), 도 17 (D)에 나타낸 바와 같은 바닥면 F가 경사진 화상이 얻어지므로, 상기 CCD 카메라(43)에 의한 촬상 출력으로서 얻어지는 화상의 바닥면 F의 상태를 판정함으로써, 이상 자세 상태를 검출할 수 있다.

상기 화상의 바닥면 F의 상태를 판정하는 데는, 예를 들면 도 18에 나타낸 바와 같이, 화상의 좌표계에서의 Y 방향의 에지를 검출하는 작업을 반복하여, 구해진 복수의 검출 위치 좌표로부터 선분(線分)을 구함으로써 상기 바닥면 F의 가로 방향 에지를 구하고, 동일하게 X 방향의 에지를 검출하는 작업 결과 얻어지는 검출 위치 좌표로부터 상기 바닥면 F의 세로 방향 에지를 구하고, 다시 이들을 조합함으로써 경사진 바닥면 F의 선분을 검출하면 된다.

또한, 차 바퀴에 의한 이동 기구를 사용한 타이어형 로봇 장치에서는, 사용 환경은 차 바퀴가 노면에 접촉하고 있는 상태에 한정되므로, 다음과 같이 하여 이상 자세 검출을 행할 수 있으면 된다.

즉, 예를 들면, 도 19에 나타낸 바와 같이, 비구동축에 장착된 회전 검출 장치 RD로 관측되는 회전 상태가 회전 출력 장치 RO에 요구되고 있는 회전과 상이한 것을 검출함으로써, 이상 자세의 검출을 행할 수 있다.

또는, 도 20에 나타낸 바와 같이 바닥면 검출 장치 FD를 설치함으로써, 전도 등 시에 이상 자세로서 검출할 수 있다. 상기 바닥면 검출 장치 FD로서는, 발광과 수광부를 가지는 비접촉형 센서나 마이크로스위치 등의 접촉식 센서 장치를 사용할 수 있다.

여기에서, 전도 복귀 동작을 플레이백 방식으로 행하는 경우, 로봇 장치의 형상에 의해 전도 상태로부터 복귀하는 동작이 있는 특정의 상태 천이에 한정된다. 상기 다관절형 로봇(1)과 같은 4다리형 로봇 장치의 경우, 전술한 4종류의 전도 상태(Head Side Down, Right Side Down, Left Side Down, Tail Side Down)와, 배면을 바닥에 붙인 배면 전도 상태(Back Side Down)와 복면(腹面)을 바닥에 붙인 엎드려 누운 상태(Stomach Side Down)를 포함하는 6종류의 상태가 존재하고, 전도 상태로부터 복귀는 반드시 얻드려 누운 상태(Stomach Side Down)를 경유하게 된다. 또, 배면 전도 상태(Back Side Down)의 경우에는, 도 21에 나타낸 바와 같이, 엎드려 누운 상태(Stomach Side Down)에 이르기 전에, 반드시 상기 4종류의 전도 상태(Head Side Down, Right Side Down, Left Side Down, Tail Side Down) 중 어느 하나의 전도 상태를 경유해야 한다. 이 성질을 이용함으로써, 전도가 검출된 경우, 전도의 복귀 동작을 자세하게 나누어 플레이백의 동작 데이터를 작성하고, 전도 상태의 변화에 맞춰 재생하는 방법으로, 로봇 장치를 제어하도록 하면, 예측할 수 없는 외란(外亂)에 의해 전도 상태가 변화된 경우에, 그 자리에서 전도 복귀 동작을 전환할 수 있다. 또, 이와 같이 하면, 각각의 복귀 동작을 분할하여, 복귀 동작 데이터를 작성할 수 있어, 동작 데이터의 작성이 용이하게 된다.

그리고, 이와 같은 방법을 채용하지 않는 경우, 예를 들면 배면 전도 상태(Back Side Down)로부터의 복귀 동작을 하나의 동작으로 하여, 복귀 동작 데이터를 작성하고, 재생하는 경우,

1. 외부로부터의 작업으로 정상 상태로 강제적으로 자세가 변경된 경우에 있어서도, 복귀 동작을 완료할 때까지 다음의 동작으로 천이될 수 없다.

2. 상기 복귀 동작 데이터가, 예를 들면 좌측 전도 상태(Left Side Down)를 경우하는 상태로 작성되어 있던 경우에, 외부 요인(예를 들면, 바닥면에 돌기가 있는 등)으로 그 밖의 상태(예를 들면, 우측 전도 상태(Right Side Down))로 되어 버리면, 복귀 동작에 의해 복귀할 수 없어, 불필요한 작업을 행하게 된다.

3. 이들 방법으로, 가령 전도 상태가 변화되었을 때에, 실행 중의 작업을 정지하고, 동작을 재차 다시 취한 경우, 불연속의 동작 발생에 의해, 관절부에 큰 부하가 걸려 버린다고 하는 등의 문제를 갖게 된다.

이상과 같이, 본 발명에 관한 로봇 장치에서는, 장치 본체의 자세를 인식하고, 그 인식 결과에 따라, 상기 장치 본체가 소정의 자세로 된 것을 판별하고, 상기 소정의 자세로 판별된 경우에, 상기 장치 본체의 자세를 수정함으로써, 예를 들면, 이상한 자세 상태로부터 정상의 자세 상태로 자립적으로 복귀할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면, 전도 상태 등의 이상한 자세 상태로부터 통상의 자세 상태로 자립적으로 자세 복귀할 수 있는 로봇 장치를 제공할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 관한 로봇 장치에서는, 이상한 자세 상태로부터 정상의자세 상태로 자립적으로 복귀하는 기능을 가지므로, 전도 상태 등의 이상한 자세 상태에서의 사용에 의한 로봇 장치의 고장이나 사고를 방지할 수 있고, 또 사용 환경의 파괴를 방지할 수 있고, 나아가, 자세 복귀를 위한 작업 등으로부터 사용자를 해방할 수 있다.

Claims (15)

1. 적어도 4개의 다리부를 구비한 로봇 장치에 있어서,

   장치 본체의 자세를 인식하고, 인식 결과를 출력하는 자세 인식 수단과,

   상기 자세 인식 수단의 상기 인식 결과에 따라, 상기 장치 본체가 적어도 우측 방향 전도 자세 또는 좌측 방향 전도 자세 중 어느 하나의 전도 자세로 된 것을 판별하는 전도 판별 수단과,

   상기 전도 판별 수단에 의하여 우측 방향 전도 자세 또는 좌측 방향 전도 자세로 판별된 경우에, 상기 판별 결과에 따른 전도 복귀 동작을 상기 다리부를 동작시킴으로써 행하고, 적어도 일회, 상기 전도 자세로부터 엎드려 누운 상태를 경유하여 정상 자세로 복귀시키는 제어 수단

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 자세 인식 수단은 가속도 센서이고,

   상기 전도 판별 수단은 상기 가속도 센서에 의하여 얻어진 가속도의 크기와 방향에 따라, 상기 전도 자세를 판별하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.
3. 제2항에 있어서,

   전도 자세로부터 엎드려 누운 자세 상태를 경유하여 정상 자세로 복귀시키기 위한 동작 프로그램을 기억하는 기억 수단을 구비하고,

   상기 제어 수단은 상기 프로그램에 따라 상기 정상 상태로의 복귀 동작을 행하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.
4. 적어도 4개의 다리부를 구비한 로봇 장치의 자세 제어 방법에 있어서,

   상기 로봇 장치 본체의 자세를 인식하는 자세 인식 단계와,

   상기 자세 인식 단계의 인식 결과에 따라, 상기 로봇 장치 본체가 적어도 우측 방향 전도 자세 또는 좌측 방향 전도 자세 중 어느 하나의 전도 자세로 된 것을 판별하는 전도 판별 단계와,

   상기 전도 판별 단계에서, 우측 방향 전도 자세 또는 좌측 방향 전도 자세로 판별된 경우에, 상기 판별 결과에 따른 전도 복귀 동작을 상기 다리부를 동작시킴으로써 행하고, 적어도 일회, 상기 전도 자세로부터 엎드려 누운 상태를 경유하여 정상 자세로 복귀시키는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇 장치의 자세 제어 방법.
5. 제4항에 있어서,

   가속도 센서에 의하여 장치 본체의 자세를 인식하고, 상기 가속도에 의하여 얻어진 가속도의 크기와 방향에 따라, 상기 전도 자세를 판별하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇 장치의 자세 제어 방법.
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