KR20100028359A - 로봇 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

로봇 및 그 제어 방법을 개시한다. 로봇은, 동작 전반을 제어하는 제 1 제어부의 장애를 고려하여 이를 보조하기 위한 제 2 제어부를 더 구비하고, 로봇의 장애 발생 시 제 2 제어부가 로봇을 제어하여 미리 결정된 안전을 고려한 동작을 취하도록 한다. 특히 안전을 고려한 동작을 비교적 간단한 동작으로 제한하고 이 안전을 고려한 제어를 수행하기 위한 제 2 제어부를 연산 능력이 비교적 낮은 저가의 연산 장치로 구현함으로써 제 2 제어부의 추가에 소요되는 비용이 절감되도록 한다.
Figure P1020080087363
로봇, 보조 제어, 백업 제어, 안전 대책

Description

로봇 및 그 제어 방법{ROBOT AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 로봇 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 특히 로봇의 동작 전반을 제어하는 제어부와 이를 보조하기 위한 또 다른 제어부를 구비하는 로봇 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
로봇은 인간의 동작과 닮은 운동을 행하는 기계 장치를 의미한다. 초기의 로봇은 공장의 생산 작업의 자동화/무인화 등을 목적으로 한 매니퓰레이터나 반송 로봇 등의 산업용 로봇이었다. 최근에는 인간의 2족 보행을 모방한 이동 로봇의 연구 개발이 진행되고 있다. 2족 보행은 4족 또는 6족 보행에 비해 불안정하고 자세 제어나 보행 제어가 상대적으로 더 어려운 단점이 있지만, 고르지 못한 지면(험로) 또는 불연속적인 보행 면(예들 들면 계단)에 좀 더 유연하게 대응할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이와 같은 2족 이동 로봇 이외에, 세 개 이상의 다리를 가진 다족 이동 로봇과 다리 대신 휠을 이용하여 이동하는 로봇 등 다양한 형태의 이동 수단을 가진 로봇들이 존재한다.
2족 이동 로봇의 보행은 다음과 같은 과정을 포함한다. 2족 이동 로봇은 먼저 보행 방향과 보행 폭, 보행 속도 등을 미리 설정하고, 이 설정에 대응하는 동시 에 로봇의 균형을 유지할 수 있는 각 다리의 보행 패턴을 생성하며, 그 보행 패턴에 따라 각 다리의 보행 궤적을 계산한다. 또한 2족 이동 로봇은 계산된 보행 궤적의 역 운동학 계산을 통해 각 다리의 관절의 위치를 계산하고, 각 관절의 모터의 현재 위치와 목표 위치에 기초하여 각 관절의 모터의 목표 제어 값을 계산한다.
2족 보행은 각각의 다리가 계산된 보행 궤적을 추종하도록 하는 서보 제어(servo control)를 통해 구현된다. 따라서 보행 시 각 다리의 위치가 보행 패턴에 따른 보행 궤적을 정확히 추종하는지 검출하고, 각 다리가 보행 궤적을 이탈하면 모터의 토크를 조절하여 각 다리가 보행 궤적을 정확히 추종하도록 제어한다.
로봇은 로봇의 동작 전반을 제어하는 제어부를 구비한다. 로봇이 주어진 작업 명령을 수행하는 도중에 이 제어부가 하드웨어적 또는 소프트웨어적인 장애가 발생하면 로봇의 정상적인 제어가 불가능해질 수 있다. 정상적으로 제어되지 못하는 로봇은 비정상적인 동작을 취할 수 있고 이 때문에 주변의 다른 구조물들을 파괴하거나 주변의 인간들에게 피해를 줄 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 로봇의 동작 전반을 제어하는 제 1 제어부의 장애를 고려하여 이를 보조하기 위한 제 2 제어부를 더 구비하고, 제 1 제어부의 장애 발생 시 제 2 제어부가 로봇을 제어하여 미리 결정된 안전을 고려한 동작을 취하도록 하는데 그 목적이 있다. 특히 안전을 고려한 동작을 비교적 간단한 동작으로 제한하고 이 안전을 고려한 제어를 수행하기 위한 제 2 제어부를 연산 능력이 비교적 낮은 저가의 연산 장치로 구현함으로써 제 2 제어부의 추가에 소요되는 비용이 절감되도록 한다.
본 발명에 따른 로봇은, 로봇을 제어하여 주어진 작업 명령을 수행하는 제 1 제어부와; 로봇의 장애 발생 시 로봇을 제어하여 미리 정해진 안전을 고려한 동작을 취하도록 하는 제 2 제어부를 포함한다.
또한, 상술한 로봇의 장애가 제 1 제어부의 장애를 포함한다.
또한, 상술한 로봇이 정상적으로 동작할 때 제 1 제어부가 제 2 제어부로 모니터용 신호를 전송하고; 로봇이 정상적으로 동작하지 않을 때 제 1 제어부가 제 2 제어부로 모니터용 신호의 전송을 중단한다.
또한, 상술한 안전을 고려한 동작은 로봇이 현재 위치에 정지하는 것이다.
또한, 상술한 안전을 고려한 동작은 로봇이 현재 위치에 정지하여 균형을 유지하는 것이다.
본 발명에 따른 로봇의 제어 방법은, 제 1 제어부와 제 2 제어부를 포함하는 로봇의 제어 방법에 있어서, 제 1 제어부를 통해 로봇을 제어하여 주어진 작업 명령을 수행하고; 로봇의 장애 발생 시 제 2 제어부를 통해 로봇을 제어하여 미리 정해진 안전을 고려한 동작을 취하도록 한다.
또한, 상술한 로봇의 장애가 제 1 제어부의 장애를 포함한다.
또한, 상술한 로봇이 정상적으로 동작할 때 제 1 제어부가 제 2 제어부로 모니터용 신호를 전송하고; 로봇이 정상적으로 동작하지 않을 때 제 1 제어부가 제 2 제어부로 모니터용 신호의 전송을 중단한다.
또한, 상술한 안전을 고려한 동작은 로봇이 현재 위치에 정지하는 것이다.
또한, 상술한 안전을 고려한 동작은 로봇이 현재 위치에 정지하여 균형을 유지하는 것이다.
본 발명에 따른 또 다른 로봇은, 위치 기반의 제 1 제어 모드에서 로봇을 제어하여 주어진 작업 명령을 수행하는 제 1 제어부와; 로봇의 장애 발생 시 토크 기반의 제 2 제어 모드에서 로봇을 제어하여 미리 정해진 안전을 고려한 동작을 취하도록 하는 제 2 제어부를 포함한다.
또한, 상술한 제 1 제어 모드는 ZMP 기반 제어 모드이다.
또한, 상술한 제 2 제어 모드는 FSM 기반 제어 모드이다.
또한, 상술한 로봇의 장애가 제 1 제어부의 장애를 포함한다.
또한, 상술한 제 1 제어부는 제 1 제어 모드와 제 2 제어 모드 각각에서 로봇을 제어하고; 제 1 제어부는 작업 명령에 상응하는 작업의 종류에 따라 제 1 제어 모드와 제 2 제어 모드 가운데 적어도 하나의 제어 모드에서 로봇을 제어하여 작업 명령을 수행한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동 로봇을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 이동 로봇(100)의 상체(102)의 상부에는 목(120)을 통해 머리(104)가 연결된다. 상체(102)의 상부 양측에는 어깨(114L, 114R)를 통해 두 개의 팔(106L, 106R)이 연결된다. 두 개의 팔(106L, 106R) 각각의 말단에는 손(108L, 108R)이 연결된다. 상체(102)의 하부 양측에는 두 개의 다리(110L, 110R)가 연결된다. 두 개의 다리(110L, 110R) 각각의 말단에는 발(112L, 112R)이 연결된다. 머리(104)와 두 개의 팔(106L, 106R), 두 개의 다리(110L, 110R), 각각 두 개씩의 손(108L, 108R)과 발(112L, 112R) 각각은 관절을 통해 일정 수준의 자유도를 갖는다. 상체(102)의 내부는 커버(116)에 의해 보호된다. 상체(102)는 가슴(102a)과 허리(102b)로 분할된다. 참조 부호에서 "R"과 "L"은 각각 이동 로봇(100)의 우측(right)과 좌측(left)을 나타낸다.
도 2는 도 1에 나타낸 이동 로봇의 관절 구조를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 이동 로봇(100)의 두 개의 다리(110R, 110L)는 각각 대퇴 링 크(21)와 하퇴 링크(22), 발(112L, 112R)을 구비한다. 대퇴 링크(21)는 대퇴 관절부(210)를 통해 상체(102)에 연결된다. 대퇴 링크(21)와 하퇴 링크(22)는 무릎 관절부(220)를 통해 서로 연결되고, 하퇴 링크(22)와 발(112L, 112R)은 발목 관절부(230)를 통해 서로 연결된다.
대퇴 관절부(210)는 3 자유도를 가진다. 구체적으로 대퇴 관절부(210)는 요우 방향(yaw, Z축 주위의 회전)의 회전 관절(211)과, 피치 방향(pitch, Y축 주위의 회전)의 회전 관절(212), 롤 방향(roll, X축 주위의 회전)의 회전 관절(213)을 갖는다.
무릎 관절부(220)는 피치 방향의 회전 관절(221)을 포함하여 1 자유도를 가진다. 발목 관절부(230)는 피치 방향의 회전 관절(231)과 롤 방향의 회전 관절(232)을 포함하여 2자유도를 가진다.
이와 같이, 두 개의 다리(110R, 110L) 각각에는 세 관절부(210, 220, 230)에 대해 6개의 회전 관절이 마련되므로, 두 개의 다리(110R, 110L) 전체에 대해서는 12개의 회전 관절이 마련된다.
한편, 두 개의 다리(110R, 110L)에서 발(112L, 112R)과 발목 관절부(230)의 사이에는 다축 F/T센서(Multi-Axis Force and Torque Sensor)(24)가 각각 설치된다. 다축 F/T센서(24)는 발(112L, 112R)로부터 전달되는 힘의 3방향 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향 성분(Mx, My, Mz)을 측정함으로써 발(112L, 112R)의 착지 여부 및 발(112L, 112R)에 가해지는 하중을 검출한다.
머리(104)에는 이동 로봇(100)의 시각으로서 기능하는 카메라(41)와, 청각으 로서 기능하는 마이크로폰(42)이 설치된다. 머리(104)는 목 관절부(280)를 통해 상체(102)와 연결된다. 목 관절부(280)는 요우 방향의 회전 관절(281), 피치 방향의 회전 관절(282) 및 롤 방향의 회전 관절(283)을 포함하여 3 자유도를 가질 수 있다. 목 관절부(280)의 각각의 회전 관절(281, 282, 283)에는 머리 회전용 모터들(미도시)이 연결된다.
어깨 관절 어셈블리(250R, 250L)는 상체(102)의 양측에 장착되어 두 개의 팔(106R, 106L)을 상체(102)에 연결한다. 두 개의 팔(106R, 106L)은 상박 링크(31), 하박 링크(32) 및 손(108R)(108L)을 구비한다. 상박 링크(31)는 어깨 관절 어셈블리(250)를 통해 상체(102)에 연결된다. 상박 링크(31)와 하박 링크(32)는 팔꿈치 관절부(260)를 통해 서로 연결되고, 하박 링크(32)와 손(108R)(108L)은 손목 관절부(270)를 통해 서로 연결된다. 팔꿈치 관절부(260)는 피치 방향의 회전 관절(261)과, 요우 방향의 회전 관절(262)을 포함하여 2 자유도를 가지고, 손목 관절부(270)는 피치 방향의 회전 관절(271)과 롤 방향의 회전 관절(272)을 포함하여 2 자유도를 가질 수 있다.
상체(102)에는 포즈 센서(pose sensor)(14)가 설치된다. 포즈 센서(14)는 연직축에 대한 상체(102)의 경사 각도와 그 각속도 등을 검출하여 자세 정보를 발생시킨다. 이 포즈 센서(204)는 상체(102)뿐만 아니라 머리(104)에 설치해도 좋다. 또한 상체(102)를 구성하는 가슴(102a)과 허리(102b) 사이에는 가슴(102a)이 허리(102b)에 대해 회전할 수 있도록 요우 방향의 회전 관절(15)이 설치된다.
도면에 도시되지는 않았으나, 이동 로봇(100)에는 각 회전 관절을 구동하는 모터들이 설치된다. 이동 로봇(100)의 동작 전반을 제어하는 제어부는 이 모터들을 적절히 제어함으로써 이동 로봇(100)의 다양한 동작을 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 이동 로봇의 제어 계통을 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 이동 로봇(100)은 제 1 제어부(302)와 제 2 제어부(304)를 구비한다. 제 1 제어부(302)는 이동 로봇(100)의 동작 전반을 제어하여 주어진 작업 명령을 수행한다. 제 2 제어부(304)는 제 1 제어부(302)의 장애가 발생하면 이동 로봇(100)을 제어하여 미리 정해진 안전을 고려한 동작을 취하도록 한다.
제 1 제어부(302)의 입력 측에는 비전 시스템(320)과 포즈 센서(14), 위치/토크 검출부(312)가 통신 가능하도록 연결된다. 제 1 제어부(302)의 출력 측에는 이동 로봇(100)의 각 관절들을 움직이기 위한 모터(308)와, 이 모터(308)를 구동하기 위한 모터 구동부(310)가 통신 가능하도록 연결된다. 모터(308)와 모터 구동부(310)는 관절의 수와 구조에 따라 여러 개가 구비될 수 있다. 제 2 제어부(304)의 입력 측에는 포즈 센서(14)와 위치/토크 검출부(312)가 통신 가능하도록 연결된다. 제 2 제어부(304)의 출력 측에는 이동 로봇(100)의 각 관절들을 움직이기 위한 모터(308)와, 이 모터(308)를 구동하기 위한 모터 구동부(310)가 통신 가능하도록 연결된다.
제 1 제어부(302)는 하트비트 신호(Heartbeat Signal)(318)를 발생시켜 제 2 제어부(304)로 전송한다. 이 하트비트 신호(318)는 제 1 제어부(302)가 이동 로봇(100)의 동작 전반을 정상적으로 제어할 수 있는 동안에 주기적으로 발생함으로 써, 제 1 제어부(302)가 정상적으로 동작함을 알리기 위한 모니터용 신호이다. 만약 제 1 제어부(302)가 하드웨어적 또는 소프트웨어적인 장애로 인하여 이동 로봇(100)을 정상적으로 제어하지 못하는 상황에 처하면 이 하트비트 신호(318)의 발생이 중단된다. 하트비트 신호(318)의 발생을 모니터링하는 제 2 제어부(304)는 하트비트 신호(318)의 발생이 중단되면 제 1 제어부(302)를 통한 정상적인 제어가 불가능한 것으로 판단하고 이동 로봇(100)으로 하여금 미리 정해진 안전을 고려한 동작을 취하도록 제어한다.
위치/토크 검출부(312)는 모터(308)의 위치와 토크를 검출하여 위치/토크 정보(314)를 제 1 제어부(302) 및 제 2 제어부(304)에 제공한다. 포즈 센서(14)는 이동 로봇(100)의 자세 정보(316)를 발생시킨다. 제 1 제어부(302) 및 제 2 제어부(304)는 모터(308)의 위치/토크 정보(314)와 이동 로봇(100)의 자세 정보(316)를 이용하여 보행 패턴 생성하고, 이 보행 패턴에 따라 이동 로봇(100)의 보행을 제어한다.
제 1 제어부(302)는, 본 발명의 실시 예에 따른 이동 로봇(100)의 동작 전반을 제어한다. 즉, 제 1 제어부(302)는, 비전 시스템(320)으로부터 제공되는 영상 정보(322)를 이용하여 이동 로봇(100) 자신의 위치 확인 및 주변 지도(map)를 작성하고, 위치/토크 검출부(312)로부터 제공되는 이동 로봇(100)의 각 모터(308)의 위치/토크 정보(314)와 포즈 센서(14)로부터 제공되는 이동 로봇(100)의 자세 정보(316)를 분석하여 이동 로봇(100)의 보행 및 파지 동작 등을 제어한다. 위치/토크 정보(314)와 자세 정보(316)를 이용한 이동 로봇(100)의 동작 제어는 물론 비전 시스템(320)을 통해 얻어지는 주변 영상의 분석을 통한 이동 로봇(100)의 위치 확인 및 주변 지도 작성 등은 처리해야 할 데이터의 양이 매우 방대하고, 또 이와 같은 방대한 양의 데이터는 이동 로봇(100)이 동작하는 동안에 실시간으로 처리되어야 한다. 따라서 제 1 제어부(302)는 고속 처리 능력을 가진 연산 장치일 필요가 있다. 연산 장치가 고속 처리 능력을 갖기 위해서는 특화된 설계와 진보된 기술을 기반으로 하기 때문에 상대적으로 저속의 처리 능력을 가진 다른 연산 장치에 비해 상대적으로 매우 고가이다.
제 2 제어부(304)는 제 1 제어부(302)가 하드웨어적 또는 소프트웨어적인 장애로 인하여 이동 로봇(100)을 정상적으로 제어하지 못할 때, 이동 로봇(100)이 주어진 작업 명령의 수행을 중단하고 미리 정해진 안전을 고려한 동작을 취하도록 이동 로봇(100)을 제어한다. 본 발명의 일 실시 예에서 언급하는 안전을 고려한 동작의 한 예로는, 이동 로봇(100)이 이동 중일 경우 현재 위치에 정지하여 균형을 잃지 않고 직립 상태를 유지하는 것이다. 또 다른 예로는, 현재 위치에서 정지하여 균형을 잃지 않고 그 자리에 앉는 것이다. 또 다른 예로는, 이동 로봇(100)의 충전을 위한 별도의 충전 장치가 설치되어 있는 경우, 이동 로봇(100)이 그 충전 장치까지 이동하여 충전 가능하도록 전기적으로 연결하는 것이다. 그 밖에 이동 로봇(100)의 구조와 형태에 따라 이동 로봇(100) 주변의 인간이나 구조물 등이 안전할 수 있도록 하는 다양한 자세를 취하도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해 제 2 제어부(304)는 안전을 고려한 동작을 취하도록 하기 위해, (i) 현재 위치에 정지하는 것과, (ii) 균형을 잃지 않고 그 자리에 앉거나 직립 상태를 유지하는 비교적 낮은 수준의 제어만을 수행한다. 따라서 제 1 제어부(302)와 비교할 때 데이터 처리량이 상대적으로 매우 적기 때문에 처리 속도가 상대적으로 낮은 비교적 저가의 연산 장치를 사용한다.
이와 같이, 제 2 제어부(304)는 제 1 제어부(302)의 장애 발생 시 긴급 상황에서 임시로 사용되는 백업 연산 장치이다. 제 1 제어부(302)가 고가의 고성능 연산 장치인 반면 제 2 제어부(304)는 상대적으로 저가의 낮은 수준의 연산 장치를 사용하기 때문에, 제 1 제어부(302)와 동일한 성능의 고가의 연산 장치를 백업 연산 장치로 사용하는 경우와 비교할 때 상대적으로 훨씬 낮은 가격으로 안정된 백업 연산 장치를 갖출 수 있어 매우 유리한 가격 경쟁력이 확보된다. 또한 연산 능력이 비교적 낮은 단순한 수준의 연산 장치를 사용하게 되면 설계가 용이하고 유지 보수에 드는 비용도 크게 절감된다.
도 4는 도 3에 나타낸 이동 로봇의 제어 계통의 일반적인 동작 상태를 나타낸 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 제 1 제어부(302)가 정상적으로 동작하여 하트비트 신호(318)가 주기적으로 발생하는 동안에는 위치/토크 검출부(312)로부터의 위치/토크 정보(314)와 포즈 센서(14)로부터의 자세 정보(316), 비전 시스템(320)으로부터의 영상 정보(322)가 제 1 제어부(302)에 입력되고, 제 1 제어부(302)는 이 정보들에 기초하여 이동 로봇(100)으로 하여금 주어진 작업 명령을 수행하도록 하기 위한 제어 신호(402)를 발생시킨다. 이 때 제 2 제어부(304)는 제 1 제어부(302)로부터 하트비트 신호(318)가 정상적으로 발생하는지를 감시하고 이동 로봇(100)의 제어에는 관여하지 않는다.
도 5는 도 3에 나타낸 이동 로봇의 제어 계통의 안전을 고려한 동작 상태를 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 제 1 제어부(302)에 장애가 발생하여 정상적으로 하트비트 신호(318)가 발생하지 않으면, 제 2 제어부(304)는 위치/토크 검출부(312)로부터의 위치/토크 정보(314)와 포즈 센서(14)로부터의 자세 정보(316)에 기초하여 이동 로봇(100)으로 하여금 미리 정해진 안전을 고려한 동작을 취하도록 하기 위한 제어 신호(504)를 발생시킨다. 이 때 제 2 제어부(304)에서 발생하는 제어 신호(504)는 이동 로봇(100)이 수행중이던 동작을 중단하고 안전을 고려한 동작을 취하도록 하는 것으로 제한된다. 따라서 제 2 제어부(304)는 이동 로봇(100)으로 하여금 안전을 고려한 동작을 취하도록 하는 것 이상의 높은 수준의 연산 능력은 필요치 않다. 만약 미리 정해진 안전을 고려한 동작을 매우 단순하고 비교적 쉽게 구현되는 동작이라면, 제 2 제어부(304)는 위치/토크 정보(314)와 자세 정보(316)를 이용하지 않고 미리 프로그램되어 있는 대로 제어 신호를 발생시켜서 이동 로봇(100)으로 하여금 안전을 고려한 동작을 취하도록 제어할 수 있다. 이 경우 제 2 제어부(304)의 연산 능력은 매우 낮은 수준이어도 좋으며, 이로써 제 2 제어부(304)에 소요되는 비용은 더욱 낮아진다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 이동 로봇의 제어 방법을 나타낸 도면이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 제 1 제어부(302)가 정상적으로 동작하는 동안에는 주기적으로 하트비트 신호(318)를 발생시킨다(602). 제 2 제어부(304)는 제 1 제어부(302)로부터의 하트비트 신호(318)가 정상적으로 발생하는지를 감시한다(604).
제 1 제어부(302)는 외부로부터 작업 명령을 수신하여 해당 작업을 수행한다(606). 이 과정에서, 제 1 제어부(302)의 장애가 발생하여 하트비트 신호(318)의 발생이 중단되면(608의 예) 제 2 제어부(304)가 이를 인지하여 이동 로봇(100)의 제어 주체를 제 1 제어부(302)에서 제 2 제어부(304) 자신으로 전환한다(610). 제 1 제어부(302)를 제어 주체에서 배제하는 방법으로는, 위치/토크 정보(314)와 자세 정보(316), 영상 정보(322)가 제 1 제어부(302)로 입력되지 않도록 차단하는 방법과, 제 1 제어부(302)에서 발생하는 제어 신호(402)가 모터 구동부(310)에 전달되지 않도록 차단하는 방법, 제 1 제어부(302)로의 전원 공급을 차단하는 방법 등이 있다.
제 1 제어부(302)에서 제 2 제어부(304)로 제어 주체가 전환되면, 제어 권한을 가진 제 2 제어부(304)는 이동 로봇(100)으로 하여금 안전을 고려한 미리 설정된 동작을 취하도록 제어한다(612). 이동 로봇(100)이 안전을 고려한 동작을 취하게 되면(614의 예) 이동 로봇(100)의 사용자나 관리자, 이동 로봇(100) 주변에 있는 사람들이 이동 로봇(100)의 제 1 제어부(302)의 장애 사실을 알 수 있도록 경고를 표시한다(616). 경고 표시 방법으로는 램프의 점등이나 디스플레이 장치로의 텍스트 출력, 스피커를 통한 경고음 발생 등이 있다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 이동 로봇의 제어 계통을 나타낸 도면이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 이동 로봇(100)은 제 1 제어부(702)와 제 2 제어부(704)를 구비한다. 제 1 제어부(702)는 이동 로봇(100)의 동작 전반을 제어하여 주어진 작업 명령을 수행한다. 제 2 제어부(704) 는 제 1 제어부(702)의 장애가 발생하면 이동 로봇(100)을 제어하여 미리 정해진 안전을 고려한 동작을 취하도록 한다.
제 1 제어부(702)의 입력 측에는 비전 시스템(320)과 포즈 센서(14), 위치/토크 검출부(312), FSM 데이터베이스(Finite State Machine Database)(상태 정보 저장부)(722)가 통신 가능하도록 연결된다. 제 1 제어부(702)의 출력 측에는 이동 로봇(100)의 각 관절들을 움직이기 위한 모터(308)와, 이 모터(308)를 구동하기 위한 모터 구동부(310)가 통신 가능하도록 연결된다. 모터(308)와 모터 구동부(310)는 관절의 수와 구조에 따라 여러 개가 구비될 수 있다. 제 2 제어부(704)의 입력 측에는 포즈 센서(14)와 위치/토크 검출부(312), FSM 데이터베이스(상태 정보 저장부)(722)가 통신 가능하도록 연결된다. 제 2 제어부(704)의 출력 측에는 이동 로봇(100)의 각 관절들을 움직이기 위한 모터(308)와, 이 모터(308)를 구동하기 위한 모터 구동부(310)가 통신 가능하도록 연결된다.
본 발명의 제 2 실시 예에서, 제 1 제어부(702)는 주어진 작업 명령과 작업 환경에 따라 FSM 기반 제어와 ZMP(Zero Moment Point) 기반 제어 가운데 어느 하나를 선택하여 이동 로봇(100)의 동작을 제어한다. FSM 기반 제어는 토크 기반 제어이고, ZMP 기반 제어는 위치 기반 제어이다. FSM 기반 제어는 이동 로봇(100)의 각 동작의 상태(여기서 상태(State)라 함은 Finite State Machine에서의 State를 의미함)를 미리 정의해두고, 보행 시 각 동작의 상태(State)를 참조하여 적절히 보행하는 방식이다. ZMP 기반 제어는 보행 방향과 보행 폭, 보행 속도 등을 미리 설정하고, 이 설정에 대응하는 각 다리의 보행 패턴을 생성하며, 그 보행 패턴에 따라 각 다리의 보행 궤적을 계산한다. 또한 이동 로봇(100)이 2족 보행하는 경우에는 계산된 보행 궤적의 역 운동학 계산을 통해 각 다리의 관절의 위치를 계산하고, 각 관절의 모터의 현재 위치와 목표 위치에 기초하여 각 관절의 모터의 목표 제어 값을 계산한다. 또한, 각각의 다리가 계산된 보행 궤적을 추종하도록 하는 서보 제어(servo control)를 통해 구현된다. 따라서 보행 시 각 다리의 위치가 보행 패턴에 따른 보행 궤적을 정확히 추종하는지 검출하고, 각 다리가 보행 궤적을 이탈하면 모터의 토크를 조절하여 각 다리가 보행 궤적을 정확히 추종하도록 제어한다.
제 1 제어부(702)는, 평탄 지형에서의 동작(보행) 또는 비교적 단순한 형태의 동작(보행) 제어를 위해 FSM 기반 제어를 선택한다. 또한, 제 1 제어부(702)는, 계단과 같은 비평탄 지형이나 장애물 등으로 인하여 보폭 등이 지정되어야 하는 경우 또는 문 열기나 물건 옮기기 등과 같은 정확한 전신 동작 제어가 필요할 때 ZMP 기반 제어를 선택한다. 제 2 제어부(704)는 제 1 제어부(702)의 장애 발생 시 이동 로봇(100)으로 하여금 안전을 고려한 동작을 취하도록 하기 위해 FSM 기반 제어를 수행한다. FSM 기반 제어는 ZMP 기반 제어에 비해 연산량이 상대적으로 매우 적고 미리 프로그램된 시퀀스를 추종하면 되므로 연산 능력이 낮은 저가의 연산 장치를 이용하여 제 2 제어부(704)를 구현한다.
제 1 제어부(702)는 하트비트 신호(Heartbeat Signal)(318)를 발생시켜 제 2 제어부(704)로 전송한다. 이 하트비트 신호(318)는 제 1 제어부(702)가 이동 로봇(100)의 동작 전반을 정상적으로 제어할 수 있는 동안에 주기적으로 발생함으로써, 제 1 제어부(302)가 정상적으로 동작함을 알리기 위한 모니터용 신호이다. 만 약 제 1 제어부(702)가 하드웨어적 또는 소프트웨어적인 장애로 인하여 이동 로봇(100)을 정상적으로 제어하지 못하는 상황에 처하면 이 하트비트 신호(318)의 발생이 중단된다. 하트비트 신호(318)의 발생을 모니터링하는 제 2 제어부(304)는 하트비트 신호(318)의 발생이 중단되면 제 2 제어부(704)는 제 1 제어부(702)를 통한 정상적인 제어가 불가능한 것으로 판단하고 이동 로봇(100)으로 하여금 미리 정해진 안전을 고려한 동작을 취하도록 제어한다.
위치/토크 검출부(312)는 모터(308)의 위치와 토크를 검출하여 위치/토크 정보(314)를 제 1 제어부(702) 및 제 2 제어부(704)에 제공한다. 포즈 센서(14)는 이동 로봇(100)의 자세 정보(316)를 발생시킨다. FSM 데이터베이스(722)에는 미리 정의되어 있는 이동 로봇(100)의 각 동작의 상태(state) 특히 안전을 고려한 동작의 상태 정보들이 저장된다. 제 1 제어부(702) 및 제 2 제어부(704)는 모터(308)의 위치/토크 정보(314)와 이동 로봇(100)의 자세 정보(316)를 이용하여 보행 패턴을 생성하고, 이 보행 패턴에 따라 이동 로봇(100)의 보행을 제어한다.
도 8은 도 7에 나타낸 이동 로봇의 제어 계통의 일반적인 동작 상태를 나타낸 도면이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 제 1 제어부(702)가 정상적으로 동작하여 하트비트 신호(318)가 주기적으로 발생하는 동안에는 위치/토크 검출부(312)로부터의 위치/토크 정보(314)와 포즈 센서(14)로부터의 자세 정보(316), 비전 시스템(320)으로부터의 영상 정보(322)가 제 1 제어부(702)에 입력되고, 제 1 제어부(702)는 이 정보들에 기초하여 이동 로봇(100)으로 하여금 주어진 작업 명령을 수행하도록 하기 위한 제어 신호(702)를 발생시킨다. 이 제어 신호(702)는 ZMP 기 반 제어 신호이거나 FSM 기반 제어 신호이다. 이 때 제 2 제어부(704)는 제 1 제어부(702)로부터 하트비트 신호(318)가 정상적으로 발생하는지를 감시하고 이동 로봇(100)의 제어에는 관여하지 않는다.
도 9는 도 7에 나타낸 이동 로봇의 제어 계통의 안전을 고려한 동작 상태를 나타낸 도면이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 제 1 제어부(702)에 장애가 발생하여 정상적으로 하트비트 신호(318)가 발생하지 않으면, 제 2 제어부(704)는 FSM 기반 제어를 통해 이동 로봇(100)으로 하여금 미리 정해진 안전을 고려한 동작을 취하도록 하기 위한 제어 신호(904)를 발생시킨다. 만약 필요하다면, 제 2 제어부(704)는 위치/토크 검출부(312)로부터의 위치/토크 정보(314)와 포즈 센서(14)로부터의 자세 정보(316)를 참조해도 좋다. 제 2 제어부(704)에서 발생하는 제어 신호(504)는 이동 로봇(100)이 수행중이던 동작을 중단하고 안전을 고려한 동작을 취하도록 하는 것으로 제한된다. 따라서 제 2 제어부(704)는 이동 로봇(100)으로 하여금 안전을 고려한 동작을 취하도록 하는 것 이상의 높은 수준의 연산 능력은 필요치 않다. 특히 FSM 기반 제어는 고성능의 연산 능력을 필요로 하지 않기 때문에 제 2 제어부(704)의 연산 능력은 낮은 수준이어도 좋으며, 이로써 제 2 제어부(704)에 소요되는 비용은 더욱 낮아진다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 이동 로봇의 제어 방법을 나타낸 도면이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 제 1 제어부(702)가 정상적으로 동작하는 동안에는 주기적으로 하트비트 신호(318)를 발생시킨다(1002). 제 2 제어부(704)는 제 1 제어부(702)로부터의 하트비트 신호(318)가 정상적으로 발생하는지를 감시한 다(1004).
제 1 제어부(702)는 외부로부터 작업 명령을 수신하여 ZMP 기반 제어를 통해 해당 작업을 수행한다(1006). 필요에 따라 제 1 제어부(702)도 FSM 기반 제어를 통해 작업 명령을 수행해도 좋다. 이 과정에서, 제 1 제어부(702)의 장애가 발생하여 하트비트 신호(318)의 발생이 중단되면(1008의 예) 제 2 제어부(704)가 이를 인지하여 이동 로봇(100)의 제어 주체를 제 1 제어부(702)에서 제 2 제어부(704) 자신으로 전환하고, 제어 모드 역시 FSM 기반 제어 모드로 전환한다(1010). 제 1 제어부(702)를 제어 주체에서 배제하는 방법으로는, 위치/토크 정보(314)와 자세 정보(316), 영상 정보(322)가 제 1 제어부(702)로 입력되지 않도록 차단하는 방법과, 제 1 제어부(702)에서 발생하는 제어 신호(802)가 모터 구동부(310)에 전달되지 않도록 차단하는 방법, 제 1 제어부(702)로의 전원 공급을 차단하는 방법 등이 있다.
제 1 제어부(702)에서 제 2 제어부(704)로 제어 주체가 전환되면, 제어 권한을 가진 제 2 제어부(704)는 FSM 기반 제어를 통해 이동 로봇(100)으로 하여금 안전을 고려한 미리 설정된 동작을 취하도록 제어한다(1012). 이동 로봇(100)이 안전을 고려한 동작을 취하게 되면(1014의 예) 이동 로봇(100)의 사용자나 관리자, 이동 로봇(100) 주변에 있는 사람들이 이동 로봇(100)의 제 1 제어부(702)의 장애 사실을 알 수 있도록 경고를 표시한다(1016). 경고 표시 방법으로는 램프의 점등이나 디스플레이 장치로의 텍스트 출력, 스피커를 통한 경고음 발생 등이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로봇을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 나타낸 로봇의 관절 구조를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 로봇의 제어 계통을 나타낸 도면.
도 4는 도 3에 나타낸 로봇의 제어 계통의 일반적인 동작 상태를 나타낸 도면.
도 5는 도 3에 나타낸 로봇의 제어 계통의 안전을 고려한 동작 상태를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 로봇의 제어 방법을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 로봇의 제어 계통을 나타낸 도면.
도 8은 도 7에 나타낸 로봇의 제어 계통의 일반적인 동작 상태를 나타낸 도면.
도 9는 도 7에 나타낸 로봇의 제어 계통의 안전을 고려한 동작 상태를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 로봇의 제어 방법을 나타낸 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
14 : 포즈 센서
100 : 이동 로봇
102 : 상체
110L, 110R : 다리
112L, 112R : 발
302, 702 : 제 1 제어부
304, 704 : 제 2 제어부

Claims (15)

  1. 로봇을 제어하여 주어진 작업 명령을 수행하는 제 1 제어부와;
    상기 로봇의 장애 발생 시 상기 로봇을 제어하여 미리 정해진 안전을 고려한 동작을 취하도록 하는 제 2 제어부를 포함하는 로봇.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 로봇의 장애가 상기 제 1 제어부의 장애를 포함하는 로봇.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 로봇이 정상적으로 동작할 때 상기 제 1 제어부가 상기 제 2 제어부로 모니터용 신호를 전송하고;
    상기 로봇이 정상적으로 동작하지 않을 때 상기 제 1 제어부가 상기 제 2 제어부로 상기 모니터용 신호의 전송을 중단하는 로봇.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 안전을 고려한 동작은 상기 로봇이 현재 위치에 정지하는 것인 로봇.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 안전을 고려한 동작은 상기 로봇이 현재 위치에 정지하여 균형을 유지 하는 것인 로봇.
  6. 제 1 제어부와 제 2 제어부를 포함하는 로봇의 제어 방법에 있어서,
    상기 제 1 제어부를 통해 상기 로봇을 제어하여 주어진 작업 명령을 수행하고;
    상기 로봇의 장애 발생 시 상기 제 2 제어부를 통해 상기 로봇을 제어하여 미리 정해진 안전을 고려한 동작을 취하도록 하는 로봇의 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 로봇의 장애가 상기 제 1 제어부의 장애를 포함하는 로봇의 제어 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 로봇이 정상적으로 동작할 때 상기 제 1 제어부가 상기 제 2 제어부로 모니터용 신호를 전송하고;
    상기 로봇이 정상적으로 동작하지 않을 때 상기 제 1 제어부가 상기 제 2 제어부로 상기 모니터용 신호의 전송을 중단하는 로봇의 제어 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 안전을 고려한 동작은 상기 로봇이 현재 위치에 정지하는 것인 로봇의 제어 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 안전을 고려한 동작은 상기 로봇이 현재 위치에 정지하여 균형을 유지하는 것인 로봇의 제어 방법.
  11. 위치 기반의 제 1 제어 모드에서 로봇을 제어하여 주어진 작업 명령을 수행하는 제 1 제어부와;
    상기 로봇의 장애 발생 시 토크 기반의 제 2 제어 모드에서 상기 로봇을 제어하여 미리 정해진 안전을 고려한 동작을 취하도록 하는 제 2 제어부를 포함하는 로봇.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 제어 모드는 ZMP 기반 제어 모드인 로봇.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 제어 모드는 FSM 기반 제어 모드인 로봇.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 로봇의 장애가 상기 제 1 제어부의 장애를 포함하는 로봇.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 제어부는 상기 제 1 제어 모드와 상기 제 2 제어 모드 각각에서 상기 로봇을 제어하고;
    상기 제 1 제어부는 상기 작업 명령에 상응하는 작업의 종류에 따라 상기 제 1 제어 모드와 상기 제 2 제어 모드 가운데 적어도 하나의 제어 모드에서 상기 로봇을 제어하여 상기 작업 명령을 수행하는 로봇.
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