KR20100073438A

KR20100073438A - 로봇 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20100073438A
Application number: KR1020080132109A
Authority: KR
Inventors: 곽호성; 권웅; 노경식
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2010-07-01
Also published as: US8423183B2; US20100161118A1

Abstract

본 발명은 이족 보행 로봇이 2D 공간상에서 넘어지지 않고 안정한 보행을 할 수 있도록 힙 궤적을 생성하는 방법에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 FSM 기반 이족 로봇이 2D 공간상에서 보행할 때 지지하는 다리의 발목 관절 각/각속도를 실시간으로 측정하여 스윙하는 다리의 힙 각속도를 구하고, 지지하는 다리의 발목 각속도와 스윙하는 다리의 힙 각속도에 기초하여 발목과 힙의 목표 궤적을 생성하여 이족 로봇이 2D 공간상에서 넘어지지 않고 안정된 보행을 할 수 있도록 한다.

Description

로봇 및 그 제어방법{ROBOT AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 로봇 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이족 보행 로봇이 2D 공간상에서 넘어지지 않고 안정한 보행을 할 수 있도록 힙 궤적을 생성하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전기적 또는 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작과 닮은 운동을 행하는 기계장치를 로봇이라고 한다. 초기의 로봇은 생산 현장에서의 작업 자동화ㆍ무인화 등을 목적으로 한 매니퓰레이터나 반송 로봇 등의 산업용 로봇으로 인간을 대신하여 위험한 작업이나 단순한 반복 작업, 큰 힘을 필요로 하는 작업을 수행하였으나, 최근에는 인간과 유사한 관절 체계를 가지고 인간의 작업 및 생활공간에서 인간과 공존하며 두 발로 걸을 수 있는 이족 보행 로봇의 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이족 로봇의 보행 제어방법은 위치 기반의 ZMP(Zero Moment Point) 제어방식과 토크 기반의 FSM(Finite State Machine) 제어방식을 들 수 있다. ZMP 제어방식은 이족 로봇의 무게 중심과 양발 끝 단(end effector;이하 엔드 이펙터라 한다)을 기준으로 사용자의 직교좌표상에서 원하는 값들을 미리 생성해 놓고 링크와 관절들 사이의 기구학적 특성(kinematics characteristic)을 가지고 모든 관절들의 목표 궤적(trajectory)을 만든다. 이러한 ZPM 제어방식은 무게 중심의 ZMP 궤적을 고려한 엔드 이펙터의 목표 직교좌표 궤적을 관절들의 각/각속도/가속도로 매핑을 시켜야 하므로 실시간으로 많은 계산량이 필요할 뿐만 아니라 계산방식도 복잡하다. 또한 이동하고자 하는 경로에 모든 관절들이 계산식에 의해 결과가 나오며 복수 개의 해가 나오므로 사용자가 원하는 해를 시뮬레이션 하거나 다시 확인해야 한다. 이에 반해 FSM 제어방식은 이족 로봇의 제한된 동작 상태(State)를 미리 정의해 두고(Finite State), 보행 시 제한된 동작 상태(State)를 순차적으로 변화시켜 적절히 보행하는 방식으로 관절들의 목표 각들의 관계를 생성하면 복잡한 계산방식이 없어도 안정적인 보행패턴을 얻을 수 있게 된다. 이에 이족 로봇이 넘어지지 않고 안정된 보행을 하도록 각 관절들의 목표 각들의 관계를 설정해야 한다.

본 발명은 FSM 기반의 이족 로봇의 발목 관절 각/각속도를 실시간으로 측정하여 이족 로봇이 2D 공간상에서 넘어지지 않고 안정한 보행을 할 수 있도록 힙 궤적을 생성하는 방법을 제시하고자 한다.

이를 위해 본 발명의 실시예는 로봇의 보행 시 지지하는 제1다리의 발목 각을 측정하고; 상기 제1다리의 발목 각으로부터 발목 각속도를 계산하여 스윙하는 제2다리의 힙 각속도를 구하고; 상기 제1다리의 발목 각속도 및 상기 제2다리의 힙 각속도에 기초하여 상기 발목과 힙의 목표 궤적을 생성하는 것을 특징으로 한다.

상기 로봇은 FSM(Finite State Machine) 기반의 이족 보행 로봇인 것을 특징으로 한다.

상기 제1다리의 발목 각을 측정하는 것은, 상기 FSM의 상태(State)에 따라 변화하는 상기 제1다리의 발목 피치 조인트의 각을 측정하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1다리의 발목 각속도를 계산하는 것은, 상기 제1다리의 발목 피치 조인트의 각속도를 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2다리의 힙 각속도를 구하는 것은, 상기 제2다리의 힙 피치 조인트의 각속도를 구하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2다리의 힙 피치 각속도는 아래의 [식]에 의해 구하는 것을 특징으로 한다.

[식]

상기 제2다리의 힙 피치 각속도 = K × 상기 제1다리의 발목 피치 각속도

여기서, K는 상기 로봇의 보행패턴에 따라 정해지는 상수이다.

또한, 본 발명의 실시예는 상기 제1및 제2다리의 사이각을 구하는 것을 더 포함하고, 상기 발목의 목표 궤적을 생성하는 것은, 상기 제1다리의 발목 피치 조인트를 상기 사이각만큼 회전시키는 것을 특징으로 한다.

상기 힙의 목표 궤적을 생성하는 것은, 상기 제2다리의 힙 피치 조인트를 상기 사이각의 K배만큼 회전시키는 것을 특징으로 한다.

상기 힙의 목표 궤적을 생성하는 것은, 상기 제2다리의 힙 회전속도를 상기 제1다리의 발목 회전속도의 K배로 설정하여 상기 로봇의 무게 중심을 상기 사이각의 중심에 위치시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 및 제2다리의 사이각은 상기 로봇의 무게 중심을 유지하기 위한 상기 발목의 목표 궤적 최대값인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 상기 발목의 목표 궤적으로부터 상기 로봇의 무릎의 목표 궤적을 생성하는 것을 더 포함한다.

그리고, 본 발명의 실시예는 로봇의 보행 시 지지하는 제1다리의 발목 각을 측정하는 측정부; 상기 제1다리의 발목 각으로부터 발목 각속도를 계산하여 스윙하는 제2다리의 힙 각속도를 구하고, 상기 제1다리의 발목 각속도 및 상기 제2다리의 힙 각속도에 기초하여 상기 발목과 힙의 목표 궤적을 생성하는 제어부를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예는 상기 로봇의 보행속도, 보폭 등의 보행명령을 입력하는 입력부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 로봇의 보행명령에 따라 상기 제1다리의 발목 각을 실시간으로 측정하여 상기 제1다리를 지지 포인트 기준으로 회전시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는 상기 제1다리의 발목 각속도로부터 상기 제2다리의 힙 각속도를 구하여 상기 제2다리를 힙 피치 조인트 기준으로 회전시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는 상기 제2다리의 힙 회전속도를 상기 제1다리의 발목 회전속도의 일정배수로 설정하여 상기 로봇의 무게 중심을 유지시키는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 실시예에 의하면 FSM 기반의 이족 로봇의 발목 관절 각/각속도를 실시간으로 측정하여 이족 로봇이 2D 공간상에서 넘어지지 않고 안정된 보행을 하기 위한 힙 궤적을 생성하여 이족 로봇이 넘어지지 않고 안정된 보행을 이룰 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 로봇의 외관 구성도이다.

도 1에서, 본 발명의 실시예에 의한 인간과 마찬가지로 두 개의 다리(11R, 11L)에 의해 직립 이동하는 이족 보행 로봇으로, 몸통(12)과, 몸통(12)의 상부에 두 개의 팔(13R, 13L)과 머리(14)를 구비하며, 두 개의 다리(11R, 11L)와 팔(13R, 13L) 선단에는 각각 발(15R, 15L)과 손(16R, 16L)을 구비한다.

참조부호에서, R과 L은 로봇(10)의 오른쪽(Right)과 왼쪽(Left)을 나타내고, COG는 로봇(10)의 무게 중심을 나타낸다.

도 2는 도 1에 나타낸 로봇의 주요 관절 구조를 나타낸 도면이다.

도 2에서, 두 개의 다리(11R, 11L)는 로봇(10)의 발목, 무릎, 힙에 해당하는 부분이 회전할 수 있도록 발목 관절(17R, 17L), 무릎 관절(18R, 18L), 힙 관절(19R, 19L)을 각각 구비하고, 힙 관절(19R, 19L)은 두 개의 다리(11R, 11L)와 연결되는 몸통(12) 아래의 양 쪽 끝에 위치한다.

각 다리(11R, 11L)의 발목 관절(17R, 17L)은 x축(roll axis)과 y축(pitch axis)로 움직임이 가능하고, 무릎 관절(18R, 18L)은 y축(pitch axis)로 움직임이 가능하며, 힙 관절(19R, 19L)은 x축(roll axis)과 y축(pitch axis), z축(yaw axis)로 움직임이 가능하다.

또한, 두 개의 다리(11R, 11L)에는 힙 관절(19R, 19L)과 무릎 관절(18R, 18L)을 연결하는 상부 링크(20R, 20L)와, 무릎 관절(18R, 18L)과 발목 관절(17R, 17L)을 연결하는 하부 링크(21R, 21L)를 각각 포함하여 각 관절((17R, 17L), (18R, 18L), (19R, 19L))의 움직임에 따라 일정 수준의 자유도를 가지고 보행이 가능하도록 한다.

그리고, 두 개의 다리(11R, 11L)와 연결되는 몸통(12)에는 로봇(10)의 허리에 해당하는 부분이 회전할 수 있도록 허리 관절(23)을 구비하며, 허리 관절(23)은 몸통(12) 아래의 양쪽 끝에 위치한 힙 관절(19R, 19L)을 연결하는 힙 링크(22)의 중심(22G) 위치 즉, 로봇(10)의 무게 중심 위치(COG)와 동일한 축 선상에 위치하여 x축과 y축, z축으로 움직임이 가능하다.

도면에 나타내지는 않았지만, 로봇(10)의 모든 관절((17R, 17L), (18R, 18L), (19R, 19L), 23)은 구동을 위한 엑츄에이터(예를 들어, 모터와 같은 전동장치)를 각각 포함하고 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 FSM 기반 로봇의 2D 공간상에서 정의되는 리미트 사이클 제어각을 나타낸 도면으로서, 피치축(y축) 방향과 요축(z축) 방향에 대한 y-z 평면상(2D 공간상)에서 로봇(10)의 몸통(12)과 좌우 다리(11L, 11R)를 나타낸 것으로 인간이 앞으로 보행 시 양쪽 발을 번갈아 가며 걷는 모습을 y-z 평면에서 간략화한 것과 같다.

도 3에서, FSM 기반 로봇(10)의 상태(State)는 양발 지지(DS;Double Support), 오른발 지지[SS(R);Single Support Right], 왼발 지지[SS(L);Single Support Left] 상태의 총 3개로 구성되며, FSM(Finite State Machine)은 상태(State)별로 규칙적으로 반복하는 특성을 갖는다.

A는 로봇(10)이 2D 공간상에서 리미트 사이클을 이용하여 균형을 잡을 수 있는 제어각으로, 로봇(10)이 지면과 접촉되는 점(즉, 착지다리의 발바닥)을 기준으로 지면과 수직인 벡터와 로봇(10)의 무게 중심(COG)까지의 벡터 사이의 각으로 정의하며, 지면과 접촉되는 점에서 구성되므로 로봇(10)의 발목 관절(17R, 17L)을 제어하게 된다.

도 3은 로봇(10)이 2D 공간에서 리미트 사이클을 이용하여 균형을 잡을 수 있는 제어각(A)을 나타낸 것으로, 실제 로봇(10)이 보행하는 공간에서는 이 리미트 사이클 제어각(A)의 궤적에 따라 다른 관절들(17R, 17L, 19R, 19L;특히, 힙 관절)의 궤적을 생성해야 한다. 그 이유는 리미트 사이클 제어각(A)은 로봇(10)이 양발 지지(DS) 또는 한발 지지[SS(R) 또는 SS(L)] 상태 즉, 제자리에서 좌우 균형을 잡을 수 있도록 하는 방법일 뿐 로봇(10)이 넘어지지 않고 안정한 보행을 할 수 있도록 하는 방법은 아니기 때문에 안정한 보행패턴의 생성을 위해 발목 관절(17R, 17L)과 힙 관절(19R, 19L)의 궤적을 생성해야 한다.

동역학적으로 FSM 기반 로봇(10)이 넘어지지 않고 보행하기 위해서 좌우 다리(11R, 11L)의 각 조인트들에 궤적(trajectory)을 부여한다. 조인트들은 발목 관절(17R, 17L)의 롤 조인트, 피치 조인트와, 무릎 관절(18R, 18L)의 피치 조인트와, 힙 관절(19R, 19L)의 롤 조인트, 피치 조인트, 요 조인트로 하나의 다리(11R 또는 11L)에 6개의 조인트가 있다. FSM 기반 로봇(10)은 2D 공간상에서 앞으로 걷는 보행에 관한 것이므로 각 조인트들의 피치만을 고려한다. 로봇(10)이 한발(15R 또는 15L)을 착지하고 나중에 다른 한발(15L 또는 15R)을 착지하는 한 스텝 시에 로봇(10)의 뒷다리가 앞으로 전진하면서 착지를 하게 되며 그 사이에 있어서 보행에 관련된 중요한 조인트는 발목 피치 조인트와 힙 피치 조인트이다.

따라서, FSM 기반 로봇(10)의 안정한 보행을 위해서는 발목 피치 조인트와 힙 피치 조인트의 궤적의 관계를 구하여 안정한 보행패턴을 생성할 수 있으므로 발목 피치 조인트와 힙 피치 조인트의 관계를 설정해야 할 필요가 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 FSM 기반 로봇의 힙과 발목의 피치 조인트 궤적을 생성하는 과정을 예시한 컴퍼스 모델이다.

도 4에서, 컴퍼스 모델(100)은 보행방향에 따라 앞다리(110)와 뒷다리(120)로 구성되며, 두 다리(110, 120)의 사이는 무게 중심을 유지하기 위한 일정각도의 사이각(B)을 갖는다.

컴퍼스 모델(100)은 무게 중심을 기본으로 지지(supporting)되는 다리인 앞다리(110)의 발목 피치 조인트(111)를 회전시키는 동시에 스윙(swing)하는 다리인 뒷다리(120)의 힙 피치 조인트(122)를 두 다리(110, 120) 사이각(B)의 2배만큼 회전시키면 FSM 기반 로봇(10)의 무게 중심(COG)은 항상 두 다리(110, 120)의 중심에 위치하게 된다. 즉, 한 스텝의 보행 시간에 앞다리(110)의 발목 피치 조인트(111)를 두 다리(110, 120)의 사이각(B)만큼 회전시키는 동시에 뒷다리(120)의 힙 피치 조인트(122)를 두 다리(110, 120)의 사이각(B)의 2배만큼 회전시키는 동작을 적용하면 FSM 기반 로봇(10)은 걷게 된다. 따라서 피치 조인트(111,122)의 목표 궤적을 생성하는 방법은 뒷다리(120)의 힙 회전속도를 앞다리(110)의 발목 회전속도의 2배로 설정해주면 FSM 기반 로봇(10)의 무게 중심(COG)이 항상 두 다리(110, 120) 사이각(B)의 중심에 위치하게 되므로 무게 중심(COG)이 보행 방향으로 흔들리거나 불규칙적으로 움직이지 않는다. 따라서 FSM 기반 로봇(10)의 무게 중심(COG)이 시간에 따라 일정해지기 때문에 FSM 기반 로봇(10)은 항상 넘어지지 않게 된다.

이러한 컴퍼스 모델(100)의 힙과 발목의 피치 조인트(111,122) 궤적을 생성하는 과정을 앞다리(110), 뒷다리(120) 기준으로 분리해서 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명한다.

도 5는 도 4의 컴퍼스 모델에서 지지다리를 지지 포인트 기준으로 회전시키는 과정을 예시한 도면으로서, 스윙하는 다리(120)의 힙 각은 고정된 상태를 가정한 것이다.

도 5에서, 컴퍼스 모델(100)은 앞다리(110)가 지지(supporting)되고 뒷다리( 120)가 스윙(swing)하는 상태에서 지지다리인 앞다리(110)의 발목 피치 조인트(111;즉, 지지 포인트)를 발목 토크로 두 다리(110, 120)의 사이각(B)만큼 회전시켜 발목 피치 조인트(111)의 궤적을 생성한다.

도 6은 도 4의 컴퍼스 모델에서 스윙다리를 힙 피치 조인트 기준으로 회전시키는 과정을 예시한 도면으로서, 지지되는 다리(110)의 발목 각은 고정된 상태를 가정한 것이다.

도 6에서, 컴퍼스 모델(100)은 앞다리(110)가 지지(supporting)되고 뒷다리( 120)가 스윙(swing)하는 상태에서 스윙다리인 뒷다리(120)의 힙 피치 조인트(122)를 힙 토크로 두 다리(110, 120)의 사이각(B)의 2배만큼 회전시켜 힙 피치 조인트(122)의 궤적을 생성한다.

도 7은 도 4의 컴퍼스 모델에서 지지다리의 지지 포인트와 스윙다리의 힙 피치 포인트를 기준으로 한 스텝을 보행하는 과정을 예시한 도면으로서, 도 5 및 도 6의 과정을 동시에 진행하는 것이다.

도 7에서, 컴퍼스 모델(100)은 앞다리(110)가 지지(supporting)되고 뒷다리( 120)가 스윙(swing)하는 상태에서 지지다리인 앞다리(110)의 발목 피치 조인트(111;즉, 지지 포인트)를 발목 토크로 두 다리(110, 120)의 사이각(B)만큼 회전시키는 동시에 스윙다리인 뒷다리(120)의 힙 피치 조인트(122)를 두 다리(110, 120)의 사이각(B)의 2배만큼 회전시켜 앞다리(110)의 발목 피치 조인트(111)의 궤적과 뒷다리(120)의 발목 피치 조인트(111)의 궤적을 생성한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 의한 FSM 기반 로봇의 보행 패턴을 생성하기 위한 제어 블록도로서, 입력부(50), 관절각 측정부(52), 제어부(54), 엑츄에이터(56) 및 무게 중심 측정부(58)를 포함하여 구성된다.

입력부(50)는 FSM 기반의 로봇(10)이 2D 공간에서 안정한 보행을 하도록 보행속도와 보폭 등의 보행명령을 입력하는 동시에 발목 관절(17R, 17L)을 제어할 수 있는 리미트 사이클 제어각(A)을 설정한다.

관절각 측정부(52)는 엑츄에이터(56)의 구동에 따라 움직이는 발목 관절(17R, 17L)의 각(구체적으로, 지지다리의 발목 피치 각)을 측정하여 제어부(54)에 전달하는 것으로, 이는 FSM 기반 로봇(10)의 안정한 보행패턴을 위하여 발목 관절(17R, 17L)과 힙 관절(19R, 19L)의 피치 조인트 궤적을 생성하기 위한 제어 인자이다.

제어부(54)는 FSM 기반 로봇(10)의 전반적인 동작을 제어하는 PD Controller로, FSM 기반 로봇(10)이 목적하는 보행속도와 보폭 등의 보행명령이 주어지면 주어진 보행명령에 따라 보행패턴을 생성한다. FSM 기반 로봇(10)의 보행패턴을 생성하는데 있어서 안정된 보행패턴을 생성하기 위해서 관절각 측정부(52)에 의해 실시간으로 측정된 지지다리(11R 또는 11L)의 발목 피치 각으로부터 지지다리(11R 또는 11L)의 발목 피치 각속도를 구하여 스윙다리(11L 또는 11R)의 힙 피치 각속도를 계산하고, 계산된 스윙다리(11L 또는 11R)의 힙 피치 각속도로부터 스윙다리(11L 또는 11R)의 힙 피치 각을 구하여 안정된 보행에 필요한 발목 관절(17R, 17L)과 힙 관절(19R, 19L)의 목표 궤적을 생성한다.

또한, 제어부(54)는 FSM 기반 로봇(10)이 한 스텝을 보행할 때마다 지지다리(11R 또는 11L)를 발목 피치 조인트인 지지 포인트 기준으로 회전시키기 위한 발목 토크와 스윙다리(11L 또는 11R)를 힙 피치 조인트 기준으로 회전시키기 위한 힙 토크를 생성하여 발목 관절(17R, 17L)과 힙 관절(19R, 19L)에 각각 제공한다.

엑츄에이터(56)는 로봇(10)의 상태(State)에 부합하여 생성된 발목 관절(17R, 17L)과 힙 관절(19R, 19L)의 목표 궤적에 따라 FSM 기반 로봇(10)이 안정한 보행을 하도록 제어부(54)의 토크제어신호에 따라 발목 관절(17R, 17L)과 힙 관절(19R, 19L)을 구동한다.

무게 중심 측정부(58)는 로봇(10)의 상태(State)에 따라 변화하는 로봇(10)의 무게 중심(COG)의 위치를 측정하여 제어부(54)에 전달하는 것으로, 이는 무게 중심(COG)의 위치에 따라 안정된 보행패턴을 생성하기 위하여 제어부(54)에 피드백하는 제어 인자이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 의한 FSM 기반 로봇의 안정된 보행을 위하여 힙 궤적을 생성하는 방법을 설명하기 위한 동작 순서도이다.

도 9에서, 입력부(50)를 통해 보행속도와 보폭 등과 같은 보행명령이 입력되면(100), 제어부(54)는 양발(15R, 15L)의 목표위치와 방향을 결정하여 이를 바탕으로 시간에 대한 발목의 목표 궤적(trajectory)을 설정하고, 이에 따라 FSM 기반 로봇(10)은 보행을 시작한다.

FSM 기반 로봇(10)이 보행을 시작하면 2D 공간에서 FSM 기반 로봇(10)은 한발(15R 또는 15L)을 착지하고 나중에 다른 한발(15L 또는 15R)을 착지하는 한 스텝 시에 스윙다리(11L 또는 11R)가 앞으로 전진하면서 착지를 하게 되고, 지지다리(11R 또는 11L)가 FSM 기반 로봇(10)이 넘어지지 않게 지지한다(102).

이러한 FSM 기반 로봇(10)의 한 스텝 보행 시 지지다리의 발목 관절(17R 또는 17L)의 각(구체적으로, 지지다리의 발목 피치 각)을 관절각 측정부(52)에서 측정하여 제어부(54)에 전달하고(104), 제어부(54)는 FSM 기반 로봇(10)의 안정된 보행패턴을 생성하기 위해서 관절각 측정부(52)에 의해 실시간으로 측정된 지지다리(11R 또는 11L)의 발목 피치 각으로부터 시간에 대한 지지다리(11R 또는 11L)의 발목 피치 각속도를 계산한다(106).

이후, 제어부(54)는 지지다리(11R 또는 11L)의 발목 피치 각속도로부터 아래의 [식 1]을 이용하여 스윙다리(11L 또는 11R)의 힙 피치 각속도를 계산한다(108).

[식 1]

스윙다리의 힙 피치 각속도 = 2 × 지지다리의 발목 피치 각속도

상기의 [식 1]을 통해 스윙다리(11L 또는 11R)의 힙 피치 각속도가 구해지면, 스윙다리(11L 또는 11R)의 힙 피치 각을 알 수 있으므로 힙 궤적을 생성할 수 있게 된다(110).

이와 같이, 생성된 힙 궤적을 통해 FSM 기반 로봇(10)이 한 스텝을 보행하면, FSM 기반 로봇(10)은 앞 방향으로 절대 넘어지지 않으며 한 보행이 끝난 후 다시 이 과정을 반복하면(112), FSM 기반 로봇(10)은 안정적으로 보행을 하게 된다. 즉 발목의 목표 궤적(desired trajectory)만 설정하면 안정적인 보행에 필수적인 발목 피치, 힙 피치의 궤적을 동시에 얻게 된다.

[식 1]을 만족하는 기준 발목 목표 궤적의 설정은 사용자가 원하는 함수를 사용하거나 또는 직접 비선형(nonlinear)의 곡선을 설계하여도 FSM 기반 로봇(10)이 안정적으로 보행할 수 있는 힙 궤적이 설계되며 복잡하지 않다.

FSM 기반 로봇(10)의 약점은 정해진 보폭으로 정확히 걷게 하기 어렵다는 것이다. 각 조인트들의 궤적이 조합되기 때문에 보폭을 예상하기 어렵다. 그러나 본 발명의 실시예에 의한 방법대로 구현을 하게 되면 보폭이 두 다리(11R, 11L)의 사이각(B)으로 설명되기 때문에 아래의 [식 2]를 이용하여 보폭 크기를 구할 수도 있다.

[식 2]

보폭 크기 = 2 × L × sin(B/2)

여기서, L은 FSM 기반 로봇(10)의 좌우 다리 길이이고, B는 두 다리의 사이각이다.

따라서, 상기의 [식 2]를 통해 보폭 설계가 용이하며, 각 B가 발목의 목표 궤적 최대값이므로, 보폭을 입력으로 볼 수 있기 때문에 입력 변수로써 활용할 수 있다. 즉 보폭을 목적하는 값으로 설계를 하면 두 다리(11R, 11L)의 사이각(B)을 얻을 수 있으며, 발목 피치 궤적을 설계하면 [식 1]의 각속도 공식을 이용하여 사용자가 원하는 보폭대로 FSM 기반 로봇(10)을 안정적으로 보행시킬 수 있다.

또한, 여러 개의 궤적을 조합해서 보행을 하는 것이 아니라 발목 피치 각을 설계하고 실시간으로 측정하면 위 공식에 맞게 힙 궤적이 자동으로 생성되기 때문에 연산 과정과 연산량도 매우 간단하고 작다.

도 10는 본 발명의 실시예에 의한 FSM 기반 로봇의 힙과 발목의 피치 조인트 궤적을 생성하는 다른 과정을 예시한 컴퍼스 모델이다.

도 10에서, 컴퍼스 모델(100)은 보행방향에 따라 앞다리(110)와 뒷다리(120)로 구성되며, 두 다리(110, 120)의 사이는 무게 중심을 유지하기 위한 일정각도의 사이각(B)을 갖는다.

컴퍼스 모델(100)은 무게 중심을 기본으로 지지(supporting)되는 다리인 앞다리(110)의 발목 피치 조인트(111)를 회전시키는 동시에 스윙(swing)하는 다리인 뒷다리(120)의 힙 피치 조인트(122)를 두 다리(110, 120) 사이각(B)의 2배만큼 회전시키면 FSM 기반 로봇(10)의 무게 중심(COG)은 항상 두 다리(110, 120)의 중심에 위치하게 된다. 이를 위해 발목의 목표 궤적이 설계되면, 무릎(knee)을 그 목표 궤적 내에서 자유롭게 굽히고 펴게 되는데 B는 앞다리(110)와 뒷다리(120) 사이의 최대각이며 한 스텝의 진행을 위한 앞다리(110)의 보행 위치가 사용자가 설계한 발목 궤적이다. 사용자가 설계한 앞다리(110)의 발목 궤적 내에서 뒷다리(120)의 무릎을 굽혔다가 펴는 궤적을 생성하여 FSM 기반 로봇(10)이 항상 넘어지지 않고 안정되게 보행할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 로봇의 외관 구성도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 FSM 기반 로봇의 2D 공간상에서 정의되는 리미트 사이클 제어각을 나타낸 도면이다.

도 5는 도 4의 컴퍼스 모델에서 지지다리를 지지 포인트 기준으로 회전시키는 과정을 예시한 도면이다.

도 6은 도 4의 컴퍼스 모델에서 스윙다리를 힙 피치 조인트 기준으로 회전시키는 과정을 예시한 도면이다.

도 7은 도 4의 컴퍼스 모델에서 지지다리의 지지 포인트와 스윙다리의 힙 피치 포인트를 기준으로 한 스텝을 보행하는 과정을 예시한 도면이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 의한 FSM 기반 로봇의 보행 패턴을 생성하기 위한 제어 블록도이다.

도 10은 도 4의 컴퍼스 모델에서 지지다리의 지지 포인트와 스윙다리의 힙 피치 포인트를 기준으로 한 스텝을 보행하는 과정을 예시한 다른 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 로봇 11R, 11L : 다리

12 : 몸통 15R, 15L : 발

17R, 17L : 발목 관절 18R, 18L : 무릎 관절

19R, 19L : 힙 관절 20R, 20L : 상부 링크

21R, 21L : 하부 링크 22G : 힙 링크 중심

50 : 입력부 52 : 관절각 측정부

54 : 제어부 56 : 엑츄에이터

Claims

로봇의 보행 시 지지하는 제1다리의 발목 각을 측정하고;

상기 제1다리의 발목 각으로부터 발목 각속도를 계산하여 스윙하는 제2다리의 힙 각속도를 구하고;

상기 제1다리의 발목 각속도 및 상기 제2다리의 힙 각속도에 기초하여 상기 발목과 힙의 목표 궤적을 생성하는 로봇의 제어방법.
제1항에 있어서,

상기 로봇은 FSM(Finite State Machine) 기반의 이족 보행 로봇인 로봇의 제어방법.
제2항에 있어서,

상기 제1다리의 발목 각을 측정하는 것은,

상기 FSM의 상태(State)에 따라 변화하는 상기 제1다리의 발목 피치 조인트의 각을 측정하는 로봇의 제어방법.
제3항에 있어서,

상기 제1다리의 발목 각속도를 계산하는 것은,

상기 제1다리의 발목 피치 조인트의 각속도를 계산하는 로봇의 제어방법.
제4항에 있어서,

상기 제2다리의 힙 각속도를 구하는 것은,

상기 제2다리의 힙 피치 조인트의 각속도를 구하는 로봇의 제어방법.
제5항에 있어서,

상기 제2다리의 힙 피치 각속도는 아래의 [식]에 의해 구하는 로봇의 제어방법.

[식]

상기 제2다리의 힙 피치 각속도 = K × 상기 제1다리의 발목 피치 각속도

여기서, K는 상기 로봇의 보행패턴에 따라 정해지는 상수이다.
제6항에 있어서,

상기 제1및 제2다리의 사이각을 구하는 것을 더 포함하고,

상기 발목의 목표 궤적을 생성하는 것은,

상기 제1다리의 발목 피치 조인트를 상기 사이각만큼 회전시키는 로봇의 제어방법.
제7항에 있어서,

상기 힙의 목표 궤적을 생성하는 것은,

상기 제2다리의 힙 피치 조인트를 상기 사이각의 K배만큼 회전시키는 로봇의 제어방법.
제7항에 있어서,

상기 힙의 목표 궤적을 생성하는 것은,

상기 제2다리의 힙 회전속도를 상기 제1다리의 발목 회전속도의 K배로 설정하여 상기 로봇의 무게 중심을 상기 사이각의 중심에 위치시키는 로봇의 제어방법.
제7항에 있어서,

상기 제1 및 제2다리의 사이각은 상기 로봇의 무게 중심을 유지하기 위한 상기 발목의 목표 궤적 최대값인 로봇의 제어방법.
제7항에 있어서,

상기 발목의 목표 궤적으로부터 상기 로봇의 무릎의 목표 궤적을 생성하는 것을 더 포함하는 로봇의 제어방법.
로봇의 보행 시 지지하는 제1다리의 발목 각을 측정하는 측정부;

상기 제1다리의 발목 각으로부터 발목 각속도를 계산하여 스윙하는 제2다리의 힙 각속도를 구하고, 상기 제1다리의 발목 각속도 및 상기 제2다리의 힙 각속도에 기초하여 상기 발목과 힙의 목표 궤적을 생성하는 제어부를 포함하는 로봇.
제12항에 있어서,

상기 로봇은 FSM(Finite State Machine) 기반의 이족 보행 로봇인 로봇.
제13항에 있어서,

상기 로봇의 보행속도, 보폭 등의 보행명령을 입력하는 입력부를 더 포함하고,

상기 제어부는 상기 로봇의 보행명령에 따라 상기 제1다리의 발목 각을 실시간으로 측정하여 상기 제1다리를 지지 포인트 기준으로 회전시키는 로봇.
제14항에 있어서,

상기 제어부는 상기 제1다리의 발목 각속도로부터 상기 제2다리의 힙 각속도를 구하여 상기 제2다리를 힙 피치 조인트 기준으로 회전시키는 로봇.
제15항에 있어서,

상기 제어부는 상기 제2다리의 힙 회전속도를 상기 제1다리의 발목 회전속도의 일정배수로 설정하여 상기 로봇의 무게 중심을 유지시키는 로봇.
제12항에 있어서,

상기 제어부는 상기 발목의 목표 궤적에 기초하여 상기 로봇의 무릎의 목표 궤적을 생성하는 로봇.