KR101698109B1 - Attitude control apparatus of wearable exoskeleton robot and method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외골격 로봇의 불안정한 자세 상태를 방지할 수 있는 착용형 외골격 로봇의 자세 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 용형 외골격 로봇의 자세 제어 장치는, 상기 착용형 외골격 로봇의 무게중심의 위치, 지면접촉점의 위치, 로봇의 자세를 실시간 센싱하는 센서부와; 상기 센서부에 의해 센싱된 위치를 기반으로 상기 착용형 외골격 로봇의 자세 안정 영역의 위치, 자세 불안정 영역의 위치, 상기 자세 안정 영역과 자세 불안정 영역의 사이에 설정된 경계 영역의 위치를 결정하고, 상기 결정된 영역의 위치와 무게중심의 위치에 따라 각각 미리설정된 댐핑계수을 발생하는 제어부와; 상기 미리설정된 댐핑계수를 근거로 댐핑력을 발생하는 구동부를 포함할 수 있다.The present invention relates to an apparatus and method for attitude control of a wearable exoskeletal robot capable of preventing an unstable posture of an exoskeletal robot and a method for controlling the attitude of a wear exoskeletal robot, A sensor unit for sensing the position of the center of gravity of the robot, the position of the ground contact point, and the posture of the robot in real time; A position of a posture stable region of the wearable exoskeleton robot, a position of a posture instability region, a position of a boundary region set between the posture stability region and the posture instability region based on a position sensed by the sensor unit, A controller for generating a predetermined damping coefficient according to the position of the determined region and the position of the center of gravity; And a driving unit for generating a damping force based on the predetermined damping coefficient.

Description

착용형 외골격 로봇의 자세 제어 장치 및 그 방법{ATTITUDE CONTROL APPARATUS OF WEARABLE EXOSKELETON ROBOT AND METHOD THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an attitude control apparatus for a wearable type exoskeleton robot,

본 발명은 사용자에 장착되는 외골격 로봇에 관한 것이다.The present invention relates to an exoskeleton robot mounted on a user.

일반적으로, 착용형 외골격 로봇은 사람이 입는 로봇 시스템으로 착용자의 힘 또는 동작을 보조해 주기 위한 장치이다. 하지 근력 보조 또는 증강을 위한 외골격 로봇은 주로 노약자/장애인의 재활치료 또는 일상생활의 근력보조를 위해, 그리고 산업현장에서 근로자의 근력보조를 통한 작업효율 향상을 위해 개발되어왔다. 이러한 민수용 외골격 로봇은 잘 구성된 실내환경에서 주로 사용되는 반면 병사를 위한 군사용 외골격은 험지와 같은 평탄치 않은 실외환경에서 무거운 군장을 짊어지고 빠른 기동속도를 확보해야하는 특징이 있다.Generally, a wearable exoskeleton robot is a robot system to be worn by a person to assist the wearer's force or motion. Exoskeleton robots for supporting or strengthening lower limb muscles have been developed mainly for rehabilitation of elderly persons / disabled persons, for supporting muscular strength in daily life, and for improving work efficiency by supporting worker's strength in industrial fields. These civilian exoskeleton robots are mainly used in a well - constructed indoor environment, while military exoskeletons for soldiers are characterized by having a heavy army to carry and a fast maneuvering speed in uneven outdoor environment such as a rug.

착용자에 가해지는 부하를 보조해주는 착용형 외골격 로봇의 특성상 착용자가 군장의 무게를 많은 부분 느끼지 못하고 있으므로 착용자가 예상치 못한 상황에서 전후 방향으로 안정성을 잃을 경우에 대한 대비가 필요하다. 그러나 외골격로봇 제어가 착용자의 운동의지를 파악하고 추종해서 운동을 생성해주는 것이 주목적이므로 이 두 가지 상충되는 개념에 대한 해결책이 필요하다.The wearing-type exoskeleton robot that supports the load applied to the wearer does not feel the weight of the army much because of the characteristics of the wearer, so it is necessary to prepare for the case where the wearer loses stability in the forward and backward direction in an unexpected situation. However, a solution to these two conflicting concepts is necessary because the control of the exoskeleton robot is the main purpose of grasping the movement intention of the wearer and generating movement by following it.

지금까지의 연구에서는 전후방향으로의 외골격로봇의 발에 장착된 센서를 이용하여 로봇의 지면에 대한 압력중심(COP: Center of Pressure)의 위치를 추정하여 허리관절에 전후방향의 힘을 가해주는 방법, 로봇의 무게중심의 지면에 대한 투영점의 위치를 추정하여 가상의 스프링/댐핑력을 생성시키는 방법 등이 연구되었다. 그러나 이러한 방법들은 일반적인 일상생활 동작만을 수행하는 외골격로봇에는 적합할지 모르나, 전장에서의 보다 다양한 동작을 필요로 하는 군사용 외골격로봇에는 제한사항이 많이 발생하여서 적용하기 힘든 문제점이 있으며, 또한 안정영역과 불안정영역의 경계에 가까운 자세에서는 외골격로봇의 기본 개념인 착용자 의도 추정/운동 추종 제어와 충돌이 되어 실제 적용이 어려운 문제가 있다.In previous studies, we used a sensor attached to the foot of the exoskeleton robot in the anteroposterior direction to estimate the position of the center of pressure (COP) of the robot on the ground, And a method of generating a virtual spring / damping force by estimating the position of the projection point with respect to the ground surface of the robot's center of gravity. However, although these methods may be suitable for an exoskeleton robot that performs only ordinary daily life operations, there are problems in that the military exoskeleton robot requiring various operations on the electric field has many limitations, In the attitude close to the boundary of the region, there is a problem that it is difficult to be practically applied because it is in conflict with the wearer's intention estimation / motion tracking control, which is the basic concept of the exoskeleton robot.

한국특허출원번호 제10-2010-0118656호Korean Patent Application No. 10-2010-0118656

본 발명은 외골격 로봇의 불안정한 자세 상태를 방지할 수 있는 착용형 외골격 로봇의 자세 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an attitude control apparatus and method for a wearable exoskeletal robot capable of preventing an unstable posture state of an exoskeletal robot.

상기와 같은 본 발명의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 용형 외골격 로봇의 자세 제어 장치는, According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for posture control of a monolithic exoskeletal robot,

상기 착용형 외골격 로봇의 질량중심의 위치를 실시간 센싱하는 센서부와; A sensor unit for sensing a position of the center of mass of the wearable exoskeletal robot in real time;

상기 센서부에 의해 센싱된 위치를 기반으로 상기 착용형 외골격 로봇의 자세 안정 영역의 위치, 자세 불안정 영역의 위치, 상기 자세 안정 영역과 자세 불안정 영역의 사이에 설정된 경계 영역의 위치를 결정하고, 상기 결정된 위치에 따라 각각 미리설정된 댐핑계수을 발생하는 제어부와; A position of a posture stable region of the wearable exoskeleton robot, a position of a posture instability region, a position of a boundary region set between the posture stability region and the posture instability region based on a position sensed by the sensor unit, A controller for generating a predetermined damping coefficient according to the determined position;

상기 미리설정된 댐핑계수를 근거로 댐핑력을 발생하는 구동부를 포함할 수 있다.And a driving unit for generating a damping force based on the predetermined damping coefficient.

본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 자세 제어 장치 및 그 방법은, 험지 보행 시 착용자가 예상하지 못하는 상태에서 발생할 수 있는 불안정한 자세 상태를 방지하기 위하여, 자세 안정/불안정 영역을 구분하고 이를 바탕으로 외부에 가상의 힘(위치에 따라 가변하는 감쇠력)이 작용하도록 할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 자세 제어 장치 및 그 방법은, 가상의 스프링/댐핑력을 생성해주는 기존의 방법과 달리 착용자가 운동속도를 조절하여 자세 불안정영역으로 무게중심이 이동되는 동작이 가능한 장점이 있다.The apparatus and method for attitude control of a wearable exoskeletal robot according to an embodiment of the present invention classify a posture stability / instability region to prevent an unstable posture state that may occur in an unexpected state of the wearer during a hump walking, A virtual force (damping force varying depending on the position) can act on the outside. That is, unlike the conventional method of generating a virtual spring / damping force, the apparatus and method for attitude control of a wearable exoskeletal robot according to an embodiment of the present invention, There is an advantage that the movement can be performed.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 자세 제어 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 착용자가 무게중심을 인지하지 못하는 상태에서 자세안정성을 잃는 상황과 이에 대응하는 관절 토크를 나타낸 개념도이다.
도 3은 종래의 자세 안정 영역을 판단하여 자세 위치에 따른 스프링력과 속도에 의한 댐핑력을 적용한 개념을 나타낸 예시도이다.
도 4는 자세 안정영역, 자세 불안정 영역, 자세 경계영역의 위치에 따라 가변 댐핑개수를 가지는 댐핑력을 발생하는 방법을 나타낸 개념도이다.FIG. 1 is a configuration diagram showing an attitude control apparatus of a wearable exoskeletal robot according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram showing a situation in which a wearer loses posture stability in a state in which the wearer can not recognize the center of gravity and a joint torque corresponding thereto.
FIG. 3 is an exemplary view illustrating a concept of applying a damping force based on a spring force and a velocity according to a posture position by determining a conventional posture stability region.
4 is a conceptual diagram illustrating a method of generating a damping force having a variable damping number according to positions of a posture stability region, posture instability region, and posture boundary region.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the technical idea of the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly explain the present invention, parts not related to the description are omitted, and like parts are denoted by similar reference numerals throughout the specification.

이하에서는, 착용자의 운동의지와 최대한 충돌되지 않는 상태에서 외골격로봇이 험지에서 빈번히 발생 예상되는 불안정 상태로 빠지지 않도록 하는 착용형 외골격 로봇의 자세 유지 장치 및 그 방법을 설명한다.Hereinafter, an apparatus and method for maintaining an attitude of a wearing-type exoskeletal robot that prevents an exoskeletal robot from falling into an unstable state, which is expected to occur frequently in a horny state, in a state in which the exoskeleton robot does not collide with the motion of the wearer as much as possible.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 자세 제어 장치를 나타낸 구성도이다.FIG. 1 is a configuration diagram showing an attitude control apparatus of a wearable exoskeletal robot according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예 에 따른 착용형 외골격 로봇의 자세 제어 장치는, As shown in Fig. 1, the posture control apparatus of the wearable exoskeletal robot according to the embodiment of the present invention includes:

착용형 외골격 로봇의 질량중심의 위치를 실시간 센싱하는 센서부(10)와; A sensor unit 10 for sensing the position of the center of mass of the wearing-type exoskeleton robot in real time;

상기 센서부(10)에 의해 센싱된 위치를 기반으로 상기 착용형 외골격 로봇의 자세 안정 영역의 위치, 자세 불안정 영역의 위치, 경계 영역의 위치를 결정하고, 상기 결정된 위치(자세 안정 영역의 위치, 자세 불안정 영역의 위치, 경계 영역의 위치)에 따라 각각 미리설정된 댐핑계수(힘 명령)을 생성하는 제어부(20)와;The position of the posture stable region, the position of the posture unstable region, and the boundary region of the wearable exoskeletal robot based on the position sensed by the sensor unit 10, and determines the position (the position of the posture stability region, A position of a posture unstable region, and a position of a boundary region), a controller 20 for generating a predetermined damping coefficient (force command)

상기 미리설정된 댐핑계수를 근거로 댐핑력을 발생하는 구동부(댐퍼의 감쇠력(댐핑력)을 모사하는 구동장치(모터 또는 유압엑추에이터))(30)를 포함한다. 상기 미리설정된 댐핑계수(힘 명령)는 상기 결정된 위치(자세 안정 영역의 위치, 자세 불안정 영역의 위치, 경계 영역의 위치)에 따라 가변된다. 상기 경계영역은 상기 안정영역과 불안정 영역사이에 설정된다.And a drive unit (motor or hydraulic actuator) 30 for simulating the damping force (damping force) of the damper to generate a damping force based on the predetermined damping coefficient. The predetermined damping coefficient (force command) varies depending on the determined position (the position of the posture stability region, the position of the posture unstable region, and the position of the boundary region). The boundary region is set between the stable region and the unstable region.

상기 구동부(30)는 무게중심의 위치(자세 안정 영역의 위치, 자세 불안정 영역의 위치, 경계 영역의 위치)에 따라 가변되는 댐핑계수를 가지는 가상 댐핑력을 발생한다. 상기 구동부(30)는 기준속도 이상에서만 상기 가상 댐핑력을 발생한다.The driving unit 30 generates a virtual damping force having a damping coefficient that varies depending on the position of the center of gravity (the position of the posture stability region, the position of the posture unstable region, and the position of the boundary region). The driving unit 30 generates the virtual damping force only at a reference speed or more.

상기 센서부(10)는 착용형 외골격 로봇에 장착되고, 착용자(외골격 로봇)의 자세(기울기)와 지면접촉점(예를 들어 발의 지면 접촉여부)을 센싱한다.The sensor unit 10 is mounted on a wearable exoskeleton robot and senses a posture (inclination) of a wearer (exoskeletal robot) and a ground contact point (for example, whether the foot touches the ground).

상기 제어부(20)는 상기 착용자(외골격 로봇)의 자세와 지면접촉점을 근거로 지지기저면(base of support)과, 외골격 로봇을 착용한 착용자의 무게 중심의 지면사영점과의 관계를 비교하여 착용자(외골격 로봇)의 자세가 안정영역, 경계영역 및 불안정영역 중 어느 영역에 포함되는지 결정하고, 그 포함된 영역과 영역내에서의 위치에 따라 서로 다른 댐핑계수를 발생한다.The control unit 20 compares the relationship between the base of support and the landing point of the center of gravity of the wearer wearing the exoskeleton robot based on the attitude of the wearer (exoskeleton robot) and the ground contact point, The exoskeleton robot) is included in the stable region, the boundary region, and the unstable region, and generates different damping coefficients depending on the included region and the position in the region.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 자세 제어 장치의 동작을 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한다.Hereinafter, the operation of the attitude control apparatus of the wearable exoskeletal robot according to the embodiment of the present invention will be described with reference to Figs. 1 to 4. Fig.

도 2는 착용자가 무게중심을 인지하지 못하는 상태에서 자세안정성을 잃는 상황과 이에 대응하는 관절 토크를 나타낸 개념도로서, 외골격로봇에서의 안정성 유지 제어의 필요성에 대해서 나타낸 도이다. FIG. 2 is a conceptual diagram showing a situation in which a wearer loses posture stability in a state where the wearer can not recognize the center of gravity, and a joint torque corresponding thereto, and shows the necessity of stability control in the exoskeleton robot.

도 2에 도시한 바와 같이, 외골격로봇의 부가하중 지지제어가 수행되고 있는 상태에서는 착용자가 추정하는 무게중심의 위치는 전체 부가하중에 의한 실제 무게중심보다 좀 더 착용자 상체에 가까운 곳으로 판단하게 된다. 이러한 상태에서 보행시 지면 경사도 변화 또는 다양한 운동을 수행하는 과정에서 실제 무게 중심이 지면 지지점을 벗어나는 경우가 발생하게 되며 이 시점에서 착용자와 외골격로봇이 의도치 않게 안정성을 잃고 전복될 위험이 발생하게 된다.As shown in FIG. 2, in the state where the additional load supporting control of the exoskeletal robot is performed, the position of the center of gravity estimated by the wearer is judged to be closer to the wearer's body than the actual center of gravity due to the total additional load . In this state, the actual center of gravity deviates from the ground supporting point in the process of changing the ground inclination or performing various motions while walking, and at this point, the wearer and the exoskeleton robot unintentionally lose stability and risk of overturning .

도 3은 종래의 자세 안정 영역을 판단하여 자세 위치에 따른 스프링력과 속도에 의한 댐핑력을 적용한 개념을 나타낸 예시도이다.FIG. 3 is an exemplary view illustrating a concept of applying a damping force based on a spring force and a velocity according to a posture position by determining a conventional posture stability region.

도 3에 도시한 바와 같이, 불안정 영역으로의 무게중심 이동을 방지하기 위하여 가상의 스프링/댐핑력을 발생하였으나 이로 인해 착용자가 의도한 불안정영역으로의 무게중심을 이동시키는 동작(병사가 전방으로 엎드리는 동작 등)이 원천적으로 차단이 되어 운동가능 영역이 과다하게 제한 될 수 있는 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 내용은 다음과 같다. As shown in FIG. 3, in order to prevent movement of the center of gravity to the unstable region, a virtual spring / damping force is generated, which causes the movement of the center of gravity to the unstable region intended by the wearer Operation, etc.) are originally interrupted, and thus there is a problem that an exercise range can be excessively limited. The present invention for solving such problems is as follows.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자세 안정영역, 자세 불안정 영역, 자세 경계영역의 위치에 따라 가변 댐핑개수를 가지는 댐핑력을 발생하는 방법을 나타낸 개념도이다.4 is a conceptual diagram illustrating a method of generating a damping force having a variable damping number according to positions of a posture stability region, a posture instability region, and a posture boundary region according to an embodiment of the present invention.

먼저, 일반적인 사람이 자신의 무게중심을 경험적으로 알고 있는 상태에서 무게중심을 잃을 위험이 있는 동작을 수행할 때에는 운동속도를 줄이는 경향이 있다. 이러한 경향을 이용하여, 상기 제어부(20)는 기준속도(기준 속도는 다양한 사람의 실험을 통하여 도출할 수도 있고 또는 임의의 속도에 대하여 착용자의 약속을 통하여 숙달되도록 할 수도 있다) 이상의 속도를 가진 불안정영역으로의 운동은 착용자가 의도하지 않은 불안정한 운동으로 판단한다. 이러한 개념을 바탕으로 본 발명에서는 기준속도(상체의 이동 속도) 이상에서만 가상의 댐핑력을 발생시킨다.First, when a person is empirically aware of his or her center of gravity, he or she tends to reduce the speed of motion when performing an operation that is at risk of losing its center of gravity. Using this tendency, the control unit 20 can determine the reference speed (the reference speed may be derived through experimentation of various persons or may be mastered through the promise of the wearer with respect to an arbitrary speed) The movement to the area is judged to be unstable movement that the wearer does not intend. Based on this concept, in the present invention, a virtual damping force is generated only at a reference speed (moving speed of the upper body) or more.

또한, 상기 제어부(20)는 착용자가 의도한 불안정한 자세(예를 들어 착용자가 앞으로 손을 내밀면서 전방으로 엎드리는 자세)를 원천적으로 차단하는 위치의 함수인 스프링력을 대신하여 댐핑계수를 자세 위치에 따라 가변시켜(불안정영역에 가까워질수록 댐핑계수 증대) 불안정영역에 가까울수록 상체의 운동 속도에 의한 가상 댐핑력의 증가율이 커지도록 함으로써, 최대한 착용자의 의도를 추종하는 제어와 충돌하지 않으면서 불안정영역으로 갈수록 댐핑력(저항력)을 크게 느끼도록 한다.In addition, the control unit 20 may replace the spring force, which is a function of a position at which the wearer intends to unstable posture (for example, a posture in which the wearer leans forward, By increasing the rate of increase of the virtual damping force by the motion speed of the upper body as the position is closer to the unstable region, it is possible to control the unstable region without colliding with the control that follows the wearer's intention as much as possible, So that the damping force (resistance) is increased.

상기 제어부(20)는, 상기 자세 위치가 불안정영역에 가까워질수록 상기 댐핑력의 증가율이 증가하도록 상기 댐핑계수를 증가시키고, 상기 자세 위치가 경계영역에 가까워질수록 상기 댐핑력의 증가율이 감소하도록 상기 댐핑계수를 감소시킨다.The control unit 20 increases the damping coefficient so that the damping force increases as the posture position approaches the unstable region, and decreases as the posture position approaches the boundary region, so that the increase rate of the damping force decreases Thereby reducing the damping coefficient.

상기 제어부(20)는 상기 자세 위치가 안정영역에 위치하면 상기 댐핑계수를 증가 또는 감소시키지 않을 수 있다.The controller 20 may not increase or decrease the damping coefficient if the posture position is located in the stable region.

상기 안정영역과 불안정 영역사이에 설정되는 경계영역에서의 가상 댐핑력에 대한 운동방정식은 수학식 1과 같다. The equation of motion for the virtual damping force in the boundary region set between the stable region and the unstable region is expressed by Equation (1).

Figure 112015039738617-pat00001
Figure 112015039738617-pat00001

여기서

Figure 112015039738617-pat00002
는 임의의 기준점(예를 들면, 후방 다리 지지점에서 임의의 거리 뒤쪽을 기준으로 하는 전방으로의 위치)에서 무게중심까지의 거리이고,
Figure 112015039738617-pat00003
는 각각 무게중심점에 대한 속도 및 가속도 값을 나타내며,
Figure 112015039738617-pat00004
은 외골격로봇과 착용자의 관성값,
Figure 112015039738617-pat00005
는 코리올리 및 원심력,
Figure 112015039738617-pat00006
는 중력을 나타낸다.here
Figure 112015039738617-pat00002
Is a distance from an arbitrary reference point (for example, a forward position with respect to the back of any distance at the rear leg support point) to the center of gravity,
Figure 112015039738617-pat00003
Respectively represent speed and acceleration values with respect to the center-of-gravity point,
Figure 112015039738617-pat00004
The value of the inertia of the exoskeleton robot and the wearer,
Figure 112015039738617-pat00005
Coriolis and centrifugal force,
Figure 112015039738617-pat00006
Represents gravity.

기준속도 이상에서 착용자의 상체 위치에 따라 가변하는 댐핑계수(

Figure 112015039738617-pat00007
)는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.The damping coefficient varying according to the wearer's upper body position at a reference speed or higher
Figure 112015039738617-pat00007
) Can be expressed by Equation (2).

Figure 112015039738617-pat00008
Figure 112015039738617-pat00008

B는 댐핑 계수, x는 임의의 기준점에서 실제 무게중심까지의 전진방향 거리, x1는 임의의 기준점에서 안정영역과 경계영역의 경계면까지의 거리, d는 경계영역의 전후방향 폭,

Figure 112015039738617-pat00009
는 댐핑력이 발생되는 기준속도를 나타낸다.B is the damping coefficient, x is the distance in the forward direction from the reference point to the actual center of gravity, x 1 is the distance from the reference point to the interface between the stable region and the boundary region, d is the front-
Figure 112015039738617-pat00009
Represents the reference speed at which the damping force is generated.

위 수학식 2는 무게중심의 위치에 선형적으로 비례하는 댐핑계수의 일예를 나타낸 것이며, 거리에 대한 익스포넨셜 함수 등을 적용하여 민감도를 높일 수도 있다. 또한, B와 d는 전후 방향에서 같은 값일 수도 있고, 인체운동특성 등을 고려하여 실험적으로 전후 방향으로 다른 값을 도출하여 적용할 수도 있다.Equation (2) shows an example of the damping coefficient linearly proportional to the position of the center of gravity, and sensitivity can be increased by applying an exponential function to the distance. Also, B and d may be the same value in forward and backward directions, or may be derived by experimentally taking other values in the forward and backward directions in consideration of human motion characteristics.

이러한 가상의 댐핑력은 수학식 3을 이용하여 각 관절의 토크로 분배되며 착용자의 동작을 추종하기 위한 관절토크와 더하여 경계영역에서의 최종 제어입력으로 구동부로 전달되게 된다.This virtual damping force is distributed to the torque of each joint using Equation (3) and transmitted to the driving unit as the final control input in the boundary region in addition to the joint torque for following the wearer's operation.

Figure 112015039738617-pat00010
Figure 112015039738617-pat00010

여기서,

Figure 112015039738617-pat00011
는 무게중심점에 작용되어야 하는 가상 댐핑력, J는 무게중심점의 가상 댐핑력과 각 구동관절의 피치방향 토크사이의 관계를 나타내는 자코비안 행렬,
Figure 112015039738617-pat00012
는 각 구동관절의 피치방향 토크 벡터(예를 들어 로봇의 발목, 무릎, 골반, 허리관절을 구동한다면
Figure 112015039738617-pat00013
를 나타낸다.here,
Figure 112015039738617-pat00011
J is a Jacobian matrix representing the relationship between the virtual damping force of the center of gravity and the pitch direction torque of each driving joint,
Figure 112015039738617-pat00012
(For example, an ankle, a knee, a pelvis, and a hip joint of a robot) of each driving joint
Figure 112015039738617-pat00013
.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

Claims (6)

착용형 외골격 로봇의 자세를 제어하는 장치에 있어서,
상기 착용형 외골격 로봇의 무게중심의 위치, 지면접촉점의 위치, 로봇의 자세를 실시간 센싱하는 센서부와;
상기 센서부에 의해 센싱된 지면접촉점의 위치와 자세를 기반으로 상기 착용형 외골격 로봇의 자세 안정 영역의 위치, 자세 불안정 영역의 위치, 상기 자세 안정 영역과 자세 불안정 영역의 사이에 설정된 경계 영역의 위치를 결정하고, 상기 결정된 각 영역의 위치와 상기 무게중심의 위치에 따라 각각 미리 설정된 댐핑계수을 발생하는 제어부와;
상기 미리 설정된 댐핑계수를 근거로 댐핑력을 발생하는 구동부를 포함하며,
상기 제어부는,
상기 결정된 각 영역의 위치와 상기 무게중심의 위치가 상기 불안정 영역에 가까워질수록 상기 댐핑력의 증가율이 증가하도록 상기 댐핑계수를 증가시키며,
상기 결정된 각 영역의 위치와 상기 무게중심의 위치가 상기 안정영역에 가까워질수록 상기 댐핑력의 증가율이 감소하도록 상기 댐핑계수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 착용형 외골격 로봇의 자세 제어 장치.An apparatus for controlling the attitude of a wearable exoskeletal robot,
A sensor unit for sensing the position of the center of gravity of the wearable exoskeletal robot, the position of the ground contact point, and the posture of the robot in real time;
A position of a posture stability region of the wearing-type exoskeleton robot, a position of a posture instability region, a position of a boundary region set between the posture stability region and the posture instability region based on the position and posture of the ground contact point sensed by the sensor unit And generating a predetermined damping coefficient according to the position of each of the determined regions and the position of the center of gravity;
And a driving unit for generating a damping force based on the predetermined damping coefficient,
Wherein,
Increasing the damping coefficient so that the rate of increase of the damping force increases as the position of each of the determined regions and the position of the center of gravity approaches the unstable region,
Wherein the damping coefficient is decreased such that the rate of increase of the damping force decreases as the position of each determined region and the position of the center of gravity become closer to the stable region. 제1항에 있어서, 상기 댐핑계수는 상기 결정된 무게중심의 위치에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 착용형 외골격 로봇의 자세 제어 장치.The apparatus according to claim 1, wherein the damping coefficient is varied according to a position of the determined center of gravity. 제1항에 있어서, 상기 구동부는,
기준속도 이상에서만 상기 댐핑력을 발생하는 것을 특징으로 하는 착용형 외골격 로봇의 자세 제어 장치.The driving apparatus according to claim 1,
And the damping force is generated only at a reference speed or more. 삭제delete 삭제delete 착용형 외골격 로봇의 자세를 제어하는 방법에 있어서,
상기 착용형 외골격 로봇의 무게중심의 위치, 지면접촉점의 위치, 로봇의 자세를 실시간 센싱하는 단계와;
상기 센싱된 지면접촉점의 위치와 자세를 기반으로 상기 착용형 외골격 로봇의 자세가 자세 안정 영역, 자세 불안정 영역, 상기 자세 안정 영역과 자세 불안정 영역의 사이에 설정된 경계 영역 중 어느 영역에 위치하는지를 결정하고, 상기 결정된 영역의 위치와 상기 무게중심의 위치에 따라 미리 설정된 댐핑계수을 발생하는 단계와;
상기 미리 설정된 댐핑계수를 근거로 댐핑력을 발생하는 단계와;
상기 결정된 각 영역의 위치와 상기 무게중심의 위치가 상기 불안정 영역에 가까워질수록 상기 댐핑력의 증가율이 증가하도록 상기 댐핑계수를 증가시키는 단계와;
상기 결정된 각 영역의 위치와 상기 무게중심의 위치가 상기 안정영역에 가까워질수록 상기 댐핑력의 증가율이 감소하도록 상기 댐핑계수를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 외골격 로봇의 자세 제어 방법.A method of controlling a posture of a wearable exoskeletal robot,
Sensing the position of the center of gravity of the wearable exoskeleton robot, the position of the ground contact point, and the posture of the robot in real time;
Based on the position and posture of the sensed ground contact point, determines which of the posture stability region, posture instability region, boundary region set between the posture stability region and posture instability region is located Generating a predetermined damping coefficient according to a position of the determined region and a position of the center of gravity;
Generating a damping force based on the predetermined damping coefficient;
Increasing the damping coefficient so that the rate of increase of the damping force increases as the position of each determined region and the position of the center of gravity become closer to the unstable region;
And decreasing the damping coefficient so that an increase rate of the damping force decreases as a position of each determined region and a position of the center of gravity become closer to the stable region, .
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