KR101867793B1 - 이족 로봇의 워킹 제어 방법과 장치 - Google Patents

이족 로봇의 워킹 제어 방법과 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이족 로봇의 워킹 제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 해당 방법은, 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 워킹 제어 파라미터를 선정하고, 이족 로봇의 ZMP가 안정된 구역 내에 위치할 때, 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 획득하는 단계; 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 기반으로, 무게중심이 중간걸음 단계 시작 시의 각 워킹 제어 파라미터의 제1수치와 무게중심이 중간걸음 단계 종료 시의 제2수치를 획득하는 단계; 제1수치를 이용하여 시작걸음 단계가 종료 시 제1제약조건을 설정하고, 제2수치를 이용하여 정지걸음 단계가 시작 시 제2제약조건을 설정하는 단계; 제1제약조건과 제2제약조건을 기반으로, 무게중심이 시작걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 각각 연산하는 단계; 이족 로봇의 보행을 제어하여, 보행 시 무게중심의 운동궤적이 무게중심이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 각 운동궤적을 만족하게 하는 단계를 포함한다. 본 발명 실시예의 기술수단은 시작걸음, 중간걸음과 정지걸음 워킹 사이의 안정한 연결과 보행의 안정성을 학보할 수 있다.

Description

이족 로봇의 워킹 제어 방법과 장치
본 발명은 로봇 기술분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이족 로봇의 워킹 제어 방법과 장치에 관한 것이다.
이족 로봇은, 인간 다리의 구조와 운동 방식을 모방한 로봇 시스템이고, 인간 다리의 운동 특성을 구비하고, 워킹 과정에서 지면과 복잡한 상호 작용을 하여, 이족 로봇은 워킹 시 안정된 제어에 대해 보다 높은 요구가 존재한다. 그러므로 합리한 워킹 제어는 이족 로봇이 인간을 모방하여 안정된 동적 워킹을 실현하는데 있어서의 전제 조건이다. 이족 로봇（Biped Robot）의 하나의 완전한 워킹은 시작걸음, 중간걸음과 정지걸음 3단계를 포함한다. 시작걸음 단계와 정지걸음 단계는 워킹 제어에서 가장 관건적인 부분이고, 로봇이 성공적으로 보행 상태에 진입하고 보행 상태를 종료하는지 여부와 관련이 있다. 하지만 현재의 이족 로봇의 연구는 주요하게 중간걸음 단계의 워킹 제어에 초점을 두고 있고, 시작걸음과 정지걸음 단계의 워킹 제어에 대한 연구는 비교적 적다. 따라서 종래기술 과제에서, 시작걸음 단계와 정지걸음 단계의 워킹 안정성이 낮으므로, 안정하게 워킹 상태에 진입하고 안정하게 워킹 상태를 종료하지 못하고 있다.
본 발명은 이족 로봇의 워킹 제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 그 목적은 종래의 이족 로봇의 워킹 제어 과제에 존재하는 시작걸음 단계와 정지걸음 단계의 워킹 안정성이 낮으므로, 안정하게 워킹 상태에 진입하지 못하고 또한 안정하게 워킹 상태를 종료하지 못하고 있는 문제점을 해결함에 있다.
본 발명의 한 측면에 따르면, 이족 로봇의 워킹 제어 방법을 제공하고,
이족 로봇의 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 워킹 제어 파라미터를 선정하고, 이족 로봇의 ZMP(제로 모멘트 점, Zero Moment Point)가 안정된 구역 내에 위치할 때, 이족 로봇의 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 획득하는 단계;
무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 기반으로, 무게중심이 중간걸음 단계 시작 시의 각 워킹 제어 파라미터의 제1수치와 무게중심이 중간걸음 단계 종료 시의 각 워킹 제어 파라미터의 제2수치를 획득하는 단계;
제1수치를 이용하여 시작걸음 단계가 종료 시 무게중심이 만족해야 할 제1제약조건을 설정하고, 제2수치를 이용하여 정지걸음 단계가 시작 시 무게중심이 만족해야 할 제2제약조건을 설정하는 단계;
제1제약조건과 제2제약조건을 기반으로, 무게중심이 시작걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 각각 연산하는 단계;
이족 로봇의 보행을 제어하여, 이족 로봇이 보행 시 무게중심의 운동궤적이 무게중심이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 각 운동궤적을 만족하게 하여, 이족 로봇의 안정한 워킹을 실현하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 한 측면에 따르면, 이족 로봇의 워킹 제어 장치를 제공하는 것으로, 해당 장치는,
이족 로봇의 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 워킹 제어 파라미터를 선정하고, 이족 로봇의 ZMP(Zero Moment Point)가 안정된 구역 내에 위치할 때, 이족 로봇의 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 획득하도록 구성된 무게중심 중간걸음 단계 궤적 획득 유닛;
무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 기반으로, 무게중심이 중간걸음 단계 시작 시의 각 워킹 제어 파라미터의 제1수치와 무게중심이 중간걸음 단계 종료 시의 각 워킹 제어 파라미터의 제2수치를 획득하도록 구성된 파라미터값 획득 유닛;
제1수치를 이용하여 시작걸음 단계가 종료 시 무게중심이 만족해야 할 제1제약조건을 설정하고, 제2수치를 이용하여 정지걸음 단계가 시작 시 무게중심이 만족해야 할 제2제약조건을 설정하도록 구성된 제약조건 설정 유닛;
제1제약조건과 제2제약조건을 기반으로, 무게중심이 시작걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 각각 연산하도록 구성된 무게중심 시작걸음 정지걸음 단계 궤적 연산 유닛;
이족 로봇의 보행을 제어하여, 이족 로봇이 보행 시 무게중심의 운동궤적이 무게중심이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 각 운동궤적을 만족하게 하여, 이족 로봇의 안정한 워킹을 실현하도록 구성된 무게중심 궤적 제어 유닛을 포함한다.
본 발명은 아래와 같은 유리한 효과를 가지는 바, 본 발명의 실시예의 이족 로봇 워킹 제어 해결수단은, 우선 이족 로봇의 워킹 제어 파라미터를 선정하고, 이족 로봇의 ZMP가 안정된 구역 내에 위치할 때, 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적과 각 워킹 제어 파라미터와 대응하는 제1수치와 제2수치를 획득하고, 제1수치를 기반으로 무게중심이 시작걸음 단계에서의 운동궤적을 확정하고, 제2수치를 이용하여 무게중심이 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 연산하여, 워킹 제어 파라미터를 통해 시작걸음 단계, 정지걸음 단계가 각각 중간걸음 단계와의 연속 연결의 유지를 실현하고, 중간걸음 단계에서 ZMP를 통한 조건한정에 의해, 로봇의 안정된 보행을 확보하고, 워킹 제어 파라미터를 통해 시작걸음, 중간걸음 및 정지걸음 단계의 합리한 연결을 통해, 각 단계가 모두 안정된 보행조건을 만족하도록 하여, 이족 로봇이 전체 운동 단계에서의 안정된 보행을 확보한다. 또한, 본 해결수단은 로봇의 무게중심이 안정된 보행을 만족하는 기초 상, 무게중심의 운동궤적을 기반으로, 다리의 각 관절의 보행 워킹에 대한 새로운 제어수단을 제공하며, 이러한 제어수단은 보행과정의 안정성을 더 한층 증가하고, 전체적 보행 과정의 효율을 향상시키며, 보행 과정의 안정된 시작과 종료를 실현할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇 워킹 제어 방법의 흐름을 나타낸 개략도,
도2는 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 9-링크 모형을 나타낸 전방향 도면,
도3은 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 9-링크 모형을 나타낸 측방향 도면,
도4는 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 보행 위치의 투영을 나타낸 개략도,
도5는 선형 역진자 모형 원리를 나타낸 개략도,
도6은 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 버팀 다리의 전방향을 나타낸 개략도,
도7은 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 움직임 다리의 전방향을 나타낸 개략도,
도8은 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 두 다리의 측방향을 나타낸 개략도,
도9는 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 어깨관절 움직임 각도를 나타낸 개략도,
도10은 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 관절각도 제어 구조를 나타낸 개략도이다.
본 발명 실시예의 해결수단에서 이족 로봇의 안정된 보행의 완전한 워킹 제어 수단을 제안하였고, 효과적으로 안정된 시작걸음과 정지걸음을 실현하였다. 또한, ZMP가 항상 안정된 구역 내에 있는 것을 만족하는 전제 하에 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 획득하고, 시작걸음, 정지걸음과 중간걸음 단계의 운동궤적이 위치, 속도 및/또는 가속도 상에서 모두 합리하게 연결되게 하고, 시작걸음과 정지걸음 단계에서 모두 안정성 조건을 만족하도록 확보할 수 있다. 또한, 본 수단에서 로봇 운동 시의 위치에너지와 운동에너지 사이의 전환을 이용하여, 1보 내에서 신속히 정상적 보행과정을 시작하고 종료할 수 있으므로, 기존의 수단에서 몇개 단계를 거쳐야만 정상적 보행 상태에 도달하고 종료할 수 있는 문제점을 방지하여, 이족 로봇의 안정되고도 신속한 보행을 실현하였다.
도1은 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇 워킹 제어 방법의 흐름을 나타낸 개략도이고, 도1을 참조하면, 본 실시예에 있어서, 이족 로봇 워킹 제어 방법은,
이족 로봇의 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 워킹 제어 파라미터를 선정하고, 이족 로봇의 제로 모멘트 점(Zero Moment Point, 약칭ZMP)가 안정된 구역 내에 위치할 때, 이족 로봇의 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 획득하는 단계(S11);
무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 기반으로, 무게중심이 중간걸음 단계 시작 시의 각 워킹 제어 파라미터의 제1수치와 무게중심이 중간걸음 단계 종료 시의 각 워킹 제어 파라미터의 제2수치를 획득하는 단계(S12);
제1수치를 이용하여 시작걸음 단계가 종료 시 무게중심이 만족해야 할 제1제약조건을 설정하고, 제2수치를 이용하여 정지걸음 단계가 시작 시 무게중심이 만족해야 할 제2제약조건을 설정하는 단계(S13);
제1제약조건과 제2제약조건을 기반으로, 무게중심이 시작걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 각각 연산하는 단계(S14);
이족 로봇의 보행을 제어하여, 이족 로봇이 보행 시 무게중심의 운동궤적이 무게중심이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 각 운동궤적을 만족하게 하여, 이족 로봇의 안정한 보행을 실현하는 단계(S15)를 포함한다.
도1에서 도시한 기초 상, 단계(S11)에서 워킹 제어 파라미터는 위치, 속도와 가속도 세 가지 파라미터를 포함하고, 또는 워킹 제어 파라미터는 위치와 속도 두 가지 파라미터를 포함한다. 또한 워킹 제어 파라미터의 매개 파라미터는 모두 이족 로봇이 보행 시의 전방향, 측방향과 수직방향에서의 3개 방향 성분을 포함한다.
도1에서 도시한 방법으로부터 알 수 있다시피, 본 실시예의 이족 로봇 워킹 제어 방법은 이족 로봇의 시작걸음과 정지걸음 단계의 무게중심의 운동궤적에 대해 모두 제어를 진행하고, 제어를 통해, 이족 로봇이 보행 시 무게중심의 운동궤적이 무게중심이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계의 각 운동궤적을 만족하게 하여, 이족 로봇의 안정된 보행을 실현할 수 있다. 획득한 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적이 안정된 보행 조건을 만족함으로써, 중간걸음 단계에서의 무게중심 운동궤적을 이용하여 확정된 워킹 제어 파라미터의 상응한 수치로 시작걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 무게중심 운동궤적을 제어하여, 안정성을 확보할 수도 있다. 다시 말하면, 종래기술에 비하여, 본 실시예의 방법은 시작걸음 단계와 정지걸음 단계의 안정성을 확보하는 동시에 시작걸음 단계와 중간걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계를 더 잘 연결하게 한다. 이족 로봇이 하나의 완전한 보행과정에서 줄곧 안정하게 보행하는 것을 실현할 수 있다.
아래에 구체적인 이족 로봇 모형을 결합하여, 본 발명 실시예의 이러한 이족 로봇 보행 제어 방법에 대해 설명하기로 한다.
도2는 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 9-링크 모형을 나타낸 전방향 도면이고, 도3은 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 9-링크 모형을 나타낸 측방향 도면이며, 도4는 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 보행 위치의 투영을 나타낸 개략도이고; 도2 내지 도4를 결합하면, 도2에서 P1 내지 P9는 각각 이족 로봇의 부동한 부위를 대표하고, 예를 들면, P8, P9는 이족 로봇의 좌, 우팔을 표시한다. m1 내지 m7은 각각 링크의 질량을 표시한다. 본 실시예에서, 이족 로봇이 보행한 전진방향을 x축(즉 전방향)으로 하고, 이족 로봇이 보행한 측방향을 y축(예를 들면 보행한 우측방향)으로 하고, 지면과 수직되게 위로 향한 방향을 z축으로 하여 데카르트 좌표계를 구축하고, 도2와 도3에서 도시한 바와 같이, 9개의 균질의 링크 및 관절로 구성된 이족 로봇 간소화 모형의 전방향 도면(즉 xoz 평면)과 측방향 도면(즉 yoz 평면)을 이용하고, 여기서, 이족 로봇의 한쪽 어깨관절은 전후로의 하나의 요동 자유도를 가지고, 한쪽 다리 발목관절은 전후와 좌우로의 2개의 요동 자유도를 가지며, 한쪽 다리 무릎관절은 하나의 전후로의 자유도를 가지며, 고관절은 좌우, 전후와 회전의 3개의 자유도를 가진다.
이외에, 이족 로봇이 매개 보행 워킹에서, 이족 로봇의 버팀 다리의 발목관절의 지면에서의 투영을 좌표원점으로 하고, 수평 전진 방향을 X축으로 하고, 보행의 측방향을 Y축으로 하고, 이족 로봇 자체의 평면 직각 좌표계(XOY)를 구축한다. 이족 로봇이 연속 보행한 중간걸음 단계 내에서, 매개 한쪽 다리 지지기간의 종료시각에서, 움직임 다리에 연결된 발을 합리한 위치로 움직일 때, 이족 로봇의 무게중심은 새로운 지지점을 가진다. 다시 해당 새로운 지지점을 좌표원점으로 하여 수평 전진 방향을 X축으로 하고, 보행의 측방향을 Y축으로 하고, 이족 로봇 자체의 평면 직각 좌표계(XOY)를 구축하고, 그 전의 지지점의 종료상태를 초기상태로 하고, 이로써 로봇은 다시 하나의 새로운 일보를 시작하여, 이러한 일보들을 연결하면 로봇의 연속된 보행패턴을 형성한다. 도4에서 도시한 바와 같이, 오른쪽 버팀다리의 발목관절이 지면에서의 투영을 좌표원점(즉 O점은 이족 로봇의 오른쪽 다리가 평면 직각 좌표계 중에서의 투영을 표시하고, O점이 Y축 방향에서 예정된 거리의 간격을 둔 점은 이족 로봇의 왼쪽 다리가 평면 직각 좌표계 중에서의 투영을 표시함)으로 한다. 상응하게, X축 상의 점은 이족 로봇이 보행 시의 오른쪽 버팀다리의 운동궤적을 표시하고, X축 좌측 및 X축과 예정된 거리의 간격을 둔 점은 왼쪽 버팀다리의 운동궤적을 표시한다.
본 발명의 일 실시예에서, 워킹 제어 파라미터를 위치, 속도와 가속도로 하여 예시적 설명을 진행한다. 이족 로봇 워킹 제어 수단은 반드시 그 안정성을 고려하여야 하고, 본 실시예는 ZMP(Zero Moment Point)를 이족 로봇의 동적 보행 안정성의 하나의 중요한 의거로 한다. ZMP는 로봇이 받은 합력이 버팀다리 발바닥에 작용한 작용점이고, 이 점 상의 합력 모멘트가 수평방향에서 0이다. 이족 로봇의 보행이 안정되도록 확보하고, 임의의 시각의 ZMP가 보행과정에서 항상 안정된 구역 내에 처해 있도록 반드시 확보한다. 안정된 구역은 즉 버팀발이 조성한 돌출형 구역이 수평면 상에서의 투영이다.
아래에 3개 단계로 구분하여 이족 로봇이 1차의 완전한 보행과정에서 본 발명의 워킹 제어 방법을 응용하여 제어를 진행하는 구체적 실현과정을 설명하기로 한다.
(i)중간걸음 단계에서 무게중심의 운동궤적 제어
중간걸음 단계는 이족 로봇의 안정된 주기성 보행 단계이고, 하나의 완전한 1보는 한쪽 다리 지지기간(시간을 T1로 설정)과 양쪽 다리 지지기간(시간을 T2로 설정)으로 구분되고, 전체 중간걸음 단계는 다수의 주기성으로 나타내는 한쪽 다리 지지기간과 양쪽 다리 지지기간을 가진다. 본 실시예의 한쪽 다리 지지기간과 양쪽 다리 지지기간은 모두 선형 역진자 모형을 이용하여 무게중심의 궤적을 제어하여, 로봇 보행 시 안정성 조건(즉 ZMP는 항상 안정된 구역 내에 위치함)을 만족하도록 확보할 수 있다. 그러나 본 발명은 선형 역진자 모형에 한정되지 않고, 기타 모형을 이용하여 무게중심의 운동궤적을 연산할 수도 있다.
이족 로봇의 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 획득한 후, 이러한 운동궤적을 이용하여 무게중심이 중간걸음 단계 시작 시의 각 워킹 제어 파라미터의 수치를 획득하여 제1수치로 하고, 무게중심이 중간걸음 단계 종료 시의 각 위킹 제어 파라미터 수치를 획득하여 제2수치로 하며; 구체적으로, 이족 로봇의 아래와 같은 정보를 획득해야 한다. 무게중심은 중간걸음 단계 시작 시, 무게중심이 좌표계에서 x축 방향의 위치
Figure 112017128426397-pct00001
, 속도
Figure 112017128426397-pct00002
와 가속도
Figure 112017128426397-pct00003
이고, y축 방향의 위치
Figure 112017128426397-pct00004
, 속도
Figure 112017128426397-pct00005
와 가속도
Figure 112017128426397-pct00006
이고; 및 무게중심은 중간걸음 단계 종료 시, 무게 중심이 좌표계에서 x축 방향의 위치
Figure 112017128426397-pct00007
, 속도
Figure 112017128426397-pct00008
와 가속도
Figure 112017128426397-pct00009
이고, y축 방향의 위치
Figure 112017128426397-pct00010
, 속도
Figure 112017128426397-pct00011
와 가속도
Figure 112017128426397-pct00012
이다. 전체 중간걸음 단계에서 보행 안정성을 유지하려는 경우, 이족 로봇의 무게중심 높이는 변하지 않는 것으로 설정하고, 즉 무게중심이 z축 방향의 위치는 변하지 않고, 속도와 가속도는 모두 0이므로, z축 방향의 운동궤적은 미리 알 수 있다. 중간걸음 단계에서 무게중심 높이가 변화하는 상황에 대해, 중간걸음 단계의 시작 시와 종료 시의 무게중심의 높이(즉 z축 방향의 구체적 수치)를 획득해야 한다.
본 실시예에서, 상기 제1수치와 제2수치는 선형 역진자 모형의 연산 결과로부터 획득한다. 선형 역진자 모형의 구축 및 선형 역진자 모형을 이용하여 연산하는 것은 본 발명 실시예의 중점이 아니고, 종래기술 수단을 이용하여 실현할 수 있으며, 상세한 알고리즘은 더 기술하지 않고, 단지 간단히 설명하기로 한다. 이족 로봇 보행운동의 안정성을 향상시키기 위해, 이족 지지기간의 로봇을 하나의 가상의 선형 역진자 모형으로 간소화하고, 도5는 본 실시예에서 사용한 선형 역진자 모형 원리를 나타낸 개략도이고, 도5에서 도시한 바와 같이, 해당 모형은 로봇 운동의 ZMP점을 가상지점으로 하고, 로봇 무게중심(51)을 선형 역진자 모형의 질점으로 하고, 버팀발(52), 버팀발(53)은 양쪽 다리 지지기간 로봇의 2개 버팀발이고, ZMP점은 즉 역진자의 가상지점이고, 2개 버팀발 사이에 위치한다. 역진자 모형의 특징은 무게중심 높이가 항상 변하지 않고, 움직임 링크의 밑바닥은 모멘트를 제공하지 않는다. 즉 중간걸음 단계에서, 이족 로봇의 무게중심이 수직방향에서의 높이는 변하지 않고, 예정한 값 Hz이다.
본 실시예는 우선 양쪽 다리 지지기간 ZMP의 운동궤적을 계획하고, 다음 무게중심의 운동궤적을 구한다. 이렇게 ZMP가 순조롭게 그 전의 버팀발로부터 그 후의 버팀발로 이동하도록 확보하고, 또한 무게중심 속도변화의 연속성을 확보하여, 로봇 보행운동의 안정성을 증가할 수 있다.
도5에서 도시한 바와 같이, 양쪽 다리 지지기간에서 무게중심이 x축 방향과 y축 방향에서의 운동 방정식은 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00013
여기서, 식(1)의
Figure 112017128426397-pct00014
는 ZMP의 x축 좌표이고, 식(2)의
Figure 112017128426397-pct00015
는 ZMP의 y축 좌표이고, Hz는 무게중심이 중간걸음 단계에서의 높이이고, g는 중력가속도이다. 이족 로봇의 한쪽 다리 지지기간에서, 버팀발은 ZMP의 위치이고,
Figure 112017128426397-pct00016
,
Figure 112017128426397-pct00017
이다. 한쪽 다리 지지기간에서 무게중심이 x축 방향과 y축 방향에서의 운동 방정식은 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00018
양쪽 다리 지지기간에서, ZMP의 위치
Figure 112017128426397-pct00019
와
Figure 112017128426397-pct00020
는 로봇의 이족으로 조성된 지지구역 내에서 미리 합리한 계획을 진행해야 하고, 이로써 지지구역 내에서 순조롭게 이동할 수 있다. 또한 양쪽 다리 지지기간과 한쪽 다리 지지기간 사이의 경계조건의 제약관계, 즉 식(1), (2)와 식(3), (4) 사이의 경계가 연속을 유지하는 관계를 잘 처리해야 하며, 이로써 이들 사이가 순조롭게 과도하도록 확보할 수 있다.
상기 식(1) 내지 (4)를 이용하여 중간걸음 단계에서 양쪽 다리 지지기간 시작시각에서 무게중심이 x축 방향과 y축 방향에서의 궤적을 구하고, 또한 양쪽 다리 지지기간 시작시각에서 각 워킹 제어 파라미터, 위치, 속도와 가속도에 각각 대응되는 제1수치:
Figure 112017128426397-pct00021
,
Figure 112017128426397-pct00022
,
Figure 112017128426397-pct00023
,
Figure 112017128426397-pct00024
,
Figure 112017128426397-pct00025
와
Figure 112017128426397-pct00026
을 구하고, 및 한쪽 다리 지지기간 시작시각에서 각 워킹 제어 파라미터, 위치, 속도와 가속도에 각각 대응하는 제2수치:
Figure 112017128426397-pct00027
,
Figure 112017128426397-pct00028
,
Figure 112017128426397-pct00029
,
Figure 112017128426397-pct00030
,
Figure 112017128426397-pct00031
와
Figure 112017128426397-pct00032
을 구한 후, 획득된 제1수치와 제2수치를 시작걸음과 정지걸음 단계에서의 무게중심 운동궤적 제어에 이용한다.
(ii)시작걸음 단계에서의 무게중심 운동궤적 제어
시작걸음 단계는 로봇이 양쪽 발을 가지런히 모아서 정지 직립 상태로부터 시작하여 안정된 주기성을 가지는 중간걸음 워킹 상태 사이의 과도단계를 말한다. 해당 단계 시간을 T1로 정한다. 시작걸음 단계가 종료 시 무게중심이 만족하는 제1제약조건은, 제1전방향 제약조건(즉 x축 방향의 제약조건), 제1측방향 제약조건(즉 y축 방향의 제약조건)과 제1수직방향 제약조건(즉 z축 방향의 제약조건)을 포함한다.
z축방향에서 무게중심 운동궤적 제어
시작걸음 단계에서, 로봇은 정지로부터 보행속도로 가속되므로, 시스템 에너지 소모를 감소하기 위해, 역학적 에너지 보존법칙에 의해, 본 발명 실시예는 로봇의 중심을 낮추어, 위치에너지를 최대한 운동에너지로 전환시켜, 이로써 로봇은 더 신속히 중간걸음 단계(즉 1보 내에 걸음을 시작하는 효과를 실현)로 진입할 수 있다. 본 실시예에서, 희망하는 중간걸음 단계의 시작 시 무게중심의 초기속도(여기서 중간걸음 단계 시작 시는 시작걸음 단계와 연결한 가장 가까운 하나의 양쪽 다리 지지기간 시작시각을 가리킴), 및 운동에너지와 위치어네지의 전환관계를 기반으로, 이족 로봇의 무게중심이 시작걸음 단계의 종료 시 수직방향의 높이Hz를 연산한다. 구체적으로, 아래의 식(5)를 통해 우선 중심이 하강하려는 대략적인 거리Δz를 추정한다.
Figure 112017128426397-pct00033
여기서, 무게중심 시작걸음 단계의 초기속도v0=0이고, v1은 시작걸음 단계에서 무게중심의 최종속도이고, 또한 희망하는 중간걸음 단계 시작 시 무게중심의 초기속도(수치크기는 실제응용에 따라 설정함)이고, m는 로봇 질량이고, g는 중력가속도이다.
중간걸음 단계에서 선형 역진자 모형을 이용하여 무게중심 운동궤적을 연산하므로, 중간걸음 단계에서 무게중심의 높이는 변하지 않도록 유지해야 하고, 즉 시작걸음 단계 종료시각에 무게중심의 높이Hz와 같다. 무게중심이 제1수직방향에서의 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 무게중심의 최초높이와 같고, 속도 파라미터값은 0이고, 가속도 파라미터값은 0이며; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 무게중심이 시작걸음 단계 종료 시 수직방향의 높이Hz와 같고, 속도 파라미터값은 0이고, 가속도 파라미터값은 0이다. 이로부터 얻은 시작단계 종료시각에 z축 방향에서 로봇의 무게중심이 만족해야 할 제1제약조건은 다음과 같다:
Figure 112017128426397-pct00034
여기서,
Figure 112017128426397-pct00035
는 무게중심이 z축 방향에서의 위치이고,
Figure 112017128426397-pct00036
는 무게중심이 z축 방향에서의 속도이며,
Figure 112017128426397-pct00037
는 무게중심이 z축 방향에서의 가속도이고, t는 시간이며, Hz0은 이족 로봇 무게중심의 초기높이(즉 t가 0일 때의 높이)이고, Hz은 시작걸음 단계 종료시각(즉 t가 T1인 경우)에서 무게중심의 높이이다.
여기서 설명이 필요한 것은, 식(6)에서 무게중심이 시작걸음 단계에서의 종료시각의 높이Hz는 무게중심의 초기높이Hz0와 하강거리Δz의 차이값으로 확정할 수 있고, 또한 해당 차이값과의 차가 예정값 범위 내에 있는 하나의 값일 수도 있다. 즉, Hz의 구체적 수치는 Hz0에서 Δz을 덜어서 얻은 차이값일 수 있고, 또한 해당 차이값 부근의 하나의 값과 같을 수도 있으며, 이에 대해 제한하지 않으며, 하나의 비교적 바람직한 값을 획득하여 보행의 안정성을 확보하기만 하면 된다. 이해 가능한 것은, 각 워킹 제어 파라미터의 제1수치는 식(6)에서 각 등식 우측의 수치 부근의, 편차가 크지 않은 기타 수치를 취할 수 있다.
시작걸음 단계 종료시각에 무게중심이 z축 방향에서 만족하는 제1제약조건을 얻은 후, 다항식 보간법을 이용하여, 해당 제1제약조건을 기반으로 얻은 무게중심이 z축 방향에서의 궤적Z(t)은 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00038
여기서, a0 내지 a5은 구체적인 파라미터이고, 식(6)에서 대응하는 파라미터값을 식(7)에 대입하여 무게중심이 z축 방향에서의 시간t에 따라 변화하는 궤적을 연산하여 얻는다.
실제응용 시, 무게중심이 z축 방향에서 시간t의 변화에 따른 궤적을 연산하기 위해, 우선 식(7)에 대해 1차 도함수를 구하고, 얻은 무게중심이 Z방향에서의 속도는 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00039
그 다음, 다시 식(7.1)에 대해 1차 도함수를 구하고, 얻은 무게중심이 Z방향에서의 가속도는 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00040
식(6)에서 대응하는 파라미터값을 각각 식(7), 식(7.1)과 식(7.2) 에 대입하여, 6개 방정으로 조성된 연립방정식을 얻을 수 있고, 해당 연립방정식을 풀어서 파라미터a0, a1, a2, a3, a4와 a5을 구하고, 식(7)을 통해 무게중심이 z축 방향에서의 시간t에 따라 변화하는 궤적을 연산하여 얻는다.
x축 방향의 무게중심 운동궤적
x축 방향에서, 무게중심이 만족하는 제1전방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값, 속도 파라미터의 값과 가속도 파라미터의 값은 모두 0이고; 시작걸음 단계의 종료 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 전방향 제1수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 전방향 제1수치와 같으며; 가속도 파라미터의 값은 가속도 파라미터 전방향 제1수치와 같고, 즉 무게중심이 초기시각에서의 위치, 속도와 가속도는 모두 0이고, 시작걸음 단계의 종료시각에서, 무게중심은 지지점에서 가장 멀리 편이하고, 이때 로봇이 계속 안정된 조건(즉 ZMP점이 지지구역 내에 있음)을 확보하는 경우, 전체 시작걸음 단계에서 이족 로봇은 모두 안정된 것이다. 이로써 본 발명 실시예는 시작걸음 단계의 종료시각의 위치, 속도와 가속도를 중간걸음 단계의 양쪽 다리 지지기간의 초기위치, 속도와 가속도와 동일하게 설정하여, 시작걸음 단계의 워킹으로부터 중간걸음 단계 워킹 사이의 순조로운 과도를 확보할 수 있다. 중간걸음 단계에서 선형 역진자 모형을 이용하여 워킹 제어를 진행하는 것은 안정성 조건을 만족하는 것이므로, 시작걸음 단계도 안정성 조건을 만족하도록 확보할 수 있다. 이로부터 알 수 있다시피, 무게중심이 x축 방향에서 만족하는 제1제약조건은 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00041
여기서,
Figure 112017128426397-pct00042
,
Figure 112017128426397-pct00043
와
Figure 112017128426397-pct00044
는 각각 시작걸음 단계의 시작시각, 이족 로봇의 무게중심이 x축방향에서의 위치, 속도와 가속도이고;
Figure 112017128426397-pct00045
,
Figure 112017128426397-pct00046
와 은 시작걸음 단계의 종료시각에서 이족 로봇의 무게중심이 x축방향에서의 위치, 속도와 가속도이고,
Figure 112017128426397-pct00048
,
Figure 112017128426397-pct00049
와
Figure 112017128426397-pct00050
가 취한 값은 상기 중간걸음 단계에서 연산하여 얻은 무게중심이 양쪽 다리 지지기간의 시작시각에 x축 방향의 위치
Figure 112017128426397-pct00051
, 속도
Figure 112017128426397-pct00052
와 가속도
Figure 112017128426397-pct00053
이다.
시작걸음 단계의 종료시각에 무게중심이 x축 방향에서 만족하는 제1제약조건을 얻은 후, 다항식 보간법을 이용하여, 식(8)을 기반으로 얻은 무게중심이 x축 방향에서의 궤적X(t)은 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00054
여기서, b0 내지 b5는 구체적 파라미터이고, 식(8)에 대응하는 파라미터값을 식(9)에 대입하여 무게중심이 x축방향에서 시간t에 따라 변화하는 궤적을 연산하여 얻는다.
y축 방향의 무게중심 운동궤적
본 실시예에서 간편한 설명을 위해, 로봇 이족 사이의 거리를 W로 정한다. 무게중심이 만족하는 제1측방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 이족 사이의 거리의 절반과 같고, 속도 파라미터값은 0이고, 가속도 파라미터값은0이며; 시작걸음 단계가 종료 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 측방향 제1수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 측방향 제1수치와 같으며, 가속도 파라미터값은 가속도 파라미터 측방향 제1수치와 같으며; 즉 시작걸음 단계의 초기시각에서, 무게중심이 이족 거리의 중간위치에 있고, 속도와 가속도는 모두 0이다. 시작걸음 단계의 종료시각에서 무게중심은 지지점에서 가장 멀리 편이하고, 본 발명 실시예에서 y축 방향에서의 이때의 위치, 속도와 가속도는 중간걸음 단계의 양쪽 다리 지지기간 시작 시의 위치, 속도와 가속도와 동일하게 설치하여, 상호 지간의 순조로운 과도를 확보할 수 있으며, 시작걸음 단계도 안정성 조건을 만족하도록 확보할 수 있다. 이로써, 무게중심이 y축 방향에서 만족해야 할 제1제약조건은 다음과 같다:
Figure 112017128426397-pct00055
여기서,
Figure 112017128426397-pct00056
,
Figure 112017128426397-pct00057
와
Figure 112017128426397-pct00058
은 각각 시작걸음 단계의 초기시각에서 무게중심의 위치, 속도와 가속도이고,
Figure 112017128426397-pct00059
，
Figure 112017128426397-pct00060
와
Figure 112017128426397-pct00061
은 각각 시작걸음 단계 종료 시각에서 이족 로봇의 무게중심이 y축 방향에서의 위치, 속도와 가속도이고,
Figure 112017128426397-pct00062
，
Figure 112017128426397-pct00063
와
Figure 112017128426397-pct00064
이 취한 값은 상기 중간걸음 단계에서 연산하여 얻은 양쪽 다리 지지기간이 시작 시에 무게중심이 y축 방향에서의 위치
Figure 112017128426397-pct00065
, 속도
Figure 112017128426397-pct00066
와 가속도
Figure 112017128426397-pct00067
이다.
시작걸음 단계의 종료시각에서 무게중심이 y축 방향에서 만족하는 제1제약조건을 얻은 후, 다항식 보간법을 이용하여, 식(10)의 제약조건을 기반으로 얻은 무게중심이 y축 방향에서의 궤적y(t)는 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00068
여기서, c0 내지 c5는 구체적 파라미터이고, 식(10)에 대응하는 파라미터값을 식(11)에 대입하여 무게중심이 y축방향에서 시간t에 따라 변화하는 궤적을 연산하여 얻는다.
(iii)정지걸음 단계에서의 무게중심 운동궤적 제어
정지걸음 단계는 로봇이 안정된 주기성의 중간걸음 워킹 상태로부터 점차적으로 속도를 줄여, 안정된 정지 직립 상태까지 회복되는 과정을 말한다. 해당 단계 시간을 T1로 정한다. 무게중심이 만족해야 할 제2제약조건은, 제2전방향 제약조건(즉 x축 방향의 제약조건), 제2측방향 제약조건(즉 y축 방향의 제약조건)과 제2수직방향 제약조건(즉 z축 방향의 제약조건)을 포함한다.
z축 방향에서의 무게중심 운동궤적
정지걸음 단계에서, z축 방향에서, 무게중심의 제2수직방향 제약조건은 하기 내용을 포함한다: 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 시작걸음 단계가 종료 시 수직방향의 높이Hz와 같고, 속도 파라미터값은 0이고, 가속도 파라미터값은 0이며; 정지걸음 단계가 종료 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 무게중심의 초기높이이고, 속도 파라미터값은 0이며, 가속도 파라미터값 0이다. 로봇은 중간걸음 단계의 보행속도를 0까지 감소하려고 하므로, 걸음정지 과정을 가속화 하기 위해, 정지걸음 단계와 시작걸음 단계의 에너지 전환방향은 상반되고, 역학적 에너지 보존법칙에 의해, 본 발명 실시예는 로봇의 중심을 높여서, 즉 중간걸음 단계의 무게중심 높이Hz를 시작걸음 시작 시의 높이Hz0까지 높여서, 운동 에너지를 최대한 위치 에너지로 전환시켜, 로봇이 더 신속히 안정된 정지상태(즉 1보 내에 걸음 정지하는 유리한 효과를 실현)로 진입하게 한다.
Z축 방향에서, 보행의 안정성을 실현하기 위해, 본 발명 실시예는 정지걸음 단계의 초기시각의 위치, 속도와 가속도를 중간걸음 단계의 종료시각（즉 한쪽 다리 지지기간 시작 시）의 무게중심의 위치, 속도와 가속도와 동일하게 설정한다. 이로써 얻은 정지걸음 단계의 시작시각에서 로봇 무게중심이 z축 방향에서 만족해야 할 제2제약조건은 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00069
여기서,
Figure 112017128426397-pct00070
, 와
Figure 112017128426397-pct00072
은 각각 정지걸음 단계의 초기시각에서 무게중심이 z축 방향에서의 위치, 속도와 가속도이고,
Figure 112017128426397-pct00073
,
Figure 112017128426397-pct00074
와
Figure 112017128426397-pct00075
은 각각 정지걸음 단계의 종료시각에서 이족 로봇의 무게중심이 z축 방향에서의 위치, 속도와 가속도이고, Zc는 정지걸음 단계에서 초기시각의 무게중심 높이(중간걸음 단계에서 무게중심의 높이Hz와 같을 수 있음)이고, Zc0은 정지걸음 단계에서 이족 로봇이 가장 초기의 안정 직립 상태의 무게중심 높이(시작걸음 단계에서 무게중심의 초기높이Hz0와 같을 수 있음)이다. 설명이 필요한 것은, 각 워킹 제어 파라미터의 제2수치도 식(12)의 각 등식 우측의 수치 부근이고 또한 편차가 크지 않은 기타 수치를 취할 수도 있으며, 식(12)의 각 등식 우측에 열거된 수치에 한하지 않는다.
정지걸음 단계의 시작시각에서 무게중심이 z축 방향에서 만족하는 제2제약조건을 얻은 후, 다항식 보간법을 이용하여, 제약조건(12)을 기반으로 얻은 무게중심이 z축 방향에서의 궤적Z(t)는 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00076
여기서,
Figure 112017128426397-pct00077
내지
Figure 112017128426397-pct00078
은 구체적인 파라미터이고, 식(12)에서 대응하는 파라미터값을 식(13)에 대입하여 무게중심이 z축 방향에서 시간t에 따라 변화하는 궤적을 연산하여 얻는다.
x축 방향에서 무게중심의 운동궤적
x축 방향에서, 무게중심의 제2전방향 제약조건은 아래 내용을 포함한다: 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 전방향 제2수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 전방향 제2수치와 같으며, 가속도 파라미터의 값은 가속도 파라미터 전방향 제2수치와 같고; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값과 속도 파라미터값, 가속도 파라미터값은 모두 0과 같다. 본 발명 실시예에서 무게중심이 정지걸음 단계의 초기시각의 위치, 속도와 가속도를 각각 중간걸음 단계의 양쪽 다리 지지기간의 종료시각의 위치, 속도와 가속도와 동일하게 설정하고, 대칭성과 연속성을 기반으로, 다시 말하면 각각 중간걸음 단계에서 한쪽 다리 지지기간의 시작시각의 위치, 속도와 가속도와 동일하여, 상호 사이의 안정된 과도를 확보하고, 또한 정지걸음 단계에서 안정성 조건을 만족하도록 확보할 수 있다. 정지걸음 단계의 종료시각에서의 무게중심의 위치, 속도와 가속도는 모두 0이므로, 안정된 정지 직립 상태로 회복할 수 있다. 이로부터 알 수 있다시피, 무게중심이 정지걸음 단계의 시작시각에서 만족하는 제2제약조건은 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00079
여기서, 정지걸음 단계의 시작시각에서의 무게중심의 위치
Figure 112017128426397-pct00080
, 속도
Figure 112017128426397-pct00081
와 가속도
Figure 112017128426397-pct00082
가 취한 값은 각각 상기 중간걸음 단계에서 연산된 한쪽 다리 지지기간의 시작시각에서 무게중심이 x축 방향에서의 위치
Figure 112017128426397-pct00083
, 속도
Figure 112017128426397-pct00084
와 가속도
Figure 112017128426397-pct00085
이다. 정지걸음 단계의 종료시각에서 무게중심의 위치
Figure 112017128426397-pct00086
는 0이고, 속도
Figure 112017128426397-pct00087
는 0이며, 가속도
Figure 112017128426397-pct00088
는 0이다.
x축 방향에서 무게중심이 정지걸음 단계의 시작시각에서 만족하는 제2제약조건을 얻은 후, 다항식 보간법을 이용하여, 식(14)의 제약조건을 기반으로 얻은 무게중심이 x축 방향에서의 궤적X(t)은 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00089
여기서,
Figure 112017128426397-pct00090
내지
Figure 112017128426397-pct00091
는 구체적 파라미터이고, 식(14)에 대응하는 파라미터값을 식(15)에 대입하여 무게중심이 x축 방향에서 시간t에 따라 변화하는 궤적을 연산하여 얻는다.
y축 방향에서 무게중심의 운동궤적
y축 방향에서, 무게중심의 제2측방향 제약조건은 아래 내용을 포함한다: 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 측방향 제2수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 측방향 제2수치와 같으며, 가속도 파라미터의 값은 가속도 파라미터 측방향 제2수치와 같고; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇의 이족 사이 거리의 절반과 같고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0이다. 본 발명 실시예에서 무게중심이 정지걸음 단계의 시작시각의 위치, 속도와 가속도를 각각 중간걸음 단계의 양쪽 다리 지지기간의 종료시각의 위치, 속도와 가속도와 동일하게 설정하고, 대칭성과 연속성을 기반으로, 다시 말하면 각각 중간걸음 단계에서 한쪽 다리 지지기간의 시작시각의 위치, 속도와 가속도와 동일하여, 상호 사이의 안정된 과도를 확보하고, 또한 정지걸음 단계에서 안정성 조건을 만족하도록 확보할 수 있다. 정지걸음 단계의 종료시각에서의 무게중심이 이족 거리의 중간위치에 위치하고, 속도와 가속도는 모두 0으로써, 안정된 정지 직립 상태로 회복한다. 이로부터 알 수 있다시피, 정지걸음 단계의 시작시각에서 무게중심이 y축 방향에서 만족하는 제2제약조건은 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00092
여기서, 정지걸음 단계의 시작시각에서의 무게중심의 위치
Figure 112017128426397-pct00093
, 속도
Figure 112017128426397-pct00094
와 가속도
Figure 112017128426397-pct00095
는 각각 상기 중간걸음 단계에서 연산된 한쪽 다리 지지기간의 시작시각에서 무게중심이 y축 방향에서의 위치
Figure 112017128426397-pct00096
, 속도
Figure 112017128426397-pct00097
와 가속도
Figure 112017128426397-pct00098
과 같다.
y축 방향에서, 무게중심이 정지걸음 단계의 시작시각에서 만족하는 제2제약조건을 얻은 후, 다항식 보간법을 이용하여, 식(16)의 제약조건을 기반으로 얻은 무게중심이 y축 방향에서의 궤적y(t)은 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00099
여기서,
Figure 112017128426397-pct00100
내지
Figure 112017128426397-pct00101
는 구체적 파라미터이고, 식(16)에 대응하는 파라미터값을 식(17)에 대입하여 무게중심이 y축 방향에서 시간t에 따라 변화하는 궤적을 연산하여 얻는다.
이렇게, 이족 로봇의 무게중심이 중간걸음 단계, 시작걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 얻을 수 있다.
설명이 필요한 것은, 상기 실시예에서, 워킹 제어 파라미터는 위치, 속도, 가속도를 포함하는 것에 대해 예시적 설명을 진행하고, 본 발명의 기타 실시예에서는, 워킹 제어 파라미터는 위치와 속도를 포함할 수 있으며, 워킹 제어 파라미터가 위치와 속도일 때, 위치 파라미터와 속도 파라미터는 이족 로봇이 보행 시 전방향, 측방향과 수직방향에서의 3개 방향 성분을 모두 포함하고; 구체적인 연산과정은 상기 실시예의 관련서술을 참조하면 되고, 여기서는 더 기술하지 않는다.
본 발명의 다른 실시예는 무게중심의 운동궤적을 기반으로 양쪽 다리의 각 관절점의 운동에 대해 제어한다. 이족 로봇 보행의 안정성을 더한층 실현하기 위해, 해당 방법은 아래 내용을 포함한다: 이족 로봇의 발목관절의 희망 운동높이를 기반으로, 양쪽 다리 발목관절이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 연산하고, 발목관절의 운동궤적을 이용하여, 발목관절이 각 단계에서의 희망 각도궤적을 연산하고, 및 이족 로봇이 각 단계에서의 무게중심, 무릎관절과 발목관절 사이의 구조위치 관계 및 보행 시 무게중심과 발목관절이 각 단계에서의 운동궤적을 기반으로, 무릎관절이 각 단계에서의 운동궤적을 연산하여 얻으며; 무릎관절이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 이용하여, 무릎관절이 각 단계에서의 희망 각도궤적을 연산한다.
이족 로봇의 움직임 다리를 흔드는 과정에서, 움직임 다리의 발목관절은 반드시 3개 관건점, 즉 초기점, 최고점과 중지점을 경과한다. 이 3개점의 위치, 속도와 가속도 제약조건을 기반으로, 앞의 내용과 유사하게, 다항식 보간법을 응용하여 움직임 다리 발목관절의 운동궤적을 구할 수 있다.
구체적으로, 도6은 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 버팀 다리의 전방향을 나타낸 개략도이고, 도7은 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 움직임 다리의 전방향을 나타낸 개략도이며, 도6과 도7에서 도시한 바와 같이, 전방향 평면(즉 로봇 운동 시 xoz평면 내의 투영)에서, Lc는 이족 로봇의 무게중심에서 고관절까지의 거리를 표시하고, Lk는 고관절로부터 무릎관절까지의 거리이고, La는 무릎관절로부터 발목관절까지의 거리를 표시하며, 도6의 Hh, 도7의 Hh1는 고관절로부터 발목관절까지의 거리를 표시한다. 이러한 거리 및 고관절, 무릎관절, 발목관절 사이의 기하학적 관계는 로봇의 디자인 구조를 기반으로 미리 획득 가능한 것이고, 이로써, 로봇 버팀다리의 기하학적 관계를 기반으로 또한 무게중심의 운동궤적, 발목관절의 운동궤적을 결합하여 버팀다리의 각 관절각도: 발목관절 관절각도 θa, 무릎관절 관절각도 θk와 고관절 관절각도 θh 및 각도가 시간에 따라 변화하는 궤적을 얻는다. 이해 가능한 것은, 도6과 도7의 α(즉 고관절로부터 발목관절까지의 연결선과 y축 사이의 협각), αa, αh, αk 및 αa1, αh1, αk1는 중간 연산과정에서 이용되는 보조적 연산각도이다.
도8은 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 양쪽 다리의 측방향을 나타낸 개략도이고, 유사하게, 도8에서 도시한 바와 같이, 측방향 평면(즉 로봇 운동이 yoz평면 내에서의 투영)에서, 무게중심(도8에서 나타낸 블랙 실심 동그라미)이 이족 로봇의 이족 사이 거리의 절반W/2에 있고, 무게중심과 고관절의 거리는 Zch이고, 고관절로부터 발목관절의 거리는 Zce이며, 고관절이 버팀발에 대응하는 y좌표는 yce이다. 로봇을 안정하게 보행하도록 하기 위해, 상체는 수직을 유지시키고, 발바닥은 수평을 유지시켜, 전시(foresight) 평면 보행을 자유도 문제로 간소화 하였다. 워킹과 관련된 각도는 발목관절의 굴림(x축을 돌아 회전함) 자유도와 고관절의 굴림 자유도이다. 두개 발목관절 각도 크기, 방향이 일치하고, 두개 고관절 각도 크기가 동일하며, 방향은 발목관절과 상반된다. 다리부분의 기하학적 관계를 기반으로, 무게중심의 운동궤적과 발목관절의 운동궤적은 움직임 다리부의 각 관절각도: 발목관절 관절각도θa1, 무릎관절 관절각도θk1와 고관절 관절각도θh1 및 각도가 시간에 따라 변화하는 궤적을 얻을 수 있다. 이해 가능한 것은, 도8에서 각도θ와 θce는 로봇 보행 시 고관절과 발목관절의 연결선과 수직방향의 좌우협각이고, 보조적 연산각도이다.
도6 내지 도8을 결합하여, 이족 로봇 발목관절의 희망 운동 높이를 기반으로, 발목관절이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 연산하는 연산과정은, 발목관절의 희망 운동높이(예를 들면, Hh)를 미리 설정하고, 이러한 높이는 발목관절 운동의 최고점이고, 발목관절 시작점의 위치, 속도와 가속도는 모두 0이고, 중지점의 위치, 속도와 가속도는 모두 0이며, 최고점의 위치는 Hh이고, 속도와 가속도는 0이다. 이러한 수치를 기반으로 발목관절이 만족하는 제약조건을 연산하고, 제약조건을 기반으로, 다항식 보간법을 응용하여 발목관절이 시작점으로부터 최고점까지의 운동궤적, 및 최고점으로부터 중지점까지의 운동궤적을 연산하여 얻는다. 본 실시예에서, 보행 시 무게중심과 발목관절이 각 단계에서의 운동궤적을 기반으로, 매개 시각 무게중심과 발목관절이 위치한 공간위치를 획득하고, 로봇의 무게중심과 고관절의 기하학적 위치 관계를 기반으로 고관절의 공간위치를 얻으며, 또한 이족 로봇의 고관절, 무릎관절과 발목관절 사이의 구조위치관계를 기반으로, 허벅지 종아리 길이 등 구조 파라미터를 결합하여, 삼각 기하학적 관계를 이용하여 무릎관절의 위치와 각도를 연산하여 얻으며, 더 나아가 무릎관절이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 얻고, 동시에 무릎관절이 각 단계에서의 희망 각도궤적을 얻는다.
여기서 설명이 필요한 것은, 본 발명의 일 실시예에서 삼각 기하관계를 통해 이족 로봇 다리부 발목관절, 무릎관절과 고관절의 관절각도를 연산하고, 본 발명의 기타 실시예에서도 기타 알고리즘을 이용하여 상기 연산과정을 완성할 수 있으며, 이족 로봇 다리부 관절 및 고관절의 희망각도를 연산할 수만 있으면 된다. 기타 알고리즘은 예를 들면, 역 운동학 분석이다. 역 운동학은 기지의 말단 액추에이터의 위치와 자태를 기반으로, 해당된 관절변수를 구하는 것이고, 종래의 기술수단은 여러 가지 연산수단(예를 들면, 분석법, 기하법, 기하 분석법과 수치해법)을 제공하고, 종래기술 수단을 통해 고관절의 운동궤적을 기반으로 고관절의 희망 각도궤적(즉 고관절의 관절각도가 시간에 따라 변화하는 궤적)을 얻는 것을 실현하고, 본 발명 실시예는 역 운동학 분석방법에 대해 제한하지 않는다. 이외에 희망 각도궤적을 어떻게 구하는 것은 본 발명 실시예의 중점이 아니고, 구체적으로 실현 시 역 운동학 분석 중의 어느 하나의 수단을 사용하여도 되므로, 여기서 더 기술하지 않는다. 따라서, 본 실시예는 다항식 보간법을 이용하여 무게중심의 운동궤적, 및 고관절 발목관절 각자의 운동궤적을 연산하지만, 본 발명 기술수단에서 무게중심과 고관절, 발목관절 운동궤적의 연산은 본 실시예의 다항식 보간법에 한하지 않는다. 또한 기타 실현 가능한 연산방법을 이용할 수도 있다. 양쪽 다리 발목관절, 무릎관절 및 이족 로봇의 고관절의 희망 각도궤적을 연산하여 얻은 후, 고관절, 발목관절과 무릎관절 중의 하나 또는 다수를 선정하여 제어점으로 하고; 이족 로봇이 보행 시, 실시간으로 제어점(예를 들면 발목관절, 무릎관절과 고관절)의 회전각을 검측하여, 발목관절, 무릎관절과 고관절이 각 단계에서의 희망 각도궤적을 이용하여 각각 검측된 고관절, 발목관절의 회전각에 대해 자기적응 추적제어를 진행하여, 이족 로봇의 안정된 보행을 실현한다.
도10은 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 관절 각도 제어 구조를 나타낸 개략도이고, 도10에서, θd는 희망 관절각도이고, θr는 실제로 검측된 관절각도이며, kp는 비례계수이고, kd는 미분계수이며, τ는 회전 모멘트이다. 도10에서 도시한 바와 같이, 본 실시예에서 고관절을 예로 예시적 설명을 하고, 로봇 보행 각 단계에서 고관절의 희망 각도를 얻은 후, 모멘트 제어를 진행하여, 검측된 고관절 회전각을 직접 피드백으로 하여, 상기 각 단계에서의 워킹에 수요되는 관절각도(희망 각도)와의 차이를 구한 후, 비례 적분 미분 PID 제어기(PID, 즉 비례proportion, 적분integration, 미분differentiation) 또는 비례 미분 PD제어기(PD, 즉 비례proportion, 미분differentiation)를 이용하여 제어를 진행하며, 이족 로봇의 고관절의 입력토크를 출력하여, 로봇의 고관절의 운동을 구동함으로써 안정된 보행의 목적에 도달하고, 본 발명 실시예의 수단은 모멘트 제어의 수단을 통해 이족 로봇의 비선형 연결(coupling) 시스템을 선형 다변수 분리(decoupling) 시스템으로 간소화 하였다. 구체적인 실시에서 이족 로봇의 매개 관절에 대해 단독적인 PID 또는 PD제어기를 이용하여, 이로써 각 관절에 대한 희망 각도의 추적제어를 실현할 수 있고, 최종적으로 로봇이 설정된 워킹으로 안정하게 운행하는 것을 실현하였다.
여기서 설명이 필요한 것은, 비례 적분 미분 PID제어기 또는 비례 미분 PD의 구체적인 작동원리는 기존의 기술수단을 참조할 수 있고, 여기서 더 기술하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서, 이족 로봇의 위킹을 더 잘 의인화하여, 안정성을 증가하기 위하여, 로봇의 양쪽 팔도 다리부와 배합하여 전후로 움직여야 하고, 두 다리의 교체적 움직임과 상호 대칭된다. 이로써, 해당 워킹 제어방법은 아래 내용을 더 포함한다: 이족 로봇의 어깨관절이 움직이는 각도의 제어 파라미터: 각변위, 각속도와 각가속도를 선정하고; 각각 이족 로봇의 중간걸음 단계에서의 움직임 다리가 움직이는 시작시각과 종료시각, 움직임 다리가 대응하는 어깨관절이 희망하는 각변위값, 각속도값과 각가속도값을 기반으로, 움직임 다리가 대응하는 어깨관절이 만족해야 할 각도 제약조건을 설정하고; 각도 제약조건을 기반으로, 다항식 보간법을 이용하여 중간걸음 단계에서의 어깨관절 움직임의 희망 각도궤적을 연산하고; 이족 로봇의 중간걸음 단계에서의 움직임 다리가 움직이는 시작시각, 움직임 다리가 대응하는 어깨관절이 희망하는 각변위값, 각속도값과 각가속도값을 이용하여, 시작걸음 단계의 어깨관절이 만족해야 하는 각도 제1제약조건, 및 정지걸음 단계의 어깨관절이 만족해야 하는 각도 제2제약조건을 설정하고; 각도 제1제약조건, 각도 제2제약조건을 기반으로, 다항식 보간법을 이용하여 시작걸음 단계의 어깨관절 움직임의 희망 각도궤적과 정지걸음 단계의 어깨관절 움직임의 희망 각도궤적을 연산하고; 이족 로봇이 보행 시, 실시간으로 어깨관절의 회전각을 검측하고, 어깨관절이 상기 각 단계에서의 희망 각도궤적을 이용하여 검측된 어깨관절의 회전각에 대해 자기적응 추적제어를 진행하여, 이족 로봇이 안정된 보행 시 양쪽 팔과 다리부의 운동이 조화롭고, 더 의인화 되는 것을 실현한다.
도9는 본 발명의 일 실시예의 이족 로봇의 어깨관절 움직임 각도를 나타낸 개략도이고, 구체적으로 중간걸음 단계의 하나의 1보 주기T=T1+T2에서, 도9에서 도시한 바와 같이, 오른쪽 다리가 움직임 다리라고 가정하면, 오른쪽 어깨관절(91)은 1보 주기의 시작시각과 종료시각에서 각각 움직임 각도의 최대치와 최소치에 도달하고, 얻은 각도 제약조건은 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00102
여기서,
Figure 112017128426397-pct00103
은 중간걸음 단계의 1보 주기의 시작시각에서 오른쪽 어깨관절이 움직인 각변위이고,
Figure 112017128426397-pct00104
은 각속도를 표시하고,
Figure 112017128426397-pct00105
은 각가속도를 표시하며,
Figure 112017128426397-pct00106
은 중간걸음 단계의 1보 주기의 종료시각에서 오른쪽 어깨관절이 움직인 각변위이고,
Figure 112017128426397-pct00107
은 각속도를 표시하고,
Figure 112017128426397-pct00108
은 각가속도를 표시한다. 여기서, θmax는 희망하는 움직임 각도의 최대치이고, -θmax는 희망하는 움직임 각도의 최소치이며, 여기서의 마이너스 기호는 방향을 표시한다.
식(18)의 각도 제약조건을 기반으로 얻은 중간걸음 단계의 오른쪽 어깨관절이 움직인 희망 각도궤적은 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00109
식(19)의 d0 내지 d5는 파라미터이고, 식(18)에서 대응되는 파라미터값을 식(19)에 대입하여, 희망 각도궤적을 연산하여 얻을 수 있다.
왼쪽 어깨관절이 움직인 각도는 그 전후와 상호 대칭된다.
시작걸음 단계에 있어서, 어깨관절 움직임 각의 초기값은 0이고, 정지걸음 단계에 있어서, 어깨관절 움직임 각의 최종값은 0이며, 중간걸음 워킹의 움직임 각과 연결되어야 하며, 제1각도 제약조건과 제2각도 제약조건을 얻은 후, 유사하게 시작걸음과 정지걸음 단계의 어깨관절 움직임 각의 희망 각도궤적을 얻을 수 있다. 구체적으로, 시작걸음 단계의 종료시각에서, 오른쪽 어깨관절 움직임 각이 만족하는 제1각도 제약조건은 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00110
식(20)의 제1각도 제약조건을 기반으로 시작걸음 단계의 오른쪽 어깨관절이 움직이는 희망 각도궤적은 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00111
식(20)의 제1각도 제약조건 중의 파라미터값을 식(21)에 대입하여, 시작걸음 단계에서의 오른쪽 어깨관절 움직임 각이 시간에 따라 변화하는 궤적을 얻을 수 있다.
정지걸음 단계의 시작시각에서 오른쪽 어깨관절의 움직임 각이 만족하는 제2각도 제약조건은 아래와 같다:
Figure 112017128426397-pct00112
식(22)의 제2각도 제약조건을 기반으로 얻은 정지걸음 단계의 시작시각에서 오른쪽 어깨관절이 움직이는 희망 각도궤적은 아래와 같다:
왼쪽 어깨관절 움직임의 각도는 그 전후와 상호 대칭된다. 구체적으로 연산과정은 상기의 중간걸음 단계의 하나의 1보 주기 내에 각도궤적 부분의 설명을 참조하고, 여기서 더 기술하지 않는다.
상기 실시예의 설명을 통해 알 수 있다시피, 기존의 수단에 존재하는 시작걸음 단계와 정지걸음 단계의 워킹 안정 차이에 있어서, 쉽게 로봇 보행이 안정성을 잃게 하여, 로봇의 워킹에 영향을 주는 문제를 초래한다. 본 발명 실시예는 이족 로봇이 중간걸음 단계에 진입한 후, 선형 역진자 모형을 이용하여 로봇 무게중심 위치에 대해 제어(즉 각 워킹 제어 파라미터의 제1수치와 제2수치를 구함)를 진행하여, 보행의 안정성을 증가하고, 주기 보행의 중간걸음 단계에서 버팀다리를 순간 전환하여 조성된 불안정과 로봇에 대해 조성된 충격을 방지할 수 있다. 이에 이어, 다항식 보간법을 이용하여, 각 워킹 제어 파라미터에 대응한 제1수치와 제2수치를 기반으로 각각 무게중심이 시작걸음 단계에서 만족하는 제1제약조건과 정지걸음 단계에서 만족하는 제2제약조건을 확정하여, 이족 로봇의 시작걸음과 정지걸음 단계의 무게중심의 운행궤적에 대해 모두 제어를 진행하고, 이족 로봇의 보행을 제어하여, 이족 로봇이 보행 시 무게중심의 운동궤적이 무게중심이 시작걸음 단계, 중심걸음 단계와 정지걸음 단계의 각 운동궤적을 만족하게 하고, 이족 로봇의 안정된 보행을 실현한다. 나아가, 본 수단은 로봇 위치에너지가 전환한 운동에너지를 기반으로, 시작걸음 단계가 1보 내에 정상적인 중간걸음 워킹 상태로 진입하는 것을 실현하고, 및 운동에너지를 위치에너지로 전환하여, 정지걸음 단계에서 1보 내에 걸음정지 과정을 완성하고, 또한 시작걸음 단계, 정지걸음 단계가 각각 중간걸음 워킹과 연속적으로 연결하도록 하여, 안정된 보행조건을 만족하여, 보행과정에서 고 효율적이고 안정하게 시작하고 종료하는 것을 실현할 수 있다. 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계의 무게중심의 궤적을 얻은 후, 로봇의 구조특징 및 역운동학적 분석을 통해 양쪽 다리 고관절, 무릎관절과 발목관절의 관절 회전각을 연산한다. 마지막으로, 이족 로봇의 각 관절 회전각에 대한 제어를 통해, 보행 시 무게중심의 안정성을 더 한층 확보하고, 이족 로봇 보행의 안정성을 실현한다.
본 발명의 다른 하나의 실시예에서, 이족 로봇의 워킹 제어장치를 더 제공하고, 해당 장치는,
이족 로봇의 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 워킹 제어 파라미터를 선정하고, 이족 로봇의 ZMP가 안정된 구역 내에 위치할 때, 이족 로봇의 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 획득하도록 구성된 무게중심 중간걸음 단계 궤적 획득 유닛; 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 기반으로, 무게중심이 중간걸음 단계에서 시작 시의 각 워킹 제어 파라미터의 제1수치와 무게중심이 중간걸음 단계에서 종료 시의 각 워킹 제어 파라미터의 제2수치를 획득하도록 구성된 파라미터값 획득 유닛; 제1수치를 이용하여 시작걸음 단계가 종료 시 무게중심이 만족해야 할 제1제약조건을 설정하고, 제2수치를 이용하여 정지걸음 단계가 시작 시 무게중심이 만족해야 할 제2제약조건을 설정하도록 구성된 제약조건 설정 유닛; 제1제약조건과 제2제약조건을 기반으로, 무게중심이 시작걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 각각 연산하도록 구성된 무게중심 시작걸음 정지걸음 단계 궤적 연산 유닛; 이족 로봇의 보행을 제어하여, 이족 로봇이 보행 시 무게중심의 운동궤적이 무게중심이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 각 운동궤적을 만족하게 하여, 이족 로봇의 안정한 보행을 실현하도록 구성된 무게중심 궤적 제어 유닛을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 무게중심 궤적 제어 유닛은, 발목관절 궤적 연산 모듈, 고관절 궤적 연산 모듈, 관절각도 연산 모듈과 관절각도 제어 모듈을 포함하고; 발목관절 궤적 연산 모듈은 이족 로봇 발목관절의 희망 운동 높이를 기반으로, 양쪽 다리 발목관절이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 연산하도록 구성되고; 고관절 궤적 연산 모듈은 무게중심이 각 단계에서의 운동궤적을 기반으로 이족 로봇의 고관절이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 연산하도록 구성되며; 관절각도 연산 모듈은 고관절 및 발목관절이 각 단계에서의 운동궤적, 이족 로봇 다리부의 구조 위치관계와 다리부 길이 수치를 이용하여, 고관절, 발목관절, 무릎관절이 각 단계에서의 희망 각도궤적을 연산하도록 구성되며; 관절각도 제어 모듈은 고관절, 발목관절과 무릎관절 중의 한 개 또는 다수 개를 선정하여 제어점으로 하도록 구성되고; 이족 로봇이 보행 시, 실시간으로 제어점의 회전각을 검측하고, 제어점이 상기 각 단계에서의 희망 각도궤적을 이용하여 검측된 제어점의 회전각에 대해 자기적응 추적 제어를 진행하여, 이족 로봇이 보행 시 무게중심의 운동궤적이 무게중심이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 각 운동궤적을 만족하게 한다.
본 실시예에서, 워킹 제어 파라미터의 매개 파라미터는 모두 이족 로봇이 보행 시 전방향, 측방향과 수직방향의 3개 방향 성분을 포함하고; 여기서, 해당 워킹 제어 파라미터는 위치와 속도를 포함하며, 또는 해당 워킹 제어 파라미터는 위치, 속도와 가속도를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 무게중심 중간걸음 단계 궤적 획득 유닛은, 구체적으로 획득된 워킹 제어 파라미터의 매개 파라미터가 모두 이족 로봇 보행 시 전방향, 측방향과 수직방향의 3개 방향 성분을 포함하도록 하는데 사용되고; 여기서, 해당 워킹 제어 파라미터는 위치와 속도를 포함하고, 또는 해당 워킹 제어 파라미터는 위치, 속도와 가속도를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 무게중심 시작걸음 정지걸음 단계 궤적 연산 유닛은, 또한 희망하는 중간걸음 단계의 시작 시 무게중심의 초기속도, 및 운동 에너지와 위치에너지의 전환관계를 기반으로, 이족 로봇의 무게중심이 시작걸음 단계의 종료 시 수직 방향에서의 높이Hz를 연산하도록 구성되고;
무게중심 중간걸음 단계 궤적 획득 유닛은, 획득된 이족 로봇의 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적이 아래의 조건: 무게중심이 중간걸음 단계의 시작 시 및 중간걸음 단계의 종료 시 수직방향의 높이는 모두 Hz인 것을 만족한다.
본 발명 실시예에서, 파라미터값 획득 유닛은, 또한 이족 로봇의 어깨관절 움직임의 각도 제어 파라미터: 각변위, 각속도와 각가속도를 선정하도록 구성되고;
제약조건 설정 유닛은, 또한 각각 이족 로봇이 중간걸음 단계에서 운직임 다리의 움직임의 시작시각과 종료시각, 움직임 다리에 대응하는 어깨관절이 희망하는 각변위값, 각속도값과 각가속도값을 기반으로, 움직임 다리에 대응하는 어깨관절이 만족해야 할 각도 제약조건을 설정하도록 구성되며;
무게중심 시작걸음 정지걸음 단계 궤적 연산 유닛은, 또한 각도 제약조건을 기반으로, 다항식 보간법을 이용하여 중간걸음 단계의 어깨관절 움직임의 희망 각도궤적을 연산하도록 구성되고; 제약조건 설정 유닛은, 이족 로봇이 중간걸음 단계에서 움직임 다리의 움직임의 시작시각, 움직임 다리에 대응하는 어깨관절이 희망하는 각변위값, 각속도값과 각가속도값을 이용하여, 시작걸음 단계에서 어깨관절이 만족해야 할 각도 제1제약조건, 및 정지걸음 단계 어깨관절이 만족해야 할 각도 제2제약조건을 설정하도록 구성되며; 무게중심 시작걸음 정지걸음 단계 궤적 연산 유닛은, 또한 각도 제1제약조건, 각도 제2제약조건을 기반으로, 다항식 보간법을 이용하여 시작걸음 단계에서 어깨관절 움직임의 희망 각도궤적과 정지걸음 단계에서 어깨관절 움직임의 희망 각도궤적을 연산하도록 구성되며; 무게중심 궤적 제어 유닛은, 또한 이족 로봇 보행 시, 실시간으로 어깨관절 회전각을 검측하고, 어깨관절을 이용하여 상기 각 단계의 희망 각도궤적을 이용하여 검측된 어깨관절의 회전각에 대해 자기적응 추적 제어를 진행하여, 이족 로봇의 안정된 보행을 실현하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 무게중심 중간걸음 단계 궤적 획득 유닛이 선정한 워킹 제어 파라미터가 위치와 속도일 때, 위치 파라미터와 속도 파라미터는 모두 이족 로봇 보행 시 전방향, 측방향과 수직방향의 3개 방향 성분을 포함하고; 시작걸음 단계 종료 시, 무게중심이 만족하는 제1제약조건은 제1전방향 제약조건, 제1측방향 제약조건과 제1수직방향 제약조건을 포함하며;
제1전방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값과 속도 파라미터값은 모두 0이고; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 전방향 제1수치이고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 전방향 제1수치인 것을 포함하고; 제1측방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 이족 거리의 절반과 같고, 속도 파라미터값은 0이고; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 측방향 제1수치이고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 측방향 제1수치인 것을 포함하고; 제1수직방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 무게중심의 초기높이이고, 속도 파라미터값은 0이며; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 무게중심이 시작걸음 단계 종료 시 수직방향의 높이Hz이고, 속도 파라미터값은 0인 것을 포함하며; 제2제약조건은 제2전방향 제약조건, 제2측방향 제약조건과 제2수직방향 제약조건을 포함하고; 제2전방향 제약조건은 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 전방향 제2수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 전방향 제2수치와 같으며; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값과 속도 파라미터값은 모두 0과 같은 것을 포함하고; 제2측방향 제약조건은, 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 측방향 제2수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 측방향 제2수치와 같으며; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇의 이족 사이 거리의 절반과 같고, 속도 파라미터값은 0인 것을 포함하고; 제2수직방향 제약조건은, 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 시작걸음 단계 종료 시 수직방향의 높이Hz이고, 속도 파라미터값은 0이며; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 무게중심의 초기높이와 같고, 속도 파라미터값은 0인 것을 포함하고;
무게중심 중간걸음 단계 궤적 획득 유닛이 선정한 워킹 제어 파라미터가 위치, 속도와 가속도일 때, 위치 파라미터, 속도 파라미터와 가속도 파라미터는 모두 이족 로봇 보행 시 전방향, 측방향과 수직방향의 3개 방향 성분을 포함하고; 제1전방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0이고; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 전방향 제1수치이고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 전방향 제1수치이며, 가속도 파라미터값은 가속도 파라미터 전방향 제1수치인 것을 포함하고; 제1측방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 이족 사이 거리의 절반과 같고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0이고; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 측방향 제1수치이고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 측방향 제1수치이고, 가속도 파라미터값은 가속도 파라미터 측방향 제1수치인 것을 포함하고; 제1수직방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 무게중심의 초기높이이고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0이고; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 무게중심이 시작걸음 단계 종료 시 수직방향의 높이Hz이고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0인 것을 포함하고; 제2전방향 제약조건은, 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 전방향 제2수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 전방향 제2수치와 같으며, 가속도 파라미터값은 가속도 파라미터 전방향 제2수치와 같고; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0인 것을 포함하고; 제2측방향 제약조건은, 정지걸음 시작 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 측방향 제2수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 측방향 제2수치와 같으며, 가속도 파라미터값은 가속도 파라미터 측방향 제2수치와 같으며; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇의 이족 사이 거리의 절반과 같고; 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0인 것을 포함하고; 제2수직방향 제약조건은, 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 무게중심이 시작걸음 단계 종료 시 수직방향에서의 높이Hz와 같고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0이고; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터 값은 이족 로봇 무게중심의 초기높이와 같고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0인 것을 포함한다.
여기서 설명이 필요한 것은, 본 실시예에서 이족 로봇 워킹 제어 장치는 상기 워킹 제어 방법과 상호 대응되므로 본 실시예의 워킹 제어 장치의 작업과정은 상기 방법부분의 상응한 설명을 참조하고, 여기서 더 기술하지 않는다.
상기로부터 알 수 있다시피, 기존의 기술수단과 대비 시, 본 발명 실시예는 더 효과적인 시작걸음과 정지걸음의 제어방법을 제안하였고, 신속히 1보 내에 정상적인 보행과정을 시작하고 종료할 수 있으며, 종래의 수단에서 여러개 단계를 거쳐야 정상적인 보행상태에 도달하고 종료하는 것을 방지하였다. 따라서, 중간걸음 단계와 역진자 모형을 이용하여 연산된 궤적이 위치, 속도와 가속도 파라미터 상에서 모두 합리한 연결을 진행하는 것을 통해, 시작걸음과 종료걸음 단계에서도 모두 안정성 조건을 만족하도록 확보할 수 있다. 또한, 정상적인 중간걸음 워킹에서, 한쪽과 양쪽 다리 지지단계에서 모두 선형 역진자 모형을 통해 계획을 진행하여, 로봇이 두개 단계에서 모두 안정성 조건을 만족하도록 확보하고, 버팀 다리 전환 기간에 로봇에 대해 충격을 조성하는 것을 감소할 수 있다.
상기는 단지 본 발명의 비교적 바람직한 실시예일 뿐이고, 본 발명의 보호범위를 한정하는데 이용되지 않는다. 본 발명의 정신과 원칙 내에 있는 어떠한 수정 또는 동등한 체환, 개진 등은 모두 본 발명의 보호범위 내에 속한다.

Claims (15)

  1. 이족 로봇의 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 워킹 제어 파라미터를 선정하고, 이족 로봇의 제로 모멘트 점이 안정된 구역 내에 위치할 때, 상기 이족 로봇의 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 획득하는 단계;
    상기 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 기반으로, 무게중심이 중간걸음 단계 시작 시의 각 워킹 제어 파라미터의 제1수치와 무게중심이 중간걸음 단계 종료 시의 각 워킹 제어 파라미터의 제2수치를 획득하는 단계;
    상기 제1수치를 이용하여 시작걸음 단계가 종료 시 무게중심이 만족해야 할 제1제약조건을 설정하고, 상기 제2수치를 이용하여 정지걸음 단계가 시작 시 무게중심이 만족해야 할 제2제약조건을 설정하는 단계;
    상기 제1제약조건과 상기 제2제약조건을 기반으로, 무게중심이 시작걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 각각 연산하는 단계;
    이족 로봇의 보행을 제어하여, 이족 로봇이 보행 시 무게중심의 운동궤적이 상기 무게중심이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 각 운동궤적을 만족하게 하여, 이족 로봇의 안정한 보행을 실현하는 단계를 포함하고,
    상기 워킹 제어 파라미터의 매개 파라미터는 이족 로봇이 보행 시 수직방향의 방향 성분을 포함하고, 시작걸음 단계 시작 시 무게중심의 높이는 중간걸음 단계에서의 무게중심의 높이보다 크고,
    상기 이족 로봇의 보행을 제어하여, 이족 로봇이 보행 시 무게중심의 운동궤적이 상기 무게중심이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 각 운동궤적을 만족하게 하는 단계는,
    무게중심이 각 단계에서의 운동궤적을 기반으로 이족 로봇의 고관절이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 연산하는 단계;
    이족 로봇의 발목관절의 희망 운동높이를 기반으로, 양쪽 다리 발목관절이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 연산하는 단계;
    고관절 및 발목관절이 각 단계에서의 운동궤적, 이족 로봇 다리부의 구조 위치관계와 다리부 길이 수치를 이용하여, 고관절, 발목관절, 무릎관절이 각 단계에서의 대응하는 희망 각도궤적을 연산하는 단계; 고관절, 발목관절과 무릎관절 중의 한 개 또는 다수 개를 선정하여 제어점으로 하는 단계;
    이족 로봇이 보행 시, 실시간으로 상기 제어점의 회전각을 검측하고, 상기 제어점이 상기 각 단계에서의 희망 각도궤적을 이용하여 검측된 제어점의 회전각에 대해 자기적응 추적 제어를 진행하여, 이족 로봇이 보행 시 무게중심의 운동궤적이 무게중심이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 각 운동궤적을 만족하게 하는 단계를 포함하는, 이족 로봇의 워킹 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 워킹 제어 파라미터의 매개 파라미터는 모두 이족 로봇이 보행 시 전방향, 측방향과 수직방향의 3개 방향 성분을 포함하고; 여기서, 해당 워킹 제어 파라미터는 위치와 속도를 포함하며, 또는 해당 워킹 제어 파라미터는 위치, 속도와 가속도를 포함하는, 이족 로봇의 워킹 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    희망하는 중간걸음 단계의 시작 시 무게중심의 초기속도, 및 운동에너지와 위치에너지의 전환관계를 기반으로, 이족 로봇의 무게중심이 시작걸음 단계의 종료 시 수직방향의 높이Hz를 연산하는 단계; 획득된 상기 이족 로봇의 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적이 아래와 같은 조건, 즉 상기 무게중심이 중간걸음 단계의 시작 시 및 중간걸음 단계의 종료 시 수직방향의 높이는 모두 Hz인 조건을 만족하는 단계를 더 포함하는, 이족 로봇의 워킹 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 희망하는 중간걸음 단계의 시작 시 무게중심의 초기속도, 및 운동에너지와 위치에너지의 전환관계를 기반으로, 이족 로봇의 무게중심이 시작걸음 단계의 종료 시 수직방향의 높이Hz를 연산하는 단계는,
    아래의 식을 통해 시작걸음 단계의 종료 시 무게중심이 하강한 거리Δz를 연산하는 단계,
    Figure 112018027719481-pct00125
    ;
    여기서, v1은 희망하는 중간걸음 단계의 시작 시 무게중심의 초기속도, v0은 시작걸음 단계의 초기시각의 속도, m는 상기 이족 로봇의 질량이고, g는 중력가속도이며; 무게중심이 수직방향에서의 초기높이와 Δz 사이의 차이값에 의해 무게중심이 시작걸음 단계의 종료 시 수직방향의 높이Hz를 얻는 단계를 포함하는, 이족 로봇의 워킹 제어 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 워킹 제어 파라미터가 위치와 속도일 때, 위치 파라미터와 속도 파라미터는 모두 이족 로봇 보행 시 전방향, 측방향과 수직방향의 3개 방향 성분을 포함하고;
    시작걸음 단계 종료 시, 무게중심이 만족하는 상기 제1제약조건은 제1전방향 제약조건, 제1측방향 제약조건과 제1수직방향 제약조건을 포함하며;
    상기 제1전방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값과 속도 파라미터값은 모두 0이고; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 전방향 제1수치이고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 전방향 제1수치인 것을 포함하고;
    상기 제1측방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 이족 사이 거리의 절반과 같고, 속도 파라미터값은 0이고; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 측방향 제1수치이고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 측방향 제1수치인 것을 포함하고;
    상기 제1수직방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 무게중심의 초기높이이고, 속도 파라미터값은 0이며; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 상기 무게중심이 시작걸음 단계 종료 시 수직방향의 높이Hz이고, 속도 파라미터값은 0인 것을 포함하고;
    상기 제2제약조건은, 제2전방향 제약조건, 제2측방향 제약조건과 제2수직방향 제약조건을 포함하고;
    상기 제2전방향 제약조건은, 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 전방향 제2수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 전방향 제2수치와 같으며; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값과 속도 파라미터값은 모두 0인 것을 포함하고;
    상기 제2측방향 제약조건은, 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 측방향 제2수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 측방향 제2수치와 같으며; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 상기 이족 로봇의 이족 사이 거리의 절반과 같고, 속도 파라미터값은 0인 것을 포함하고;
    상기 제2수직방향 제약조건은, 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 시작걸음 단계 종료 시 수직방향의 높이Hz이고, 속도 파라미터값은 0이며; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 상기 이족 로봇 무게중심의 초기높이와 같고, 속도 파라미터값은 0인 것을 포함하고;
    상기 워킹 제어 파라미터가 위치, 속도와 가속도를 포함할 때, 위치 파라미터, 속도 파라미터와 가속도 파라미터는 모두 이족 로봇 보행 시 전방향, 측방향과 수직방향의 3개 방향 성분을 포함하고;
    상기 제1전방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0이고; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 전방향 제1수치이고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 전방향 제1수치이며, 가속도 파라미터값은 가속도 파라미터 전방향 제1수치인 것을 포함하고; 상기 제1측방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 이족 사이 거리의 절반과 같고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터 값은 모두 0이고; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 측방향 제1수치이고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 측방향 제1수치이며, 가속도 파라미터값은 가속도 파라미터 측방향 제1수치인 것을 포함하고; 제1수직방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 무게중심의 초기높이와 같고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0이고; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 무게중심이 시작걸음 단계 종료 시 수직방향의 높이Hz와 같고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0인 것을 포함하고; 상기 제2전방향 제약조건은, 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 전방향 제2수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 전방향 제2수치와 같으며, 가속도 파라미터값은 가속도 파라미터 전방향 제2수치와 같으며; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0인 것을 포함하고; 상기 제2측방향 제약조건은, 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 측방향 제2수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 측방향 제2수치와 같으며, 가속도 파라미터값은 가속도 파라미터 측방향 제2수치와 같으며; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇의 이족 사이 거리의 절반과 같고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두0인 것을 포함하고; 상기 제2수직방향 제약조건은, 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 무게중심이 시작걸음 단계 종료 시 수직방향의 높이Hz이고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0이며; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 무게중심의 초기높이와 같고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0인 것을 포함하는, 이족 로봇의 워킹 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1제약조건과 상기 제2제약조건을 기반으로 각각 무게중심이 시작걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 연산하는 단계는, 상기 무게중심이 시작걸음 단계 종료 시 만족하는 제1제약조건을 기반으로, 다항식 보간법을 이용하여 무게중심이 시작걸음 단계에서의 운동궤적을 연산하는 단계; 무게중심이 정지걸음 단계 시작 시 만족하는 제2제약조건을 기반으로, 다항식 보간법을 이용하여 무게중심이 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 연산하는 단계를 포함하는, 이족 로봇의 워킹 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    이족 로봇의 어깨관절 움직임의 각도 제어 파라미터: 각변위, 각속도와 각가속도를 선정하는 단계;
    각각 상기 이족 로봇의 중간걸음 단계에서의 움직임 다리가 움직이는 시작시각과 종료시각, 움직임 다리가 대응하는 어깨관절이 희망하는 각변위값, 각속도값과 각가속도값을 기반으로, 움직임 다리가 대응하는 어깨관절이 만족해야 할 각도 제약조건을 설정하는 단계;
    상기 각도 제약조건을 기반으로, 다항식 보간법을 이용하여 중간걸음 단계에서의 어깨관절 움직임의 희망 각도궤적을 연산하는 단계;
    상기 이족 로봇의 중간걸음 단계에서의 움직임 다리가 움직이는 시작시각, 움직임 다리가 대응하는 어깨관절이 희망하는 각변위값, 각속도값과 각가속도값을 이용하여, 시작걸음 단계의 상기 어깨관절이 만족해야 하는 각도 제1제약조건, 및 정지걸음 단계의 상기 어깨관절이 만족해야 하는 각도 제2제약조건을 설정하는 단계;
    상기 각도 제1제약조건, 상기 각도 제2제약조건을 기반으로, 다항식 보간법을 이용하여 시작걸음 단계의 상기 어깨관절 움직임의 희망 각도궤적과 정지걸음 단계의 상기 어깨관절 움직임의 희망 각도궤적을 연산하는 단계;
    상기 이족 로봇이 보행 시, 실시간으로 어깨관절의 회전각을 검측하고, 상기 어깨관절이 상기 각 단계에서의 희망 각도궤적을 이용하여 검측된 어깨관절의 회전각에 대해 자기적응 추적제어를 진행하여, 상기 이족 로봇의 안정된 보행을 실현하는 단계를 더 포함하는, 이족 로봇의 워킹 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어점이 상기 각 단계에서의 희망 각도궤적을 이용하여 검측된 제어점의 회전각에 대해 자기적응 추적 제어를 진행하는 단계는,
    로봇이 보행 시 실제로 검측된 매개 제어점의 회전각과 해당 관절이 대응하는 희망각도의 차이를 구한 후, 해당 차이값을 비례 적분 미분 각도 제어기 또는 비례 미분 각도 제어기에 입력하여 자기적응 추적제어를 진행하여, 매개 관절의 입력토크를 얻어서, 상기 입력토크를 이용하여 로봇의 각 관절운동을 구동하는 단계를 포함하는, 이족 로봇의 워킹 제어 방법.
  9. 이족 로봇의 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 워킹 제어 파라미터를 선정하고, 이족 로봇의 제로 모멘트 점이 안정된 구역 내에 위치할 때, 상기 이족 로봇의 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 획득하도록 구성된 무게중심 중간걸음 단계 궤적 획득 유닛;
    상기 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적을 기반으로, 무게중심이 중간걸음 단계 시작 시의 각 워킹 제어 파라미터의 제1수치와 무게중심이 중간걸음 단계 종료 시의 각 워킹 제어 파라미터의 제2수치를 획득하도록 구성된 파라미터값 획득 유닛;
    상기 제1수치를 이용하여 시작걸음 단계가 종료 시 무게중심이 만족해야 할 제1제약조건을 설정하고, 상기 제2수치를 이용하여 정지걸음 단계가 시작 시 무게중심이 만족해야 할 제2제약조건을 설정하도록 구성된 제약조건 설정 유닛;
    상기 제1제약조건과 상기 제2제약조건을 기반으로, 무게중심이 시작걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 각각 연산하도록 구성된 무게중심 시작걸음 정지걸음 단계 궤적 연산 유닛;
    이족 로봇의 보행을 제어하여, 이족 로봇이 보행 시 무게중심의 운동궤적이 상기 무게중심이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 각 운동궤적을 만족하게 하여, 상기 이족 로봇의 안정한 보행을 실현하도록 구성된 무게중심 궤적 제어 유닛을 포함하고,
    상기 워킹 제어 파라미터의 매개 파라미터는 이족 로봇이 보행 시 수직방향의 방향 성분을 포함하고, 시작걸음 단계 시작 시 무게중심의 높이는 중간걸음 단계에서의 무게중심의 높이보다 크고,
    상기 무게중심 궤적 제어 유닛은, 발목관절 궤적 연산 모듈, 고관절 궤적 연산 모듈, 관절각도 연산 모듈과 관절각도 제어 모듈을 포함하고;
    상기 발목관절 궤적 연산 모듈은, 이족 로봇 발목관절의 희망 운동 높이를 기반으로, 이족 발목관절이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 연산하도록 구성되고;
    상기 고관절 궤적 연산 모듈은, 무게중심이 각 단계에서의 운동궤적을 기반으로 이족 로봇의 고관절이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 운동궤적을 연산하도록 구성되며;
    상기 관절각도 연산 모듈은, 고관절 및 발목관절이 각 단계에서의 운동궤적, 이족 로봇 다리부의 구조 위치관계와 다리부 길이 수치를 이용하여, 고관절, 발목관절, 무릎관절이 각 단계에서의 희망 각도궤적을 연산하도록 구성되며;
    상기 관절각도 제어 모듈은, 고관절, 발목관절과 무릎관절 중의 한 개 또는 다수 개를 선정하여 제어점으로 하도록 구성되고;
    이족 로봇이 보행 시, 실시간으로 상기 제어점의 회전각을 검측하고, 상기 제어점이 상기 각 단계에서의 희망 각도궤적을 이용하여 검측된 제어점의 회전각에 대해 자기적응 추적 제어를 진행하여, 이족 로봇이 보행 시 무게중심의 운동궤적이 상기 무게중심이 시작걸음 단계, 중간걸음 단계와 정지걸음 단계에서의 각 운동궤적을 만족하게 하는, 이족 로봇의 워킹 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 무게중심 중간걸음 단계 궤적 획득 유닛은, 획득된 워킹 제어 파라미터의 매개 파라미터가 모두 이족 로봇 보행 시 전방향, 측방향과 수직방향의 3개 방향 성분을 포함하고; 여기서, 해당 워킹 제어 파라미터는 위치와 속도를 포함하고, 또는 해당 워킹 제어 파라미터는 위치, 속도와 가속도를 포함하는, 이족 로봇의 워킹 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 무게중심 시작걸음 정지걸음 단계 궤적 연산 유닛은, 또한 희망하는 중간걸음 단계의 시작 시 무게중심의 초기속도, 및 운동 에너지와 위치에너지의 전환관계를 기반으로, 이족 로봇의 무게중심이 시작걸음 단계의 종료 시 수직 방향에서의 높이Hz를 연산하도록 구성되고;
    상기 무게중심 중간걸음 단계 궤적 획득 유닛은, 획득된 상기 이족 로봇의 무게중심이 중간걸음 단계에서의 운동궤적이 아래의 조건: 상기 무게중심이 중간걸음 단계의 시작 시 및 중간걸음 단계의 종료 시 수직방향의 높이는 모두 Hz인 것을 만족하는, 이족 로봇의 워킹 제어 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 파라미터값 획득 유닛은, 또한 이족 로봇의 어깨관절 움직임의 각도 제어 파라미터: 각변위, 각속도와 각가속도를 선정하도록 구성되고;
    상기 제약조건 설정 유닛은, 또한 각각 상기 이족 로봇이 중간걸음 단계에서 운직임 다리의 움직임의 시작시각과 종료시각, 움직임 다리에 대응하는 어깨관절이 희망하는 각변위값, 각속도값과 각가속도값을 기반으로, 움직임 다리에 대응하는 어깨관절이 만족해야 할 각도 제약조건을 설정하도록 구성되며;
    상기 무게중심 시작걸음 정지걸음 단계 궤적 연산 유닛은, 또한 상기 각도 제약조건을 기반으로, 다항식 보간법을 이용하여 중간걸음 단계의 어깨관절 움직임의 희망 각도궤적을 연산하도록 구성되고;
    상기 제약조건 설정 유닛은, 또한 상기 이족 로봇이 중간걸음 단계에서 움직임 다리의 움직임의 시작시각, 움직임 다리에 대응하는 어깨관절이 희망하는 각변위값, 각속도값과 각가속도값을 이용하여, 시작걸음 단계에서 상기 어깨관절이 만족해야 할 각도 제1제약조건, 및 정지걸음 단계에 상기 어깨관절이 만족해야 할 각도 제2제약조건을 설정하도록 구성되며;
    상기 무게중심 시작걸음 정지걸음 단계 궤적 연산 유닛은, 또한 상기 각도 제1제약조건, 상기 각도 제2제약조건을 기반으로, 또한 다항식 보간법을 이용하여 시작걸음 단계에서 상기 어깨관절의 희망 각도궤적과 정지걸음 단계에서 상기 어깨관절 움직임의 희망 각도궤적을 연산하도록 구성되며;
    상기 무게중심 궤적 제어 유닛은, 또한 상기 이족 로봇 보행 시, 실시간으로 상기 어깨관절 회전각을 검측하고, 상기 어깨관절을 이용하여 상기 각 단계의 희망 각도궤적을 이용하여 검측된 어깨관절의 회전각에 대해 자기적응 추적 제어를 진행하여, 상기 이족 로봇의 안정된 보행을 실현하도록 구성되는, 이족 로봇의 워킹 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 무게중심이 중간걸음 단계 궤적 획득 유닛이 선정한 상기 워킹 제어 파라미터가 위치와 속도일 때, 위치 파라미터와 속도 파라미터는 모두 이족 로봇 보행 시 전방향, 측방향과 수직방향의 3개 방향 성분을 포함하고;
    시작걸음 단계 종료 시, 무게중심이 만족하는 제1제약조건은, 제1전방향 제약조건, 제1측방향 제약조건과 제1수직방향 제약조건을 포함하며;
    상기 제1전방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값과 속도 파라미터값은 모두 0이고; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 전방향 제1수치이고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 전방향 제1수치인 것을 포함하고; 상기 제1측방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 이족 사이 거리의 절반과 같고, 속도 파라미터값은 0이고; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 측방향 제1수치이고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 측방향 제1수치인 것을 포함하고; 상기 제1수직방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 무게중심의 초기높이이고, 속도 파라미터값은 0이며; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 상기 무게중심이 시작걸음 단계 종료 시 수직방향의 높이Hz이고, 속도 파라미터값은 0인 것을 포함하고;
    상기 제2제약조건은, 제2전방향 제약조건, 제2측방향 제약조건과 제2수직방향 제약조건을 포함하고;
    상기 제2전방향 제약조건은, 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 전방향 제2수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 전방향 제2수치와 같으며; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값과 속도 파라미터값은 모두 0과 같은 것을 포함하고; 상기 제2측방향 제약조건은, 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 측방향 제2수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 측방향 제2수치와 같으며; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 상기 이족 로봇의 이족 사이 거리의 절반과 같고, 속도 파라미터값은 0인 것을 포함하고; 상기 제2수직방향 제약조건은, 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 시작걸음 단계 종료 시 수직방향의 높이Hz이고, 속도 파라미터값은 0이며; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 상기 이족 로봇 무게중심의 초기높이와 같고, 속도 파라미터값은 0인 것을 포함하고;
    상기 무게중심 중간걸음 단계 궤적 획득 유닛이 선정한 상기 워킹 제어 파라미터가, 위치, 속도와 가속도를 포함할 때, 위치 파라미터, 속도 파라미터와 가속도 파라미터는 모두 이족 로봇 보행 시 전방향, 측방향과 수직방향의 3개 방향 성분을 포함하고; 상기 제1전방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0이고; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 전방향 제1수치이고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 전방향 제1수치이며, 가속도 파라미터값은 가속도 파라미터 전방향 제1수치인 것을 포함하고; 상기 제1측방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 이족 사이 거리의 절반이고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0이고; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 측방향 제1수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 측방향 제1수치와 같으며, 가속도 파라미터값은 가속도 파라미터 측방향 제1수치와 같은 것을 포함하고; 상기 제1수직방향 제약조건은, 시작걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 이족 로봇 무게중심의 초기높이이고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0이고; 시작걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 무게중심이 시작걸음 단계 종료 시 수직방향의 높이Hz이고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0인 것을 포함하고;
    상기 제2전방향 제약조건은, 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 전방향 제2수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 전방향 제2수치와 같으며, 가속도 파라미터값은 가속도 파라미터 전방향 제2수치와 같고; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0인 것을 포함하고;
    상기 제2측방향 제약조건은, 정지걸음 시작 시, 위치 파라미터값은 위치 파라미터 측방향 제2수치와 같고, 속도 파라미터값은 속도 파라미터 측방향 제2수치와 같으며, 가속도 파라미터값은 가속도 파라미터 측방향 제2수치와 같으며; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터값은 상기 이족 로봇의 이족 사이 거리의 절반과 같고; 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0인 것을 포함하고; 상기 제2수직방향 제약조건은, 정지걸음 단계 시작 시, 위치 파라미터값은 무게중심이 시작걸음 단계 종료 시 수직방향의 높이Hz와 같고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0이고; 정지걸음 단계 종료 시, 위치 파라미터 값은 상기 이족 로봇 무게중심의 초기높이와 같고, 속도 파라미터값과 가속도 파라미터값은 모두 0인 것을 포함하는, 이족 로봇의 워킹 제어 장치.
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