KR100818059B1 - 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법 - Google Patents

인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법은 인간의 팔 동작을 캡쳐한 시각 궤적을 얻는 단계; 인간의 팔 동작과 인간형 로봇의 팔 동작 간에 차이를 최소화하는 목적함수를 상기 캡쳐한 시간 궤적의 각 시간값에 대해 계산하여 최적의 관절 변위량을 구하는 단계; 및 상기 구해진 각 시간당 최적의 관절 변위량을 이용해 인간형 로봇이 전환된 동작을 수행하도록 제어하는 단계;를 포함한다.
인간형 로봇, 인간 동작 모방, 모션캡쳐시스템, 휴머노이드 동작 계획, 인간 동작 재현

Description

인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법{METHOD FOR CONTROLLING HUMAN ARM MOTION REPRODUCTION OF HUMANOID ROBOT}
도 1은 본 발명에 따른 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법의 흐름도이다.
도 2는 인간과 인간형 로봇의 팔 길이 차이를 설명하기 위한 예시도로써, 도 2a는 인간 모형도이고, 도 2b는 인간형 로봇의 모형도이다.
도 3은 인간과 인간형 로봇의 위팔의 위상 차이를 설명하기 위한 예시도로써, 도 3a는 인간 모형도이고, 도 3b는 인간형 로봇의 모형도이다.
도 4은 인간형 로봇의 특이 자세에서 발생하는 불필요 동작을 설명하기 위한 예시도로써, 도 4a는 본 발명의 목적함수에서 셋째항을 추가하기 전 특이 자세에서 발생하는 불필요 동작을 모니터링한 화면이고, 도 4b는 셋째항을 추가한 후 특이 자세에서 발생하는 불필요 동작 제거를 모니터링한 화면이다.
본 발명은 인간형 로봇의 동작을 제어하기 위한 것으로, 특히 인간형 로봇이 인간의 팔 동작과 유사하게 동작을 재현할 수 있도록 동작을 제어하는 방법에 관한 것이다.
인간형 로봇이란 인간의 지능, 행동, 상호작용 등을 모방하여 인간을 대신하거나 인간과 공동작업을 통해 각종 서비스를 제공하는 로봇을 말한다. 인간형 로봇의 개발로 인하여 특정 산업분야의 자동화 시스템을 구현하기 위하여 사용되던 로봇의 활용범위가 인간의 생활 영역까지 넓어질 수 있게 되었다.
인간과 인간형 로봇이 서로 공존하며 원활한 상호작용을 하기 위해서는 인간형 로봇의 외형뿐만 아니라 동작이 인간에게 친화적이고 예측가능하여야 한다. 만약 인간형 로봇의 동작이 서툴고 예측 불가능한 상태라면, 서로 간에 의사소통이 원활하게 이루어질 수 없고 오히려 인간에게 위협적인 요소로 작용될 수 있기 때문이다.
이 중에서도 특히 인간과 인간형 로봇 사이에 의사소통을 위해 가장 기본적으로 자연스럽게 모방되어야 할 동작은 팔 동작일 것이다. 왜냐하면, 인간은 의사소통 시 여러가지 팔 동작을 구사하여 본인이 의도하고자 하는 내용과 감정을 풍부하게 표시하기 때문이다.
종래에도 인간의 동작을 인간형 로봇에서 모방하기 위한 노력은 다음과 같은 여러 학자들에 의해 꾸준히 계속되어 왔다.
Dasgupta와 Nakamura(A. Dasgupta and Y. Nakamura. Making feasible walking of humanoid robots from human motion capture data. In International Conference on Robotics and Automation, pages 1044 ~ 1049, May 1999. Detroit, Michigan)는 인간형 로봇의 보행 행태를 얻기 위해 인간 보행에 대한 캡처 데이터 를 사용하였다. 이 방법에서는 캡쳐 데이터로부터 목표 ZMP(Zero Moment Point)의 시간 궤적을 얻기 위해 퓨리에 전개식(Fourier expansion)을 사용하였다. 이를 이용하여 목표 ZMP의 궤적에 따라 지면에 대한 발의 반력을 최적화 기법을 사용하여 구한 것이다. 하지만, 이와 같은 기법은 현실적으로 발과 팔의 자유도 차이나, 행동 경계의 차이로 인하여 팔 동작 재현에 그대로 적용되는 것이 쉽지 않다.
Zhao와 Huang 등(X. Zhao, Q. Huang, Z. Peng, and K. Li. Kinematics mapping and similarity evaluation of humanoid motion based on human motion capture. In International Conference on Intelligent Robots and Systems, volume 1, pages 840 ~ 845, September 28 ~ October 2 2004. Sendai, Japan)은 유사함수를 정의하고 이를 이용하여 캡처한 동작을 인간형 로봇에 적용하는 방법을 제한하였다. 유사함수는 인간과 인간형 로봇의 관절 변위의 차이를 최소화하는 것으로 정의되었다. 하지만, 여기서는 인간형 로봇의 자유도를 인간과 동일하다고 가정하여 현실성이 떨어진다는 문제점이 있었다.
위와 같은 논문들은 인간의 동작을 인간형 로봇으로 전환하기 위한 여러가지 아이디어를 제공하고 있기는 하지만, 인간의 동작을 인간형 로봇에 적용시키는데 있어서, 양자 간의 차이점을 정확하게 반영하지 못한 채 단순히 모방하는 기술만을 설명하고 있어, 실제 인간의 팔 동작을 인간형 로봇이 자연스럽게 재현해내는 것은 쉽지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 인간의 동작처럼 부드럽고 유연한 동작을 인간형 로봇에서 재현할 수 있도록 하는 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 인간형 로봇의 크기 및 팔의 자유도(4자유도 이상)에 관계없이 섬세한 인간의 팔 동작을 재현할 수 있도록 하는 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법을 제공하는데 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법은 인간의 팔 동작을 캡쳐한 시각 궤적을 얻는 단계; 인간의 팔 동작과 인간형 로봇의 팔 동작 간에 차이를 최소화하는 목적함수를 상기 캡쳐한 시간 궤적의 각 시간값에 대해 계산하여 최적의 관절 변위량을 구하는 단계; 및 상기 구해진 각 시간당 최적의 관절 변위량을 이용해 인간형 로봇이 전환된 동작을 수행하도록 제어하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 인간형 로봇의 인간 팔 동작 제현을 제어하는 방법은 상기 인간의 팔 길이와 상기 인간형 로봇의 팔 길이의 차를 고려하여 상기 인간과 인간형 로봇의 팔 작업공간의 경계를 동일하게 하는 단계;를 더 포함한다.
여기서, 상기 최적의 관절 변위량은, 상기 인간형 로봇의 팔 관절의 최소 변위 변화량 내지 최대 변위 변화량 사이 범위와 상기 인간형 로봇의 팔 관절의 최소 변위속도 변화량 및 최대 변위속도 변화량 사이 범위에 해당하며, 상기 목적함수를 최소화시키는 값이다.
여기서, 상기 인간형 로봇이 전환된 동작을 수행하도록 제어하는 단계는, 상 기 최적의 관절 변위량을 이용한 관절 궤도를 상기 캡쳐한 시간 궤적 시간 범위에 대해 곡선화를 수행하는 과정과, 상기 곡선화된 관절 궤적을 이용하여 각 관절의 변위와 속도 궤적을 결정하는 과정과, 상기 결정된 각 관절의 변위와 속도 궤적을 동작 제어기의 목표궤적으로 사용하여 인간형 로봇이 전환된 동작을 수행하도록 제어하는 과정을 포함한다.
여기서, 상기 목적함수는, 상기 인간 팔동작 캡쳐 시 인간의 손에 부착된 복수개의 마커들과 상기 복수개의 마커들에 대응하는 인간형 로봇의 가상 점들간에 위치차를 최소화하는 첫째항과, 상기 인간의 위팔과 상기 인간형 로봇의 위팔간에 위상차를 최소화하는 둘째항과, 상기 인간의 팔과 상기 인간형 로봇의 팔의 관절값 변화량을 최소화하는 셋째항의 합으로 구성된다.
이하, 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법의 흐름도이다.
우선, 인간형 로봇에서 재현되고자 하는 인간의 팔 동작을 캡쳐한 시간 궤적이 획득된다(S10). 인간의 팔 동작은 일반적으로 모션캡쳐시스템을 이용하여 시간 궤적을 얻을 수 있다. 모션캡쳐시스템은 시간 궤적을 얻고자 하는 인체에 복수개의 마커를 부착하고 각 마커의 움직임을 모니터링하여 동작에 따른 시간 궤적을 얻어내는 장치이다.
다음으로, 인간과 인간형 로봇간의 팔의 작업공간 경계가 일치하도록 조절한 다(S20). 인간과 인간형 로봇간에는 팔 길이차이로 인하여 팔이 도달할 수 있는 작업공간이 서로 다르기 때문에, 상술한 바와 같이 모션캡쳐시스템을 이용하여 인간의 팔 동작을 캡쳐한 시간 궤적 데이터를 바로 인간형 로봇에게 적용한다면 유사한 동작을 재현해낼 수 없다. 이에 대하여 도 2를 참조하면서 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 인간과 인간형 로봇의 팔 길이 차이를 설명하기 위한 예시도로써, 도 2a는 인간 모형도이고, 도 2b는 인간형 로봇의 모형도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 인간과 인간형 로봇 간에는 팔 길이의 차이를 보인다. 따라서, 두 개체간에 팔 길이 비율을 이용하여 두 개체의 작업 공간의 바깥쪽 경계범위를 비슷하게 조절할 필요가 있다.
즉, 인간형 로봇의 팔 길이와 인간의 팔 길이의 비
Figure 112006072908859-pat00001
를 이용하여 로봇의 팔 길이를 인간의 팔 길이와 동일하게 조절한다. 여기서, Lhuman과 Lrobot은 각각 인간과 로봇의 팔 길이이다. 그러므로, 위 비율을 이용하여 인간형 로봇의 위팔과 아래팔의 길이는
Figure 112006072908859-pat00002
과
Figure 112006072908859-pat00003
로 조절된다. 이로 인해 인간형 로봇 팔의 작업 공간의 경계는 인간 팔의 작업 공간의 경계와 유사하게 조절될 수 있다.
하지만, 팔 길이가 조절된 후에도 인간형 로봇은 인간에 비해 적은 자유도를 갖고 아래팔과 위팔의 길이 비율도 차이를 갖기 때문에 인간의 작업공간과 정확하 게 일치하지는 않는다. 이를 해결하기 위하여 일반적인 역기구학을 이용하여 인간의 손의 방향과 위치 궤적을 이용하여 로봇에 맞는 동작으로 바꿀 수도 있다. 하지만, 이 방법에 의한 인간 팔 동작의 모방은 두 개체의 동작에 있어 상당한 차이를 만들어 낼 수 있다. 특히, 위팔과 아래팔의 길이 차이와 자유도 차이에 따라 작업공간 내에 팔꿈치나 손이 도달할 수 있는 위치와 자세 등이 달라질 수 있다.
팔의 작업 공간 경계를 일치시킨 후에도 발생하는 이러한 문제점을 해결할 수 있도록 본 발명에서는 목적함수를 도입하여 최적화된 동작형태로 전환하는 방법을 아래와 같이 제안하고 있다.
다음으로, 목적함수를 캡쳐된 시간 궤적의 각 시간값에 대해 계산하여 최적의 관절 변위량을 획득한다(S30).
전체 동작 시간 중에 i번째 시간에서의 관절값은 다음과 같은 수학식 1로 정리될 수 있다.
Figure 112006072908859-pat00004
for j=1~N
여기서,
Figure 112006072908859-pat00005
은 전체 동작 시간 중 i번째 시간에서의 j번째 관절 값을 의미한다.
Figure 112006072908859-pat00006
는 j번째 관절의 i-1번째 시간과 i번째 시간 사이의 관절 값 변화량이다. N은 인간형 로봇 팔의 관절 수이다.
Figure 112006072908859-pat00007
은 이전 시간, 즉, i-1번째 시간 에 푼 최적해로써 i번째 시간에서는 알고 있는 값이다. 따라서,
Figure 112006072908859-pat00008
을 알기 위해서는
Figure 112006072908859-pat00009
를 계산하여야 한다. 그러므로, 최적의 관절 변위량
Figure 112006072908859-pat00010
를 최적화 문제의 변수로 사용한다.
i번째 시간, 즉 t=ti에서 최소화하려는 목적함수는 다음 수학식 2와 같이 정의된다.
Figure 112006072908859-pat00011
여기서, 첫째항은 인간의 손과 인간형 로봇의 손 위치 사이에 오차를 최소화하기 위한 항이고, 둘째항은 인간의 위팔과 인간형 로봇의 위팔간의 위상 차이를 최소화하기 위한 항이며, 셋째항은 상기 인간의 팔과 상기 인간형 로봇의 팔의 관절값 변화량을 최소화항이다. 상기 각 항들에서 정의하는 동작들간의 차이를 조화시키기 위하여 각 항들에는 각 항들에는 적절한 소정의 가중치 W, W10 및 W11 가 부가된다. i번째 시간에서 관절각 변화량 벡터는
Figure 112006072908859-pat00012
로 표시된다.
첫째항은 상기 인간의 손과 인간형 로봇의 손 위치 사이에 오차를 고려하기 위해서, 상기 인간의 손에 부착되는 마커들과 인간형 로봇의 가상 점들 간에 위치 차이를 최소화하는 항으로 구성된다.
여기서,
Figure 112006072908859-pat00013
, 로
Figure 112006072908859-pat00014
및
Figure 112006072908859-pat00015
는 각각 인간의 팔목, 엄지, 약지에 위치한 마커에서 측정된 궤적이고,
Figure 112006072908859-pat00016
,
Figure 112006072908859-pat00017
및
Figure 112006072908859-pat00018
는 인간형 로봇의 팔목, 엄지, 약지에 정의된 점의 궤적이다. 이때 정의된 각 점들은 관절값으로 표현되고, 이러한 관절값은 다시 관절 변위량
Figure 112006072908859-pat00019
에 의해 얻어진다.
상기 첫째항을 최소화하는 경우 인간의 손 위치와 인간형 로봇의 손 위치차가 최소화되어 손동작을 유사하게 재현해낼 수 있다. 하지만, 이 경우에 있어서도 인간의 위팔과 인간형 로봇의 위팔간의 위상차에 의하여 팔꿈치 동작이 서로 달라질 가능성이 존재한다. 따라서, 이를 보완하기 위하여 둘째항이 추가되었다.
둘째항은 인간의 위팔과 인간형 로봇의 위팔간의 위상 차이를 최소화하는 항이다. 도 3은 인간과 인간형 로봇의 위팔의 위상 차이를 설명하기 위한 예시도로써, 도 3a는 인간 모형도이고, 도 3b는 인간형 로봇의 모형도이다.
도 3을 참조하면, 인간의 위팔과 인간형 로봇의 위팔 간에는 백터 Sclbow 로 표시되는 위상차가 존재한다. Sclbow 는 도시된 바와 같이
Figure 112006072908859-pat00020
의 끝 점과 그 점 의
Figure 112006072908859-pat00021
으로의 수직 투영점을 연결하는 벡터로써, 이 벡터 크기의 제곱은 다음과 같이 관절 변위의 변화량
Figure 112006072908859-pat00022
에 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure 112006072908859-pat00023
여기서,
Figure 112006072908859-pat00024
,
Figure 112006072908859-pat00025
이며,
Figure 112006072908859-pat00026
과
Figure 112006072908859-pat00027
는 시간 ti 에서 캡쳐된 인간의 팔꿈치와 어깨의 위치벡터이고,
Figure 112006072908859-pat00028
과
Figure 112006072908859-pat00029
는 시간 ti 에서 계산된 인간형 로봇의 팔꿈치와 어깨의 위치벡터이다.
이와 같은 둘째항의 값을 최소화시킴으로써 인간의 위팔과 인간형 로봇의 위팔의 위상이 일치되도록 하여 팔꿈치 동작을 서로 일치시킬 수 있다.
일반적인 동작에 있어서는 위와 같은 항들로 인하여 동작이 적절하게 전환되었지만, 소수의 특이 자세에서 여전히 동작의 차이가 발생하였다. 예를 들면, 팔이 아래를 향하고 있는 자세에 있어서, 인간형 로봇의 위팔이 아래팔과 서로 반대방향으로 회전하게 되더라도 인간형 로봇의 손의 위치와 위상이 인간의 것과 일치하기 때문에, 특정 자세에 있어서 필요없이 팔이 360도 더 회전하는 등의 현상이 발생될 수 있는 것이다. 따라서, 이를 해결하기 위하여 셋째항이 추가되었다.
셋째항은 특이 자세에서 불필요한 동작을 막기 위하여 가장 최소의 관절각의 변위를 사용하도록 제어하는 항이다.
셋째항 중 i번째 시간에서 관절각 변화량은 상술한 바와 같이
Figure 112006072908859-pat00030
로 표시된다.
도 4은 인간형 로봇의 특이 자세에서 발생하는 불필요 동작을 설명하기 위한 예시도로써, 도 4a는 본 발명의 목적함수에서 셋째항을 추가하기 전 특이 자세에서 발생하는 불필요 동작을 모니터링한 화면이고, 도 4b는 셋째항을 추가한 후 특이 자세에서 발생하는 불필요 동작 제거를 모니터링한 화면이다 . 도면을 참고하면, 도 4a에 점선으로 표시된 부분처럼 셋째항을 추가하기 전에는 동작중에 필요없는 위상값이 존재하였으나, 셋째항을 추가한 후에는 이러한 위상값이 사라져 최소의 관절각 변화로 동일한 동작을 수행할 수 있게 되었다.
위와 같은 항들로 목적함수를 구성함으로써, 손의 위치와 위팔의 위상 차이를 최소화하면서 최소의 관절변위를 이용하여 인간의 팔 동작을 모방할 수 있게 된다.
하지만, 인간형 로봇은 자유도가 제한적이기 때문에, 로봇에 의한 인간 팔동작의 모방은 인간형 로봇의 팔 관절의 최소 변위 변화량 내지 최대 변위 변화량 사이 범위와 최소 변위속도 변화량 및 최대 변위속도 변화량 사이 범위 내에 이루어져야 한다는 제약을 받는다.
관절의 구동 한계각은 아래와 같이 수학식 4로 정해진다.
Figure 112006072908859-pat00031
여기서,
Figure 112006072908859-pat00032
와
Figure 112006072908859-pat00033
는 팔 관절의 최소 구동각과 최대 구동각이다. 이 수학식 4를 수학식 1에 대입하면 다음과 같이 최소 변위 변화량과 최대 변위 변화량을 나타내는 수학식 5를 얻을 수 있다.
Figure 112006072908859-pat00034
아래 수학식 6은 각 관절의 각속도의 한계값을 나타낸 것이다. 여기서,
Figure 112006072908859-pat00035
이고
Figure 112006072908859-pat00036
이다.
Figure 112006072908859-pat00037
여기서,
Figure 112006072908859-pat00038
과
Figure 112006072908859-pat00039
는 각 관절의 변위 속도의 최대값과 최소값이다.
ti 에서 관절의 속도는 Backward Difference Method(BDM)을 사용하면,
Figure 112006072908859-pat00040
으로 표현할 수 있다. 이 식을 수학식 6에 대입하면, 다음과 같은 최소 관절 변위속도와 최대 관절 변위속도를 나타내는 수학식 7이 얻어진다.
Figure 112006072908859-pat00041
여기서,
Figure 112006072908859-pat00042
이고,
Figure 112006072908859-pat00043
이다.
Figure 112006072908859-pat00044
는 인간 동작의 시간 간격이다.
상기 수학식 5 및 7에 의해 시간 ti 에서의 목적함수의 최적의 관절 변위량은 제한된다.
따라서, 매 시간 인간의 팔 동작은 상기 수학식 5 및 7의 관절 변위량을 만족하면서, 수학식 2의 목적함수를 최소화하는 최적 관절 변화량을 구함으로써 실현된다. 이러한 최적화 문제는 Quadratic Programming Problem으로 Sequential Quadratic Programming(SQP)와 같이 잘 알려진 알고리즘을 이용하여 풀 수 있다.
다음으로, 목적함수를 계산하여 각 시간별로 얻어진 최적의 관절 변위량을 3차 스플라인(cubic spline)을 이용한 보간법을 이용하여 관절 궤도의 곡선화를 수행한다(S40). 이때에는 캡쳐받은 시간 궤적의 범위에 대해 곡선화를 수행하여 관절의 궤적을 형성하는 것이다.
다음으로, 각 시간에서 관절 위치와 속도 궤적을 결정한다(S50). 관절 위치와 속도 궤적은 곡선화된 관절 궤적과 1차 미분한 궤적을 이용하여 얻어낼 수 있다.
마지막으로, 인간형 로봇이 전환된 동작을 수행하도록 제어한다(S60). 이때에는 결정된 각 관절의 변위와 속도 궤적을 비례-적분-미분(Proportional-Integral-Derivative)와 같은 동작 제어기의 목표궤적으로 사용하여 인간형 로봇이 전환된 동작을 수행하도록 제어하는 것이다.
이상의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위는 실시예들에 한정되지 아니하며, 첨부된 청구 범위에 의거하여 정의되는 본 발명의 범주 내에서 당업자들에 의하여 변형 또는 수정될 수 있다.
위와 같이 본 발명의 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법에 따르면, 인간의 팔 동작을 인간형 로봇이 재현 가능한 동작으로 전환시켜, 인간의 동작처럼 부드럽고 유연한 동작을 인간형 로봇에서 재현할 수 있다.
특히, 인간형 로봇의 팔 관절의 변위 변화량과 변위속도 변화량을 고려하여 최적화된 동작을 얻어냄으로써, 인간형 로봇의 크기 및 팔의 자유도(4자유도 이상)에 관계없이 섬세한 인간의 팔 동작을 재현할 수 있다.

Claims (10)

  1. 인간의 팔 동작을 캡쳐한 시각 궤적을 얻는 단계;
    인간의 팔 동작과 인간형 로봇의 팔 동작 간에 차이를 최소화하는 목적함수를 상기 캡쳐한 시간 궤적의 각 시간값에 대해 계산하여 최적의 관절 변위량을 구하는 단계와, 여기서 상기 목적함수는 상기 인간 팔동작 캡쳐 시 인간의 손에 부착된 복수개의 마커들과 상기 복수개의 마커들에 대응하는 인간형 로봇의 가상 점들간에 위치차를 최소화하는 첫째항과, 상기 인간의 위팔과 상기 인간형 로봇의 위팔간에 위상차를 최소화하는 둘째항과, 상기 인간의 팔과 상기 인간형 로봇의 팔의 관절값 변화량을 최소화하는 셋째항의 합으로 이루어지고;
    상기 구해진 각 시간당 최적의 관절 변위량을 이용해 인간형 로봇이 전환된 동작을 수행하도록 제어하는 단계;를 포함하는 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인간의 팔 길이와 상기 인간형 로봇의 팔 길이의 차를 고려하여 상기 인간과 인간형 로봇의 팔 작업공간의 경계를 동일하게 하는 단계;를 더 포함하는 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법.
  3. 제 1 또는 제 2 항에 있어서, 상기 최적의 관절 변위량은,
    상기 인간형 로봇의 팔 관절의 최소 변위 변화량 내지 최대 변위 변화량 사이 범위와 상기 인간형 로봇의 팔 관절의 최소 변위속도 변화량 및 최대 변위속도 변화량 사이 범위에 해당하며, 상기 목적함수를 최소화시키는 값인 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 인간형 로봇이 전환된 동작을 수행하도록 제어하는 단계는,
    상기 최적의 관절 변위량을 이용한 관절 궤도를 상기 캡쳐한 시간 궤적 시간 범위에 대해 곡선화를 수행하는 과정과,
    상기 곡선화된 관절 궤적을 이용하여 각 관절의 변위와 속도 궤적을 결정하는 과정과,
    상기 결정된 각 관절의 변위와 속도 궤적을 동작 제어기의 목표궤적으로 사용하여 인간형 로봇이 전환된 동작을 수행하도록 제어하는 과정을 포함하는 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 곡선화를 수행하는 과정에서는,
    각 시간별로 얻어진 최적의 관절 변위량을 3차 스플라인(cubic spline)을 이용한 보간법을 이용하여 수행하는 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 인간의 손에 부착된 복수개의 마커들은 팔목, 엄지, 약지에 위치하는 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 첫째항은,
    수학식 8의 행행렬(
    Figure 712008000515986-pat00045
    )과 상기 행행렬을 변환한 열행렬(
    Figure 712008000515986-pat00046
    )에 팔동작을 위한 가중치(W)를 곱하여 계산하는 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법.
    (수학식 8)
    Figure 712008000515986-pat00047
    여기서,
    Figure 712008000515986-pat00048
    및
    Figure 712008000515986-pat00049
    는 인간의 팔목, 엄지, 약지에 위치한 마커에서 측정된 궤적이고,
    Figure 712008000515986-pat00050
    ,
    Figure 712008000515986-pat00051
    및
    Figure 712008000515986-pat00052
    는 인간형 로봇의 팔목, 엄지, 약지에 정의된 점의 궤적이다.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 둘째항은,
    상기 인간의 위팔과 상기 인간형 로봇의 위팔과의 방향 벡터 차이를 나타내는 벡터 Selbow 의 크기의 제곱에 소정의 가중치(W10)를 곱하여 계산하는 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 인간의 팔과 상기 인간형 로봇의 팔의 관절값 변화량은,
    각 관절에서 i-1번째 시간과 i번째 시간 사이에 관절 값 변화량을 나타낸 행렬의 크기의 제곱에 소정의 가중치 (W11)를 곱하여 계산하는 인간형 로봇의 인간 팔 동작 재현을 제어하는 방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110047842A (ko) * 2009-10-30 2011-05-09 삼성전자주식회사 로봇 및 그 제어방법
CN102298649A (zh) * 2011-10-09 2011-12-28 南京大学 一种人体动作数据的空间轨迹检索方法
KR101760883B1 (ko) * 2010-09-09 2017-08-04 삼성전자주식회사 로봇 및 그 제어방법

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ales Ude et al., Programming full-body movements for humanoid robots by observation, Robotics and Autonomous Systems, Vol. 47, No. 2-3, June 2004, pp 93-108*
강진구, 이관형, 가격 함수 및 비젼 정보를 이용한 이동매니퓰레이터의 작업 수행, 한국컴퓨터정보학회논문지, 2005, 10(6,38), pp.345-354

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110047842A (ko) * 2009-10-30 2011-05-09 삼성전자주식회사 로봇 및 그 제어방법
KR101691940B1 (ko) * 2009-10-30 2017-01-02 삼성전자주식회사 로봇 및 그 제어방법
KR101760883B1 (ko) * 2010-09-09 2017-08-04 삼성전자주식회사 로봇 및 그 제어방법
CN102298649A (zh) * 2011-10-09 2011-12-28 南京大学 一种人体动作数据的空间轨迹检索方法

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