KR101428328B1

KR101428328B1 - 로봇의 보행제어방법 및 시스템

Info

Publication number: KR101428328B1
Application number: KR1020120154476A
Authority: KR
Inventors: 이석원; 양우성
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-08-08
Also published as: CN103895020B; KR20140085702A; US20140184128A1; US8994312B2; CN103895020A; US20140188280A1; DE102013218853B4; DE102013218853A1; JP2014128870A; JP6587785B2

Abstract

로봇이 보행상태인지 판단하고 보행방향을 판단하는 판단단계; 로봇의 발바닥의 구름시간을 측정하는 측정단계; 상기 측정된 구름시간을 주기로 하는 삼각함수를 통하여 발바닥에 작용하는 가상반력을 도출하는 도출단계; 및 도출된 가상반력을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 환산단계;를 포함하는 로봇의 보행제어방법 및 시스템이 소개된다.

Description

로봇의 보행제어방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING WALKING OF ROBOT}

본 발명은 착용식 보행 로봇의 착용자 보행 속도 판별 및 보행 의도 기반의 로봇의 보행제어방법 및 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 착용식 보행 로봇의 부하 저감을 위한 보행 제어 알고리즘에 관한 것이다. 착용자가 로봇을 착용하고 보행할 때, 착용자의 보행 의도를 제대로 반영하지 않으면 착용자는 로봇에 의한 부하를 느끼게 되고 보행에 불안정적인 요소로 반영된다.

이에 따라, 착용자의 보행하고자 하는 속도를 판별하여 그 의도에 해당하는 가상 반력 힘을 스윙하는 발에 제공함으로써 로봇에 의한 부하를 저감 시키고자 하는 제어 알고리즘이다.

기존의 착용식 로봇에서 착용자의 보행 의도를 판별하기 위해 힘/토크 센서를 사용한 사례가 많다. 힘/토크 센서를 통한 보행 의도 판별은 보행 중에 발생하는 센서의 채터링 현상과 노이즈에 따른 해결 대책이 필요하며, 센서 자체가 고가 이고, 증폭회로 및 신호처리 보드가 추가적으로 필요하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 센서를 최소화하여 저가의 발바닥의 On/Off스위치만을 이용하여 보행 의도를 파악하여 제어하도록 하는 것이다.

종래의 KR10-1179159 B1 "착용형 로봇의 발 센서 장치 및 이를 이용한 착용자의 보행 의도 파악 방법"은 "착용형 로봇의 발 부재의 상면 중 착용자의 발의 발가락이 위치하는 영역에 설치되는 제1 센서, 상기 발 부재의 상면 중 상기 착용자의 발의 볼이 위치하는 영역에 설치되는 제2 센서, 상기 발 부재의 상면 중 상기 착용자의 발의 뒤꿈치가 위치하는 영역에 설치되는 제3 센서, 그리고 상기 제1 내지 제3 센서의 신호를 기초로 상기 착용자의 보행 의도를 판단하는 컨트롤러를 포함하며, 상기 제1 내지 제3 센서는 하중이 가해지는 경우 온(on) 되고 하중이 가해지지 않는 경우 오프(off) 되도록 구성되고, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 내지 제3 센서가 모두 오프 된 경우 착용자의 발이 허공에 위치하는 상태인 것으로 판단하고, 상기 제1 센서가 온 되고 상기 제2 센서와 상기 제3 센서는 오프 된 경우 발바닥 굽힘(plantar-flexion) 상태인 것으로 판단하며, 상기 제1 센서와 상기 제2 센서는 오프 되고 상기 제3 센서는 온 된 경우 뒤꿈치 닿음(heel strike) 상태인 것으로 판단하고, 상기 제1 내지 제3 센서가 모두 온 된 경우 상기 착용자가 발바닥 전체를 상기 발 부재에 부착한 상태로 서 있는 상태인 것으로 판단하는 착용형 로봇의 발 센서 장치."를 제시한다.

그러나 이러한 제어에 의하더라도 착용자의 보행에 따른 의도를 정확하게 반영하여 능동적으로 가변하여 제어할 수는 없었고, 센서의 개수를 최소화하여 제조원가를 낮추는 방안도 제시되지 않았던 문제가 있었다.

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.

KR

10-1179159

B1

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 착용식 보행 로봇의 착용자 보행 속도 판별 및 보행 의도 기반의 로봇의 보행제어방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇의 보행제어방법은, 로봇이 보행상태인지 판단하고 보행방향을 판단하는 판단단계; 로봇의 발바닥의 구름시간을 측정하는 측정단계; 상기 측정된 구름시간을 주기로 하는 삼각함수를 통하여 발바닥에 작용하는 가상반력을 도출하는 도출단계; 및 도출된 가상반력을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 환산단계;를 포함한다.

상기 환산단계는, 로봇의 발바닥이 지면에서 떨어지는지 체크하는 체크단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 체크단계는, 로봇의 발바닥이 지면에서 떨어지는 순간 해당 발바닥이 속하는 하지 관절들에 구동토크를 인가하는 인가단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 판단단계와 측정단계는 로봇 발바닥의 지면접촉센서를 통하여 보행여부 및 보행방향을 판단하고 구름시간을 측정할 수 있다.

상기 도출단계는 미리 마련된 크기값을 삼각함수에 곱하여 가상반력을 도출할 수 있다.

상기 도출단계는 로봇의 보행방향에 따라 가상반력의 X축 성분의 부호를 변경할 수 있다.

한편, 본 발명의 로봇의 보행제어시스템은, 로봇 발바닥에 마련된 지면접촉센서; 상기 지면접촉센서를 통해 로봇의 보행상태와 보행방향 및 발바닥의 구름시간을 측정하고, 측정된 구름시간을 주기로 하는 삼각함수를 통하여 발바닥에 작용하는 가상반력을 도출하며 도출된 가상반력을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 제어부;를 포함한다.

상기 지면접촉센서는 로봇 발바닥에 이격되어 마련된 복수의 테이프센서일 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 로봇의 보행제어방법 및 시스템에 따르면, 발모듈의 On/Off스위치를 이용한 가상반력 힘 기반의 부하 저감 제어 알고리즘을 제공하여 고가의 F/T센서를 배제하고 저가의 센서를 사용함으로써, 원가를 절감하여 보행의도를 정확하게 추출하여 제어할 수 있다.

또한, On/Off 스위치의 디지털 흐름을 통한 보행 속도 추출방식은, 기존의 F/T센서의 채터링 및 노이즈 등으로 발생되는 불안정한 의도 추출 방식을 제거할 수 있어서 착용자에게 안정된 착용감을 제공해준다.

그리고, 가상 힘을 기반으로 하기 때문에 실제로 센서로 측정해서 사용할 때 필요한 부가적인 회로/보드 및 신호 처리 알고리즘을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 지면접촉센서를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어시스템의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 순서도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 삼각함수를 나타낸 그래프.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 로봇의 보행제어방법 및 시스템에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 지면접촉센서를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어시스템의 구성도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 순서도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 삼각함수를 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 순서도로서, 본 발명의 로봇의 보행제어방법은, 로봇이 보행상태인지 판단하고 보행방향을 판단하는 판단단계(S100); 로봇의 발바닥의 구름시간을 측정하는 측정단계(S200); 상기 측정된 구름시간을 주기로 하는 삼각함수를 통하여 발바닥에 작용하는 가상반력을 도출하는 도출단계(S300); 및 도출된 가상반력을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 환산단계(S400);를 포함한다.

본 발명의 로봇은 대표적인 예로 착용식 로봇을 들 수 있다. 착용식 로봇은 사람이 착용을 한 상태에서 보행을 수행할 경우 이질감이 느껴지지 않도록 의도를 잘 반영하여 움직여줘야 한다.

이는 특히 보행시 스윙을 위해 발을 지면에서 떼는 경우 적절한 반력을 제공함으로서 사람이 쉽게 발을 들어올릴 수 있도록 해야 하며, 걸음이 빠를수록 빨리 대응하여 로봇이 힘을 주어야 한다. 즉, 사람이 로봇을 착용한 상태에서 로봇이 적절하게 스스로 발을 들어올리지 않을 경우 오히려 사람의 힘으로 로봇의 다리를 들어올려야 하는 상황이 발생되어 조작에 이질감이 심하게 느껴지는 것이다.

종래의 경우 이러한 착용자의 보행의도를 파악하기 위하여 힘-토크센서를 사용하였는바, 이러한 센서의 경우 반응을 정확하게 체크하기 어렵고 고가인 문제가 있었다.

따라서, 본 발명에서는 착용자의 보행속도를 기준으로 보행시 적절하게 스윙하는 다리에 반력을 제공하는 것이다. 이를 위해 먼저 로봇이 보행상태인지 판단하고 보행방향을 판단하는 판단단계(S100)를 수행한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 지면접촉센서를 나타낸 도면으로서, 상기 판단단계(S100)와 측정단계(S200)는 로봇 발바닥의 지면접촉센서를 통하여 보행여부 및 보행방향을 판단하고 구름시간을 측정하도록 한다.

즉, 로봇 발바닥(100)에는 지면접촉센서(110)가 마련되는데, 그 지면접촉센서(110)는 로봇 발바닥(100)에 이격되어 마련된 복수의 테이프센서로 구성된다.

따라서 온/오프식의 스위치가 구비된 테이프센서는 예를 들어 1번부터 6번으로 구성되고, 1번에서 6번까지 순차적으로 온상태가 감지될 경우 보행을 전진으로 수행하고 있다는 것이고, 6번에서 1번으로 순차적으로 인식될 경우 후진을 하고 있다는 것을 나타낸다. 그리고 복수의 센서가 동시에 꾸준히 감지되고 있을 경우에는 보행이 아닌 지지를 하고 있는 상황으로 판단할 수 있는 것이다.

따라서, 이러한 테이프센서로 구성된 지면접촉센서(110)를 통하여 로봇이 현재 보행상황인지 판단하고, 그 보행의 방향도 판단하며, 보행중에 있어 어느 다리가 지지하고 있는 다리이며 어느 다리가 스윙하는 다리인지도 알 수 있게 된다.

그리고 그 테이프센서의 감지속도를 통하여 발바닥이 지면을 구르는 속도를 알 수 있고, 이는 바로 보행속도를 알 수 있는 정확한 척도로서 참조할 수 있는 것이다. 이는 발바닥이 지면을 구르는 동안인 1번부터 6번까지의 센서가 순차적으로 인식되는 시간인 dt가 발바닥을 구르는 시간으로 측정되는 것이고, 그 시간이 삼각함수의 주기로서 입력된다.

따라서, 로봇은 발바닥에 구비된 지면접촉센서(110)를 통하여 로봇이 보행상태인지 판단하고 보행방향을 판단하는 판단단계(S100)를 수행하고, 로봇 발바닥의 지면접촉센서를 통하여 보행여부 및 보행방향을 판단하고 구름속도를 측정하는 것이다.

그 후 로봇의 발바닥의 구름시간을 측정하는 측정단계(S200)를 수행하고, 상기 측정된 구름시간을 주기로 하는 삼각함수를 통하여 발바닥에 작용하는 가상반력을 도출하는 도출단계(S300)를 수행한다.

이는 아래의 식으로 나타낼 수 있게 된다.

즉, 로봇의 보행 중 스윙이 시작되는 다리 즉, 지면에서 발을 떼는 순간 그 다리에는 상기와 같은 가상의 반력이 발바닥을 지탱하며 상방으로 밀어올리는 방향으로 작용하도록 제어하는 것이다.

이러한 반력이 주어질 경우 착용자는 보행을 위해 로봇의 다리를 들어올리는 힘을 거의 소모하지 않기 때문에 마치 평상시 일반적으로 걷는 것과 같이 느껴지는 것이다.

그리고 상기 가상반력 F_impulse는 비례상수 k와 삼각함수의 크기를 나타내는 F_mag이 곱해지고 이에 삼각함수의 원형인 f(t)가 함께 반영되어 최종적으로 생성된다.

그 삼각함수인 f(t)의 경우 아래와 같이 다양한 형태로 표현될 수 있다.

상기와 같이 표현되는 삼각함수들 중에서 가장 적절한 형태를 선택하여 로봇으ㅢ 제어기에 미리 입력할 수 있고, 이때 그 삼각함수의 주기는 바로 로봇 발바닥의 구름 시간을 주기로 하여 입력하게 할 경우 보행속도에 맞게 적절한 반력이 생성되도록 하는 것이다.

즉, 보행속도가 빠를 경우에는 발바닥이 구르는 시간이 짧을 것인바, 이를 주기로 하는 삼각함수의 경우 최대값에서 0으로 수렴하는 주기가 짧아진다. 그리고 보행속도가 느린 경우에는 그만큼 발바닥이 지면을 구르는 시간이 길어지는바, 이를 주기로 하는 삼각함수의 경우 최대값에서 천천히 0으로 수렴한다.

따라서, 보행이 빠를 경우에는 반력을 제공한 후 빨리 제거하고 보행이 느릴 경우에는 반력을 제공후 천천히 소멸시킴으로써 착용자의 의도에 맞게 반력을 주는 것이다. 만약 보행이 빠름에도 불구하고 반력이 천천히 저하된다면 오히려 스윙 후 발을 디디려고 하는 순간 반력이 역으로 착용자에 느껴져 이질감을 부르기 때문이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어방법의 삼각함수를 나타낸 그래프로서, 도시된 바와 같이 발바닥이 지면을 구르는 시간을 삼각함수의 주기로 대입하여 구성할 경우, 주기가 긴 경우가 짧은 경우보다 반력의 크기가 천천히 떨어지도록 함으로써 느린 보행속도에 맞게 반력을 좀 더 지속하도록 하는 것이다.

그리고 삼각함수를 이용하여 발을 들어올리는 초기에는 강하게 반력을 주고 자연스럽게 반력이 줄어들도록 함으로써 착용자가 어색하지 않게 발을 다시 지면에 디딜 수 있도록 하는 것이다.

이러한 구체적인 삼각함수의 수식의 실시예는 아래와 같다.

상기 식에서 볼 수 있듯이, 삼각함수 f(t)는 코사인함수로 표현될 수 있으며, w는 발바닥이 지면을 구르는 동안의 시간을 주기로 하여 이를 주파수로 변환 후 대입할 수 있다. 그리고 이는 z방향 즉, 지면에서 수직의 방향인 경우이며, x방향 즉, 지면과 수평방향의 반력 성분인 F_impulse,x의 경우는 z성분의 힘에 부호를 직진인 경우 +로 하고 후진인 경우 -로 하여 대입할 수 있다.

따라서, 이러한 x성분과 z성분의 합산을 통하여 가상 반력의 벡터성분이 도출될 수 있다.

그 후 도출된 가상반력을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 환산단계(S400)를 수행한다.

즉, 발바닥에서 필요한 가상의 반력이 구해진 경우 이를 로봇의 각 관절의 모터에서 구동하는 구동토크로써 환산하여 각각의 모터에 구동지령을 내리게 된다.

이는 아래의 수식으로 구해질 수 있다.

상기와 같이 벡터성분인 각 F_impulse는 행렬로 표현되며, 이를 자코비안 전치행렬을 통하여 각 관절에서 필요한 토크로서 환산이 가능하다. 이 경우 y성분인 F_impulse,y의 경우는 특별히 옆으로 보행하지 않는 한 0으로 할 수 있다.

그리고, 구체적으로는 상기 환산단계(S400)는, 로봇의 발바닥이 지면에서 떨어지는지 체크하는 체크단계(S500);를 더 포함하고, 상기 체크단계(S500)는, 로봇의 발바닥이 지면에서 떨어지는 순간 해당 발바닥이 속하는 하지 관절들에 구동토크를 인가하는 인가단계(S600);를 더 포함한다.

즉, 발바닥이 지면을 구르고 난 직후인 발을 지면에서 떼는 경우를 지면접촉센서를 통하여 체크하고, 이 순간 해당 발바닥에 가상의 반력을 부여함으로써 착용자가 쉽게 보행을 할 수 있도록 하는 것이다.

그리고, 상기 도출단계(S300)는 미리 마련된 크기값(F_mag)을 삼각함수에 곱하여 가상반력을 도출할 수 있다. 또한 상기 도출단계(S300)는 로봇의 보행방향에 따라 가상반력의 X축 성분의 부호를 변경할 수 있음은 앞서 살핀 바와 같다.

한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 보행제어시스템의 구성도로서, 본 발명의 로봇의 보행제어시스템은, 로봇 발바닥(100)에 마련된 지면접촉센서(110); 및 상기 지면접촉센서(110)를 통해 로봇의 보행상태와 보행방향 및 발바닥의 구름시간을 측정하고, 측정된 구름시간을 주기로 하는 삼각함수를 통하여 발바닥(100)에 작용하는 가상반력(F)을 도출하며 도출된 가상반력(F)을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 제어부(300);를 포함한다.

이를 통하여 로봇의 발바닥(100)에는 가상의 반력이 주어지고 이는 결국 각 관절(10,20,30)의 모터에 구동토크로써 지령으로 입력되어 가상 반력을 구현할 수 있도록 한다.

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.

100 : 발바닥 110 : 지면접촉센서
300 : 제어부

Claims

로봇이 보행상태인지 판단하고 보행방향을 판단하는 판단단계(S100);
로봇의 발바닥의 구름시간을 측정하는 측정단계(S200);
삼각함수로 구성된 가상반력에 있어서, 상기 측정된 구름시간을 가상반력을 구성하는 삼각함수의 주기로 대입하여 발바닥에 작용하는 가상반력을 도출하는 도출단계(S300); 및
도출된 가상반력을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 환산단계(S400);를 포함하며,
상기 도출단계(S300)는 미리 마련된 크기값을 삼각함수에 곱하여 가상반력을 도출하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 환산단계(S400)는, 로봇의 발바닥이 지면에서 떨어지는지 체크하는 체크단계(S500);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 체크단계(S500)는, 로봇의 발바닥이 지면에서 떨어지는 순간 해당 발바닥이 속하는 하지 관절들에 구동토크를 인가하는 인가단계(S600);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 판단단계(S100)와 측정단계(S200)는 로봇 발바닥의 지면접촉센서를 통하여 보행여부 및 보행방향을 판단하고 구름시간을 측정하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 도출단계(S300)는 로봇의 보행방향에 따라 가상반력의 지면과 수평방향의 반력성분의 부호를 변경하는 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어방법.
로봇 발바닥(100)에 마련된 지면접촉센서(110); 및
상기 지면접촉센서(110)를 통해 로봇의 보행상태와 보행방향 및 발바닥의 구름시간을 측정하고, 삼각함수로 구성된 가상반력에 있어서, 상기 측정된 구름시간을 가상반력을 구성하는 삼각함수의 주기로 대입하여 발바닥(100)에 작용하는 가상반력을 도출하며 도출된 가상반력(F)을 자코비안 전치행렬에 대입하여 로봇 하지 관절의 구동토크로 환산하는 제어부(300);를 포함하는 로봇의 보행제어시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 지면접촉센서(110)는 로봇 발바닥(100)에 이격되어 마련된 복수의 테이프센서인 것을 특징으로 하는 로봇의 보행제어시스템.