KR102162485B1 - Controlling method of lower body assisting robot - Google Patents

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KR102162485B1
KR102162485B1 KR1020180156832A KR20180156832A KR102162485B1 KR 102162485 B1 KR102162485 B1 KR 102162485B1 KR 1020180156832 A KR1020180156832 A KR 1020180156832A KR 20180156832 A KR20180156832 A KR 20180156832A KR 102162485 B1 KR102162485 B1 KR 102162485B1
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주식회사 엔젤로보틱스
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Abstract

본 발명은 착용자의 보행 주기에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역 및 슬관절 영역에 장착된 구동장치를 통해 정확하게 보조 토크를 제공하여 정상적인 보행 주기로 자력 보행을 가능하게 하며, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 보조력을 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법에 관한 것이다.The present invention enables magnetic walking in a normal walking period by accurately providing auxiliary torque through a drive device mounted in the hip joint region and the knee joint region of the lower extremity auxiliary robot according to the wearer's walking cycle, allowing the user's movement while allowing the user's movement It relates to a control method of an auxiliary robot that can provide assistance by understanding the intention.

Description

하지 보조로봇의 제어방법{CONTROLLING METHOD OF LOWER BODY ASSISTING ROBOT}Control method of lower limb auxiliary robot{CONTROLLING METHOD OF LOWER BODY ASSISTING ROBOT}

본 발명은 하지 보조로봇의 제어방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 착용자의 보행 주기 또는 보행 패턴에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역 및 슬관절 영역에 장착된 구동장치를 통해 정확하게 보조 토크를 제공하여 정상적인 보행 주기로 자력 보행을 가능하게 하며, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 보조력을 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for controlling a lower limb auxiliary robot. In more detail, the present invention enables magnetic walking in a normal walking cycle by accurately providing auxiliary torque through a drive device mounted in the hip joint region and the knee joint region of the lower limb auxiliary robot according to the gait cycle or walking pattern of the wearer. The present invention relates to a method for controlling a lower limb auxiliary robot that allows movement and provides assistance by grasping the user's motion intention.

최근 일상 생활이 불가능한 신체능력을 가진 장애인, 환자 또는 노약자 등을 위한 하지 보조로봇 또는 체력이나 신체능력을 강화하기 위한 산업용 또는 군사용 하지 보조로봇의 개발이 진행되고 있다. Recently, development of lower limb auxiliary robots for the disabled, patients, or the elderly with physical abilities that are impossible to live in daily life, or lower limb auxiliary robots for industrial or military use to reinforce physical strength or physical abilities are in progress.

장애인, 환자 또는 노약자를 위한 하지 보조로봇의 경우에는 신체 능력, 요구되는 보조력의 크기 또는 역할에 따라 완전마비 장애인용 하지 보조로봇과 노약자 또는 부분마비 환자 또는 장애인용 하지 보조로봇으로 분류될 수 있다.In the case of lower limb assistive robots for the disabled, patients, or the elderly, it can be classified into lower limb assistive robots for the fully paralyzed disabled person and lower limb assistive robots for the elderly or partially paralyzed or disabled according to their physical ability and the size or role of the required assistive force. .

전자의 경우, 사용자에게 신체 능력이 없으므로, 사용자의 하지의 움직임에 대한 동작 의도 등은 로봇의 제어변수로 큰 의의가 없으므로, 하지 보조로봇은 충분한 힘으로 사용자의 하지의 움직임을 대신하여 정확하게 보행 동작을 수행하면 된다.In the former case, since the user has no physical ability, the motion intention for the movement of the user's lower limbs is not significant as a control variable of the robot, so the lower limb auxiliary robot can walk accurately instead of the user's lower limb movement with sufficient force. Just do

따라서, 전자의 하지 보조로봇의 경우에는 요구되는 구동력의 크기가 크고 그에 따라 구동장치, 배터리 및 골격구조가 큰 경우가 많다.Therefore, in the case of the former subsidiary robot, the required driving force is large and the driving device, the battery, and the skeleton structure are large in many cases.

그러나, 후자의 하지 보조로봇의 경우에는 사용자의 신체능력이 부족하여 이를 보조하기 위한 로봇이므로, 하지 보조로봇의 크기와 무게가 최소화되고 사용자의 동작 의도에 따라 정확한 보조력을 제공하는 것이 관건이 될 수 있다.However, in the case of the latter auxiliary robot, the size and weight of the auxiliary robot are minimized and the key is to provide accurate assistance according to the user's motion intention. I can.

이러한 후자의 하지 보조로봇을 착용한 착용자가 정상인과 유사한 보행이 가능하도록 하기 위해 개인적인 보조력 튜닝이 필요하겠지만 정상 보행을 가능하게 하기 위한 보조력을 어떠한 방식으로 제공해야 하는지에 대한 일반적인 기준이 모호하다.In order to enable the wearer wearing the latter lower limb assistive robot to walk similarly to a normal person, individual assisting power tuning is necessary, but the general standard for how to provide assistive power to enable normal walking is ambiguous. .

또한, 사용자의 움직임 또는 의도와 다른 로봇의 보조력 제공의 경우, 사용자의 불편함 또는 부상을 유발할 수 있으므로, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 정확하게 보조력을 제공할 필요가 있다.In addition, in the case of providing assistance from a robot that is different from the user's movement or intention, it may cause discomfort or injury to the user, so it is necessary to accurately provide assistance by grasping the user's motion intention while allowing the user's movement. have.

본 발명은 착용자의 보행 주기에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역 및 슬관절 영역에 장착된 구동장치를 통해 정확하게 보조 토크를 제공하여 정상적인 보행 주기로 자력 보행을 가능하게 하며, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 보조력을 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.The present invention enables magnetic walking in a normal walking period by accurately providing auxiliary torque through a drive device mounted in the hip joint region and the knee joint region of the lower extremity auxiliary robot according to the wearer's walking cycle, allowing the user's movement while allowing the user's movement The task to be solved is to provide a control method of an auxiliary robot that can provide assistance by grasping the intention.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 착용자의 보행 주기에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역 및 슬관절 영역에 장착된 고관절 구동장치 및 슬관절 구동장치를 통해 상부 프레임 및 하부 프레임를 매개로 보조 토크를 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법에 있어서,In order to solve the above problem, the present invention can provide an auxiliary torque through the upper frame and the lower frame through the hip joint drive device and the knee joint drive device mounted in the hip joint region and the knee joint region of the lower limb auxiliary robot according to the gait cycle of the wearer. In the control method of the lower limb auxiliary robot,

한쪽 발이 스윙하는 구간인 유각기에서 해당 발에 장착된 상기 고관절 구동장치에 의하여 상부 프레임를 전방으로 양의 방향으로 회전시키는 고관절 보조토크와 상기 슬관절 구동장치에 의하여 하부 프레임를 상부 프레임에 대하여 후방으로 양의 방향으로 회전시키는 슬관절 보조토크는 양의 방향으로 크기가 증가 후 감소되며, 한쪽 발이 지면에 지지되는 구간인 입각기에서 상기 고관절 보조토크와 상기 슬관절 보조토크는 음의 방향으로 크기가 증가 후 감소되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법을 제공할 수 있다.In the swing phase, which is a section in which one foot swings, the hip joint auxiliary torque that rotates the upper frame forward and in a positive direction by the hip joint drive device mounted on the foot and the lower frame is positively moved backward with respect to the upper frame by the knee joint drive device. The knee joint auxiliary torque that rotates in the direction decreases after increasing the size in the positive direction, and the hip joint auxiliary torque and the knee joint auxiliary torque increase in the negative direction and then decrease in the stance phase, which is a section where one foot is supported on the ground. It is possible to provide a control method of the lower limb auxiliary robot, characterized in that.

이 경우, 상기 유각기에서 상기 고관절 보조토크의 증감폭이 상기 슬관절 보조토크의 증감폭보다 클 수 있다.In this case, the increase/decrease width of the hip joint auxiliary torque may be greater than the increase/decrease width of the knee joint auxiliary torque in the swing phase.

그리고, 상기 유각기에서 상기 슬관절 회전각이 최대가 되는 시점 전후 구간에서 상기 고관절 보조토크가 최대가 될 수 있다.In the swing phase, the hip joint auxiliary torque may be maximized in a section before and after the time when the knee joint rotation angle is maximized.

여기서, 상기 입각기에서 상기 슬관절 보조토크의 증감폭이 상기 고관절 보조토크의 증감폭보다 클 수 있다.Here, in the stance phase, the increase/decrease width of the knee joint auxiliary torque may be greater than the increase/decrease width of the hip joint auxiliary torque.

그리고, 상기 하지의 보행이 유각기 또는 입각기인지 여부 보행 주기의 판단은 하지 보조로봇의 족지지부에 구비되는 족저압 센서 또는 지면반력 센서에 의여 판단될 수 있다.In addition, whether the gait of the lower limb is a swing phase or a stance phase may be determined by a plantar pressure sensor or a ground reaction force sensor provided in the foot support of the lower limb auxiliary robot.

여기서, 상기 고관절 구동장치 및 상기 슬관절 구동장치는 각각 탄성부재를 매개로 상부 프레임 및 하부 프레임를 회전 구동하며, 상기 상부 프레임 및 하부 프레임가 회전되어 상기 탄성부재가 변형되어 고관절 회전각과 슬관절 회전각이 변경되는 경우, 상기 고관절 구동장치 및 상기 슬관절 구동장치는 각각의 상기 탄성부재의 변형이 제거되는 방향으로 구동될 수 있다.Here, the hip joint drive device and the knee joint drive device rotate the upper frame and the lower frame via an elastic member, respectively, and the upper frame and the lower frame are rotated to deform the elastic member to change the hip joint rotation angle and the knee joint rotation angle. In this case, the hip joint drive device and the knee joint drive device may be driven in a direction in which deformation of each of the elastic members is removed.

그리고, 상기 고관절 구동장치 및 상기 슬관절 구동장치는 각각의 상기 탄성부재의 변형이 제거되는 방향으로 구동되는 경우는 보행 주기 이외의 경우에서 발생될 수 있다.In addition, when the hip joint driving device and the knee joint driving device are driven in a direction in which the deformation of each of the elastic members is removed, it may occur in cases other than a gait cycle.

이 경우, 상기 보행 주기 이외의 경우는 양 발의 족저압 또는 지면 반력이 동시에 미리 결정된 시간 이상 측정되어 직립 상태로 판단되는 상태 또는 족저압 또는 지면 반력의 크기에 의하여 앉아있는 상태로 판단되는 경우일 수 있다.In this case, other than the walking cycle, the plantar pressure or ground reaction force of both feet is simultaneously measured for more than a predetermined time and is judged to be upright, or a condition that is judged to be a sitting state by the magnitude of the plantar pressure or ground reaction force. have.

본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법에 의하면, 본 발명에 따른 본 발명은 착용자의 보행 주기에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역 및 슬관절 영역에 장착된 구동장치를 통해 정확하게 보조 토크를 제공하여 정상적인 보행 주기로 자력 보행을 가능하게 할 수 있다.According to the control method of the lower limb auxiliary robot according to the present invention, the present invention according to the present invention accurately provides the auxiliary torque through the drive device mounted in the hip joint region and the knee joint region of the lower limb auxiliary robot according to the gait cycle of the wearer, You can enable self-walking in cycles.

또한, 본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법에 의하면, 사용자의 능동적인 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 보조력을 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법을 제공할 수 있다.In addition, according to the control method of the lower limb assistive robot according to the present invention, it is possible to provide a control method of the lower limb assistive robot capable of providing assistive power by grasping the user's motion intention while allowing active movement of the user.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하지 보조로봇의 측면 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하지 보조로봇의 정면도를 도시한다.
도 3은 일반적인 인체의 보행 동작에서의 한쪽 하지의 고관절 회전각, 슬관절 회전각 및 지면 반력의 관계를 도시한다.
도 4는 하지 보조로봇을 착용한 착용자가 도 3에 도시된 바와 같은 보행 동작이 가능하도록 하지 보조로봇의 고관절 구동장치 및 슬관절 구동장치에서 각각 발생시키는 고관절 보조토크와 슬관절 보조토크 인가시 고관절 회전각과 슬관절 회전각에 대한 관계를 도시한다.1 is a side perspective view of a lower limb auxiliary robot according to an embodiment of the present invention.
2 is a front view of a lower limb auxiliary robot according to an embodiment of the present invention.
3 shows a relationship between a hip joint rotation angle, a knee joint rotation angle, and a ground reaction force of one lower limb in a general walking motion of a human body.
FIG. 4 shows the hip joint rotation angle and the hip joint auxiliary torque generated by the hip joint drive device and the knee joint drive device of the lower limb auxiliary robot, respectively, and when the knee joint auxiliary torque is applied so that the wearer wearing the lower limb auxiliary robot can walk as shown in FIG. 3. The relationship to the knee joint rotation angle is shown.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed contents may be thorough and complete, and the spirit of the invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Throughout the specification, the same reference numbers indicate the same elements.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하지 보조로봇(1000)의 측면 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하지 보조로봇(1000)의 정면도이다.1 is a side perspective view of a lower limb auxiliary robot 1000 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a front view of a lower limb auxiliary robot 1000 according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 명세서에서 상기 하지 보조로봇(1000)은 장애인, 노약자 또는 환자(이하, '착용자'라 함)의 하체에 착용하여, 보행 동작을 보조하는 로봇일 수 있다. 여기서 보행 동작을 보조한다는 의미는 하체의 운동 기능이 일부 존재하는 착용자의 독립적인 보행을 가능하도록 고관절과 슬관절에 부족한 근력 등을 보전하기 위한 구동력을 제공한다는 의미이다.Referring to FIGS. 1 and 2, in the present specification, the lower limb auxiliary robot 1000 may be a robot that assists walking motion by being worn on the lower body of a disabled person, an elderly person, or a patient (hereinafter, referred to as “wearer”). Here, the meaning of assisting the gait motion means providing a driving force for preserving insufficient muscle strength in the hip and knee joints to enable independent walking of the wearer with some of the lower body's motor functions.

부연 설명하면, 상기 하지 보조로봇(1000)은 환자, 노약자 또는 장애인 등이 착용하여 착용자의 신체가 허용하는 범위에서 정상인의 보행 동작과 유사한 보행 동작이 가능하도록 관절과 근육의 부족한 힘을 보전하는 장비를 의미한다.To further explain, the lower extremity auxiliary robot 1000 is a device that preserves insufficient strength of joints and muscles so that a patient, the elderly, or the handicapped can wear it to enable a walking motion similar to that of a normal person within a range allowed by the wearer's body. Means.

그리고 보행 동작을 보조하기 위한 보조력은 대퇴를 회전시키는 고관절 영역에 제공되는 고관절 토크 및 대퇴의 하단과 연결되는 슬관절 영역에 제공되는 슬관절 토크 형태로 제공될 수 있다.In addition, the assisting force for assisting the walking motion may be provided in the form of a hip joint torque provided to a hip joint region for rotating the thigh and a knee joint torque provided to a knee joint region connected to a lower end of the thigh.

상기 하지 보조로봇(1000)은 착용자의 허리 부위에 배치되는 본체(500)와, 상기 본체(500)에서 아래로 연장되어 착용자의 각각의 다리를 지지하는 한 쌍의 다리 유닛(600l, 600r)을 포함할 수 있다. The lower limb auxiliary robot 1000 includes a body 500 disposed at the waist of the wearer, and a pair of leg units 600l and 600r extending downward from the body 500 to support each leg of the wearer. Can include.

상기 본체(500)는 각종 센서의 센서신호 또는 기입력된 프로그램 등에 기초하여 각각의 구동모터를 제어하는 제어부 및 전원 공급을 위한 배터리 등의 전원 공급부 등을 포함할 수 있다. The main body 500 may include a control unit for controlling each driving motor based on sensor signals of various sensors or pre-input programs, and a power supply unit such as a battery for supplying power.

여기서, 각각의 상기 다리 유닛(600l, 600r)은 각각 고관절 영역과 슬관절 영역에 고관절 구동장치(100a) 및 슬관절 구동장치(100b)를 구비하고 착용자의 고관절 영역과 슬관절 영역에 독립적인 고관절 보조토크(Th) 및 슬관절 보조토크(Tk)를 제공할 수 있다.Here, each of the leg units (600l, 600r) is provided with a hip joint drive device (100a) and a knee joint drive device (100b) in the hip joint region and the knee joint region, respectively, and hip joint auxiliary torque independent of the hip joint region and the knee joint region of the wearer ( Th) and knee joint auxiliary torque (Tk) can be provided.

그리고, 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 하지 보조로봇(1000)은 하지의 힘이 어느 정도 존재하는 착용자를 위한 로봇일 수 있다In addition, the lower limb auxiliary robot 1000 of the present invention shown in FIGS. 1 and 2 may be a robot for a wearer in which the force of the lower limb exists to some extent.

그러므로, 관절 구동장치 등에 의하여 하지 보조로봇(1000)이 착용자의 움직임 또는 의도와 다른 보조력 제공의 경우, 사용자의 불편함 또는 부상을 유발할 수 있으므로, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 정확하게 보조력을 제공할 필요가 있으므로 각각의 구동장치 중 적어도 일부는 탄성부재 등을 매개로 구동력을 출력하는 탄성구동기 형태로 구성될 수 있다.Therefore, in the case of the lower limb auxiliary robot 1000 providing assistance power different from the movement or intention of the wearer by a joint driving device, etc., it may cause discomfort or injury to the user, so that the movement intention of the user is allowed while allowing the movement of the user. Since it is necessary to grasp and accurately provide the assisting force, at least some of the respective driving devices may be configured in the form of an elastic actuator that outputs a driving force through an elastic member or the like.

또한, 각각의 상기 관절 구동장치는 구동력을 발생시키는 구동모터와 각각의 관절 회전각을 감지할 수 있도록 엔코더가 구비되어, 하지 보조로봇의 제어부는 감지 신호를 통해 구동모터에 의하여 제공되는 보조토크 등에 의하여 보조력이 제공되는 관절의 회전 또는 관절 회전각을 판단할 수 있으며, 후술하는 저저항 구동시 구동모터의 작동과 무관하게 로봇 착용자의 능동적인 움직임에 의한 관절 회전각을 감지할 수 있다.In addition, each of the joint driving devices is provided with a driving motor that generates a driving force and an encoder to detect each joint rotation angle, and the controller of the lower limb auxiliary robot is provided with an auxiliary torque provided by the driving motor through a detection signal. Accordingly, it is possible to determine the rotation or joint rotation angle of the joint to which the auxiliary force is provided, and detect the joint rotation angle due to the active movement of the robot wearer regardless of the operation of the driving motor during low-resistance driving to be described later.

각각의 하지(600l, 600r)는 관절 구동장치(100a, 100b)와, 각각 관절 구동장치(100a, 100b)에 연결되어 착용자의 대퇴와 하퇴를 지지 또는 보조하는 프레임(410, 430) 그리고 하부 프레임(430)과 연결되며 착용자의 발을 지지하는 족지지부(300)를 구비할 수 있다.Each of the lower limbs (600l, 600r) is connected to the joint drive devices (100a, 100b) and the joint drive devices (100a, 100b), respectively, to support or assist the wearer's thighs and lower legs (410, 430) and the lower frame It is connected to 430 and may be provided with a foot support 300 for supporting the wearer's foot.

상기 족지지부(300)에는 보행 주기 판단을 위하여 하지 보조로봇의 제어부로 감지신호를 전송하기 위한 족저압 또는 지면반력 센서를 구비할 수 있다. 즉, 유각기에서는 족저압 또는 지면반력이 제로가 되고 입각기에서는 양발 지면 지지여부에 따라 체중 전체가 족저압 또는 지면반력으로 변환되어 측정될 수 있다.The foot support part 300 may be provided with a plantar pressure or ground reaction force sensor for transmitting a detection signal to the control unit of the lower limb auxiliary robot to determine the walking period. That is, in the swing phase, the plantar pressure or ground reaction force becomes zero, and in the stance phase, the whole body weight can be converted into plantar pressure or ground reaction force depending on whether the ground is supported.

상기 관절 구동장치(100a, 100b)의 착용자의 고관절과 슬관절 영역에 각각 장착될 수 있다. 구체적으로, 고관절 영역에는 고관절 구동장치(100a)가 설치되고, 다리의 무릎 부위에 제2 관절 구동장치(100b)가 설치될 수 있다. Each of the joint driving devices 100a and 100b may be mounted on the hip and knee regions of the wearer. Specifically, the hip joint driving device 100a may be installed in the hip joint area, and the second joint driving device 100b may be installed in the knee portion of the leg.

도 1 및 도 2에 도시된 하지 보조로봇(1000)은 착용자의 고관절과 슬관절에만 관절 구동장치가 구비되는 예가 도시되었으나, 필요에 따라 발목관절에도 별도의 구동장치를 구비할 수 있다.In the lower limb auxiliary robot 1000 shown in FIGS. 1 and 2, an example in which a joint driving device is provided only in the hip and knee joints of the wearer is illustrated, but a separate driving device may be provided for the ankle joint as well.

그리고, 각각의 프레임(410, 430)에는 착용자의 대퇴와 하퇴를 프레임(410, 430)에 고정하기 위한 착용부(420)를 구비할 수 있으며, 각각의 관절 구동장치에서 제공되는 구동력은 결국 착용부(420)를 통해 착용자의 대퇴 또는 하퇴에 전달되어 독립 보행을 보조하게 될 수 있다.And, each frame (410, 430) may be provided with a wearing unit 420 for fixing the wearer's thigh and lower leg to the frame (410, 430), the driving force provided by each joint drive device is eventually worn It may be transmitted to the wearer's thigh or lower leg through the unit 420 to assist independent walking.

도 3은 정상적인 인체의 보행 동작에서의 한쪽 하지(600l or 600r)의 고관절 회전각(θh), 슬관절 회전각(θk) 및 지면 반력(Grf)의 관계의 예시를 도시한다. 가로축은 시간축이다.3 shows an example of the relationship between the hip joint rotation angle (θh), the knee joint rotation angle (θk), and the ground reaction force (Grf) of one lower leg (600l or 600r) in a normal walking motion of the human body. The horizontal axis is the time axis.

즉, 도 3에 도시된 보행 주기 및 보행 패턴은 정상인들의 평균적인 보행 주기 및 패턴에 근거한 것으로 후술하는 바와 같이 로봇 착용자의 목표 보행 주기 또는 목표 보행 패턴의 기준으로 활용될 수 있다.That is, the gait cycle and gait pattern shown in FIG. 3 are based on the average gait cycle and pattern of normal people, and may be used as a reference for a target gait period or a target gait pattern of a robot wearer as described later.

인체의 보행 주기는 족저면이 지면에 접촉되는 입각기(St)와 족저면이 지면과 분리되는 유각기(Sw)로 구성될 수 있으며, 유각기(Sw)에서 족저면에 가해지는 지면반력(Grf)은 제로가 되고 입각기(St)에서는 체중에 대응하는 지면반력이 측정된다. 물론, 양 하지의 보행 상태가 모두 입각기(St)인 경우, 입각기(St)의 상태에 따라 체중이 지면반력으로 분산될 수 있다.The walking cycle of the human body may consist of a stance phase (St) in which the plantar surface is in contact with the ground and a swing phase (Sw) in which the plantar surface is separated from the ground, and the ground reaction force applied to the plantar surface in the swing phase (Sw) ( Grf) becomes zero, and in the stance phase (St), the ground reaction force corresponding to the weight is measured. Of course, when the walking state of both lower limbs is in the stance phase (St), the weight may be distributed as a ground reaction force according to the state of the stance phase (St).

또한, 상기 족지지부에 구비되는 족저압 또는 지면반력 센서는 전방 후방에 복수 개가 구비될 수 있고, 족지지부의 전방과 후방에 걸리는 족저압 또는 지면반력을 구별하여 측정할 수도 있다. 이와 같은 방법으로, 입각기 단계, 예를 들면 초기, 중기 및 말기 여부를 구분하여 식별할 수 있다.In addition, a plurality of plantar pressure or ground reaction force sensors provided in the foot support may be provided in front and rear, and the plantar pressure or ground reaction force applied to the front and rear of the foot support may be distinguished and measured. In this way, it is possible to distinguish and identify whether the stance phase, for example, early, mid, and late phases.

따라서, 보행중인 인체의 어느 하나의 하지는 도 3에 도시된 바와 같이 입각기(St)와 유각기(Sw)가 번갈아 수행될 수 있다.Accordingly, as shown in FIG. 3, the stance phase (St) and the swing phase phase (Sw) may be alternately performed on any one lower limb of the walking human body.

도 1 및 도 3을 참조하는 경우, 고관절 회전각(θh)은 수직방향을 기준으로 대퇴가 전방으로 회전되는 경우 이를 양(+)의 회전각으로 하고, 슬관절 회전각(θk)은 대퇴를 기준으로 하퇴가 후방으로 굴곡되는 경우 이를 양(+)의 회전각으로 한다. 상기 고관절 회전각(θh), 슬관절 회전각(θk)의 단위는 degree이다.1 and 3, the hip joint rotation angle (θh) is a positive (+) rotation angle when the thigh is rotated forward based on the vertical direction, and the knee joint rotation angle (θk) is based on the thigh. As a result, when the lower leg is bent backward, it is set as a positive (+) rotation angle. The units of the hip joint rotation angle (θh) and the knee joint rotation angle (θk) are degrees.

따라서, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 무릎이 펴지고 발꿈치가 지면에 닿으며 시작되는 입각기(St)의 경우 고관절 회전각(θh)은 양의 최대값 근방에서 시작되어 음의 최소값 근방까지 감소하게 된다. 그리고, 유각기(Sw)가 시작됨에 따라 고관절 회전각(θh)은 음의 최소값에서 양의 최대값까지 증가 후 그 증가폭보다 작은 감소폭을 갖도록 감소한다.Therefore, in the case of the stance phase (St) where the knee is stretched and the heel touches the ground as shown in Fig. 3(a), the hip joint rotation angle (θh) starts near the positive maximum value and reaches the negative minimum value. Decrease. And, as the swing phase Sw starts, the hip joint rotation angle θh increases from a negative minimum value to a positive maximum value, and then decreases to have a decrease width smaller than that increase.

그리고, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 슬관절 회전각(θk)은 입각기(St)에서는 편차가 크지 않은 양의 범위의 값을 유지하지만 유각기(Sw)에서는 가파르게 증가후 0의 값 근방까지 다시 감소되는 패턴을 보인다.In addition, as shown in FIG. 3(b), the knee joint rotation angle θk maintains a value of a positive range where the deviation is not large in the stance phase (St), but a value of 0 after a steep increase in the swing phase (Sw). It shows a pattern that decreases again to the vicinity.

그리고, 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 유각기(Sw)에서는 지면반력이 제거되고 입각기(St)에서는 그 진행상태에 따라 분산된 체중의 크기에 대응하는 지면 반력이 측정될 수 있다.And, as shown in Fig. 3(c), the ground reaction force is removed in the swing phase (S), and the ground reaction force corresponding to the size of the weight distributed according to the progression state can be measured in the swing phase (S). .

즉, 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시된 바와 같은 인체의 보행 주기에 따른 고관절 회전각(θh)과 슬관절 회전각(θk)은 정상 보행이 가능한 보행자들의 평균적인 회전각을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.That is, the hip joint rotation angle (θh) and the knee joint rotation angle (θk) according to the walking cycle of the human body as shown in FIGS. 3(a) and 3(b) mean the average rotation angle of pedestrians who can walk normally. It can be interpreted as doing.

도 1 및 도 2에 도시된 하지 보조로봇은 전술한 바와 같이, 환자, 장애인 또는 노약자 등을 위한 로봇으로 스스로 도 3에 도시된 보행 주기에 따른 움직임이 어려운 사람들을 대상으로 하는 장치이다. 그리고, 본 발명의 하지 보조로봇의 수요자인 환자, 장애인 또는 노약자들은 각각 부상 부위 또는 근력이 부족한 근육 등이 서로 다를 수 있으므로 각각의 관절 구동장치를 통해 제공되는 보조력 또는 보조토크는 조절되어야 한다.As described above, the lower limb auxiliary robot shown in FIGS. 1 and 2 is a robot for patients, the disabled, the elderly, etc., and is a device that targets people who are difficult to move according to the walking cycle shown in FIG. 3 by themselves. In addition, since the patient, the disabled, or the elderly, who are consumers of the lower limb assisting robot of the present invention, may have different injured parts or muscles with insufficient muscle strength, the assisting force or assisting torque provided through each joint driving device must be adjusted.

그러나, 일반적으로 완전 마비가 아닌 도 1 및 도 2에 도시된 하지 보조로봇을 착용하여 도 3에 도시된 보행 동작이 가능하도록 하기 위해서는 도 4에 도시된 바와 같이 관절 구동장치를 구동시켜야 함을 확인하였다.However, in order to enable the walking motion shown in FIG. 3 by wearing the lower limb auxiliary robot shown in FIGS. 1 and 2, which is not generally completely paralyzed, it is confirmed that the joint drive device must be driven as shown in FIG. I did.

도 4는 하지 보조로봇을 착용한 착용자가 도 3에 도시된 바와 같은 보행 동작이 가능하도록 하지 보조로봇의 고관절 구동장치(100a) 및 슬관절 구동장치(100b)에서 각각 발생시키는 고관절 보조토크(Th)와 슬관절 보조토크(Tk) 인가시 고관절 회전각(θh)과 슬관절 회전각(θk)에 대한 관계를 도시한다.Figure 4 is a hip joint auxiliary torque (Th) generated by the hip joint drive device 100a and the knee joint drive device 100b of the lower limb auxiliary robot so that the wearer wearing the lower limb auxiliary robot can walk as shown in Figure 3 And the relationship between the hip joint rotation angle (θh) and the knee joint rotation angle (θk) when the knee joint auxiliary torque (Tk) is applied is shown.

결국, 도 4(a) 및 도 4(c)는 도 3에 도시된 일반적인 보행자의 보행 패턴 및 보행 주기를 참조한 보조력이 필요한 로봇 착용자의 관절의 목표 회전각으로 볼 수 있다.As a result, FIGS. 4(a) and 4(c) can be viewed as target rotation angles of the joints of the robot wearer requiring assistance with reference to the walking pattern and walking period of the general pedestrian shown in FIG. 3.

또한, 고관절 회전각(θh), 슬관절 회전각(θk)의 단위는 degree이며, 사용자에 따라 목표가 되는 고관절 회전각(θh), 슬관절 회전각(θk)의 제어변수 a, b는 2.0 이하의 양수 범위에서 결정될 수 있다.In addition, the units of hip joint rotation angle (θh) and knee joint rotation angle (θk) are degrees, and the control variables a and b of the hip joint rotation angle (θh) and knee joint rotation angle (θk) that are targets according to the user are positive numbers less than 2.0. It can be determined in a range.

그리고, 도 4에 도시된 그래프의 시간 축 역시 로봇 착용자의 보행 특성에 따라 보행 주기가 증가 또는 감소될 수 있음에 유의하여야 한다.In addition, it should be noted that the time axis of the graph shown in FIG. 4 may also increase or decrease the walking period according to the walking characteristics of the robot wearer.

즉, 도 4(b) 및 도 4(d)는 환자, 장애인 또는 노약자가 도 1 및 도 2에 도시된 하지 보조로봇을 착용하여 도 4(a) 및 도 4(c)에 도시된 형태의 보행을 가능하게 하기 위하여 각각의 관절 구동장치에서 제공되어야 하는 보조 토크의 크기를 도시하는 것으로 이해될 수 있다.That is, Figures 4(b) and 4(d) show that a patient, a disabled person, or an elderly person wears the lower limb auxiliary robot shown in Figs. 1 and 2 and shows the form shown in Figs. 4(a) and 4(c). It can be understood as showing the magnitude of the auxiliary torque that must be provided by each joint drive in order to enable walking.

그리고, 로봇에 제공되는 보조력의 크기는 보행자의 보행주기에 따라 결정될 수 있으며, 보행 주기의 판단은 로봇의 족지지부에 구비되는 족저압 또는 지면반력 센서에 의하여 측정되는 지면 반력 또는 족저압에 의히여 결정될 수 있다.And, the magnitude of the assisting force provided to the robot may be determined according to the walking period of the pedestrian, and the determination of the walking period is based on the ground reaction force or plantar pressure measured by the plantar pressure or ground reaction force sensor provided in the foot support of the robot. He can be decided.

각각의 관절 구동장치는 양방향 구동이 가능하고, 보조 토크의 (+) 또는 (-) 방향은 보조력의 방향으로 관절 회전방향과 동일하게 정의한다.Each joint driving device can be driven in both directions, and the (+) or (-) direction of the auxiliary torque is the direction of the auxiliary force and is defined in the same way as the joint rotation direction.

본 발명에 따른 보조로봇의 제어방법에 의하면, 도 4(b) 및 도 4(d)에 도시된 바와 같이, 해당 발에 장착된 상기 고관절 구동장치(100a)에 의하여 상부 프레임(410)를 전방으로 회전시키는 고관절 보조토크(Th)와 상기 슬관절 구동장치(100b)에 의하여 하부 프레임(430)를 상부 프레임(410)에 대하여 후방으로 회전시키는 슬관절 보조토크(Tk)는 한쪽 발이 스윙하는 구간인 유각기(Sw)에서 양의 방향으로 크기가 증가 후 감소되며, 한쪽 발이 지면에 지지되는 구간인 입각기(St)에서 상기 고관절 보조토크(Th)와 상기 슬관절 보조토크(Tk)는 음의 방향으로 크기가 증가된 후 감소되도록 제어되어야 함을 알 수 있다.According to the control method of the auxiliary robot according to the present invention, as shown in Figs. 4(b) and 4(d), the upper frame 410 is moved forward by the hip joint drive device 100a mounted on the foot. The hip joint auxiliary torque (Th) that rotates by the knee joint auxiliary torque (Th) and the knee joint auxiliary torque (Tk) that rotates the lower frame 430 to the rear with respect to the upper frame 410 by the knee joint driving device (100b) is a section in which one foot swings. In each (Sw), the size increases in the positive direction and then decreases, and in the stance phase (St), which is a section in which one foot is supported on the ground, the hip joint auxiliary torque (Th) and the knee joint auxiliary torque (Tk) are in the negative direction. It can be seen that the size must be controlled to decrease after increasing.

구체적으로, 도 4(b) 및 도 4(d)에 도시된 바와 같이, 상기 유각기(Sw)에서 상기 고관절 보조토크(Th)는 폭이 크게 증가한 후 감소하는 반면 상기 슬관절 보조토크(Tk)는 보조력이 제로 근방에서 편차가 크지 않게 증가 후 감소됨을 확인할 수 있다. 즉, 특정 하지의 입각기(St)가 종료되어 유각기(Sw) 구간에는 고관절을 전체적으로 전방으로 추진해야 하므로 고관절 보조토크(Th)의 값도 크게 증가되나 고관절 보조토크(Th)는 입각기(St)가 시작되는 시점까지 빠르게 감소하게 됨을 확인할 수 있다.Specifically, as shown in Figs. 4(b) and 4(d), in the swing phase (Sw), the hip joint auxiliary torque (Th) decreases after a large increase in width, while the knee joint auxiliary torque (Tk) It can be seen that the assisting force increases after increasing so that the deviation is not large near zero. That is, since the stance phase (St) of a specific lower extremity ends and the hip joint must be pushed forward in the swing phase (Sw) section, the value of the hip joint auxiliary torque (Th) is also greatly increased, but the hip joint auxiliary torque (Th) is the stance phase ( It can be seen that it decreases rapidly until the start of St).

그리고, 유각기(Sw) 하지의 고관절에 요구되는 고관절 보조토크(Th)는 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 크게 증가 후 감소되며, 그 크기가 최대가 되는 시점은 도 4(b) 및 도 4(c)의 회색 음영으로 표시된 부분(A 영역)에 도시된 바와 같이 상기 슬관절 회전각(θk)이 최대가 되는 시점 전후(또는 유각기 초중반부)임을 확인할 수 있다. 참고로, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 슬관절 회전각(θk) 또는 고관절 보조토크(Th)가 최대가 되는 시점은 유각기 전체 구간 전반 50% 구간(경계선은 수직 점선)에 존재할 수 있다.And, the hip joint auxiliary torque (Th) required for the hip joint of the lower leg of the swing phase (Sw) is greatly increased and then decreased, as shown in Fig. 4(b), and the point at which the size becomes maximum is Fig. 4(b). And it can be seen that the knee joint rotation angle θk is before and after the point at which the knee joint rotation angle θk becomes the maximum (or the early and mid-stage part of the swing phase) as shown in the gray shaded portion (area A) of FIG. 4C. For reference, as shown in FIGS. 3 and 4, the time point at which the knee joint rotation angle (θk) or hip joint auxiliary torque (Th) becomes maximum exists in the entire 50% section of the entire swing phase (the boundary line is a vertical dotted line). I can.

즉, 하지 보조로봇을 착용한 환자 등의 고관절 보조토크(Th)는 슬관절 회전각의 최대시점 전후에 가장 크게 발생되도록 제어되는 것이 바람직하다. 반면, 이 경우 슬관절 보조토크(Tk)는 (+)방향으로 완만하게 증가 후 감소되도록 제어할 수 있다.That is, it is preferable that the hip joint auxiliary torque Th of the patient wearing the lower limb auxiliary robot is controlled to be greatest before and after the maximum time of the knee joint rotation angle. On the other hand, in this case, the knee joint auxiliary torque (Tk) can be controlled to gradually increase in the (+) direction and then decrease.

반면, 상기 입각기(St)에서 상기 슬관절 회전각(θk)에 도시된 바와 같이 거의 변화되지 않으나, 슬관절 보조토크(Tk)는 (-) 방향으로 크게 크기가 증가된 후 크기가 감소되도록 제어되야 함을 확인할 수 있다. 상기 보조토크(Tk)는 (-) 방향으로 크게 크기가 증가 후 감소된다는 의미는 보조토크(Tk)가 (-) 방향으로 토크의 절대적인 크가가 커진 후 감소됨을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.On the other hand, the stance phase (St) hardly changes as shown in the knee rotation angle (θk), but the knee joint auxiliary torque (Tk) should be controlled to decrease in size after a large increase in the (-) direction. It can be confirmed that. The meaning that the auxiliary torque Tk increases after a large increase in size in the (-) direction and then decreases can be interpreted as meaning that the auxiliary torque Tk decreases after the absolute increase in torque increases in the (-) direction.

즉, 도 4에서 확인되는 바와 같이, 입각기(St)에서는 고관절 보조토크(Th)는 편차(증감폭)가 크지 않도록 (-) 방향으로 크기가 증가 후 감소하도록 제공되며, 슬관절 보조토크(Tk)는 고관절 보조토크(Th)보다 편차(증감폭)가 크게 (-) 방향으로 크기가 증가 후 감소되도록 제공되도록 제어될 수 있다.That is, as shown in Fig. 4, in the stance phase (St), the hip joint auxiliary torque (Th) is provided to increase in size and then decrease in the (-) direction so that the deviation (amplification width) is not large, and the knee joint auxiliary torque (Tk ) May be controlled so that the deviation (amplification width) is greater than the hip joint auxiliary torque (Th) and decreases after increasing the size in the (-) direction.

반면, 유각기(Sw)에서는 고관절 보조토크(Th)는 편차가 크게 (+) 방향으로 제공되며, 슬관절 보조토크(Tk)는 고관절 보조토크(Th)보다 편차가 작게 (+) 방향으로 제공되도록 제공되어야 함은 전술한 바와 같다.On the other hand, in the swing phase (Sw), the hip joint auxiliary torque (Th) is provided in the (+) direction with a large deviation, and the knee joint auxiliary torque (Tk) is provided in the (+) direction with a smaller deviation than the hip joint auxiliary torque (Th). It should be provided as described above.

그리고, 입각기(St)에서 제공되는 슬관절 보조토크(Tk)의 증감 패턴은 유각기(Sw)에서의 고관절 보조토크(Th)의 증감 패턴과 방향성을 제외하고 유사한 형태를 갖도록 제어되는 것이 바람직하다. 즉, 시간에 따라 최대값 또는 최소값이 명확하게 증가 후 감소되도록 제어되야 함을 확인할 수 있으며, 고관절 보조토크(Th)가 최대가 되는 시점은 슬관절 회전각(θk)이 최대가 되는 시점 근방이어야 함은 전술한 바와 같다.In addition, it is preferable that the increase/decrease pattern of the knee auxiliary torque (Tk) provided in the stance phase (St) is controlled to have a similar shape except for the increase/decrease pattern of the hip joint auxiliary torque (Th) in the swing phase (Sw). . That is, it can be confirmed that the maximum or minimum value must be controlled to increase and then decrease clearly over time, and the point at which the hip joint auxiliary torque (Th) becomes maximum must be near the point at which the knee joint rotation angle (θk) becomes maximum. Is as described above.

마찬가지로, 입각기(St)에서 제공되는 고관절 보조토크(Th)의 증감 패턴은 유각기(Sw)에서의 슬관절 보조토크(Tk)의 방향성을 제외하고 유사한 형태를 갖도록 제어되는 것이 바람직하다. 즉, 시간에 따라 완만하게 (-) 방향으로 크기가 증가 후 감소되도록 제어되야 함을 확인할 수 있다.Likewise, it is preferable that the increase/decrease pattern of the hip joint auxiliary torque Th provided in the stance phase St is controlled to have a similar shape except for the directionality of the knee joint auxiliary torque Tk in the swing phase Sw. That is, it can be seen that the size should be controlled to gradually increase in the (-) direction and then decrease according to time.

그리고 도 4에 도시된 관절 구동장치에서 제공되는 보조토크의 크기 단위는 N·m이며, 착용자의 체중, 신장 또는 보조력 의존도 등에 따라 그 절대적인 크기가 달라질 수 있다. 사용자에 따라 보조토크의 크기 변수 x, y는 2.0의 양수 범위에서 결정될 수 있으며, 이 경우 크기 변수 x, y는 동일한 크기로 결정될 수도 있다.In addition, the size unit of the auxiliary torque provided by the joint drive device shown in FIG. 4 is N·m, and its absolute size may vary depending on the wearer's weight, height, or dependence on assisting force. Depending on the user, the size variables x and y of the auxiliary torque may be determined in a positive range of 2.0, and in this case, the size variables x and y may be determined to have the same size.

도 4(b) 및 도 4(d)에 도시된 고관절 보조토크(Th) 및 슬관절 보조토크(Tk)는 로봇 착용자에게 정상 보행의 의사가 있음을 가정하여 착용자의 움직임을 보조하기 위하여 제공되는 것이나, 착용자의 보행 모드가 아닌 경우 또는 보조력 제공 전에 착용자의 움직임이 감지되는 경우 이는 보행 동작 이외의 움직임 의도가 있는 것으로 가정할 수 있으며, 이 경우 로봇의 기계적 저항은 사용자의 움직임을 방해하는 요소가 되어 착용자의 불편함을 느끼거나 부상이 발생될 수 있다.The hip joint assist torque (Th) and the knee joint assist torque (Tk) shown in FIGS. 4(b) and 4(d) are provided to assist the movement of the wearer assuming that the robot wearer has a will to walk normally. , When the wearer's movement is not in the gait mode or when the movement of the wearer is detected before providing assistance, it can be assumed that there is a movement intention other than the walking movement.In this case, the mechanical resistance of the robot is a factor that hinders the movement of the user. As a result, the wearer may feel discomfort or injury may occur.

따라서, 본 발명에 따른 하지 보조로봇의 관절 구동장치는 전술한 바와 같이 탄성부재를 매개로 구동되는 탄성구동기 형태일 수 있다.Accordingly, the joint drive device of the lower limb auxiliary robot according to the present invention may be in the form of an elastic actuator driven through an elastic member as described above.

그러므로, 상기 고관절 구동장치(100a) 및 상기 슬관절 구동장치(100b)는 각각 탄성부재를 매개로 상부 프레임 및 하부 프레임을 회전 구동시키며, 상기 상부 프레임 및 하부 프레임가 회전되어 상기 탄성부재가 변형되어 고관절 회전각(θh)과 슬관절 회전각(θk)이 변경되는 경우, 상기 고관절 구동장치(100a) 및 상기 슬관절 구동장치(100b)는 각각의 상기 탄성부재의 변형이 제거되는 방향으로 구동되어 기계적 저항이 최소화된 움직임 허용이 가능할 수 있다.Therefore, the hip joint drive device 100a and the knee joint drive device 100b respectively rotate the upper frame and the lower frame via an elastic member, and the upper frame and the lower frame are rotated to deform the elastic member to rotate the hip joint. When the angle (θh) and the knee joint rotation angle (θk) are changed, the hip joint driving device 100a and the knee joint driving device 100b are driven in a direction in which the deformation of each of the elastic members is removed, thereby minimizing mechanical resistance. Allowed movement may be possible.

이러한 저저항 구동모드는 정상 보행시에도 착용자의 움직임이 보행 주기와 다르게 식별되거나, 보행 주기 이외의 상태, 예를 들면 양발의 지면 반력 또는 족저압이 미리 결정된 시간 이상 동시에 측정되는 보행하지 않는 상태로 판단되는 상태 또는 지면 반력 또는 족저압의 크기를 고려하는 경우 의자 등에 앉아 있는 상태로 판단되는 경우 등에서 기계적 임피던스를 줄여 로봇 착용자의 움직임을 허용할 수 있고, 사용자의 움직임을 용이하게 하여 보행 동작의 시작 또는 의자에서 일어서는 동작을 편안하게 시작하게 하거나 보조력을 제공하도록 할 수도 있다.In this low-resistance driving mode, the wearer's movement is identified differently from the gait cycle even during normal walking, or a state other than the gait cycle, for example, ground reaction force or plantar pressure of both feet is measured simultaneously for a predetermined time or longer. When considering the determined state or the magnitude of the ground reaction force or plantar pressure, it is possible to allow the movement of the robot wearer by reducing the mechanical impedance when it is determined to be sitting on a chair, etc., and to facilitate the movement of the user to start the gait motion Alternatively, you can make it comfortable to start standing up from a chair or provide assistance.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.In the above, description has been made with reference to preferred embodiments of the present invention, but those skilled in the art may variously modify and change the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. I will be able to do it. Therefore, if the modified implementation basically includes the elements of the claims of the present invention, all should be considered to be included in the technical scope of the present invention.

1000 : 하지 보조로봇
100 : 관절 구동장치
500 : 본체
600 : 하지 1000: lower limb auxiliary robot
100: joint drive device
500: main body
600: not

Claims (9)

착용자의 보행 주기에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역 및 슬관절 영역에 장착된 고관절 구동장치 및 슬관절 구동장치를 통해 상부 프레임 및 하부 프레임를 매개로 보조 토크를 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법에 있어서,
한쪽 발이 스윙하는 구간인 유각기에서 해당 발에 장착된 상기 고관절 구동장치에 의하여 상부 프레임를 전방으로 양의 방향으로 회전시키는 고관절 보조토크와 상기 슬관절 구동장치에 의하여 하부 프레임를 상부 프레임에 대하여 후방으로 양의 방향으로 회전시키는 슬관절 보조토크는 양의 방향으로 크기가 증가 후 감소되며, 한쪽 발이 지면에 지지되는 구간인 입각기에서 상기 고관절 보조토크와 상기 슬관절 보조토크는 음의 방향으로 크기가 증가 후 감소되고,
상기 하지의 보행이 유각기 또는 입각기인지 여부 보행 주기의 판단은 하지 보조로봇의 족지지부에 구비되는 족저압 센서 또는 지면반력 센서의 감지 정보에 의하여 상기 하지 보조로봇의 제어부에 의하여 판단되며,
상기 유각기에서 상기 슬관절 회전각이 최대가 되는 시점 전후 구간에서 상기 고관절 보조토크가 최대가 되고, 상기 유각기에서 상기 고관절 보조토크가 최대가 되는 시점은 유각기 유지 구간의 50% 이내에 존재하는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.In the control method of the lower limb auxiliary robot capable of providing auxiliary torque through the upper frame and the lower frame through the hip joint drive device and the knee joint drive device mounted in the hip joint area and the knee joint area of the lower limb auxiliary robot according to the wearer's walking cycle,
In the swing phase, which is a section in which one foot swings, the hip joint auxiliary torque that rotates the upper frame forward and in a positive direction by the hip joint drive device mounted on the foot and the lower frame is positively moved backward with respect to the upper frame by the knee joint drive device. The knee auxiliary torque that rotates in the direction decreases after increasing the size in the positive direction, and the hip joint auxiliary torque and the knee auxiliary torque increase in the negative direction and then decrease in the stance phase, which is a section where one foot is supported on the ground. ,
Whether the gait of the lower limb is swing phase or stance phase is determined by the control unit of the lower limb auxiliary robot based on detection information of a plantar pressure sensor or a ground reaction force sensor provided in the foot support of the lower limb auxiliary robot,
In the swing phase, the hip joint auxiliary torque is maximized in a section before and after the time when the knee joint rotation angle becomes the maximum, and the time when the hip joint auxiliary torque is maximum in the swing phase is within 50% of the swing phase maintenance section. The control method of the lower limb auxiliary robot, characterized by. 제1항에 있어서,
상기 유각기에서 상기 고관절 보조토크의 증감폭이 상기 슬관절 보조토크의 증감폭보다 큰 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.The method of claim 1,
The control method of the lower limb auxiliary robot, characterized in that the increase/decrease width of the hip joint auxiliary torque in the swing phase is larger than the increase/decrease width of the knee joint auxiliary torque. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 입각기에서 상기 슬관절 보조토크의 증감폭이 상기 고관절 보조토크의 증감폭보다 큰 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.The method of claim 1,
The control method of the lower limb auxiliary robot, characterized in that the increase/decrease width of the knee joint auxiliary torque is larger than the increase/decrease width of the hip joint auxiliary torque in the stance phase. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 고관절 구동장치 및 상기 슬관절 구동장치는 각각 탄성부재를 매개로 상부 프레임 및 하부 프레임를 회전 구동하며, 상기 상부 프레임 및 하부 프레임가 회전되어 상기 탄성부재가 변형되어 고관절 회전각과 슬관절 회전각이 변경되는 경우, 상기 고관절 구동장치 및 상기 슬관절 구동장치는 각각의 상기 탄성부재의 변형이 제거되는 방향으로 구동되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.The method of claim 1,
The hip joint drive device and the knee joint drive device respectively rotate the upper frame and the lower frame via an elastic member, and when the upper frame and the lower frame are rotated to deform the elastic member, the hip joint rotation angle and the knee joint rotation angle are changed, The hip joint driving device and the knee joint driving device are controlled in a direction in which the deformation of each of the elastic members is removed. 제7항에 있어서,
상기 고관절 구동장치 및 상기 슬관절 구동장치는 각각의 상기 탄성부재의 변형이 제거되는 방향으로 구동되는 경우는 보행 주기 이외의 경우에서 발생되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.The method of claim 7,
When the hip joint drive device and the knee joint drive device are driven in a direction in which the deformation of each of the elastic members is removed, the method of controlling a lower limb auxiliary robot, characterized in that occurring outside a gait cycle. 제8항에 있어서,
상기 보행 주기 이외의 경우는 양 발의 족저압 또는 지면 반력이 동시에 미리 결정된 시간 이상 측정되어 직립 상태로 판단되는 상태 또는 족저압 또는 지면 반력의 크기에 의하여 앉아있는 상태로 판단되는 경우인 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.The method of claim 8,
In the case of other than the gait cycle, the plantar pressure or ground reaction force of both feet is simultaneously measured for more than a predetermined time and is determined to be upright, or the case is determined to be a sitting state by the magnitude of the plantar pressure or ground reaction force. How to control the lower limb auxiliary robot.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111515938B (en) * 2020-05-28 2022-11-18 河北工业大学 Lower limb exoskeleton walking trajectory tracking method based on inheritance type iterative learning control

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101084341B1 (en) * 2011-05-11 2011-11-16 주식회사 엔티리서치 Human power amplification device using force storing means
KR101317354B1 (en) * 2011-11-21 2013-10-11 서강대학교산학협력단 Control method of walking assistance torque and walking assistance apparatus

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102172975B1 (en) * 2013-12-10 2020-11-02 삼성전자주식회사 Wearable robot and control method for the same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101084341B1 (en) * 2011-05-11 2011-11-16 주식회사 엔티리서치 Human power amplification device using force storing means
KR101317354B1 (en) * 2011-11-21 2013-10-11 서강대학교산학협력단 Control method of walking assistance torque and walking assistance apparatus

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230008295A (en) 2021-07-06 2023-01-16 한국기계연구원 Motion assist system based on motion intention and method for motion assist using the same

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