KR101435514B1 - Human power amplification robot estimating user's intension by detecting joint torque and control method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 사용자의 동작의도를 추정하여 근력증강로봇의 동작을 제어하는 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 제어방법은, (a) 회전조인트에서의 토크를 측정하는 단계; (b) 토크 측정값을 이용하여 사용자가 의도하는 동작의 방향과 속도를 추정하여 자세 제어에 필요한 데이터를 획득하는 단계; (c) 상기 데이터를 이용하여 상기 회전조인트를 동작시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 회전조인트의 토크를 실시간으로 피드백하여 근력증강로봇이 사용자의 동작을 따라 바로 움직이도록 제어하는 것이 가능해진다. 따라서 사용자는 근력증강로봇을 착용하고 있더라도 동작의 제한이 최소화 되어 더욱 자연스러운 동작이 가능해진다.The present invention discloses a method for controlling the operation of the muscle strength-enhancing robot by estimating the intention of the user. A control method according to the present invention comprises the steps of: (a) measuring a torque in a rotating joint; (b) obtaining data necessary for attitude control by estimating the direction and speed of the operation intended by the user using the torque measurement value; (c) operating the rotary joint using the data.
According to the present invention, it is possible to feed back the torque of the rotating joint in real time, and to control the muscle strengthening robot to move immediately in accordance with the user's operation. Therefore, even if the user is wearing the muscle strength enhancing robot, the limitation of the operation is minimized and the operation becomes more natural.
Description
본 발명은 사람의 근력을 보조 또는 증강하기 위한 근력증강로봇에 관한 것으로서, 구체적으로는 근력증강로봇의 회전조인트에서 측정된 토크를 이용하여 사용자의 동작의도를 추정하고 이를 통해 근력증강로봇을 제어하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a muscle strength-enhancing robot for assisting or enhancing a muscle strength of a person, and more particularly, to a muscle strength-enhancing robot for estimating an operation intention of a user by using a torque measured at a rotary joint of the muscle strength- .
일반적으로 산업현장에서는 무거운 중량의 물체를 들어 옮기거나 들고 있는 상태를 장시간 유지해야 하는 경우가 많다. 이러한 작업은 여러 사람의 인력이 요구되거나 현장 상황에 따라 중장비나 기중기, 도르레 등의 보조장비가 사용되어야 하는 불편이 있다.Generally, in an industrial field, it is often necessary to maintain a state in which a heavy heavy object is lifted or held for a long time. Such work requires inconveniences such as heavy manpower, heavy equipment, crane, and pulleys depending on the situation.
그러나 사람이 직접 작업할 경우에는 높은 작업강도로 인해 작업능률이 낮음은 물론이고 산업재해의 위험이 높은 문제가 있고, 보조장비를 사용할 경우에는 비교적 넓은 이동공간이나 설치공간이 필요하므로 사용범위가 제한적인 문제가 있다.However, when people work directly, there is a high risk of industrial accidents as well as low work efficiency due to high work intensity. In case of using auxiliary equipment, relatively wide moving space or installation space is required, There is a problem.
이러한 문제로 인해 최근에는 모터나 유/공압 실린더 등의 액츄에이터를 이용하여 추가적인 힘을 지원할 수 있는 근력증강로봇의 필요성이 대두되고 있다.In recent years, there has been a need for a muscle strengthening robot capable of supporting an additional force by using an actuator such as a motor or a hydraulic / pneumatic cylinder.
근력증강로봇은 액츄에이터에 의해 동작하는 관절기구를 사람이 착용하거나 탑승하여 사용하는 것으로서, 액츄에이터의 도움으로 사용자가 낼 수 있는 힘보다 훨씬 큰 힘을 낼 수 있도록 해주는 로봇을 말한다. 추가적으로 얻을 수 있는 힘이 작은 경우에는 근력보조로봇이라 부르기도 한다.A muscle-strengthening robot is a robot that is used by a person to ride or ride on a joint mechanism operated by an actuator, which allows a robot to generate a force that is much larger than a user can with the help of an actuator. If the additional force is small, it is called a muscle-assisted robot.
그런데 이러한 근력증강로봇을 실제로 구현하기 위해서는 기구의 크기를 최소화하고 경량화 하면서도 높은 출력과 강성을 갖도록 해야 하는데, 이와 같은 상충되는 요구를 동시에 만족시키는 것이 쉽지 않은 문제가 있다. 그리고 사용자의 동작을 최대한 방해하지 않으면서 사용자가 의도하는 동작을 자연스럽게 수행하도록 제어하는 것이 특히 어려운 문제로 남아 있다.However, in order to actually implement such a muscle-strengthening robot, it is necessary to minimize the size of the mechanism and to have a high output and rigidity while lightening it, and it is not easy to satisfy such conflicting requirements at the same time. It is a particularly difficult problem to control the user to perform the intended operation naturally without hindering the user's operation as much as possible.
근력증강로봇은 사용자의 신체에 근접하거나 접촉한 상태에서 사용자가 의도하는 동작을 할 수 있어야 한다. 근력증강로봇의 목적이 소수의 사람이 다수의 사람과 같은 힘을 내도록 지원하는 것이므로 좁은 공간에서도 쉽게 움직일 수 있어야 하기 때문이다.The muscle strengthening robot should be able to perform the intended operation of the user in the state of being in proximity to or contact with the user's body. This is because the purpose of the muscle strengthening robot is to support a small number of people to exert the same force as many people, so that they can easily move even in a narrow space.
근력증강로봇의 기본구조는 사용자의 신체를 감싸는 형태이거나, 사람의 각 관절과 나란히 움직일 수 있는 형태인 경우가 많은데, 이와 같이 사용자의 근접 거리에 로봇이 존재하면 사용자의 동작을 방해할 수 있다.The basic structure of the muscle strength-enhancing robot is a form that wraps the body of the user or can move in parallel with the joints of the person. In such a case, if the robot exists at the proximity of the user, the motion of the user may be interrupted.
따라서 근력증강로봇은 사용자의 동작을 방해하지 않으면서 사용자의 동작을 인식하고 추정할 수 있어야 한다. 사용자는 본인이 원하는 동작을 하고, 근력증강로봇은 사용자의 근접거리에서 사용자의 동작을 추정하여 사용자의 동작을 지원하도록 작동할 수 있어야 한다. 근력증강로봇이 사용자와 근접한 거리에 존재하므로 원거리에서 사용자의 동작을 인식하는 방법은 바람직하지 않다.Therefore, the muscle strengthening robot should be able to recognize and estimate the user's motion without interfering with the user's motion. The user must perform the desired operation, and the strength-enhancing robot must be able to operate to support the user's operation by estimating the user's motion at the user's proximity. Since the muscle strengthening robots are located at a distance close to the user, a method of recognizing the user's motion at a long distance is not preferable.
근접한 거리에서 사용자의 동작을 인식하는 종래의 방법에는 사용자의 뇌파를 측정하여 제어에 사용하는 방법, 근전도 신호를 측정하여 근육의 움직임을 추정하는 방법, 근육의 경도 변화를 측정하여 근육의 움직임을 추정하는 방법 등이 있다.Conventional methods for recognizing the user's motion at a close distance include a method for measuring and controlling the user's brain waves, a method for estimating the motion of the muscles by measuring the EMG signal, a method for estimating the movement of the muscles by measuring the change in the hardness of the muscle And the like.
그러나 이러한 방법을 사용하려면 사용자의 피부에 직접 센서를 접촉시켜야 하는데, 센서의 접촉상태나 사용자의 신체특징에 따라 측정치의 오차가 커서 근력증강로봇을 정밀하게 제어하기 어렵다는 문제가 있다.However, in order to use such a method, there is a problem in that it is difficult to precisely control the muscle strength increasing robot because the measurement error is large according to the contact state of the sensor or the body characteristics of the user.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 근력증강로봇의 각 회전조인트에서 측정된 토크를 이용하여 사용자의 동작 의도를 추정하고, 이를 이용하여 각 회전조인트의 움직임을 보다 정밀하게 제어하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a method for estimating an operation intention of a user using torque measured at each rotary joint of a muscle strength-enhancing robot and controlling the motion of each rotary joint more precisely using the torque It has its purpose.
본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 회전조인트를 구비하는 근력증강로봇의 동작을 제어하는 방법에 있어서, (a) 상기 회전조인트에서의 토크를 측정하는 단계; (b) 토크 측정값을 이용하여 사용자가 의도하는 동작의 방향과 속도를 추정하여 자세 제어에 필요한 데이터를 획득하는 단계; (c) 상기 데이터를 이용하여 상기 회전조인트를 동작시키는 단계를 포함하는 근력증강로봇의 제어 방법을 제공한다.In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a method of controlling an operation of a muscle strength-enhancing robot having a rotary joint, the method comprising the steps of: (a) measuring a torque in the rotary joint; (b) obtaining data necessary for attitude control by estimating the direction and speed of the operation intended by the user using the torque measurement value; (c) operating the rotational joint using the data.
본 발명에 따른 제어방법의 상기 (b)단계에서는, 상기 근력증강로봇의 자세에 따른 상기 회전조인트의 필요 토크를 산출하고, 상기 토크 측정값과 상기 필요토크를 이용하여 자세제어에 필요한 데이터를 획득하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the step (b) of the control method according to the present invention, the necessary torque of the rotary joint according to the posture of the muscle strength increasing robot is calculated, and data necessary for posture control is acquired using the torque measurement value and the necessary torque .
또한 본 발명은, 사용자가 착용하여 사용하는 근력증강로봇에 있어서, 근력증강기능을 수행하는 부분으로서, 다수의 회전조인트를 구비하는 골격; 상기 사용자의 신체를 구속하는 구속기구와, 상기 다수의 회전조인트 중 적어도 하나에 대응하는 관절부와, 상기 관절부에 설치되고 일측이 상기 골격에 연결된 토크센서를 구비하는 사용자토크측정장치; 상기 토크센서에서 측정된 토크를 이용하여 사용자의 동작의도를 추정하고 그 결과에 따라 상기 다수의 회전조인트를 제어하는 로봇제어부를 포함하는 근력증강로봇을 제공한다.The present invention also provides a muscle strength-enhancing robot to be worn by a user, comprising: a skeleton having a plurality of rotational joints as a part for performing a muscle strength increasing function; A restraint mechanism for restraining the user's body; a joint part corresponding to at least one of the plurality of rotary joints; and a torque sensor installed at the joint part and having a torque sensor whose one end is connected to the skeleton; And a robot controller for estimating an operation intention of the user by using the torque measured by the torque sensor and controlling the plurality of rotational joints according to a result of the estimation.
본 발명의 근력증강로봇은, 상기 토크센서의 일측이 상기 골격의 상기 다수의 회전조인트 중 하나의 회전조인트에 동축상에서 자유회전하도록 설치된 것을 특징으로 할 수 있다.The muscle strength-enhancing robot of the present invention is characterized in that one side of the torque sensor is provided so as to rotate freely coaxially with one of the rotary joints of the plurality of rotary joints of the framework.
또한 본 발명의 근력증강로봇은, 상기 사용자토크측정장치의 상기 관절부에 사용자가 제어할 수 있는 정도의 부하를 제공하는 탄성부재가 설치된 것을 특징으로 할 수 있다.Further, the muscle strength-enhancing robot of the present invention may be characterized in that an elastic member is provided on the joint part of the user-torque measuring device to provide a load that can be controlled by a user.
또한 본 발명은, 다수의 회전조인트를 구비하는 골격과, 상기 다수의 회전조인트 중 적어도 하나에 대응하는 관절부와 상기 관절부에 설치되고 일측이 상기 골격에 연결된 토크센서를 구비하는 사용자토크측정장치를 포함하는 근력증강로봇에서 상기 골격의 동작을 제어하는 방법에 있어서, (a) 상기 사용자토크측정장치를 착용한 사용자가 움직이면, 상기 토크센서에서 측정된 토크를 이용하여 사용자가 의도하는 동작의 방향과 속도를 추정하여 자세 제어에 필요한 데이터를 획득하는 단계; (b) 상기 데이터를 이용하여 상기 회전조인트를 동작시키는 단계를 포함하는 근력증강로봇의 제어 방법을 제공한다.The present invention also includes a skeleton having a plurality of rotational joints, a joint portion corresponding to at least one of the plurality of rotational joints, and a torque sensor installed at the joint portion and having a torque sensor having one side connected to the skeleton (A) when a user wearing the user torque measuring apparatus moves, a direction and a velocity of an operation intended by the user are measured using the torque measured by the torque sensor, And acquiring data necessary for attitude control; (b) operating the rotational joint using the data.
본 발명에 따르면 회전조인트의 토크를 실시간으로 피드백하여 근력증강로봇이 사용자의 동작을 따라 바로 움직이도록 제어하는 것이 가능해진다. 따라서 사용자는 근력증강로봇을 착용하고 있더라도 동작의 제한이 최소화 되어 더욱 자연스러운 동작이 가능해진다.According to the present invention, it is possible to feed back the torque of the rotary joint in real time, and to control the muscle strengthening robot to move immediately in accordance with the user's operation. Therefore, even if the user is wearing the muscle strength enhancing robot, the limitation of the operation is minimized and the operation becomes more natural.
또한 근력증강로봇이 사용자가 원하는 방향 및 크기로 힘을 지원하므로 사용자가 실제 느끼는 하중이 즉각적으로 줄어들게 되는 효과를 얻을 수 있다.Also, since the muscle strength-enhancing robot supports the force in the direction and the size desired by the user, the load actually felt by the user can be immediately reduced.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 양단에 신체 구속기구를 갖는 회전조인트를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 양단에 신체 구속기구를 갖는 다축 조인트를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 근력증강로봇을 팔에 착용한 경우를 예시한 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 근력증강로봇을 다리에 착용한 경우를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 근력증강로봇의 허리부분 골격을 예시한 도면
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 근력증강로봇을 팔에 착용한 경우를 나타낸 도면
도 7은 사용자 토크감지장치만을 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 근력증강로봇을 다리에 착용한 경우를 나타낸 도면 1 is a view showing a rotating joint having a body restraint mechanism at both ends according to an embodiment of the present invention;
2 is a view showing a multi-shaft joint having a body restraint mechanism at both ends according to an embodiment of the present invention
3 is a view illustrating a case where a muscle-strength-enhancing robot according to an embodiment of the present invention is worn on an arm;
4 is a view showing a case where a muscle strength-enhancing robot according to an embodiment of the present invention is worn on a leg;
5 is a view illustrating a waist portion skeleton of a muscle strength increasing robot according to an embodiment of the present invention;
6 is a view showing a case where a muscle-strength-enhancing robot according to another embodiment of the present invention is worn on an arm
7 is a view showing only the user torque sensing device
8 is a view showing a case where a muscle strength-enhancing robot according to another embodiment of the present invention is worn on a leg
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
먼저 본 발명의 일 실시예는 사용자의 인체관절에 대응하는 근력증강로봇의 회전조인트(rotation joint)에서 토크를 측정하고 이를 이용하여 해당 회전조인트의 움직임을 즉시 제어하는 데 특징이 있다.One embodiment of the present invention is characterized in that torque is measured at a rotation joint of a muscle-strength-enhancing robot corresponding to a human body joint of a user, and the movement of the rotary joint is immediately controlled using the measured torque.
토크의 측정은 회전조인트에 토크 센서를 직접 설치하여 측정할 수도 있고, 해당 회전조인트를 구동시키는 모터 등의 액츄에이터에 공급되는 전류의 측정치를 환산하여 추정할 수도 있다. 전류를 이용한 토크 추정방법은 액츄에이터 관련 기술분야에서 널리 공지된 것이므로 이에 대한 설명은 생략한다.The torque can be measured by directly installing a torque sensor on the rotary joint or by converting the measured value of the current supplied to an actuator such as a motor for driving the rotary joint. Since the method of estimating the torque using the current is well known in the field of the actuator, description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 근력증강로봇의 기본적인 회전조인트 구조를 나타낸 것으로서, 임의의 n번째 링크(11)와 n+1번째 링크(12)가 n번째 회전조인트(20)에서 서로 회전할 수 있게 연결된 모습을 나타내고 있다.FIG. 1 shows a basic rotational joint structure of a muscle-strength-enhancing robot according to an embodiment of the present invention, wherein an arbitrary n-
이때 각 링크(11,12)는 사용자의 대응하는 신체부분에 구속될 수 있어야 하며, 이를 위해 각 링크(11,12)에는 각각 사용자의 신체를 구속하는 구속기구(30)가 설치된다. 그래야만 사용자의 움직임에 의해 회전조인트(20)의 토크가 변화될 수 있기 때문이다.At this time, each of the
도 2는 어깨, 골반 등과 같이 다수의 회전축이 한 점에서 교차하는 다축 회전조인트(20')(이하 편의상 '다축 조인트'라 한다)를 예시한 도면이다. 이 경우에도 기준이 되는 링크와 다축 조인트(20')의 말단 부분은 구속기구를 통해 사용자의 대응하는 신체부분에 구속되어야 한다.2 is a diagram illustrating a multi-shaft rotary joint 20 '(hereinafter, referred to as' multi-shaft joint') in which a plurality of rotary shafts intersect at one point, such as a shoulder, a pelvis, or the like. In this case, the reference link and the distal end portion of the multiaxial joint 20 'must be constrained to the corresponding body part of the user through the restraint mechanism.
도 3은 다축 조인트(20')와 회전조인트(20)를 포함하는 근력증강로봇의 상지골격(50)을 예시한 것으로서, 사람의 어깨관절에 대응하는 다축 조인트(20')의 상단부와 하단부는 각각 구속기구(30)에 의해 사용자의 어깨와 상완에 구속된다. 또한 사람의 팔꿈치관절에 대응하는 회전조인트(20)에 연결된 각 링크도 구속기구(30)에 의해 각각 상완과 전완(팔목)에 구속된다.3 illustrates an
또한 도 4는 다축 조인트(20')와 회전조인트(20)를 포함하는 근력증강로봇의 하지골격(50')을 예시한 것으로서, 사람의 골반관절에 대응하는 다축 조인트(20')의 상단부와 하단부는 각각 구속기구(30)에 의해 사용자의 허리와 대퇴부에 구속된다. 또한 사람의 무릎관절에 대응하는 회전조인트(20)에 연결된 각 링크는 구속기구(30)에 의해 각각 대퇴부와 하퇴부에 구속되고, 발목에 대응하는 회전조인트(20)에 연결된 각 링크는 구속기구(30)에 의해 각각 하퇴부와 발목하부에 구속된다.4 is a diagram illustrating a lower skeleton 50 'of a muscle-strength-enhancing robot including a multiaxial joint 20' and a
한편 이러한 조인트는 상지골격(50)이나 하지골격(50')에만 국한되는 것은 아니며, 도 5에 나타낸 바와 같이 사용자의 허리관절에 대응하는 하나 또는 2 이상의 회전조인트(20)를 포함할 수도 있다. However, this joint is not limited to the
이러한 근력증강로봇에서 사용자의 의도를 추정하여 자세를 제어하는 방법은 다음과 같다.The method of controlling the posture by estimating the intention of the user in the muscle strengthening robot is as follows.
기본적으로 근력증강로봇의 로봇제어부는 설정된 주기마다 자세를 유지하는데 필요한 토크를 계산하고, 모터 등의 액츄에이터가 이러한 토크의 출력을 내도록 제어하고 있다. Basically, the robot control unit of the muscle-strength-enhancing robot calculates the torque required to maintain the posture every set period and controls the actuator such as a motor to output such torque.
이러한 상태에서 근력증강로봇의 착용자가 관절부분을 펴거나 구부리기 위해 움직이면, 착용자의 관절에서 발생하는 힘에 의해 근력증강로봇의 각 조인트에서 측정되는 토크가 작아지거나 커지게 되며, 이러한 토크 변화는 토크센서 또는 각 조인트를 구동하는 액츄에이터의 전류량을 환산하여 실시간으로 측정될 수 있다.In this state, when the wearer of the muscle-strength-enhancing robot moves to unfold or bend the joint, the torque measured at each joint of the muscle-strength-enhancing robot becomes smaller or larger due to the force generated in the wearer's joint. Or can be measured in real time by converting the amount of current of the actuator driving each joint.
한편 다축 조인트는 그 일단이 신체에 구속되고, 2축 또는 3축의 회전 조인트를 지나 타단에서 신체에 구속되도록 구성한다. 다축 조인트는 여러 조인트의 회전축이 한 점에서 만나므로, 측정된 토크를 실제 롤(roll), 요(yaw), 피치(pitch)의 3개 회전축의 회전력으로 나타낼 수 있다. 따라서 다축 조인트에서 측정된 토크는 3개의 각 회전축의 필요 토크의 합으로 계산할 수 있으며, 이를 이용해서 각 회전축을 제어할 수 있다. 이러한 제어를 위해서는 다축 조인트를 구성하는 각 조인트의 자세를 측정하는 수단이 필요하다.On the other hand, a multi-axial joint is constituted so that one end thereof is confined to the body, and is restrained to the body at the other end beyond the two-axis or three-axis rotation joint. In a multi-axial joint, the rotational axes of several joints meet at a single point, so the measured torque can be expressed as the rotational force of three rotational axes: actual roll, yaw, and pitch. Therefore, the torque measured in the multi-axis joint can be calculated as the sum of the required torques of the three rotational shafts, and the rotational shafts can be controlled using the sum. For this control, a means for measuring the posture of each joint constituting the multi-axis joint is required.
로봇제어부는 이러한 토크값 변화량을 검출하여 사용자가 의도하는 힘의 방향 및 속도를 산출할 수 있다. The robot control unit can detect the torque change amount and calculate the direction and speed of the force intended by the user.
예를 들어 근력증폭장치의 상지골격(50)으로 물체를 들어올린 상태에서는 팔꿈치에 대응하는 조인트에 일정한 토크가 걸려 있게 되는데, 만일 사용자가 상지골격(50)에 구속된 팔을 내리는 방향으로 움직이면, 사용자의 팔이 아래로 누르는 힘에 의해 해당 조인트에서 측정되는 토크는 증가하게 될 것이다. 로봇제어부는 해당 자세에서 물체의 하중을 지지할 수 있도록 계산된 토크가 유지되도록 조인트를 회전시켜 사용자의 팔에 의해 부가된 하중이 제거되도록 동작을 제어한다. For example, when an object is lifted by the
계산된 토크와 실제 측정되는 토크의 차이가 클수록 동작이 빨라지도록 제어하는 것도 가능하다. 다만, 속도 증가의 비율은 사용목적, 평균 부가하중에 따라 달라질 수 있다. 따라서 로봇제어부는 이러한 토크 변화량을 통해 사용자가 의도하는 동작의 방향과 속도를 추정할 수 있다.It is also possible to control the operation to be faster as the difference between the calculated torque and the actually measured torque is larger. However, the rate of increase in speed may vary depending on the purpose of use and the average additional load. Therefore, the robot controller can estimate the direction and speed of the operation intended by the user through the amount of torque change.
이와 같이 사용자가 의도하는 동작의 방향과 속도가 추정되면, 일반적인 로봇 동역학식을 이용하여 근력증강로봇의 자세 제어에 필요한 데이터를 얻을 수 있으며, 이를 이용하여 액츄에이터를 통해 근력증강로봇의 자세를 사용자가 의도하는 대로 조정할 수 있다. 이를 위해서는 근력증강로봇의 각 관절의 기구적 특성, 관절의 각도, 관절의 운동 속도 등의 데이터와 관련 동역학프로그램이 미리 저장되어 있어야 함은 물론이다.When the direction and speed of the motion intended by the user are estimated in this manner, data necessary for attitude control of the muscle-strength-enhancing robot can be obtained by using a general robot kinetic equation. By using the actuator and the posture of the muscle- Can be adjusted as intended. It is needless to say that the kinematic strengthening robot has to store the kinematic characteristics of each joint, the angle of the joint, the kinetic velocity of the joint, and the related kinetic program in advance.
다만, 이러한 방법은 외력 또는 외부 충격이 가해져 토크가 급격히 변할 때는 동작 오류를 발생시킬 수 있기 때문에 전술한 방법으로 근력증강로봇의 자세 제어를 할 경우에는 각 조인트에 걸리는 토크가 예측범위(또는 설정범위) 내에 항상 존재하도록 제어하는 것이 바람직할 것이다.However, this method can cause an operation error when an external force or an external impact is applied to change the torque rapidly. Therefore, when the posture control of the muscle strength-enhancing robot is performed by the above-described method, It is preferable to control so as to be always present in the time domain.
이러한 방법은 근력증강로봇에 새로운 부하가 추가되는 경우에도 그대로 적용될 수 있다. This method can be applied even when a new load is added to the muscle strengthening robot.
근력증강로봇이 무거운 물체를 파지하거나 들어서 옮기는 등의 행동을 하는 경우에 각 조인트에 걸리는 토크는 부하의 크기, 작용 위치, 자세 등에 따라 변하게 된다. When the muscle strengthening robot performs actions such as grasping or lifting a heavy object, the torque applied to each joint varies depending on the size of the load, the working position, the posture, and the like.
근력증강로봇의 상지 골격으로 물체를 들어 올릴 때는, 무게 중심이 달라짐에 따라 각 조인트에서의 토크가 변하게 된다. 이러한 토크의 변화가 제어가능한 범위에서 일어날 경우, 로봇제어부는 물체의 질량과 무게중심 위치를 자동으로 추정할 수 있다. 즉, 물체를 들어올리는 자세에서 각 관절에서 계산되는 토크는 아래 수학식 1 로 나타낼 수 있다.When an object is lifted by the upper limb skeleton of the muscle strength increasing robot, the torque at each joint changes as the center of gravity changes. When such a change in torque occurs within a controllable range, the robot controller can automatically estimate the mass and center of gravity of the object. That is, the torque calculated at each joint in the posture of lifting the object can be expressed by the following equation (1).
또한 조인트 n에서 새롭게 증가된 하중에 의해 증가된 토크 는 다음의 수학식 2로 나타낼 수 있다.Also, the torque increased by the newly increased load in the joint n can be expressed by the following equation (2).
각 축에서 측정된 식을 연산하면 물체의 하중과 무게 중심위치를 계산할 수 있다. By calculating the equations measured on each axis, the load and center of gravity of the object can be calculated.
여기서 구해진 하중을 기존의 데이터에 합산함으로써 새로운 하중이 추가된 상태에서의 근력증강로봇의 동작이 가능하게 된다. 즉, 무부하 상태에서의 각 조인트에 필요한 토크와 추가된 하중에 의한 토크를 합산하여 새로운 기준 토크로 삼고, 각 조인트에서 측정되는 토크와의 차이를 계산하면, 각 조인트에서 발생해야 하는 토크의 크기와 방향을 결정할 수 있으므로 물체를 들어올리거나 옮기는 동작이 가능하도록 제어할 수 있게 된다.By adding the load obtained here to the existing data, it becomes possible to operate the muscle strengthening robot in a state where a new load is added. That is, when the torque required for each joint in the no-load state and the torque due to the additional load are added to obtain a new reference torque and a difference between the torque and the torque measured at each joint is calculated, Since the direction can be determined, it is possible to control so that an object can be lifted or moved.
한편 전술한 실시예에서는 근력증강로봇의 골격을 구성하는 회전조인트의 토크를 직접 측정하여 사용자의 의도를 추정하였다.On the other hand, in the above-described embodiment, the intention of the user is estimated by directly measuring the torque of the rotating joint constituting the skeleton of the strength-enhancing robot.
그런데 근력증강로봇의 골격부분에 급작스런 충격이 가해지거나 충돌이 일어난 경우에는 급격한 토크변화가 사용자가 의도한 것인지 여부를 판단하기 쉽지 않은 문제가 있다.However, when a sudden impact is applied to a skeleton portion of a muscle-strength-enhancing robot or a collision occurs, there is a problem that it is difficult to judge whether a sudden torque change is intended by a user.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 도 6에 예시한 바와 같이, 사용자 신체의 각 관절에서 토크를 측정할 수 있는 사용자토크측정장치(90)를 사용하는 것이 바람직하다.In order to solve such a problem, it is preferable to use a user
사용자토크측정장치(90)는 사용자가 착용하는 관절기구의 형태로서, 근력증강로봇의 상지골격(50)과 동일하거나 상응하는 자유도와 운동범위를 갖도록 구성된다. 하지골격 또는 허리부분의 골격과 동일하거나 상응하는 자유도와 운동범위를 갖도록 구성할 수도 있음은 물론이다.The user's
바람직하게는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 근력증강로봇의 각 조인트에 대응하는 위치마다 관절부(94)를 가지는 다수의 링크(91)와, 각 링크(91)를 사용자의 신체에 결합할 수 있는 구속기구(92)를 포함한다. 또한 각 관절부(94)의 회전축에는 토크센서(100)가 설치된다. Preferably, as shown in Fig. 7, a plurality of
이때 토크측정을 보다 용이하게 하기 위해서는 각 관절부(94)에 사용자가 제어 가능할 정도의 부하(복원력)를 제공하는 스프링 등의 탄성부재를 설치할 수 있다. 탄성부재를 관절부(94)에 설치하면 관절부(94)가 동일 각도만큼 회전하더라도 복원력의 크기가 다르면 토크의 크기도 달라지므로 사용자의 동작의도를 보다 충실히 반영할 수 있는 이점이 있다. At this time, in order to facilitate torque measurement, an elastic member such as a spring may be provided on each
토크센서(100)는 사용자의 움직임에 의해 사용자토크측정장치(90)의 관절부(94)에서 발생하는 토크변화를 측정하기 위한 것이다. The
도 6에는 토크센서(100)의 일측이 근력증강로봇의 상지골격(50)에 연결되는 것으로 나타나 있는데, 이것은 토크센서의 위치고정을 위한 것일 뿐이고 근력증강로봇의 상지골격(50)이나 조인트(20,20')의 토크를 검출하기 위한 것은 아니다. 6 shows that one side of the
정확한 동작 제어를 위해서는 토크센서(100)를 근력증강로봇의 조인트(20,20')에 연결하는 것이 바람직하며, 조인트(20,20')에 의해 토크값이 변하지 않도록 하려면 동축상에 자유회전 하도록 설치하면 된다.It is preferable to connect the
이와 같이 사용자토크측정장치(90)는 토크센서(100)를 제외하고는 실제 기계적 출력을 발생하는 근력증강로봇의 상지골격(50)과는 기구적으로 완전히 분리하는 것이 가장 바람직하다. As described above, it is most preferable that the user
그러나 사용자 관절의 토크 변화를 측정할 수 있는 최소한의 변위가 확보될 수 있다면 사용자토크측정장치(90)와 근력증강로봇의 상지골격(50)을 완전히 분리하지 않고 유연한 재질이나 기구적 구조를 추가하여 상호 연결하여도 무방하다. 기구적으로는 근력증강로봇의 상지골격(50) 또는 상지골격(50)에 부착된 연결부재가 사용자토크측정장치(90)를 둘러싸는 형태로 구성될 수 있다. However, if a minimum displacement capable of measuring the torque change of the user's joint can be secured, a flexible material or a mechanical structure may be added without completely separating the user's
따라서 사용자가 사용자토크측정장치(90)의 구속기구(92)에 자신의 신체를 구속시킨 상태에서 원하는 방향으로 움직이면, 각 관절부(94)에 연결된 토크센서(100)는 사용자토크측정장치(90)와 근력증강로봇의 상지골격(50) 사이의 동작차이로 인한 토크변화를 측정할 수 있다. 또한 로봇제어부는 이를 이용하여 사용자의 동작 의도를 추정하고, 자세 제어에 필요한 데이터를 산출한다.The
도 8에 나타낸 바와 같이 사용자의 하지에 사용자토크측정장치(90)를 착용하여 근력증강로봇의 하지골격(50')의 동작을 제어할 수도 있음은 물론이다.It is of course possible to control the operation of the lower skeleton 50 'of the strength-enhancing robot by wearing the user's
또한 도면에는 나타내지 않았지만, 사용자토크측정장치(90)에 근력증강로봇의 허리골격에 대응하는 관절부를 포함시키고, 해당 관절부에 토크센서를 설치하고, 상기 토크센서를 대응하는 허리골격 또는 허리부분 조인트에 연결하면 사용자의 허리 움직임을 추정하여 로봇의 자세를 제어할 수도 있다.Although not shown in the drawings, the user
한편, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 또는 수정될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 물론이다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Of course it belongs.
20: 회전조인트 20': 다축 조인트
30: 구속기구 50: 상지골격
50': 하지골격 90: 사용자토크측정장치
91: 링크 92: 구속기구
94: 관절부 100: 토크센서20: rotating joint 20 ': multi-axial joint
30: restraint mechanism 50: upper limb skeleton
50 ': lower skeleton 90: user torque measuring device
91: Link 92: Retention mechanism
94: joint part 100: torque sensor
Claims (7)
근력증강기능을 수행하는 부분으로서, 다수의 회전조인트를 구비하는 골격;
상기 골격과 이격되어 있고 사용자의 신체관절에 대응하는 관절부에 의해 서로 연결되어 있는 다수의 링크와, 상기 다수의 링크 중 적어도 하나의 링크에 설치되어 사용자의 신체를 구속하는 구속기구와, 상기 관절부의 토크를 측정하기 위해 상기 관절부에 설치되는 것으로서 일측이 상기 골격에 연결된 토크센서를 구비하는 사용자토크측정장치;
상기 토크센서에서 측정된 토크를 이용하여 사용자의 동작의도를 추정하고 그 결과에 따라 상기 다수의 회전조인트를 제어하는 로봇제어부
를 포함하는 근력증강로봇1. A muscle strength-enhancing robot for use by a user, comprising:
A skeleton having a plurality of rotational joints, the skeleton having a plurality of rotational joints;
A plurality of links spaced apart from the skeleton and connected to each other by a joint corresponding to a bodily joint of a user, a restraint mechanism provided on at least one of the plurality of links to restrain a user's body, A user torque measuring device installed at the joint part for measuring a torque and having a torque sensor whose one side is connected to the skeleton;
A robot controller for estimating an operation intention of the user by using the torque measured by the torque sensor and controlling the plurality of rotational joints according to a result of the estimation;
A muscle strengthening robot including
상기 토크센서의 상기 일측은 상기 골격의 상기 다수의 회전조인트 중 하나의 회전조인트와 동축상에서 자유회전하도록 상기 회전조인트에 결합된 것을 특징으로 하는 근력증강로봇The method of claim 3,
Wherein the one side of the torque sensor is coupled to the rotating joint so as to freely rotate coaxially with one of the plurality of rotating joints of the skeleton.
상기 사용자토크측정장치의 상기 관절부에는 사용자가 제어할 수 있는 정도의 부하를 제공하는 탄성부재가 설치된 것을 특징으로 하는 근력증강로봇The method of claim 3,
Characterized in that an elastic member is provided on the joint portion of the user torque measuring device to provide a load that can be controlled by a user,
(a) 설정된 주기마다 상기 사용자토크측정장치의 상기 관절부에서의 토크를 측정하는 단계;
(b) 상기 사용자토크측정장치를 착용한 사용자의 움직임에 의해 상기 사용자토크측정장치의 상기 관절부에서 측정되는 토크가 변하면, 토크변화정보를 이용하여 사용자가 의도하는 동작의 방향과 속도를 추정하여 자세 제어에 필요한 데이터를 획득하는 단계;
(c) 상기 데이터를 이용하여 상기 골격에 구비된 상기 회전조인트를 동작시키는 단계
를 포함하는 근력증강로봇의 제어 방법A skeleton having a plurality of rotational joints, a plurality of links spaced apart from the skeleton and connected to each other by joints corresponding to the bodily joints of the user, at least one link of the plurality of links, And a user torque measuring device provided on the joint part for measuring a torque of the joint part and having a side connected to the skeleton, the method comprising the steps of: As a result,
(a) measuring a torque at the joint of the user torque measuring device every set period;
(b) when the torque measured at the joint part of the user torque measuring device changes due to the movement of the user wearing the user torque measuring device, the direction and speed of the operation intended by the user are estimated using the torque change information, Obtaining data necessary for control;
(c) operating the rotary joint provided in the framework using the data
A control method of a muscle-strength-enhancing robot including
상기 (b)단계에서 측정되는 토크 변화량이 클수록 상기 (c)단계에서는 더 빠른 속도로 상기 회전조인트를 동작시키는 것을 특징으로 하는 근력증강로봇의 제어 방법The method according to claim 6,
Wherein in the step (c), the rotation joint is operated at a higher speed as the torque change amount measured in the step (b) is larger.
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