KR100860818B1 - 보행 안정성 향상을 위한 유압제어방식의 자세제어장치를구비한 보행로봇 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보행로봇의 각 부분에 구비된 탱크로 공급되는 유체의 공급 경로 및 유량 제어를 통해 ZMP의 궤적이 안정 영역을 벗어나지 않도록 함으로써 자세 안정성을 높일 수 있도록 한 보행로봇 및 그 제어방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 한 쌍의 족부재와, 상기 각 족부재의 상측에 마련되는 각부재와, 상기 각 각부재 상측에 마련되는 대퇴부재와, 상기 각 대퇴부재 상측에 마련된 골반부재를 구비한 것에 있어서; 상기 골반부재 상부측에는 상부탱크가 설치되고, 상기 골반부재 하부측에는 대퇴부재를 겸하는 중간탱크가 설치되며, 상기 대퇴부재의 하부측에는 각 각부재를 겸하는 하부탱크가 설치되는 유압제어방식의 자세제어장치가 구비된 보행로봇이 제공된다.

한편, 본 발명은 보행자세 관련 정보가 입력되는 단계와, 보행자세 관련 정보를 분석하는 단계와, ZMP를 산출하는 단계와, 힘-모멘트 평형방정식에 의해 ZMP가 안정영역에 위치하도록 하는데 필요한 부하를 계산하는 단계와, 부하에 따른 입력 유량을 계산하는 단계와, 유체공급경로를 선택하여 유체를 원하는 위치로 이동시키는 단계를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 보행로봇의 보행 안정성 향상을 위한 자세제어방법이 제공된다.

보행로봇, 보행, 안정성, 유압, 제어, 자세

Description

보행 안정성 향상을 위한 유압제어방식의 자세제어장치를 구비한 보행로봇 및 그 제어방법{robot having motion control device for improving walking stability and method for controlling the same}

도 1은 기존 이족 보행 로봇의 간략 구성도로서, 골반을 움직여 보행로봇의 ZMP(Zero Moment Point)를 찾아가는 모습을 보인 도면

도 2는 보행중 양발이 지면에 닿는 부분을 나타낸 보행로봇의 부분 참고 사시도

도 3은 보행로봇이 형성하는 안정 영역을 표시한 참고도

도 4a는 본 발명에 따른 보행로봇의 일실시예를 나타낸 사시도

도 4b는 도 4a의 저면 사시도

도 4c는 도 4a의 측면도

도 5는 본 발명에 따른 보행로봇의 유압제어방식 자세제어장치의 구성도

도 6은 본 발명 보행로봇의 양다리 중심점과 ZMP와의 거리 및, 양다리에 작용하는 힘을 표시한 참고도

도 7은 본 발명 보행로봇의 자세 제어과정을 나타낸 흐름도

도 8은 각 탱크로 공급되는 유량 측정을 위한 압력센서 설치 예를 나타낸 참고도로서, 원(圓) 안의 그림은 압력센서 사시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

11a,11b: 족부재 27a,27b:하부탱크

26a,26b:중간탱크 21a,21b:상부탱크

21:유압탱크유닛 22:제1연결라인

24a,24b:제2연결라인 25a,25b:제3연결라인

40:베이스프레임 50:골반부재

60:유압펌프 28a,28b:제1실린더

29a,29b:제2실린더 31,35a,35b:경로전환밸브

32,36a,36b:속도제어밸브 70:제어용 컨트롤러

본 발명은 보행로봇의 보행 안정성 향상을 위한 것으로서, 더욱 상세하게는 보행로봇의 보행 안정성을 향상시킬 수 있는 무게중심 이동장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

전통적으로, 로봇은 사람이 수행하기 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.

산업용 로봇에 비해 휴먼 로봇은 사람과 비슷한 모양과 자유도를 가지도록 개발되고 있으며, 특히 사람과 같이 두 다리를 가진 이족보행로봇에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

한편, 일반적으로 2족 보행로봇은 인간의 다리와 같이 한 쌍으로 마련되는 골격프레임과, 골격프레임의 각 골격사이에 회동가능하게 마련되는 관절부와, 각 골격과 연결되어 각 골격을 관절부에서 회동시키는 액추에이터를 포함한다.

골격프레임은 인간의 발과 같이 바닥면을 딛는 족(足)부재와, 족부재의 상측에 마련되는 각(脚)부재와, 각부재의 상측에 마련되는 대퇴(大腿)부재와, 대퇴부재의 상측에 마련되어 인간의 힙과 같은 역할을 하는 둔(臀)부재를 포함한다.

그리고, 관절부는 족부재와 각부재 사이에 마련되는 발목관절부와, 각부재와 대퇴부재 사이에 마련되는 무릎관절부와, 대퇴부재와 골반부재 사이에 마련되는 고관절부를 포함한다.

이에, 일반적으로 2족보행로봇은 족부재와 각부재를 연결하는 액추에이터의 구동에 의해 족부재가 각부재에 대해 발목관절부를 중심으로 회동가능하게 되며, 각부재와 대퇴부재를 연결하는 액추에이터의 구동에 의해 각부재가 대퇴부재에 대해 무릎관절부를 중심으로 회동가능하게 되며, 대퇴부재와 골반부재를 연결하는 액추에이터의 구동에 의해 대퇴부재가 골반부재에 대해 고관절부를 중심으로 회동가능하게 된다.

그리고, 상기한 이족 보행로봇의 제어방법 중 하나로서, 학계나 일단의 산업계에서 연구되는 하이-엔드(high- end) 로봇에서 구현하는 방법은 보행의 안정성을 ZMP(Zero Moment Point; 이하, 'ZMP'라고 한다.)를 통해 판별하고 리얼타임으로 ZMP를 제어하는 방법이다.

이 방법은 상기 ZMP를 계산하기 위해서는 지면에 의해 로봇 발바닥에 인가되는 반력을 측정할 수 있는 압력센서나 로드셀 등이 구비되어야 한다.

상기에서, ZMP는 보행중에 로봇에 작용하는 모든 힘은 지지하는 다리에 집중하여 표현할 수 있는데, 이때 바닥면의 발바닥의 반발력을 하나의 합력으로 표현할 때, 모멘트가 0 이 되는 점이 바닥면에 존재하며, 이점을 ZMP라고 한다.

도 1은 기존 이족 보행 로봇의 간략 구성도로서, 골반을 움직여 보행로봇의 ZMP를 찾아가는 모습을 보인 것이고, 도 2는 보행중 양발이 지면에 닿는 부분을 나타낸 보행로봇의 부분 참고 사시도이며, 도 3은 보행로봇이 형성하는 안정 영역을 표시한 참고도로서, 이를 도면을 참조하면, 기존에 많이 사용되는 보행 안정성을 높이기 위한 방법을 설명하면, 발목(1)과 골반(2)쪽의 관절을 회전시켜 상체를 한쪽으로 움직임으로써 보행로봇의 무게를 원하는 쪽으로 집중시키는 것으로, 보행로봇의 발바닥에서의 반력(反力)과 중력의 합성모멘트가 제로로 되는 점인 ZMP를 안정영역에 들도록 무게중심을 제어하여 보행로봇의 안정성을 높이는 것이다.

즉, 도 2 및 도 3을 참조하면, 지면에 맞닿은 2개의 발의 영역과 두 발사이의 영역이 볼록 다각형(convex hull)을 형성하고 있다. 이때 형성되는 빗금으로 처리된 볼록 다각형(convex hull)이 안정영역이다.

안정도는 ZMP와 안정 영역간의 상대적인 위치로부터 결정된다. 즉, ZMP가 안정영역 안에 있을 때 보행로봇은 안정상태에 있는 것으로 판별되고, 안정영역 밖에 있을 때 보행로봇은 불안정상태에 있는 것으로 판별된다.

그러나, 기존의 2족 보행로봇은 ZMP를 찾아 보행하는 과정에서 ZMP가 안정 영역을 벗어나지 않도록 무게중심을 이동시키기 위하여 별도의 무게추(Weight)를 상체에 추가적으로 장착해야 한다.

이에 따라, 기존의 보행로봇은 상체에 무게추가 추가됨으로 인해 보행로봇의 전체 중량이 무거워 지게 된다.

뿐만 아니라, 보행로봇의 무게를 원하는 쪽으로 집중시키기 위해서는 발목(1)과 골반(2)쪽의 좌우회전을 위한 구성 및 이에 따른 관절 제어가 필수적이고, 이와 더불어 상체에 구비되는 무게추를 고려하여 기구부 설계 및 액튜에이터 설계가 이루어져야 하므로, 설계에 제한 요소가 따르는 등 설계상의 복잡성이 늘어나게 되는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보행로봇의 각 부분에 구비된 탱크로 공급되는 유체의 공급 경로 및 유량 제어를 통해 ZMP의 궤적이 안정 영역을 벗어나지 않도록 함으로써 자세 안정성을 높일 수 있도록 한 보행로봇및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은 실시간으로 입력되는 센서의 출력을 제어용 컨트롤러에서 입 력받아 유량을 제어하여 ZMP의 궤적이 안정 영역을 벗어나지 않도록 보행로봇의 무게중심을 원하는 위치로 이동시킴으로써 보행로봇의 자세를 더욱 안정적으로 제어할 수 있도록 하며, 더 나아가 무게추와 같은 추가 질량없이 가벼운 상태에서 안정된 보행을 구현할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 한 쌍의 족부재와, 상기 각 족부재의 상측에 마련되는 각부재와, 상기 각 각부재 상측에 마련되는 대퇴부재와, 상기 각 대퇴부재 상측에 마련된 골반부재를 구비한 것에 있어서;

상기 골반부재 상부측에는 상부탱크가 설치되고, 상기 골반부재 하부측에는 대퇴부재를 겸하는 중간탱크가 설치되며, 상기 대퇴부재의 하부측에는 각 각부재를 겸하는 하부탱크가 설치됨을 특징으로 하는 보행 안정성 향상을 위한 유압제어방식의 자세제어장치가 구비된 보행로봇이 제공된다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 형태에 따르면, 복수개의 발을 갖는 보행로봇의 제어방법에 있어서;

보행자세 관련 정보가 입력되는 단계와, 보행자세 관련 정보를 분석하는 단계와, ZMP를 산출하는 단계와, 힘-모멘트 평형방정식에 의해 ZMP가 안정영역에 위치하도록 하는데 필요한 부하를 계산하는 단계와, 부하에 따른 입력 유량을 계산하는 단계와, 유체공급경로를 선택하여 유체를 원하는 위치로 보내는 단계를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 보행로봇의 보행 안정성 향상을 위한 자세제어방법이 제공된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부도면 도 4 내지 도 8을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 4a는 본 발명에 따른 보행로봇의 일실시예를 나타낸 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 저면 사시도이며, 도 4c는 도 4a의 측면도이다. 그리고, 도 5는 본 발명에 따른 보행로봇의 유압제어방식 자세제어장치의 구성도이다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 보행로봇은, 한 쌍의 족부재(11a,11b)와, 상기 각 족부재(11a,11b)의 상측에 마련되는 각부재와, 상기 각 각부재 상측에 마련되는 대퇴부재와, 상기 각 대퇴부재 상측에 마련된 골반부재(50)를 포함하여 구성되되, 상기 골반부재(50) 상부측에는 상부탱크(21a,21b)가 설치되고, 상기 골반부재(50) 하부측에는 대퇴부재를 겸하는 중간탱크(26a,26b)가 설치되며, 상기 대퇴부재의 하부측에는 각 각부재를 겸하는 하부탱크(27a,27b)가 설치된다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 보행로봇은, 상기 중간탱크(26a,26b)가 대퇴부재를 겸하게 되고, 상기 하부탱크(27a,27b)는 각부재를 겸하게 됨으로써, 별도의 대퇴부재 및 각부재가 설치되지 않아도 된다.

그리고, 상기 골반부재(50)의 상부에는 베이스프레임(40)이 위치하고, 상기 베이스프레임(40) 상면에는 상부탱크(21a,21b)가 구비된 유압탱크유닛(21)이 설치되며, 상기 유압탱크유닛(21) 일측에는 상부탱크(21a,21b)의 유체를 펌핑하여 원하는 탱크로 보내기 위한 유압펌프(60)가 설치된다. 상기 상부탱크(21a,21b)는 유압 탱크유닛(21) 내부의 좌우측에 각각 설치된다.

한편, 본 실시예의 보행로봇에는, 상기 좌우측 상부탱크(21a,21b)를 상호 연결하는 제1연결라인(22)과, 상기 좌우측 상부탱크(21a,21b)와 좌우측 중간탱크(26a,26b)를 각각 상호 연결하는 제2연결라인(24a,24b)과, 상기 좌우측 상부탱크(21a,21b)와 좌우측 하부탱크(27a,27b)를 각각 상호 연결하는 제3연결라인(25a,25b)이 구비된다.

또한, 상기 제1 내지 제3연결라인(22)(24a,24b)(25a,25b)의 관로 일측에는 탱크와 탱크 사이의 유체의 이동 경로를 전환하는 경로전환밸브(31)(35a)(35b)가 각각 설치되고, 상기 제1 내지 제3연결라인(22)(24a,24b)(25a,25b)의 관로 타측에는 속도제어밸브(32)(36a)(36b)가 각각 설치된다.

그리고, 상기 보행로봇의 일측에는 유압펌프(60)의 온/오프 제어 및 상기 제1내지 제3연결라인(22)(24a,24b)(25a,25b)에 각각 설치된 경로전환밸브(31)(35a)(35b) 및 속도제어밸브(32)(36a)(36b)를 제어하는 제어용 컨트롤러(70)가 구비됨은 물론이다.

한편, 본 실시예에 개시된 보행로봇은 유압식 보행로봇으로서, 상기 골반부재(50)와 중간탱크(26a,26b) 사이에는 대퇴부재를 겸하는 중간탱크(26a,26b)를 들어올리거나 내리기 위한 제1실린더(28a,28b)가 설치되고, 상기 골반부재(50)와 하부탱크(27a,27b) 사이에는 각부재를 겸하는 하부탱크(27a,27b)를 들어올리거나 내리기 위한 제2실린더(29a,29b)가 설치된다.

그리고, 상기 제1실린더(28a,28b) 및 제2실린더(29a,29b)는 제어용 컨트롤 러(70)의 제어 작용에 상기 탱크들에 연결되는 연결라인들(22)(24a,24b)(25a,25b)과는 별도의 유압라인을 통해 유압을 공급받아 작동하게 되나, 유압탱크유닛(21)으로부터 유압을 공급받게 됨은 동일하다.

한편, 미설명 부호 80은 보행로봇에 사람이 앉을 수 있도록 설치된 의자이고, 미설명 부호 90은 보행로봇의 보행시 지면으로부터 받는 충격을 흡수하기 위한 쇽업소버이다.

요컨대, 본 실시예에 개시된 유압식 보행로봇은, 원동기로부터의 기계적 에너지를 유압 펌프에 의해 유체의 압력 에너지로 변환시키고 각종 밸브를 이용하여 유체 에너지에 압력, 유량, 방향의 세 가지 기본적인 제어를 행하여, 유압 실린더나 유압 모터 등의 액추에이터를 써서 다시 기계적인 에너지로 바꾸어 보행하게 된다.

이하에서는 상기한 본 발명의 보행로봇의 보행시 자세제어 과정에 대해 도 6 및 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명 보행로봇의 양다리 중심점과 ZMP와의 거리 및, 양다리에 작용하는 힘을 표시한 참고도이고, 도 7은 본 발명 보행로봇의 자세 제어과정을 나타낸 흐름도이다.

본 발명의 보행로봇은, 유압탱크를 상부탱크(21a,21b)와 중간탱크(26a,26b) 그리고 하부탱크(27a,27b)로 분산시키고 각각 탱크에 유량을 제어함으로써 로봇의 무게중심을 ZMP를 만족하는 위치로 이동시켜 로봇의 보행 안정성을 높이게 되는바, 그 구체적 과정은 다음과 같다.

먼저, 보행자세 관련된 정보로서 보행 자세에 대한 위치와 속도가 실시간으로 주어지게 되는데, 보행자세에 대한 위치와 속도는 족부재(11a,11b)와, 무릅관절 부위, 골반 등에 설치된 가변저항센서(도시는 생략함)로부터 얻을 수 있다.

즉, 보행로봇의 각 부위에 설치된 가변저항센서는 보행로봇의 움직임에 의해 각 부위의 각도가 변화됨에 따라 다른 출력 저항값을 나타내게 되며, 이값이 제어용 컨트롤러(70)로 실시간 입력된다.

이렇게 입력된 출력 저항값은 상기 제어용 컨트롤러(70)에 의해 실시간으로 분석되어 보행 자세 관련 정보로 가공되며, 상기 제어용 컨트롤러(70)는 이러한 보행자세 관련 정보 및 기타 입력 정보를 이용하여 보행로봇의 ZMP 궤적을 산출하게 된다.

즉, 2족 보행로봇의 경우, 동적 상태의 안정도를 고려하는 것이 매우 중요한데, 이를 위해 작용력의 모든 모멘트의 합이 제로가 되는 지면상의 점을 나타내는 ZMP라는 개념이 이용된다. 로봇이 발을 내딛을 지점들은 일반적으로 주기함수로 기술되며, 지지상태들은 ZMP를 옮기는데 이용된다. 한발 지지 상태에서 이동 다리가 걸음을 만드는 동안에 ZMP가 지지다리의 발바닥 내에 머물러 있어야 한다. 양발지지 상태에서는 ZMP가 그전의 지지다리 발바닥 내부에서 다음의 지지다리(즉, 그전의 이동 다리) 내부로 빠르게 옮겨져야 한다. 연속적이고 안정된 로봇 걸음새를 만들기 위해서는 위의 과정들이 반복되어야 하는 것이다.

한편, 상기에서 ZMP가 산출된 다음에는 현시점에 있어서 양다리의 중심점과 ZMP와의 거리를 고려한 힘-모멘트 평형방정식에 근거하여 ZMP가 안정영역에 위치하 도록 무게중심을 이동시키는데 필요한 부하를 계산하게 된다.

이 부하를 계산하는 과정을 도 6을 참조하여 설명하면, 보행로봇 양다리의 중심점과 ZMP과의 거리가 주어지고, 왼쪽다리와 오른쪽 다리에 자중에 의해 작용하는 힘 F1과 힘 F2가 각각 존재하는 상태에서, 왼쪽다리를 들어올린다고 가정하면 오른쪽 다리에 걸리는 모멘트(M)는 다음 식을 통해 계산할 수 있다.

M=a×F1-b×F2

그리고, 만약 이렇게 계산된 모멘트 값이 M≤0 을 만족한다면 보행로봇은 정적 안정을 갖게 된다.

이러한 모멘트 M을 갖기 위해서는 a×F1≤b×F2를 만족해야 하며, 이 식으로부터 F2≥(a×F1)/b를 얻을 수 있으며, 이 식에 의해 오른쪽 다리에 걸려야 할 힘 F2를 알 수 있다.

실질적으로, 보행로봇은 지면과의 반발력을 이용하여 이동하기 때문에 동적 반반력을 감안한다면 위 식에서 구한 F2는 다음과 같이 생각할 수 있다.

a×F1-b×F2-F _N ×a = M, 여기서, M≤0 을 만족한다면,

이 식은 다시 F2≥a(F1×F _N )/b가 된다.

상기 식을 통해서 F2를 구한 다음에는, F2=m×g ( m: 질량, g=중력가속도)를 이용하여 우측다리에 가해져야 하는 질량(즉, 부하) m을 계산해 낼 수 있다.

한편, 상기한 바와 같이 계산된 부하에 따라 제어용 컨트롤러(70)에서는 현재 각 탱크별 잔류 유량에 근거한 총공급유량을 계산해 내게 되며, 총공급유량이 계산된 다음에는 무게중심 이동을 위해 각 탱크로 입력되어야하는 유량을 계산해 내게 되고, 이어 유체공급경로를 선택하여 유체를 원하는 위치로 이동시키게 된다.

이때, 각 탱크와 탱크 사이를 연결하는 연결라인에 설치된 경로전환밸브(31,35a,35b)는 유압 펌프(60)로 유입되는 유체의 경로와 상기 유압 펌프로부터 토출되는 유체의 방향을 선택적으로 변환함으로써 유체 흐름의 방향성을 제어하고, 속도제어밸브(32,36a,36b)는 제1 내지 제3연결라인(22)(24a,24b)(25a,25b)의 관로 단면적 제어를 통해 상기 연결라인을 따라 흐르게 되는 유체의 유속을 제어한다.

그리고, 상기 속도제어밸브(32,36a,36b) 설치 위치에 유속을 측정하는 센서(도시는 생략함)가 설치됨으로써, 상기 연결라인을 따라 흐르는 유량은 Q = D×V (Q: 유량, D:관의 단면적, V: 유속)라는 식으로부터 유속을 통해 간접적으로 산출될 수 있다.

그리고, 상기 연결라인을 통해 이동하는 유량의 속도를 검출함으로써 이동 유체의 유량을 수치화할 수 있고 이에 따른 보상제어를 수행하게 된다. 위와 같은 방법으로 한 스텝을 완료하고 나면, 다음 보행자세를 취하게 된다.

한편, 도 8은 각 탱크로 공급되는 유량 측정을 위한 압력센서 설치 예를 나타낸 참고도이며, 도 8의 원(圓) 안의 그림은 압력센서 사시도로서, 상기한 보행로봇의 자세제어 과정에서 각 탱크로 공급되는 유량을 유속을 통해 산출하는 대신, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 중간탱크(26a,26b)와 하부탱크(27a,27b)의 하부측에는 탱크의 무게를 직접적으로 측정할 수 있는 압력센서가 각각 설치될 경우, 상기 압력센서를 이용하여 해당 탱크로 공급되는 유량을 산출해 낼 수도 있다.

즉, 각 탱크를 지지하는 부위에 중공축형의 압력센서 혹은 일반형 압력센서를 설치하고, 무게 변화를 이용하여 각 탱크로 공급된 유량(혹은, 탱크에서 빠져나간 유량)을 구할 수도 있다.

이상에서와 같이, 본 발명은 보행로봇의 걸음새를 안정화시키기 위하여 유체의 흐름 방향과 속도를 제어함으로써 로봇의 무게중심을 하체의 원하는 부위로 이동시켜 ZMP가 항상 목표하는 안정영역에 들도록 하는 것이 가능하게 되며, 이를 통해 좌우로 회전가능한 발목과 골반 관절을 이용하여 상체의 무게중심을 이동시키는 기존 방법에 비하여 설계상의 복잡성을 줄이면서도 현저히 안정적인 보행이 가능하게 된다.

한편, 본 발명은 위의 실시예로 한정되지 아니하며, 본 발명의 기술사상의 범주를 벗어나지 않는 한, 여러 가지 다양한 형태로 변경 및 변형이 가능하다.

즉, 상기한 실시예에서는 유압구동방식 보행로봇에 있어서 유압제어방식의 자세제어장치 및 방법이 적용되는 경우에 대해 설명하였으나, 상기한 유압제어방식의 자세제어장치는 유압구동방식 보행로봇뿐만 아니라 전기구동방식 보행로봇을 포함한 다른 구동방식의 보행로봇에도 적용 가능함은 물론이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 보행로봇의 걸음새를 안정화시키기 위한 것으로서, 유체의 흐름 방향과 속도를 제어하여 로봇의 무게중심을 이동시켜 ZMP점이 목표로 하는 안정 영역을 벗어나지 않도록 하게 된다.

이를 통해, 기존의 좌우회전이 가능한 발목과 골반 관절을 이용하여 상체의 무게중심을 이동시키는 방법에 비하여, 본 발명은 설계상의 복잡성을 현저히 감소시킬 수 있으며, 많은 자유도를 갖는 기존의 방법에 비교하여 상대적으로 적은 자유도를 갖는 구조를 취함으로써 로봇의 보행 안정성을 좀 더 손쉽게 계산할 수 있는 장점이 있다.

그리고, 본 발명에 따르면, 상체가 아닌 하체를 통해 무게중심을 잡아나감으로써 기존 로봇의 상체에 적용되던 무게추와 같은 추가 질량이 설치되지 않아도 되므로 보행로봇의 무게를 가볍게 하면서도 안정된 보행을 구현할 수 있게 된다.

Claims (7)

1. 한 쌍의 족부재와, 상기 각 족부재의 상측에 마련된 각부재와, 상기 각 각부재 상측에 마련된 대퇴부재와, 상기 각 대퇴부재 상측에 마련된 골반부재를 구비한 보행로봇에 있어서;

   상기 골반부재 상부측에는 한 쌍의 상부탱크가 설치되고, 상기 골반부재 하부측에는 각 대퇴부재를 겸하는 중간탱크가 설치되며, 상기 대퇴부재의 하부측에는 각 각부재를 겸하는 하부탱크가 설치됨을 특징으로 하는 보행 안정성 향상을 위한 유압식 자세제어장치를 구비한 보행로봇.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 상부탱크를 상호 연결하는 제1연결라인과,

   상기 상부탱크와 상기 중간탱크를 각각 상호 연결하는 제2연결라인과,

   상기 상부탱크와 상기 하부탱크를 각각 상호 연결하는 제3연결라인과,

   상기 제1 내지 제3연결라인의 관로 상의 일측에 각각 설치되는 경로전환밸브와,

   상기 제1 내지 제3연결라인의 관로 상의 타측에 각각 설치되는 속도제어밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 보행 안정성 향상을 위한 유압식 자세제어장치를 구비한 보행로봇.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 보행로봇의 일측에는 상기 제1내지 제3연결라인에 각각 설치된 경로전환밸브 및 속도제어밸브를 제어하는 제어용 컨트롤러가 구비됨을 특징으로 하는 보행 안정성 향상을 위한 유압식 자세제어장치를 구비한 보행로봇.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 중간탱크와 하부탱크의 탱크 하부측에는 각 탱크의 무게를 직접적으로 측정할 수 있는 압력센서가 설치됨을 특징으로 하는 보행 안정성 향상을 위한 유압식 자세제어장치를 구비한 보행로봇.
5. 보행자세 관련 정보가 입력되는 단계와,

   보행자세 관련 정보를 분석하는 단계와,

   보행로봇의 ZMP(Zero Moment Point)를 산출하는 단계와,

   힘-모멘트 평형방정식에 의해 ZMP가 안정영역에 위치하도록 무게중심을 이동시키는데 필요한 부하를 계산하는 단계와,

   부하에 따른 입력 유량을 계산하는 단계와,

   유체공급경로를 선택하여 유체를 다리의 원하는 위치로 보내는 단계를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 보행로봇의 보행 안정성 향상을 위한 자세제어방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 보행자세 관련 정보는 보행로봇의 위치와 속도임을 특징으로 하는 보행로봇의 보행 안정성 향상을 위한 자세제어방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   부하에 따른 입력 유량 계산 단계는,

   현재 각 탱크별 잔류 유량에 근거한 총공급유량을 계산하는 과정과,

   무게중심 이동을 위해 각 탱크로 입력되어야하는 유량을 계산하는 과정을 포함하여서 됨을 특징으로 하는 보행로봇의 보행 안정성 향상을 위한 자세제어방법.

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