KR20040089632A

KR20040089632A - 2각 보행식 이동 장치 및 그 보행 제어 장치

Info

Publication number: KR20040089632A
Application number: KR10-2004-7012584A
Authority: KR
Inventors: 후루타다카유키; 다와라데쓰오; 오쿠무라유; 기타노히로아키
Original assignee: 도꾸리쯔교세이호징 가가꾸 기쥬쯔 신꼬 기꼬
Priority date: 2002-02-18
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-10-21
Also published as: EP1477283A4; JP3574952B2; KR100581372B1; US20050088131A1; TW200303809A; US6992457B2; JP2003236782A; CN100336633C; EP1477283A1; WO2003068462A1; EP2208583A1; TW586994B; CN1633351A

Abstract

걸음걸이 데이터에 따라 2각 보행식 이동 장치의 각 레그부(13L, 13R)의 각 관절 구동용 모터(15L, 15R ∼ 20L, 20R)를 구동 제어하는 2각 보행식 이동 장치의 보행 제어 장치(30)에 있어서, 각 발부(14L, 14R)의 발바닥에 가해지는 힘을 검출하는 힘 검출부(23L, 23R)와, 힘 검출부에서 검출된 힘에 따라 걸음걸이 생성부(24)부터의 걸음걸이 데이터를 수정하는 보상부(32)를 포함하고, 각 힘 검출부(23L, 23R)는 각 발부(14L, 14R)의 발바닥에 배치된 최소한 3개의 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)로 이루어지고, 보상부(32)는 유효한 힘을 검출하고 있는 3개의 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)의 검출 신호에 따라 걸음걸이 데이터의 수정을 하도록, 2각 보행식 이동 장치의 보행 제어 장치(30)를 구성하여, 복잡한 요철이 있는 불안정한 노면 상황에 있어서도 로봇의 보행 안정성을 실현되도록 했다.

Description

2각 보행식 이동 장치 및 그 보행 제어 장치 {TWO-LEGGED WALKING LOCOMOTION APPARATUS AND ITS WALKING CONTROLLER}

종래, 소위 2각 보행식 로봇은 미리 설정된 보행 패턴(이하, 걸음걸이(gait)라고 함) 데이터를 생성하여, 이 걸음걸이 데이터에 따라서 보행 제어를 하여 소정의 보행 패턴으로 레그부를 동작시킴으로써 2각 보행을 실현하도록 하고 있다.

그런데, 이러한 2각 보행식 로봇은 예를 들면 노면 상황, 로봇 자체의 물리적 파라미터의 오차 등에 따라 보행 시의 자세가 불안정하게 되기 쉽고, 경우에 따라서는 전도하여 버린다. 이에 대하여, 걸음걸이 데이터를 미리 설정하지 않고, 실시간으로 로봇의 보행 상태를 인식하면서 보행 제어를 하도록 하면, 보행 시의 자세를 안정시켜 보행을 하도록 하는 것도 가능하지만, 이러한 경우에도, 예기하지 않은 노면 상황 등이 발생한 경우에는 보행 자세가 무너져 로봇이 전도하여 버리게 된다.

이로 인하여, 보행 제어에 의해 로봇의 발바닥에서의 바닥반력과 중력의 합성 모멘트가 제로가 되는 점(이하, ZMP(Zero Moment Point라고 함)을 목표치에 수렴시키는 소위 ZMP 보상을 해야 한다. 이러한 ZMP 보상을 위한 제어 방법으로는, 예를 들면 일본 특개평5-305583호 공보에 기재된 바와 같이, 컴플라이언스 제어를 이용하여, ZMP를 목표치에 수렴시키고, 로봇의 상체를 가속시켜 수정하는 방법이나, 로봇의 발의 접지장소를 수정하는 제어 방법이 알려져 있다.

그런데, 이러한 제어 방법에서는 ZMP 규범에 의해 로봇의 안정화를 도모하도록 하고 있다. 그리고, 이 ZMP 규범에서는 발바닥에서의 바닥반력을 정확하게 검출하는 것이 전제조건으로 되어 있다.

그러나, 이러한 구성의 2각 보행식 로봇에서는 복잡한 요철이 있는 불안정한 노면 상황에서는 발바닥 전체가 노면에 착지하지 않게 되는 경우가 있어, 발바닥에서의 바닥반력을 정확하게 검출할 수 없고, 따라서 ZMP의 보상을 정확하게 할 수 없게 되는 경우가 있다. 이로 인하여, 로봇의 안정성을 확보할 수 없고, 로봇의 2각 보행이 곤란하게 된다.

본 발명은 2각 보행식 이동 장치에 관한 것으로, 특히 보행 안정화를 실현하도록 한 보행 제어에 관한 것이다.

본 발명은 이하의 상세한 설명 및 본 발명의 여러 실시예를 나타내는 첨부 도면에 의해 보다 잘 이해될 것이다. 또, 첨부 도면에 나타내는 실시예는 본 발명을 특정 또는 한정하는 것을 의도하는 것은 아니고, 단순히 본 발명의 설명 및 이해를 용이하게 하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 2각 보행식 로봇의 일 실시예의 기계적 구성을 나타내는 개략도이다.

도 2는 도 1의 2각 보행식 로봇의 전기적 구성을 나타내는 블록도이다.

도 3은 도 1의 2각 보행식 로봇의 각 발부의 발바닥에 설치된 3축 힘 센서의 구성을 나타내고, (A)는 상방으로부터 본 개략 사시도, (B)는 하방으로부터 본 개략 사시도이다.

도 4는 도 3의 3축 힘 센서의 배치를 나타내는 발바닥의 평면도이다.

도 5는 도 4의 각 3축 힘 센서와 힘 계측의 기점의 배치를 나타내는 그래프이다.

도 6은 도 1의 2각 보행식 로봇의 보행 제어 동작을 나타내는 플로차트이다.

도 7은 도 3(C)의 3축 힘 센서 배치의 제1 변형예를 나타내는 발바닥의 평면도이다.

도 8은 도 3(C)의 3축 힘 센서 배치의 제2 변형예를 나타내는 발바닥의 평면도이다.

도 9는 도 3(C)의 3축 힘 센서 배치의 제3 변형예를 나타내고, (A)는 발부의 측면도, (B)는 발바닥의 평면도이다.

도 10은 도 9의 변형예에서 발부리부로 착지한 경우로, (A)는 발부의 측면도, (B)는 발바닥의 평면도이다.

도 11은 도 3(C)의 3축 힘 센서 배치의 제4 변형예를 나타내는 발바닥의 평면도이다.

본 발명은 이상의 점을 감안하여, 복잡한 요철이 있는 불안정한 노면 상황에 있어서도, 발바닥에서의 바닥반력을 정확하게 검출하여, 보행 안정성이 실현되도록 한 2각 보행식 이동 장치와, 그 보행 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 목적은, 본 발명의 제1 의 구성에 의하면, 본체와, 본체의 하부 양측에서 2축 방향으로 요동 가능하게 장착된 중간에 무릎부를 가지는 2개의 레그부와, 각 레그부의 하단에 2축 방향으로 요동 가능하게 장착된 발부와, 각 레그부, 무릎부 및 발부를 요동시키는 구동 수단과, 요구 동작에 대응하여 목표 각도궤도, 목표 각속도, 목표 각가속도를 포함하는 걸음걸이 데이터를 생성하는 걸음걸이 생성부와, 이 걸음걸이 데이터에 따라 상기 구동 수단을 구동 제어하는 보행 제어 장치를 구비한 2각 보행식 이동 장치에 있어서, 상기 보행 제어 장치가 각 발부에서의 발바닥에 가해지는 힘을 검출하는 힘 검출부와, 상기 힘 검출부에서 검출된 힘에 따라 걸음걸이 생성부로부터의 걸음걸이 데이터를 수정하는 보상부를 포함하고 있고, 상기 힘 검출부는 각 발부의 발바닥에 배치된 최소한 3개의 3축 힘 센서로 구성되어 있고, 상기 보상부가 힘 검출부의 각 3축 힘 센서 중 유효한 힘을 검출하고 있는 3개의 3축 힘 센서의 검출 신호에 따라 걸음걸이 데이터의 수정을 함으로써 달성된다.

본 발명에 의한 2각 보행식 이동 장치는, 바람직하게는, 상기 본체가 인간형 로봇의 상체로서, 두부 및 양 손부를 구비하고 있다.

본 발명에 의한 2각 보행식 이동 장치는, 바람직하게는, 각각의 3축 힘 센서가 발바닥으로부터 하방으로 돌출되어 있다. 바람직하게는, 3개의 3축 힘 센서가 각 발부의 발바닥에서 이등변삼각형의 각 정점 위치에 배치되어 있다. 또, 각각의 3축 힘 센서는 각 발부의 발바닥에서 발부의 수직 구동 축을 중심으로 하는 동일 원주 상에 배치되어 있을 수도 있다.

본 발명에 의한 2각 보행식 이동 장치는, 바람직하게는, 각 발부는 레그부의 하단에 직접 장착된 발밑부(足元部)와, 발밑부의 선단에 상하로 요동 가능하게 장착된 발끝으로서의 발부리부로 구성되어 있고, 힘 검출부의 각 3축 힘 센서가 발밑부 및 발부리부에 분산 배치되어 있다.

본 발명에 의한 2각 보행식 이동 장치는 바람직하게는, 하나의 3축 힘 센서는 발밑부의 발뒤꿈치 부근에 배치되고, 또 다른 하나의 3축 힘 센서는 발부리부의 선단 부근에 배치되고, 또 2개의 3축 힘 센서는 발밑부 및 발부리부의 경계 부근의 영역에서 좌우에 배치되어 있다.

본 발명에 의한 2각 보행식 이동 장치는 바람직하게는, 상기 보상부가 자동 캘리브레이션(calibration)에 의해 각 3축 힘 센서로부터의 검출 신호를 자동적으로 교정한다.

또, 상기 목적은 본 발명의 제2의 구성에 의하면, 본체와, 본체의 하부 양측에서 2축 방향으로 요동 가능하게 장착된 중간에 무릎부분을 가지는 2개의 레그부와, 각 레그부의 하단에 2축 방향으로 요동 가능하게 장착된 발부와, 각 레그부, 무릎부 및 발부를 요동시키는 구동 수단으로 이루어지는 2각 보행식 이동 장치에 관해서, 요구 동작에 대응하여 걸음걸이 생성부에 의해 생성되는 목표 각도궤도, 목표 각속도, 목표 각가속도를 포함하는 걸음걸이 데이터에 따라 상기 구동 수단을 구동 제어하는 2각 보행식 이동 장치의 보행 제어 장치에 있어서, 각 발부에서의 발바닥에 가해지는 힘을 검출하는 힘 검출부와, 상기 힘 검출부에서 검출된 힘에 따라 걸음걸이 생성부에서의 걸음걸이 데이터를 수정하는 보상부를 포함하고 있고, 상기 힘 검출부가 각 발부의 발바닥에 배치된 최소한 3개의 3축 힘 센서로 구성되어 있고, 상기 보상부가 힘 검출부의 각 3축 힘 센서 중 유효한 힘을 검출하고 있는 3개의 3축 힘 센서의 검출 신호에 따라 걸음걸이 데이터의 수정을 함으로써, 달성된다.

본 발명에 의한 제2의 구성으로 이루어지는 2각 보행식 이동 장치의 보행 제어 장치는 바람직하게는, 각 3축 힘 센서가 발바닥으로부터 하방으로 돌출되어 있다. 또, 바람직하게는, 3개의 3축 힘 센서가 각 발부의 발바닥으로써 이등변삼각형의 각 정점 위치에 배치되어 있다. 또는 각 3축 힘 센서가 각 발부의 발바닥으로써 발부의 수직 구동 축을 중심으로 하는 동일 원주 상에 배치되어 있을 수도 있다.

본 발명에 의한 2각 보행식 이동 장치의 보행 제어 장치는 바람직하게는, 상기 보상부가 자동 캘리브레이션에 의해 각 3축 힘 센서로부터의 검출 신호를 자동적으로 교정한다.

상기 구성에 의하면, 각 발부의 발바닥에 설치된 최소한 3개의 3축 힘 센서로 이루어지는 힘 검출부에 의해 검출한 힘에 따라, 보상부에 의해 걸음걸이 생성부에서의 걸음걸이 데이터를 수정하여 구동 수단을 구동 제어한다. 이 때, 복잡한 요철을 구비한 노면에 발부가 착지하고 있는 경우에도, 발바닥으로부터 하방으로 돌출되어 있는 3개의 3축 힘 센서가 확실하게 노면에 접하고 있다. 따라서, 불안정한 노면이더라도 유효한 힘을 검출하고 있는 3개의 3축 힘 센서의 검출 신호에 따라, 걸음걸이 데이터를 확실하게 수정함으로써, 본체, 예를 들면 인간형 로봇의 상체의 안정화를 도모하도록 되어 있다. 이에 따라, 로봇의 각 발부의 발바닥이 복잡한 요철을 구비한 불안정한 노면 상황에 있더라도, 로봇의 안정성을 확보할 수 있어, 확실하게 보행 제어를 하는 것이 가능하다.

3개의 3축 힘 센서가 각 발부의 발바닥에서, 이등변삼각형의 각 정점 위치에 배치되어 있는 경우에는 이등변삼각형 저변의 양단의 정점에 위치하는 3축 힘 센서가 좌우 대칭의 조건이 되기 때문에, 각 3축 힘 센서에 이러한 부하 하중을 좌우 균등하게 분산할 수 있는 동시에, 각 3축 힘 센서의 캘리브레이션을 용이하게 할 수 있다.

각 3축 힘 센서가 각 발부의 발바닥에서, 발부의 수직 구동 축을 중심으로 하는 동일 원주 상에 배치되어 있는 경우에는 상기 수직 구동 축 주위의 토크가 동일 조건이 되기 때문에, 이 토크에 관한 부하를 각 3축 힘 센서에 균등하게 분산할 수 있는 동시에, 각 3축 힘 센서의 토크에 관한 캘리브레이션을 용이하게 할 수 있다.

각 발부가 레그부의 하단에 직접 장착된 발밑부와, 발밑부의 선단에 상하로 요동 가능하게 장착된 발끝으로서의 발부리부로 구성되어 있고, 힘 검출부의 각 3축 힘 센서가 발밑부 및 발부리부에 분산 배치되어 있는 경우에는 발밑부만 또는 발부리부만이 착지하고 있는 경우에도, 힘 검출부의 각 3축 힘 센서가 발바닥에서의 바닥반력을 검출할 수 있다.

하나의 3축 힘 센서가 발밑부의 발뒤꿈치 부근에 배치되고, 또 다른 하나의 3축 힘 센서가 발부리부의 선단 부근에 배치되고, 또 2개의 3축 힘 센서가 발밑부 및 발부리부의 경계 부근의 영역에서 좌우에 배치되어 있는 경우에는 발밑부만 또는 발부리부만이 착지하고 있는 경우에도, 힘 검출부의 3개의 3축 힘 센서가 착지하게 되어, 발바닥에서의 바닥반력을 확실하게 검출할 수 있다.

상기 보상부가 자동 캘리브레이션에 의해, 각 3축 힘 센서로부터의 검출 신호를 자동적으로 교정하는 경우에는 힘 검출부 각각의 3축 힘 센서가 주위의 온도나 시간 경과에 따라 검출 정밀도가 변화되었다고 해도, 자동 캘리브레이션에 의해서 자동 교정되어, 힘 검출부의 각 3축 힘 센서로부터의 검출 신호에 의해 정확하게 바닥반력을 검출할 수 있다.

이하, 도면에 나타낸 실시예에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 의한 2각 보행식 이동 장치를 적용한 2각 보행식 로봇의 일 실시예의 구성을 나타내고 있다. 도 1에 있어서, 2각 보행식 로봇(10)은 본체인 상체(11)와, 상체(11)의 하부 양측에 장착된 중간에 무릎부(12L, 12R)를 구비한 2개의 레그부(13L, 13R)와, 각 레그부(13L, 13R)의 하단에 장착된 발부(14L, 14R)를 포함하고 있다.

여기서, 상기 레그부(13L, 13R)는 각각 6개의 관절부, 즉 상방으로부터 순서대로, 상체(11)에 대한 허리의 레그부 선회용(z 축 주위) 관절부(15L, 15R), 허리의 롤 방향(x 축 주위) 관절부(16L, 16R), 허리의 피치 방향(y 축 주위) 관절부(17L, 17R), 무릎부(12L, 12R)의 피치 방향 관절부(18L, 18R), 발부(14L, 14R)에 대한 발목부의 피치 방향 관절부(19L, 19R), 발목부의 롤 방향 관절부(20L, 20R)를 구비하고 있다. 각 관절부(15L, 15R ~ 20L, 20R)는 각각 관절 구동용 모터로 구성되어 있다.

이와 같이 하여, 허리관절은 상기 관절부(15L, 15R, 16L, 16R, 17L, 17R)로 구성되고, 또한 발관절은 관절부(19L, 19R, 20L, 20R)로 구성된다.

또한, 허리관절과 무릎관절 사이는 대퇴링크(21L, 21R)에 의해 연결되어 있고, 또한 무릎관절과 발관절 사이는 하퇴링크(22L, 22R)에 의해 연결되어 있다. 이에 따라, 2각 보행식 로봇(10)의 좌우 양측의 레그부(13L, 13R) 및 발부(14L, 14R)에는 각각 6자유도가 부여되어, 보행 중에 이들 12개의 관절부를 각각 구동 모터에 의해 적절한 각도로 구동 제어함으로써, 레그부(13L, 13R), 발부(14L, 14R) 전체에 원하는 동작을 부여하여, 임의로 삼차원 공간을 보행할 수 있도록 구성되어 있다.

또한, 상기 발부(14L, 14R)는 발바닥(하면)에 힘 검출부(23L, 23R)를 구비하고 있다. 이 힘 검출부(23L, 23R)는 후술하는 바와 같이, 각각 각 발부(14L, 14R)에서의 힘, 특히 수평바닥반력(F)을 검출하도록 되어 있다. 또, 상기 상체(11)는 도면에서는 단순히 상자형으로 나타내고 있지만, 실제로는 두부나 양손을 구비하고 있을 수도 있다.

도 2는 도 1에 나타낸 2각 보행식 로봇(10)의 전기적 구성을 나타내고 있다. 도 2에 있어서, 2각 보행식 로봇(10)은 요구 동작에 대응하여 걸음걸이 데이터를생성하는 걸음걸이 생성부(24)와, 이 걸음걸이 데이터에 따라 구동 수단, 즉 상술한 각 관절부의 관절 구동용 모터(15L, 15R ~ 20L, 20R)를 구동 제어하는 보행 제어 장치(30)를 구비하고 있다.

또, 2각 보행식 로봇(10)의 좌표계로서, 전후 방향을 x 방향(전방+), 횡 방향을 y 방향(내측+)그리고 상하 방향을 z 방향(상방+)으로 하는 xyz 좌표계를 사용한다.

상기 걸음걸이 생성부(24)는 외부로부터 입력되는 요구 동작에 대응하여, 2각 보행식 로봇(10)의 보행에 필요한 각 관절부(15L, 15R ~ 20L, 20R)의 목표 각도궤도, 목표 각속도, 목표 각가속도를 포함하는 걸음걸이 데이터를 생성한다.

상기 보행 제어 장치(30)는 각도 계측 유닛(31)과, 보상부(32)와, 제어부(33)와, 모터 제어 유닛(34)으로 구성되어 있다.

상기 각도 계측 유닛(31)은 각 관절부(15L, 15R ~ 20L, 20R)의 관절 구동용 모터에 구비된, 예를 들면 로터리 엔코더(rotary encoder) 등에 의하여 각 관절 구동용 모터의 각도 정보가 입력되어, 각각의 관절 구동용 모터의 각도 위치, 즉 각도 및 각속도에 관한 상태벡터(φ)를 계측하여 보상부(32)에 출력한다. 상기 보상부(32)는 힘 검출부(23L, 23R)에서의 검출 출력에 따라 수평바닥반력(F)을 연산하여, 이 수평바닥반력(F) 및 각도 계측 유닛(31)으로부터의 상태벡터(φ)에 따라서 걸음걸이 생성부(24)로부터의 걸음걸이 데이터를 수정하여, 벡터(θi)(i=1~n, 단, n은 로봇(10)의 보행에 관한 자유도)를 제어부(33)에 출력한다. 또, 상기 제어부(33)는 보상부(32)에서 수정된 걸음걸이 데이터인 벡터(θi)로부터, 로봇의 각 관절부에서의 각도벡터(θ0)를 감산하여, 벡터(θi-θ0)에 따라, 각 관절 구동용 모터의 제어신호, 즉 토크벡터(τ)를 생성한다. 또한, 상기 모터 제어 유닛(34)은 제어부(33)로부터의 제어신호(토크벡터(τ))에 따라서 각 관절 구동용 모터를 구동 제어한다.

여기서, 상기 힘 검출부(23L, 23R)는 좌우 대칭의 구성이기 때문에, 힘 검출부(23L)에 대해, 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3에 있어서, 힘 검출부(23L)는 발부(14L)의 하면인 발바닥판(35)의 하측에서, 전방 에지 양측 및 후방 에지 중앙에 배치된 3개의 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)로 구성되어 있다.

각각의 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)는 서로 동일한 구성이며, 도 3의 (A) 및 (B)에 도시한 바와 같이, 발바닥으로부터 하방으로 돌출되도록 구성되어 있다. 또한, 각각의 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)는 도 4에 도시한 바와 같이, 발부의 발바닥에서, 후방 에지가 뾰족한 이등변삼각형의 각 정점에 배치되도록 되어 있다.

각각의 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)는 각각 검출 출력의 편차가 있는 동시에, 주위의 온도, 시간의 경과에 따른 변화 등에 의해 검출 출력이 변동한다. 따라서, 각각의 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)의 검출 출력은 다음과 같은 자동 캘리브레이션에 의해 보상부(32) 내에서 자동적으로 교정되도록 되어 있다.

먼저, Z축 방향의 캘리브레이션에 대하여 설명한다.

도 5(A)에 있어서, 발바닥에서, 힘 계측의 원점 O(Ox, Oy)에 대하여, n개의 3축 힘 센서(S1, S2, S3, …, Sn)가 배치되어 있다. 또, 힘 계측의 원점 O는 예를 들면 발부의 관절의 구동 좌표계에 일치시키는 것이 바람직하다. 여기에서, 각각의 3축 힘 센서(Si)의 위치를 Si = (X(i), Y(i))로 하여, 전술한 바와 같이 분산 배치된 3축 힘 센서(S1 내지 Sn) 중 임의의 3개의 3축 힘 센서, 예를 들면 S1, S2, S3을 선택하고, 이들의 좌표 위치를 각각, S1 = X(1), Y(1), Z(1), S2 = X(2), Y(2), Z(2), S3 = X(3), Y(3), Z(3)로 한다.

그리고, 이들 3축 힘 센서 S1 내지 S3에만 부하가 걸리도록, 3점 지지의 상태로 하여, 도 5(B)에 도시한 바와 같이, 이들 중에서, 적절한 2개의 3축 힘 센서, 예를 들면 S1 및 S2를 직선으로 연결하고, 이 직선에 대한 나머지의 한 개의 3축 힘 센서 S3으로부터의 수선의 발을 C라고 한다.

여기서, 상기 수선 상에서 구동 대상의 무게중심 위치를 S3으로부터 C에 정적(靜的)으로 이동시켜, 그 때의 S1 내지 S3으로부터 출력되는 전압치를 계측한다. 그 때, 이동 중인 계측포인트가 많을수록 정확한 교정을 할 수 있다.

f를 계측한 힘, A, B를 캘리브레이션 파라미터, V를 그 때의 전압치로 하고, M을 구동대상의 전체 질량, g를 중력의 가속도로 하고, k를 계측포인트로 하면, 이하의 관계식

이 성립한다.

그리고, V, M, Y를 이미 알고 있는 것으로 하여, 이들 식을 f의 연립방정식으로 풀고, 그 결과를 이하의 식

에 대입함으로써, 구하는 F/V 직선의 기울기 A 및 절편 B를 동시에 구할 수 있다. 또한, n회의 계측을 함으로써, 교정을 위한 보정 파라미터를 산출할 수 있다.

이와 같이 하여, 상기 3개의 3축 힘 센서 S1 내지 S3에 관한 Z축 방향의 캘리브레이션이 종료된다. 그리고, 다른 상이한 3개의 3축 힘 센서를 선택하여, 마찬가지로 보정 파라미터의 산출을 반복하고, 모든 3축 힘 센서에 대해 보정 파라미터의 산출을 함으로써, 모든 3축 힘 센서의 Z축 방향의 교정을 할 수 있다.

또한, X Y축에 관한 캘리브레이션의 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 도 5(C)에 도시한 바와 같이, 분산 배치된 3축 힘 센서(S1 내지 Sn) 중 임의의 2개의 3축 힘 센서, 예를 들면 S1, S2를 선택하여, 로봇의 상체(11) 또는 반대측의 레그부(13L 또는 13R)를 이용하여, Z축 주위의 모멘트 m을 발생시킨다. 이 때, 모멘트 m과 3축 힘 센서 S1, S2에 걸리는 힘 F1, F2는 F1=F2가 되고, 이하의 식

에 의해 나타내어진다.

따라서, 각각의 3축 힘 센서 S1, S2에 이러한 힘 F1, F2가 계산되고, 각각의 X성분, Y성분은 이하의 식

여기서,

에 의해 나타내어진다.

이것에 대하여, 각각의 3축 힘 센서 S1, S2로부터 출력되는 전압 V와 힘 fx, fy의 관계는, 계측 회수를 k로 하면, 이하의 식

에 의해 나타내어진다.

이들 식을 연립하여, n회의 계측을 하면, 이하의 행렬식

이 얻어져, 보정 파라미터 A, B를 산출할 수 있다.

이와 같이 하여, X축 방향 및 Y축 방향의 보정 파라미터 A, B를 동시에 산출하여, X Y축 방향의 캘리브레이션을 하는 것이 가능하다.

그런데, 상술한 캘리브레이션은 각각의 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)가 각각 도 4에 도시한 바와 같은 이등변삼각형의 정점에 배치되어 있는 경우, 삼각형의 앞쪽 저변의 양단에 위치하는 3축 힘 센서(36a, 36b)는 좌우 대칭의 배치가 되기 때문에, 캘리브레이션에 의한 보정 파라미터가 동일한 값으로 된다. 따라서, 캘리브레이션을 용이하게 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 2각 보행식 로봇(10)은 이상과 같이 구성되어 있고, 보행 동작은 도 6에 나타내는 플로차트에 의해 아래와 같이 행해진다.

도 6에 있어서, 먼저 단계 ST1에서, 걸음걸이 생성부(24)가 입력된 요구 동작(J=J)에 따라 걸음걸이 데이터를 생성하고, 보행 제어 장치(30)의 보상부(32)에 출력한다. 그리고, 단계 ST2에서, 쌍방의 발부(14L, 14R)에 구비된 힘 검출부(23L, 23R)가 각각 힘을 검출하여, 보상부(32)에 출력한다. 또, 단계 ST3에서, 각도 계측 유닛(31)이 각 관절부(16L, 16R ~ 20L, 20R)의 상태벡터(φ)를 계측하여, 보상부(32)에 출력한다. 이에 따라, 단계 ST4에서, 보상부(32)가 힘 검출부(23L, 23R)에서의 검출 출력에 따라 수평바닥반력(F)을 연산한다. 그리고, 단계 ST5에서, 보상부(32)가 이 수평바닥반력(F) 및 각도 계측 유닛(31)으로부터의 각 관절부(16L, 16R ~ 20L, 20R)의 상태벡터(φ)에 따라서 걸음걸이 데이터를 수정하고, 벡터(θi)를 제어부(33)에 출력한다.

다음에, 단계 ST6에서, 제어부(33)는 벡터(θi)로부터 로봇의 각 관절부에서의 각도벡터(θ0)를 감산하여, 벡터(θi-θ0)에 따라, 각 관절 구동용 모터의 제어신호, 즉 토크벡터(τ)를 생성하고, 모터 제어 유닛(34)에 출력한다. 그리고, 단계 ST7에서, 모터 제어 유닛(34)이 토크벡터(τ)에 따라 각 관절부의 관절 구동용 모터를 구동 제어한다. 이에 따라, 2각 보행식 로봇(10)은 요구 동작에 대응하여 보행동작을 하게 된다.

그 후, 단계 ST8에서, 제어부(33)가 동작 카운터 증분에 의해, J=J+1로서, 소정의 샘플링 시간이 될 때까지 대기한 후, 단계 ST9에서, 상기 J가 앞서 결정된 동작 종료 카운트 이하인 경우에는 다시 단계 ST2로 되돌아가 상기 동작을 반복한다. 그리고, 단계 ST9에서, 상기 J가 동작 종료 카운트를 넘은 경우에는 동작을 종료한다.

이 경우, 2각 보행식 로봇(10)에 있어서, 각 관절 구동용 모터의 구동 제어 시에, 걸음걸이 데이터가 보상부(32)에서, 각 발부(14L, 14R)의 발바닥에 설치된 힘 검출부(23L, 23R)의 각각의 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)에서의 검출 신호에 의한 수평바닥반력(F)에 따라 수정되어 벡터(θi)가 생성됨으로써, 이 수평바닥반력(F)을 규범으로 하여, 로봇(10)의 안정성을 얻도록 되어 있다. 이에 따라, 로봇(10)의 각 발부(14L, 14R)가 예를 들면 발바닥이 복잡한 요철을 구비한 불안정한 노면에 착지했다고 해도, 발바닥에 설치된 힘 검출부(23L, 23R)의 각 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)가 확실하게 착지하여 수평바닥반력(F)을 검출할 수 있기 때문에, 요구 동작에 대한 보행동작을 확실하게 하는 것이 가능하게 된다.

도 7 내지 도 8은 각각 상술한 힘 검출부(23L, 23R)의 각 3축 힘 센서의 다른 구성예를 나타내고 있다.

먼저, 도 7에서는 각각의 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)는 정삼각형의 정점에 배치되어 있다. 이러한 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)의 배치에 의하면, 도 4에 의한 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)와 같이 작용하는 동시에, 각각의 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)에 대한 부하 하중이 균등하게 분산되기 때문에, 각각의 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)의 부하가 경감된다.

도 8에서는 각각의 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)는 도 4의 경우와 같이 이등변삼각형의 정점에 배치되어 있는 동시에, 발부(14L, 14R)의 레그부(13L, 13R)에 대한 수직 구동 축(O)을 중심으로 하는 동일 원주 상에 배치되어 있다. 이러한 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)의 배치에 의하면, 도 4에 의한 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)와 같이 작용하는 동시에, 상기 수직 구동 축(O) 주위의 토크 교정을 용이하게 할 수 있다.

도 9 내지 도 11은 각각 상술한 힘 검출부(23L, 23R)의 각 3축 힘 센서의 또 다른 구성예를 나타내고 있고, 이들 구성 예에서는 각 발부(14L, 14R)가 각각 레그부(13L, 13R)에 직접 장착되는 발밑부(14La, 14Ra)와, 각 발밑부(14La, 14Ra)에 대하여 상하 방향으로 요동 가능하게 장착된 발끝으로서의 발부리부(14Lb, 14Rb)로 구성되어 있다. 또, 발부리부(14Lb, 14Rb)는 다른 관절부와 마찬가지로 구동 수단에 의해 발밑부(14La, 14Ra)에 대하여 능동적으로 요동될 수도 있고, 또한 수동적으로 요동되도록 할 수도 있다.

그리고, 도 9에서는 발부리부(14Lb, 14Rb)가 그 선단의 내측으로 치우친 위치에 하나의 3축 힘 센서(36d)를, 또한 후단의 양단 부근의 위치에 각각 3축 힘 센서(36e, 36f)를 각각 구비하고 있는 동시에, 발밑부(14La, 14Ra)는 그 후단의 발뒤꿈치부에 하나의 3축 힘 센서(36g)를 구비하고 있다.

이에 대하여, 보상부(32)는 힘 검출부(23L, 23R)의 각 3축 힘 센서(36d ~ 36g)의 검출 신호에 따라, 예를 들면 보다 큰 힘을 검출하고 있는 3축 힘 센서를 선택하여, 유효한 힘을 검출하고 있는 3개의 3축 힘 센서(36d ~ 36g)에 의한 수평바닥반력에 따라, 걸음걸이 데이터의 수정을 하도록 되어 있다.

이러한 3축 힘 센서(36d, 36e, 36f, 36g)의 배치에 의하면, 발부(14L, 14R)의 발밑부(14La, 14Ra)가 노면에 착지하고 있는 경우에는, 도 9(A)에 도시한 바와 같이, 발부리부(14Lb, 14Rb)의 후단에 구비된 2개의 3축 힘 센서(36e, 36f)와 발밑부(14La, 14Ra)의 후단에 구비된 하나의 3축 힘 센서(36g)의 3개의 3축 힘 센서(36e, 36f, 36g)가 바닥면에 접지하여, 도 9(B)에 사선으로 도시한 바와 같이, 부하 하중을 받아, 바닥면으로부터 수평바닥반력이 더해지게 된다. 따라서, 보상부(32)는 상술한 3개의 3축 힘 센서(36e, 36f, 36g)의 검출 신호에 따라 수평바닥반력을 연산하여, 걸음걸이 데이터의 수정을 한다.

이에 대하여, 보행 자세의 변화에 의해, 발부(14L, 14R)의 발부리부(14Lb, 14Rb)만이 노면에 착지하고 있는 경우에는, 도 10(A)에 도시한 바와 같이, 발부리부(14Lb, 14Rb)의 선단 및 후단에 구비된 3개의 3축 힘 센서(36d, 36e, 36f)가 바닥면에 접지하여, 도 10(B)에 사선으로 도시한 바와 같이, 부하 하중을 받아, 바닥면으로부터 수평바닥반력이 더해지게 된다.

따라서, 보상부(32)는 상술한 3개의 3축 힘 센서(36d, 36e, 36f)의 검출 신호에 따라 수평바닥반력을 연산하여, 걸음걸이 데이터의 수정을 한다. 이와 같이 하여, 보행 자세의 변화에 의해, 발부(14L, 14R)의 바닥면과의 접지상태가 변화되더라도, 3개의 3축 힘 센서(36e, 36f, 36g 또는 36d, 36e, 36f)가 바닥면으로부터 수평바닥반력을 받아 유효한 힘을 검출하기 때문에, 보상부(32)가 정확하게 걸음걸이 데이터의 수정을 할 수 있다.

도 11에서는 각각의 3축 힘 센서(36d ~ 36g)는 도 9의 경우와 비교하여, 발부리부(14Lb, 14Rb) 후단의 양측에 구비된 3축 힘 센서(36e, 36f) 대신에, 발밑부(14La, 14Ra) 선단의 양측에 각각 3축 힘 센서(36h, 36i)가 구비되어 있는 동시에, 발부리부(14Lb, 14Rb) 선단의 3축 힘 센서(36d)가 좌우 방향에 대해 대략 중앙에 배치되어 있다. 이에 따라, 3축 힘 센서(36h, 36i)는 3축 힘 센서(36d 또는 36g)에 대하여 각각 이등변삼각형의 정점에 배치되게 된다.

이러한 3축 힘 센서(36d, 36h, 36i, 36g)의 배치에 의하면, 도 9에 의한 3축 힘 센서(36d ~ 36g)와 같이 작용하는 동시에, 중간의 3축 힘 센서(36h, 36i)의 캘리브레이션을 용이하게 행할 수 있고, 또 중간의 3축 힘 센서(36h, 36i)가 발부리부(14Lb, 14Rb)보다 큰 발밑부(14La, 14Ra)에 장착되는 것에 의해, 보다 견고하게 발부(14L, 14R)에 장착되게 된다.

또, 도 11에서는 중간의 3축 힘 센서(36h, 36i)가 각각 발밑부(14La, 14Ra) 선단의 양측에 구비되어 있지만, 이것에 한정되지 않고, 도 11에 도시한 바와 같이, 발밑부(14La, 14Ra)와 발부리부(14Lb, 14Rb)의 연결 영역에 구비되어 있을 수도 있다.

이와 같이 하여, 본 발명의 실시예의 2각 보행식 로봇(10)에 의하면, 각 발부(14L, 14R)의 발바닥에 설치된 힘 검출부(23L, 23R)의 각 3축 힘 센서(36a ~ 36c 또는 36d ~ 36g 또는 36d, 36h, 36i, 36g)가 복잡한 요철을 구비한 노면에 대하여도 확실하게 착지한다. 따라서, 각각의 3축 힘 센서로부터의 검출 신호로부터 연산되는 수평바닥반력(F)에 따라 걸음걸이 데이터를 수정함으로써, 발바닥의 바닥면과의 마찰력에 의해 생기는 수평바닥반력(F)을 규범으로 하여 보행 제어를 행하고, 복잡한 요철을 구비한 불안정한 노면 상황에 있어서도, 로봇(10)의 보행 안정화를 실현할 수 있다.

상술한 실시예에서는, 예를 들면 도 4, 도 7, 도 8, 도 9 및 도 11에서, 3축 힘 센서는 좌우 대칭으로 배치되어 있지만, 이것에 한정되지 않고, 부등변삼각형의 정점에 배치되어 있어도 되는 것은 명확하다. 또, 상술한 실시예에서는 3축 힘 센서는 각각 발바닥을 구성하는 1매의 판의 하면에 장착되어 있으나, 이것에 한정되지 않고, 3축 힘 센서의 하방에도 판재가 장착되어, 2매의 판 사이에 3축 힘 센서가 삽입되도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 3축 힘 센서는 압축력뿐만 아니라 인장력도 검출할 수 있게 된다.

또, 이러한 센서 구조의 경우, 예를 들면 각각의 3축 힘 센서가 발바닥에서 전후 방향 및 좌우 방향에 대해서 각각 등분 위치에 배치되어 있으면, 힘의 증폭, 캘리브레이션을 용이하게 할 수 있는 동시에, 가장 효율적으로 센서를 활용할 수 있다.

또, 상술한 실시예에서는 예를 들면 도 4, 도 7, 도 8에서, 힘 검출부(23L, 23R)는 각각 3개의 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c)를 구비하고 있고, 또한 도 9 및 도 11에서는 힘 검출부(23L, 23R)는 보행 자세의 변화에 따라, 항상 3개의 3축 힘 센서(36d, 36e(36h), 36f(36i) 또는 36e(36h), 36f(36i), 36g)가 바닥면에 착지하도록 되어 있지만, 이것에 한정되지 않고, 각각 3개 이상의 3축 힘 센서가 설치되어 있을 수도 있다. 예를 들면 도 4에서 점선으로 나타낸 바와 같이, 중간 영역에 2개의 3축 힘 센서(36j, 36k)를 구비하고 있을 수도 있다. 이 경우, 보상부(32)는 각각의 3축 힘 센서(36a, 36b, 36c, 36j, 36k)의 검출 신호를 비교하여, 보다 큰 힘을 검출하고 있는 3개의 3축 힘 센서를 선택하여, 선택한 3개의 3축 힘 센서의 검출 신호로부터 수평바닥반력을 연산하도록 하면 된다.

또한, 상술한 실시예에서는, 보상부(32)는 힘 검출부(23L, 23R)의 각 3축 힘 센서로부터의 검출 신호에 따라, 수평바닥반력을 규범으로 하여 걸음걸이 데이터의 수정을 하도록 되어 있으나, 이것에 한정되지 않고, 종래와 같이 힘 검출부(23L, 23R)의 각 3축 힘 센서로부터의 검출 신호에 따라 ZMP 규범으로 걸음걸이 데이터의 수정을 하도록 해도 되는 것은 명확하다.

또한, 상술한 실시예에서는 본 발명을 2각 보행식 로봇에 적용한 경우에 대하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 다른 각종 기기를 두 발로 지지하는 동시에, 이 두 발로 보행하도록 한 2각 보행식 이동 장치에 대하여 본 발명을 적용할 수 있는 것은 명확하다.

이상 기술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 복잡한 요철이 있는 불안정한 노면 상황에 있어서도, 로봇의 발바닥에서의 바닥반력을 정확하게 검출하여 보행안정성을 실현되도록 한 매우 우수한 2각 보행식 이동 장치 및 그 보행 제어 장치가 제공된다.

Claims

본체와, 상기 본체의 하부 양측에서 2축 방향으로 요동 가능하게 장착된, 중간에 무릎부를 가지는 2개의 레그부와, 각각의 상기 레그부의 하단에 2축 방향으로 요동 가능하게 장착된 발부와, 각각의 상기 레그부, 무릎부 및 발부를 요동시키는 구동 수단과, 요구 동작에 대응하여 목표 각도궤도, 목표 각속도, 목표 각가속도를 포함하는 걸음걸이 데이터를 생성하는 걸음걸이 생성부와, 상기 걸음걸이 데이터에 따라 상기 구동 수단을 구동 제어하는 보행 제어 장치를 구비한 2각 보행식 이동 장치에 있어서,

상기 보행 제어 장치는,

각각의 상기 발부의 발바닥에 가해지는 힘을 검출하는 힘 검출부와,

상기 힘 검출부에서 검출된 힘에 따라, 상기 걸음걸이 생성부로부터의 상기 걸음걸이 데이터를 수정하는 보상부를 포함하고 있고,

상기 힘 검출부는 각각의 상기 발부의 발바닥에 배치된 3개 이상의 3축 힘 센서로 구성되어 있고,

상기 보상부는 상기 힘 검출부의 각각의 3축 힘 센서 중 유효한 힘을 검출하는 3개의 3축 힘 센서의 검출 신호에 따라 상기 걸음걸이 데이터의 수정을 행하는

것을 특징으로 하는 2각 보행식 이동 장치.
제1항에 있어서,

상기 본체는 인간형 로봇의 상체로서, 두부 및 양 손부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 이동 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 각각의 3축 힘 센서는 발바닥으로부터 하방으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 이동 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 3개의 3축 힘 센서는 각각의 상기 발부의 발바닥에서 이등변삼각형의 각 정점 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 이동 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 각각의 3축 힘 센서는 상기 각 발부의 발바닥에서 상기 발부의 수직 구동 축을 중심으로 하는 동일 원주 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 이동 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 각 발부는 상기 레그부의 하단에 직접 장착된 발밑부(足元部)와, 상기 발밑부의 선단에 상하로 요동 가능하게 장착된 발끝으로서의 발부리부로 구성되어 있고,

상기 힘 검출부의 각 3축 힘 센서는 상기 발밑부 및 발부리부에 분산 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 이동 장치.
제6항에 있어서,

상기 3축 힘 센서 중 하나는 상기 발밑부의 발뒤꿈치 부근에 배치되고, 상기 3축 힘 센서 중 다른 하나는 상기 발부리부의 선단 부근에 배치되며, 또 다른 2개의 3축 힘 센서는 상기 발밑부 및 발부리부의 경계 부근의 영역에서 좌우에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 이동 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 보상부는 자동 캘리브레이션(calibration)에 의해 상기 각각의 3축 힘 센서로부터의 검출 신호를 자동적으로 교정하는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 이동 장치.
본체와, 상기 본체의 하부 양측에서 2축 방향으로 요동 가능하게 장착된 중간에 무릎부분을 가지는 2개의 레그부와, 각각의 상기 레그부의 하단에 2축 방향으로 요동 가능하게 장착된 발부와, 각각의 상기 레그부, 무릎부 및 발부를 요동시키는 구동 수단으로 이루어지는 2각 보행식 이동 장치에 관해서, 요구 동작에 대응하여 걸음걸이 생성부에 의해 생성되는 목표 각도궤도, 목표 각속도, 목표 각가속도를 포함하는 걸음걸이 데이터에 따라 상기 구동 수단을 구동 제어하는 2각 보행식이동 장치의 보행 제어 장치에 있어서,

각각의 상기 발부의 발바닥에 가해지는 힘을 검출하는 힘 검출부와,

상기 힘 검출부에서 검출된 힘에 따라, 상기 걸음걸이 생성부로부터의 걸음걸이 데이터를 수정하는 보상부를 포함하고 있고,

상기 힘 검출부는 각각의 상기 발부의 발바닥에 배치된 3개 이상의 3축 힘 센서로 구성되어 있고,

상기 보상부는 상기 힘 검출부의 각각의 3축 힘 센서 중 유효한 힘을 검출하고 있는 3개의 3축 힘 센서의 검출 신호에 따라 상기 걸음걸이 데이터의 수정을 행하는

것을 특징으로 하는 2각 보행식 이동 장치의 보행 제어 장치.
각 3축 힘 센서가 발바닥으로부터 하방으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 제9항 기재의 2각 보행식 이동 장치의 보행 제어 장치.
제9항 또는 제10항에 있어서,

상기 3개의 3축 힘 센서는 각각의 상기 발부의 발바닥에서 이등변삼각형의 각 정점 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 이동 장치보행 제어 장치.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

각각의 상기 3축 힘 센서는 각 발부의 발바닥에서 상기 발부의 수직 구동 축을 중심으로 하는 동일 원주 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 이동 장치의 보행 제어 장치.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

각각의 상기 3축 힘 센서는 각각의 상기 발부의 발바닥에서 전후 방향 및 횡 방향에 대해 등분 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 이동 장치의 보행 제어 장치.
제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 보상부는 자동 캘리브레이션에 의해 상기 각각의 3축 힘 센서로부터의 검출 신호를 자동적으로 교정하는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 이동 장치의 보행 제어 장치.