KR101274253B1 - 비전 기반 압력 센서 및 이를 포함하는 착용 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력 수용부; 상기 압력 수용부에 형성되어 가압된 압력에 의해 변형되는 호스부; 상기 호스부 단부에 형성되는 탄성부; 상기 탄성부에 형성되어 상기 탄성부 변형에 대응하여 크기가 변하는 마커 이미지가 표기된 마커부; 상기 마커 이미지의 영상을 획득하는 카메라부;및 상기 카메라부에서 획득한 상기 마커 이미지의 영상 정보에 기초하여 상기 압력 수용부에 가압된 압력을 검출하는 압력 검출부를 포함하는 비전 기반 압력 센서를 제공하여, 스트레인 게이지를 사용하지 않는 간소한 구성으로 압력을 측정할 수 있는 유리한 효과를 제공한다.

Description

비전 기반 압력 센서 및 이를 포함하는 착용 로봇{Pressure sensor based on vision and Wearable robot having the same}

본 발명은 비전 기반 압력 센서 및 이를 포함하는 착용 로봇에 관한 것으로, 마커 이미지의 크기를 인식하여 측정하고자 하는 압력을 검출하는 비전 기반 압력 센서 및 이를 포함하는 착용 로봇에 관한 것이다.

착용 로봇이란, 사용자가 착용하여 근력을 지원하도록 사용자와 로봇의 동기화를 이용한 입는 형태의 로봇을 의미한다. 이러한 착용 로봇은 상지 근력 지원 타입과 하지 근력 지원 타입으로 구분할 수 있으며, 하지 근력 지원 타입의 경우, 보행 시 발생하는 하중을 보상하기 위한 외골격 시스템으로 구성될 수 있다.

이러한 하지 근력 지원 타입의 착용 로봇은, 높은 하중의 군장을 착용하거나 특수 군사 장비를 착용하고 장시간 전술 이동 또는 작전을 수행하는 군인, 또는 보행 시 근력 보조가 필요한 장애인 및 노약자, 또는 높은 하중의 장비를 취급하는 산업 근로자 등에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

이때, 착용 로봇에는 보행 하고자 하는 사용자의 의도 또는 보행 구간을 감지하기 위한 압력 센서가 마련될 수 있다. 특히, 이러한 압력 센서는 족압을 측정할 수 있는 발바닥 주위에 설치될 수 있다. 통상적으로, 이러한 압력 센서는 탄성 변형하는 압력 수용 구조체에 스트레인 게이지를 부착하는 로드셀 형태로 구성된다.

그러나, 압력 수용 구조체에 스트레인 게이지를 부착하는 작업은 정밀도를 요구하는 것으로 작업자의 높은 숙련도가 필요하다. 이에 압력 센서를 제조하는 작업이 까다롭고 제조 시간이 길어지는 문제점이 있다. 또한, 압력을 측정하는 과정에서 전위차에 의한 신호를 별도의 증폭 장치를 통해 증폭해야만 하기 때문에 압력 센서의 구성이 복잡해지는 문제점이 있다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스트레인 게이지를 사용하지 않는 간략한 구성을 갖는 압력 센서 및 이를 포함하는 착용 로봇을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 복수 개의 지점에서 작용하는 압력을 하나의 간소한 구성으로 측정할 수 있는 압력 센서 및 이를 포함하는 착용 로봇을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 압력 수용부와, 상기 압력 수용부에 형성되어 가압된 압력에 의해 변형되는 호스부와, 상기 호스부 단부에 형성되는 탄성부와, 상기 탄성부에 형성되어 상기 탄성부 변형에 대응하여 크기가 변하는 마커 이미지가 표기된 마커부와, 상기 마커 이미지의 영상을 획득하는 카메라부 및 상기 카메라부에서 획득한 상기 마커 이미지의 영상 정보에 기초하여 상기 압력 수용부에 가압된 압력을 검출하는 압력 검출부를 포함하는 비전 기반 압력 센서를 제공한다.

바람직하게는, 상기 호스부에는 소정의 액체 및 소정의 기체 중 적어도 어느 하나가 충진될 수 있다.

바람직하게는, 상기 호스부는 상기 압력 수용부 내부에서 적어도 2회 이상 절곡 형성되며, 상기 호스부의 단부는 상기 압력 수용부 외부로 노출되도록 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 탄성부는 상기 호스부 단부에 탈 부착 가능하게 결합할 수 있다.

바람직하게는, 상기 카메라부는 상기 마커부를 마주보고 배치될 수 있다.

바람직하게는, 상기 카메라부와 상기 탄성부를 연결하는 하우징을 구비될 수 있다.

바람직하게는, 상기 압력 검출부는, 소정의 압력에 대응하는 기준 크기를 갖는 기준 마커 이미지들을 저장하는 저장부와, 상기 카메라부에서 획득한 상기 마커 이미지의 크기와 상기 저장부에 저장된 기준 마커 이미지들의 크기를 비교하는 매칭부를 포함할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 다른 발명은, 압력 수용부와, 상기 압력 수용부에 형성되어 가압된 압력에 의해 변형되는 호스부와, 상기 호스부 단부에 형성되는 탄성부와, 상기 탄성부에 형성되어 상기 탄성부 변형에 대응하여 크기가 변하는 마커 이미지가 표기된 마커부를 포함하는 적어도 둘의 측정 모듈과 적어도 둘의 상기 측정 모듈을 집합시키는 집합부와, 상기 마커 이미지의 영상을 획득하는 카메라부 및, 상기 카메라부에서 획득한 상기 마커 이미지의 영상 정보에 기초하여 상기 압력 수용부에 가압된 압력을 검출하는 압력 검출부를 포함하는 비전 기반 압력 센서를 제공할 수 있다.

바람직하게는, 상기 마커부는 상기 마커 이미지들이 하나의 표면상에 나타나도록 상기 측정 모듈을 집합시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 카메라부는 상기 마커 이미지들이 나타난 표면을 마주하도록 배치될 수 있다.

바람직하게는, 상기 압력 검출부는, 소정의 압력에 대응하는 기준 크기를 갖는 기준 마커 이미지들을 저장하는 저장부와, 상기 카메라부에서 획득한 상기 마커 이미지의 크기와 상기 저장부에 저장된 기준 마커 이미지들의 크기를 비교하는 매칭부를 포함할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 또 다른 발명은, 상술한 비전 기반 압력 센서를 포함하는 착용 로봇을 제공한다.

본 발명에 따른 비전 기반 압력 센서 및 이를 포함하는 착용 로봇에 따르면, 압력의 크기에 대응하여 크기가 변하는 마커 이미지를 인식하고 이를 활용하여 가압된 압력을 검출하는 압력 검출부를 구비함으로써, 스트레인 게이지를 사용하지 않는 간소한 구성으로 압력을 측정할 수 있는 유리한 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 비전 기반 압력 센서 및 이를 포함하는 착용 로봇에 따르면, 복수 개의 측정 모듈의 마커 이미지를 인식하고 이를 활용하여 가압된 압력을 검출하는 압력 검출부를 구비함으로써, 다수의 지점에서 간소한 구성으로 압력을 측정할 수 있는 유리한 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 비전 기반 압력 센서를 도시한 도면,
도 2는 도 1에서 도시한 압력 수용부에 가압된 압력에 대응하여 크기가 변화는 마커 이미지를 도시한 도면,
도 3은 원형의 마커 이미지를 도시한 도면,
도 4는 사각형의 마커 이미지를 도시한 도면,
도 5는 격자 형태의 마커 이미지를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 비전 기반 압력 센서를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

본 발명은 구성을 간소화하기 위하여, 호스부의 내압과 연동하여 그 크기가 변화는 마커 이미지에 대한 영상 정보를 활용하여 압력을 측정하는 것을 기술적 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 비전 기반 압력 센서를 도시한 도면이다. 이러한, 도 1은 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.

제1 실시예

도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 비전 기반 압력 센서(100)는, 압력 수용부(110)와, 호스부(120)와, 탄성부(130)와, 마커부(140)와, 카메라부(150) 및 압력 검출부(160)를 포함한다.

압력 수용부(110)는 압력을 직접적으로 수용하여 호스부(120)에 전달하는 역활을 한다. 일실시예에 있어서, 압력 수용부(110)는 원형의 플레이트 형태로 구성될 수 있으며, 압력에 의해 외형의 변형이 용이한 소재로 구성되는 것이 바람직하다. 이는 내부에 포함된 호스부(120)에 압력을 전달하기 위함이다. 압력 수용부(110)는 착용 로봇의 발목 조인트 장치에 연결된 신발 등의 바닥면 또는 착용자의 발바닥과 접촉하는 신발 밑창에 설치될 수 있다.

호스부(120)는 상술한 압력 수용부(110)로부터 압력을 전달받는다. 압력을 전달 받으면, 호스부(120)는 눌리면서 외형이 일시적으로 변형된다. 한편, 호스부(120) 내부에는 소정의 기체 또는 유체가 충진될 수 있다. 소정의 기체 또는 유체가 충진된 상태에서 호스부(120)의 어느 한 끝단은 막힌 형태로 구성되고, 다른 끝단은 탄성부(130)에 막힌 상태로 구성된다. 이러한 호스부(120)의 상당 부분은 압력 수용부(110) 내부에 포함되어 압력을 전달받고, 탄성부(130)가 결합된 호스부(120)의 선단은 압력 수용부(110)의 밖으로 노출되도록 형성된다.

호스부(120)는 압력 수용부(110)에서 지그재그 형태로 적어도 2회 이상 절곡되어 형성될 수 있다. 이는 압력 수용부(110)의 전 영역에서 고르게 압력을 전달받기 위함이다.

탄성부(130)는 상술한 호스부(120)의 내압에 대응하여 탄성 변형한다. 이러한 탄성부(130)는 압력 수용부(110)에서 노출된 호스부(120)의 개방 단부에 결합하여 호스부(120)의 내부를 밀폐시킨다. 탄성부(130)는 호스부(120)의 형상에 대응하여 원통 형상을 갖는 것이 좋다. 그리고, 반경 방향으로 탄성 변위가 발생하도록 구성되는 것이 좋다. 이는 호스부(120)의 내압에 대응하여 마커부(140)에 표기된 마커 이미지의 크기 변화의 정도를 크게 하기 위함이다.

한편, 탄성부(130)는 호스부(120)에 탈 부착 가능하게 결합될 수 있다. 탄성계수가 상이한 복수 개의 탄성부(130)가 마련되며, 사용자는 압력 측정 범위에 대응하여 이에 적합한 탄성 계수를 갖는 탄성부(130)를 선택할 수 있다. 선택한 탄성부(130)를 호스부(120)의 단부에 교체 장착하여 다양한 범위의 압력을 측정할 수 있도록 구성될 수 있다.

마커부(140)는 상술한 탄성부(130)에 소정의 마커 이미지가 표기되어 이루어진다. 도 2는 도 1에서 도시한 압력 수용부에 가압된 압력에 대응하여 크기가 변화는 마커 이미지를 도시한 도면이고, 도 3 내지 도 5는 다양한 형태의 마커 이미지를 도시한 도면이다. 호스부(120)의 내압이 증가하여 탄성부(130)가 확장되면 도 2에서 도시한 바와 같이, 마커 이미지의 크기도 이에 대응하여 커진다. 여기서 도 2의 (a)는 압력 수용부(110)에 압력이 부가되지 않은 상태에서 마커 이미지를 나타낸 것이고, 도 2의 (b)는 압력 수용부(110)에 소정의 압력이 부가된 상태에서 그 크기가 확장된 마커 이미지를 나타낸 그림이다.

이러한 마커 이미지들은 도 3에서 도시한 바와 같이, 원형으로 표기될 수 있다. 또한, 도 4에서 도시한 바와 같이, 사각형으로 표기될 수도 있다. 그리고, 도 5에서 도시한 바와 같이, 격자 형태로 표기될 수도 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 마커 이미지로 변형 실시 가능하다.

다만, 마커 이미지들은 탄성부(130)의 중심부에 표기되는 것이 바람직하다. 이는, 마커 이미지의 크기 변화의 정도를 크게 하기 위함이다.

카메라부(150)는 상술한 마커부(140)에 표기된 마커 이미지들의 영상 정보를 획득한다. 도 1을 참조하면, 이러한 카메라부(150)는 마커부(140)를 마주 보는 위치에 설치될 수 있다. 구체적으로, 카메라부(150)의 렌즈가 마커 이미지를 대향하여 설치되는 것이 좋다. 이는 마커 이미지의 크기 변화를 보다 정확하게 나타내는 영상 정보를 얻기 위함이다.

한편, 카메라부(150)와 탄성부(130)를 연결하는 별도의 하우징(151)이 형성될 수 있다.

압력 검출부(160)는 상술한 카메라부(150)에서 획득한 마커 이미지의 영상 정보에 기초하여 압력 수용부(110)에 가압된 압력을 검출한다. 도 1을 참조하면, 일실시예에 있어서, 압력 검출부(160)는, 저장부(161)와 매칭부(162)를 포함할 수 있다.

저장부(161)는 소정의 압력에 대응하는 기준 크기를 갖는 기준 마커 이미지들이 저장된다. 기준 크기란, 소정의 탄성 계수를 갖는 탄성부(130)에서 소정의 압력이 부가되었을 때, 해당 탄성부(130)에 표기된 마커 이미지의 크기를 의미한다. 저장부(161)에는 탄성 계수가 상이한 탄성부(130) 별로 구분하여 기준 크기를 갖는 마커 이미지들이 각각 저장될 수 있다.

매칭부(162)는 카메라부(150)에서 얻은 마커 이미지의 영상을 신호 처리하여 저장부(161)에 저장된 마커 이미지의 기준 크기와 비교하여 대응하는 마커 이미지를 매칭시킨다. 매칭부(162)에서 매칭된 마커 이미지의 기준 크기와 대응하는 압력을 압력 수용부(110)에 가압된 압력으로 검출한다.

제2 실시예

도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 비전 기반 압력 센서를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면 제2 실시예에 따른 비전 기반 압력 센서(200)는 복수 개의 측정 모듈(210: 201A,210B,210C)과, 집합부(220)와, 카메라부(230)와, 압력 검출부(240)를 포함한다.

각각의 측정 모듈(210)은 제1 실시예에서 설명한 압력 수용부(110)와, 호스부(120)와, 탄성부(130) 및 마커부(140)와 동일한 구성을 포함하기 때문에 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

집합부(220)는 복수 개의 탄성부(130) 및 호스부(120)의 단부를 묶는 역활을 한다. 이때, 집합부(220)는 마커 이미지들이 하나의 표면상에 나타나도록 측정 모듈(210)을 묶는 것이 바람직하다.

카메라부(230)는 마커 이미지들이 나타난 표면을 마주하도록 배치되는 것이 좋다.

압력 검출부(240)는 제1 실시예에서 설명한 압력 검출부(160)와 동일한 구성으로 이에 대한 자세한 생략한다. 압력 검출부(160)는 마커 이미지들의 영상 정보에 기초하여 각각의 측정 모듈(210)에 가압되는 압력을 검출한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110 : 압력 수용부
120 : 호스부
130 : 탄성부
140 : 마커부
150,230 : 카메라부
160 : 압력 검출부
210,240 : 측정 모듈
220 : 집합부

Claims (12)

1. 압력 수용부;
   상기 압력 수용부에 형성되어 가압된 압력에 의해 변형되는 호스부;
   상기 호스부 단부에 형성되는 탄성부;
   상기 탄성부에 형성되어 상기 탄성부 변형에 대응하여 크기가 변하는 마커 이미지가 표기된 마커부;
   상기 마커 이미지의 영상을 획득하는 카메라부;및
   상기 카메라부에서 획득한 상기 마커 이미지의 영상 정보에 기초하여 상기 압력 수용부에 가압된 압력을 검출하는 압력 검출부를 포함하고,
   상기 압력 검출부는,
   소정의 압력에 대응하는 기준 크기를 갖는 기준 마커 이미지들을 저장하는 저장부와, 상기 카메라부에서 획득한 상기 마커 이미지의 크기와 상기 저장부에 저장된 기준 마커 이미지들의 크기를 비교하는 매칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비전 기반 압력 센서.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 호스부에는 소정의 액체 및 소정의 기체 중 적어도 어느 하나가 충진되는 것을 특징으로 하는 비전 기반 압력 센서.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 호스부는 상기 압력 수용부 내부에서 적어도 2회 이상 절곡 형성되며, 상기 호스부의 단부는 상기 압력 수용부 외부로 노출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 비전 기반 압력 센서.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 탄성부는 상기 호스부 단부에 탈 부착 가능하게 결합하는 것을 특징으로 하는 비전 기반 압력 센서.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 카메라부는 상기 마커부를 마주보고 배치되는 것을 특징으로 하는 비전 기반 압력 센서.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 카메라부와 상기 탄성부를 연결하는 하우징을 구비되는 것을 특징으로 하는 비전 기반 압력 센서.
7. 삭제
8. 압력 수용부와, 상기 압력 수용부에 형성되어 가압된 압력에 의해 변형되는 호스부와, 상기 호스부 단부에 형성되는 탄성부와, 상기 탄성부에 형성되어 상기 탄성부 변형에 대응하여 크기가 변하는 마커 이미지가 표기된 마커부를 포함하는 적어도 둘의 측정 모듈;
   적어도 둘의 상기 측정 모듈을 집합시키는 집합부;
   상기 마커 이미지의 영상을 획득하는 카메라부;및
   상기 카메라부에서 획득한 상기 마커 이미지의 영상 정보에 기초하여 상기 압력 수용부에 가압된 압력을 검출하는 압력 검출부를 포함하고,
   상기 압력 검출부는,소정의 압력에 대응하는 기준 크기를 갖는 기준 마커 이미지들을 저장하는 저장부와, 상기 카메라부에서 획득한 상기 마커 이미지의 크기와 상기 저장부에 저장된 기준 마커 이미지들의 크기를 비교하는 매칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비전 기반 압력 센서.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 마커부는 상기 마커 이미지들이 하나의 표면상에 나타나도록 상기 측정 모듈을 집합시키는 것을 특징으로 하는 비전 기반 압력 센서.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 카메라부는 상기 마커 이미지들이 나타난 표면을 마주하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 비전 기반 압력 센서.
11. 삭제
12. 제1 항 내지 제6 항 및, 제8 항 내지 제10 항 중 어느 한 항의 비전 기반 압력 센서를 포함하는 착용 로봇.
    

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