KR20050002302A - Real-time posture control for biped robot using inclination sensors - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 로봇(robot) 공학에 관한 것으로, 특히, 이족(二足)보행로봇의 전후 기울기와 좌우 기울기를 해당 축 방향의 기울기를 검출하는 일축 또는 이축 기울기 센서를 이용하여 이족보행로봇의 실시간 자세를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to robot engineering, and in particular, the real-time posture of a biped robot using a uniaxial or biaxial tilt sensor that detects the tilt of the biped robot and the tilt of the biped robot. It relates to an apparatus and a method for controlling the.
전통적으로, 로봇은 사람으로서는 하기 힘든 무거운 물건을 운반하는 작업이나 고도의 정밀도를 필요로 하는 작업 등을 수행하는 산업현장에서 주로 사용되어져 왔다. 시간이 지남에 따라 산업분야에서 정해진 일만을 수행하는 산업용 로봇 외에 애완용 로봇, 인명구조로봇, 휴먼(human) 로봇 등의 비산업형 로봇이 등장하였고, 그 중에서도 사람이 주거하는 환경에서 사람과 함께 생활하면서 사람이 하는 일을 도와주는 휴먼 로봇에 대한 연구가 최근 수년간 계속된 발전을 거듭해 왔다.Traditionally, robots have been used mainly in industrial sites for carrying heavy objects that are difficult for human beings, or for tasks requiring high precision. Over time, non-industrial robots such as pet robots, lifesaving robots, and human robots have emerged, in addition to industrial robots that perform only certain tasks in the industrial sector. In recent years, research on human robots that help humans have continued to evolve.
산업용 로봇에 비해 휴먼 로봇은 사람과 비슷한 모양과 자유도를 가지도록 개발되고 있으며, 특히 사람과 같이 두 다리를 가진 이족보행로봇에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.Compared to industrial robots, human robots have been developed to have similar shapes and degrees of freedom as humans. In particular, research on biped robots with two legs like humans is being actively conducted.
이러한 이족보행로봇에 대한 연구에 대한 결과물로 현재 공개되는 것을 보면, 일본의 혼다(Honda) 사(社)는 1996년 12월에 개발한 P2라고 명명된 이족보행로봇을 선보였고, 이후 P2의 보행능력을 개선한 P3와, 현재 이족보행로봇의 최고수준이라고 칭하는 ASIMO를 개발했다. 그리고, 소니(Sony) 사(社)는 1997년 SDR-3X라는 엔터테이먼트 로봇을 개발한 이후, SDR-4X를 개발했다.As a result of this research on biped robots, Japan's Honda has introduced a biped robot named P2 developed in December 1996. P3 has improved its capabilities and developed ASIMO, which is said to be the highest level of biped robots. Sony developed the SDR-4X in 1997 after developing an entertainment robot called SDR-3X.
국내의 경우, 다진시스템(주)에서 개발한 국내 최초의 이족보행로봇인 루시(Lucy)와, (주)미니로봇과 삼성전자가 합동 개발한 앤토(ANdroid TOy Robot)가 있다.In Korea, there are Lucy, the first bipedal robot developed by Dajin Systems, and Antroid TOy Robot, developed jointly by Mini Robot and Samsung Electronics.
이러한 이족보행로봇은 스스로 움직여야 하므로 많은 기술을 요하고 있으며, 특히 두 다리를 이용하여 직립하여야 하므로 자세 제어에 대해서 상당한 기술이 필요로 한다.These biped robots require a lot of skills because they have to move on their own, and in particular, they need to have considerable skills in posture control because they need to stand upright with both legs.
현재 개발 또는 공개된 이족보행로봇의 대부분은 3축 자이로 자세측정센서를 이용하여 자세 제어를 수행하고 있다. 그런데, 3축 자이로 자세측정센서는 상당히 고가이고, 세축에 대한 정보를 기반으로 이족보행로봇이 자세를 제어하여야 하므로 그 처리과정을 요하는 문제가 있다.Most of the biped walking robots that are developed or published are performing posture control using a 3-axis gyro attitude sensor. However, the three-axis gyro attitude measuring sensor is quite expensive, and since the biped walking robot must control the posture based on the information on the three axes, there is a problem that requires the processing.
따라서, 저가의 제품을 사용하면서 간단한 방법으로 이족보행로봇의 자세 제어를 할 수 있게 하는 별도의 방법이 요구되고 있다.Therefore, there is a need for an additional method that enables the biped walking robot to be controlled in a simple manner while using a low-cost product.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 2족 보행로봇의 자세를 저렴한 비용의 부품을 통해 간단한 방법으로 실시간 제어할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to enable a real-time control of a posture of a biped walking robot by a simple method through a low cost component.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이족보행로봇의 실시간 자세제어 방법이 적용되는 이족보행로봇의 간략 구성도이다.1 is a simplified configuration diagram of a biped walking robot to which a real-time posture control method of a biped walking robot according to an embodiment of the present invention is applied.
도 2는 이족보행로봇의 기울어짐 상태를 보인 도면이다.2 is a view showing a tilted state of the biped walking robot.
도 3은 전후 기울어짐 상태에서 좌, 우측다리의 각 관절을 제어하여 자세보정을 하는 것을 보인 도면이다.3 is a view showing that the posture correction by controlling the joints of the left and right legs in the front and rear tilted state.
도 4는 좌우 기울어짐 상태에서 좌, 우측다리 중 해당 다리의 관절을 제어하여 자세보정을 하는 것을 보인 도면이다.4 is a view showing that the posture correction by controlling the joint of the leg of the left and right legs in the left and right tilted state.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이족보행로봇의 실시간 자세제어장치의 블록 구성도이다.5 is a block diagram of a real-time posture control device of a biped robot according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이족보행로봇의 실시간 자세제어장치의 동작 순서도이다.6 is a flowchart illustrating the operation of the real-time attitude control apparatus of the biped robot according to an embodiment of the present invention.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 일 특징에 따른 본 발명은 상체, 상기 상체의 하측에 연결된 2개의 허리관절을 가진 허리, 상기 2개의 허리관절 각각에 연결되어 있고 발목관절과 무릎관절을 가진 2개의 다리를 포함하여 구성된 이족보행로봇의 실시간 자세제어 장치에 있어서, 1축에 대한 기울기 정도를 검출하며, 상기 이족보행로봇의 전후 기울기를 검출하도록 배치된 제1 일축 기울기센서; 1축에 대한 기울기 정도를 검출하며, 상기 이족보행로봇의 좌우 기울기를 검출하도록 배치된 제2 일축 기울기센서; 상기 전후 기울기 및 상기 좌우 기울기에 따른 자세보정할 해당 관절의 각도 조절값을 맵핑 테이블로 저장하고 있는 저장부; 입력되는 값에 따라 해당 관절을 선택적으로 동작시키는 관절 조절부; 및 상기 제1 및 제2 일축 기울기 센서의 출력으로 상기 이족보행로봇의 기울어짐 상태 및 기울기를 파악하고, 상기 파악한 기울기를 상기 저장부에 제공하여 기울어짐을 보상하는 해당 관절의 각도 조절값을 파악하며, 파악한 각도 조절값으로 상기 관절 조절부를 제어하는 제어부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an upper body, a waist having two waist joints connected to a lower side of the upper body, and two connected to each of the two waist joints and having an ankle joint and a knee joint. A real-time posture control device of a biped robot configured to include a leg, the apparatus comprising: a first uniaxial tilt sensor arranged to detect a degree of inclination with respect to one axis and to detect a front and rear inclination of the biped robot; A second one-axis tilt sensor configured to detect an inclination degree with respect to one axis and to detect left and right tilts of the biped robot; A storage unit storing angle adjustment values of the corresponding joints to be corrected in posture according to the front and rear slopes and the left and right slopes as a mapping table; A joint controller for selectively operating the joint according to the input value; And grasping the inclination state and inclination of the biped walking robot by the outputs of the first and second uniaxial inclination sensors, and determining the angle adjustment value of the corresponding joint to compensate for the inclination by providing the determined inclination to the storage unit. And a control unit controlling the joint adjusting unit by the determined angle adjusting value.
한편, 상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 특징에 따른 본 발명은 상체, 상기 상체의 하측에 연결된 2개의 허리관절을 가진 허리, 상기 2개의 허리관절 각각에 연결되어 있고 발목관절과 무릎관절을 가진 2개의 다리를 포함하여 구성된 이족보행로봇의 실시간 자세제어 방법에 있어서, 전후 기울어짐을 검출하는 제1 일축 기울기센서와 좌우 기울어짐을 검출하는 제2 일축 기울기센서를 상기 이족보행로봇 내에 배치하고, 상기 전후 기울기에 대한 경사각과 상기 좌우 기울기에 대한 경사각에 각각 대응하는 상기 허리관절, 상기 발목관절, 상기 무릎관절의 각도 조절값을 맵핑 테이블로 저장하며, 실시간으로 입력되는 적어도 제1 또는 제2 일축 기울기센서의 출력을 상기 맵핑 테이블에 맵핑시켜 자세보정된 해당 관절의 각도 조절값을 찾아 해당 관절을 조절한다.On the other hand, the present invention according to another feature for achieving the above technical problem is the upper body, the waist having two waist joints connected to the lower side of the upper body, is connected to each of the two waist joints and having ankle joint and knee joint In the real-time posture control method of a biped robot comprising two legs, the first uniaxial tilt sensor for detecting the front and rear inclination and the second uniaxial tilt sensor for detecting the left and right inclination are disposed in the biped walking robot, and At least a first or second uniaxial tilt sensor which stores angle adjustment values of the waist joint, the ankle joint, and the knee joint corresponding to the inclination angle with respect to the inclination and the inclination angle with respect to the left and right as a mapping table and is input in real time. Map the output of the map to the mapping table to find the angle adjustment value of the corrected joint Adjust the clause.
상기 일축 기울기센서는 자기(magnetic), 자이로(각속도), 가속도, 수은 센서 등이 있다.The uniaxial tilt sensor includes a magnetic, a gyro (angular velocity), an acceleration, a mercury sensor, and the like.
상술한 본 발명의 특징에 따른 이족보행로봇의 실시간 자세제어 장치 및 방법을 첨부한 도면을 참조로 하여 보다 상세히 설명한다.With reference to the accompanying drawings, a real-time posture control device and method of a biped robot according to the features of the present invention will be described in more detail.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 일축 기울기 센서를 이용한 이족보행로봇의 실시간 자세제어 방법이 적용되는 이족보행로봇의 간략 구성도이다.1 is a simplified configuration diagram of a biped walking robot to which a real-time attitude control method of a biped walking robot using a uniaxial tilt sensor according to an embodiment of the present invention is applied.
도 1에 도시된 바와 같이, 이족보행로봇(100)은 인간의 신체구조를 기준으로 최대한 인간과 유사한 구조로 설계 및 제작되었는데, 상체(20)에 상부에 연결된 머리(10), 상체(20)의 좌측에 연결된 좌측팔(30), 상체(20)의 우측에 연결된 우측팔(40), 상체(20)의 하부에 연결된 허리(50), 허리(50)에 각각 연결된 좌측다리(60)와 우측 다리(70)로 이루어진다.As shown in FIG. 1, the biped walking robot 100 is designed and manufactured in a structure similar to a human being as much as possible based on the human body structure. The head 10 and the upper body 20 connected to the upper part of the upper body 20 are illustrated. Left arm 30 connected to the left side of the right, the right arm 40 connected to the right side of the upper body 20, the waist 50 connected to the lower portion of the upper body 20, and the left leg 60 connected to the waist 50, respectively It consists of the right leg 70.
여기서, 좌, 우측팔(30, 40)은 2개의 관절을 가지고 있고, 허리(50)는 각 다리(60, 70)에 대응하는 제1 허리관절(51)과 제2 허리관절(52)을 가지며, 좌측 다리(60)는 좌무릎관절(61)과 좌발목관절(62)를 가지고, 우측 다리(70)는 우무릎관절(71)과 우발목관절(72)을 가지고 있다.Here, the left and right arms 30 and 40 have two joints, and the waist 50 has the first waist joint 51 and the second waist joint 52 corresponding to each leg 60 and 70. The left leg 60 has a left knee joint 61 and a left ankle joint 62, and the right leg 70 has a right knee joint 71 and a right ankle joint 72.
특히, 상기 제1 및 제2 허리관절(51, 52)은 다리를 앞뒤로 들어올림은 물론이고, 다리를 벌리거나 허리를 숙일 수 있도록 3의 자유도를 갖는다. 여기서, 3 자유도는 전후, 좌우, 위아래에 대한 자유도를 말하며, 좌표축을 일예로 표현하자면 x, y, z축에 해당된다. 그리고, 좌, 우무릎관절(61, 71)은 1의 자유도를 가지고, 좌, 우발목관절(62, 72)은 2의 자유도를 갖는다.In particular, the first and second lumbar joints (51, 52) has a degree of freedom to lift the legs back and forth, as well as to open the legs or bow down. Here, three degrees of freedom refers to degrees of freedom for front, rear, left and right, and up and down, and the coordinate axes correspond to x, y, and z axes as an example. The left and right knee joints 61 and 71 have 1 degree of freedom, and the left and right knee joints 62 and 72 have 2 degrees of freedom.
한편, 제1 및 제2 허리관절(51, 52), 좌,우발목관절(62, 72)과, 상체(20)에 연결된 팔의 관절에는 연결된 기계적 뼈대를 해당 자유도에 따라 이동시키기 위한모터(미도시)가 배치된다.On the other hand, the first and second lumbar joints (51, 52), left and right neck joints (62, 72) and the joint of the arm connected to the upper body 20, the motor for moving the mechanical skeleton connected to the corresponding degrees of freedom ( Not shown).
본 발명의 자세 제어에 사용되는 관절은 상기 허리(50)와 다리(60)의 관절들이며, 제1 및 제2 허리관절(51, 52)의 경우 3 자유도 중에서 z축에 해당하는 자유도는 자세 제어에 이용하지 않는다. z 자유도는 다리를 들고 내릴 수 있게 하는 자유도이다.Joints used in the posture control of the present invention are the joints of the waist 50 and the leg 60, and in the case of the first and second lumbar joints 51 and 52, the degrees of freedom corresponding to the z-axis among three degrees of freedom are postures. Do not use for control. z Degrees of freedom are degrees of freedom that allow you to raise and lower the legs.
이상과 같이 구성된 본 발명이 적용되는 이족보행로봇의 자유도 배치 및 관절의 배치는 많은 기존 연구들을 통해 검증된 이족보행로봇의 자유도 배치에 따른 것으로 가장 단순하면서도 안정적인 이족보행로봇의 구조이며, 기 언급한 혼다 사의 P2 등과 같은 구조이다.The degree of freedom and arrangement of the biped walking robot to which the present invention configured as described above is applied is the structure of the simplest and most stable biped walking robot according to the freedom of positioning of the biped walking robot verified through many existing studies. It is the same structure as P2 mentioned by Honda.
한편, 본 발명의 이족보행로봇(100)은 본 발명을 달성하기 위한 구성으로, 상체(20)에 제1 일축(一軸) 기울기센서(Tilt sensor;80)와 제2 일축 기울기(90)가 배치된다. 배치되는 위치는 상체(20)의 좌우측 기울어짐 정도와 전후 기울어짐 정도를 센싱할 수 있게 배치되는 것이 원칙이며, 이러한 원칙에 따르면 보통 상체(20)의 중심축 상의 임의의 지점에 배치되고, 정밀한 측정을 위해서는 최대한 상체(20)의 아래측에 장착되는 것이 양호하다.On the other hand, the biped walking robot 100 of the present invention is a configuration for achieving the present invention, the first uniaxial tilt sensor (Tilt sensor) 80 and the second uniaxial tilt 90 is disposed on the upper body 20 do. The arrangement position is a principle that is arranged to sense the left and right inclination degree and the front and rear inclination degree of the upper body 20, according to this principle is usually disposed at any point on the central axis of the upper body 20, precise It is preferable to mount on the lower side of the upper body 20 as much as possible for the measurement.
제1 및 제2 일축 기울기 센서(80, 90)는 한 축 즉, 수평축에 대한 에 대한 기울기를 검출하는 센서이다. 도 1에 도시된 바에 따르면, 제1 일축 기울기센서(80)는 전후 기울어짐 정도를 검출하고, 제2 일축 기울기센서(90)는 좌우 기울어짐 정도를 검출한다. 즉, 제1 일축 기울기센서(80)는 도 2의 (가)와 같이 이족보행로봇(100)이 전후 기울어짐 상태인 경우에 발생되는 기울기(기준평지와 경사면간에 의한 각도(α)를 검출하고, 제2 일축 기울기센서(90)는 도 2의 (나)에 도시된 바와 같이 이족보행로봇(100)이 좌우 기울어짐 상태인 경우에 발생되는 기울기(좌우측 다리(60, 70)간에 의한 각도( beta ))를 검출한다.The first and second uniaxial tilt sensors 80 and 90 are sensors that detect tilt with respect to one axis, that is, the horizontal axis. As shown in FIG. 1, the first uniaxial inclination sensor 80 detects the front and rear inclination degree, and the second uniaxial inclination sensor 90 detects the left and right inclination degree. That is, the first uniaxial tilt sensor 80 detects an inclination (an angle α between the reference plane and the inclined plane) generated when the biped walking robot 100 is in a forward and backward tilted state as shown in FIG. 2, the second uniaxial tilt sensor 90 has an inclination (an angle between the left and right legs 60 and 70) generated when the biped walking robot 100 is in a left and right tilted state as shown in (b) of FIG. 2. beta)).
그리고, 이족보행로봇(100)의 기울어짐 상태가 전후, 좌우 모두 발생되면, 제1 및 제2 일축 기울기센서(80, 90)는 각각의 해당 기울기짐 각도를 검출한다. 도 2에서, 점선은 기울어짐이 없는 상태이다.When the tilting state of the biped walking robot 100 is generated in the front, rear, left, and right directions, the first and second uniaxial tilt sensors 80 and 90 detect respective corresponding tilt angles. In FIG. 2, the dotted line has no inclination.
도 2를 통해 본 발명의 이족보행로봇(100)은 기본적인 2가지의 기울기 상태를 가지고 있음을 알 수 있다.2, it can be seen that the biped walking robot 100 of the present invention has two basic tilt states.
이하, 도 3과 도 4를 참조로 하여 각 기울어짐 상태에 따른 본 발명의 자세 제어 방법을 설명한다.Hereinafter, the attitude control method of the present invention according to each inclined state will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
도 3은 전후 기울어짐 상태에서 좌, 우측다리의 각 관절을 제어하여 자세보정을 하는 것을 보인 도면이다.3 is a view showing that the posture correction by controlling the joints of the left and right legs in the front and rear tilted state.
도 3에서, (가)는 이족보행로봇(100)의 정상 자세를 일측 다리를 기준으로 도시한 측면도로서, 이족보행로봇(100)이 평지에 있을 경우에 대한 것이다. (나)는 이족보행로봇(100)이 전후로 기울어진 지면에 위치한 경우에 발목관절(62, 72)을 제어하여 자세 보정을 하는 것을 보인 측면도로서, 발목관절(62, 72) 위의 모든 부위에 위치 변화가 생기며 상체(20)의 움직임을 보았을 때 그 이동거리가 매우 크다.In FIG. 3, (a) is a side view showing a normal posture of the biped walking robot 100 based on one leg, and the biped walking robot 100 is on a flat surface. (B) is a side view showing the posture correction by controlling the ankle joints (62, 72) when the biped walking robot (100) is located on the ground inclined back and forth, and on all the areas above the ankle joints (62, 72) When the position change occurs and the movement of the upper body 20 is seen, the moving distance is very large.
(다)는 이족보행로봇(100)이 전후로 기울어진 지면에 위치한 경우에 무릎관절(61, 71)을 제어하여 자세 보정을 하는 것을 보인 측면도로서, 무릎관절(61, 71) 위의 모든 부위에 위치 변화가 생기며 상체(20)의 움직임을 보았을 때 상기 (가)의 경우보다는 작지만 그 이동거리가 크다.(C) is a side view showing the posture correction by controlling the knee joints 61 and 71 when the biped walking robot 100 is located on the ground inclined back and forth, and on all parts of the knee joints 61 and 71. When the position change occurs and the movement of the upper body 20 is observed, the movement distance is smaller than in the case of (a).
(라)는 이족보행로봇(100)이 전후로 기울어진 지면에 위치한 경우에 허리관절(51, 52)을 이용하여 자세 보정을 하는 것을 보인 측면도로서, 허리관절(51, 52) 위의 부분만 위치 변화가 생기며 상체(20)의 움직임이 매우 작다.(D) is a side view showing the posture correction using the hip joints 51 and 52 when the biped walking robot 100 is located on the ground inclined forward and backward, and only the portion above the waist joints 51 and 52 is positioned. The change occurs and the movement of the upper body 20 is very small.
따라서, 전후 기울어짐 상태인 경우에 이족보행로봇(200)의 자세 제어는 허리관절(51, 52)을 제어하여 보정하는 것이 가장 효과적이다.Therefore, the posture control of the biped walking robot 200 in the tilting state before and after is most effective to control and correct the back joints (51, 52).
이때, 허리관절(51, 52)을 제어할 때 항상 두 허리관절(51, 52)이 수평하게 유지되어야 하고, 제어하는 허리관절 조절값(즉, 조절각도)은 경사면에 비례하게 된다. 더욱 상세히는 상기 허리관절 조절값은 다음의 수학식 1과 같이 경사면의 각과 동일하게 조절한다.At this time, when controlling the lumbar joints 51 and 52, the two lumbar joints 51 and 52 should always be kept horizontal, and the controlling lumbar joint control value (that is, the adjusting angle) is proportional to the inclined plane. In more detail, the waist joint adjustment value is adjusted to be equal to the angle of the inclined surface as shown in Equation 1 below.
상기은 전후기울어짐시의 허리관절조절값이고, θ(t)는 시간에 대한 지면의 경사각이다.remind Is the hip joint control value at the time of late reflex, and θ (t) is the angle of inclination of the ground with respect to time.
이하, 도 4를 참조로 하여 좌우 기울어짐 상태에 따른 자세 제어 방법을 설명한다. 도 4는 좌우 기울어짐 상태에서 좌, 우측다리 중 해당 다리의 관절을 제어하여 자세보정을 하는 것을 보인 도면이다.Hereinafter, the attitude control method according to the left and right tilted states will be described with reference to FIG. 4. 4 is a view showing that the posture correction by controlling the joint of the leg of the left and right legs in the left and right tilted state.
도 4에서 보면, (가)은 평지에서 이족보행로봇(100)의 자세를 하체 부위(허리, 다리)를 기준으로 하여 보인 정면도로서, 좌우측 다리(60, 70)간의 기울어진 각이 없다.In Figure 4, (a) is a front view of the biped walking robot 100 on the lower body part (waist, leg) on a flat surface, there is no inclination angle between the left and right legs (60, 70).
(나)는 이족보행로봇(100)이 좌우로 기울어진 지면에 위치한 경우에 하체 부위의 상태를 보인 정면도로서, 지면의 기울어짐이 좌측이 낮고 우측이 높다. 따라서, 좌측다리(60)는 점선으로 도시한 (가)의 경우와 동일한 상태가 되지만 우측다리(70)는 자세 보정을 위해 굽어져야 한다. 이때 우측 다리(70)가 굽어지는 정도는 지면의 기울기가 심할수록 심해지는데, 정확한 수치로는 평지에서의 우측 다리(70)의 길이(즉, 발목관절과 허리 관절까지의 길이)를 H로 하였을 때 H- late ×tanθ가 되게 하는 굽어짐이 이루어져야 한다. 상기 θ는 지면의 경사각이다.(B) is a front view showing the state of the lower body when the biped walking robot 100 is located on the ground inclined left and right, the inclination of the ground is low left and high right. Therefore, the left leg 60 is in the same state as in the case of (A) shown by a dotted line, but the right leg 70 should be bent for posture correction. At this time, the degree of bending the right leg 70 becomes more severe as the slope of the ground is severe, the exact value of the length of the right leg 70 on the flat (that is, the length to the ankle joint and lumbar joint) to H At this time, the bending should be made such that H- ate × tanθ. Is the inclination angle of the ground.
상기와 같이 우측 다리(70)가 해당 수치로 기울어지기 위해서는 우발목관절(72)과 우무릎관절(71) 및 제2 허리관절(52)의 각도를 조절하여야 한다.In order to tilt the right leg 70 to the corresponding value as described above, the angle of the right neck joint 72, the right knee joint 71, and the second waist joint 52 must be adjusted.
좌우 기울어짐 상태에서 보정될 각 관절의 보정 각도를 수학식으로 나타내면 다음의 수학식 2 내지 수학식 4와 같다.When the correction angle of each joint to be corrected in the left and right tilted state is represented by Equation 2 to Equation 4 below.
상기 수학식에서, θh는 좌우기울어짐시의 허리관절 조절값이고, θa는 발목관절 조절값이며, θk는 무릎관절 조절값이다. 상기 θa, θh, θk는 도 4에 도시된 바와 같이 각도이다. 한편, H는 다리의 길이이고, late는 두 다리 사이의 거리이며, lsh는 발목관절과 무릎관절 사이의 길이이고, lth는 허리관절과 무릎관절 사이의 길이이다.In the above equation, θ h is a hip joint adjustment value at the time of inclination, θ a is an ankle joint adjustment value, θ k is a knee joint adjustment value. Θ a , θ h , and θ k are angles as shown in FIG. 4. H is the length of the leg, l ate is the distance between the two legs, l sh is the length between the ankle and knee joint, and l th is the length between the waist and knee joint.
상술한 바와 같이, 본 발명은 제1 및 제2 일축 기울어짐 센서(80, 90)를 통해 지면의 기울어짐 각도를 검출하며, 그에 따라 상기 수학식 1 내지 수학식 4를 이용하여 각 관절이 자세 보정을 위해 가져야하는 조절값을 산출하여 자세 보정을 할 수 있다.As described above, the present invention detects the inclination angle of the ground through the first and second uniaxial inclination sensors (80, 90), and accordingly the respective positions of the joints using the equations (1) to (4) The posture correction can be performed by calculating the adjustment value to be obtained for the correction.
그러나, 본 발명은 상기와 같이 지면의 기울기가 변할때마다 각 관절의 조절값을 계산하게 되면 센서정보 처리속도에 손실을 야기시키는 문제점이 발생되므로, 이를 해결하기 위해 맵핑 테이블을 이용한다.However, the present invention uses a mapping table to solve this problem, because the problem of causing a loss in the sensor information processing speed occurs when calculating the adjustment value of each joint whenever the slope of the ground changes as described above.
상기 맵핑 테이블에는 지면의 기울기(좌우 기울기 및 전후 기울기)에 따라 상기 수학식 1 내지 수학식 4로 산출되는 각 관절의 조절값이 이미 설정값으로 매치되어 있는 테이블이다. 예를 들어, 지면의 기울기가 좌우측으로 10도이고 전후측으로 30도이면, 이에 대한 각 관절의 조절값이 매칭값으로 저장되어 있다.The mapping table is a table in which an adjustment value of each joint calculated by Equations 1 to 4 is already matched to a set value according to the slope of the ground (left and right tilt and front and rear tilt). For example, if the inclination of the ground is 10 degrees left and right and 30 degrees back and forth, the adjustment value of each joint is stored as a matching value.
이하, 도 5와 도 6을 참조로 하여 일축 기울기 센서를 이용한 이족보행로봇의 실시간 자세제어장치 및 자세제어 동작을 설명한다.Hereinafter, a real-time attitude control apparatus and attitude control operation of a biped walking robot using a uniaxial tilt sensor will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이족보행로봇의 실시간 자세제어장치의 블록 구성도이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이족보행로봇의 실시간 자세제어장치의 동작 순서도이다.5 is a block diagram of a real-time posture control device of a biped robot according to an embodiment of the present invention. 6 is a flowchart illustrating the operation of the real-time attitude control apparatus of the biped robot according to an embodiment of the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이족보행로봇의 실시간 자세제어장치는 제1 및 제2 일축 기울기센서(80, 90), 제어부(200), 저장부(300)와, 관절조절부(400)를 포함한다.As shown in FIG. 5, the real-time posture control device of the biped walking robot of the present invention includes first and second uniaxial tilt sensors 80 and 90, a control unit 200, a storage unit 300, and a joint control unit ( 400).
상기 제1 및 제2 일축 기울기센서(80, 90)는 이족보행로봇(100)의 기울어짐 상태에 따른 기울기 정보를 실시간으로 검출하여 제어부(200)에 제공한다(S610).The first and second uniaxial tilt sensors 80 and 90 detect the tilt information according to the tilted state of the biped walking robot 100 in real time and provide the tilt information to the controller 200 (S610).
그러면, 제어부(200)는 제1 및 제2 일축 기울기센서(80, 90)의 출력을 입력받아 현재 이족보행로봇(100)이 위치한 지면의 기울기 상태를 파악한다(S620). 상기에서 파악되는 기울기 상태는 전후 기울기(A), 좌우 기울기(B) 또는 두 경우 모두인 복합 기울기(C)와 지면의 기울어짐 정도(즉 경사각)이다.Then, the controller 200 receives the outputs of the first and second uniaxial tilt sensors 80 and 90 to determine the inclination state of the ground on which the biped robot 100 is currently located (S620). The inclination state grasped above is a forward and backward inclination (A), a left and right inclination (B), or both cases, a compound inclination (C) and a degree of inclination (ie, inclination angle) of the ground.
제어부(200)는 상기와 같이 지면의 기울기 상태를 파악하면, 파악한 지면의 기울기 상태(A, B, C)에 대응하는 해당 관절 조절값을 저장부(300)로부터 읽어들여 파악한다(S630a, S630b, S630c). 상기 저장부(300)에는 상술한 맵핑 테이블이 저장되어 있다.When the controller 200 detects the inclination state of the ground as described above, the controller 200 reads the corresponding joint adjustment value corresponding to the determined inclination state (A, B, C) from the storage unit 300 (S630a, S630b). , S630c). The storage unit 300 stores the above-described mapping table.
그런 다음, 제어부(200)는 읽어들인 해당 관절 조절값을 관절 조절부(400)에 제공하고, 관절 조절부(400)는 제어부(200)로부터 입력되는 관절 조절값에 따라 해당 관절을 조절하여 자세 보정을 한다(S640).Then, the controller 200 provides the corresponding joint adjustment value to the joint controller 400, and the joint controller 400 adjusts the joint according to the joint control value input from the controller 200. Correction (S640).
여기서, 제1 일축 기울기 센서(80)에서만 기울기 정보가 검출되면, 관절 조절부(400)는 제1 및 제2 허리관절(51, 52)만 지면의 경사각만큼 조절할 것이다. 상기 전후 기울기(A) 상태일 때 조절되는 제1 및 제2 허리관절(51, 52)의 관절 조절값은 3 자유도 중에서 상체를 들고 내리게 하는 방향을 조절하는 자유도에 영향을 준다.Here, if the inclination information is detected only in the first uniaxial inclination sensor 80, the joint controller 400 will adjust only the first and second lumbar joints 51 and 52 by the inclination angle of the ground. The joint adjustment values of the first and second lumbar joints 51 and 52 which are adjusted when the front and rear slopes A are in effect affect the degree of freedom to adjust the direction of lifting and lowering the upper body from three degrees of freedom.
한편, 제2 일축 기울기 센서(90)에서만 기울기 정보가 검출되면, 관절 조절부(400)는 제1 및 제2 허리관절(51, 52), 해당 다리의 무릎관절, 해당 다리의 발목관절을 해당 관절 조절값에 따라 조절한다. 여기서, 좌우 기울기(B) 상태일 때에 제1 및 제2 허리관절(51, 52)을 조절하는 관절 조절값은 3 자유도에서 상체의 위치를 고정시킨 상태에서 하체를 이동시키는 자유도로서 상기 전후 기울기(A) 경우의 관절 조절값과는 다르다.On the other hand, if the inclination information is detected only in the second uniaxial tilt sensor 90, the joint control unit 400 corresponds to the first and second lumbar joints (51, 52), the knee joint of the leg, the ankle joint of the leg Adjust according to the joint control value. Here, the joint adjustment value for adjusting the first and second lumbar joints 51 and 52 when the left and right tilts B is a degree of freedom for moving the lower body in a state where the upper body is fixed at three degrees of freedom is the front and rear slopes ( A) This is different from the joint control value.
복합 기울기(C)의 경우에는 상기 전후 기울기(A)와 좌우 기울기(B)의 관절 조절값 모두가 사용된다.In the case of the compound tilt C, both the joint adjustment values of the front and rear tilt A and the left and right tilt B are used.
상기에서, 본 발명은 평균 필터(mean filter)를 제어부(200)의 입력단에 설치하여 제1 및 제2 일축 기울기센서(80, 90)로부터 입력되는 신호의 잡음을 제거하게 하여, 동작의 신뢰도를 높일 수 있다.In the above, the present invention by installing a mean filter at the input terminal of the control unit 200 to remove the noise of the signal input from the first and second uniaxial tilt sensor (80, 90), thereby improving the reliability of the operation It can increase.
한편, 상술한 본 발명의 실시예에서는 2개의 일축 기울기센서를 이용하여 좌우 및 전후 기울기를 검출하는 것을 예로 하여 설명하고 있다.On the other hand, the above-described embodiment of the present invention has been described using the example of detecting the left and right and the front and rear tilt using two uniaxial tilt sensors.
그러나, 당업자 수준에서 보면, 2개의 일축 기울기센서는 하나의 이축(二軸) 기울기센서로 용이하게 대체될 수 있다. 이때, 하나의 이축 기울기센서는 두 개의 일축 기울기 센서와 같은 효과 즉, 전후 및 좌우 기울기를 검출할 수 있는 것으로 하는 것이 바람직하다.However, at the level of those skilled in the art, two uniaxial tilt sensors can be easily replaced by one biaxial tilt sensor. At this time, it is preferable that one biaxial tilt sensor can detect the same effect as the two uniaxial tilt sensors, that is, the front, rear, and left and right tilts.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.The technical spirit of the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, but this is by way of example only and not intended to limit the present invention. In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
본 발명은 시중에서 쉽게 구할 수 있으며, 가격이 저렴한 1축 기울기 센서 2개를 이용하여 이족보행로봇의 실시간 자세제어를 구현할 수 있는 효과가 있다.The present invention can be easily obtained on the market, and it is effective to implement real-time attitude control of the biped walking robot using two inexpensive single-axis tilt sensors.
또한, 본 발명은 1축 기울기 센서의 출력만을 처리하는 간단한 작업으로 이족보행로봇의 자세 상태를 파악할 수 있고, 파악된 정보를 테이블로부터 그 보정값을 찾아 보정함으로써 전체적인 처리 속도가 빠르고, 실시간 적용이 용이한 효과가 있다.In addition, the present invention can grasp the posture state of the biped walking robot as a simple operation of processing only the output of the 1-axis tilt sensor, and the overall processing speed is fast and real-time application by finding and correcting the corrected value from the table. It has an easy effect.
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