KR20180085983A - 외골격 로봇의 하강보행 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 착용형 외골격 로봇의 하강보행 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 상기 로봇의 양발의 전단부의 수직방향 위치 차이를 토대로 하강보행상태임을 판단하여, 로봇의 하강보행에 따른 자세를 제어하는 착용형 외골격 로봇의 하강보행 제어 방법에 관한 것이다.

Description

외골격 로봇의 하강보행 제어 방법 {DOWNHILL WALKING CONTROL METHOD OF WEARABLE EXOSKELETON ROBOT}

본 발명은, 착용형 외골격 로봇의 하강보행 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 상기 로봇의 양발의 전단부의 수직방향 위치 차이를 토대로 하강보행상태임을 판단하여, 로봇의 하강보행에 따른 자세를 제어하는 착용형 외골격 로봇의 하강보행 제어 방법에 관한 것이다.

착용형 외골격 로봇은 사람이 입는 로봇 시스템으로 착용자의 힘 또는 동작을 보조해 주기 위한 장치이다. 하지 근력 보조 또는 증강을 위한 외골격 로봇은 주로 노약자/장애인의 재활치료 또는 일상생활의 근력보조를 위해, 그리고 산업현장에서 근로자의 근력보조를 통한 작업효율 향상을 위해 개발되어왔으며 최근에는 보다 다양한 노면환경에서의 운용이 필요한 군사용 목적의 근력증강 외골격 로봇 개발이 진행되고 있다.

외골격로봇의 평지보행은 지면에 발이 닿아 로봇의 하중을 지지하는 스탠스 모드와 지면에서 발이 떨어지는 스윙모드를 반복적으로 판단하여 이에 맞게 로봇의 제어하여 착용자의 보행을 돕도록 하는 것이 일반적인 방법이다. 그러나 군사용 근력증강 외골격로봇은 경사, 계단, 참호 등 다양한 노면에서의 운용이 필요하며, 이를 위한 외골격로봇의 제어는 노면상태 추정을 통한 제어기법 변환, 파라메터 최적화 등이 추가적으로 필요하게 된다. 상대적으로 상승경사에서는 선행다리의 지면접촉시 계단 또는 경사로의 상승보행임을 판단하는 것이 용이하나, 하강경사의 경우 후행 스탠스 모드 다리가 평지로 인식하고 고관절(160,260) 및 슬관절(140,240)을 굽혀주지 않는다면 선행다리의 스윙상태에서 하강경사 또는 하강 계단임을 판단하기 어려우며 특히 부하 등을 짊어진 상태에서는 보행안정성을 확보하기가 더욱더 어려워지는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1049526호 (2011.07.08)

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 착용형 외골격 로봇의 양발의 전단부의 수직방향 위치 차이를 토대로 하강보행상태임을 판단하여, 로봇의 하강보행에 따른 자세를 제어하는 착용형 외골격 로봇의 하강보행 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 하강보행 제어 방법은

착용형 외골격 로봇의 제어방법에 있어서, 착용자의 보행상태를 판단하는 단계; 상기 발바닥 링크(110,120) 전단부의 수직방향 위치 차이를 계산하는 단계; 상기 계산 결과를 토대로 착용자의 하강보행 여부를 판단하는 단계; 착용자가 하강보행중인 경우 상기 로봇의 자세를 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 보행상태 판단 단계는 상기 발바닥 링크(110,120)에 장착된 센서를 통해 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 발바닥 링크(110,120) 전단부의 수직방향 위치 차이는 수학식 1에 따른 각 발바닥 링크(110,120)의 A값을 비교하여 계산되는 것을 특징으로 할 수 있다.

[수학식 1]

A = L_{pelvis X} sin(θ_roll) + L_{thigh X} cos(θ_hip - θ_{trunk _pitch}) + L_{shank X} cos(θ_hip +θ_knee - θ_{trunk_pitch}) + L_{foot X} sin(-θ_hip - θ_knee - θ_ankle + θ_{trunk _pitch})

(식중 L_{pelvis ,} L_{thigh ,} L_{shank ,} L_foot는 각각 골반링크(170,270)의 좌우방향 길이, 허벅지 링크(150,250) 길이, 종아리 링크(130,230) 길이, 발바닥 링크(110,120) 길이를 의미하고, θ_{roll ,} θ_{hip ,} θ_{knee ,} θ_{ankle ,} θ_{trunk _pitch} 는 각각 로봇몸체 기준 골반관절(180,280)의 롤각도, 골반관절(180,280)의 수직 기준 고관절(160,260)의 피치각도, 허벅지 링크(150,250) 기준 슬관절(140,240) 피치각도, 종아리 링크(130,230) 수직 기준 족관절(120,220) 피치각도, 로봇 상체의 피치방향각도를 의미함)

또한, 상기 발바닥 링크(110,120) 전단부의 수직방향 위치 차이는 상기 보행상태 판단결과 상대적으로 전방에 위치한 발이 스윙 단계인 경우에 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 하강보행 여부는 상기 각 발바닥 링크(110,120)의 A값의 차이를 기 설정된 임계값과 비교하여 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 자세제어 단계는 스탠스 상태인 다리를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 스탠스 상태인 다리의 고관절(160,260), 슬관절(140,240), 족관절(120,220) 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 관절을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 착용형 외골격 로봇의 양발의 전단부의 수직방향 위치 차이를 토대로 하강보행상태임을 판단함으로써, 하강보행에서 착용자가 안정성을 잃지 않으면서 하강보행상태임을 판단하여 로봇의 하강보행에 따른 자세를 제어하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 하강보행 제어 방법에서 로봇의 각 링크 길이 및 관절 각도를 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 하강보행 제어 방법에서 착용자의 하강보행 여부를 판단하는 방법을 개략적으로 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 하강보행 제어 방법에서 외골격로봇의 계단 하강보행 시험결과를 보여주는 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 하강보행 제어 방법을 개략적으로 보여주는 흐름도.

본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 외골격 로봇의 하강보행제어 방법은 착용자의 양발의 보행상태를 판단하는 단계(S100); 로봇의 발바닥 링크(110,120) 전단부의 수직방향 위치 차이를 계산하는 단계(S200); 상기 계산 결과를 토대로 착용자의 하강보행 여부를 판단하는 단계(S300); 착용자가 하강보행중인 경우 상기 로봇의 자세를 제어하는 단계(S400);를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 보행상태를 판단하여 착용자의 양발중 어느 하나의 발이 스윙상태에고, 다른 하나의 발이 스탠스상태인 경우에 후술할 바와 같이, 각발에 착용된 로봇의 발바닥 링크(110,120) 전단부 끝부분의 수직방향 위치를 계산하게 된다.

상기 보행상태의 판단(S100)은 로봇의 양발 즉, 발바닥 링크(110,120)에 장착된 압력센서등을 통해 이루어 질 수 있고. 일반적으로, 발바닥 링크(110,120)가 지면과 접촉한 상태인 스탠스 상태와 지면에 접촉되지 않은 스윙 상태로 구분된다. 다만, 이를 구분하여 판단하는 방법은 여기서의 구체적인 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 하강보행 제어 방법에서 로봇의 각 링크 길이 및 관절 각도를 개략적으로 보여주는 도면이고,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 하강보행 제어 방법에서 착용자의 하강보행 여부를 판단하는 방법을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참고하여 설명하면, 상기 발바닥 링크(110,120) 전단부의 수직방향 위치의 차이(S200)는 하기 수학식 1의 방법으로 구할 수 있다. 여기서 수학식 1의 A값은 도 2에 도시된 D_toe 값, 즉 골반관절(180,280)의 롤방향 회전중심을 기준으로 발바닥 링크(110,120) 끝부분까지의 수직방향 거리를 계산한 값이다.

구체적으로 상기 양발의 수직방향 위치 차이는 수학식 1에 따른 각 발의 A값을 비교하여 계산될 수 있으며, 수학식 1은 다음과 같다.

[수학식 1]

A = L_{pelvis X} sin(θ_roll) + L_{thigh X} cos(θ_hip - θ_{trunk _pitch}) + L_{shank X} cos(θ_hip + θ_knee - θ_{trunk_pitch}) + L_{foot X} sin(-θ_hip - θ_knee - θ_ankle + θ_{trunk _pitch})

이때, 하기 [표 1]에 기재된 바와 같이, 상기 식중 L_{pelvis ,} L_{thigh ,} L_{shank ,} L_foot는 각각 골반링크(170,270)의 좌우방향 길이, 허벅지 링크(150,250) 길이, 종아리 링크(130,230) 길이, 발바닥 링크(110,120) 길이를 의미하고, θ_{roll ,} θ_{hip ,} θ_{knee ,} θ_ankle, θ_{trunk _pitch} 는 각각 로봇몸체 기준 골반관절(180,280)의 롤각도, 골반관절(180,280)의 수직 기준 고관절(160,260)의 피치각도, 허벅지 링크(150,250) 기준 슬관절(140,240) 피치각도, 종아리 링크(130,230) 수직 기준 족관절(120,220) 피치각도, 로봇 상체의 피치방향각도를 의미한다.

또한, 각 관절의 롤방향, 피치방향의 각도는 도 1의 화살표 방향이 (+)방향이다.

링크 길이		관절 각도
Lpelvis	골반링크의 좌우방향 길이	θroll	로봇몸체 기준 골반관절의 롤각도
Lthigh	허벅지 링크길이	θhip	골반관절의 수직 기준 고관절의 피치각도
Lshank	종아리 링크 길이	θknee	허벅지 링크 기준 슬관절 피치각도
Lfoot	발바닥 링크길이	θankle	종아리 링크 수직 기준 족관절 피치각도
		θtrunk _pitch	로봇 상체의 피치방향각도 (전방으로 숙이는 방향이 +)

이렇게 하여, 각 발에 대한 도 2에 도시된 Dtoe 값, 즉 골반 롤방향 회전중심을 기준으로 발끝까지의 수직방향 거리를 계산한 값 A를 구할 수 있고, 각 발에 대한 A 값을 비교하여 그 차이값이 기 설정된 임계값과 비교하여 임계값보다 큰 경우에는 착용자가 계단(300) 또는 경사면의 하강보행 중임을 판단(S300)할 수 있는 것이다.

다만, 상술한 A값을 계산하는 단계(S200)는 상기 보행상태 판단결과 상대적으로 전방에 위치한 발이 스윙 상태인 경우에 수행하게 되고, 구체적으로 좌우 다리의 θ_hip을 비교하여 θ_hip이 상대적으로 더 큰 전방에 있는 다리가 스윙 일때만 진행하게 된다. 이는 계단(300)/경사 노면의 상승보행에서 본 조건이 적용되는 것을 방지하기 위함이다.

상기 자세제어 단계(S400)는 하중을 지지하는 다리인 스탠스 상태인 다리를 제어하는 것이 바람직하나, 하중의 이동을 원활히 하기 위해 스윙 상태인 다리의 자세 역시 제어될 수 있다.

또한, 상기 자세제어 단계(S400)는 상기 스탠스 상태인 다리의 고관절(160,260), 슬관절(140,240), 족관절(120,220) 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 관절에 대해 작용하는 힘과 각도를 조절함으로써 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 계산된 A값을 이용하여 양발 끝의 수직방향 거리를 각각 계산하고 발접촉을 확인할 수 있는 센서를 이용하여 양 다리의 스윙 또는 스탠스 상태를 판단한 후, 스윙상태 발의 수직방향거리가 스탠스 상태 발의 수직방향 거리 대비 일정값 이상 커지는 경우 외골격로봇은 착용자가 하강보행을 하는 것으로 판단하고 로봇과 부가 하중을 지지하고 있는 로봇의 스탠스다리의 고관절과 슬관절의 힘 및/또는 각도를 조정하여 로봇의 자세를 낮추어주는 제어를 하게 되는 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 하강보행 제어 방법에서 외골격로봇의 계단(300) 하강보행 시험결과를 보여주는 그래프이다.

이는 외골격로봇 양 다리의 모드(스윙/스탠스)와 골반링크(170,270) 회전중심기준 발끝까지의 수직방향 거리를 계단(300) 하강보행시험을 통하여 측정한 시험 결과를 보여주는 것으로, 본 발명의 실시예에 따라, 각 발의 발끝의 수직방향 위치 값의 변화를 계산함으로써 착용자의 하강보행여부를 판단할 수 있고, 그에 따라 스탠스 상태인 다리의 관절을 제어하여 계단(300)이나 경사면의 하강보행 시에도 착용자의 보행안정성을 확보할 수 있게 된다.

구체적으로 도 3에서는 오른발을 내리는 경우에 대한 시험결과로, 왼발 스탠스, 오른발 스윙상태에서 오른쪽 발끝을 계단아래쪽 방향으로 내려서 양 발끝간의 위치차이를 발생시키면 로봇의 스탠스모드 다리(도 3에서는 왼쪽다리)의 각도 및/또는 힘을 변화시켜 오른쪽 다리가 계단하부에 착지 할 수 있도록 자세를 숙이도록 하는 제어를 수행하게 되는 것이다.

앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 (이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예 일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

100: 왼 다리
110,210: 발바닥 링크
120,220: 족 관절
130,230: 종아리 링크
140,240: 슬 관절
150,250: 허벅지 링크
160,260: 고 관절
170,270: 골반링크
180,280: 골반관절
200: 오른 다리
300: 계단
400: 몸체부

Claims (7)

1. 착용형 외골격 로봇의 제어방법에 있어서,
   착용자의 보행상태를 판단하는 단계;
   상기 로봇의 발바닥 링크 전단부의 수직방향 위치 차이를 계산하는 단계;
   상기 계산 결과를 토대로 착용자의 하강보행 여부를 판단하는 단계;
   착용자가 하강보행중인 경우 상기 로봇의 자세를 제어하는 단계;를
   포함하는 외골격 로봇의 하강보행제어 방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 보행상태 판단 단계는 상기 발바닥 링크에 장착된 센서를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 외골격 로봇의 하강보행제어 방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 발바닥 링크 전단부의 수직방향 위치 차이는 수학식 1에 따른 각 발의 A값을 비교하여 계산되는 것을 특징으로 하는 외골격 로봇의 하강보행제어 방법.
   
   [수학식 1]
   A = L_{pelvis X} sin(θ_roll) + L_{thigh X} cos(θ_hip - θ_{trunk _pitch}) + L_{shank X} cos(θ_hip + θ_knee - θ_{trunk_pitch}) + L_{foot X} sin(-θ_hip - θ_knee - θ_ankle + θ_{trunk _pitch})
   
   (식중 L_{pelvis ,} L_{thigh ,} L_{shank ,} L_foot는 각각 골반링크의 좌우방향 길이, 허벅지 링크 길이, 종아리 링크 길이, 발바닥 링크 길이를 의미하고, θ_{roll ,} θ_{hip ,} θ_{knee ,} θ_{ankle ,} θ_{trunk _pitch} 는 각각 로봇몸체 기준 골반관절의 롤각도, 골반관절의 수직 기준 고관절의 피치각도, 허벅지 링크 기준 슬관절 피치각도, 종아리 링크 수직 기준 족관절 피치각도, 로봇 상체의 피치방향각도를 의미함)
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 발바닥 링크 전단부의 수직방향 위치 차이는 상기 보행상태 판단결과 상대적으로 전방에 위치한 발이 스윙 상태인 경우에 계산하는 것을 특징으로 하는 외골격 로봇의 하강보행제어 방법.
   
5. 제 3항에 있어서,
   상기 하강보행 여부는 상기 각 발바닥 링크의 A값의 차이를 기 설정된 임계값과 비교하여 판단하는 것을 특징으로 하는 외골격 로봇의 하강보행제어 방법.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 자세제어 단계는 스탠스 상태인 다리를 제어하는 것을 특징으로 하는 외골격 로봇의 하강보행제어 방법.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 스탠스 상태인 다리의 고관절, 슬관절, 족관절 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 관절을 제어하는 것을 특징으로 하는 외골격 로봇의 하강보행제어 방법.
   
   

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