KR102115950B1 - 보행 보조 로봇 및 보행 보조 로봇의 제어 방법 - Google Patents

보행 보조 로봇 및 보행 보조 로봇의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

보행 보조 로봇 및 보행 보조 로봇을 제어하는 방법에 관한 것으로, 보행 보조 로봇을 제어하는 방법은, 적어도 하나의 관절의 동작을 감지하거나, 또는 상기 적어도 하나의 관절의 동작을 측정하는 동작 정보 수집 단계, 상기 감지 또는 측정된 적어도 하나의 관절의 동작을 기초로 상기 적어도 하나의 관절의 동작 상태를 판단하는 동작 판단 단계 및 상기 적어도 하나의 관절의 동작 상태에 대한 판단 결과를 기초로 보행 보조 로봇을 제어하는 제어 단계를 포함할 수 있다.

Description

보행 보조 로봇 및 보행 보조 로봇의 제어 방법{A walk-assistive robot and a method for controlling the walk-assistive robot}
보행 보조 로봇 및 보행 보조 로봇의 제어 방법에 관한 것이다.
보행 보조 기구는, 보행이 불편한 사용자를 보조하여 사용자가 용이하게 보행을 수행할 수 있도록 하는 기구이다. 사람은 유전적 결합과 같은 선천적 이유나, 나이, 질병이나 사고 등과 같은 후천적 이유로 보행이 불편해질 수 있는데, 이와 같은 보행의 불편을 해소하기 위한 기구가 보행 보조 기구이다.
보행 보조 기구로는, 적어도 하나의 차륜과 지지대가 설치된 보행 보조 차나, 보행 시 필요한 힘을 인체의 근육에 인가하여 사용자의 보행을 보조하는 보행 보조 로봇 등이 있다.
여기서 보행 보조 로봇은 보행 보조 로봇은 인체의 둔부, 대퇴부나 정강이부 등에 고정되고, 액츄에이터(actuator) 및 다양한 각종 기계적 수단에 의해 근육 및 관절에 소정의 힘, 일례로 회전력을 인가하여 근육 및 관절의 운동을 보조함으로써 착용자가 용이하게 보행하도록 보조할 수 있다.
적절하고 효율적으로 사용자의 보행을 보조할 수 있는 보행 보조 로봇 및 보행 보조 로봇의 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 보행 보조 로봇 및 보행 보조 로봇의 제어 방법이 제공된다.
보행 보조 로봇은, 적어도 하나의 관절, 상기 적어도 하나의 관절의 동작을 감지하거나 또는 상기 적어도 하나의 관절의 동작을 측정하는 동작 정보 수집부 및 상기 감지되거나 또는 측정된 적어도 하나의 관절의 동작을 기초로 상기 적어도 하나의 관절의 동작 상태를 판단하고, 상기 적어도 하나의 관절의 동작 상태에 대한 판단 결과를 기초로 보행 보조 로봇을 제어하는 처리부를 포함할 수 있다.
보행 보조 로봇을 제어하는 방법은, 적어도 하나의 관절의 동작을 감지하거나, 또는 상기 적어도 하나의 관절의 동작을 측정하는 동작 정보 수집 단계, 상기 감지 또는 측정된 적어도 하나의 관절의 동작을 기초로 상기 적어도 하나의 관절의 동작 상태를 판단하는 동작 판단 단계 및 상기 적어도 하나의 관절의 동작 상태에 대한 판단 결과를 기초로 보행 보조 로봇을 제어하는 제어 단계를 포함할 수 있다.
상술한 보행 보조 로봇 및 보행 보조 로봇의 제어 방법에 의하면, 착용자의 근육이나 관절에 적절한 힘을 인가함으로써 보행 보조 로봇의 착용자가 보행 보조 로봇에 따른 불편함을 느끼지 않고 자연스럽게 보행할 수 있게 되는 효과를 얻을 수 있다.
상술한 보행 보조 로봇 및 보행 보조 로봇의 제어 방법에 의하면, 보행 시 적절한 시기에 적절한 힘을 착용자에게 인가함으로써 보행 보조 이득이 극대화될 수 있다.
상술한 보행 보조 로봇 및 보행 보조 로봇의 제어 방법에 의하면, 보행 시 착용자의 근육이나 관절에 대해 적절하게 힘을 인가할 수 있게 됨으로써 이동 거리 대비 착용자의 에너지 소비를 감소시켜주는 효과도 얻을 수 있다.
또한 관절 별로 보행 속도나 환경 변화에 따라 변동 폭이 큰 포지티브 워크(positive work) 구간 및 네가티브 워크(negative work) 구간을 정확히 감지 및 추정할 수 있게 되는 효과도 얻을 수 있다.
또한 에너지 관점에서 보다 효율적으로 보행을 보조함으로써 보행 보조 로봇의 에너지 소비량을 감소시켜 보행 보조 로봇이 장시간 보행 보조를 수행할 수 있게 된다.
아울러 보행 보조 로봇의 에너지 소비량의 감소에 따라 보행 보조 로봇의 배터리의 크기 및 질량을 감소시킬 수 있게 되어, 보행 보조 로봇의 질량 역시 감소시킬 수 있게 된다. 이에 따라 보행 보조 로봇의 질량에 따른 착용자의 저항감을 절감할 수 있게 되는 효과도 얻을 수 있다.
도 1은 보행 보조 로봇의 일 실시예에 대한 정면도이다.
도 2는 보행 보조 로봇의 일 실시예에 대한 측면도이다.
도 3은 보행 보조 로봇의 일 실시예에 대한 구성도이다.
도 4 및 도 5는 보행 모델의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 회전력 변화 패턴의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 연산된 운동 정보의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 보행 보조 로봇 제어 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
도 9는 보행 보조 로봇의 관절의 동작을 추정하는 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
이하 도 1 내지 도 6을 참조하여 보행 보조 로봇의 일 실시예에 대해서 설명한다. 도 1 및 도 2는 보행 보조 로봇의 일 실시예에 대한 정면도 및 측면도이고, 도 3은 보행 보조 로봇의 일 실시예에 대한 구성도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바에 의하면 보행 보조 로봇(1)은 착용자의 다리 또는 발의 전부 또는 일부에 고정되어 착용자의 보행을 보조하는 보행보조부(2) 및 보행보조부(2)를 제어하거나 또는 각종 정보를 수집할 수 있는 본체부(10)를 포함할 수 있다.
보행 보조부(2)는, 일 실시예에 의하면 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 제1 구조부(20), 제2 구조부(30) 및 제3 구조부(40) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이하 보행 보조 로봇(1)을 설명함에 있어서 설명의 명확함을 위해 제1 구조부(20) 내지 제3 구조부(40)를 모두 포함하는 보행 보조 로봇(1)의 일 실시예에 대해 기술하도록 한다. 그러나 보행 보조 로봇(1)은 상술한 제1 구조부 내지 제3 구조부(20 내지 40)를 모두 포함하는 경우에만 적용될 수 있는 것은 아니며, 이들 제1 구조부 내지 제3 구조부(20 내지 40) 중 어느 일부, 일례로 제1 구조부(20)만 포함하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
일 실시예에 의하면 보행 보조부(2)는 제1 구조부(20), 제2 구조부(30) 및 제3 구조부(40)를 각각 하나씩 포함할 수 있다. 이 경우 착용자의 좌측 다리 및 우측 다리 중 어느 하나에 제1 구조부(20), 제2 구조부(30) 및 제3 구조부(40) 중 적어도 하나가 착용될 수 있을 것이다. 다른 실시예에 의하면 도 1에 도시된 바와 같이 착용자의 좌측 다리 및 우측 다리 모두에 보행 보조부(2)가 설치될 수 있도록 보행 보조부(2)는 한 쌍의 제1 구조부(20, 20a), 한 쌍의 제2 구조부(30, 30a) 및 한 쌍의 제3 구조부(40, 40a)를 포함할 수도 있다. 보행 보조부(2)가 한 쌍의 제1 구조부(20), 한 쌍의 제2 구조부(30) 및 한 쌍의 제3 구조부(40)를 포함하는 경우, 서로 상이한 방향으로 구동될 수 있는 것을 제외하면 각각의 구조부(20 내지 40)의 기능이나 동작은 대동 소이할 수 있다. 또 다른 실시예에 의하면 보행 보조부(2)는 복수의 구조부(20 내지 40) 중 일부의 구조부는 하나만 구비하고, 다른 구조부는 쌍으로 구비하는 것도 가능하다. 예를 들어 보행 보조부(2)는 한 쌍의 제1 구조부(20, 20a) 및 하나의 제2 구조부(30) 및 제3 구조부(40)를 포함하는 것도 가능하다.
이하 단일의 제1 구조부 내지 제3 구조부(20 내지 40)에 대해 설명하도록 하나, 각각의 구조부가 쌍으로 존재하는 경우에도 설명되는 바는 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
제1 구조부(20)는, 보행 동작에 있어서 착용자의 대퇴부 및 고관절의 움직임을 보조하도록 할 수 있다. 제1 구조부(20)는 적어도 하나의 제1 구동부(21) 및 적어도 하나의 제1 지지부(22)를 포함할 수 있다.
제1 구동부(21)는, 본체부(10)의 처리부(17)에서 전달되는 제어 명령 또는 액츄에이터(18)의 구동에 따라 다양한 크기의 회전력(토크, torque)를 발생시켜 제1 지지부(22)에 인가할 수 있다. 제1 지지부(22)에 인가되는 회전력은 고정적일 수도 있고, 가변적일 수도 있다. 제1 지지부(22)에 다양한 크기의 회전력을 인가하면서, 제1 구동부(21)는 적어도 하나의 방향으로 회전할 수도 있다. 제1 구동부(21)의 회전 범위는 착용자의 고관절의 동작 범위 이내일 수 있다.
일 실시예에 의하면 제1 구동부(21)는, 본체부(10)의 전원(16) 등에서 공급되는 전기 에너지에 따라 소정 크기의 회전력을 발생시키는 적어도 하나의 모터를 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 모터는 엔코더(encoder)를 구비한 모터일 수도 있다. 다른 실시예에 의하면 제1 구동부(21)는, 본체부(10) 등에서 공급되는 전기 에너지 또는 유체의 압력, 일례로 유압이나 공기압 등의 압력에 의해 동작하여 회전력을 발생시키는 적어도 하나의 피스톤이나 실린더 장치를 포함할 수도 있다. 실시예에 따라서 제1 구동부(21)는 적어도 하나의 모터 및 적어도 하나의 피스톤이나 실린더 장치를 모두 포함할 수도 있다.
적어도 하나의 제1 지지부(22)는 제1 구동부(21)와 연결되어 제1 구동부(21)에서 발생한 소정 크기의 회전력에 따라 적어도 하나의 방향으로 회전될 수 있다. 제1 지지부(22)는 보행 보조 로봇(1)의 설계자에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어 제1 지지부(22)는 적어도 하나의 지지 패널로 구현될 수도 있다. 또한 제1 지지부(22)는 복수의 마디 및 복수의 마디를 연결하는 링크(link)에 의해 구현될 수도 있다. 여기서 복수의 마디는 지지대나 지지 패널 등으로 구현될 수 있다. 제1 지지부(22)에는 적어도 하나의 제1 고정부(23)가 설치되어 있을 수 있다. 제1 지지부(22)는 제1 고정부(23)를 통하여 착용자의 대퇴부의 내측 또는 외측에 고정될 수 있다.
제1 지지부(22)는 제1 고정부(23)를 통해 착용자의 대퇴부로 제1 구동부(21)에서 발생한 소정 크기의 회전력을 인가할 수 있다. 구체적으로 제1 구동부(21)의 구동에 따라 제1 지지부(22)가 회전하게 되면, 제1 지지부(22)가 제1 고정부(23)에 의해 고정된 착용자의 대퇴부 역시 동일한 방향으로 회전할 수 있다. 결과적으로 제1 구조부(20)는 대퇴부를 들어 올리거나 또는 내리는 착용자의 동작을 보조하도록 소정의 회전력을 착용자의 대퇴부나 고관절 등에 인가할 수 있게 된다. 이에 따라 착용자는 다리를 들어올리거나 보행 시 보행 보조 로봇(1)에 의한 보조를 제공받을 수 있게 된다.
제1 고정부(23)는 금속 소재로 형성된 것일 수도 있고, 또는 고무 등과 같은 각종 탄성력 있는 소재로 형성된 것일 수도 있다. 제1 고정부(23)는 도 1에 도시된 바와 같이 소정의 체인(chain)일 수도 있고, 탄성력을 구비한 밴드일 수도 있으며, 각종 스트랩(strap)일 수도 있다. 이외 제1 지지부(22)를 대퇴부 등에 고정시키기 위해 당업자가 고려할 수 있는 다양한 고정 수단 역시 제1 고정부(23)의 일례로 적용될 수 있다.
제1 구조부(20)는 도 3에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 제1 감지부(25)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 제1 감지부(25)는 제1 구동부(21), 제1 지지부(22) 및 착용자의 고관절의 동작 중 적어도 하나의 동작을 감지할 수 있다. 제1 감지부(25)는 감지된 동작에 따라 소정의 전기적 신호를 생성함으로써 소정의 정보를 획득할 수 있다. 여기서 소정의 정보는 관절 각도, 제1 지지부(22)의 기울기, 관절의 각속도 및 관절의 가속도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 감지부(25)에서 획득한 소정의 정보는, 도 3에 도시된 바와 같이, 동작 상태 판단부(17b)로 전달될 수 있다.
제1 감지부(25)는, 예를 들어 적어도 하나의 관절 각도 센서, 적어도 하나의 기울기 센서, 적어도 하나의 가속도 센서 및 적어도 하나의 관성 측정 장치(IMU, inertial measurement unit) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 감지부(25)는 제1 구동부(21) 및 제1 지지부(22) 중 적어도 하나에 설치되어 있을 수 있다. 실시예에 따라서 제1 구동부(21) 및 제1 지지부(22) 모두에 제1 감지부(25)가 설치되어 있을 수도 있다. 또한 제1 감지부(25) 중 일부는 제1 구동부(21)에 설치되고, 다른 일부는 제1 지지부(22)에 설치되는 것도 가능하다. 예를 들어 관절 각도 센서는 제1 구동부(21)에 설치되고, 기울기 센서나 관성 측정 장치는 제1 지지부(22)에 설치되는 것도 가능하다.
일 실시예에 의하면 제1 구조부(20)는 도 3에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 제1 측정부(26)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 제1 측정부(26)는 제1 구동부(21)와 연결되어 제1 구동부(21)의 동작과 관련된 정보를 측정하도록 할 수 있다. 제1 구동부(21)의 동작과 관련된 정보는, 제1 구동부(21)의 회전 각도, 각속도 및 각가속도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 만약 제1 구동부(21)가 엔코더를 구비한 모터인 경우, 제1 측정부(26)는 엔코더의 엔코더값을 이용하여 관절 각도, 속도 및 가속도를 측정할 수 있다. 제1 측정부(26)에서 측정된 각종 파라미터는 도 3에 도시된 바와 같이 관절 동작 추정부(17a)로 전달될 수 있다.
제2 구조부(30)는, 보행 동작에 있어서 착용자의 하퇴부 및 슬관절의 움직임을 보조하도록 할 수 있다. 제2 구조부(30)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 제2 구동부(31), 제2 지지부(32) 및 제2 고정부(33)를 포함할 수 있다.
제2 구동부(31)는, 제1 구동부(21)와 동일하게 적어도 하나의 방향으로 다양한 크기의 회전력을 발생시킬 수 있다. 제2 구동부(31) 역시 적어도 하나의 모터 및 적어도 하나의 피스톤이나 실린더 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2 구동부(31)의 적어도 하나의 모터는 엔코더를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 제2 지지부(32)는 제2 구동부(31)에서 발생한 회전력에 따라 적어도 하나의 방향으로 회전될 수 있다. 제2 지지부(32a, 32b)의 구성, 구조 및 소재 등은 상술한 제1 지지부(22a, 22b)와 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다.
제2 구조부(30)는 제2 지지부(32)를 착용자의 하퇴부에 고정시키기 위한 적어도 하나의 제2 고정부(33, 34)를 포함할 수도 있다. 제2 지지부(32)는 제2 고정부(33, 34)에 의해서 착용자의 하퇴부의 내측 또는 외측에 고정될 수 있다. 제2 고정부(33, 34)의 구성, 구조 및 소재 등은 상술한 제1 고정부(23)과 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다. 제2 지지부(32)는 제2 고정부(33)가 하퇴부에 고정될 수 있기 때문에, 제2 구조부(30)는 소정의 회전력을 착용자의 하퇴부나 슬관절 등에 인가할 수 있게 된다. 이에 따라 제2 구조부(30)는 하퇴부를 들어 올리거나 또는 내리는 착용자의 동작을 보조할 수 있게 된다.
제2 구조부(30)는 도 3에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 제2 감지부(35)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 제2 감지부(35)는 제2 구동부(31), 제2 지지부(33) 및 착용자의 슬관절의 동작 중 적어도 하나의 동작을 감지하여 전기적 신호로 변환하고, 전기적 신호를 도 3에 도시된 바와 같이 동작 상태 판단부(17b)로 전달될 수 있다. 제2 감지부(35)는 적어도 하나의 관절 각도 센서, 적어도 하나의 기울기 센서, 적어도 하나의 가속도 센서 및 적어도 하나의 관성 측정 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2 감지부(35)는 제2 구동부(31) 및 제2 지지부(32) 중 적어도 하나에 설치되어 있을 수 있다. 제1 감지부(25)의 경우와 동일하게 실시예에 따라서 제2 감지부(35) 중 일부는 제2 구동부(31)에 설치되고, 다른 일부는 제2 지지부(32)에 설치될 수도 있다.
일 실시예에 의하면 제2 구조부(30)는 도 3에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 제2 측정부(36)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 제2 측정부(36)는 제2 구동부(31)의 동작과 관련된 정보, 일례로 제2 구동부(31)의 회전 각도, 각속도 및 각가속도 등을 측정할 수 있다. 만약 제2 구동부(31)가 엔코더를 구비한 모터인 경우, 제2 측정부(36)는 엔코더의 엔코더값을 이용하여 관절 각도, 속도 및 가속도를 측정하도록 할 수도 있다. 제2 측정부(36)에서 측정된 각종 파라미터는 도 3에 도시된 바와 같이 관절 동작 추정부(17a)로 전달될 수 있다.
제3 구조부(40)는 보행 동작에 있어서 착용자의 발목의 동작을 보조할 수 있도록 할 수 있다. 제3 구조부(40)는 도 1에 도시된 바와 같이 제3 구동부(41), 발받침부(42) 및 제3 고정부(43) 등을 포함할 수 있다.
제3 구동부(41)는, 제1 구동부(21)와 동일하게 적어도 하나의 방향으로 다양한 크기의 회전력을 발생시켜, 발목 관절 및 발목 주변의 근육과 관련된 착용자 동작을 보조하도록 할 수 있다. 제3 구동부(41) 역시 제1 구동부(21) 및 제2 구동부(31)과 마찬가지로 적어도 하나의 모터 및 적어도 하나의 피스톤이나 실린더 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 경우 적어도 하나의 모터는 엔코더를 포함할 수 있다.
발받침부(42)는 착용자의 발바닥이 안착될 수 있다.
제3 고정부(43)는 발받침부(42)에 안착된 착용자의 발과 발받침부(42)를 서로 고정시킬 수 있다. 제3 고정부(43)의 구성, 구조 및 소재 등은 상술한 제1 고정부(23) 또는 제2 고정부(33)와 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다.
제3 구조부(40)는 도 3에 도시된 바와 같이 제3 감지부(45)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 제3 감지부(45)는 제3 구동부(41), 제3 지지부(43) 및 착용자의 발목 관절의 동작 중 적어도 하나의 동작을 감지할 수 있다. 제3 감지부(45)는 적어도 하나의 관절 각도 센서, 적어도 하나의 기울기 센서, 적어도 하나의 가속도 센서 및 적어도 하나의 관성 측정 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 한편 제3 감지부(45)는 소정의 압력 센서를 포함할 수도 있다. 소정의 압력 센서는 발받침부(42)에 설치되어 있을 수 있다. 소정의 압력 센서는 착용자의 무게를 감지하여 착용자가 보행 보조 로봇(1)을 착용하였는지 여부나 또는 착용자가 일어섰는지 여부 등을 감지할 수 있다. 또한 소정의 압력 센서는, 착용자가 보행하는 경우 착용자의 발로 전달되는 지면 반력(GRF, ground reaction force)를 감지할 수 있는 지면 반력 센서일 수도 있다. 제3 감지부(45)의 감지에 따라 생성된 신호는 도 3에 도시된 바와 같이 동작 상태 판단부(17b)로 전달될 수 있다.
또한 제3 구조부(40)는 도 3에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 제3 측정부(46)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 제3 측정부(46)는 제3 구동부(41)의 동작과 관련된 정보를 측정하고, 측정한 정보를 관절 동작 추정부(17a)로 전달할 수 있다. 만약 제3 구동부(41)가 엔코더를 구비한 모터인 경우, 제3 측정부(46)는 엔코더의 엔코더값을 이용하여 관절 각도, 속도 및 가속도를 측정하도록 할 수도 있다.
실시예에 따라서 보행 보조 로봇(1)의 제1 내지 제3 고정부(23, 33, 34, 43)의 개수는 보행 보조 로봇(1)의 설계자의 설계 의도에 따라서 상술한 것보다 더 많을 수도 있고, 더 적을 수도 있다.
상술한 제1 구조부 내지 제3 구조부(20 내지 40)는, 본체부(10)에 설치된 엑츄에이터(17)에 의해 동작이 개시되거나 제어될 수 있다. 제1 구조부 내지 제3 구조부(20 내지 40)는, 각각 별도로 제어 신호를 전달받거나 액츄에이터(17)에 의해 동력을 전달받아 동작할 수도 있다.
본체부(10)는 보행 보조부(2)의 동작을 제어하거나 또는 각종 정보를 수집할 수 있다. 아울러 본체부(10)는 착용자의 상체를 지지하여 착용자가 안정적으로 보행 보조 로봇(1)을 착용하도록 보조할 수도 있다.
본체부(10)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 보행 보조 로봇(1)을 제어하기 위한 각종 부품을 내장 가능한 하우징(10a)을 포함할 수 있다. 하우징(10a)은 본체 감지부(15), 전원(16), 처리부(17)의 기능을 수행하는 프로세서(processor) 또는 각종 반도체 칩이 배설될 수 있는 인쇄 회로 기판 등을 내장할 수 있다. 본체부(10)의 하우징(10a)은 내장되는 각종 부품을 안전하게 보호하면서 또한 각종 부품을 안정적으로 고정시킬 수 있다. 하우징(10a)은 내부에 처리부(17) 등의 기능을 제공하는 프로세서(processor)나 각종 반도체 칩이 배설될 수 있는 인쇄 회로 기판 등 보행 보조 로봇(1)을 제어하기 위한 각종 부품이 내장되어 있을 수 있다.
본체부(10)는, 적어도 하나의 제1 허리 고정부 및 제2 허리 고정부(11, 12)를 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 제1 허리 고정부 및 제2 허리 고정부(11, 12)는 착용자 신체의 일부, 일례로 착용자의 허리에 하우징(10a)을 고정할 수 있다. 제1 허리 고정부(11)는 예를 들어 하우징(10a)에 연결되고, 제2 허리 고정부(12)는 제1 허리 지지부(13)에 연결되어 있을 수 있다. 적어도 하나의 제1 허리 고정부 및 제2 허리 고정부(11, 12)는, 금속 소재로 형성된 것일 수도 있고, 또는 고무 등과 같은 각종 탄성력 있는 소재로 형성된 것일 수도 있다. 적어도 하나의 제1 허리 고정부 및 제2 허리 고정부(11, 12)는 체인, 탄성력을 구비한 밴드 또는 각종 다양한 종류의 스트랩일 수 있으며, 이외에도 하우징(10a) 등을 허리나 둔부 등에 고정시킬 수 있도록 당업자가 고려할 수 있는 다양한 고정 수단이 적어도 하나의 제1 허리 고정부 및 제2 허리 고정부(11, 12)로 이용될 수 있다. 본체부(10)는, 착용자의 허리를 지지하기 위한 제1 허리 지지부(13)를 더 포함할 수도 있다. 제1 허리 지지부(13)는 착용자의 허리를 지지하기 위해서 착용자의 허리 형태에 대응하는 형상으로 디자인되어 있을 수 있다. 제1 허리 지지부(13)는 도 1에 도시된 바와 같이 하우징(10a)과 적어도 하나의 제2 허리 지지부(14)에 의해 연결되어 있을 수 있다.
본체부(10)는, 도 3에 도시된 바와 같이 본체 감지부(15), 전원(16), 처리부(17) 및 액츄에이터(18) 등을 포함할 수 있다.
본체 감지부(15)는 착용자의 각종 동작 등을 감지하여 동작과 관련된 각종 정보를 수집할 수 있다. 일례로 본체 감지부(15)는 착용자의 보행 속도 등을 감지할 수 있다. 본체 감지부(15)는, 적어도 하나의 속도 센서, 적어도 하나의 기울기 센서, 적어도 하나의 가속도 센서, 적어도 하나의 관성 측정 장치 및 위치 측정 장치, 일례로 쥐피에스(GPS, Global Positioning System) 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전원(16)은 하우징(10a) 내부의 각종 부품이나 또는 보행 보조부(2)의 각 구동부(21, 31, 41) 등의 부품에 동력을 공급할 수 있다. 전원(16)은 하우징(16a)에 내장되어 있을 수 있다. 전원(16)은 일차 전지일 수도 있고 이차 전지일 수도 있다. 일차 전지는 수은전지, 망간전지, 알카라인전지 및 리튬전지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이차 전지는 니켈-카드늄(Ni-cd)전지, 니켈-수소(Ni-CD)전지, 납 축전지(Lead Acid), 리튬 이온(Li-ion)전지, 리튬폴리머전지 등을 포함할 수 있다.
처리부(17)는 제1 감지부 내지 제3 감지부(25, 35, 45), 제1 측정부 내지 제3 측정부(26, 36, 46) 등에서 전달되는 정보를 기초로 적어도 하나의 관절, 일례로 고관절, 슬관절 및 발목 관절이나 각 관절에 대응하는 구동부(21, 31, 41)의 동작 상태를 판단할 수 있다. 아울러 처리부(17)는, 적어도 하나의 관절이나 관절에 대응하는 구동부(21, 31, 41)의 동작 상태에 대한 판단 결과를 기초로 보행 보조 로봇을 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수도 있다.
처리부(17)는 하우징(10a)에 내장된 소정의 프로세서에 의해 구현될 수 있다. 소정의 프로세서는 적어도 하나의 실리콘 칩에 산술 논리 연산기, 레지스터, 프로그램 카운터, 명령 디코더나 제어 회로 등이 설치되어 있는 처리 장치일 수 있다. 소정의 프로세서는 하우징(10a)에 내장된 소정의 인쇄 회로 기판에 배치된 적어도 하나의 반도체 칩에 의해 구현될 수 있다.
처리부(17)는, 도 3에 도시된 바와 같이 관절 동작 추정부(17a), 동작 상태 판단부(17b) 및 제어 명령 생성부(17c)를 포함할 수 있다.
관절 동작 추정부(17a)는 각각의 측정부(26, 36, 46)에서 전달된 동작과 관련된 적어도 하나의 정보를 기초로 착용자와 어시스트 로봇의 역동역학 모델을 계산함으로써 관절의 동작을 추정하도록 할 수 있다.
관절 동작 추정부(17a)는 일 실시예에 의하면 소정의 보행 모델을 기반으로 관절의 동작을 추정할 수 있다. 도 4 및 도 5는 보행 모델의 일 실시예로서 유한 상태 기계 모델(finite state machine model)를 설명하기 위한 도면이다. 도 4에 도시된 바에 따르면 보행은 8개의 단계(s1 내지 s8)로 구분될 수 있다.
보행 제1 단계(s1)에서 우측 다리는 부하 반응 상태(LR, loading response state)이고, 좌측 다리는 스윙 전 상태(PSw, pre-swing state)에 해당한다. 보행 제8 단계(s8)에서 보행 제1 단계(s1)로 상태 변경(transition)가 일어나는 도중에는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 우측 발의 발뒤꿈치가 지면에 닿을 수 있다. 반면에 좌측 발은 발가락이 지면에 닿아 있고, 좌측 발의 발 뒤꿈치는 지면과 이격될 수 있다(s8-s1).
보행 제2 단계(s2)에서는 우측 다리는 미드 스탠스 상태(MSt, mid stance state)이고, 좌측 다리는 초기 스윙 상태(ISW, initial swing state)이다. 보행 제1 단계(s1)에서 제2 단계(s2)로 상태 변경이 일어나는 과정에는 우측 발은 발가락과 발뒤꿈치가 동시에 지면에 닿아 있고, 좌측 다리는 스윙(swing) 동작을 개시한다. 좌측 다리의 발뒤꿈치가 지면에서 먼저 이격되고, 발가락은 발뒤꿈치가 지면에서 이격된 후에 지면에서 이격될 수 있다(s1-s2).
보행 제3 단계(s3)에서는 우측 다리는 여전히 미드 스탠스 상태이고, 좌측 다리는 스윙 중 단계(MSw, mid swing state)이다. 보행 제2 단계(s2)에서 보행 제3 단계(s3)로 상태 변경이 일어나는 도중에는 우측 발의 발가락과 발뒤꿈치는 모두 지면에 닿아 있고, 좌측 다리는 스윙 동작을 지속해서 수행한다. 우측 발과 좌측 발은 서로 인접한 거리 위치할 수 있다(s2-s3).
보행 제4 단계(s4)는 우측 다리는 터미널 스탠스 상태(TSt, terminal stance state)이고, 좌측 다리는 최종 스윙 단계(TSw, terminal swing state)이다. 보행 제3 단계(s3)에서 보행 제4 단계(s4)로 상태 변경이 발생할 때, 우측 발의 발뒤꿈치가 지면에서 이격되기 시작한다. 반면에 우측 발의 발가락은 아직 지면에 닿아 있을 수 있다. 한편 좌측 발은 아직 지면에 닿지 않은 상태를 유지한다(s3-s4).
보행 제5 단계(s5)에서는, 보행 제1 단계(s1)과 반대로 좌측 다리는 부하 반응 상태이고, 우측 다리는 스윙 전 상태에 해당한다. 보행 제4 단계(s4)에서 보행 제5 단계(s5)로 상태 변경이 일어날 때는 좌측 발의 발뒤꿈치가 지면에 접촉한다. 한편 우측 발의 발가락은 지면에 닿아있고, 발뒤꿈치는 지면에서 이격되어 있을 수 있다(s4-s5).
보행 제6 단계(s6)에서는 좌측 다리는 미드 스탠스 상태이고, 좌측 다리는 초기 스윙 상태에 해당한다. 보행 제5 단계(s5)에서 보행 제6 단계(s6)로 상태 변경이 발생할 때, 좌측 발은 발가락과 발뒤꿈치가 동시에 지면에 접촉할 수 있다. 우측 다리는 우측 발의 발가락이 지면에서 이격되면서 스윙 동작을 개시할 수 있다(s5-s6).
보행 제7 단계(s7)에서는 좌측 다리는 여전히 미드 스탠스 상태이고, 우측 다리는 스윙 중 단계이다. 보행 제6 단계(s6)에서 보행 제7 단계(s7)로 상태 변경이 일어나는 경우에는 좌측 발의 발가락과 발뒤꿈치는 모두 지면에 닿아 있고, 우측 다리는 스윙 동작을 지속해서 수행한다(s6-s7).
보행 제8 단계(s8)에서는 좌측 다리는 터미널 스탠스 상태이고, 좌측 다리는 최종 스윙 단계에 해당한다. 보행 제7 단계(s7)에서 보행 제8 단계(s8)로의 상태 변경에서는 우측 발은 아직 지면에 닿지 않은 상태를 유지하고, 좌측 발의 발뒤꿈치는 지면에서 이격되기 시작한다(s7-s8).
상술한 제1 단계 내지 제8 단계(s1 내지 s8)는 보행이 수행되는 동안 계속 반복될 수 있다.
적어도 하나의 측정부(26, 36, 46)는 보행 중 보행 단계의 상태 변경(s8-s1 내지 s7-s8)가 발생할 때, 적어도 하나의 관절의 동작과 관련된 정보를 측정 및 수집할 수 있다. 적어도 하나의 측정부(26, 36, 46)는 상태 변경 과정(s8-s1 내지 s7-s8)에서의 어느 하나의 특정 시점에서의 관절의 동작과 관련된 정보를 측정할 수 있다. 실시예에 따라서 적어도 하나의 측정부(26, 36, 46)는 하나의 상태 변경 과정에서 복수의 특정 시점의 관절의 동작과 관련된 정보를 측정하고 특정된 복수의 정보의 평균이나 중간값을 획득하도록 할 수도 있다.
구체적으로 적어도 하나의 측정부(26, 36, 46)는 착용자의 복수의 관절 중 적어도 하나의 측정부(26, 36, 46)에 대응되는 적어도 하나의 관절의 동작과 관련된 정보를 수집할 수 있다. 또한 적어도 하나의 측정부(26, 36, 46)는 제1 구동부 내지 제3 구동부(21, 31, 41) 중 적어도 하나의 측정부(26, 36, 46)가 대응되는 적어도 하나의 구동부의 동작과 관련된 정보를 수집하여 적어도 하나의 관절의 동작과 관련된 정보를 수집할 수도 있다. 이 경우 측정부(26, 36, 46)에서 측정되는 정보는 적어도 하나의 관절의 각도, 적어도 하나의 관절의 각속도, 적어도 하나의 관절의 각가속도, 보행 보조 로봇(1)의 보행 속도 및 지면 반력 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 측정부(26, 36, 46)에서 측정된 정보는, 관절 동작 추정부(17a)로 전달되거나, 또는 일시적 또는 비일시적으로 소정의 저장 장치에 저장된 후 관절 동작 추정부(17a)로 전달될 수 있다.
일 실시예에 의하면 적어도 하나의 측정부(26, 36, 46)는 발생하는 모든 상태 변경 과정에서 적어도 하나의 관절의 동작과 관련된 정보를 측정 및 수집할 수도 있다. 다른 일 실시예에 의하면, 적어도 하나의 측정부(26, 36, 46)는 일부의 상태 변경 과정에서만 적어도 하나의 관절의 동작과 관련된 정보를 수집할 수도 있다. 예를 들어 적어도 하나의 측정부(26, 36, 46)는, 도 5의 제1 상태 변경 과정(s8-s1) 내지 제4 상태 변경 과정(s3-s4)에서만 적어도 하나의 관절의 동작과 관련된 정보를 측정 및 수집할 수도 있다.
일 실시예에 있어서 적어도 하나의 측정부(26, 36, 46)가 적어도 하나의 관절의 동작과 관련된 정보를 측정 및 수집하는 경우, 측정 시점에 대한 시간 정보도 다른 정보와 함께 관절 동작 추정부(17a)로 전달될 수 있다.
관절 동작 추정부(17a)는 측정부(26, 36, 46)에서 측정을 수행한 시점에 대한 시간 정보 및 측정부(26, 36, 46)에서 측정한 정보를 이용하여 관절의 동작을 연산하여 추정하도록 할 수 있다. 이 경우 추정되는 관절의 동작은 다음의 보행 과정의 적어도 하나의 관절의 동작 상태를 판단하는데 이용될 수 있다. 예를 들어 제1 상태 변경 과정 내지 제4 상태 변경 과정(s8-s1 내지 s3-s4)에서 추정된 관절의 동작은, 보행 제5 단계 내지 보행 제8 단계(s5 내지 s8)에서의 적어도 하나의 관절의 동작 상태 판단을 위해 이용될 수 있다.
관절 동작 추정부(17a)는 소정의 보간법(interpolation)을 이용하여 관절의 동작과 관련된 정보가 측정된 복수의 시점 사이에서의 관절의 동작과 관련된 정보를 추정하도록 할 수 있다. 이 경우 추정되는 관절의 동작과 관련된 정보는 관절의 각도, 관절의 각속도 및 관절의 각가속도를 포함할 수 있다.
관절 동작 추정부(17a)는 제1 측정부 내지 제3 측정부(26, 36, 46) 중 적어도 하나의 측정부에서 측정된 적어도 하나의 측정값을 기초로 적어도 하나의 관절의 회전력을 연산할 수 있다. 이 경우 제1 측정부 내지 제3 측정부(26, 36, 46)가 측정한 적어도 하나의 관절의 동작에 대한 각종 파라미터, 일례로 관절 각도, 관절의 각속도 및 관절의 가속도 등이 적어도 하나의 관절의 회전력 연산을 위해 이용될 수 있다.
일 실시예에 의하면 관절 동작 추정부(17a)는 다음의 수학식 1을 이용하여 관절의 회전력을 연산할 수 있다.
Figure 112013101554587-pat00001
여기서 τ는 관절의 회전력을 의미한다. q는 관절의 각도를 의미하고, t는 시간을 의미한다. 따라서 dq/dt는 관절의 각속도를 의미하고, d2q/dt2은 관절의 각가속도를 의미한다. M(·)는 착용자의 자세에 따라 변화될 수 있는 질량을 반영하기 위한 함수이고, C(·)는 다리의 회전에 따른 코리올리 힘(Coriolis force)를 반영하기 위한 함수이며, G(·)는 지구 중력을 반영하기 위한 함수이다. 각각의 함수는 시스템 설계자에 의해 임의적으로 정의될 수 있다. 실시예에 따라서 각각의 함수는 사용자가 정의할 수도 있고, 또는 미리 정의된 복수의 함수 중에서 사용자가 선택할 수도 있다.
관절 동작 추정부(17a)에서 연산된 적어도 하나의 추정 또는 연산 결과, 일례로 관절의 회전력, 관절의 각도, 관절의 각속도 또는 관절의 각가속도에 대한 추정 또는 연산 결과는 동작 상태 판단부(17b)로 전달될 수 있다.
동작 상태 판단부(17b)는 감지 또는 측정된 적어도 하나의 관절의 동작을 기초로 관절의 동작이 포지티브 워크 상태(positive work state)인지 또는 네가티브 워크 상태(negative work state)인지를 판단하도록 할 수 있다.
동작 상태 판단부(17b)는, 일 실시예에 의하면 제1 감지부 내지 제3 감지부(25, 35, 45) 중 적어도 하나에서 전달되는 신호를 이용하여 동작 상태를 판단하도록 할 수 있다. 다른 일 실시예에 의하면 동작 상태 판단부(17b)는 관절 동작 추정부(17a)에서 추정된 관절의 동작에 대한 정보, 일례로 관절의 회전력이나 관절의 각도에 대한 추정값에 대한 데이터를 전달받고, 전달받은 데이터를 기초로 관절의 동작 상태를 판단하도록 할 수 있다.
일 실시예에 의하면 동작 상태 판단부(17b)는 감지 또는 측정된 적어도 하나의 관절의 동작을 기초로 상기 관절의 운동과 관련된 운동 정보를 연산할 수 있다. 동작 상태 판단부(17b)는 제1 감지부 내지 제3 감지부(25, 35, 45)에서 감지된 회전력 또는 관절 동작 추정부(17a)에서 추정된 관절의 회전력을 기초로 관절의 운동과 관련된 운동 정보를 연산할 수 있다. 일 실시예에 의하면 동작 상태 판단부(17b)는 다음의 수학식 2을 이용하여 운동 정보의 일례인 일률을 연산할 수 있다.
Figure 112013101554587-pat00002
여기서 P는 일률(power)를 나타낸다. τ(t)는 시간에 따른 회전력의 함수이며, q(t)는 시간에 따른 관절의 각도를 의미하고, dq/dt는 시간에 따른 관절의 각속도를 의미할 수 있다. 수학식 2에 의하면 운동 정보는 일률(p)로 연산될 수 있다. 수학식 2로 표현되는 일률(P)을 적분하면 다음의 수학식 3에 기재된 바와 같이 일(work)을 연산할 수 있다.
Figure 112013101554587-pat00003
여기서 W는 일을 의미한다. 일(W) 역시 운동량(P)처럼 운동 정보로 이용될 수 있다.
동작 상태 판단부(17b)는 연산된 일률(P) 또는 일(W) 등의 운동 정보가 양(+)의 값을 구비하거나 또는 양(+)의 값으로 변화하는 경우, 동작 상태 판단부(17b)는 관절의 동작 상태가 포지티브 워크 상태인 것으로 판단할 수 있다. 만약 연산된 운동 정보가 음(-)의 값을 구비하거나 또는 음(-)의 값으로 변화하는 경우, 동작 상태 판단부(17b)는 관절의 동작 상태를 네가티브 워크 상태로 판단할 수 있다.
또한 동작 상태 판단부(17b)는 감지 또는 측정된 적어도 하나의 관절의 동작을 기초로 관절의 동작 상태가 변경되었는지 여부도 판단할 수 있다. 예를 들어 동작 상태 판단부(17b)는 관절의 동작이 정지 상태에서 포지티브 워크 상태 또는 네가티브 워크 상태로 변경되었는지 여부도 판단할 수 있다. 또한 동작 상태 판단부(17b)는 포지티브 워크 상태 또는 네가티브 워크 상태에서 네가티브 워크 상태 또는 포지티브 워크 상태로 변경되었는지 여부도 판단할 수 있다.
동작 상태 판단부(17b)는, 각각의 관절 또는 구동부(21, 31, 36)마다 별도로 동작 상태를 판단하도록 할 수 있다.
제어 명령 생성부(17c)는 동작 상태 판단부(17b)의 판단 결과에 따라서 소정의 제어 명령을 생성한 후, 액츄에이터(18) 또는 각종 구동부(21, 31, 41) 등으로 전달하여 보행 보조 로봇(1)의 동작을 제어할 수 있다.
제어 명령 생성부(17c)는 동작 상태 판단부(17b)로부터 관절의 동작 상태가 변경되었다는 판단 결과를 수신하면, 현재 수행되고 있는 제어 모드를 중단하고 새로운 제어 모드를 개시하도록 할 수 있다. 만약 동작 상태 판단부(17b)로부터 관절의 동작 상태가 변경되지 않았다는 판단 결과를 수신하면 제어 명령 생성부(17c)는 현지 수행되고 있는 제어 모드를 중단하지 않고 유지할 수 있다.
만약 동작 상태 판단부(17b)로부터 포지티브 워크 상태라는 판단 결과를 수신하면, 제어 명령 생성부(17c)는 적어도 하나의 관절의 동작을 가속시키기 위한 가속 보조 제어 모드에 따라 보행 보조 로봇(1)을 제어할 수 있다. 만약 동작 상태 판단부(17b)로부터 네가티브 워크 상태라는 판단 결과를 수신하면, 제어 명령 생성부(17c)는 적어도 하나의 관절의 동작을 감속시키기 위한 감속 보조 제어 모드에 따라 보행 보조 로봇(1)을 제어할 수 있다.
제어 명령 생성부(17c)는 소정의 제어 패턴 데이터베이스(19)를 열람하여 각각의 상태에 따라서 소정의 제어 패턴을 획득한 후, 획득한 제어 패턴에 따라서 소정의 제어 신호를 생성할 수 있다. 생성한 제어 신호는 액츄에이터(18) 또는 보행 보조부(2)로 전달될 수 있다.
제어 명령 생성부(17c)는 중력이나 지면 반력 등 외부의 힘을 보상하기 위한 동적 보상 회전력(dynamics compensation torque)을 상기 적어도 하나의 관절에 더 인가하도록 제어 명령을 생성한 후, 각각의 구동부(25, 35, 45)에 전달할 수도 있다.
일 실시예에 의하면 제어 명령 생성부(17c)는 하기의 수학식 4에 따라 적어도 하나의 관절에 인가될 회전력을 연산한 후, 연산된 회전력에 따라 액츄에이터(18) 또는 보행 보조부(2)에 대한 제어 신호를 생성한 후, 생성한 제어 신호를 액츄에이터(18) 또는 보행 보조부(2)로 전달할 수 있다.
Figure 112013101554587-pat00004
여기서 τdes는 관절에 인가될 보조 회전력을 의미한다. τpw는 액티브 회전력(active torque)을 의미하고, τnw는 댐핑 회전력(damping torque)을 의미한다. Wsync는 착용자와 보행 보조 로봇(1)의 싱크로나이즈 수준을 표시하기 위한 싱크로나이제이션 인덱스(Human & robot synchronization index)를 의미한다. τcomp는 동적 보상 회전력을 의미한다.
이하 수학식 4의 액티브 회전력(τpw)에 대해 설명한다.
액티브 회전력(τpw)은 착용자의 다리의 가속을 보조하기 위하여 착용자의 다리에 인가되는 회전력을 의미한다. 일 실시예에 의하면 액티브 회전력(τpw)은 하기의 수학식 5 및 수학식 6와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112013101554587-pat00005
Figure 112013101554587-pat00006
수학식 5는 액티브 회전력(τpw)을 활성화시킬 경우에 액티브 회전력(τpw)을 연산하기 위한 수식이고, 수학식 6은 액티브 회전력(τpw)을 활성화시키지 않을 경우에 액티브 회전력(τpw)을 연산하기 위한 수식이다.
여기서 A(t)는 시간(t)을 기준으로 회전력의 변화에 대한 회전력 변화 패턴을 나타내는 함수를 의미한다. sign(·)은 회전력 변화 패턴의 부호를 결정하기 위한 함수로, 입력되는 값이 양수인 경우에는 sign(·) 함수는 1을 출력하고, 입력되는 값이 음수인 경우에는 sign(·) 함수는 -1을 출력할 수 있다. Dn은 네가티브 댐핑(negative damping)을 반영하기 위한 네가티브 댐핑 계수(negative damping coefficient)이다. 네가티브 댐핑 계수는 0보다 작을 수 있다.
도 6은 수학식 5에서 회전력 변화 패턴을 나타내는 함수, A(t)의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 회전력 변화 패턴은, 일 실시예에 의하면 이전 보행 상태 변화 시의 시간 정보(t)와 회전력의 변화 지점에 대한 정보(vp) 및 현재 보행 상태 시의 최대 관절 회전력 정보를 기초로 결정될 수 있다.
이전 보행 상태 변화 시의 시간 정보(t)는 유한 상태 기계 모델에서 상태 변경 시 획득한 측정 시점에 대한 시간 정보를 이용할 수 있다. 회전력의 변화 지점에 대한 정보(vp)는, 유한 상태 기계 모델에서 획득한 측정 시점에 대한 시간 정보와 상태 변경 시의 관절 각도 정보를 이용하여 획득될 수 있다. 예를 들어 관절 각도가 최대치인 경우 회전력의 방향이 변경될 수 있으므로, 관절 각도가 최대인 시점의 시간 정보를 이용하면 회전력이 변화하는 지점에 대한 정보(vp)를 획득할 수 있게 된다. 이전 보행 상태 변화 시의 시간 정보(t) 및 회전력의 변화 지점에 대한 정보(vp)를 이용하면 회전력의 방향이 일정한 경우의 기간(it)를 획득할 수 있다. 한편 적용될 회전력의 크기는 현재 보행 상태 시의 최대 관절 회전력에 비례해서 결정할 수 있다. 이 경우 적용될 회전력의 크기는 최대 관절 회전력의 크기보다 더 작게 정의될 수 있다. 이와 같이 이전 보행 상태 변화 시의 시간 정보(t)와 회전력의 변화 지점에 대한 정보(vp), 회전력의 방향이 일정한 경우의 기간 및 현재 보행 상태 시의 최대 관절 회전력 정보 등이 결정되면, 결정된 정보를 기초로 도 6에 도시된 바와 같이 시간(t)에 따라 결정되는 회전력 변화 패턴 함수, A(t)를 정의할 수 있다.
수학식 5의 네가티브 댐핑 계수(Dn)는 관절에 진동을 가하여 관절 동작의 가속을 보조하도록 하기 위한 값이다. 네가티브 댐핑 계수(Dn)는 시스템 설계자 등에 의해 임의적으로 결정될 수도 있다.
만약 액티브 회전력(τpw)을 이용하는 경우라면 액티브 회전력(τpw)은 수학식 5 등에 의해서 소정의 값을 구비하게 될 수 있다. 이 경우 관절에는 액티브 회전력(τpw)도 반영한 보조 회전력(τdes)이 인가될 수 있다(수학식 4 참조). 만약 댐핑 회전력(τnw)이 0인 경우라면, 수학식 4의 보조 회전력(τdes)은 액티브 회전력(τpw) 및 동적 보상 회전력(τcomp)만을 반영하여 결정될 것이다. 만약 액티브 회전력(τpw)을 이용하지 않는 경우라면 액티브 회전력(τpw)은 수학식 6에 기재된 바와 같이 0이 된다. 액티브 회전력(τpw)이 0이기 때문에 수학식 4에는 댐핑 회전력(τnw) 및 동적 보상 회전력(τcomp)만이 남게 된다. 따라서 댐핑 회전력(τnw) 및 동적 보상 회전력(τcomp)만을 반영한 보조 회전력(τdes)이 관절에 인가될 수 있을 것이다.
제어 명령 생성부(17c)는 관절의 동작 상태가 포지티브 워크 상태인 경우, 수학식 5에 따라 액티브 회전력(τpw)을 연산하여 액티브 회전력(τpw)을 반영한 보조 회전력(τdes)을 획득하고, 보조 회전력(τdes)에 따라서 각각의 구동부(25, 35, 45)에 대한 소정의 제어 신호를 생성하여 각각의 구동부(25, 35, 45)에 전달하도록 할 수 있다. 만약 관절의 동작 상태가 포지티브 워크 상태가 아닌 경우, 제어 명령 생성부(17c)는 수학식 6에 따라 액티브 회전력(τpw)을 0으로 결정하여 액티브 회전력(τpw)을 반영하지 않은 보조 회전력(τdes)을 획득하도록 할 수 있다. 관절의 동작 상태가 포지티브 워크 상태가 아닌 경우는 예를 들어 관절의 동작 상태가 네가티브 워크 상태인 경우일 수 있다.
이하 수학식 4의 댐핑 회전력(τnw)에 대해 설명하도록 한다.
일 실시예에 의하면 댐핑 회전력(τnw)은 하기의 수학식 7 및 수학식 8에 따라 결정될 수 있다.
Figure 112013101554587-pat00007
Figure 112013101554587-pat00008
수학식 7은 댐핑 회전력(τnw)을 활성화시킬 경우에 댐핑 회전력(τnw)을 연산하기 위한 수식이고, 수학식 8은 댐핑 회전력(τnw)을 활성화시키지 않을 경우에 댐핑 회전력(τnw)을 연산하기 위한 수식이다.
수학식 7에서 Dp는 포지티브 댐핑 계수로 임의적으로 선택될 수 있는 값이다. 수학식 7에 기재된 바를 참조하면 댐핑 회전력(τnw)의 크기는 관절의 각가속도(dq/dt)에 비례하여 결정될 수 있으며, 댐핑 회전력(τnw)의 방향은 관절의 각가속도(dq/dt)의 반대 방향으로 결정될 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이 댐핑 회전력(τnw)을 관절의 각가속도(dq/dt)에 따라 결정하는 경우, 보행 속도가 기대 이상으로 감소되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 다음 보행 과정에서 높은 보조 회전력을 인가할 필요가 없게 된다. 따라서 보다 효과적인 보행이 수행될 수 있다.
만약 댐핑 회전력(τnw)을 이용하는 상태라면 댐핑 회전력(τnw)은 수학식 7에 의해 연산되어 0이 아닌 값을 구비할 수 있다. 이 경우 관절에는 수학식 4에 기재된 바와 같이 댐핑 회전력(τnw)을 반영한 보조 회전력(τdes)이 인가될 수 있다. 만약 액티브 회전력(τpw)이 0인 경우라면, 보조 회전력(τdes)은 댐핑 회전력(τnw) 및 동적 보상 회전력(τcomp)만을 반영한 것일 수 있다. 만약 댐핑 회전력(τnw)을 이용하지 않는 상태라면 댐핑 회전력(τnw)은 수학식 8과 같이 0으로 정의될 수 있으므로 수학식 4에는 액티브 회전력(τpw) 및 동적 보상 회전력(τcomp)만이 남는다. 결과적으로 액티브 회전력(τpw) 및 동적 보상 회전력(τcomp)만을 반영한 보조 회전력(τdes)이 관절에 인가될 수 있을 것이다.
제어 명령 생성부(17c)는 관절의 동작 상태가 네가티브 워크 상태인 경우, 수학식 7에 따라 댐핑 회전력(τnw)을 연산하여 댐핑 회전력(τnw)을 반영한 보조 회전력(τdes)을 획득하고, 보조 회전력(τdes)에 따라서 각각의 구동부(25, 35, 45)에 대한 소정의 제어 신호를 생성할 수 있다. 생성된 제어 신호는 각각의 구동부(25, 35, 45)에 전달하도록 할 수 있다. 만약 관절의 동작 상태가 네가티브 워크 상태가 아닌 경우, 예를 들어 포지티브 워크 상태인 경우, 제어 명령 생성부(17c)는 수학식 6에 따라 댐핑 회전력(τnw)을 0으로 결정하여 댐핑 회전력(τnw)을 반영하지 않은 보조 회전력(τdes)을 획득하도록 할 수 있다.
이하 수학식 4의 싱크로나이제이션 인덱스(Wsync)에 대해 설명하도록 한다.
싱크로나이제이션 인덱스(Wsync)는 착용자와 보행 보조 로봇(1) 사이의 유사도를 나타낼 수 있다. 이와 같이 유사도는 보행 과정의 반복성이나 주기성을 비교하여 획득될 수 있다. 싱크로나이제이션 인덱스(Wsync)를 관절에 인가될 회전력에 반영하는 경우, 보다 적극적으로 보조 회전력을 인가할 수 있으며, 잘못된 보조 회전력이 각 관절에 인가되는 것을 방지할 수 있게 된다.
싱크로나이제이션 인덱스(Wsync)는, 일 실시예에 의하면 다음의 수학식 9에 의해 연산될 수 있다.
Figure 112013101554587-pat00009
w1 및 w2는 시스템 설계자 등에 의해 결정될 수 있는 임의의 가중치이다. P는 상태 변이 시의 동작에 대한 정보이고, t는 상태 변이 시의 시간에 대한 정보를 의미한다. k는 현재의 상태를 나타내는 인덱스이고, k-1는 현 상태 이전의 상태를 나타내기 위한 인덱스이다. 따라서 Pk는 현재의 상태 변이 시의 동작에 대한 정보를 의미하고, Pk-1은 이전 상태 변이 시의 동작에 대한 정보를 나타낸다.
이하 수학식 4의 동적 보상 회전력(τcomp)에 대해 설명하도록 한다.
동적 보상 회전력(τcomp)은 보행 보조 로봇(1)의 각종 부품의 마찰이나 에너지 손실, 중력이나 지면 반력 등으로부터 기인한 착용자의 로봇에 대한 저항감을 감소시키기 위해 적용될 수 있다. 동적 보상 회전력(τcomp)은, 액티브 회전력(τpw)이나 댐핑 회전력(τnw)와 함께 관절에 인가될 수 있다. 또한 동적 보상 회전력(τcomp)은, 액티브 회전력(τpw)이나 댐핑 회전력(τnw)이 관절에 인가되지 않는 경우에도 관절에 인가될 수도 있다.
동적 보상 회전력(τcomp)은 실시예에 따라서 스탠스 상태의 다리와 스윙 상태의 다리에 서로 동일하게 인가될 수도 있고, 서로 상이하게 인가될 수도 있다.
일 실시예에 의하면, 스탠스 상태의 다리의 관절에 인가되는 동적 보상 회전력(τcomp)은, 하기의 수학식 10에 의해 연산될 수도 있다.
Figure 112013101554587-pat00010
여기서 Ks(·)는 강도 보상을 위해 정의된 함수이고, Dv(·)는 점성 마찰을 보상하기 위해 정의된 함수이며, G(·)는 중력 보상을 위해 정의된 함수이다. qd는 이상적인 상태에서의 관절의 각도를 의미하고, q는 측정된 관절의 각도를 의미한다. dq/dt는 관절의 각속도를 의미한다.
다시 말해서 다리가 스탠스 상태인 경우, 강도, 점성 마찰 및 중력 보상이 가능하도록 다리의 관절에 동적 보상 회전력(τcomp)을 더 인가하도록 할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 스윙 상태의 다리의 관절에 인가되는 동적 보상 회전력(τcomp)은 상술한 수학식 10, 하기의 수학식 11 내지 수학식 12를 이용하여 연산될 수도 있다.
만약 다리가 저속으로 스윙하는 경우에는, 다리가 스탠스 상태인 것과 동일하게 상술한 수학식 10를 통해 동적 보상 회전력(τcomp)을 연산할 수 있다.
만약 다리가 고속으로 스윙하는 경우에는 하기의 수학식 11 및 수학식 12를 이용하여 동적 보상 회전력(τcomp)를 연산하도록 할 수 있다.
Figure 112013101554587-pat00011
Figure 112013101554587-pat00012
여기서 M(·)은 가속도 보정을 위해 정의된 함수이다. C(·)는 코리올리의 힘을 반영하기 위해 정의된 함수이다. 이외는 수학식 10에서 설명한 바와 동일하다. 다시 말해서 고속 스윙이 행해지고 있는 경우에는 관절에 가속도 보상, 코리올리의 힘 보상 및 중력 보상 중 적어도 하나를 더 반영하여 동적 보상 회전력(τcomp)을 결정하도록 함으로써 착용자가 고속 보행 시의 보행 보조 로봇(1)에 의한 저항감을 감소시키도록 할 수 있다.
도 7은 연산된 운동 정보의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
상술한 바와 같이 동작 상태 판단부(17b) 및 제어 명령 생성부(17c)는 지속적으로 또는 소정의 주기마다 현재의 동작을 판단하고 판단 결과에 따라서 소정의 제어 신호를 생성하여 보행 보조 로봇(1)을 제어할 수 있다. 또한 동작 상태 판단부(17b) 및 제어 명령 생성부(17c)는 각각의 관절, 일례로 좌측 고관절, 우측 고관절, 좌측 슬관절 및 우측 슬관절마다 각각의 관절의 동작을 별도로 판단하고 판단 결과에 따라서 별도의 제어 신호를 생성하여 각각의 관절을 제어할 수도 있다. 이와 같이 지속적으로 모든 보행 단계에서 판단된 좌측 고관절 및 우측 고관절과, 좌측 및 우측 슬관절의 동작에 따라 운동 정보를 연산하고, 연산한 운동 정보를 기초로 한 판단 결과가 도 7에 도시되어 있다. 도 7에서 검은 라인(b1)은 포지티브 워크 상태인 구간을 의미하고, 흰색 라인(b2)은 네가티브 워크 상태인 구간을 의미한다.
도 7에 도시된 바와 같이 고관절 및 우측 슬관절의 동작 상태는 보행 제2 단계(s2)에 도시된 바와 같이 서로 상이하게 판단될 수 있다. 또한 동일한 관절, 일례로 고관절의 동작 상태라고 하더라도 각각의 보행 단계, 일례로 보행 제1 단계 내지 보행 제8 단계(s1 내지 s8)에 따라서 동작 상태가 상이하게 판단될 수 있다.
이에 따라 각각의 관절에 대응하는 구동부(21, 31, 41)마다 서로 상이한 제어 신호가 생성될 수 있고, 각각의 관절에 서로 상이한 보조 회전력이 인가되어 보행을 보조할 수 있다. 그 결과 각각의 관절마다 적절한 보조 회전력을 인가할 수 있게 되어 보행 보조 이득이 극대화될 수 있다.
도 3에 도시된 액츄에이터(18)는 예를 들어 전기 에너지를 다른 종류의 에너지, 일례로 동력 에너지로 전환하는 장치이다. 엑츄에이터(18)는 처리부(17)에서 전달된 제어 신호를 기초로 보행 보조부(2)의 각 부품, 일례로 제1 구동부 내지 제3 구동부(21, 31, 41) 등의 동작을 구동시키거나 제어할 수 있다.
실시예에 따라서 본체부(10)는, 도 3에 도시된 바와 같이 제어 패턴 데이터베이스(19)를 더 포함할 수 있다. 제어 패턴 데이터베이스(19)는 보행 보조 로봇(1)을 보조하기 위한 각종 제어 패턴이 저장되어 있을 수 있다. 제어 패턴 데이터베이스(19)는 하우징(19a)에 내장된 소정의 저장 장치에 저장되어 있을 수 있다. 소정의 저장 장치는 자기 디스크 표면을 자화시켜 데이터를 저장하는 자기 디스크 저장 장치일 수도 있고, 다양한 종류의 메모리 반도체를 이용하여 데이터를 저장하는 반도체 메모리 장치일 수도 있다.
이하 도 8 및 도 9를 참조하여 보행 보조 로봇의 제어 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 8은 보행 보조 로봇 제어 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
도 8에 도시된 바를 참조하면 먼저 보행 보조 로봇(1)의 감지부(25, 35, 45)가 적어도 하나의 관절의 동작을 감지할 수 있다. 이 경우 감지부(25, 35, 45)는 착용자의 관절의 움직임을 직접 측정할 수도 있고, 각각의 구조부(20, 30, 40)의 동작을 감지하여 적어도 하나의 관절의 동작을 감지할 수도 있다(s100). 감지부(25, 35, 45)는 각각의 관절마다 별도로 관절의 동작을 감지할 수 있다. 일 실시예에 의하면 적어도 하나의 관절은 고관절, 무릎 관절 및 발목 관절 중 적어도 하나의 관절을 포함할 수 있다.
이어서 보행 보조 로봇(1)의 처리부(17)는, 감지된 관절의 동작을 기초로 적어도 하나의 관절의 운동과 관련된 운동 정보를 연산하도록 할 수 있다(s110). 일 실시예에 의하면 적어도 하나의 관절의 운동과 관련된 운동 정보는 수학식 2에 의해 연산될 수 있다.
처리부(17)는 연산된 운동 정보를 기초로 적어도 하나의 관절의 동작 상태를 판단하도록 할 수 있다(s120). 이 경우 동작 상태의 변화 여부 역시 판단할 수도 있다. 동작 상태는 포지티브 워크 상태 및 네가티브 워크 상태 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에 의하면 연산된 운동 정보가 양(+)의 값을 구비하거나 또는 양(+)의 값으로 변화하는 경우, 관절의 동작 상태는 포지티브 워크 상태인 것으로 판단될 수 있다. 만약 연산된 운동 정보가 음(-)의 값을 구비하거나 또는 음(-)의 값으로 변화하는 경우, 관절의 동작 상태는 네가티브 워크 상태로 판단될 수 있다.
적어도 하나의 관절의 동작 상태가 변화한 경우(s130), 보행 보조 로봇(1)의 처리부(17)는 현재의 보행 보조 로봇(1)을 제어하고 있는 제어 모드를 중단하고(s140), 새로운 제어 모드를 활성화시킬 수 있다. 새로운 제어 모드는 적어도 하나의 관절의 동작 상태에 따라 결정될 수 있다.
만약 적어도 하나의 관절의 동작 상태가 포지티브 워크 상태라면(s150), 처리부(17)는 제어 모드를 포지티브 워크 상태에 상응하는 제어 모드로 변경할 수 있다(s151). 포지티브 워크 상태에 따른 제어 모드는 적어도 하나의 관절의 동작을 가속시키는 가속 보조 모드일 수 있다. 가속 보조 모드에서는 수학식 5에 따라 액티브 회전력(τpw)이 연산될 수 있다. 실시예에 따라서 액티브 회전력(τpw)에 소정의 가중치, 일례로 싱크로나이제이션 인덱스(Wsync)가 더 부가될 수도 있다. 싱크로나이제이션 인덱스(Wsync)는 수학식 9에 의해 연산될 수도 있다.
만약 적어도 하나의 관절의 동작 상태가 포지티브 워크 상태가 아니고(s150), 네가티브 워크 상태인 경우라면(s160), 처리부(17)는 제어 모드를 네가티브 워크 상태에 상응하는 제어 모드로 변경할 수 있다(s161). 네가티브 워크 상태에 따른 제어 모드는 적어도 하나의 관절의 동작을 감속시키는 감속 보조 모드일 수 있다. 감속 보조 모드에서는 수학식 7에 따라 댐핑 회전력(τnw)이 연산될 수 있다. 실시예에 따라서 댐핑 회전력(τnw)에는 소정의 가중치, 일례로 싱크로나이제이션 인덱스(Wsync)가 더 부가될 수도 있다.
만약 적어도 하나의 관절의 동작 상태가 포지티브 워크 상태도 아니고 네가티브 워크 상태도 아닌 경우라면(s160), 보행 보조 로봇(1)은 기존의 제어 모드에 따라 동작할 수도 있고, 소정의 에러 메시지를 출력할 수도 있다. 또한 포지티브 워크 상태 및 네가티브 워크 상태를 기초로 한 제어를 종료하도록 할 수도 있다.
적어도 하나의 관절의 동작 상태가 변화하지 않은 경우(s130)에는, 보행 보조 로봇(1)은 기존의 제어 모드에 따라 동작할 수 있다.
일 실시예에 의하면 관절의 동작 상태에 따른 제어 모드가 결정(s151, s161)된 후에 동적 보상 여부가 결정될 수도 있다(s170). 동작 보상 여부는 제어 모드가 결정(s151, s161)된 후에 결정될 수도 있고, 제어 모드의 결정(s151, s161)과 동시에 결정될 수도 있다. 만약 동적 보상을 수행하는 경우라면 동적 보상 회전력(τcomp)을 반영하여 최종적인 보조 회전력(τdes)을 생성하도록 할 수 있다(s171). 동적 보상 회전력(τcomp)은 수학식 10에 의해 결정될 수 있다. 동적 보상을 수행하지 않는 경우라면, 액티브 회전력(τpw) 또는 댐핑 회전력(τnw)이 보조 회전력(τdes)으로 결정될 수 있다. 여기서 액티브 회전력(τpw) 또는 댐핑 회전력(τnw)은 싱크로나이제이션 인덱스(Wsync)가 가중치로 부가된 것일 수도 있다.
보행이 계속되는 경우 상술한 단계 s100 내지 s171은 반복될 수 있다(s180).
도 9는 보행 보조 로봇의 관절의 동작을 추정하는 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
도 9에 도시된 바에 의하면 적어도 하나의 측정부(26, 36, 46)은 각각의 측정부(26, 36, 46)에 대응하는 적어도 하나의 관절의 동작과 관련된 정보를 측정하여 수집할 수 있다(s200). 적어도 하나의 관절의 동작과 관련된 정보는 관절의 회전력, 각도, 각속도, 각가속도 등을 포함할 수 있다. 아울러 측정 시간 역시 별도로 수집될 수 있다.
보행 보조 로봇(1)의 처리부(17)는 측정된 정보를 기초로 관절의 회전력을 연산하도록 할 수 있다(s201). 이 경우 관절의 회전력을 연산하기 위하여 수학식 1이 이용될 수도 있다.
이어서 보행 보조 로봇(1)의 처리부(17)는, 연산된 관절의 회전력을 이용하여 적어도 하나의 관절의 운동과 관련된 운동 정보를 연산하고(s210), 연산된 운동 정보를 이용하여 적어도 하나의 관절의 동작 상태를 판단할 수 있다(s220).
적어도 하나의 관절의 동작 상태가 변화한 경우(s230), 보행 보조 로봇(1)을 제어하는 현재의 제어 모드는 중단될 수 있다(s240). 만약 판단된 동작 상태가 포지티브 워크 상태(s250)라면, 보행 보조 로봇(1)의 제어 모드가 포지티브 워크 상태에 대응하는 제어 모드로 변환될 수 있다(s251). 만약 제어 모드가 네가티브 워크 상태(s260)라면 보행 보조 로봇(1)의 제어 모드는 네가티브 워크 상태에 대응하는 제어 모드로 변환될 수 있다(s261). 포지티브 워크 상태에 대응하는 제어 모드는 상술한 가속 보조 모드일 수 있다. 네가티브 워크 상태에 대응하는 제어 모드는 상술한 감속 보조 모드일 수 있다.
동적 보상 여부에 따라서(s270) 동적 보상 회전력(τcomp)을 반영한 보조 회전력(τdes)이 생성될 수도 있고, 동적 보상 회전력(τcomp)을 반영하지 않은 보조 회전력(τdes)이 생성될 수도 있다(s271). 동적 보상을 수행하지 않는 경우라면, 상술한 액티브 회전력(τpw) 또는 상술한 댐핑 회전력(τnw)이 보조 회전력(τdes)으로 결정될 수 있다. 여기서 액티브 회전력(τpw) 또는 댐핑 회전력(τnw)은 싱크로나이제이션 인덱스(Wsync)가 가중치로 부가된 것일 수도 있다.
보행이 계속되는 동안 상술한 단계 s200 내지 s271은 반복될 수 있다(s280).
1 : 보행 보조 로봇 2 : 보행 보조부
10 : 본체부 11 : 제1 허리 고정부
12 : 제2 허리 고정부 13 : 제1 허리 지지부
14 : 제2 허리 지지부 15 : 본체 감지부
16 : 전원 17 : 처리부
17a : 관절 회전력 연산부 17b : 동작 상태 판단부
17c : 제어 명령 생성부 18 : 액츄에이터
20 : 제1 구조부 21 : 제1 구동부
22 : 제1 지지부 23 : 제1 고정부
25 : 제1 감지부 26 : 제1 측정부
30 : 제2 구조부 31 : 제2 구동부
32 : 제2 지지부 33, 34 : 제2 고정부
35 : 제2 감지부 36 : 제2 측정부
40 : 제3 구조부 41 : 제3 구동부
42 : 발받침부 43 : 제3 고정부
44 : 제3 감지부 45 : 제3 측정부

Claims (30)

  1. 감지부가, 적어도 하나의 관절의 동작을 감지하거나, 측정부가, 상기 적어도 하나의 관절의 동작을 측정하는 동작 정보 수집 단계;
    처리부가, 상기 감지 또는 측정된 적어도 하나의 관절의 동작을 기초로 상기 적어도 하나의 관절의 동작 상태를 판단하는 동작 판단 단계; 및
    상기 처리부가, 상기 적어도 하나의 관절의 동작 상태에 대한 판단 결과를 기초로 보행 보조 로봇의 구동부를 제어하는 제어 단계;
    를 포함하되,
    상기 제어 단계는, 상기 적어도 하나의 관절의 동작이 포지티브 워크 상태인 경우 상기 적어도 하나의 관절의 동작을 가속시키는 가속 보조 단계 및 상기 적어도 하나의 관절의 동작이 네가티브 워크 상태인 경우 상기 적어도 하나의 관절의 동작을 감속시키는 감속 보조 단계 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 가속 보조 단계 및 상기 감속 보조 단계에서는, 착용자와 상기 보행 보조 로봇의 보행 주기의 유사도에 기초한 가중치를 부가한 제어가 이루어지는 보행 보조 로봇의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동작 판단 단계는, 상기 감지 또는 측정된 적어도 하나의 관절의 동작을 기초로 상기 관절의 동작 상태가 변경되었는지를 판단하는 단계;
    를 포함하는 보행 보조 로봇의 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 동작 판단 단계는, 상기 감지 또는 측정된 적어도 하나의 관절의 동작을 기초로 상기 관절의 동작이 포지티브 워크 상태(positive work state)인지 또는 네가티브 워크 상태(negative work state)인지 판단하는 상태 판단 단계;
    를 포함하는 보행 보조 로봇의 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상태 판단 단계는, 상기 감지 또는 측정된 적어도 하나의 관절의 동작을 기초로 상기 관절의 일률(P) 또는 일(W)을 연산하는 단계;
    를 포함하는 보행 보조 로봇의 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상태 판단 단계는, 상기 연산된 일률 또는 일이 양수인 경우 상기 적어도 하나의 관절의 동작을 포지티브 워크로 판단하고, 상기 연산된 일률 또는 일이 음수인 경우 상기 적어도 하나의 관절의 동작을 네가티브 워크로 판단하는 단계;
    를 더 포함하는 보행 보조 로봇의 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 동작 정보 수집 단계는, 적어도 하나의 시점에서 상기 적어도 하나의 관절의 동작과 관련된 적어도 하나의 정보를 수집하되, 상기 적어도 하나의 정보는 상기 적어도 하나의 관절의 각도, 상기 적어도 하나의 관절의 각속도, 상기 적어도 하나의 관절의 각가속도, 상기 보행 보조 로봇의 보행 속도 및 지면 반력 중 적어도 하나를 포함하는 단계;
    를 포함하는 보행 보조 로봇의 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 동작 판단 단계는, 상기 적어도 하나의 시점에서 수집된 정보를 기초로 상기 적어도 하나의 관절의 회전력을 연산하는 단계; 및
    상기 연산된 적어도 하나의 관절의 회전력을 기초로 상기 적어도 하나의 관절의 일률 또는 일을 연산하는 단계;
    를 포함하는 보행 보조 로봇의 제어 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가속 보조 단계는, 상기 적어도 하나의 관절의 이전 동작에 따라 연산되는 회전력 변화 패턴을 이용하여 결정되는 액티브 회전력(active torque)을 상기 적어도 하나의 관절에 인가하는 단계;
    를 포함하는 보행 보조 로봇의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 회전력 변화 패턴은, 이전 보행 상태 변화 시의 시간 정보, 회전력의 변화 지점에 대한 정보 및 현재 보행 상태 시의 최대 관절 회전력 정보를 기초로 결정되는 보행 보조 로봇의 제어 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 가속 보조 단계는, 상기 착용자와 상기 보행 보조 로봇의 보행 주기의 유사도에 기초한 가중치가 부가된 액티브 회전력을 상기 적어도 하나의 관절에 인가하는 보행 보조 로봇의 제어 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 감속 보조 단계는, 상기 착용자와 상기 보행 보조 로봇의 보행 주기의 유사도에 기초한 가중치가 부가된 댐핑 회전력을 상기 적어도 하나의 관절에 인가하는 단계;
    를 포함하는 보행 보조 로봇의 제어 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 가속 보조 단계 및 감속 보조 단계 중 적어도 하나는, 동적 보상 회전력을 상기 적어도 하나의 관절에 더 인가하는 단계;를 포함하는 보행 보조 로봇의 제어 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 관절은, 고관절, 무릎 관절 및 발목 관절 중 적어도 하나의 관절을 포함하는 보행 보조 로봇의 제어 방법.
  15. 적어도 하나의 관절;
    상기 적어도 하나의 관절의 동작을 감지하거나 또는 상기 적어도 하나의 관절의 동작을 측정하는 동작 정보 수집부; 및
    상기 감지되거나 또는 측정된 적어도 하나의 관절의 동작을 기초로 상기 적어도 하나의 관절의 동작 상태를 판단하고, 상기 적어도 하나의 관절의 동작 상태에 대한 판단 결과를 기초로 보행 보조 로봇의 구동부를 제어하는 처리부;
    를 포함하되,
    상기 처리부에 의한 제어는, 상기 적어도 하나의 관절의 동작이 포지티브 워크 상태인 경우 상기 적어도 하나의 관절의 동작을 가속시키는 가속 보조 단계 및 상기 적어도 하나의 관절의 동작이 네가티브 워크 상태인 경우 상기 적어도 하나의 관절의 동작을 감속시키는 감속 보조 단계 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 가속 보조 단계 및 상기 감속 보조 단계에서는, 착용자와 상기 보행 보조 로봇의 보행 주기의 유사도에 기초한 가중치를 부가한 제어가 이루어지는 보행 보조 로봇.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 동작 정보 수집부는,
    적어도 하나의 관절의 동작을 감지하는 적어도 하나의 감지부 및 적어도 하나의 관절의 동작과 관련된 정보를 측정하는 적어도 하나의 동작 측정부 중 적어도 하나를 포함하는 보행 보조 로봇.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 감지부는, 관절 각도 센서, 기울기 센서, 가속도 센서, 지면 반력 센서 및 관성 측정 장치 중 적어도 하나를 포함하는 보행 보조 로봇.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 감지 또는 측정된 적어도 하나의 관절의 동작을 기초로 상기 관절의 동작 상태가 변경되었는지를 판단하는 보행 보조 로봇.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 감지 또는 측정된 적어도 하나의 관절의 동작을 기초로 상기 관절의 동작이 포지티브 워크 상태인지 또는 네가티브 워크 상태인지 판단하는 보행 보조 로봇.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 감지 또는 측정된 적어도 하나의 관절의 동작을 기초로 상기 적어도 하나의 관절의 일률(P) 또는 일(W)을 연산하는 보행 보조 로봇.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 감지 또는 측정된 적어도 하나의 관절의 동작을 기초로 적어도 하나의 관절 회전력을 연산하고, 상기 연산된 적어도 하나의 관절 회전력을 기초로 상기 일률 또는 일을 연산하는 보행 보조 로봇.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 연산된 일률 또는 일이 양수인 경우 상기 적어도 하나의 관절의 동작을 포지티브 워크로 판단하고, 상기 연산된 일률 또는 일이 음수인 경우 상기 적어도 하나의 관절의 동작을 네가티브 워크로 판단하는 보행 보조 로봇.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 동작 정보 수집부는, 상기 적어도 하나의 관절의 각도, 상기 적어도 하나의 관절의 각속도, 상기 적어도 하나의 관절의 각가속도, 상기 보행 보조 로봇의 보행 속도 및 지면 반력 중 적어도 하나를 측정하는 동작 측정부;
    를 포함하는 보행 보조 로봇.
  24. 삭제
  25. 제15항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 적어도 하나의 관절의 이전 동작에 따라 연산되는 회전력 변화 패턴을 이용하여 결정되는 액티브 회전력을 상기 적어도 하나의 관절에 인가하여 상기 가속 보조 제어를 수행하는 보행 보조 로봇.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 회전력 변화 패턴은, 이전 보행 상태 변화 시의 시간 정보, 회전력의 변화 지점에 대한 정보 및 현재 보행 상태 시의 최대 관절 회전력 정보를 기초로 결정되는 보행 보조 로봇.
  27. 제15항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 착용자와 상기 보행 보조 로봇의 보행 주기의 유사도에 기초한 가중치가 부가된 액티브 회전력을 상기 적어도 하나의 관절에 인가하여 상기 가속 보조 제어를 수행하는 보행 보조 로봇.
  28. 제15항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 착용자와 상기 보행 보조 로봇의 보행 주기의 유사도에 기초한 가중치가 부가된 댐핑 회전력을 상기 적어도 하나의 관절에 인가하여 상기 감속 보조 제어를 수행하는 보행 보조 로봇.
  29. 제15항에 있어서,
    상기 처리부는, 동적 보상 회전력을 상기 적어도 하나의 관절에 더 인가하는 보행 보조 로봇.
  30. 제15항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 관절은, 고관절, 무릎 관절 및 발목 관절 중 적어도 하나의 관절을 포함하는 보행 보조 로봇.
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