KR101305617B1

KR101305617B1 - 착용식 로봇의 양중제어방법 및 양중제어시스템

Info

Publication number: KR101305617B1
Application number: KR20120000025A
Authority: KR
Inventors: 서정호; 양우성
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-01-02
Filing date: 2012-01-02
Publication date: 2013-09-09
Also published as: US9098075B2; KR20130078885A; US20130173058A1

Abstract

물체가 로봇에 가하는 무게힘과 착용자가 로봇에 가하는 인가힘의 차이를 통하여 양중작업시 로봇이 물체에 가해야 하는 최종힘을 도출하는 힘도출단계; 로봇이 물체를 들어올려야 하는 목표위치를 설정하는 위치설정단계; 로봇이 물체를 지지하는 끝단과 로봇의 각 관절에 스프링-댐퍼를 이용한 가상힘 모델을 적용하고, 상기 도출된 최종힘을 반영하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크로 환산하고 최종토크에 따라 로봇의 각 관절을 구동하는 양중단계; 및 로봇이 물체를 상기 목표위치까지 들어올린 경우 상기 최종힘을 고정하는 고정단계;를 포함하는 착용식 로봇의 양중제어방법 및 양중제어시스템이 소개된다.

Description

착용식 로봇의 양중제어방법 및 양중제어시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR COMTROLLING LIFTING OPERATION OF WEARABLE ROBOT}

본 발명은 양중작업을 할 물체의 무게 변화에 관계없이 항상 착용자가 일정한 힘으로 다양한 무게의 물체를 들 수 있도록 제어하기 위한 착용식 로봇의 양중제어방법 및 양중제어시스템에 관한 것이다.

착용자의 의도에 따라 움직이며 물체를 들고 이동시켜야 하는 착용식 근력지원 로봇은 무거운 물체를 양중작업 하는 경우, 착용자의 힘은 로봇에 전달되고 로봇을 통해 전달된 힘이 증폭되어 무거운 물건을 들 수 있게 된다. 본 발명은 양중작업을 할 물체의 무게 변화에 관계없이 항상 착용자가 일정한 힘으로 다양한 무게의 물체를 들 수 있도록 제어하는 방법에 관한 것이다.

기존의 착용식 근력지원 로봇은 착용자의 신체에 근전도(EMG) 센서를 부착하여 착용자의 동작의도 신호를 근육의 수축과 이완으로 판단하여 로봇 제어기에 보내어 액추에이터를 구동하는 데에 사용하여 왔으며, 착용자가 움직이는 경우 근전도 센서가 신체와 정확하게 밀착되지 않아 착용차의 동작의도 신호가 왜곡되는 현상이 빈번하게 발생하는 단점이 발생하였다.

또한, 양중작업을 할 물체의 무게 변화에 따라 로봇의 동작이 민감하게 반응하는 단점이 있었다.

따라서, 센싱의 정확도와 이를 기반으로 하는 정확한 로봇의 제어를 위하여 힘센서만으로 이를 구현할 필요가 발생하였다. 부착식 근전도 센서는 매우 부정확한 측면이 있었고 그 비용 역시 고가여서 상용화가 어렵기 때문이다.

따라서, 힘 센서를 기반으로 정확한 요구 힘을 측정하고 이를 기반으로 손쉽게 양중 작업을 제어함으로써 착용자가 어떠한 무게의 물체를 들더라도 동일한 부하를 느끼도록 하여 착용자의 신체에 가해지는 부담을 줄이기 위한 기술이 필요하였던 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 착용자의 의도가 힘으로 로봇 끝단에 반영하여 이에 순응하여 끝단이 구동되도록 할 수 있으며, 착용자가 일정한 힘을 받도록 착용로봇이 구동되도록 하기 위한 착용식 로봇의 양중제어방법 및 양중제어시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 착용식 로봇의 양중제어방법은, 물체가 로봇에 가하는 무게힘과 착용자가 로봇에 가하는 인가힘의 차이를 통하여 양중작업시 로봇이 물체에 가해야 하는 최종힘을 도출하는 힘도출단계; 로봇이 물체를 들어올려야 하는 목표위치를 설정하는 위치설정단계; 로봇이 물체를 지지하는 끝단과 로봇의 각 관절에 스프링-댐퍼를 이용한 가상힘 모델을 적용하고, 상기 도출된 최종힘을 반영하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크로 환산하고 최종토크에 따라 로봇의 각 관절을 구동하는 양중단계; 및 로봇이 물체를 상기 목표위치까지 들어올린 경우 상기 최종힘을 고정하는 고정단계;를 포함한다.

상기 고정단계는, 로봇이 물체를 양중한 상태에서 이동시켜야 하는 경우 상기 최종힘을 고정한 상태에서 목표 이동거리를 반영하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크로 환산하고 최종토크에 따라 로봇의 각 관절을 구동하는 이동단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 양중단계는 도출된 최종힘을 자코비안 트랜스포즈를 이용하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크에 환산하여 반영할 수 있다.

상기 이동단계는 물체의 이동에 따라 필요한 로봇 끝단의 작동력을 목표 이동거리에 따른 스프링-댐퍼를 이용한 가상힘 모델로 표현하고 이를 자코비안 트랜스포즈를 이용하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크에 환산하여 반영할 수 있다.

한편, 본 발명의 착용식 로봇의 양중제어시스템은, 물체가 로봇에 가하는 무게힘과 착용자가 로봇에 가하는 인가힘을 센싱하는 힘센서부; 로봇의 각 관절에 마련되어 구동력을 생성하는 구동부; 및 상기 무게힘과 인가힘의 차이를 통하여 양중작업시 로봇이 물체에 가해야 하는 최종힘을 도출하고, 로봇이 물체를 지지하는 끝단과 로봇의 각 관절에 스프링-댐퍼를 이용한 가상힘 모델을 적용하며, 최종힘을 반영하여 각 관절의 구동부에서 필요한 최종토크로 환산하고 최종토크에 따라 각 관절의 구동부를 제어하는 제어부;를 포함한다.

상기 힘센서부는 무게힘을 측정하는 제1센서 및 인가힘을 측정하는 제2센서로 구성될 수 있다.

상기 제어부는 로봇이 물체를 들어올려야 하는 목표위치를 설정하고, 목표 위치까지 양중작업이 이루어진 경우 상기 최종힘을 고정한 상태에서 각 관절의 구동부를 제어할 수 있다.

상기 제어부는 로봇이 물체를 양중한 상태에서 이동시켜야 하는 경우, 상기 최종힘을 고정한 상태에서 목표 이동거리를 반영하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크로 환산하고 최종토크에 따라 각 관절의 구동부를 제어할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 착용식 로봇의 양중제어방법 및 양중제어시스템에 따르면, 착용로봇의 착용자의 근골격 질환의 방지를 위한 힘 제어기반 양중 제어 방법을 제공할 수 있다. 또한, 착용로봇의 상지부가 상황에 맞게 착용자의 의도대로 동작하도록 제어되며, 기존의 로봇들이 다양한 센서정보를 이용해서 제어를 하는 반면 본 발명에 따르면 힘센서 정보만을 이용하여 비교적 손쉽게 제어가 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 로봇의 양중제어시스템을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 착용식 로봇의 구동부 제어를 설명하기 위한 도면.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 로봇의 양중작업과 이동작업을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 로봇의 양중제어방법을 나타낸 순서도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 착용식 로봇의 양중제어방법 및 양중제어시스템에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 로봇의 양중제어시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 착용식 로봇의 구동부 제어를 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 로봇의 양중제어방법을 나타낸 순서도이다.

본 발명의 착용식 로봇의 양중제어방법은, 물체가 로봇에 가하는 무게힘(F₀)과 착용자가 로봇에 가하는 인가힘(F_h)의 차이를 통하여 양중작업시 로봇이 물체에 가해야 하는 최종힘(F_T)을 도출하는 힘도출단계(S100); 로봇이 물체를 들어올려야 하는 목표위치를 설정하는 위치설정단계(S200); 로봇이 물체를 지지하는 끝단과 로봇의 각 관절에 스프링-댐퍼를 이용한 가상힘 모델을 적용하고, 상기 도출된 최종힘(F_T)을 반영하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크로 환산하고 최종토크에 따라 로봇의 각 관절을 구동하는 양중단계(S300); 및 로봇이 물체를 상기 목표위치까지 들어올린 경우 상기 최종힘을 고정하는 고정단계(S400);를 포함한다.

도 1의 시스템에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 경우 두 가지의 힘정보를 이용하여 양중제어를 수행한다.

사용되는 힘으로는 물체가 로봇에 가하는 무게힘(F₀)과 착용자가 로봇에 가하는 인가힘(F_h)을 센싱하여 이용하고, 그 차이를 통해 하기와 같이 양중작업시 로봇이 물체에 가해야 하는 최종힘(F_T)을 도출한다.

이러한 작업은 제어부에서 수행하는데, 제어부는 상기 무게힘과 인가힘을 센싱하여 최종힘을 도출하고, 이를 통해 로봇의 각 관절의 구동부를 제어하여 로봇이 물체를 잡고 들 수 있도록 하는 것이다. 한편, 이러한 착용자가 가하는 인가힘(F_h)은 최대값을 설정해 둘 경우 착용자로 하여금 일정수준 이상의 힘을 가하지 않아도 되도록 함으로써 착용자의 신체를 보호하는 것도 가능하다.

한편, 도 2는 도 1에 도시된 착용식 로봇의 구동부 제어를 설명하기 위한 도면으로서, 본 발명의 착용식 로봇은 다자유도 방식의 구동방식을 채택할 수 있다.

이는 도시된 바와 같이 로봇의 각 관절의 모터를 구동하기 위해 로봇 끝단(400)의 힘을 설정하고 이를 각각의 관절로 분배하는 과정을 거침으로써 각각의 관절을 별도로 계산/유도하지 않기 때문에 연산이 빠르고 구현이 용이한 장점이 있다.

이를 위해 로봇의 끝단(400)과 각 관절 구동부(500)에는 스프링-댐퍼를 이용한 가상힘 모델을 적용하고, 상기 도출된 최종힘(F_T)을 반영하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크로 환산하고 최종토크에 따라 로봇의 각 관절을 구동하는 것이다. 구체적인 제어식은 아래와 같이 표현될 수 있다.

상기 식에서 보면, 본래 토크(τ)는 끝단의 힘(F)이 자코비안 트랜스포즈(J^T)를 통해 각각의 관절로 분배되는 토크(τ)로 계산된다. 그리고 실제 각 관절로 분배되는 최종토크(관절의 모터에서 구동해야 하는 토크)는 각 관절에서의 가상의 스프링-댐퍼 모델을 통하여 행렬식 C, k₀가 도입되고 각도에 관련된 q가 사용되며 끝단에서 움직임에 필요한 힘(F)도 자코비안 트랜스포즈(J^T)를 통해 각 관절로 분배되고 여기에 로봇의 중력에 의한 처짐(g(q))이 반영되어 나타난다.

한편, 끝단(400)의 경우에도 가상의 스프링-댐퍼 모델을 통해 스프링과 댐핑의 계수인 k, c가 도입되고 끝단이 이동되어야 하는 거리인 △x가 도입되어 입력된다.

한편, 상기와 같은 다자유도 방식의 로봇에 본 발명의 양중제어를 가산하면, 아래와 같은 식으로 표현될 수 있다.

즉, 다자유도 로봇의 끝단에 최종힘(F_T)을 반영하고 이를 자코비안 트랜스포즈(J^T)로 각 관절에 배분함으로써 양중제어가 가능해지는 것이다.

구체적으로, 도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 로봇의 양중작업과 이동작업을 나타낸 도면으로서, 도 3의 경우 양중작업을 하는 경우이고 도 4는 양중 후 이동작업을 하는 경우를 나타낸다.

도 3과 같이 양중작업을 할 경우에는 상기 수학식 3의 J^TF_T를 통하여 양중제어를 수행하고, 양중 후에는 도 4와 같이 이동시 J^TF_T를 고정하고 이동거리 △x에 따라 끝단의 스프링과 댐핑의 계수인 k, c를 이용하여 최종토크를 각 관절의 구동부에 인가하는 것이다.

즉, 상기 고정단계(S400)는, 로봇(R)이 물체(10)를 양중한 상태에서 이동시켜야 하는 경우 상기 최종힘을 고정한 상태에서 목표 이동거리를 반영하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크로 환산하고 최종토크에 따라 로봇(R)의 각 관절을 구동하는 이동단계(S500);를 더 포함한다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 양중단계(S300)는 도출된 최종힘을 자코비안 트랜스포즈를 이용하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크에 환산하여 반영하고, 상기 이동단계(S500)는 물체의 이동에 따라 필요한 로봇 끝단의 작동력을 목표 이동거리에 따른 스프링-댐퍼를 이용한 가상힘 모델로 표현하고 이를 자코비안 트랜스포즈를 이용하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크에 환산하여 반영하도록 함으로써 양중시 착용자가 일정한 힘만으로도 다양한 무게의 물체를 양중할 수 있고, 양중 후 이동시에도 양중과 이동을 분리하여 최종토크를 산출함으로써 제어가 용이한 것이다.

한편, 상기 제어방법을 수행하기 위한 본 발명의 착용식 로봇의 양중제어시스템은, 물체가 로봇에 가하는 무게힘(F₀)과 착용자가 로봇에 가하는 인가힘(F_h)을 센싱하는 힘센서부(100); 로봇의 각 관절에 마련되어 구동력을 생성하는 구동부(500); 및 상기 무게힘(F₀)과 인가힘(F_h)의 차이를 통하여 양중작업시 로봇이 물체에 가해야 하는 최종힘(F_T)을 도출하고, 로봇이 물체를 지지하는 끝단(400)과 로봇의 각 관절에 스프링-댐퍼를 이용한 가상힘 모델을 적용하며, 최종힘(F_T)을 반영하여 각 관절의 구동부(500)에서 필요한 최종토크로 환산하고 최종토크에 따라 각 관절의 구동부(500)를 제어하는 제어부(300);를 포함한다.

그리고, 상기 힘센서부(100)는 무게힘(F₀)을 측정하는 제1센서(120) 및 인가힘(F_h)을 측정하는 제2센서(140)로 구성되어 각각의 센싱된 힘들로부터 최종힘(F_T)을 도출한다.

또한, 상기 제어부(300)는 로봇이 물체를 들어올려야 하는 목표위치를 설정하고, 목표 위치까지 양중작업이 이루어진 경우 상기 최종힘(F_T)을 고정한 상태에서 각 관절의 구동부(500)를 제어하도록 하며, 상기 제어부(300)는 로봇이 물체를 양중한 상태에서 이동시켜야 하는 경우, 상기 최종힘(F_T)을 고정한 상태에서 목표 이동거리를 반영하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크로 환산하고 최종토크에 따라 각 관절의 구동부(500)를 제어하도록 할 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 힘센서부 300 : 제어부
400 : 로봇 끝단 500 : 관절 구동부

Claims

물체가 로봇에 가하는 무게힘(F₀)과 착용자가 로봇에 가하는 인가힘(F_h)의 차이를 통하여 양중작업시 로봇이 물체에 가해야 하는 최종힘(F_T)을 도출하는 힘도출단계(S100);
로봇이 물체를 들어올려야 하는 목표위치를 설정하는 위치설정단계(S200);
로봇이 물체를 지지하는 끝단과 로봇의 각 관절에 스프링-댐퍼를 이용한 가상힘 모델을 적용하고, 상기 도출된 최종힘(F_T)을 반영하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크로 환산하고 최종토크에 따라 로봇의 각 관절을 구동하는 양중단계(S300); 및
로봇이 물체를 상기 목표위치까지 들어올린 경우 상기 최종힘을 고정하는 고정단계(S400);를 포함하는 착용식 로봇의 양중제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 고정단계(S400)는,
로봇이 물체를 양중한 상태에서 이동시켜야 하는 경우 상기 최종힘을 고정한 상태에서 목표 이동거리를 반영하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크로 환산하고 최종토크에 따라 로봇의 각 관절을 구동하는 이동단계(S500);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 양중제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 양중단계(S300)는 도출된 최종힘을 자코비안 트랜스포즈를 이용하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크에 환산하여 반영하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 양중제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 이동단계(S500)는 물체의 이동에 따라 필요한 로봇 끝단의 작동력을 목표 이동거리에 따른 스프링-댐퍼를 이용한 가상힘 모델로 표현하고 이를 자코비안 트랜스포즈를 이용하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크에 환산하여 반영하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 양중제어방법.
물체가 로봇에 가하는 무게힘(F₀)과 착용자가 로봇에 가하는 인가힘(F_h)을 센싱하는 힘센서부(100);
로봇의 각 관절에 마련되어 구동력을 생성하는 구동부(500); 및
상기 무게힘(F₀)과 인가힘(F_h)의 차이를 통하여 양중작업시 로봇이 물체에 가해야 하는 최종힘(F_T)을 도출하고, 로봇이 물체를 지지하는 끝단(400)과 로봇의 각 관절에 스프링-댐퍼를 이용한 가상힘 모델을 적용하며, 최종힘(F_T)을 반영하여 각 관절의 구동부(500)에서 필요한 최종토크로 환산하고 최종토크에 따라 각 관절의 구동부(500)를 제어하는 제어부(300);를 포함하는 착용식 로봇의 양중제어시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 힘센서부(100)는 무게힘(F₀)을 측정하는 제1센서(120) 및 인가힘(F_h)을 측정하는 제2센서(140)로 구성된 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 양중제어시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 제어부(300)는 로봇이 물체를 들어올려야 하는 목표위치를 설정하고, 목표 위치까지 양중작업이 이루어진 경우 상기 최종힘(F_T)을 고정한 상태에서 각 관절의 구동부(500)를 제어하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 양중제어시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 제어부(300)는 로봇이 물체를 양중한 상태에서 이동시켜야 하는 경우, 상기 최종힘(F_T)을 고정한 상태에서 목표 이동거리를 반영하여 로봇의 각 관절에서 필요한 최종토크로 환산하고 최종토크에 따라 각 관절의 구동부(500)를 제어하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 양중제어시스템.