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KR-102961471-B1 - Apparatus and method for offsetting the repulsive force of a four-legged robot for water pouring work at a fire site

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Abstract

상쇄 장치가 제공된다. 상기 상쇄 장치는 로봇에 작용하는 힘 또는 모멘트를 포함하는 외력을 측정하는 측정부; 상기 외력에 상관없이 상기 로봇이 정상 자세를 유지할 수 있도록, 상기 외력에 순응하는 방향으로 상기 로봇을 움직이는 적용부;를 포함할 수 있다.

Inventors

  • 이준영
  • 김무림
  • 유병기
  • 신주성
  • 고대권

Assignees

  • 한국로봇융합연구원

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20240229

Claims (6)

  1. 로봇에 작용하는 힘 또는 모멘트를 포함하는 외력을 측정하는 측정부; 상기 외력에 상관없이 상기 로봇이 정상 자세를 유지할 수 있도록, 상기 외력에 순응하는 방향으로 상기 로봇을 움직이는 적용부;를 포함하고, 상기 로봇에는 물을 발사하는 방수총이 탑재되며, 상기 방수총을 이용하여 제1 방향으로 물을 발사할 때, 상기 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 발생하는 반발력이 상기 외력에 해당되고, 상기 외력에 순응하는 방향은 상기 로봇에 가해지는 외력과 동일한 제2 방향을 의미하며, 상기 외력은 상기 로봇의 무게 중심으로부터 이격된 측정 위치에서 측정되고, 상기 외력에 의해 상기 로봇의 무게 중심에 인가되는 힘을 중심력으로 정의할 때, 상기 측정 위치에서 측정된 상기 외력을 상기 중심력으로 변환하는 변환부가 마련되며, 상기 적용부는 상기 중심력이 제1 값으로 상쇄될 때까지 상기 중심력에 순응하는 방향으로 움직이도록 상기 로봇을 임피던스 제어하고, 상기 적용부는 상기 중심력을 상쇄하는 상기 로봇의 감쇠 및 스프링 상수에 따라 결정되는 상기 로봇의 거동을 설정하고, 상기 적용부는 상기 로봇의 거동을 나타내는 상기 로봇의 힘을 산출하는 상쇄 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방수총이 방향 조절 가능하게 설비되는 탑재 모듈이 마련되고, 상기 탑재 모듈은 상기 로봇의 몸체 윗면에 결합되는 상쇄 장치,
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 적용부는 다음의 수학식에 따라 상기 로봇을 임피던스 제어하는 상쇄 장치. 여기서, X는 무게 중심의 위치이고, X d 는 원하는 무게 중심의 위치이며, M x 는 관성 행렬이고, V x 는 코리올리 및 원심력이며, G x 는 중력이고, 는 의 추정치이며, F e 는 외력으로 다음의 수학식과 같이 표현되고, M은 로봇의 질량(Mass)이며, D는 감쇠(Damper)이고, K는 스프링(Stiffness) 상수이다.
  5. 제1항에 있어서, 상기 로봇의 이동계 정보를 입수하는 계산부가 마련되고, 상기 계산부는 상기 적용부에 의해 결정된 상기 임피던스 제어에 상응하는 상기 로봇의 구동력을 상기 이동계 정보에 매칭되게 계산하며, 상기 적용부는 상기 이동계 정보에 매칭되게 계산된 상기 구동력을 이용하여 상기 로봇을 제어하는 상쇄 장치.
  6. 상쇄 장치에 의해 수행되는 상쇄 방법에 있어서, 로봇에 작용하는 힘 또는 모멘트를 포함하는 외력을 측정하는 측정 단계; 측정 위치에서 측정된 외력에 의해 상기 로봇의 무게 중심에 인가되는 힘을 중심력으로 정의할 때, 상기 측정 위치에서 측정된 상기 외력을 상기 중심력으로 변환하는 변환 단계; 상기 중심력이 제1 값으로 상쇄될 때까지 상기 중심력에 순응하는 방향으로 움직이도록 상기 로봇을 임피던스 제어하는 적용 단계;를 포함하고, 상기 로봇에 물을 발사하는 방수총이 탑재되며, 상기 방수총을 이용하여 제1 방향으로 물을 발사할 때, 상기 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 발생하는 반발력이 상기 외력에 해당되고, 상기 로봇에 상기 방수총에 의한 외력이 가해지면 상기 적용 단계는 상기 로봇에 가해지는 외력과 동일한 제2 방향을 따라 상기 로봇을 움직이는 동시에 상기 제2 방향을 따라 움직이는 로봇을 대상으로 임피던스 제어하는 상쇄 방법.

Description

화재 현장 주수 작업을 위한 4족 로봇의 반발력 상쇄 장치 및 방법{Apparatus and method for offsetting the repulsive force of a four-legged robot for water pouring work at a fire site} 본 발명은 주수 작업용 로봇을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 최근 소방 시장의 확장과 함께 화재 진압에 사용되는 장비 등에 대한 요구 및 개발이 증가하고 있다. 이와 관련하여 물을 살포하는 방수총의 수압 및 반동을 저감하기 위한 방법이 개발되고 있다. 이들 기술은 방수총의 수압을 조절하거나 반동을 줄이기 위한 방안을 제시하고 있으며, 방수총을 사용하는 소방관들의 작업에 도움을 주고 있다. 방수총의 자동 사용을 위해 각종 로봇이 이용될 수 있다. 예를 들어, 4족 소형 로봇의 경우, 각종 장애물이 존재하는 화재 현장에서 자유롭게 이동 가능하다. 4족 소형 로봇의 경우, 위치 제어 기반의 알고리즘으로 구동될 수 있다. 이때, 로봇은 반발력과 같은 외란에 대하여, 현재 위치를 유지하기 위해 현재의 포즈를 단단히 유지하려고 한다. 이는 반발력에 의해 로봇이 넘어지거나 파손되는 결과를 가져올 수 있다. 한국등록특허공보 제2586793호에는 전면부에 조종수가 탑승 가능하고 내부의 후면부에 소방대원 및 요구조자가 탑승가능한 복수의 탑승공간을 포함하는 차체, 차체에 설치되는 방수포를 갖는 화재현장 진입용 장갑 로봇이 개시되고 있다. 도 1은 본 발명의 상쇄 장치를 나타낸 블록도이다. 도 2는 방수총을 주수하는 4족 로봇을 나타낸 개략도이다. 도 3은 로봇에 작용하는 외력을 나타낸 개략도이다. 도 4는 외력의 측정 위치와 로봇의 무게 중심 간의 관계를 나타낸 개략도이다. 도 5는 변환부의 동작을 나타낸 개략도이다. 도 6은 적용부 및 계산부의 동작을 나타낸 개략도이다. 도 7은 본 발명의 상쇄 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른, 컴퓨팅 장치를 나타내는 도면이다. 아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 본 명세서에서, 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. 또한 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로써, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용되는 것이 아니다. 또한 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 명세서에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 또한 본 명세서에서, '및/또는' 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 본 명세서에서, 'A 또는 B'는, 'A', 'B', 또는 'A와 B 모두'를 포함할 수 있다. 또한 본 명세서에서, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다. 도 1은 본 발명의 상쇄 장치(100)를 나타낸 블록도이다. 도 2는 방수총(35)을 주수하는 4족 로봇을 나타낸 개략도이다. 도 3은 로봇에 작용하는 외력을 나타낸 개략도이다. 도 4는 외력의 측정 위치와 로봇의 무게 중심 간의 관계를 나타낸 개략도이다. 도 5는 변환부(130)의 동작을 나타낸 개략도이다. 도 6은 적용부(150) 및 계산부(170)의 동작을 나타낸 개략도이다. 도 1에 도시된 상쇄 장치(100)는 측정부(110), 변환부(130), 적용부(150), 계산부(170)를 포함할 수 있다. 상쇄 장치(100)는 로봇에 탑재되거나, 로봇을 원격으로 제어하는 별도의 제어 수단, 서버에 탑재될 수 있다. 측정부(110)는 로봇(10)에 작용하는 힘 또는 모멘트를 포함하는 외력을 측정할 수 있다. 적용부(150)는 외력에 상관없이 로봇(10)이 정상 자세를 유지할 수 있도록, 외력에 순응하는 방향으로 로봇(10)을 움직일 수 있다. 외력에 순응하는 방향이란 로봇(10)에 가해지는 외력과 동일한 방향을 의미할 수 있다. 예를 들어, 외력이 로봇의 뒤를 향해 가해지면, 적용부(150)는 로봇이 뒤로 이동하도록 로봇을 제어할 수 있다. 로봇이 4족 로봇 등과 같은 다 관절의 다리(19)를 이동 수단으로 갖는 로봇인 경우, 적용부(150)는 로봇이 뒷걸음질치도록 로봇을 제어할 수 있다. 로봇이 무한 궤도를 이동 수단으로 갖는 로봇인 경우, 적용부(150)는 무한 궤도가 후진하도록 로봇을 제어할 수 있다. 로봇에 인가되는 외력, 예를 들어 방수총(35)을 제1 방향으로 발사(액션, Action)하면 물 p가 제1 방향으로 발사되고, 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 반발력이 발생(리액션, Reaction)될 수 있다. 이때, 제2 방향으로 발생된 반발력이 로봇에 작용하는 외력에 해당될 수 있다. 이때, 적용부(150)는 로봇이 제2 방향을 따라 움직이도록 로봇을 제어할 수 있다. 외력은 로봇의 무게 중심으로부터 이격된 위치(측정 위치)에서 측정부(110)에 의해 측정될 수 있다. 예를 들어, 외력은 로봇을 형성하는 몸체(11)의 외면에 인가될 수 있다. 몸체(11)가 마련될 때, 대체로, 로봇의 무게 중심은 몸체(11)의 내부에 형성될 수 있다. 따라서, 몸체(11) 외면에 외력이 가해지는 위치는 로봇의 무게 중심의 위치와 다를 수 있다. 로봇에 인가되는 외력을 정확하게 측정하기 위해, 측정부(110)는 로봇에서 외력이 인가되는 지점에 설치되는 것이 좋다. 예를 들어, 외력이 무게 중심 X로부터 이격된 측정 위치를 통해 인가될 때, 측정부(110)는 해당 측정 위치에 배치되는 센서를 포함할 수 있다. 해당 센서는 측정 위치에 인가되는 힘 또는 모멘트(외력의 방향 포함)를 측정할 수 있다. 일 예로, 도 3에 도시된 소방용 4족 로봇의 경우, 몸체(11)의 윗면에 방수총(35)이 탑재되고 있다. 구체적으로, 방수총(35)이 설비되는 탑재 모듈(30)이 마련될 수 있다. 탑재 모듈(30)에는 방수총(35)의 방향을 전환하는 전환 수단(31)이 마련될 수 있다. 전환 수단(31)을 통해, 방수총(35)은 중력 방향을 따라 연장되는 제1 가상축을 중심으로 회전 가능하게 형성될 수 있다. 이를 통해, 방수총(35)은 로봇에 대하여 다양한 방향으로 물을 살포, 주수, 발사할 수 있다. 또는, 전환 수단(31)을 통해, 방수총(35)은 중력 방향에 수직한 방향을 따라 연장되는 제2 가상축을 중심으로 회전 가능하게 형성될 수 있다. 이를 통해 방수총(35)은 소위, 고개를 들었다 내렸다 하는 동작을 수행할 수 있다. 탑재 모듈(30)은 별도의 제1 결합 수단(50)을 통해 로봇의 몸체(11) 윗면에 결합될 수 있다. 몸체(11) 윗면에는 제1 결합 수단(50)에 결합되는 제2 결합 수단(13)이 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1 결합 수단(50)의 윗면에는 탑재 모듈(30)에 체결되는 수단(예를 들어 나사 돌기)이 형성될 수 있다. 제1 결합 수단(50)의 밑면에는 제2 결합 수단(13)에 체결되는 수단(예를 들어, 나사 돌기)이 형성될 수 있다. 이때, 측정부(110)는 탑재 모듈(30)과 로봇의 몸체(11) 사이에 배치될 수 있다. 일 예로, 측정부(110)는 제1 결합 수단(50)과 제2 결합 수단(13)의 사이에 설치되거나, 탑재 모듈(30)과 제1 결합 수단(50)의 사이에 설치될 수 있다. 탑재 모듈(30)과 로봇의 몸체(11) 사이에 설치된 측정부(110)는 캘리브레이션 과정을 거쳐 주수 작업이 아닌 상황에서 힘과 토크가 0이 출력되도록 캘리브레이션될 수 있다. 외력에 의해 로봇의 무게 중심 X에 인가되는 힘을 중심력으로 정의하기로 한다. 이때, 변환부(130)는 측정 위치에서 측정된 외력을 중심력으로 변환할 수 있다. 적용부(150)는 중심력이 제1 값으로 상쇄될 때까지 중심력에 순응하는 방향으로 움직이도록 로봇을 임피던스 제어할 수 있다. 임피던스 제어는 외력을 상쇄하는 댐퍼의 특성 또는 스프링의 특성을 갖도록 로봇을 제어하는 것을 의미할 수 있다. 적용부(150)에 의해 임피던스 제어가 적용된 로봇은 외력에 순응하는 방향으로 어느 정도 후퇴하기는 하지만, 후퇴의 정도의 어느 레벨에 도달하면 그 자리에서 멈추거나 그 자세로 멈춘 상태에서 외력을 버틸 수 있다. 다시 말해, 적용부(150)는 중심력을 상쇄하는 로봇의 감쇠(댐퍼) 및 스프링 상수에 따라 결정되는 로봇의 거동을 설정할 수 있다. 적용부(150)는 로봇의 거동을 나타내는 로봇의 힘을 산출할 수 있다. 실질적으로, 로봇에 의해 산출된 로봇의 힘은 로봇의 무게 중심과 관련된 값일 수 있다. 따라서, 해당 값은 실질적으로 로봇을 움직이는 복수 개의 다리(19) 관절/조인트 j를 움직이는 토크, 휠, 무한 궤도를 움직이는 토크 등으로 계산될 필요가 있다. 해당 계산은 계산부(170)에 의해 수행될 수 있다. 측정부(110)는 4족 로봇이 주수를 시작하면, 측정 위치에서 힘과 모멘트를 포함하는 외력