KR20110084630A - 인간형 로봇 및 그 보행 제어방법 - Google Patents

인간형 로봇 및 그 보행 제어방법 Download PDF

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KR20110084630A
KR20110084630A KR1020100004285A KR20100004285A KR20110084630A KR 20110084630 A KR20110084630 A KR 20110084630A KR 1020100004285 A KR1020100004285 A KR 1020100004285A KR 20100004285 A KR20100004285 A KR 20100004285A KR 20110084630 A KR20110084630 A KR 20110084630A
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Abstract

관절 토크의 서보 제어에 기반하여 안정적인 보행을 구현하는 인간형 로봇과 그 보행 제어방법을 개시한다. 인간형 로봇은 센서의 측정값으로 관절 위치 궤적 보상값과 관절 토크 보상값을 각각 계산하고, 계산된 보상값들을 이용하여 관절 위치 궤적과 관절 토크를 보상하고, 보상된 관절 토크에 따라 관절에 설치된 모터를 구동시킬 수 있다.

Description

인간형 로봇 및 그 보행 제어방법{HUMANOID ROBOT AND WALKING CONTROL METHOD THEREOF}
관절에 설치된 모터의 토크를 서보 제어하여 안정적인 보행을 구현하는 인간형 로봇 및 그 보행 제어방법에 관한 것이다.
인간과 유사한 관절 체계를 가지고 인간의 작업 및 생활공간에 용이하게 적용될 수 있는 두 발로 걷는 보행 로봇의 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.
이족 로봇의 보행 제어 방법으로는 위치 기반의 Zero Moment Point(이하, ZMP라 한다) 보행 제어방법과 토크 기반의 동적 보행 제어방법 또는 Finite State Machine(이하, FSM라 한다) 보행 제어방법이 있다.
ZMP 기반 보행 제어방법은 보행 방향, 보행 폭, 보행 속도 등을 미리 설정하고, 이 설정에 대응하는 양발과 몸통의 보행 패턴을 ZMP 구속조건에 의해 생성하며, 그 보행 패턴의 역기구학(Inverse Kinematics) 계산을 통해 각 다리의 관절 위치 궤적을 계산한다. 또한, 각 다리의 관절이 계산된 관절 위치 궤적을 추종하도록 하는 위치 서보 제어(position servo control)를 통해 구현된다. 보행 시 각 다리의 관절은 보행패턴으로부터 구한 관절 위치의 궤적을 정확히 추종하도록 제어한다.
ZMP 기반 보행 제어방법은 역기구학으로부터 각 관절의 각도를 계산할 때 기구학적 특이점(kinematic singularity)을 피해야 하므로 보행 중 무릎을 항상 굽힌 자세를 유지해야 하기 때문에 인간과 다른 부자연스러운 보행을 할 수 있다.
ZMP 기반 보행 제어 방법은 ZMP를 제어하기 위해 각 관절의 정확한 위치 제어를 수행해야 하므로 높은 위치 서보 제어 게인(gain)을 필요로 한다. 그 결과 모터에서 높은 전류를 필요로 하기 때문에 에너지 비효율적이고, 관절의 강성이 커져서 주위환경에의 충돌 시 큰 충격을 줄 수 있다.
FSM 기반 보행 제어방법은 보행 로봇의 각 동작의 상태(여기서 상태라 함은 FSM에서의 상태(state)를 의미한다)를 미리 정의해 두고, 보행 시 각 동작의 상태(state)를 참조하여 각 관절의 토크를 제어하여 적절히 보행하는 방식이다.
FSM 기반 보행 제어방법은 보행 시 동작 상태를 바꿈으로써 로봇이 다양한 포즈를 취할 수 있으나 한정된 동작 상태에서 선정해야 하는 제약으로 인하여 임무 수행을 위한 보행 동작과 관계 없이 로봇의 균형을 잡기 위한 별도의 동작을 하게 된다. 이러한 밸런싱 동작은 로봇의 발을 구르는 스텝 모션이 대표적이며, 이러한 불필요한 동작으로 인하여 시간 지연이 발생하고 에너지가 낭비된다.
4족 보행 로봇에 비하여 로봇의 균형 유지가 어려운 이족 로봇과 같은 인간형 로봇에 FSM 기반 보행을 적용하기 위해서는 인간형 로봇이 주위 환경과 상호 작용하는 것을 감안할 필요가 있다. 즉 주위 환경에 따라 로봇의 동작 상태를 피드백하여 보행 동작을 제어하는 것이 요구된다.
FSM 기반 보행 제어 시 각 관절에 설치된 모터의 토크를 서보 제어하여 안정적인 보행을 구현하는 인간형 로봇 및 그 보행 제어방법을 개시한다.
본 발명의 실시예에 따른 인간형 로봇은, 로봇 보행 시 움직일 수 있는 관절들을 포함하는 로봇 관절부; 상기 로봇의 착지 정보와 자세 정보를 측정하는 센서부; 상기 로봇의 착지 정보와 자세 정보를 이용하여 상기 각 관절의 위치 궤적을 발생하는 관절 위치 궤적 발생부; 상기 각 관절의 위치 궤적을 보상하기 위한 관절 위치 궤적 보상값을 계산하는 관절 위치 궤적 보상값 계산부; 상기 관절 위치 궤적 보상값을 이용하여 상기 각 관절의 위치 궤적을 보상하고, 보상된 각 관절의 위치 궤적에 따라 각 관절의 관절 토크를 계산하는 관절 토크 계산부; 상기 각 관절의 관절 토크를 보상하기 위한 관절 토크 보상값을 계산하는 관절 토크 보상값 계산부; 상기 관절 토크 보상값을 이용하여 상기 각 관절의 토크 명령을 보상하고, 보상된 각 관절의 토크 명령을 추종하도록 모터 전류를 계산하고, 계산된 모터 전류에 따라 상기 각 관절에 설치된 모터의 토크를 서보 제어하는 관절 토크 서보 제어부;를 포함한다.
상기 센서부가 로봇의 착지 상태를 측정하기 위한 다축 F/T 센서와 상기 로봇의 자세를 측정하기 위한 포즈 센서를 포함한다.
상기 관절 위치 궤적 발생부가 왼발 또는 오른발이 지면에 착지할 경우 서로 스위칭하는 복수의 상태 머신과, 상기 복수의 상태 머신의 스위칭에 따라 왼발 또는 오른발의 착지 상태를 판단하여 상기 각 관절의 관절 위치 궤적 명령을 계산하는 관절 위치 궤적 계산부를 포함한다.
상기 관절 토크 계산부가 제1 내지 제3위치 연산기, 비례 게인 제어기, 미분 게인 제어기를 포함하여 식 1과 같이 상기 각 관절의 관절 토크 명령(
Figure pat00001
)을 계산하며,
Figure pat00002
Figure pat00003
(
Figure pat00004
-
Figure pat00005
)
Figure pat00006
식1
상기 제1위치 연산기는 관절 위치 궤적 명령 (
Figure pat00007
)과 상기 모터로부터 피드백되는 현재 관절 위치 (
Figure pat00008
)의 감산값 (
Figure pat00009
-
Figure pat00010
)을 출력하고, 상기 비례 게인 제어기는 상기 감산값 (
Figure pat00011
-
Figure pat00012
)과 비례 게인(
Figure pat00013
)의 곱셈값(
Figure pat00014
)을 상기 제2위치 연산기에 출력하고, 상기 제3위치 연산기는 미분된 관절 위치 궤적 명령(
Figure pat00015
)과 미분된 현재 관절 위치(
Figure pat00016
)의 감산값(
Figure pat00017
-
Figure pat00018
)을 상기 미분 게인 제어기에 출력하고, 상기 미분 게인 제어기는 상기 감산값(
Figure pat00019
-
Figure pat00020
)과 미분 게인(
Figure pat00021
)의 곱셈값(
Figure pat00022
(
Figure pat00023
-
Figure pat00024
))을 상기 제2위치 연산기에 출력하며, 상기 제2위치 연산기는 두 곱셈값(
Figure pat00025
)(
Figure pat00026
(
Figure pat00027
-
Figure pat00028
))들과 역 운동학 방정식을 이용하여 미리 계산된 피드포워드 파라미터(
Figure pat00029
)를 가산하여 상기 각 관절의 관절 토크 명령(
Figure pat00030
)을 출력한다.
상기 센서부가 상기 모터에 설치된 엔코더를 더 포함하고, 상기 엔코더로 상기 현재 관절 위치 (
Figure pat00031
)를 측정한다.
상기 관절 토크 서보 제어부는 모터 제어기와 상기 모터의 토크를 측정하는 토크 센서를 포함하고, 상기 모터 제어기는 상기 토크 센서에 의해 측정된 관절 토크값을 피드백받아 상기 각 관절의 토크 명령을 추종하도록 상기 모터를 구동시킨다.
상기 모터 제어기는 제1 내지 제3토크 연산기, 비례 게인 제어기, 적분기, 적분 게인 제어기, 미분 게인 제어기를 포함하여 식 2와 같이 모터 전류(
Figure pat00032
)를 계산하며,
Figure pat00033
식2
상기 제1토크 연산기는 관절 토크 명령 (
Figure pat00034
)과 상기 토크 센서로부터 피드백되는 현재 모터 토크(
Figure pat00035
)의 감산값 (
Figure pat00036
)을 출력하고, 상기 비례 게인 제어기가 상기 감산값 (
Figure pat00037
)과 비례 게인(
Figure pat00038
)의 곱셈값(
Figure pat00039
)을 상기 제2토크 연산기에 출력하고, 상기 적분기가 상기 감산값 (
Figure pat00040
)을 적분하여 상기 적분 게인 제어기에 출력하고, 상기 적분 게인 제어기가 적분한 감산값(
Figure pat00041
)과 적분 게인(
Figure pat00042
)의 곱셈값(
Figure pat00043
)을 상기 제2토크 연산기에 출력하고, 상기 제3토크 연산기가 미분된 관절 토크 명령(
Figure pat00044
)과 미분된 현재 모터 토크(
Figure pat00045
)의 감산값(
Figure pat00046
)을 상기 미분 게인 제어기에 출력하고, 상기 미분 게인 제어기가 상기 감산값(
Figure pat00047
)과 미분 게인(
Figure pat00048
)의 곱셈값(
Figure pat00049
)을 상기 제2토크 연산기에 출력하고, 상기 제2토크 연산기가 상기 곱셈값(
Figure pat00050
)(
Figure pat00051
)(
Figure pat00052
)들과 역 운동학 방정식을 이용하여 미리 계산된 피드포워드 파라미터(
Figure pat00053
)을 가산하여 모터 전류(
Figure pat00054
)를 출력한다.
상기 센서부가 상기 로봇의 착지 상태를 측정하기 위한 다축 F/T 센서와 상기 로봇의 자세를 측정하기 위한 포즈 센서를 포함하고, 상기 관절 위치 궤적 보상값 계산부가 로봇의 발이 지면에 접촉 시 상기 다축 F/T 센서로부터 힘과 모멘트 정보를 입력받고, 상기 포즈 센서로부터 로봇의 자세 정보를 입력받아 관절 위치 궤적 보상값(
Figure pat00055
)을 계산하며, 상기 관절 토크 계산부가 상기 관절 위치 궤적 보상값(
Figure pat00056
)을 이용하여 식 3과 같은 보상된 관절 위치 궤적 명령(
Figure pat00057
)에 따라 관절 토크를 계산한다.
Figure pat00058
식3
여기서
Figure pat00059
는 원래 관절 위치 궤적 명령이고, 상기 관절 위치 궤적 보상값(
Figure pat00060
)은 로봇의 무게중심
Figure pat00061
, 지면과의 힘
Figure pat00062
, 지면과의 모멘트
Figure pat00063
, 로봇의
Figure pat00064
, 로봇의 경사각
Figure pat00065
중 어느 하나의 파라미터의 함수로 계산된다.
상기 관절 위치 궤적 보상값은 식 4와 같이 계산된다.
Figure pat00066
식 4
여기서,
Figure pat00067
는 로봇의 무게 중심 명령값이고,
Figure pat00068
는 로봇 무게 중심의 실제값이고,
Figure pat00069
는 비례 게인이고,
Figure pat00070
는 로봇의 무게중심 속도이고,
Figure pat00071
는 로봇 무게 중심 속도의 실제값이고,
Figure pat00072
는 미분 게인이다.
상기 센서부가 상기 로봇의 착지 상태를 측정하기 위한 다축 F/T 센서와 상기 로봇의 자세를 측정하기 위한 포즈 센서를 포함하고, 상기 관절 토크 보상값 계산부가 로봇의 발이 지면에 접촉 시 상기 다축 F/T 센서로부터 힘과 모멘트 정보를 입력받고, 상기 포즈 센서로부터 로봇의 자세 정보를 입력받아 관절 토크 보상값(
Figure pat00073
)을 계산하며, 상기 관절 토크 서보 제어부가 식 5와 같은 보상된 관절 토크 명령(
Figure pat00074
)에 따라 관절 토크를 계산한다.
Figure pat00075
식5
여기서
Figure pat00076
는 원래 관절 토크 명령이고, 상기 관절 토크 보상값(
Figure pat00077
)은 로봇의 무게중심
Figure pat00078
, 지면과의 힘
Figure pat00079
, 지면과의 모멘트
Figure pat00080
, 로봇의
Figure pat00081
, 로봇의 경사각
Figure pat00082
중 어느 하나의 파라미터의 함수로 계산된다.
상기 관절 토크 보상값은 식 6과 같이 계산된다.
Figure pat00083
식 6
여기서
Figure pat00084
는 로봇의 무게 중심 명령값이고,
Figure pat00085
는 로봇 무게 중심의 실제값이고,
Figure pat00086
는 비례 게인이고,
Figure pat00087
는 로봇의 무게중심 속도이고,
Figure pat00088
는 로봇 무게 중심 속도의 실제값이고,
Figure pat00089
는 미분 게인이다.
본 발명의 실시예에 따른 인간형 로봇의 보행 제어방법은, 로봇의 보행을 위해 각 관절의 관절 위치 궤적을 계산하고; 상기 로봇에 설치된 센서로 측정한 상기 로봇의 착지 정보와 자세 정보를 이용하여 상기 각 관절의 위치 궤적을 보상하기 위한 관절 위치 궤적 보상값을 계산하고; 상기 관절 위치 궤적 보상값을 이용하여 보상한 관절 위치 궤적에 따라 상기 각 관절의 토크를 계산하고; 상기 로봇에 설치된 센서로 측정한 상기 로봇의 착지 정보와 자세 정보를 이용하여 상기 각 관절의 관절 토크를 보상하기 위한 관절 토크 보상값을 계산하고; 상기 관절 토크 보상값을 이용하여 보상한 관절 토크 명령을 추종하도록 모터 전류를 계산하고, 계산된 모터 전류에 따라 각 관절에 설치된 모터의 토크를 서보 제어하는 것;을 포함한다.
상기 관절 위치 궤적을 계산하는 것은 왼발 또는 오른발이 지면에 착지한 상태를 판단하여 상기 각 관절의 관절 위치 궤적 명령을 계산하는 것을 포함한다.
상기 각 관절의 토크를 계산하는 것은 각 관절의 관절 위치 궤적 명령 (
Figure pat00090
)과 현재 관절 위치 (
Figure pat00091
)의 감산값 (
Figure pat00092
-
Figure pat00093
)을 출력하고, 상기 감산값 (
Figure pat00094
-
Figure pat00095
)과 비례 게인(
Figure pat00096
)의 곱셈값(
Figure pat00097
)을 출력하고, 미분된 관절 위치 궤적 명령(
Figure pat00098
)과 미분된 현재 관절 위치(
Figure pat00099
)의 감산값(
Figure pat00100
-
Figure pat00101
)을 출력하고, 상기 감산값(
Figure pat00102
-
Figure pat00103
)과 미분 게인(
Figure pat00104
)의 곱셈값(
Figure pat00105
(
Figure pat00106
-
Figure pat00107
))을 출력하고, 상기 두 곱셈값(
Figure pat00108
)(
Figure pat00109
(
Figure pat00110
-
Figure pat00111
))들과 역 운동학 방정식을 이용하여 미리 계산된 피드포워드 파라미터(
Figure pat00112
)를 가산하여 상기 각 관절의 관절 토크 명령(
Figure pat00113
)을 출력하는 것을 포함한다.
상기 모터 전류를 계산하는 것은 관절 토크 명령 (
Figure pat00114
)과 현재 모터 토크(
Figure pat00115
)의 감산값 (
Figure pat00116
)을 출력하고, 상기 감산값 (
Figure pat00117
)과 비례 게인(
Figure pat00118
)의 곱셈값(
Figure pat00119
)을 출력하고, 상기 감산값 (
Figure pat00120
)을 적분하고, 상기 적분한 감산값(
Figure pat00121
)과 적분 게인(
Figure pat00122
)의 곱셈값(
Figure pat00123
)을 출력하고, 미분된 관절 토크 명령(
Figure pat00124
)과 미분된 현재 모터 토크(
Figure pat00125
)의 감산값(
Figure pat00126
)을 출력하고, 상기 감산값(
Figure pat00127
)과 미분 게인(
Figure pat00128
)의 곱셈값(
Figure pat00129
)을 출력하고, 상기 곱셈값(
Figure pat00130
)(
Figure pat00131
)(
Figure pat00132
)들과 역 운동학 방정식을 이용하여 미리 계산된 피드포워드 파라미터(
Figure pat00133
)을 가산하여 모터 전류(
Figure pat00134
)를 출력하는 것을 포함한다.
상기 로봇의 착지 상태를 측정하기 위한 다축 F/T 센서로부터 힘과 모멘트 정보를 입력받고, 상기 로봇의 자세를 측정하기 위한 포즈 센서로부터 로봇의 자세 정보를 입력받아 상기 관절 위치 궤적 보상값을 계산하되, 상기 관절 위치 궤적 보상값(
Figure pat00135
)은 로봇의 무게중심
Figure pat00136
, 지면과의 힘
Figure pat00137
, 지면과의 모멘트
Figure pat00138
, 로봇의
Figure pat00139
, 로봇의 경사각
Figure pat00140
중 어느 하나의 파라미터의 함수로 계산되고, 상기 보상된 관절 위치 궤적 명령(
Figure pat00141
)은 원래 관절 위치 궤적 명령(
Figure pat00142
)과 계산된 관절 위치 궤적 보상값(
Figure pat00143
)을 더하여 구한다.
상기 로봇의 착지 상태를 측정하기 위한 다축 F/T 센서로부터 힘과 모멘트 정보를 입력받고, 상기 로봇의 자세를 측정하기 위한 포즈 센서로부터 로봇의 자세 정보를 입력받아 상기 관절 토크 보상값을 계산하되, 상기 관절 토크 보상값(
Figure pat00144
)은 로봇의 무게중심
Figure pat00145
, 지면과의 힘
Figure pat00146
, 지면과의 모멘트
Figure pat00147
, 로봇의
Figure pat00148
, 로봇의 경사각
Figure pat00149
중 어느 하나의 파라미터의 함수로 계산되고, 상기 보상된 관절 토크 명령(
Figure pat00150
)은 원래 관절 토크 명령(
Figure pat00151
)과 계산된 토크 보상값(
Figure pat00152
)을 더하여 구한다.
이상과 같이 실시예에 의한 인간형 로봇 및 그 보행 제어방법은, FSM 기반 보행 제어에 의해 모터 토크를 서보 제어하므로 기존의 보행 방법보다 다음과 같은 장점을 가질 수 있다. 먼저 보행 중 각 관절의 위치를 정확하게 제어할 필요가 없으므로 낮은 서보 게인으로 보행이 가능하여 에너지 소비를 줄일 수 있다. 또한 보행 중 각 관절의 저강성을 가짐으로써 주위 환경과의 충돌 시 충격을 적게할 수 있어 안전하며, 역기구학을 풀어야 하는 기존의 보행 방법에서 실행하기 어려운 무릎 펴기 보행을 할 수 있어 인간 친화적인 보행을 구현할 수 있고 무릎을 굽히는데 필요한 에너지를 절약할 수 있다. 또한 복잡한 동역학 방정식을 풀지 않아도 되므로 6자유도의 관절을 가진 로봇에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인간형 로봇의 외관을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 인간형 로봇의 관절 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FSM 기반 보행 시 적용하는 로봇 동작 상태 및 제어 동작을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인간형 로봇의 제어 블록도이다.
도 5는 도 4의 관절 위치 궤적 발생부의 상세 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 위치 궤적 명령을 이용하여 계산된 관절 토크 명령에 따라 모터를 구동하는 동작을 설명하는 블록선도이다.
도 7은 도 4의 관절 토크 서보 제어부의 상세 구성도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 토크 명령에 따라 구동하는 모터를 서보 제어하는 동작을 설명하는 블록선도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 인간형 로봇의 보행 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 인간형 로봇(100)의 상체(102) 상부에는 목(120)을 통해 머리(104)가 연결된다. 상체(102) 상부 양측에는 어깨(114L, 114R)를 통해 두 개의 팔(106L, 106R)이 연결된다. 두 개의 팔(106L, 106R) 각각의 말단에는 손(33L, 33R)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(33L, 33R)과 발(112L, 112R) 각각은 관절을 통해 일정 수준의 자유도를 갖는다. 상체(102)의 내부는 커버(116)에 의해 보호된다. 참조 부호에서 "R"과 "L"는 각각 로봇(100)의 우측(right)과 좌측(left)을 나타낸다.
도 2는 도 1에 나타난 로봇의 관절 구조를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 인간형 로봇(100)의 두 개의 다리(110L, 110R)는 각각 대퇴 링크(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 갖는다. 구체적으로 대퇴 관절부(210)는 요유 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 2 자유도를 가진다.
두 개의 다리(110L, 110R) 각각에는 세 관절부(210, 220, 230)에 대해 6개의 회전 관절이 마련되므로, 두 개의 다리(110L, 110R) 전체에 대해서는 12개의 회전 관절이 마련된다.
한편 두 개의 다리(110L, 110R)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/T 센서(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 착지여부 및 발(112L, 112R)에 가해지는 하중을 검출할 수 있다.
머리(104)에는 주위를 촬영하는 카메라(41)와, 사용자 음성을 입력하는 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(250L, 250R)는 상체(102)의 양측에 장착되어 두 개의 팔(106L, 106R)을 상체(102)에 연결한다.
두 개의 팔(106L, 106R)은 상박 링크(31), 하박 링크(32) 및 손(33)을 구비한다. 상박 링크(31)는 어깨 관절 어셈블리(250L. 250R)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(33)은 손목 관절부(270)를 통해 서로 연결된다.
팔꿈치 관절부(260)는 피치 방향의 회전 관절(261)과, 요우 방향의 회전 관절(262)를 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.
손(33)에는 5개의 손가락(33a)이 설치된다. 각각의 손(33a)에는 모터에 의해 구동되는 다수의 관절(미도시)들이 설치될 수 있다. 손가락(33a)은 팔(106)의 움직임에 연동하여 물건을 파지하거나 특정 방향을 가리키는 것과 같은 다양한 동작을 실행한다.
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(14)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.
인간형 로봇(100)에는 각 회전 관절을 구동하는 모터(405; 도 6 참조) 등과 같은 액츄에이터가 설치된다. 이 모터(405)를 적절히 제어함으로써 인간형 로봇(100)의 다양한 동작을 구현할 수 있다.
FSM 기반 보행 제어방법은, 도 3에 예시한 바와 같이, 로봇의 동작 상태를 미리 정의된 6개(S1, S2, S3, S4, S5, S6)로 구분할 수 있다. 각각의 동작 상태는 보행 시 로봇이 취하는 포즈를 의미한다.
제1상태(flight)(S1)는 다리를 스윙하는 포즈이고, 제2상태(loading)(S2)는 발을 지면에 내려 놓는 포즈이며, 제3상태(heel contact)(S3)는 발 뒤쪽(heel)을 지면에 접촉시키는 포즈이고, 제4상태(heel and toe contact)(S4)는 발 뒤쪽(heel)과 앞쪽(toe)을 동시에 지면에 접촉시키는 포즈이며, 제5상태(toe contact)(S5)는 발 앞쪽(toe)을 접촉시키는 포즈이고, 제6상태(unloading)(S6)는 발을 지면에서 떼어 내는 포즈에 해당한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인간형 로봇의 제어 블록도이고, 도 5는 도 4의 관절 위치 궤적 발생부의 상세 구성도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 인간형 로봇(100)은 관절 위치 궤적 발생부(300), 관절 토크 계산부(310), 관절 토크 서보 제어부(320), 관절부(101), 센서부(330), 관절 위치 궤적 보상값 계산부(340), 관절 토크 보상값 계산부(350)를 포함한다.
로봇 관절부(101)는 로봇 보행을 위한 두 개의 다리(110L, 110R)의 대퇴 관절부(210), 무릎 관절부(220), 발목 관절부(230) 전체에 대해 12개의 회전 관절을 포함하는 것으로, 이때 두 개의 다리에 속하는 관절만으로 한정되는 것은 아니고 안정적인 보행을 위해 상체와 팔 등 인간형 로봇(100)의 모든 관절을 포함할 수 있다.
센서부(330)는 상체(102)에 설치된 포즈 센서(14)와 발목 관절부(230)에 설치된 다축 F/T 센서(24)와, 로봇 관절부(101)의 각 관절에 설치된 모터(405)의 회전을 측정하는 엔코더(405b)를 포함한다.
관절 위치 궤적 발생부(300)가 센서부(330)의 측정값을 이용하여 각 관절의 위치 궤적 명령 (
Figure pat00153
)을 생성한다.
도 5에서 관절 위치 궤적 발생부(300)는 상태 머신 1(301), 상태 머신 2(302), 관절 위치 궤적 계산부(303)를 포함한다.
상태 머신 1(301)과 상태 머신(302)는 오른발 또는 왼발이 지면에 착지할 경우 발목 관절부(230)에 설치된 F/T 센서(24)의 착지 신호에 따라 서로 스위칭을 한다. 왼발이 스윙하고 오른발이 착지 상태이면 상태 머신 2(302)에서 상태 머신 1(301)로 스위칭하고, 오른발이 스윙하고 왼발이 착지 상태이면 상태 머신 1(301)에서 상태 머신 2(302)로 스위칭한다.
관절 위치 궤적 계산부(303)는 상태 머신 1(301)과 상태 머신2(302)의 스위칭에 따라 왼발과 오른발의 착지 상태를 판단하여 로봇 관절부(101)의 각 관절의 위치 궤적 명령 (
Figure pat00154
)을 계산한다.
관절 위치 궤적 명령(
Figure pat00155
)을 생성하는 다른 실시예로는, 사람의 모션을 캡쳐하고 한 주기내에서 각 관절의 움직임을 추출한 후 이 추출 정보를 바탕으로 인간형 로봇의 관절 위치에 매칭시켜서 관절 위치 궤적 명령을 계산할 수도 있다.
관절 토크 계산부(310)는 각 관절의 위치 궤적 명령 (
Figure pat00156
)을 이용하여 각 관절의 관절 토크 명령(
Figure pat00157
)을 계산한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 위치 궤적 명령을 이용하여 계산된 관절 토크 명령에 따라 모터를 구동하는 동작을 설명하는 블록선도이다.
도 6에서, 제1위치 연산기(401)가 관절 위치 궤적 명령 (
Figure pat00158
)과 모터(405)로부터 피드백되는 현재 관절 위치 (
Figure pat00159
)의 감산값 (
Figure pat00160
-
Figure pat00161
)을 비례 게인 제어기(402)에 출력한다. 여기서 현재 관절 위치 (
Figure pat00162
)는 모터(405)에 설치된 엔코더(405a)에 의해 측정될 수 있다.
비례 게인 제어기(402)가 감산값 (
Figure pat00163
-
Figure pat00164
)과 비례 게인(
Figure pat00165
)의 곱셈값(
Figure pat00166
)을 제2위치 연산기(403)에 출력한다.
제3위치 연산기(408)가 미분 제어기(407)에 의해 미분된 관절 위치 궤적 명령(
Figure pat00167
)과 미분 제어기(406)에 의해 미분된 현재 관절 위치(
Figure pat00168
)의 감산값(
Figure pat00169
-
Figure pat00170
)을 미분 게인 제어기(409)에 출력한다. 미분 게인 제어기(409)는 감산값(
Figure pat00171
-
Figure pat00172
)과 미분 게인(
Figure pat00173
)의 곱셈값(
Figure pat00174
(
Figure pat00175
-
Figure pat00176
))을 제2위치 연산기(403)에 출력한다.
제2위치 연산기(403)는 두 곱셈값(
Figure pat00177
)(
Figure pat00178
(
Figure pat00179
-
Figure pat00180
))들과 역 운동학 방정식(Inverse Dynamics)을 이용하여 미리 계산된 피드포워드(feedforward) 파라미터(
Figure pat00181
)을 가산하고, 그 가산값(
Figure pat00182
)을 출력한다. 여기서 가산값(
Figure pat00183
)은 관절 토크 계산부(310)에서 계산된 각 관절의 관절 토크 명령(
Figure pat00184
)를 의미하며, 그러한 하나의 예는 식1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00185
Figure pat00186
(
Figure pat00187
-
Figure pat00188
)
Figure pat00189
식 1
식 1은 비례 미분(PD) 제어기와 피드 포워드(FF) 제어기를 이용한 것이나, 이에 한정하는 것은 아니며 각 관절의 위치(
Figure pat00190
)가 관절 위치 궤적 명령(
Figure pat00191
)을 추종할 수 있는 어떠한 제어기도 이용할 수 있다. 식 1에서 비례 게인, 미분 게인, 피드포워드 파라미터는 안정적인 보행을 위해 반복적인 튜닝 작업을 통해 구할 수 있다.
관절 토크 명령(
Figure pat00192
)은 감쇠 제어기(404)에서 모터 토크상수(1/Kt)와 곱해지고, 그 곱셈값인 모터 전류(
Figure pat00193
)에 따라 로봇 관절부(101)의 각 관절에 설치된 모터(405)를 구동시킬 수 있다. 이때, 관절 토크 계산부(310)에 의해 계산된 각 관절의 관절 토크 명령(
Figure pat00194
)이 관절 토크 서보 제어부(320)에 제공된다.
도 7에서, 관절 토크 서보 제어부(320)는 모터 제어기(321)를 포함한다. 모터 제어기(321)는 토크 센서(405b)에 의해 측정된 관절 토크값을 피드백받아 관절 토크 명령(
Figure pat00195
)을 추종하도록 모터(405)를 구동시킨다. 이때 모터 제어기(321)는 토크 센서(405b)에 의해 측정된 관절 토크값을 피드백받는 것으로 한정되지 않고 모터(405)의 전류를 측정하는 전류 센서로부터 측정된 전류로부터 추정된 관절 토크값을 이용할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 토크 명령에 따라 구동하는 모터를 서보 제어하는 동작을 설명하는 블록선도이다.
도 8에서, 제1토크 연산기(501)가 상기 각 관절의 토크 명령 (
Figure pat00196
)과 토크 센서(405b)로부터 피드백되는 현재 모터 토크(
Figure pat00197
)의 감산값 (
Figure pat00198
)을 비례 게인 제어기(502)에 출력한다. 비례 게인 제어기(502)가 감산값 (
Figure pat00199
)과 비례 게인(
Figure pat00200
)의 곱셈값(
Figure pat00201
)을 제2토크 연산기(505)에 출력한다.
적분기(503)는 감산값 (
Figure pat00202
)을 적분하여 적분 게인 제어기(504)에 출력하고, 적분 게인 제어기(504)는 적분한 감산값(
Figure pat00203
)과 적분 게인(
Figure pat00204
)의 곱셈값(
Figure pat00205
)을 제2토크 연산기(505)에 출력한다.
제3토크 연산기(508)가 미분 제어기(507)에 의해 미분된 관절 토크 명령(
Figure pat00206
)과 미분 제어기(506)에 의해 미분된 현재 모터 토크(
Figure pat00207
)의 감산값(
Figure pat00208
)을 미분 게인 제어기(509)에 출력한다. 미분 게인 제어기(509)는 감산값(
Figure pat00209
)과 미분 게인(
Figure pat00210
)의 곱셈값(
Figure pat00211
)을 제2토크 연산기(505)에 출력한다.
제2토크 연산기(505)는 세 곱셈값(
Figure pat00212
)(
Figure pat00213
)(
Figure pat00214
)들과 역 운동학 방정식(Inverse Dynamics)을 이용하여 미리 계산된 피드포워드(feedforward) 파라미터(
Figure pat00215
)을 가산하고, 그 가산값을 출력한다. 여기서 가산값은 모터(405)에 인가되는 모터 전류(
Figure pat00216
)로서 그러한 하나의 예는 식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00217
식2
식 2은 비례 적분 미분(PID) 제어기와 피드 포워드(FF) 제어기를 이용한 것이나, 이에 한정하는 것은 아니며 각 관절의 위치(
Figure pat00218
)가 관절 위치 궤적 명령(
Figure pat00219
)을 추종할 수 있는 어떠한 제어기도 이용할 수 있다. 식 2에서 비례 게인, 미분 게인, 적분 게인, 피드포워드 파라미터는 안정적인 보행을 위해 반복적인 튜닝 작업을 통해 구할 수 있다.
이와 같이 관절 토크 서보 제어부(320)에 의해 로봇 관절부(101)가 토크 서보 제어에 기반하여 보행 동작을 실행할 수 있다.
로봇의 포즈를 전환하여 보행 시 보행면의 상태, 장애물의 출현 등 주위 환경에 따라 보행 제어가 부적절하여 로봇이 균형을 잃을 수 있기 때문에, 인간형 로봇에 있어서는 주위 환경과 상호 작용하는 정보와 로봇의 자세 정보를 피드백 받아서 관절 위치 궤적 명령과 관절 토크 명령을 보상하여 보행 동작을 안정적으로 제어할 필요가 있다.
도 4에서 관절 위치 궤적 보상값 계산부(340)가 센서부(330)에 의해 측정된 값을 이용하여 관절 위치 궤적 명령을 보상하기 위한 관절 위치 궤적 보상값을 생성하여 관절 토크 계산부(310)에 제공한다. 즉, 로봇의 발이 지면에 접촉 시 관절 위치 궤적 보상값 계산부(340)가 다축 F/T 센서(24)로부터 힘과 모멘트 정보를 입력받고, 포즈 센서(14)로부터 로봇의 자세 정보를 입력받아 관절 위치 궤적 보상값(
Figure pat00220
)을 계산할 수 있다.
그러면 관절 토크 계산부(310)는 식 3과 같은 보상된 관절 위치 궤적 명령(
Figure pat00221
)에 따라 관절 토크를 계산할 수 있다.
Figure pat00222
식3
여기서
Figure pat00223
는 원래 관절 위치 궤적 명령이고,
Figure pat00224
는 관절 위치 궤적 보상값으로 여러 가지 파라미터의 함수로부터 계산될 수 있으며, 여러 가지 파라미터는 로봇의 무게중심
Figure pat00225
, 지면과의 힘
Figure pat00226
, 지면과의 모멘트
Figure pat00227
, 로봇의
Figure pat00228
, 로봇의 경사각
Figure pat00229
이 될 수 있다.
Figure pat00230
식 4
식 4는 관절 위치 궤적 보상값(
Figure pat00231
)의 일 예이다.
관절 위치 궤적 보상값(
Figure pat00232
)은 로봇의 무게 중심 명령값(
Figure pat00233
)과 실제값(
Figure pat00234
)의 차이(
Figure pat00235
) 에 비례 게인(
Figure pat00236
)을 곱하고, 로봇의 무게중심 속도(
Figure pat00237
)와 실제값(
Figure pat00238
)의 차이(
Figure pat00239
)에 미분 게인(
Figure pat00240
)을 곱한 후 두 곱셈값(
Figure pat00241
)(
Figure pat00242
)을 가산하여 얻는다.
이외에 관절 위치 궤적 보상값(
Figure pat00243
)은 다른 파라미터에 해당하는 지면과의 힘
Figure pat00244
, 지면과의 모멘트
Figure pat00245
, 로봇의
Figure pat00246
, 로봇의 경사각
Figure pat00247
중 적어도 어느 하나에 의하여 계산될 수 있다.
관절 토크 보상값 계산부(350)는 센서부(330)에 의해 측정된 값을 이용하여 관절 토크 명령을 보상하기 위한 관절 토크 보상값을 생성하여 관절 토크 서보 제어부(320)에 제공한다. 즉, 로봇의 발이 지면에 접촉 시 관절 토크 보상값 계산부(350)가 다축 F/T 센서(24)로부터 힘과 모멘트 정보를 입력받고, 포즈 센서(14)로부터 로봇의 자세 정보를 입력받아 관절 토크 보상값(
Figure pat00248
)을 계산할 수 있다.
그러면 관절 토크 서보 제어부(320)는 식 5와 같은 보상된 관절 토크 명령(
Figure pat00249
)에 따라 관절 토크를 계산할 수 있다.
Figure pat00250
식5
여기서
Figure pat00251
는 원래 관절 토크 명령이고,
Figure pat00252
는 관절 토크 보상값으로 여러 가지 파라미터의 함수로부터 계산될 수 있으며, 여러 가지 파라미터는 로봇의 무게중심
Figure pat00253
, 지면과의 힘
Figure pat00254
, 지면과의 모멘트
Figure pat00255
, 로봇의
Figure pat00256
, 로봇의 경사각
Figure pat00257
이 될 수 있다.
Figure pat00258
식 6
식 6은 관절 토크 보상값(
Figure pat00259
)의 일 예이다.
관절 토크 보상값(
Figure pat00260
)은 로봇의 무게 중심 명령값(
Figure pat00261
)과 실제값(
Figure pat00262
)의 차이(
Figure pat00263
) 에 비례 게인(
Figure pat00264
)을 곱하고, 로봇의 무게중심 속도(
Figure pat00265
)와 실제값(
Figure pat00266
)의 차이(
Figure pat00267
)에 미분 게인(
Figure pat00268
)을 곱한 후 두 곱셈값(
Figure pat00269
)(
Figure pat00270
)을 가산하여 얻는다.
이외에 관절 토크 보상값(
Figure pat00271
)은 다른 파라미터에 해당하는 지면과의 힘
Figure pat00272
, 지면과의 모멘트
Figure pat00273
, 로봇의
Figure pat00274
, 로봇의 경사각
Figure pat00275
중 적어도 어느 하나에 의하여 계산될 수 있다.
실시예에서는 관절 위치 궤적 명령과 관절 토크 명령을 모두 보상하였으나, 관절 위치 궤적 명령과 관절 토크 명령 중 어느 하나를 보상하는 방식을 적용하여 인간형 로봇의 안정적인 보행 동작을 구현할 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 인간형 로봇의 보행 제어방법을 설명한다.
기본적으로 FSM에 기반하여 인간형 로봇(100)이 보행한다. 보행 동작을 실행하려면 관절 위치 궤적 계산부(303)가 센서부(300)의 측정값을 이용하여 왼발과 오른발의 착지 상태를 판단하여 로봇 관절부(101)의 각 관절의 위치 궤적 명령 (
Figure pat00276
)을 계산한다(601). 여기서 관절 위치 궤적 명령(
Figure pat00277
)을 생성하는 다른 예로는, 사람의 모션을 캡쳐하고 한 주기내에서 각 관절의 움직임을 추출한 후 이 추출 정보를 바탕으로 인간형 로봇의 관절 위치에 매칭시켜서 관절 위치 궤적 명령을 계산할 수도 있다.
계산된 관절 위치 궤적 명령(
Figure pat00278
)은 관절 토크 계산부(310)에 제공된다.
관절 위치 궤적 보상부(340)가 다축 F/T 센서(24)로부터 힘과 모멘트 정보를 입력받고, 포즈 센서(14)로부터 로봇의 자세 정보를 입력받아 관절 위치 궤적 보상값(
Figure pat00279
)을 계산한다(603). 여기서 관절 위치 궤적 보상값(
Figure pat00280
)은 여러 가지 파라미터의 함수로부터 계산될 수 있으며, 여러 가지 파라미터는 로봇의 무게중심
Figure pat00281
, 지면과의 힘
Figure pat00282
, 지면과의 모멘트
Figure pat00283
, 로봇의
Figure pat00284
, 로봇의 경사각
Figure pat00285
이 될 수 있다.
계산된 관절 위치 궤적 보상값(
Figure pat00286
)은 관절 토크 계산부(310)에 제공된다. 그러면 관절 토크 계산부(310)는 원래 관절 위치 궤적 명령(
Figure pat00287
)에 관절 위치 궤적 보상값(
Figure pat00288
)을 더하여 보상하고(605), 식3과 같이 보상된 관절 위치 궤적 명령(
Figure pat00289
)에 따라 관절 토크를 계산할 수 있다(607).
관절 토크 보상값 계산부(350)가 다축 F/T 센서(24)로부터 힘과 모멘트 정보를 입력받고, 포즈 센서(14)로부터 로봇의 자세 정보를 입력받아 관절 토크 보상값(
Figure pat00290
)을 계산한다(609). 여기서 관절 토크 보상값(
Figure pat00291
)은 여러 가지 파라미터의 함수로부터 계산될 수 있으며, 여러 가지 파라미터는 로봇의 무게중심
Figure pat00292
, 지면과의 힘
Figure pat00293
, 지면과의 모멘트
Figure pat00294
, 로봇의
Figure pat00295
, 로봇의 경사각
Figure pat00296
이 될 수 있다.
계산된 관절 토크 보상값(
Figure pat00297
)은 관절 토크 서보 제어부(320)에 제공된다. 그러면 관절 토크 서보 제어부(320)가 원래 관절 토크 명령(
Figure pat00298
)에 관절 토크 보상값(
Figure pat00299
)을 더하여 보상하고(611), 도 5와 같이 보상된 관절 토크 명령(
Figure pat00300
)에 따라 로봇 관절부(101)의 각 관절에 설치된 모터(405)를 구동한다(613).
모터 구동 시 관절 토크 서보 제어부(320)는 토크 센서(405b)에 의해 측정된 관절 토크값을 피드백받아 관절 토크 명령(
Figure pat00301
)을 추종하도록 모터 전류(
Figure pat00302
)를 제어하는 서보 제어를 통하여 모터(405)를 구동시킨다(615).
300 : 관절 위치 궤적 발생부
310 : 관절 토크 계산부
320 : 관절 토크 서보 제어부
330 : 센서부
340 : 관절 위치 궤적 보상값 계산부
350 : 관절 토크 보상값 계산부

Claims (17)

  1. 로봇 보행 시 움직일 수 있는 관절들을 포함하는 로봇 관절부;
    상기 로봇의 착지 정보와 자세 정보를 측정하는 센서부;
    상기 로봇의 착지 정보와 자세 정보를 이용하여 상기 각 관절의 위치 궤적을 발생하는 관절 위치 궤적 발생부;
    상기 각 관절의 위치 궤적을 보상하기 위한 관절 위치 궤적 보상값을 계산하는 관절 위치 궤적 보상값 계산부;
    상기 관절 위치 궤적 보상값을 이용하여 상기 각 관절의 위치 궤적을 보상하고, 보상된 각 관절의 위치 궤적에 따라 각 관절의 관절 토크를 계산하는 관절 토크 계산부;
    상기 각 관절의 관절 토크를 보상하기 위한 관절 토크 보상값을 계산하는 관절 토크 보상값 계산부;
    상기 관절 토크 보상값을 이용하여 상기 각 관절의 토크 명령을 보상하고, 보상된 각 관절의 토크 명령을 추종하도록 모터 전류를 계산하고, 계산된 모터 전류에 따라 상기 각 관절에 설치된 모터의 토크를 서보 제어하는 관절 토크 서보 제어부;를 포함하는 인간형 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서부가 로봇의 착지 상태를 측정하기 위한 다축 F/T 센서와 상기 로봇의 자세를 측정하기 위한 포즈 센서를 포함하는 인간형 로봇.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 관절 위치 궤적 발생부가 왼발 또는 오른발이 지면에 착지할 경우 서로 스위칭하는 복수의 상태 머신과, 상기 복수의 상태 머신의 스위칭에 따라 왼발 또는 오른발의 착지 상태를 판단하여 상기 각 관절의 관절 위치 궤적 명령을 계산하는 관절 위치 궤적 계산부를 포함하는 인간형 로봇.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 관절 토크 계산부가 제1 내지 제3위치 연산기, 비례 게인 제어기, 미분 게인 제어기를 포함하여 식 1과 같이 상기 각 관절의 관절 토크 명령(
    Figure pat00303
    )을 계산하며,
    Figure pat00304
    Figure pat00305
    (
    Figure pat00306
    -
    Figure pat00307
    )
    Figure pat00308
    식1
    상기 제1위치 연산기는 관절 위치 궤적 명령 (
    Figure pat00309
    )과 상기 모터로부터 피드백되는 현재 관절 위치 (
    Figure pat00310
    )의 감산값 (
    Figure pat00311
    -
    Figure pat00312
    )을 출력하고,
    상기 비례 게인 제어기는 상기 감산값 (
    Figure pat00313
    -
    Figure pat00314
    )과 비례 게인(
    Figure pat00315
    )의 곱셈값(
    Figure pat00316
    )을 상기 제2위치 연산기에 출력하고,
    상기 제3위치 연산기는 미분된 관절 위치 궤적 명령(
    Figure pat00317
    )과 미분된 현재 관절 위치(
    Figure pat00318
    )의 감산값(
    Figure pat00319
    -
    Figure pat00320
    )을 상기 미분 게인 제어기에 출력하고,
    상기 미분 게인 제어기는 상기 감산값(
    Figure pat00321
    -
    Figure pat00322
    )과 미분 게인(
    Figure pat00323
    )의 곱셈값(
    Figure pat00324
    (
    Figure pat00325
    -
    Figure pat00326
    ))을 상기 제2위치 연산기에 출력하며,
    상기 제2위치 연산기는 두 곱셈값(
    Figure pat00327
    )(
    Figure pat00328
    (
    Figure pat00329
    -
    Figure pat00330
    ))들과 역 운동학 방정식을 이용하여 미리 계산된 피드포워드 파라미터(
    Figure pat00331
    )를 가산하여 상기 각 관절의 관절 토크 명령(
    Figure pat00332
    )을 출력하는 인간형 로봇.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센서부가 상기 모터에 설치된 엔코더를 더 포함하고,
    상기 엔코더로 상기 현재 관절 위치 (
    Figure pat00333
    )를 측정하는 인간형 로봇.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 관절 토크 서보 제어부는 모터 제어기와 상기 모터의 토크를 측정하는 토크 센서를 포함하고,
    상기 모터 제어기는 상기 토크 센서에 의해 측정된 관절 토크값을 피드백받아 상기 각 관절의 토크 명령을 추종하도록 상기 모터를 구동시키는 인간형 로봇.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모터 제어기는 제1 내지 제3토크 연산기, 비례 게인 제어기, 적분기, 적분 게인 제어기, 미분 게인 제어기를 포함하여 식 2와 같이 모터 전류(
    Figure pat00334
    )를 계산하며,
    Figure pat00335
    식2
    상기 제1토크 연산기는 관절 토크 명령 (
    Figure pat00336
    )과 상기 토크 센서로부터 피드백되는 현재 모터 토크(
    Figure pat00337
    )의 감산값 (
    Figure pat00338
    )을 출력하고,
    상기 비례 게인 제어기가 상기 감산값 (
    Figure pat00339
    )과 비례 게인(
    Figure pat00340
    )의 곱셈값(
    Figure pat00341
    )을 상기 제2토크 연산기에 출력하고,
    상기 적분기가 상기 감산값 (
    Figure pat00342
    )을 적분하여 상기 적분 게인 제어기에 출력하고,
    상기 적분 게인 제어기가 적분한 감산값(
    Figure pat00343
    )과 적분 게인(
    Figure pat00344
    )의 곱셈값(
    Figure pat00345
    )을 상기 제2토크 연산기에 출력하고,
    상기 제3토크 연산기가 미분된 관절 토크 명령(
    Figure pat00346
    )과 미분된 현재 모터 토크(
    Figure pat00347
    )의 감산값(
    Figure pat00348
    )을 상기 미분 게인 제어기에 출력하고,
    상기 미분 게인 제어기가 상기 감산값(
    Figure pat00349
    )과 미분 게인(
    Figure pat00350
    )의 곱셈값(
    Figure pat00351
    )을 상기 제2토크 연산기에 출력하고,
    상기 제2토크 연산기가 상기 곱셈값(
    Figure pat00352
    )(
    Figure pat00353
    )(
    Figure pat00354
    )들과 역 운동학 방정식을 이용하여 미리 계산된 피드포워드 파라미터(
    Figure pat00355
    )을 가산하여 모터 전류(
    Figure pat00356
    )를 출력하는 인간형 로봇.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 센서부가 상기 로봇의 착지 상태를 측정하기 위한 다축 F/T 센서와 상기 로봇의 자세를 측정하기 위한 포즈 센서를 포함하고,
    상기 관절 위치 궤적 보상값 계산부가 로봇의 발이 지면에 접촉 시 상기 다축 F/T 센서로부터 힘과 모멘트 정보를 입력받고, 상기 포즈 센서로부터 로봇의 자세 정보를 입력받아 관절 위치 궤적 보상값(
    Figure pat00357
    )을 계산하며,
    상기 관절 토크 계산부가 상기 관절 위치 궤적 보상값(
    Figure pat00358
    )을 이용하여 식 3과 같은 보상된 관절 위치 궤적 명령(
    Figure pat00359
    )에 따라 관절 토크를 계산하는 인간형 로봇.
    Figure pat00360
    식3
    여기서
    Figure pat00361
    는 원래 관절 위치 궤적 명령이고, 상기 관절 위치 궤적 보상값(
    Figure pat00362
    )은 로봇의 무게중심
    Figure pat00363
    , 지면과의 힘
    Figure pat00364
    , 지면과의 모멘트
    Figure pat00365
    , 로봇의
    Figure pat00366
    , 로봇의 경사각
    Figure pat00367
    중 어느 하나의 파라미터의 함수로 계산된다.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 관절 위치 궤적 보상값은 식 4와 같이 계산되는 인간형 로봇.
    Figure pat00368
    식 4
    여기서,
    Figure pat00369
    는 로봇의 무게 중심 명령값이고,
    Figure pat00370
    는 로봇 무게 중심의 실제값이고,
    Figure pat00371
    는 비례 게인이고,
    Figure pat00372
    는 로봇의 무게중심 속도이고,
    Figure pat00373
    는 로봇 무게 중심 속도의 실제값이고,
    Figure pat00374
    는 미분 게인이다.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 센서부가 상기 로봇의 착지 상태를 측정하기 위한 다축 F/T 센서와 상기 로봇의 자세를 측정하기 위한 포즈 센서를 포함하고,
    상기 관절 토크 보상값 계산부가 로봇의 발이 지면에 접촉 시 상기 다축 F/T 센서로부터 힘과 모멘트 정보를 입력받고, 상기 포즈 센서로부터 로봇의 자세 정보를 입력받아 관절 토크 보상값(
    Figure pat00375
    )을 계산하며,
    상기 관절 토크 서보 제어부가 식 5와 같은 보상된 관절 토크 명령(
    Figure pat00376
    )에 따라 관절 토크를 계산하는 인간형 로봇.
    Figure pat00377
    식5
    여기서 는 원래 관절 토크 명령이고, 상기 관절 토크 보상값(
    Figure pat00379
    )은 로봇의 무게중심
    Figure pat00380
    , 지면과의 힘
    Figure pat00381
    , 지면과의 모멘트
    Figure pat00382
    , 로봇의
    Figure pat00383
    , 로봇의 경사각
    Figure pat00384
    중 어느 하나의 파라미터의 함수로 계산된다.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 관절 토크 보상값은 식 6과 같이 계산되는 인간형 로봇.
    Figure pat00385
    식 6
    여기서
    Figure pat00386
    는 로봇의 무게 중심 명령값이고,
    Figure pat00387
    는 로봇 무게 중심의 실제값이고,
    Figure pat00388
    는 비례 게인이고,
    Figure pat00389
    는 로봇의 무게중심 속도이고,
    Figure pat00390
    는 로봇 무게 중심 속도의 실제값이고,
    Figure pat00391
    는 미분 게인이다.
  12. 로봇의 보행을 위해 각 관절의 관절 위치 궤적을 계산하고;
    상기 로봇에 설치된 센서로 측정한 상기 로봇의 착지 정보와 자세 정보를 이용하여 상기 각 관절의 위치 궤적을 보상하기 위한 관절 위치 궤적 보상값을 계산하고;
    상기 관절 위치 궤적 보상값을 이용하여 보상한 관절 위치 궤적에 따라 상기 각 관절의 토크를 계산하고;
    상기 로봇에 설치된 센서로 측정한 상기 로봇의 착지 정보와 자세 정보를 이용하여 상기 각 관절의 관절 토크를 보상하기 위한 관절 토크 보상값을 계산하고;
    상기 관절 토크 보상값을 이용하여 보상한 관절 토크 명령을 추종하도록 모터 전류를 계산하고, 계산된 모터 전류에 따라 각 관절에 설치된 모터의 토크를 서보 제어하는 것;을
    포함하는 인간형 로봇의 보행 제어방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 관절 위치 궤적을 계산하는 것은 왼발 또는 오른발이 지면에 착지한 상태를 판단하여 상기 각 관절의 관절 위치 궤적 명령을 계산하는 것을 포함하는 인간형 로봇의 보행 제어방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 각 관절의 토크를 계산하는 것은
    각 관절의 관절 위치 궤적 명령 (
    Figure pat00392
    )과 현재 관절 위치 (
    Figure pat00393
    )의 감산값 (
    Figure pat00394
    -
    Figure pat00395
    )을 출력하고, 상기 감산값 (
    Figure pat00396
    -
    Figure pat00397
    )과 비례 게인(
    Figure pat00398
    )의 곱셈값(
    Figure pat00399
    )을 출력하고, 미분된 관절 위치 궤적 명령(
    Figure pat00400
    )과 미분된 현재 관절 위치(
    Figure pat00401
    )의 감산값(
    Figure pat00402
    -
    Figure pat00403
    )을 출력하고, 상기 감산값(
    Figure pat00404
    -
    Figure pat00405
    )과 미분 게인(
    Figure pat00406
    )의 곱셈값(
    Figure pat00407
    (
    Figure pat00408
    -
    Figure pat00409
    ))을 출력하고, 상기 두 곱셈값(
    Figure pat00410
    )(
    Figure pat00411
    (
    Figure pat00412
    -
    Figure pat00413
    ))들과 역 운동학 방정식을 이용하여 미리 계산된 피드포워드 파라미터(
    Figure pat00414
    )를 가산하여 상기 각 관절의 관절 토크 명령(
    Figure pat00415
    )을 출력하는 것을 포함하는 인간형 로봇의 보행 제어방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 모터 전류를 계산하는 것은
    관절 토크 명령 (
    Figure pat00416
    )과 현재 모터 토크(
    Figure pat00417
    )의 감산값 (
    Figure pat00418
    )을 출력하고, 상기 감산값 (
    Figure pat00419
    )과 비례 게인(
    Figure pat00420
    )의 곱셈값(
    Figure pat00421
    )을 출력하고, 상기 감산값 (
    Figure pat00422
    )을 적분하고, 상기 적분한 감산값(
    Figure pat00423
    )과 적분 게인(
    Figure pat00424
    )의 곱셈값(
    Figure pat00425
    )을 출력하고, 미분된 관절 토크 명령(
    Figure pat00426
    )과 미분된 현재 모터 토크(
    Figure pat00427
    )의 감산값(
    Figure pat00428
    )을 출력하고, 상기 감산값(
    Figure pat00429
    )과 미분 게인(
    Figure pat00430
    )의 곱셈값(
    Figure pat00431
    )을 출력하고, 상기 곱셈값(
    Figure pat00432
    )(
    Figure pat00433
    )(
    Figure pat00434
    )들과 역 운동학 방정식을 이용하여 미리 계산된 피드포워드 파라미터(
    Figure pat00435
    )을 가산하여 모터 전류(
    Figure pat00436
    )를 출력하는 것을 포함하는 인간형 로봇의 보행 제어방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 로봇의 착지 상태를 측정하기 위한 다축 F/T 센서로부터 힘과 모멘트 정보를 입력받고, 상기 로봇의 자세를 측정하기 위한 포즈 센서로부터 로봇의 자세 정보를 입력받아 상기 관절 위치 궤적 보상값을 계산하되,
    상기 관절 위치 궤적 보상값(
    Figure pat00437
    )은 로봇의 무게중심
    Figure pat00438
    , 지면과의 힘
    Figure pat00439
    , 지면과의 모멘트 , 로봇의
    Figure pat00441
    , 로봇의 경사각
    Figure pat00442
    중 어느 하나의 파라미터의 함수로 계산되고,
    상기 보상된 관절 위치 궤적 명령(
    Figure pat00443
    )은 원래 관절 위치 궤적 명령(
    Figure pat00444
    )과 계산된 관절 위치 궤적 보상값(
    Figure pat00445
    )을 더하여 구하는 인간형 로봇의 보행 제어방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 로봇의 착지 상태를 측정하기 위한 다축 F/T 센서로부터 힘과 모멘트 정보를 입력받고, 상기 로봇의 자세를 측정하기 위한 포즈 센서로부터 로봇의 자세 정보를 입력받아 상기 관절 토크 보상값을 계산하되,
    상기 관절 토크 보상값(
    Figure pat00446
    )은 로봇의 무게중심
    Figure pat00447
    , 지면과의 힘
    Figure pat00448
    , 지면과의 모멘트
    Figure pat00449
    , 로봇의
    Figure pat00450
    , 로봇의 경사각
    Figure pat00451
    중 어느 하나의 파라미터의 함수로 계산되고,
    상기 보상된 관절 토크 명령(
    Figure pat00452
    )은 원래 관절 토크 명령(
    Figure pat00453
    )과 계산된 토크 보상값(
    Figure pat00454
    )을 더하여 구하는 인간형 로봇의 보행 제어방법.
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