KR101878038B1 - 부목형 보행 보조 로봇 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

제어 알고리즘을 단순화할 수 있으며 착용자가 느끼는 부담을 제거하여 더욱 편안하고 자연스런 보행 보조가 가능하도록 발목 관절을 제거한 부목형 보행 보조 로봇 시스템 및 그 제어 방법이 개시된다. 상기 부목형 보행 보조 로봇 시스템은, 착용자의 등을 지지하는 바디부; 상기 바디부의 양측으로 연장되어 연결된 좌우 고관절 구동부; 상기 좌우 고관절 구동부 각각에 일단이 연결된 좌우 허벅지 링크; 상기 좌우 허벅지 링크 각각의 타단에 연결된 좌우 무릎 구동부; 상기 좌우 무릎 구동부 각각에 일단이 연결된 좌우 종아리 링크; 및 상기 좌우 종아리 링크 각각의 타단에 고정된 지면 지지부를 포함한다.

Description

부목형 보행 보조 로봇 시스템 및 그 제어 방법{ANKLE-LESS WALKING ASSISTANT ROBOT SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 부목형 보행 보조 로봇 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제어 알고리즘을 단순화할 수 있으며 착용자가 느끼는 부담을 제거하여 더욱 편안하고 자연스런 보행 보조가 가능하도록 발목 관절을 제거한 부목형 보행 보조 로봇 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
외골격(exoskeleton) 로봇 기술은, 장애우 및 고령자의 이동성을 확보하기 위한 기술이다. 그러나, 외골격 로봇 기술은 기계적 디자인이나 작동 알고리즘에 있어서 여전히 다양한 공학적 이슈를 갖는다. 예를 들어, 외골격 로봇을 의복과 같이 착용할 수 있도록 하기 위해서는, 로봇을 구성하는 기구적인 부품들에 대한 허용 가능한 공간이나 무게가 매우 제한된다. 또한, 로봇의 전체적인 제어 샘플링 속도는 인간의 움직임을 방해하지 않고 주변 환경으로부터 작용하는 외력에 대해 적절하게 반응할 수 있을 정도로 신속하여야 한다.
현재까지는 많은 로봇 개발자들에 의해 착용식 로봇의 성능에 대해 성공적인 결과들이 도출되고 있지만, 여전히 착용식 로봇의 제어 알고리즘에 대해서는 많은 개선이 이루어져야 하는 실정이다.
특히, 종래에는, 발목 관절과 그에 연결된 발을 갖는 착용식 로봇이 주로 개발되어 왔다. 그러나, 발목과 발은 물리적으로 지면과의 상호작용을 센싱하고 처리하는 외골격 로봇의 매우 중요한 역할을 하는 것이지만, 그 디자인을 적절하게 하는데 매우 큰 어려움이 있다. 즉, 인간의 발목은 매우 복잡하므로, 착용식 로봇의 발목은 착용자가 움직임을 방해 받지 않을 정도의 발목 자유도를 구현하기 어렵다. 또한, 발목은 빈번한 지면 충격을 견딜 수 있도록 무게가 증가하게 된다. 또한, 힘/토크 센서를 이용하여 지면 반력(Ground Reaction Force: GRF)을 측정하기 위해서는 발 모듈이 견고하게 지지되어야 하므로 지면과 비탄성 충돌을 발생시키며, 이에 따라 로봇 착용자가 보행이 어색해지는 문제가 발생한다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
이에 본 발명은, 제어 알고리즘을 단순화할 수 있으며 착용자가 느끼는 부담을 제거하여 더욱 편안하고 자연스런 보행 보조가 가능하도록 발복 관절을 제거한 부목형 보행 보조 로봇 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
착용자의 등을 지지하는 바디부;
상기 바디부의 양측으로 연장되어 연결된 좌우 고관절 구동부;
상기 좌우 고관절 구동부 각각에 일단이 연결된 좌우 허벅지 링크;
상기 좌우 허벅지 링크 각각의 타단에 연결된 좌우 무릎 구동부;
상기 좌우 무릎 구동부 각각에 일단이 연결된 좌우 종아리 링크; 및
상기 좌우 종아리 링크 각각의 타단에 고정된 지면 지지부;
를 포함하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 착용자의 양 발바닥 각각에 가해지는 압력을 센싱하는 압력 센서부 및 상기 압력 센서부에서 센싱된 압력에 따라 제어하고자 하는 다리와 나머지 다리의 보행상태를 결정하고, 결정된 보행상태에 기반하여 사전 설정된 복수의 제어 모드 중 하나를 선택하여 상기 제어하고자 하는 다리의 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 제어하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 압력 센서부는, 상기 양 발바닥 각각의 앞꿈치부와 뒤꿈치부에 가해지는 압력을 각각 검출하는 복수의 압력 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 압력 센서부는, 상기 앞꿈치부에 가해지는 압력을 센싱하는 제1 압력 센서 및 상기 뒤꿈치부에 가해지는 압력을 각각 센싱하는 제2 압력 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 앞꿈치부 및 상기 뒤꿈치부에 가해지는 압력이, 사전 설정된 임계값보다 큰 경우 해당 부분이 지면에 접촉한 상태로 판단하고 사전 설정된 임계값보다 작은 경우 해당 부분이 지면과 비접촉 상태인 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 앞꿈치부가 지면 접촉 상태이고, 상기 뒤꿈치부가 지면 접촉 상태인 경우, 해당 다리가 발바닥 전체로 지면을 지지하는 상태인 것으로 상기 보행상태를 판단하고, 상기 앞꿈치부가 지면 접촉 상태이고, 상기 뒤꿈치부가 지면 비접촉 상태인 경우, 해당 다리가 발앞꿈치로 지면을 지지하는 상태인 것으로 상기 보행상태를 판단하고, 상기 앞꿈치부가 지면 비접촉 상태이고, 상기 뒤꿈치부가 지면 접촉 상태인 경우, 해당 다리가 발뒤꿈치로 지면을 지지하는 상태인 것으로 상기 보행상태를 판단하고, 상기 앞꿈치부가 지면 비접촉 상태이고, 상기 뒤꿈치부가 지면 비접촉 상태인 경우, 해당 다리가 공중에 떠 있는 상태인 것으로 상기 보행상태를 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제어하고자 하는 다리의 보행 상태 및 상기 나머지 다리의 보행 상태에 기반하여, 상기 제어하고자 하는 다리의 제어모드를, 하중지지(weight bearing) 모드, 기계 임피던스 보상(compensation of mechanical impedance) 모드, 지면 충격 흡수(ground impact absorbing) 모드, 지면 충격 흡수 및 가상 다리 확장(ground impact absorbing & extension of virtual leg) 모드, 및 지면 푸시(pushing ground) 모드(M5) 및 스윙 준비(ready for swing phase) 모드 중 하나로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 하중지지 모드는, 중력 방향으로 상기 착용자를 사전 설정된 힘으로 밀어줄 수 있도록 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 모드일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 기계 임피던스 보상(compensation of mechanical impedance) 모드는 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부의 마찰과 상기 보행보조 로봇의 중력에 의한 무게를 보상하도록 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 모드일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 지면 충격 흡수 모드는, 상기 보행보조 로봇의 다리가 외부에서 들어오는 충격을 흡수하도록 상기 컨트롤러가 임피던스(impedance) 제어를 상기 보행보조 로봇의 고관절과 로봇 다리의 말단을 연결한 선의 길이 방향에 대해서 가상 스프링-댐퍼를 만들어 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 모드일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 지면 충격 흡수 및 가상 다리 확장(ground impact absorbing & extension of virtual leg) 모드는, 상기 보행보조 로봇의 다리가 외부에서 들어오는 충격을 흡수하도록 상기 컨트롤러가 임피던스(impedance) 제어를 상기 보행보조 로봇의 고관절과 로봇 다리의 말단을 연결한 선의 길이 방향에 대해서 가상 스프링-댐퍼를 만들어 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하면서, 상기 가상 다리에 대해 임피던스 제어가 되는 방향의 평형점을 0도로 세팅하여 가상 다리가 수직이 되도록 다리를 끌어당기도록 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 모드일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 지면 푸시(pushing ground) 모드는, 상기 제어하고자 하는 다리의 상기 지면 지지부를 직교 좌표계에서 (-x, -y) 방향(여기서, 상기 보행보조 로봇의 전방이 상기 직교좌표계의 +x 방향이고 지면에서 수직으로 멀어지는 방향이 상기 직교좌표계의 +y 방향임)으로 밀어줄 수 있도록 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 모드일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스윙 준비(ready for swing phase) 모드는 상기 제어하고자 하는 다리의 스윙을 용이하게 하기 위하여 상기 컨트롤러가 상기 지면 지지부를 직교좌표계에서 (+x, +y) 방향(여기서, 상기 보행보조 로봇의 전방이 상기 직교좌표계의 +x 방향이고 지면에서 수직으로 멀어지는 방향이 상기 직교좌표계의 +y 방향임)으로 밀어주도록 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 모드일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제어모드가 변경되는 경우, 상기 컨트롤러에서, 사전 설정된 시간 간격 동안 사인파(sinusoidal) 궤적을 따라 0에서 1로 변동하는 천이 파라미터를, 이전 제어모드에서 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부 각각에 적용된 제어토크 및 변경된 신규 제어모드에서 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부 각각에 적용할 제어토크에 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 지면 지지부에는, 지면과 접촉하는 부분에 보행 방향을 따라 상기 지면과 반대 방향으로 휘어진 굴곡면이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 지면 지지부는, 지면과 접촉하는 부분에 배치되는 러버 솔을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
착용자의 등을 지지하는 바디부와, 상기 바디부의 양측으로 연장되어 연결된 좌우 고관절 구동부와, 상기 좌우 고관절 구동부 각각에 일단이 연결된 좌우 허벅지 링크와, 상기 좌우 허벅지 링크 각각의 타단에 연결된 좌우 무릎 구동부와, 상기 좌우 무릎 구동부 각각에 일단이 연결된 좌우 종아리 링크와, 상기 좌우 종아리 링크 각각의 타단에 고정된 지면 지지부와 상기 착용자의 양 발바닥에 설치된 압력 센서부를 포함하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어 방법에 있어서,
상기 압력 센서부에서, 착용자의 발바닥에 가해지는 압력을 센싱하는 단계;
컨트롤러에서, 상기 압력 센서부에서 센싱된 압력에 따라 제어하고자 하는 다리와 나머지 다리의 보행상태를 판단하는 단계; 및
상기 컨트롤러에서, 결정된 보행상태에 기반하여 사전 설정된 복수의 제어 모드 중 하나를 선택하여 상기 제어하고자 하는 다리의 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 단계;
를 포함하는 부목형 보행 보조 로봇시스템의 제어방법을 제공한다.
상술한 바와 같은 과제 해결 수단을 갖는 부목형 보행 보조 로봇 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 발목 관절을 구동하기 위한 구동부를 갖지 않고, 종아리 링크의 종단에 지면을 지지하기 위한 지면 지지부를 고정하여 부착시킴으로써, 외골격 로봇 발목 구동부를 제어할 필요가 없으므로 제어 알고리즘을 단순화 할 수 있으며, 발목 구동부와 발목 구동부에 연결되는 발에 대응되는 요소들을 로봇에서 제거할 수 있으므로 그 무게나 자유도의 제한에 따라 발생하는 착용자의 보행 부담을 제거하여 더욱 자연스런 보행이 가능하게 할 수 있다.
또한, 부목형 보행 보조 로봇 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 발의 앞꿈치와 뒤꿈치에 인가되는 하중에 따라 제어하고자 하는 다리와 나머지 다리의 보행상태 간결하게 판단할 수 있으며, 판단된 보행상태와 사전 설정된 보행 모드를 매칭시켜 다리를 제어하므로 복잡한 연산과정을 생략하면서도 우수한 보행 보조 성능을 확보할 수 있다.
또한, 부목형 보행 보조 로봇 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 축수와는 상관 없이 단순한 자코비안 변환을 통해 보행 보조력을 결정할 수 있으므로 그 적용범위가 매우 넓은 장점이 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 외골격 로봇을 도시한 사시도, 후면도 및 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어흐름을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템에 적용되는 압력 센서부의 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어방법을 도시한 흐름도이다.
도 7는 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 압력 센서부에서 입력되는 센싱 신호의 예를 도시한 도면이다.
도 8는 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템에서 다리의 보행 상태에 따라 제어 모드를 결정하는 예를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 로봇의 동작 상태를 간략하게 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템 및 그 제어방법에서 적용되는 제어 기법을 정리한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템 및 그 제어 방법에 대하여 살펴본다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 외골격 로봇을 도시한 사시도, 후면도 및 측면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇은, 착용자의 등을 지지하는 바디부(100)와, 바디부(100)에서 연장되어 연결된 다리부(200R, 200L)을 포함하여 구성될 수 있다.
각각의 다리부(200R, 200L)는, 바디부(100)의 양측으로 연장되어 연결된 고관절 구동부(210L, 210R)와, 고관절 구동부(210L, 210R)에 일단이 연결된 허벅지 링크(240L, 240R)와, 허벅지 링크(240L, 240R)의 타단에 연결된 무릎 구동부(220L, 220R)와, 무릎 구동부(220L, 220R)에 일단이 연결된 종아리 링크(250L, 250R) 및 종아리 링크(210L, 210R)의 타단에 고정된 지면 지지부(230L, 230R)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇은 발목 관절을 구동하기 위한 구동부를 갖지 않고, 종아리 링크(250L, 250R)의 종단에 지면을 지지하기 위한 지면 지지부(230L, 230R)를 고정하여 부착시키는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 외골격 로봇 발목 구동부를 제어할 필요가 없으므로 제어 알고리즘을 단순화 할 수 있으며, 발목 구동부와 발목 구동부에 연결되는 발에 대응되는 요소들을 로봇에서 제거할 수 있으므로 그 무게나 자유도의 제한에 따라 발생하는 착용자의 보행 부담을 제거하여 더욱 자연스런 보행이 가능하게 할 수 있다.
바디부(100)는 물리적으로 착용자의 등에 배치되어 등을 지지할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 바디부(100)는 어깨끈 등을 통해 착용자의 등에 배치될 수 있다.
또한, 바디부(100)는 내부 공간을 확보하여, 내부 공간 내에 로봇 시스템을 제어하는데 필요한 여러 부품들을 배치되게 할 수 있다. 예를 들어, 바디부(100)에는 로봇 시스템의 전체적인 제어를 수행하는 컨트롤러와, 각 관절의 구동부를 구동하는 구동 IC와, 바디부(100) 자체의 기울어짐(피치)를 검출하는 관성 센서와, 로봇을 구성하는 각종 부품들에 전원을 제공하기 위한 배터리 등이 포함될 수 있다.
다리부(200L, 200R)는 바디부(100)와 지면 사이에서 착용자의 다리에 결박되며, 다리부(200L, 200R)의 관절에 배치되는 구동부가 가동됨에 따라 착용자의 보행을 보조할 수 있다.
전술한 바와 같이, 다리부(200L, 200R)는 바디부(100)의 양측으로 연장되어 연결된 고관절 구동부(210L, 210R)와, 고관절 구동부(210L, 210R)에 일단이 연결된 허벅지 링크(240L, 240R)와, 허벅지 링크(240L, 240R)의 타단에 연결된 무릎 구동부(220L, 220R)와, 무릎 구동부(220L, 220R)에 일단이 연결된 종아리 링크(250L, 250R) 및 종아리 링크(210L, 210R)의 타단에 고정된 지면 지지부(230L, 230R)를 포함할 수 있다.
고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)는 컨트롤러의 제어에 의해 구동되는 것으로 전기에너지를 회전에너지로 변환하여 회전력을 생성하는 모터, 액추에이터 등으로 구현될 수 있다. 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R) 각각에는 회전각을 검출하기 위한 엔코더가 포함될 수 있으며, 컨트롤러는 엔코더에서 검출된 회전각을 피드백 받아 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)를 제어할 수 있다.
고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R) 사이와 무릎 구동부(220L, 220R)의 타측에는 각각 허벅지 링크(240L, 240R)와 종아리 링크(250L, 250R)이 연결된다. 도시하지는 않았지만, 허벅지 링크(240L, 240R)와 종아리 링크(250L, 250R)에는 착용자 다리와의 결박을 위해 하네스(harness) 등과 같은 결박 수단이 구비될 수 있다.
또한, 허벅지 링크(240L, 240R)와 종아리 링크(250L, 250R)에는 보행 시 발생하는 충격을 흡수하기 위한 스프링 등의 탄성수단이 구비될 수 있으며, 착용자의 신체 사이즈에 따라 그 길이 조절을 위한 길이 조절 수단이 구비될 수도 있다.
지면 지지부(230L, 230R)는 종아리 링크(250L, 250R)의 말단에 고정 부착된다. 즉, 지면 지지부(230L, 230R)는 별도의 관절을 구성하는 요소를 사용하지 않고 직접 종아리 링크(250L, 250R)의 말단이 고정되는 것이다.
지면 지지부(230L, 230R)는 지면과 접촉하는 부분에 보행 방향을 따라 지면과 반대 방향으로 휘어진 굴곡면이 형성되어, 보행 중 지면과 접촉하는 시점과 지면에서 분리되는 시점 사이에 지면을 지지한 상태의 움직임을 자연스럽게 가져갈 수 있게 한다.
또한, 지면 지지부(230L, 230R)는 지면과 접촉하는 부분에 배치되는 러버 솔(rubber sole)(231L)을 포함하여, 지면과의 접촉력을 향상시키고 지면 충격을 흡수할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템은, 외골격 로봇의 동작을 제어하기 위해, 착용자의 양 발바닥 각각에 가해지는 압력을 센싱하는 압력 센서부(도 4의 30)와, 압력 센서부에서 센싱된 압력에 따라 제어하고자 하는 다리와 나머지 다리의 보행상태를 결정하고, 결정된 보행상태에 기반하여 사전 설정된 복수의 제어 모드 중 하나를 선택하여 제어하고자 하는 다리의 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)를 제어하는 컨트롤러(도 4의 400)를 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어 흐름을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 4을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇은, 착용자의 발바닥에 가해지는 압력을 센싱하는 압력 센서부(30) 및 압력 센서부(30)에서 센싱된 압력에 따라 제어하고자 하는 다리와 나머지 다리의 보행상태를 결정하고, 결정된 보행상태에 기반하여 사전 설정된 복수의 제어 모드 중 하나를 선택하여 제어하고자 하는 다리의 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)를 제어하는 컨트롤러(400)를 포함할 수 있다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템에 적용되는 압력 센서부의 예를 도시한 도면이다.
도 5a 및 5b에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇에 적용되는 압력 센서부(30)는 발바닥에 가해지는 압력을 검출하기 위해 신발(300)의 바닥부(310)(예를 들어, 신발의 솔(sole) 바닥 부분)에 설치되는 복수의 압력 센서(31a, 31b)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 압력 센서부(30)는 발의 앞꿈치에 대응되는 위치에 배치되는 제1 압력 센서(31a)와 발의 뒤꿈치에 대응되는 위치에 배치되는 제2 압력 센서(31b)를 포함할 수 있다. 이러한 압력 센서부(30)의 배치 구조는 로봇 착용자의 양발에 모두 적용된다.
한편, 도 5a 및 도 5b에 도시된 실시형태는 두 개의 압력 센서(31a, 31b)를 로봇 착용자의 신발에 설치한 것을 예로서 설명하기 위한 것으로, 세 개 이상의 압력 센서를 적용한다든지 로봇 착용자의 신발 대신 로봇 자체가 구비하는 발바닥 지지부에 압력 센서가 구비되는 다양한 변형이 가능할 것이다. 또한, 압력 센서(31a, 31b)와 컨트롤러(400)는 도시되지 않은 도선을 통해 연결되어 압력 센서(31a, 31b)의 센싱정보가 컨트롤러(400)로 전달되거나, 기 공지된 유무선 통신 방식을 적용하여 압력 센서(31a, 31b)의 센싱정보가 컨트롤러(400)로 전달될 수 있다.
컨트롤러(400)는 로봇 착용자의 양 발바닥의 압력을 센싱한 신호를 압력 센서부(30)로부터 입력 받고, 센싱된 압력에 따라 제어하고자 하는 다리와 나머지 다리의 보행상태를 결정하며, 결정된 보행상태에 기반하여 사전 설정된 복수의 제어 모드 중 하나를 선택하여 상기 제어하고자 하는 다리의 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)를 각각 제어할 수 있다.
더욱 상세하게, 컨트롤러(400)는 양 발바닥의 압력을 센싱한 신호를 압력 센서부(30)로부터 입력 받고, 양 발바닥에서 압력이 가해지는 위치가 앞꿈치부인지 뒤꿈치부인지에 따라 해당 다리의 보행 상태를 결정할 수 있다. 예를 들어, 각각의 발바닥에서 압력이 가해지는 위치가 앞꿈치부 및/또는 뒤꿈치부로 검출될 수 있으므로, 컨트롤러(400)는 하나의 발바닥에 대해 총 4가지 경우로 다리의 보행상태를 판단할 수 있다.
또한, 컨트롤러(400)는 다리에 대해 결정된 보행상태를 기반으로 로봇의 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)를 각각 제어할 수 있다. 이를 위해 컨트롤러(400)는 제어하고자 하는 다리와 나머지 다리의 보행상태에 따른 제어 모드를 사전 결정하여 저장할 수 있으며, 입력되는 센싱 신호에 따라 제어하고자 하는 다리와 나머지 다리의 보행상태에 대응되는 제어모드를 선택하여 제어하고자 하는 다리의 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)를 제어함으로써 보행보조를 위한 힘을 제공하게 된다.
컨트롤러(400)의 제어 기법에 대해서는, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어 방법에 대한 설명을 통해 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어방법을 도시한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어방법은, 압력 센서부(30)에서, 착용자의 발바닥에 가해지는 압력을 센싱하는 단계(S11); 컨트롤러(400)에서, 압력 센서부(30)에서 센싱된 압력에 따라 제어하고자 하는 다리와 나머지 다리의 보행상태를 판단하는 단계(S12); 및 컨트롤러(400)에서, 결정된 보행상태에 기반하여 사전 설정된 복수의 제어 모드 중 하나를 선택하여(S13) 제어하고자 하는 다리의 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)를 제어하는 단계(S14)를 포함한다.
먼저, 발바닥의 압력을 센싱하는 단계(S11)는, 도 2를 통해 설명한 바와 같이, 착용자의 양 발바닥 각각의 앞꿈치부 및 뒤꿈치부의 압력을 압력 센서부(30)에서 검출하는 단계이다. 예를 들어, 각 발바닥의 앞꿈치부의 압력을 센싱하는 두 개의 제1 압력센서(31a)와 각 발바닥의 뒤꿈치부의 압력을 센싱하는 두 개의 제2 압력센서(31b)에서 센싱된 총 4개의 센싱 신호가 컨트롤러(400)로 제공될 수 있다.
이어, 보행상태를 판단하는 단계(S12) 에서, 컨트롤러(400)는 입력4받은 총 4개의 센싱 신호를 기반으로 각 발바닥에 대응되는 다리의 보행상태를 결정한다.
다음의 표는 발바닥의 압력을 센싱한 결과에 따라 컨트롤러(400) 해당 다리의 보행 상태를 결정하는 예를 나타낸다.
보행 상태 제1 압력센서(앞꿈치) 제2 압력센서(뒤꿈치)
공중(air) 비접촉 비접촉
발뒤꿈치 지지
(heel-strike)		 비접촉 접촉
발바닥 전체 지지(support) 접촉 접촉
발앞꿈치 지지
(toe-off)		 접촉 비접촉
상기 표에 나타난 바와 같이, 컨트롤러(400)는 각 다리의 보행 상태를 공중(air) 상태, 발뒤꿈치 지지(heel-strike) 상태, 발바닥 전체 지지(support) 상태 및 발앞꿈치 지지(toe-off) 상태로 결정할 수 있다.
이러한 보행 상태의 결정은 제1 압력센서(31a)와 제2 압력센서(31b)에서 입력되는 센싱신호의 크기에 따라 결정될 수 있는데, 이러한 결정기법은 도 7을 통해 설명된다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 압력 센서부에서 입력되는 센싱 신호의 예를 도시한 도면이다.
도 7에 나타난 바와 같이, 왼발의 발바닥에 설치된 제1 압력센서(31a)와 제2 압력센서(31b) 및 오른발의 발바닥에 설치된 제1 압력센서(31a)와 제2 압력센서(31b)에서는 센싱한 압력의 크기에 대응되는 전압을 센싱 신호로서 출력할 수 있다. 컨트롤러는(400)는 각 압력 센서에서 출력된 센싱신호의 크기를 사전 설정된 임계값(Th)과 비교하고, 센싱신호가 임계값(Th)보다 큰 경우에는 해당 압력센서에 대응되는 부분이 지면과 접촉한 것으로 판단하고, 센싱신호가 임계값(Th)보다 작은 경우에는 해당 압력 센서에 대응되는 부분(발바닥 앞꿈치부 및 뒤꿈치부)이 지면과 비접촉 상태인 것으로 판단할 수 있다.
이어, 컨트롤러(400)는 제1 압력센서(31a)와 제2 압력센서(31b)에서 결정된 발의 앞꿈치부와 뒤꿈치부의 지면 접촉 여부에 따라 상기 표와 같이, 해당 발바닥에 대응되는 다리의 보행상태를 결정할 수 있다.
각 다리의 보행상태가 결정되면, 컨트롤러(400)는 각 다리의 제어 모드를 결정할 수 있다(S13). 이 때, 컨트롤러(400)는 제어하고자 하는 다리의 보행 상태와 나머지 다리의 보행 상태를 기반으로 사전 설정된 복수의 제어 모드 중 하나를 결정함으로써 해당 다리의 제어를 수행할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템에서 다리의 보행 상태에 따라 제어 모드를 결정하는 예를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 컨트롤러(400)는 제어하고자 하는 다리의 보행 상태와 나머지 다리의 보행 상태에 따라 총 6 가지 제어 모드 중 하나를 선택할 수 있다. 6 개의 제어 모드는 사전에 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 이 6 개의 제어모드는, 하중지지(weight bearing) 모드(M1), 기계 임피던스 보상(compensation of mechanical impedance) 모드(M2), 지면 충격 흡수(ground impact absorbing) 모드(M3), 지면 충격 흡수 및 가상 다리 확장(ground impact absorbing & extension of virtual leg) 모드(M4), 지면 푸시(pushing ground) 모드(M5) 및 스윙 준비(ready for swing phase) 모드(M6)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 왼편 다리가 발뒤꿈치 지지(heel-strike) 상태이고 오른편 다리가 발바닥 전체 지지(support) 상태인 경우, 컨트롤러(400)는 왼편 다리를 지면 충격 흡수 및 가상 다리 확장(ground impact absorbing & extension of virtual leg) 모드(M4)로 제어하고, 오른편 다리를 하중지지(weight bearing) 모드(M1)로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는, 제어하고자 하는 다리의 보행 상태가 공중(air) 상태 및 발바닥 전체 지지(support) 상태인 경우에는 나머지 다리의 보행 상태에 상관 없이 각각 기계 임피던스 보상(compensation of mechanical impedance) 모드(M2) 및 하중지지(weight bearing) 모드(M1)로 결정되고, 그 이외의 경우에는 나머지 다리의 상태에 따라 제어 모드가 결정될 수 있다.
6 개의 제어모드 중, 하중지지(weight bearing) 모드(M1)는, 중력 방향(예를 들어, 지면에 수직인 방향)으로 착용자가 원하는 만큼의 사전 설정된 힘으로 밀어줄 수 있도록 관절에 구비된 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)(예를 들어, 액추에이터)의 토크를 제어하는 모드이다. 예를 들어, 통상의 보행 보조 로봇은 바디-허벅지-종아리가 순서대로 관절을 통해 연결된다. 바디부(100)와 허벅지는 고관절 구동부(210L, 210R)를 통해 연결되고 허벅지 링크(240L, 240R)와 종아리 링크(250L, 250R)는 무릎 구동부(220L, 220R)를 통해 연결된다. 바디부(100)에는 관성 센서가 구비되어 바디부(100)의 피치각이 센싱될 수 있고, 각 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)에는 엔코더(211L, 211R, 221L, 221R)가 구비되므로 각 관절의 회전각이 센싱될 수 있다. 컨트롤러(400) 이러한 센싱정보를 통해 중력의 방향을 산출할 수 있다.
컨트롤러(400)는 관성센서, 고관절 회전각, 무릎관절 회전각으로 구성되는 자코비안을 생성한 뒤, 중력 방향으로 사전 설정된 힘을 작용하여 지면을 밀어줄 수 있도록 각 관절의 구동부를 제어할 수 있다.
다음으로, 기계 임피던스 보상(compensation of mechanical impedance) 모드(M2)는, 보행보조 로봇이 갖는 기구적 마찰이나 무게를 보상하는 기능이다. 예를 들어, 기계 임피던스 보상(compensation of mechanical impedance) 모드(M2)는 보행보조 로봇의 각 관절에 존재하는 마찰과 바디, 허벅지, 및 종아리를 구성하는 각 링크의 중력에 의한 무게를 보상하도록 컨트롤러(400)가 각 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)를 제어하는 모드이다. 기능을 한다. 이 기계 임피던스 보상(compensation of mechanical impedance) 모드(M2)에서는 착용자가 보행보조 로봇의 다리 무게나 마찰을 느끼지 못 하고 쉽게 다리를 움직일 수 있게 하는 모드이다.
다음으로, 지면 충격 흡수(ground impact absorbing) 모드(M3)는, 보행보조 로봇의 다리가 외부에서 들어오는 충격을 흡수하기 위한 기능으로, 컨트롤러(400)가 임피던스(impedance) 제어를 이용하여 가상 다리(고관절과 로봇 다리의 말단을 연결한 선)의 길이 방향에 대해서 가상 스프링-댐퍼를 만들어 각 관절의 구동부를 제어를 실시하는 모드이다. 가상 다리란, 보행 보조 로봇의 고관절과 로봇 다리의 말단을 이어주는 선으로, 지면 충격 흡수(ground impact absorbing) 모드(M3)에서 컨트롤러(400)는 이 가상의 다리에 해당하는 선에 대해서 가상 스프링-댐퍼가 존재하는 제어를 통해 외부에서 들어오는 충격을 흡수해주는 기능이다.
다음으로, 지면 충격 흡수 및 가상 다리 확장(ground impact absorbing & extension of virtual leg) 모드(M4)는, 전술한 모드(M3)를 수행하면서, 컨트롤러(400)가 가상 다리에 대해 임피던스 제어가 되어 있는 방향의 평형점을 0도로 세팅하여 가상 다리가 수직이 되도록 다리를 끌어당기는 기능을 추가한 모드이다.
다음으로, 지면 푸시(pushing ground) 모드(M5)는, 다리가 늦은 스탠스 단계(stance phase)에 있는 경우에 수행되는 모드로서, 컨트롤러(400)가 다리 종단(지면 지지부(230L, 230R))을 (-x, -y) 방향으로 밀어줄 수 있도록 각 관절의 구동부를 제어함으로써 상체를 밀어주는 모드이다.
마지막으로, 스윙 준비(ready for swing phase) 모드(M6)는 제어하는 다리의 스윙을 쉽게 가져가기 위하여 컨트롤러(400)가 다리 종단을 (+x, +y) 방향으로 밀어주도록 각 관절이 구동부를 제어함으로써 착용자가 쉽게 스윙 상태를 가져가게 할 수 있는 모드이다.
상기 각 제어 모드(M1 내지 M6)가 실제 로봇에 적용되는 기법에 대해 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 로봇의 일례를 간략하게 도시한 도면이다. 전술한 바와 같이, 바디부(100)에는 관성 센서(IMU: Inertial Measurement Unit)가 구비되어 바디부(100)의 피치각이 센싱될 수 있으며, 고관절과 무릎 관절에는 컨트롤러(400)에 의해 구동되는 고관절 구동부(210: 210L+210R) 및 무릎 구동부(220: 220L+220R)(예를 들어, 액추에이터 등)와 관절의 회전각을 센싱하는 엔코더(도 4의 211L, 211R, 221L, 221R)가 구비될 수 있다. 관성 센서에서 센싱되는 바디부(100)의 피치각과 엔코더(211L, 211R, 221L, 221R)에서 센싱되는 관절 회전각은 컨트롤러(400)로 제공된다.
도 9를 참조하면, 다리의 종단(본 발명의 일 실시형태에서, 지면 지지부(230L, 230R))은 고관절의 위치를 기준으로 다음의 식 1과 같이 직교좌표계에서 산출될 수 있다.
[식 1]
Figure 112016057413416-pat00001
여기서 L1은 허벅지 링크(240L, 240R)의 길이이고, L2는 종아리 링크(250L, 250R)의 길이이며, θp는 바디부(100)의 피치각이고, θh는 고관절 구동부(210L, 210R)의 회전각이며, θk는 무릎 구동부(220L, 220R)의 회전각이다. 또한, 첨자 i는 왼쪽, 오른쪽 다리를 의미하는 것이다.
또한, 다리의 종단(230L, 230R)은 상기 식 1을 이용하여 극좌표계에서 다음의 식 2와 같이 산출될 수 있다.
[식 2]
Figure 112016057413416-pat00002
상기 식 1과 식 2를 통해 고관절을 기준으로 직교 자코비안(Cartesian Jacobian) 및 극 자코비안(polar Jacobian)은 각각 식 3 및 식 4와 같이 도출될 수 있다.
[식 3]
Figure 112016057413416-pat00003
[식 4]
Figure 112016057413416-pat00004
여기서,
Figure 112016057413416-pat00005
는 엔코더(31)에서 센싱되는 각 관절의 회전각으로
Figure 112016057413416-pat00006
와 같이 표현될 수 있다.
따라서, 이 자코비안을 이용하면 다리 종단(230L, 230R)에서의 속도는 직교좌표계 및 극좌표계에서 각각 다음의 식 5 및 식 6과 같이 도출될 수 있다.
[식 5]
Figure 112016057413416-pat00007
[식 6]
Figure 112016057413416-pat00008
이상과 같이 유도되는 자코비안을 이용하여 각 제어 모드(M1 내지 M6)는 다음과 같이 유도될 수 있다.
하중지지(weight bearing) 모드(M1), 지면 푸시(pushing ground) 모드(M5) 및 스윙 준비(ready for swing phase) 모드(M6)는 x축 및/또는 y축 방향으로 직접 힘을 제공하는 피드포워드 제어를 통해 수행되므로, 다음의 식 7과 같이 도출될 수 있다.
[식 7]
Figure 112016057413416-pat00009
상기 식 7에서 τh,i와 τk,i는 각각 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)의 토크이고, Fx와 Fy는 하중지지(weight bearing) 모드(M1), 지면 푸시(pushing ground) 모드(M5) 및 스윙 준비(ready for swing phase) 모드(M6)에서 각각 사전 설정된 다리의 말단에 적용하고자 하는 힘이다.
예를 들어, 하중지지(weight bearing) 모드(M1)에서는 -y축 방향으로만 힘을 적용하여야 하므로 Fx는 0이고 Fy는 사전 설정된 음의 값을 가질 수 있다. 또한, 지면 푸시(pushing ground) 모드(M5)에서는 -x, -y의 방향으로 힘을 적용하는 것으로 Fx와 Fy 모두 사전 설정된 음의 값을 가질 수 있으며, 스윙 준비(ready for swing phase) 모드(M6)에서는 +x, +y의 방향으로 힘을 적용하는 것으로 Fx와 Fy 모두 사전 설정된 양의 값을 가질 수 있다.
다음으로, 기계 임피던스 보상(compensation of mechanical impedance) 모드(M2)는 각 관절의 마찰이나 중력에 의한 무게를 보상하도록 컨트롤러(400)가 각 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)를 제어하는 모드로서, 네거티브 피드백이 직교좌표계에서 적용될 수 있다. 지면 충격 흡수 모드(M3)에서는 다음의 식 8과 같이 각 관절이 제어될 수 있다.
[식 8]
Figure 112016057413416-pat00010
여기서, Kd,y는 실험적으로 결정되는 가변의 상수로서 단위는 Nsec/deg가 될 수 있다.
다음으로, 지면 충격 흡수(ground impact absorbing) 모드(M3)는 고관절과 로봇 다리의 말단을 연결한 선의 길이 방향에 대해서 가상 스프링-댐퍼가 존재하는 것을 가정하여 각 관절의 구동부를 제어를 실시하는 모드로서, 다음의 식 9와 같이 극좌표에서의 임피던스 제어를 통해 각 관절의 토크가 결정될 수 있다.
[식 9]
Figure 112016057413416-pat00011
여기서, Kp,r과 Kd,r은 착용자 다리에서 측정된 임피던스에 따라 사전 설정될 수 있으며, 각각의 단위는 N/m 및 Nsec/m이다. 또한, ΔEp,i는 극좌표계에서 발뒤꿈치 지지 시의 다리 말단의 위치와 그 이후 다리 말단의 위치들의 차이이며,
Figure 112016057413416-pat00012
는 극좌표계에서 정지속도와 다리 말단의 속도차를 나타내는 것이다.
지면 충격 흡수 및 가상 다리 확장(ground impact absorbing & extension of virtual leg) 모드(M4)는 전술한 모드(M3)를 수행하면서, 컨트롤러(400)가 가상 다리에 대해 임피던스 제어가 되어 있는 방향의 평형점을 0도(도 9에 θp,i=0)로 세팅하여 가상 다리가 수직이 되도록 다리를 끌어당기는 기능을 추가한 모드로서, 다음의 식 10과 같이 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)의 토크가 제어될 수 있다.
[식 10]
Figure 112016057413416-pat00013
상기 식 10에서 Kp,θ가 0인 경우가 상기 식 9가 된다. 상기 식 10에서, Kp,θ는 0이 아닌 값을 가지며 그 단위는 N/deg이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템 및 그 제어방법에서 적용되는 제어 기법을 정리한 도면으로, 참조부호 '71'로 지시된 직교좌표계에서의 임피던스 제어는 기계 임피던스 보상(compensation of mechanical impedance) 모드(M2)에서 적용될 수 있으며, 참조부호 '72'로 지시된 직접적인 피드포워드 제어는 하중지지(weight bearing) 모드(M1), 지면 푸시(pushing ground) 모드(M5) 및 스윙 준비(ready for swing phase) 모드(M6)에서 적용될 수 있고, 참조부호 '73'으로 지시된 극좌표계에서의 임피던스 제어는 지면 충격 흡수(ground impact absorbing) 모드(M3) 및 지면 충격 흡수 및 가상 다리 확장(ground impact absorbing & extension of virtual leg) 모드(M4)에서 적용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태는, 각 제어모드가 변경되는 시점에서 갑작스러운 회전력 변경에 따른 불연속 구간이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 제어모드가 변경되는지 판단하고(S15), 제어모드가 변경되는 것으로 판단한 경우 각 관절의 불연속 회전력을 보간하기 위한 제어를 수행할 수 있다(S16).
단계(S16)에서 수행되는 불연속 회전력을 보간하기 위한 제어는 컨트롤러(400)가 사전 설정된 시간 간격 동안 사인파(sinusoidal) 궤적을 따라 0에서 1로 변동하는 천이 파라미터를 이전 제어토크 및 신규 제어토크에 적용하는 기법이 사용될 수 있다.
천이 파라미터(p)는 하기 식 11과 같으며, 이를 적용하여 천이구간에서 적용되는 제어토크는 하기 식 12와 같다.
[식 11]
Figure 112016057413416-pat00014
[식 12]
Figure 112016057413416-pat00015
상기 식 11 및 식 12에서 tp는 사전 설정된 시간 간격이며, SAT는 포화 함수(saturation function)로서, SAT(x, a, b)는 a < x < b일 때 x의 값을 가지며, a < x일 때 a의 값을 가지며 x < b일 때 b의 값을 갖는 함수이다. 또한, τh,posterior, τk,posterior는 변경된 제어모드에서의 각 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)의 제어토크이고, τh,prior, τk,prior는 변경 이전 제어모드에서의 각 고관절 구동부(210L, 210R) 및 무릎 구동부(220L, 220R)의 제어토크이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 부목형 보행 보조 로봇 시스템 및 그 제어방법은 발목 관절을 구동하기 위한 구동부를 갖지 않고, 종아리 링크의 종단에 지면을 지지하기 위한 지면 지지부를 고정하여 부착시킴으로써, 외골격 로봇 발목 구동부를 제어할 필요가 없으므로 제어 알고리즘을 단순화 할 수 있으며, 발목 구동부와 발목 구동부에 연결되는 발에 대응되는 요소들을 로봇에서 제거할 수 있으므로 그 무게나 자유도의 제한에 따라 발생하는 착용자의 보행 부담을 제거하여 더욱 자연스런 보행이 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 보행보조 로봇 시스템 및 그 제어방법은, 발의 앞꿈치와 뒤꿈치에 인가되는 하중에 따라 제어하고자 하는 다리와 나머지 다리의 보행상태 간결하게 판단할 수 있으며, 판단된 보행상태와 사전 설정된 보행 모드를 매칭시켜 다리를 제어하므로 복잡한 연산과정을 생략하면서도 우수한 보행 보조 성능을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 보행보조 로봇 시스템 및 그 제어방법은, 축수와는 상관 없이 단순한 자코비안 변환을 통해 보행 보조력을 결정할 수 있으므로 그 적용범위가 매우 넓은 장점이 있다.
본 발명은 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100: 바디부 210, 210L, 210R: 고관절 구동부
220, 220L, 220R: 무릎 구동부
211L, 211R, 221L, 221R: 엔코더
230L, 230R: 지면 지지부 240L, 240R: 허벅지 링크
250L, 250R: 종아리 링크 30: 압력 센서부
31a, 31b: 압력 센서 400: 컨트롤러

Claims (29)

  1. 착용자의 등을 지지하는 바디부;
    상기 바디부의 양측으로 연장되어 연결된 좌우 고관절 구동부;
    상기 좌우 고관절 구동부 각각에 일단이 연결된 좌우 허벅지 링크;
    상기 좌우 허벅지 링크 각각의 타단에 연결된 좌우 무릎 구동부;
    상기 좌우 무릎 구동부 각각에 일단이 연결된 좌우 종아리 링크;
    상기 좌우 종아리 링크 각각의 타단에 고정되되, 상기 종아리 링크와의 연결관계가 변화하지 않고 일정하게 유지되도록 상기 종아리 링크의 타단에 직접 부착된 된 지면 지지부;
    상기 착용자의 양 발바닥 각각에 가해지는 압력을 센싱하는 압력 센서부; 및
    상기 압력 센서부에서 센싱된 압력에 따라 제어하고자 하는 다리와 나머지 다리의 보행상태를 결정하고, 결정된 보행상태에 기반하여 사전 설정된 복수의 제어 모드 중 하나를 선택하여 상기 제어하고자 하는 다리의 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 제어하는 컨트롤러를 포함하며,
    상기 컨트롤러는, 상기 제어하고자 하는 다리의 보행 상태 및 상기 나머지 다리의 보행 상태에 기반하여, 상기 제어하고자 하는 다리의 제어모드를, 하중지지(weight bearing) 모드, 기계 임피던스 보상(compensation of mechanical impedance) 모드, 지면 충격 흡수(ground impact absorbing) 모드, 지면 충격 흡수 및 가상 다리 확장(ground impact absorbing & extension of virtual leg) 모드, 및 지면 푸시(pushing ground) 모드(M5) 및 스윙 준비(ready for swing phase) 모드 중 하나로 결정하며,
    상기 지면 지지부에는, 지면과 접촉하는 부분에 보행 방향을 따라 상기 지면과 반대 방향으로 휘어진 굴곡면이 형성된 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력 센서부는, 상기 양 발바닥 각각의 앞꿈치부와 뒤꿈치부에 가해지는 압력을 각각 검출하는 복수의 압력 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 압력 센서부는, 상기 앞꿈치부에 가해지는 압력을 센싱하는 제1 압력 센서 및 상기 뒤꿈치부에 가해지는 압력을 각각 센싱하는 제2 압력 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 앞꿈치부 및 상기 뒤꿈치부에 가해지는 압력이, 사전 설정된 임계값보다 큰 경우 해당 부분이 지면에 접촉한 상태로 판단하고 사전 설정된 임계값보다 작은 경우 해당 부분이 지면과 비접촉 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 앞꿈치부가 지면 접촉 상태이고, 상기 뒤꿈치부가 지면 접촉 상태인 경우, 해당 다리가 발바닥 전체로 지면을 지지하는 상태인 것으로 상기 보행상태를 판단하고,
    상기 앞꿈치부가 지면 접촉 상태이고, 상기 뒤꿈치부가 지면 비접촉 상태인 경우, 해당 다리가 발앞꿈치로 지면을 지지하는 상태인 것으로 상기 보행상태를 판단하고,
    상기 앞꿈치부가 지면 비접촉 상태이고, 상기 뒤꿈치부가 지면 접촉 상태인 경우, 해당 다리가 발뒤꿈치로 지면을 지지하는 상태인 것으로 상기 보행상태를 판단하고,
    상기 앞꿈치부가 지면 비접촉 상태이고, 상기 뒤꿈치부가 지면 비접촉 상태인 경우, 해당 다리가 공중에 떠 있는 상태인 것으로 상기 보행상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 하중지지 모드는, 중력 방향으로 상기 착용자를 사전 설정된 힘으로 밀어줄 수 있도록 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 모드인 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 기계 임피던스 보상(compensation of mechanical impedance) 모드는 상기 고관절 구동부와 무릎 구동부의 마찰과 상기 보행보조 로봇의 중력에 의한 무게를 보상하도록 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 모드인 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 지면 충격 흡수 모드는, 상기 보행보조 로봇의 다리가 외부에서 들어오는 충격을 흡수하도록 상기 컨트롤러가 임피던스(impedance) 제어를 상기 보행보조 로봇의 고관절과 로봇 다리의 말단을 연결한 선의 길이 방향에 대해서 가상 스프링-댐퍼를 만들어 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 모드인 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 지면 충격 흡수 및 가상 다리 확장(ground impact absorbing & extension of virtual leg) 모드는, 상기 보행보조 로봇의 다리가 외부에서 들어오는 충격을 흡수하도록 상기 컨트롤러가 임피던스(impedance) 제어를 상기 보행보조 로봇의 고관절과 로봇 다리의 말단을 연결한 선의 길이 방향에 대해서 가상 스프링-댐퍼를 만들어 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하면서, 상기 가상 다리에 대해 임피던스 제어가 되는 방향의 평형점을 0도로 세팅하여 가상 다리가 수직이 되도록 다리를 끌어당기도록 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 모드인 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 지면 푸시(pushing ground) 모드는, 상기 제어하고자 하는 다리의 상기 지면 지지부를 직교 좌표계에서 (-x, -y) 방향(여기서, 상기 보행보조 로봇의 전방이 상기 직교좌표계의 +x 방향이고 지면에서 수직으로 멀어지는 방향이 상기 직교좌표계의 +y 방향임)으로 밀어줄 수 있도록 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 모드인 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 스윙 준비(ready for swing phase) 모드는 상기 제어하고자 하는 다리의 스윙을 용이하게 하기 위하여 상기 컨트롤러가 상기 지면 지지부를 직교좌표계에서 (+x, +y) 방향(여기서, 상기 보행보조 로봇의 전방이 상기 직교좌표계의 +x 방향이고 지면에서 수직으로 멀어지는 방향이 상기 직교좌표계의 +y 방향임)으로 밀어주도록 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 모드인 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제어모드가 변경되는 경우, 상기 컨트롤러에서, 사전 설정된 시간 간격 동안 사인파(sinusoidal) 궤적을 따라 0에서 1로 변동하는 천이 파라미터를, 이전 제어모드에서 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부 각각에 적용된 제어토크 및 변경된 신규 제어모드에서 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부 각각에 적용할 제어토크에 적용하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템.
  15. 삭제
  16. 청구항 1에 있어서, 상기 지면 지지부는,
    지면과 접촉하는 부분에 배치되는 러버 솔을 포함하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템.
  17. 착용자의 등을 지지하는 바디부와, 상기 바디부의 양측으로 연장되어 연결된 좌우 고관절 구동부와, 상기 좌우 고관절 구동부 각각에 일단이 연결된 좌우 허벅지 링크와, 상기 좌우 허벅지 링크 각각의 타단에 연결된 좌우 무릎 구동부와, 상기 좌우 무릎 구동부 각각에 일단이 연결된 좌우 종아리 링크와, 상기 좌우 종아리 링크 각각의 타단에 고정된 지면 지지부와 상기 착용자의 양 발바닥에 설치된 압력 센서부를 포함하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 압력 센서부에서, 착용자의 발바닥에 가해지는 압력을 센싱하는 단계;
    컨트롤러에서, 상기 압력 센서부에서 센싱된 압력에 따라 제어하고자 하는 다리와 나머지 다리의 보행상태를 판단하는 단계; 및
    상기 컨트롤러에서, 결정된 보행상태에 기반하여 사전 설정된 복수의 제어 모드 중 하나를 선택하여 상기 제어하고자 하는 다리의 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 단계;를 포함하며
    상기 센싱하는 단계는, 상기 발바닥의 앞꿈치부와 뒤꿈치부에 가해지는 압력을 각각 검출하고,
    상기 판단하는 단계는, 상기 앞꿈치부 및 상기 뒤꿈치부에 가해지는 압력에 기반하여 발바닥의 지면 접촉/비접촉 상태를 판단하고, 상기 제어하고자 하는 다리의 앞꿈치부 및 뒤꿈치부의 지면 접촉 상태 및 비접촉 상태와, 상기 나머지 다리의 앞꿈치부 및 뒤꿈치부의 지면 접촉 상태 및 비접촉 상태를 조합하여 상기 보행 상태를 판단하며,
    상기 제어하는 단계는, 상기 제어하고자 하는 다리의 보행 상태 및 상기 나머지 다리의 보행 상태에 기반하여, 상기 제어하고자 하는 다리의 제어모드를, 하중지지(weight bearing) 모드, 기계 임피던스 보상(compensation of mechanical impedance) 모드, 지면 충격 흡수(ground impact absorbing) 모드, 지면 충격 흡수 및 가상 다리 확장(ground impact absorbing & extension of virtual leg) 모드, 및 지면 푸시(pushing ground) 모드(M5) 및 스윙 준비(ready for swing phase) 모드 중 하나로 결정하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어방법.
  18. 삭제
  19. 청구항 17에 있어서, 상기 판단하는 단계는,
    상기 앞꿈치부 및 상기 뒤꿈치부에 가해지는 압력이, 사전 설정된 임계값보다 큰 경우 해당 부분이 지면에 접촉한 상태로 판단하고 사전 설정된 임계값보다 작은 경우 해당 부분이 지면과 비접촉 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어방법.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 판단하는 단계는,
    상기 제어하고자 하는 다리의 앞꿈치부 및 뒤꿈치부의 지면 접촉 상태 및 비접촉 상태와, 상기 나머지 다리의 앞꿈치부 및 뒤꿈치부의 지면 접촉 상태 및 비접촉 상태를 조합하여 상기 보행 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어방법.
  21. 청구항 20에 있어서, 상기 판단하는 단계는,
    상기 앞꿈치부가 지면 접촉 상태이고, 상기 뒤꿈치부가 지면 접촉 상태인 경우, 해당 다리가 발바닥 전체로 지면을 지지하는 상태인 것으로 상기 보행상태를 판단하고,
    상기 앞꿈치부가 지면 접촉 상태이고, 상기 뒤꿈치부가 지면 비접촉 상태인 경우, 해당 다리가 발앞꿈치로 지면을 지지하는 상태인 것으로 상기 보행상태를 판단하고,
    상기 앞꿈치부가 지면 비접촉 상태이고, 상기 뒤꿈치부가 지면 접촉 상태인 경우, 해당 다리가 발뒤꿈치로 지면을 지지하는 상태인 것으로 상기 보행상태를 판단하고,
    상기 앞꿈치부가 지면 비접촉 상태이고, 상기 뒤꿈치부가 지면 비접촉 상태인 경우, 해당 다리가 공중에 떠 있는 상태인 것으로 상기 보행상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어 방법.
  22. 삭제
  23. 청구항 17에 있어서,
    상기 제어하는 단계에서, 상기 제어하고자 하는 다리의 모드가 상기 하중지지 모드로 결정되면, 중력 방향으로 상기 착용자를 사전 설정된 힘으로 밀어줄 수 있도록 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어방법.
  24. 청구항 17에 있어서,
    상기 제어하는 단계에서, 상기 제어하고자 하는 다리의 모드가 상기 기계 임피던스 보상(compensation of mechanical impedance) 모드로 결정되면, 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부의 마찰과 상기 보행보조 로봇의 중력에 의한 무게를 보상하도록 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어방법.
  25. 청구항 17에 있어서,
    상기 제어하는 단계에서, 상기 제어하고자 하는 다리의 모드가 상기 지면 충격 흡수 모드로 결정되면, 상기 보행보조 로봇의 다리가 외부에서 들어오는 충격을 흡수하도록 상기 컨트롤러가 임피던스(impedance) 제어를 상기 보행보조 로봇의 고관절과 로봇 다리의 말단을 연결한 선의 길이 방향에 대해서 가상 스프링-댐퍼를 만들어 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어방법.
  26. 청구항 17에 있어서,
    상기 제어하는 단계에서, 상기 제어하고자 하는 다리의 모드가 상기 지면 충격 흡수 및 가상 다리 확장(ground impact absorbing & extension of virtual leg) 모드로 결정되면, 상기 보행보조 로봇의 다리가 외부에서 들어오는 충격을 흡수하도록 상기 컨트롤러가 임피던스(impedance) 제어를 상기 보행보조 로봇의 고관절과 로봇 다리의 말단을 연결한 선의 길이 방향에 대해서 가상 스프링-댐퍼를 만들어 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하면서, 상기 가상 다리에 대해 임피던스 제어가 되는 방향의 평형점을 0도로 세팅하여 가상 다리가 수직이 되도록 다리를 끌어당기도록 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어방법.
  27. 청구항 17에 있어서,
    상기 제어하는 단계에서, 상기 제어하고자 하는 다리의 모드가 상기 지면 푸시(pushing ground) 모드로 결정되면, 상기 제어하고자 하는 다리의 지면 지지부를 직교 좌표계에서 (-x, -y) 방향(여기서, 상기 보행보조 로봇의 전방이 상기 직교좌표계의 +x 방향이고 지면에서 수직으로 멀어지는 방향이 상기 직교좌표계의 +y 방향임)으로 밀어줄 수 있도록 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어방법.
  28. 청구항 17에 있어서,
    상기 제어하는 단계에서, 상기 제어하고자 하는 다리의 모드가 상기 스윙 준비(ready for swing phase) 모드로 결정되면, 상기 제어하고자 하는 다리의 스윙을 용이하게 하기 위하여 상기 컨트롤러가 제어하고자 하는 다리의 지면 지지부를 직교좌표계에서 (+x, +y) 방향(여기서, 상기 보행보조 로봇의 전방이 상기 직교좌표계의 +x 방향이고 지면에서 수직으로 멀어지는 방향이 상기 직교좌표계의 +y 방향임)으로 밀어주도록 상기 컨트롤러가 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부를 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어방법.
  29. 청구항 17에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
    상기 컨트롤러에서, 상기 제어모드가 변경되는지를 판단하는 단계; 및
    상기 제어모드가 변경되는 것으로 판단된 경우, 상기 컨트롤러에서, 사전 설정된 시간 간격 동안 사인파(sinusoidal) 궤적을 따라 0에서 1로 변동하는 천이 파라미터를, 이전 제어모드에서 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부 각각에 적용된 제어토크 및 변경된 신규 제어모드에서 상기 고관절 구동부 및 무릎 구동부 각각에 적용할 제어토크에 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부목형 보행 보조 로봇 시스템의 제어방법.
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