KR101607573B1 - 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법 - Google Patents

인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법 Download PDF

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KR101607573B1
KR101607573B1 KR1020130165293A KR20130165293A KR101607573B1 KR 101607573 B1 KR101607573 B1 KR 101607573B1 KR 1020130165293 A KR1020130165293 A KR 1020130165293A KR 20130165293 A KR20130165293 A KR 20130165293A KR 101607573 B1 KR101607573 B1 KR 101607573B1
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Abstract

본 발명은 인간의 자연스러운 보행 시 측정한 하지 관절각의 궤적 데이터를 다항식을 이용해서 파라미터로 표현하고 로봇의 하지 구조에 맞춰 변형함으로써 인간형 로봇이 인간과 유사한 보행을 할 수 있게 하는 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법을 제공하기 위한 것으로서, (A) 인간형 로봇의 주기 보행을 양측지지(double support)와 단측지지(single support) 상태로 구분하는 2단계 보행 패턴을 계획하는 단계와, (B) 인체 보행 시 측정된 관절각 궤적(데이터)을 다항함수(polynomial function)로 근사화(approximation)하는 단계와, (C) 상기 다항함수로 근사화된 인체의 관절각 궤적으로 상기 인간형 로봇의 하지 구조에 맞춰 조정하는 단계와, (D) 상기 인체 보행 시 측정된 하지 관절각 궤적의 파라미터를 조정하여 인간형 로봇의 보행 속도 및 보폭 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.

Description

인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법{Joint Trajectory Generation of Humanoid Robot's Lower Extremity for Human-like Biped Walking}
본 발명은 인간형 로봇의 자연스러운 이족 보행에 관한 것으로, 특히 인간의 자연스러운 보행 시 측정한 하지 관절각의 궤적 데이터를 다항식을 이용해서 파라미터로 표현하고 로봇의 하지 구조에 맞춰 변형함으로써 인간형 로봇이 인간과 유사한 보행을 할 수 있게 하는 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기적 또는 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작과 닮은 운동을 행하는 기계장치를 로봇이라고 한다. 초기의 로봇은 생산 현장에서의 작업 자동화ㆍ무인화 등을 목적으로 한 매니퓰레이터나 반송 로봇 등의 산업용 로봇이었으나, 최근에는 인간과 유사한 관절체계를 가지고 인간의 작업 및 생활공간에 용이하게 두 발로 걸을 수 있는 이족 보행 로봇(이하, 인간형 로봇이라 한다)의 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.
현재 대부분의 인간형 로봇은 무릎을 굽히고 허리를 바닥과 평행한 평면 위에서만 움직이면서 보행하는 패턴을 갖는다. 그 이유는 무릎을 180도에 근접하게 펼 경우 특이점(Singularity pose: 발목 관절과 힙 관절을 연결하는 상대거리가 다리의 길이와 같은 경우)이 발생하여 무릎 관절속도가 매우 빨라지거나 원하는 무릎 관절각을 얻을 수 없기 때문이며, 또한 보행패턴을 얻기 위한 영 모멘트 위치(Zero Moment Point : ZMP) 구속조건이 바닥과 평행하게 움직이는 로봇의 무게 중심(Center Of Gravity : COG)을 가정하고 있기 때문이다.[참고문헌:S. Kajita et al, "Biped Walking Pattern Generation by using Preview Control of Zero-Moment Point", ICRA2003, pp1620~1626]
이러한 인간형 로봇은 인간처럼 두 다리를 이용하여 이족보행을 하므로 균형을 잃지 않으면서 주어진 보폭과 속도로 보행하는 기술이 대단히 중요하다. 현재 인간형 로봇의 보행기술은 ZMP(zero moment point) 기반 역진자 제어법을 주로 이용해서 평탄한 지면에서 안정하게 걷는 수준에 이르렀다.
그러나 역진자 제어법은 로봇의 중심부에 위치한 질량중심점(Center Of Mass : COM)의 고도를 일정하게 유지하는 제한조건 하에 보행 패턴을 생성하므로 보행 시 무릎을 펴지 못하고 엉거주춤한 자세를 만든다.
또한 인간형 로봇이 보행 중 장애물 유무와 수행해야 할 태스크의 종류에 따라 보행속도와 보폭을 실시간으로 조정할 수 있어야 하는데, ZMP 기반 역진자 제어법 사용시 이를 즉각적으로 조정하기가 쉽지 않은 문제점이 있다.
등록특허공보 제10-1105346호 : 학습에 의한 로봇의 보행 방법 및 학습에 의한 보행 메커니즘을 구비한 로봇
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 인간의 자연스러운 보행 시 측정한 하지 관절각의 궤적 데이터를 다항식을 이용해서 파라미터로 표현하고 로봇의 하지 구조에 맞춰 변형함으로써 인간형 로봇이 인간과 유사한 보행을 할 수 있게 하는 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 하지 관절들의 각도궤적 다항식의 파라미터 배율(scale factor)을 동시에 조절함으로써 이족 보행의 속도와 보폭을 용이하게 조절할 수 있는 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법의 특징은 (A) 인간형 로봇의 주기 보행을 양측지지(double support)와 단측지지(single support) 상태로 구분하는 2단계 보행 패턴을 계획하는 단계와, (B) 인체 보행 시 측정된 관절각 궤적(데이터)을 다항함수(polynomial function)로 근사화(approximation)하는 단계와, (C) 상기 다항함수로 근사화된 인체의 관절각 궤적으로 상기 인간형 로봇의 하지 구조에 맞춰 조정하는 단계와, (D) 상기 인체 보행 시 측정된 하지 관절각 궤적의 파라미터를 조정하여 인간형 로봇의 보행 속도 및 보폭 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
바람직하게 상기 (A) 단계는 양측지지 상태에서 무게중심을 앞으로 이동하는 시작자세(P1)로부터 중간자세(P2)까지의 단계와, 단측지지 상태에서 한쪽 다리를 들어 올리며 전진 후 착지하는 중간자세(P2)부터 종료자세(P3)까지 단계와, 상기 2단계의 보행 패턴으로 주기 보행하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 (B) 단계는 측정된 관절각 궤적에 가장 근접한 궤적을 생성하는 3차 이상 다항함수의 계수를 근사화 기법으로 탐색하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 (B) 단계는 3개 구간으로 이루어진 관절각 궤적을 각 경유점의 파라미터들을 이용해서 혼합다항식으로 나타내는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 각 경유점은 시간, 각도, 각속도, 각가속도 등의 물리량을 파라미터로 가지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 (C) 단계는 인간형 로봇의 1주기 동안의 하지 관절의 각도 궤적 및 인체의 관절각 목표 궤적을 각각 시간에 대한 가중치를 부여하고 혼합하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 제 6 항에 있어서, 상기 (C) 단계는
인간형 로봇의 1주기 동안의 하지 시상면 관절의 인간형 로봇의 관절각을
Figure 112015111458280-pat00082
라고 하고, 인체의 관절각을
Figure 112015111458280-pat00083
라고 할 때, 두 궤적을 시간에 대한 가중치 함수로
Figure 112015111458280-pat00084
와
Figure 112015111458280-pat00085
로 하기 수학식 1과 같이 혼합하며, [수학식 1]
Figure 112013119619735-pat00005
이때, 상기 i 는 족관절, 슬관절, 고관절을 나타내고, 상기 k는 현재 보행 주기의 차수(즉, k번째 보행)를 나타내고, 상기 Tc는 1주기의 보행시간을 나타내고 상기 Td는 1주기 내의 양측지지상태(Double Support Phase : DSP) 기간을 나타내는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 (D) 단계는 하지 관절각 궤적의 파라미터 중 하지 관절각 궤적을 표현하는 구간별 경유점의 기준 각도와 각속도 파라미터에 제 1 이득값을 곱하고, 각속도 파라미터를 제 2 이득값으로 나누는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 인체의 보행 시 측정한 하지 관절궤적 데이터를 수학식으로 파라미터화 하고 인간형 로봇의 하지 규격에 따라 조절할 수 있게 함으로써 인간형 로봇의 종류에 관계없이 인간과 유사한 이족보행을 할 수 있게 한다.
둘째, 인간형 로봇의 이족보행 시 관절궤적 파라미터의 배율을 조절함으로써 보행속도와 보폭을 즉각적으로 용이하게 조절할 수 있게 한다.
도 1 은 인간형 로봇의 자연스러운 보행을 위한 2단계 주기보행의 개념도
도 2 는 인체 보행의 일례로서 사람이 평균적인 보폭과 속도로 보행할 때, 2단계에서 측정한 유각의 관절 시상면(sagittal plane) 각도 궤적을 실시예로 나타낸 그래프
도 3 은 로봇형 보행에 대한 가중치 함수
Figure 112015026564205-pat00006
의 일례로서 중심점에서 부드럽게 0에서 1로 천이하는 시그모이드(sigmoid) 함수의 궤적을 실시예로 나타낸 그래프
도 4 는 본 발명의 실시예로서 하나의 관절각 궤적
Figure 112015026564205-pat00007
를 수학식 2와 3을 이용해서 전체 구간을 3개 구간
Figure 112015026564205-pat00008
으로 분할하고, 4개의 경유점에 각도 및 각속도 조건을 부여한 실시 예를 나타낸 궤적 그래프
도 5(a)(b)(c)는 수학식 4의 혼합다항식 파라미터들을 최적화 알고리즘으로 탐색하여 도 2의 관절각 궤적과 거의 일치하는 궤적을 생성한 실시예를 나타낸 그래프
도 6 은 본 발명에 따른 각속도 파라미터를 나누는 이득값의 증가에 따라 경유점에서의 각속도 변화에 따른 속도의 변화를 실시예로 나타낸 그래프
도 7 은 3개의 유각 관절에 대해, 수학식 6을 이용해서 생성한 1단계 보행 궤적(사각형)과 수학식 5로 파라미터화 한 2단계보행 궤적(원)을 합성한 실시예를 나타낸 그래프
도 8 은 인간형 로봇의 자세 균형을 잡아주기 위한 관상면 고관절과 족관절의 각도궤적의 실시예를 나타낸 그래프
도 9 는 본 발명에 따른 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법의 실시 일례로서 오른발로 지지하는 상태에서 휴머노이드 로봇이 인간과 유사한 2단계 보행을 행하는 것을 전면과 측면에서 시뮬레이션 한 모습을 나타낸 도면
도 10 은 본 발명의 실시예에 따른 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법을 설명하기 위한 흐름도
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 10 은 본 발명의 실시예에 따른 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10을 참조하여 설명하면 먼저, 인간형 로봇의 주기 보행을 양측지지(double support)와 단측지지(single support) 상태로 구분하는 2단계 보행 패턴을 계획한다(S10).
즉, 도 1에서 도시하고 있는 인간형 로봇의 자연스러운 보행을 위한 2단계 주기보행의 개념도와 같이, 인간형 로봇의 보행은 세 가지 요소 자세(P1, P2, P3)로 구성되어 있다. 이때, 보폭(step length)은 보행의 시작자세(P1)나 종료자세(P3)에서 앞발과 뒷발 간의 거리를 의미하며, Tc와 Td는 1주기의 보행시간과 1주기 내의 양측지지상태(Double Support Phase : DSP) 기간을 각각 나타낸다.
인간형 로봇의 보행 중 보행의 1 단계에서는 인간형 로봇이 도 1의 시작자세(P1)로부터 중간자세(P2)까지 두발을 모두 착지한 양측지지 상태에서 무게 중심점을 앞으로 이동시키고 들어 올리려는 다리(유각, swing leg)의 발꿈치만 들어 올리는 동작을 수행한다.
인간형 로봇의 보행 중 보행의 2단계에서는 인간형 로봇이 도 1의 중간자세(P2)로부터 종료자세(P3)까지 전환하면서 전진하는 시기로서 유각이 발끝 밀기(toe off)부터 발바닥 닿기(sole contact) 상태로 전환하는 시기에 해당된다. 상기 2단계에서는 인간형 로봇이 단측지지상태(Single Support Phase : SSP)가 되어서 전신의 균형을 잡으면서도 최종적으로 유각의 전체 발바닥이 지면에 정확히 착지해야 하므로 인간형 로봇의 링크와 모터(액추에이터)의 특성을 최대한 반영해야 한다.
도 1 은 오른발로 지지한 채 보행하는 상태를 예시한 일 실시예이며, 2단계 보행이 끝나면 지지하는 다리를 바꿔 왼발로 지지한 상태에서 다시 상기한 원리로 1단계와 2단계 보행을 수행한다.
이러한 방식으로 입각(stance leg)과 유각의 역할과 하지 관절각 값을 상호 교대함으로써 인간형 로봇이 주기적으로 보행할 수 있다.
도 2 는 인체 보행의 일례로서 사람이 평균적인 보폭과 속도로 보행할 때, 2단계(중간자세(P2)로부터 종료자세(P3))까지에서 측정한 유각의 시상면(sagittal plane) 관절 각도 궤적을 도시한 그래프이다.
도 2에서 도시하고 있는 것과 같이, 인체의 보행에 있어서 시상면 상에서 회전하는 하지 관절은 전진과 후진 시 보행 패턴과 특성(보폭과 속도)에 관여하며, 관상면(coronal plane 또는 frontal plane) 상에서 회전하는 하지 관절은 단측지지시 인간형 로봇의 균형을 유지하는 역할을 하며, 횡평면(transversal plane) 상에서 회전하는 하지 관절은 보행의 전진 방향(좌회전 또는 우회전)을 결정한다.
그러므로 자연스러운 인간형 보행의 특징은 주로 시상면의 유각에 위치한 족관절(ankle joint), 슬관절(knee joint), 고관절(hip joint)의 각도궤적 패턴이 결정하며, 이를 위해 도 1에 표현한 1주기에 해당하는 궤적이 필요하다.
한편, 인간형 로봇은 하지 링크의 길이가 인체와 다르고 관절의 구동원리와 동작 특성도 다르기 때문에 도 2의 관절각 궤적을 그대로 적용하면 안정된 이족보행을 할 수 없다. 그러므로 본 발명에서는 인간형 로봇에 적합한 이족 보행 관절각 조건을 계산한 후 인체의 관절 궤적 데이터와 적절히 혼합한다.
하기 수학식 1은 하지 관절 중 유각의 족관절, 슬관절, 고관절 중 일례로 족관절에 대해서 인간형 로봇의 보행을 위한 혼합형 각도 궤적을 생성하는 방법으로서, 인간형 로봇의 1주기 동안의 족관절 각도 궤적을
Figure 112015111458280-pat00009
라고 하고, 도 2에서 보인 인체의 관절각 목표 궤적을
Figure 112015111458280-pat00010
라고 할 때, 두 궤적을 시간에 대한 가중치 함수
Figure 112015111458280-pat00011
와
Figure 112015111458280-pat00012
로 혼합하는 방식을 설명한다. 이때, 상기 인간형 로봇의 족관절 각도 궤적
Figure 112015111458280-pat00077
는 공지된 기술을 통해 산출된 인간형 로봇의 족관절(ankle joint : an) 각도 궤적을 그대로 이용한다(공개번호 10-2009-0092584, 공개번호 10-2012-0105611 참조). 또한 유각의 슬관절(knee joint)과 고관절(hip joint)에 대해서도 동일한 방식으로 두 종류의 관절각 궤적을 혼합할 수 있다.
Figure 112013119619735-pat00013
이때, 상기 k는 현재 보행 주기의 차수(즉, k번째 보행)를 나타내고, 상기 Tc는 1주기의 보행시간을 나타내고 상기 Td는 1주기 내의 양측지지상태(Double Support Phase : DSP) 기간을 나타낸다.
상기 수학식 1에서 나타내고 있는 것과 같이, 가중치 함수
Figure 112013119619735-pat00014
와
Figure 112013119619735-pat00015
는 매 시각에서 그 합이 항상 1이어야 하며, 자연스러운 보행을 위해 보행주기의 시작자세(P1)로부터 중간자세(P2)까지는 인체의 관절 궤적을 주로 사용하고(
Figure 112013119619735-pat00016
), 중간자세(P2)부터 종료자세(P3)까지는 인간형 로봇의 착지 조건에 맞춰진 관절 궤적을 주로 사용하면 된다(
Figure 112013119619735-pat00017
).
도 3 은 가중치 함수
Figure 112013119619735-pat00018
의 일례를 나타낸 그래프로서, 인간형 보행과 로봇형 보행의 부드러운 전환을 위해 중심점에서 부드럽게 0에서 1로 천이하는 시그모이드(sigmoid) 함수를 나타낸다.
본 발명에서는 도 2와 같은 인체의 관절각 궤적을 로봇 제어기로 간편하게 처리하기 위해 원래의 관절각 궤적에 가장 근접한 궤적을 생성하는 3차 이상 다항함수의 계수를 근사화 기법으로 최적화 알고리즘을 이용해서 탐색한다(S20).
일반적으로 굴곡이 있는 궤적을 근사화하는 고차의 다항함수 계수를 구하는 것은 어려우므로 1주기(Tc)를 몇 개의 구간으로 분할하고 각 구간을 저차의 다항함수로 표현하는 방식인 혼합다항식(blending polynomial)을 사용하면 편리하다.
혼합다항식의 실시 일례로서, 어떤 관절각의 회전각 궤적이 3개의 세그먼트로 구성되어 있고, 그 중에서 i 번째 세그먼트가 다음 수학식 2와 같이 표현된다고 하자.
Figure 112013119619735-pat00019
상기 수학식 2에서
Figure 112013119619735-pat00020
와
Figure 112013119619735-pat00021
는 i 번째 구간의 양쪽 경유점인 시작지점과 종료지점을 각각 의미하고, 궤적 계수
Figure 112013119619735-pat00022
는 아래의 수학식 3과 같이 두 경유점에서의 각도인
Figure 112013119619735-pat00023
와, 각속도인
Figure 112013119619735-pat00024
를 이용해서 구할 수 있다.
Figure 112013119619735-pat00025
Figure 112013119619735-pat00026
Figure 112013119619735-pat00027
도 4 는 본 발명의 실시예로서 하나의 관절각 궤적
Figure 112013119619735-pat00028
를 수학식 2와 3을 이용해서 전체 구간을 3개 구간
Figure 112013119619735-pat00029
으로 분할한 것을 나타낸 그래프이다.
도 4에서 도시하고 있는 것과 같이, 전체 궤적의 모양을 결정하는 것은 4개의 경유점
Figure 112013119619735-pat00030
에서의 각도
Figure 112013119619735-pat00031
와 각속도
Figure 112013119619735-pat00032
로서 수작업 또는 최적화 알고리즘 등을 이용해서 결정해야 한다.
하기 수학식 4는 상기와 같이 3개 구간으로 이루어진 관절각 궤적
Figure 112015111458280-pat00033
를 각 경유점의 파라미터들을 이용해서 혼합다항식(
Figure 112015111458280-pat00078
)으로 표현한 수식이다.
Figure 112015111458280-pat00034
도 5(a)(b)(c)는 수학식 4의 혼합다항식 파라미터들을 최적화 알고리즘으로 탐색하여 도 2의 관절각 궤적과 거의 일치하는 궤적을 생성할 수 있음을 나타내는 그래프이다.
따라서 상기 생성된 인체의 이족 보행 관절각 궤적을 이미 공지된 기술을 통해 산출된 인간형 로봇의 족관절 각도 궤적을 그대로 이용(공개번호 10-2009-0092584, 공개번호 10-2012-0105611 참조)하여 혼합하여 인간형 로봇의 이족 보행 관절각 궤적을 조정한다(S30). 즉, 인간형 로봇의 하지 구조에 따라 착지 시 하지 관절각 궤적을 수정한다.
이후, 상기 인체 보행 시 측정된 하지 관절각 궤적의 파라미터를 조정하여 인간형 로봇의 보행 속도 및 보폭을 조정할 수 있다(S40).
상기 관절각 차원에서 인간형 로봇의 보행속도와 보폭을 직접적으로 용이하게 조절할 수 있는 방법으로서, 하기 수학식 5와 같이 경유점의 기준각도와 각속도 파라미터에 이득값
Figure 112013119619735-pat00035
를 곱하고, 각속도 파라미터를 다시 이득값
Figure 112013119619735-pat00036
로 나누는 방법을 제시한다. 이때, 상기
Figure 112013119619735-pat00037
값을 1.0으로부터 증가시킬 수 있도록 관절각 궤적의 절대값이 커져서 이족 보행의 보폭이 커진다. 반면에 상기
Figure 112013119619735-pat00038
값을 1.0에서부터 증가시킬수록 경유점에서의 각속도가 작아져서, 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이 전체 궤적의 절대값은 일정한데 속도만 느려지는 파형을 생성한다.
즉, 본 발명에서 제시하는 방법에 의하면, 보폭은
Figure 112013119619735-pat00039
에 비례하고, 보행속도는
Figure 112013119619735-pat00040
에는 비례하지만
Figure 112013119619735-pat00041
에는 반비례하는 특성을 가진다.
Figure 112015111458280-pat00042
이때, 상기
Figure 112015111458280-pat00068
는 3개 구간으로 이루어진 관절각 궤적
Figure 112015111458280-pat00079
를 각 경유점의 파라미터들을 이용한 혼합다항식을 의미한다.
한편, 상기한 유각 관절궤적은 도 1의 중간자세(P2)로부터 종료자세(P3)까지(2단계)의 부드러운 보행을 생성하기 위한 관절 궤적으로서, 도 1의 시작자세(P1)로부터 중간자세(P2)(1단계)까지의 유각 관절궤적과 지지하는 다리의 관절궤적을 생성해야 인간형 로봇이 보행할 수 있다. 아울러, 단측지지 상태에서 인간형 로봇의 균형을 잡아주기 위해 관상면 고관절과 족관절의 각도궤적도 적절히 생성해야 한다.
따라서 도 1의 1단계의 유각 관절궤적은 초기각(
Figure 112013119619735-pat00043
)과 최종각(
Figure 112013119619735-pat00044
) 사이를 부드럽게 연결하면 되므로 하기 수학식 6과 같이 단일 구간으로 구성된 혼합다항식을 이용해서 생성한다.
Figure 112013119619735-pat00045
이때, 상기
Figure 112015111458280-pat00069
는 단일 구간에서 구성된 혼합다항식을 의미하며, 상기
Figure 112015111458280-pat00046
은 1 단계 보행에서 소요되는 시간을 나타내며, 상기
Figure 112015111458280-pat00047
와
Figure 112015111458280-pat00048
는 초기 각속도와 최종 각속도를 의미한다. 부드러운 보행 시작을 위해서는 초기 각속도(
Figure 112015111458280-pat00049
)를 0으로 설정하고, 최종 각속도(
Figure 112015111458280-pat00050
)는 2 단계 보행과의 연속성을 위해 해당 관절의 인체 보행 각속도 초기값과 동일하게 설정하면 된다.
도 7 은 3개의 유각 관절에 대해, 수학식 6을 이용해서 생성한 1단계 보행 궤적(사각형)과 수학식 5로 파라미터화 한 2단계보행 궤적(원)을 합성한 것을 실시예로 나타낸 그래프이다.
이에 따라, 2단계 단측지지 상태에서 인간형 로봇의 자세 균형을 잡아주기 위한 관상면 고관절과 족관절의 각도궤적은 도 8에서 보인 바람직한 실시 예처럼 1단계에서는 0°로부터 안정된 각도 값으로 충분히 회전한 후, 2단계에서는 그 값으로 유지 후 적절한 시점에 다시 0°로 돌아오는 궤적을 만들게 된다. 이 또한 수학식 4나 수학식 5와 같은 3구간 혼합다항식으로 생성할 수 있다.
도 9 는 본 발명에 따른 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법의 실시 일례로서 오른발로 지지하는 상태에서 휴머노이드 로봇이 인간과 유사한 2단계 보행을 행하는 것을 전면과 측면에서 시뮬레이션 한 모습을 나타낸 도면이다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. (A) 인간형 로봇의 주기 보행을 양측지지(double support)와 단측지지(single support) 상태로 구분하는 2단계 보행 패턴을 계획하는 단계와,
    (B) 인체 보행 시 측정된 관절각 궤적(데이터)을 다항함수(polynomial function)로 근사화(approximation)하는 단계와,
    (C) 상기 다항함수로 근사화된 인체의 관절각 궤적으로 인간형 로봇의 하지 구조에 맞춰 조정하는 단계와,
    (D) 상기 인체 보행 시 측정된 하지 관절각 궤적의 파라미터를 조정하여 인간형 로봇의 보행 속도 및 보폭 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 (A) 단계는
    양측지지 상태에서 무게중심을 앞으로 이동하는 시작자세(P1)로부터 중간자세(P2)까지의 단계와,
    단측지지 상태에서 한쪽 다리를 들어 올리며 전진 후 착지하는 중간자세(P2)부터 종료자세(P3)까지 단계와,
    상기 2단계의 보행 패턴으로 주기 보행하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 (B) 단계는
    측정된 관절각 궤적에 가장 근접한 궤적을 생성하는 3차 이상 다항함수의 계수를 근사화 기법으로 탐색하는 것을 특징으로 하는 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 (B) 단계는
    3개 구간으로 이루어진 관절각 궤적을 각 경유점의 파라미터들을 이용해서 혼합다항식으로 나타내는 것을 특징으로 하는 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 각 경유점은 시간, 각도, 각속도, 각가속도 등의 물리량을 파라미터로 가지는 것을 특징으로 하는 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 (C) 단계는
    인간형 로봇의 1주기 동안의 하지 관절의 각도 궤적 및 인체의 관절각 목표 궤적을 각각 시간에 대한 가중치를 부여하고 혼합하는 것을 특징으로 하는 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 (C) 단계는
    인간형 로봇의 1주기 동안의 하지 시상면 관절의 인간형 로봇의 관절각을
    Figure 112015111458280-pat00080
    라고 하고, 인체의 관절각을
    Figure 112015111458280-pat00086
    라고 할 때, 두 궤적을 시간에 대한 가중치 함수로
    Figure 112015111458280-pat00053
    와
    Figure 112015111458280-pat00054
    로 하기 수학식 1과 같이 혼합하며, [수학식 1]
    Figure 112015111458280-pat00055

    이때, 상기 i 는 족관절, 슬관절, 고관절을 나타내고, 상기 k는 현재 보행 주기의 차수(즉, k번째 보행)를 나타내고, 상기 Tc는 1주기의 보행시간을 나타내고 상기 Td는 1주기 내의 양측지지상태(Double Support Phase : DSP) 기간을 나타내는 것을 특징으로 하는 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 (D) 단계는
    수식
    Figure 112015111458280-pat00070
    및
    Figure 112015111458280-pat00071
    에서 나타내고 있는 것과 같이,
    하지 관절각 궤적의 파라미터 중 하지 관절각 궤적을 표현하는 구간별 경유점의 기준 각도와 각속도 파라미터에 제 1 이득값을 곱하고, 각속도 파라미터를 제 2 이득값으로 나누는 것을 특징으로 하며,
    이때, 상기
    Figure 112015111458280-pat00072
    는 3개 구간으로 이루어진 관절각 궤적
    Figure 112015111458280-pat00081
    를 각 경유점의 파라미터들을 이용한 혼합다항식을 의미하고, 상기
    Figure 112015111458280-pat00073
    는 단일 구간으로 구성된 혼합다항식을 의미하며, 상기
    Figure 112015111458280-pat00074
    은 1 단계 보행에서 소요되는 시간을 나타내며, 상기
    Figure 112015111458280-pat00075
    와
    Figure 112015111458280-pat00076
    는 초기 각속도와 최종 각속도를 의미하는 것을 특징으로 하는 인간과 유사한 이족 보행을 위한 인간형 로봇의 하지 관절궤적 생성 방법.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100889481B1 (ko) 2006-06-29 2009-03-19 명지대학교 산학협력단 이족 로봇의 계단 보행 방법
KR101074494B1 (ko) 2009-02-17 2011-10-17 동아대학교 산학협력단 이족 인간형 로봇의 계단 오르기를 위한 최적 궤적 설계 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110030233A (zh) * 2019-04-09 2019-07-19 燕山大学 用于液压驱动单元位置控制***的复合控制方法及***

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