KR101490885B1 - Wearable robot determinable intention of user and method for controlling of the same - Google Patents

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KR101490885B1
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김홍철
왕지현
서창훈
김희영
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국방과학연구소
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Abstract

The present invention relates to a wearable robot based on walking intention assumption and a controlling method thereof, which can accurately sense the intention of a walker (user) in order to control a joint actuator by reducing errors through convergence between an inverse dynamic method and an HRI sensing method. The wearable robot based on walking intention assumption comprises: a back pack unit (100) which is worn by a user (1); a hydraulic pressure supply unit (200) which is installed in the back pack unit (100) in order to supply hydraulic pressure; robot legs (300R, 300L) which are installed at both sides on the bottom of the back pack unit (100); and a controller which calculates torque requirement necessary for the operation of individual operating parts according to the intention of the walker, and can control the operation of the hydraulic pressure supply unit (200). The controlling method for the wearable robot based on walking intention assumption comprises: a walking estimating step (S110) which assumes a walking mode by sensing whether or not the right or left sole of a user is in contact with the ground; a gradient measuring step (S120) which measures a gradient of the ground where the user is positioned; a command generating step (S130) which assumes walking intention of the user using a sensor installed in the wearable robot (2), and generates commands for controlling individual operating parts by calculating torque requirement (T_req) necessary for operating the parts of the wearable robot according to the intention of the walker; and a command performing step (S140) which actuates an actuator of the wearable robot (2) according to the generated command.

Description

보행의도 추정기반 착용로봇 및 그 제어방법{Wearable robot determinable intention of user and method for controlling of the same}[0001] The present invention relates to a wearable robot and a control method thereof,
본 발명은 착용자가 착용한 상태에서 착용자의 보행의도를 추정하여 이를 통하여 착용자의 보행능력을 증대시키는 착용로봇 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 역동역학적 방법과 HRI 센싱방법을 융합하여 오차를 줄여 착용자의 보행의도를 정확하게 센싱하여 관절구동기를 제어할 수 있도록 하는 보행의도 추정기반 착용로봇 및 그 제어방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a wearable robot and its control method for estimating the walking intention of the wearer while wearing the wearer, thereby increasing the walking ability of the wearer. More particularly, the present invention relates to a wearable robot that combines an inverse dynamic method and an HRI sensing method The present invention relates to a gait estimation based wearer robot and a control method thereof, which are capable of accurately controlling a wearer's walking intention by reducing an error, thereby controlling a joint actuator.
인체에 착용한 상태에서 착용자의 운동의도에 따라 팔, 다리의 근력을 증폭시켜 인간의 물리적인 운동능력을 증대시키는 착용로봇에 대한 연구가 활발해지고 있다.Researches have been actively conducted on wearing robots that increase the physical strength of the human body by amplifying the muscular strength of the arms and legs according to the wearer's motion intention while worn on the human body.
이러한 착용로봇은 착용자와 일체화되어 빠르고 자연스럽게 움직이도록 하기 위하여, 착용자와 로봇의 동기화 증대가 필요하다. 착용자와 로봇의 동기화 증대를 위해서 착용자의 운동의도 인식이 중요한 요소이다.Such a wearing robot needs to be synchronized with the wearer and the robot in order to integrate with the wearer and to move quickly and smoothly. In order to increase synchronization between wearer and robot, awareness of wearer 's motion is an important factor.
종래 기술의 착용로봇에서는 착용로봇에 장착된 각도센서, F/T센서(force-torque 센서) 등의 센서만을 이용하여 방법과 착용로봇과 사람이 연결되는 위치에 설치된 HRI(Human-Robot Interaction) 센서, 예컨대 압력센서, Muscle Strength Sensor, EMG(electromyogram) 등을 부착하여 운동의도를 인식하는 방법을 사용하였다. In a conventional wearing robot, only a sensor such as an angle sensor mounted on a wearing robot, an F / T sensor (force-torque sensor) or the like is used, and a human-robot interaction For example, a pressure sensor, a Muscle Strength Sensor, and an electromyogram (EMG).
그러나, 상기 착용로봇에 장착된 각도센서, F/T센서 등과 같은 센서만을 이용하는 방법에서는 착용자의 운동의도를 직접적으로 알 수 없기 때문에 주로 로봇의 모델을 이용하는 역동역학(Inverse Dynamics)적인 방법으로 착용로봇을 제어하도록 하였다. 그러나, 상기의 역동역학적인 방법은 모델에 대한 불확실성이 제어에 큰 영향을 미치게 되어 착용자와 착용로봇 사이의 고속동기화를 달성하는데 한계가 있다.However, in the method using only the sensor such as the angle sensor, the F / T sensor, and the like mounted on the wearable robot, since the degree of the wearer's motion can not be directly known, the wearer wears it in an inverse dynamics To control the robot. However, the above-mentioned dynamic mechanical method has a limitation in achieving high-speed synchronization between the wearer and the wearing robot, since the uncertainty about the model greatly affects the control.
한편, HRI 센서만을 사용하는 방법은 상기 HRI센서의 장착위치, 착용자의 특성에 따라 제어에 어려움이 있었다. On the other hand, the method using only the HRI sensor is difficult to control depending on the mounting position of the HRI sensor and the characteristics of the wearer.
아울러, 착용자의 의도와 착용로봇의 동작이 동기화를 증대시키기 위해서는 착용로봇의 관절이 인체의 관절과 유사하게 움직여야 하나, 종래의 착용로봇은 관절의 배치와 관절의 자유도가 인체의 관절과 차이가 있어서 보행시 불편함이 있엇다.Further, in order to increase the synchronization of the wearer's intention and the operation of the wearable robot, the joint of the wearable robot must move similar to the joints of the human body. However, in the conventional wearable robot, the disposition of the joints and the degrees of freedom of the joints are different from the joints of the human body There was an inconvenience when walking.
그리고, 착용로봇이 평지에서 보행하는 경우만을 대상으로 연구가 진행되어, 산악지형이나 경사지에서 운용되는 비율이 높아, 군용 또는 재난구조용으로 적용하기가 곤란한 문제점이 있다.
In addition, research has been carried out only on the case where the wearable robot is walking on the flat ground, and there is a problem that it is difficult to apply it to the military or disaster structure because of the high rate of operation in mountainous terrain or slope.
한편, 하기의 선행기술문헌에는 '착용 로봇 및 착용 로봇의 착용 상태 제어 방법'에 관한 기술이 개시되어 있다.
On the other hand, the following prior art documents disclose a technique relating to a method of controlling the wearing state of a wearing robot and a wearing robot.
KR 10-1227533 B1KR 10-1227533 B1
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 착용로봇의 관절부위에 설치되는 센서와 착용로봇과 착용자의 연결부위에 설치되는 HRI 센서로부터 측정되는 값을 모두 반영하여, 착용로봇의 움직임에 대한 오차를 줄이도록 한 보행의도 추정기반 착용로봇 및 그 제어방법를 제공하는데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for detecting a movement of a wear robot by reflecting all the values measured from a sensor installed at a joint part of a wear robot, And a control method of the robot.
또한, 본 발명의 다른 목적은 산악지형이나 경사지에서 착용자의 운동의도를 정확하게 파악하기 위하여, 경사각을 반영하여 제어할 수 있는 보행의도 추정기반 착용로봇 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a gait-based wearer-wearing robot and its control method which can control the gait angle accurately in order to precisely grasp the motion intention of a wearer on a mountainous terrain or a slope.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇은, 착용자의 하체를 지지하여 착용자의 보행을 도와주는 착용로봇에 있어서, 착용자가 메는 백팩부와, 상기 백팩부에 설치되고 각 가동부위로 유압을 공급하는 유압공급부와, 상기 백팩부의 하단 좌우 양측에 설치되고, 상기 착용자의 다리에 고정되며, 상기 유압공급부에서 발생한 유압에 의해 작동하는 로봇다리와, 상기 착용로봇에 설치된 센서로부터 입력되는 지면의 경사도와 상기 착용로봇의 관절부위에서 발생하는 신호와 상기 착용자가 상기 착용로봇에 가하는 힘에 대한 신호를 입력받아서, 착용자의 보행의도에 따라 각 가동부위의 작동에 필요한 요구토크를 계산하고, 상기 유압공급부의 작동을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a wearable robot for supporting a wearer's lower body by supporting a lower body of a wearer, the wearable robot comprising: a backpack part to be worn by the wearer; A robot leg fixed to the legs of the wearer and operated by the hydraulic pressure generated by the hydraulic pressure supply unit; A signal generated on the joint part of the wearer robot and a signal about a force applied by the wearer to the wearer robot are received and the demand torque necessary for operation of each movable part according to the walking intention of the wearer And a controller for controlling the operation of the hydraulic pressure supply unit.
상기 백팩부에는 지면의 절대 경사도를 측정하는 백팩부 IMU(Inertial Measurement Unit)센서 또는 경사계가 설치되는 것을 특징으로 한다.The backpack unit is provided with a back pack IMU (Inertial Measurement Unit) sensor or an inclinometer for measuring the absolute inclination of the ground.
상기 유압공급부에는 상기 유압공급부에서 발생한 유압이 각 가동부위로 공급되는 것을 단속(斷續)하는 복수의 밸브가 설치된 유압밸브 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.And the hydraulic pressure supply unit includes a hydraulic valve module provided with a plurality of valves intermittently interrupting supply of the hydraulic pressure generated in the hydraulic pressure supply unit to the respective movable parts.
상기 로봇다리는, 상기 백팩부의 하단에 설치되는 골반링크부와, 상기 골반링크부에 회전가능하게 연결되는 고관절부와, 상기 고관절부에 상단이 연결되고 착용자의 대퇴부에 인접하게 위치하여 착용자의 대퇴부의 운동을 지지하는 대퇴링크부와, 상기 대퇴링크부의 하단에 연결되고 착용자의 하퇴부에 인접하게 위치하여 착용자의 하퇴부의 운동을 지지하는 하퇴링크부와, 상기 하퇴링크부의 하단에 연결되고 착용자의 발목에 인접하게 설치되는 족관절부와, 상기 족관절부의 설치되어, 착용자의 발을 지지하는 발바닥 링크부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The robot leg includes a pelvis link portion provided at a lower end of the backpack portion, a hip joint portion rotatably connected to the pelvis link portion, and an upper end connected to the hip joint portion and positioned adjacent to the femoral portion of the wearer, A lower link portion connected to a lower end of the femur link portion and positioned adjacent to a lower portion of the wearer to support a movement of a wearer's lower leg portion, a lower link portion connected to a lower end of the lower link portion, An ankle joint portion provided adjacent to the ankle joint portion, and a sole link portion provided on the ankle joint portion and supporting a foot of the wearer.
상기 대퇴링크부는 정해진 길이를 갖는 링크로 형성되고, 상기 대퇴링크부의 일측에는 상기 착용자의 대퇴를 파지하는 대퇴파지부가 설치되며, 상기 대퇴링크부의 상단에는 착용자의 대퇴길이에 맞게 조절할 수 있도록 대퇴길이조절링크가 설치되며, 착용자의 동작에 따라 착용자가 대퇴부를 통하여 상기 대퇴링크부로 가하는 힘을 측정하는 대퇴 HRI센서가 설치되는 것을 특징으로 한다.The femoral link portion is formed by a link having a predetermined length, and a femoral grip portion for gripping the femur of the wearer is provided at one side of the femur link portion. The upper end of the femur link portion is provided with a femur length adjustment And a femoral HRI sensor for measuring a force applied by the wearer to the femoral link portion through the femur is provided according to the operation of the wearer.
상기 하퇴링크부는 정해진 길이를 갖는 링크로 형성되고, 상기 하퇴링크부의 일측에는 상기 착용자의 하퇴를 파지하는 하퇴파지부가 설치되며, 상기 하퇴링크부의 하단에는 착용자의 하퇴길이에 맞게 조절할 수 있도록 하퇴길이조절링크가 설치되며, 착용자 동작에 따라 착용자가 하퇴부를 통하여 상기 하퇴링크부로 가하는 힘을 측정하는 하퇴 HRI센서가 설치되는 것을 특징으로 한다.The lower link portion is formed by a link having a predetermined length, and a lower grip portion for gripping the lower portion of the wearer is provided at one side of the lower link portion. The lower link portion is provided with a lower leg length adjustable And a lowered HRI sensor is provided for measuring a force applied by the wearer to the lower link portion through the lower leg according to a wearer's operation.
족관절부에는 원호형상으로 형성되는 가이드가 형성되고, 상기 가이드가 상기 하퇴링크부에 연결되게 설치되어, 상기 족관절부는 상기 하퇴링크부를 회전중심으로 하여 정해진 각도범위 이내에서 회전하는 것을 특징으로 한다.A guide formed in an arc shape is formed in the ankle joint part, and the guide is installed to be connected to the lower link part, and the ankle joint part rotates within a predetermined angular range about the rotation axis of the lower link part.
상기 발바닥 링크부에는 상기 발바닥 링크부와 지면이 접촉여부를 감지하는 복수의 발바닥 힘센서가 설치되는 것을 특징으로 한다.And a plurality of soles force sensors for sensing whether the soles of the soles contact the ground surface are installed on the soles of the soles.
상기 발바닥 링크부에는 상기 발바닥 링크부가 지면과 접촉되면, 지면의 경사각을 측정하는 발바닥 IMU 센서가 설치되는 것을 특징으로 한다.And a sole IMU sensor for measuring an inclination angle of the ground when the sole link part is in contact with the ground surface is installed on the sole link part.
상기 백팩부는 상기 골반링크부에 대하여 각도조절이 가능하도록 허리피치관절을 통하여 연결되고, 상기 백팩부의 각도조절이 완료되면, 상기 백팩부을 고정하는 허리피치 고정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The backpack part is connected to the pelvis link part through a waist-pitch joint so as to be adjustable in angle with respect to the pelvis link part and includes a waist-pitch fixing part for fixing the backpack part when the angle of the backpack part is adjusted.
한편, 보행의도 추정기반 착용로봇의 제어방법은, 착용자의 우측발바닥 또는 좌측발바닥이 지면과 접촉하고 있는 지를 감지하여 보행모드를 추정하는 보행추정단계와, 착용자가 위치한 지면의 경사도를 측정하는 경사측정단계와, 착용로봇에 설치된 센서를 이용하여 착용자의 보행의도를 추정하고, 상기 착용자의 보행의도에 맞게 착용로봇의 작동부위를 작동시키는데 필요한 요구토크를 계산하여 각 구동부위를 제어하는 명령을 생성하는 명령생성단계와, 생성된 명령에 따라 착용로봇의 액츄에이터를 작동시키는 명령수행단계를 포함한다.On the other hand, the control method of the gait estimation based wearer robot includes a gait estimation step of estimating a gait mode by detecting whether the right soles or left soles of the wearer are in contact with the ground, A step of estimating the walking intention of the wearer by using a sensor provided on the wearing robot and calculating a required torque necessary for operating the operating part of the wearing robot in accordance with the walking intention of the wearer and controlling each driving part And an instruction execution step of operating the actuator of the wearing robot in accordance with the generated command.
상기 보행추정단계는, 양발 중 어는 한 발은 지면과 접촉하고, 나머지 한 발은 지면과 떨어지면 싱글 서포트 모드, 양발이 모두 지면과 접촉되면 더블 서포트 모드, 양발이 모두 지면과 떨어지면 점프모드로 보행의도를 추정하는 것을 특징으로 한다.The gait estimation step may be performed in a single support mode when one foot is in contact with the ground surface while the other foot is in contact with the ground and in a double support mode when both feet are in contact with the ground surface. And estimates the degree of the error.
상기 경사측정단계는, 상기 보행추정단계에서 상기 우측 발바닥과 좌측 발바닥이 모두 지면과 접촉된 상태이면, 발바닥 링크부에서 측정된 경사도(θa)를 지면의 경사도로 인식하고, 상기 보행추정단계에서 상기 우측 발바닥 또는 좌측 발바닥 중 적어도 어느 하나가 지면과 접촉된 상태가 아니면, 착용로봇의 백팩부에 설치된 백팩부 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서에서 측정된 경사도(θb)를 지면의 경사도로 인식하는 것을 특징으로 한다.The inclination measurement step is, if the both the right foot and the left foot in contact with the ground state from the walking estimating step, the inclination (θ a) measured in the sub-sole of the foot link is recognized as the slope of the ground, in the walking estimating step If the at least one of the right soles or the left soles is not in contact with the ground surface, the inclination degree & amp ; thetas; b measured by a back pack imum unit (IMU) sensor installed in the back pack of the wearing robot is recognized as a ground inclination .
상기 명령생성단계는, 착용자의 보행의도를 반영한 토크와 중력보상토크의 합에 가중치를 반영한 값과, 상기 착용로봇에 설치된 HRI 센서값에 가중치를 반영한 값을 더하여 요구토크를 생성하는 것을 특징으로 한다.Wherein the command generating step generates a required torque by adding a value reflecting the weight to the sum of the torque reflecting the walking intention of the wearer and the gravity compensating torque and a value reflecting the weight to the HRI sensor value provided in the wearing robot do.
상기 착용자의 운동의도를 반영한 토크는, 보행모드에 따른 역동력학적 토크에서 액츄에이터의 토크를 빼고, 마찰토크를 더하여 구해지는 것을 특징으로 한다.The torque reflecting the wearer's motion intention is obtained by subtracting the torque of the actuator from the dynamical torque according to the walking mode and adding the friction torque.
상기 명령수행단계에서는 상기 명령생성단계에서 생성된 요구토크가 발생되도록 유압공급부에 설치된 유압밸브 모듈의 밸브를 개폐함으로써, 착용로봇의 각 구동부위에 설치된 액츄에이터가 작동하도록 하는 것을 특징으로 한다.The actuators provided on the respective driving parts of the wearable robot are operated by opening and closing the valves of the hydraulic pressure valve module installed in the hydraulic pressure supply part so that the required torque generated in the command generation step is generated in the command execution step.
상기 명령수행단계에서는 상기 명령생성단계에서 생성된 명령을 PID제어, 임피던스 제어, 어드미턴스 제어 중 어느 하나를 이용하여 상기 유압밸브 모듈의 밸브를 제어하는 것을 특징으로 한다.
In the command execution step, the command generated in the command generation step is controlled by using one of PID control, impedance control, and admittance control of the valve of the hydraulic valve module.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇 및 그 제어방법에 따르면, 경사지에서도 착용자의 운동의도를 정확하게 감지하고, 이를 반영하여 각 관절에 설치된 액츄에이터를 제어할 수 있는 명령을 생성할 수 있어, 착용로봇의 동적 안정성을 확보할 수 있다.According to the walking expectation based wearer robot and control method therefor according to the present invention having the above-described configuration, an instruction to accurately sense the motion intention of the wearer even on a slope and to control the actuator installed on each joint, So that the dynamic stability of the wearing robot can be ensured.
또한, 착용로봇의 동적 안정석이 확보됨으로써, 착용로봇의 보행속도를 증대시킬 수 있다.In addition, since the dynamic stability of the wearing robot is secured, the walking speed of the wearing robot can be increased.
아울러, 착용로봇의 각 관절부위를 인체와 유사한 형태를 갖도록 함으로써, 보행시 착용자의 편의성이 향상되고, 착용시 인체의 근골격의 손상을 최소화할 수 있다.
In addition, by making each joint portion of the wearable robot have a shape similar to the human body, the wearer's comfort during walking can be improved and the damage of the human musculoskeletal at the time of wearing can be minimized.
도 1은 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇을 착용자가 착용한 상태를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇을 도시한 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇을 도시한 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇을 도시한 측면도.
도 5는 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇에서 백팩부의 각도를 조절하는 상태를 도시한 측면도.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇에서 골반링크부와 고관절부를 도시한 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇에서 로봇다리를 도시한 사시도.
도 10은 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇에서 로봇다리의 분해 사시도.
도 11은 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇에서 족관절부를 도시한 분해 사시도.
도 12는 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇에서 발바닥 링크를 도시한 분해사시도.
도 13은 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇의 제어방법에서 경사를 인식하는 방법을 도식화한 개념도.
도 14는 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇의 제어방법을 도시한 순서도.
도 16은 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇의 제어방법의 제어블록도.
도 17은 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇의 제어방법에서 상위제어기의 보행 모드별 의도 추정에 대한 블록도.
도 18은 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇의 제어방법에서 상위제어기의 요구토크 명령 생성을 위한 블록도.
1 is a perspective view showing a state in which a wearer wears a walking wear expectation based wearing robot according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view illustrating a walking wear estimation based wearer robot according to the present invention. FIG.
3 is a front view showing a walking wear estimation based wearer robot according to the present invention.
FIG. 4 is a side view showing a walking wear estimation based wearable robot according to the present invention. FIG.
5 is a side view showing a state in which the angle of the backpack is adjusted in the walking wear expectation based wearing robot according to the present invention.
6 to 8 are perspective views showing a pelvis link portion and a hip joint portion in a walking wear expectation based wearing robot according to the present invention.
9 is a perspective view showing a robot leg in a walking wear expectation based wearing robot according to the present invention.
10 is an exploded perspective view of a robot leg in a walking wear expectation based wearable robot according to the present invention.
11 is an exploded perspective view showing an ankle joint part in a walking wear expectation based wearing robot according to the present invention.
12 is an exploded perspective view showing a sole link in a walking wear expectation based wearing robot according to the present invention.
FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating a method of recognizing a slope in a control method of a walking wear expectation robot according to the present invention.
14 is a flowchart showing a control method of a walking wear expectation based wearing robot according to the present invention.
16 is a control block diagram of a control method of a walking wearer based on the intention prediction method according to the present invention.
FIG. 17 is a block diagram of an intention estimation for each walking mode of an upper controller in a control method of a walking wear expectation based wearer's robot according to the present invention. FIG.
18 is a block diagram for generating a demand torque command of an upper controller in a control method of a walking wear expectation robot according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇을 자세히 설명하기로 한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a walking comfort robot for estimating walking intention according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇은, 착용자(1)가 메는 백팩부(100)와, 상기 백팩부(100)에 설치되고 각 가동부위로 유압을 공급하는 유압공급부(200)와, 상기 백팩부(100)의 하단 좌우 양측에 설치되고, 상기 착용자(1)의 다리에 고정되며, 상기 유압공급부(200)에서 발생한 유압에 의해 작동하는 로봇다리(300R)(300L)와, 센서로부터 입력되는 지면의 경사도와 착용자(1)의 보행에 따라 발생하는 신호를 입력받아서, 착용자(1)의 보행의도에 따라 각 가동부위의 작동에 필요한 요구토크를 계산하고, 상기 유압공급부(200)의 작동을 제어하는 제어기를 포함한다.
The walking expectation based wearing robot according to the present invention comprises a backpack part 100 to be worn by a wearer 1, a hydraulic pressure supply part 200 installed in the backpack part 100 and supplying hydraulic pressure to each movable part, Robot legs 300R and 300L which are provided on both left and right sides of the lower end of the backpack part 100 and fixed to the legs of the wearer 1 and operated by hydraulic pressure generated in the hydraulic pressure supply part 200, And calculates the required torque required for the operation of each movable part according to the intention of the wearer 1 to walk. The hydraulic pressure supplied to the hydraulic pressure supply part 200, Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI >
백팩부(100)는 착용자가 메는 부분으로서, 착용자의 상체에 고정되는 부분이다. 상기 백팩부(100)에는 작동에 필요한 전원을 공급하기 위한 배터리, 후술되는 유압공급부(200) 등이 설치된다.The backpack part 100 is a part to be worn by the wearer and is fixed to the wearer's upper body. The backpack part 100 is provided with a battery for supplying power necessary for operation, a hydraulic pressure supply part 200 described later, and the like.
아울러, 상기 백팩부(100)에는 지면의 절대 경사도를 측정할 수 있는 백팩부 IMU(Inertial Measurement Unit)센서, 경사계 등이 설치된다. 상기 백팩부 IMU 센서(110)나 경사계에 의해 지면의 절대 경사를 측정함으로써, 상기 착용로봇(2)의 양발이 모두 지면에 닿지 않는 경우에 착용로봇(2)이 위치한 지면의 경사를 측정한다.In addition, the backpack part 100 is provided with a back pack IMU (Inertial Measurement Unit) sensor and an inclinometer which can measure the absolute inclination of the ground. The inclination of the ground on which the wear robot 2 is placed is measured when both the feet of the wearer robot 2 do not touch the ground surface by measuring the absolute inclination of the ground surface by the back pack IMU sensor 110 or the inclinometer.
상기 백팩부(100)의 하단에는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 백팩부(100)의 각도를 조절하기 위해 후술되는 로봇다리(300R)(300L)에 힌지연결되는 허리피치관절(120)이 설치되고, 상기 로봇다리(300R)(300L)에 대하여 조정된 각도로 상기 백팩부(100)를 고정하는 허리피치 고정부(121)가 구비된다. 5, a waist-pitch joint 120 hinged to the robot legs 300R and 300L to be described later for adjusting the angle of the backpack part 100 is provided at the lower end of the backpack part 100, And a waist pitch fixing part 121 for fixing the backpack part 100 at an adjusted angle with respect to the robot legs 300R and 300L.
유압공급부(200)는 상기 백팩부(100)의 설치되고, 상기 유압공급부(200)에는 각 작동부위로 공급하기 위해서 유압의 공급을 단속(斷續)하는 복수의 밸브들이 설치된 유압밸브 모듈(230)을 포함한다. 상기 유압밸브 모듈(230)은 제어기에 의해 결정된 명령을 수행하기 위해 각 작동부위로 유압의 공급을 단속한다.The hydraulic pressure supply unit 200 is installed in the backpack unit 100 and the hydraulic pressure supply unit 200 is provided with a hydraulic valve module 230 having a plurality of valves intermittently supplying hydraulic pressure ). The hydraulic valve module 230 interrupts the supply of the hydraulic pressure to each operating portion to execute the command determined by the controller.
아울러, 상기 백팩부(100)에는 상기 착용로봇(2)의 작동을 제어하기 위한 제어기가 설치되는데, 상기 착용로봇(2)에 설치된 각 센서로부터 입력되는 신호를 이용하여 상기 착용로봇(2)을 제어하기 위한 명령을 생성하는 상위제어기(210)와, 상기 상위제어기(210)에 의해 생성된 명령이 유압공급여부를 통하여 실제 각 구동부위에 의해 구현될 수 있도록 상기 유압밸브 모듈(230)의 밸브를 제어하는 하위제어기(220)가 설치된다.A controller for controlling the operation of the wearer robot 2 is installed in the backpack part 100. The wearer robot 2 is mounted on the backpack part 100 using a signal input from each sensor provided on the wearer robot 2, And a control unit for controlling the valve of the hydraulic valve module 230 so that the command generated by the host controller 210 can be implemented by virtue of each of the actuators through the supply of the hydraulic pressure. A lower controller 220 is provided.
로봇다리(300R)(300L)는 상기 백팩부(100)의 하단에 구비된다. 상기 로봇다리는 우측 로봇다리(300R)와 좌측 로봇다리(300L)가 동일한 구성요소들로 구성되되 서로 대칭되게 구성된다.The robot legs 300R and 300L are provided at the lower end of the backpack part 100. [ The robot legs are configured such that the right robot leg 300R and the left robot leg 300L have the same components but are symmetrical to each other.
상기 로봇다리(300R)(300L)는 실제 인체의 다리, 즉 허리이하의 골격에 준하여 각 부분이 링크형식으로 연결되외 관절역할을 하는 것으로서, 상기 백팩부(100)에 연결되는 골반링크부(310)와, 상기 골반링크부(310)에 회전가능하게 연결되는 고관절부(330)와, 상기 고관절부(330)에 상단이 연결되고 착용자(1)의 대퇴부에 인접하게 위치하여 착용자(1)의 대퇴부의 운동을 지지하는 대퇴링크부(340)와, 상기 대퇴링크부(340)의 하단에 연결되고 착용자(1)의 하퇴부에 인접하게 위치하여 착용자(1)의 하퇴부의 운동을 지지하는 하퇴링크부(370)와, 상기 하퇴링크부(370)의 하단에 연결되고 착용자(1)의 발목에 인접하게 설치되는 족관절부(380)와, 상기 족관절부(380)에 설치되어, 착용자(1)의 발을 지지하는 발바닥 링크부(390)를 포함한다.The robot legs 300R and 300L are connected to each other in a link form on the basis of the legs of the human body, that is, below the waist. The pelvis link portions 310 connected to the backpack part 100 A hip joint 330 rotatably connected to the pelvis link portion 310 and an upper end connected to the hip joint 330 and positioned adjacent to a thigh of the wearer 1, And a lower link 340 connected to the lower end of the femoral link 340 and positioned adjacent to the lower part of the wearer 1 for supporting the movement of the lower part of the wearer 1, An ankle joint part 380 connected to the lower end of the lower link part 370 and installed adjacent to the ankle of the wearer 1 and an ankle joint part 380 provided at the ankle joint part 380, And a foot link portion 390 for supporting the feet of the foot.
골반링크부(310)는 상기 로봇다리의 상부에 위치하고, 상기 백팩부(100)의 하단에 연결됨으로써, 상기 백팩부(100)와 로봇다리(300R)(300L)를 연결해주는 역할을 한다. 상기 골반링크부(310)는 상기 백팩부(100)의 하단에서 상기 백팩부(100)에 대하여 좌우방향으로 슬라이딩가능하게 상기 백팩부(100)의 하단 좌우에 각각 설치된다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 백팩부(100)의 하단 좌우에서 좌우 양측에 설치된 상기 골반링크부(310)는 LM가이드 형태의 골반폭 조절부(312)에 의해 수동으로 서로 설치된 간격을 조절할 수 있다.The pelvis link part 310 is located on the upper part of the robot leg and is connected to the lower end of the backpack part 100 to thereby connect the backpack part 100 and the robot legs 300R and 300L. The pelvis link part 310 is installed at the lower left and right sides of the backpack part 100 so as to be slidable in the left-right direction with respect to the backpack part 100 at the lower end of the backpack part 100. 7, the pelvis link portions 310 provided on both left and right sides of the lower left and right of the backpack part 100 are spaced apart from each other by an interval Can be adjusted.
고관절부(330)는 상기 골반링크부(310)의 외측으로 회전가능하게 설치된다. 상기 고관절부(330)는 상기 골반링크부(310)의 고관절 수동롤축(311, 도 6 참조)를 중심으로 선회가능하게 설치된다. 상기 골반링크부(310)에는 상기 고관절 수동롤축 상으로 외력에 대한 저항 및 복원력을 주기위한 스프링이 내부에 장착된다.The hip joint portion 330 is rotatably installed outside the pelvis link portion 310. The hip joint 330 is pivotally mounted on the hip joint manual roll shaft 311 (see FIG. 6) of the pelvis link portion 310. The pelvis link portion 310 is internally mounted with a spring for imparting resistance and restoring force to the external force on the hip joint manual roll axis.
고관절 액츄에이터(320)는 상기 고관절부(330)의 내부에 설치된다. 상기 고관절 액츄에이터(320)는 유압의 공급에 따라 신축(伸縮)되면서, 후술되는 대퇴링크부(340)의 상단을 고관절 피치축(도 6 참조)을 중심으로 선회시킨다.The hip joint actuator 320 is installed inside the hip joint 330. The hip joint actuator 320 is extended or contracted in accordance with the supply of hydraulic pressure, and is rotated about the hip joint pitch axis (see FIG. 6) at the upper end of the later described femoral link portion 340.
상기 고관절부(330)에는 상기 고관절부(330)와 대퇴링크부(340)가 연결되는 부위에 설치되어 회전각도를 측정하는 고관절 각센서(331)와, 상기 고관절 액츄에이터(320)에서 발생되는 힘을 감지하기 위한 고관절 액츄에이터 센서(321)가 설치되는 것이 바람직하다.The hip joint 330 is provided with a hip joint angle sensor 331 provided at a position where the hip joint 330 and the femoral link 340 are connected to each other and measuring a rotation angle of the hip joint 330 and a force generated by the hip joint actuator 320 It is preferable that a hip joint actuator sensor 321 for detecting the hip joint actuator 321 is provided.
대퇴링크부(340)는 정해진 길이를 갖는 링크형태로 형성되어, 착용자(1)의 대퇴부의 운동을 지지한다. 상기 대퇴링크부(340)의 일측에는 착용자(1)의 대퇴에 착용할 수 있도록 착용자(1)의 대퇴를 파지하는 대퇴파지부(341)가 설치된다. 상기 대퇴링크부(340)의 상단에는 길이를 조절한 상태로 고정되도록 하여, 착용자의 대퇴길이에 맞게 수동으로 위치를 조절할 수 있는 대퇴길이조절링크(342)가 설치된다. 또한, 착용자(1)가 대퇴부를 통하여 상기 대퇴링크부(340)에 가하는 힘을 측정하기 위한 대퇴 HRI 센서(343)도 상기 대퇴링크부(340)에 설치된다.The femoral link portion 340 is formed in a link shape having a predetermined length to support the movement of the thigh of the wearer 1. At one side of the femoral link part 340 is provided a femoral grip part 341 for gripping the femur of the wearer 1 so as to be worn on the femur of the wearer 1. A femoral length adjustment link 342 is provided at the upper end of the femoral link 340 so as to be fixed in a length-adjusted state and manually adjustable to fit the femoral length of the wearer. A femoral HRI sensor 343 for measuring a force applied by the wearer 1 to the femoral link portion 340 through the thigh is also provided on the femoral link portion 340.
상기 하퇴링크부(370)도 정해진 길이를 갖는 링크형태로 형성되어, 착용자(1)의 하퇴운동을 지지한다. 상기 하퇴링크부(370)의 일측에는 착용자(1)의 하퇴에 착용할 수 있도록 착용자(1)의 하퇴를 파지하는 하퇴파지부(371)가 설치된다. 상기 하퇴링크부(370)의 하단에는 길이를 조절한 상태로 고정되도록 하여, 착용자의 하퇴길이에 맞게 조절할 수 있는 하퇴길이조절링크(372)가 설치된다. 그리고, 착용자(1)가 하퇴부를 통하여 상기 하퇴링크부(370)에 가하는 힘을 측정하기 위한 하퇴 HRI센서(373)도 상기 하퇴링크부(370)에 설치된다.The lower link portion 370 is also formed in a link shape having a predetermined length to support the backward movement of the wearer 1. [ A lower grip portion 371 for gripping the lower portion of the wearer 1 is provided at one side of the lower link portion 370 so as to be worn on the lower portion of the wearer 1. [ A lower limb length adjusting link 372 is provided at the lower end of the lower link 370 to adjust the length of the lower link 370 so that the lower link 373 can be adjusted to the lower limb length of the wearer. A lowered HRI sensor 373 for measuring the force applied by the wearer 1 to the lower link portion 370 through the lower leg portion is also provided on the lower link portion 370.
슬관절 액츄에이터(350)는 양단이 각각 상기 대퇴링크부(340)와 하퇴링크부(370)의 일측에 연결된다. 상기 유압공급부(200)로부터 공급되는 유압에 의해 작동하는 슬관절 액츄에이터(350)는 유압의 공급여부에 따라 신축하면서, 상기 하퇴링크부(370)가 상기 대퇴링크부(340)에 대하여 정해진 각도범위 이내에서 회전하도록 한다. 상기 슬관절 액츄에이터(350)에는 상기 슬관절 액츄에이터(350)에서 발생되는 힘을 감지하기 위한 슬관절 액츄에이터 센서(351)가 설치되는 것이 바람직하다.Both ends of the knee joint actuator 350 are connected to one side of the crotch link portion 340 and the down link portion 370, respectively. The knee joint actuator 350 operated by the hydraulic pressure supplied from the hydraulic pressure supply part 200 is extended or contracted according to whether the hydraulic pressure is supplied or not and the lower link part 370 moves within a predetermined angular range with respect to the fulcrum link part 340 . The knee joint actuator 350 may be provided with a knee joint actuator sensor 351 for sensing a force generated by the knee joint actuator 350.
상기 대퇴링크부(340)와 상기 하퇴링크부(370)가 링크연결되는 부위, 즉 슬관절부(360)에는 상기 대퇴링크부(340)와 상기 하퇴링크부(370)의 회전각도를 측정할 수 있는 슬관절 각센서(361)가 설치되는 것이 바람직 한다.The rotation angle of the femoral link portion 340 and the lower link portion 370 can be measured at a portion where the femur link portion 340 and the lower link portion 370 are linked to each other, It is preferable that a knee angle sensor 361 is provided.
족관절부(380)는 상기 착용자(1)의 발목에 인접한 위치에서 상기 하퇴링크부(370)의 하단에 3축회전이 가능한 상태로 설치되고, 착용자(1)의 발목의 움직임을 모사하게 된다. 상기 족관절부(380)에는 분해사시도인 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 착용로봇(2)의 작동범위를 확보하고 경량화를 위해 원호형상의 가이드(382)가 형성되도록 한다. 상기 가이드(382)는 상기 족관절부(280)의 롤(roll)축 및 요(yaw)축은 인체의 관절 구동범위를 고려하여 원호형으로 형성되어, 상기 족관절부(380)가 상기 하퇴링크부(370)의 축선에 대하여 호회전할 수 있도록 원호형상으로 형성된다. 상기 가이드(382)가 상기 하퇴링크부(370)의 하단에 설치된 하퇴길이조절링크(372)의 하단에 형성되고, 상기 가이드(382)에 상기 족관절부(380)의 본체가 연결되어, 상기 가이드(382)를 따라 상기 족관절부(380)의 본체가 상기 하퇴링크부(370)를 회전중심으로 하여 정해진 각도범위 이내에서 회전할 수 있다. The ankle joint part 380 is installed in a state of being adjacent to the ankle of the wearer 1 at the lower end of the lower link part 370 so as to be rotatable in three axes and simulates the movement of the ankle of the wearer 1. 11, which is an exploded perspective view of the ankle joint part 380, an arc-shaped guide 382 is formed to secure the operating range of the wearing robot 2 and to reduce the weight. The guide 382 is formed such that the roll axis and the yaw axis of the ankle joint portion 280 are formed in an arcuate shape in consideration of the joint driving range of the human body and the ankle joint portion 380 is formed in the lower link portion 370, respectively. The guide 382 is formed at the lower end of a lower limb length adjustment link 372 provided at the lower end of the lower link part 370 and the main body of the ankle joint part 380 is connected to the guide 382, The main body of the ankle joint portion 380 can be rotated within a predetermined angular range around the lower link portion 370 along the rotation axis 382.
상기 족관절부(380)에는 상기 족관절부(380)의 회전각도를 측정할 수 있는 족관절 각센서(381)이 설치된다.An ankle joint angle sensor 381 for measuring an angle of rotation of the ankle joint 380 is installed in the ankle joint 380.
발바닥 링크부(390)는 착용자(1)의 발을 지지하기 위한 부분으로서, 상기 발바닥 링크부(390)의 상부면에 착용자(1)의 발이 올려진다. 상기 발바닥 링크부(390)는 상기 족관절부(380)의 일측에 돌출되게 형성된 브라켓에 설치되는데, 상기 발바닥 링크부(390)는 실제 인체의 발과 같이 움직일 수 있도록, 상기 발바닥 링크부(390)의 전방과 후방에 탄성부재, 즉 발바닥 연결 탄성체(395)를 통하여 연결된다. 예컨대, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 발바닥 링크부(390)는 발바닥 전방 하판(393)과 발바닥 후방 하판(394)의 상부에 각각 발바닥 전방 상판(396)과 발바닥 후방 상판(397)에 설치되고, 전방과 후방을 발바닥 연결 탄성체(395)로 연결함으로써, 실제 인제의 발과 같이 움질일 수 있다. The sole link portion 390 is a portion for supporting the foot of the wearer 1, and the foot of the wearer 1 is placed on the upper surface of the sole link portion 390. The foot link portion 390 is installed on a bracket protruding from one side of the ankle joint portion 380. The foot link portion 390 includes a foot link portion 390, That is, the sole connecting elastic body 395, at the front and rear sides of the legs 391 and 392, respectively. 12, the foot link 390 is installed on the soles of the foot front upper plate 396 and the soles of the foot rear upper plate 397 on the foot lower front plate 393 and the foot rear lower plate 394, respectively. And by connecting the front and rear sides with the sole connecting elastic body 395, it can act like a real foot.
한편, 상기 발바닥 링크부(390)를 구성하는 상기 발바닥 전방 하판(393)과 상기 발바닥 전방 상판(396)의 사이, 그리고 상기 발바닥 후방 하판(394)과 상기 발바닥 후방 상판(397)의 사이에는 착용자(1)로부터 가해지는 힘을 측정하기 위한 복수의 발바닥 힘센서(391)가 설치된다. 상기 발바닥 힘센서(391)는 바람직하게는 전방에 3개 후방에 1개가 설치될 수 있다.Between the plantar front lower plate 393 and the plantar front upper plate 396 constituting the plantar link portion 390 and between the plantar rear lower plate 394 and the plantar rear upper plate 397, A plurality of sole force sensors 391 for measuring the force applied from the sole 1 are provided. Preferably, the sole force sensor 391 may be provided at three forward and one rearward.
또한, 상기 발바닥 링크부(390)가 설치된 부위에 인접하게 발바닥 IMU 센서(392)가 설치되어, 상기 발바닥 링크부(390)의 회전각도를 측정함오써, 지면의 경사각을 측정한다.The foot IMU sensor 392 is provided adjacent to the foot link portion 390 to measure the rotational angle of the foot link portion 390. The inclination angle of the ground surface is measured.
상기 착용로봇(2)는 착용자의 운동의도를 추정하기 위해 관절부위와 액츄에이터에 센서가 설치되고, 착용자가 착용로봇(2)에 직접적으로 가하는 힘으로 측정하기 위한 HRI센서가 구비되고, 상기 센서 및 HRI 센서에서 측정된 값은 상기 상위제어기(210)로 출력되어, 상기 상위제어기(210)가 착용자(1)의 보행의도를 파악하는데 사용된다.The wearer robot 2 is provided with a HRI sensor for measuring the force applied by the wearer directly to the wearer robot 2 and a sensor provided at the joint part and the actuator for estimating the degree of motion of the wearer, And the value measured by the HRI sensor are outputted to the host controller 210 so that the host controller 210 is used to grasp the walking intention of the wearer 1. [
예컨대, 관절부위에 설치되는 센서는 고관절 각센서(331), 슬관절 각센서(361), 족관절 각센서(381) 등이 있고, 액츄에이터에 설치되는 센서는 고관절 액츄에이터 센서(321), 슬관절 액츄에이터 센서(351) 등이 있다. 또한, HRI 센서는 대퇴링크부(340)에 설치되는 대퇴 HRI 센서(343)와 하퇴링크부(370)에 설치되는 하퇴 HRI 센서(373)가 될 수 있고, 상기 HRI 센서는 F/T센서(force-torque 센서), 압력센서, Muscle Strength Sensor, EMG(electromyogram) 등이 적용될 수 있다.For example, the sensors provided at the joints include a hip joint angle sensor 331, a knee joint angle sensor 361, an ankle joint angle sensor 381, and the sensors installed in the actuator include a hip joint actuator sensor 321, a knee joint actuator sensor 351). The HRI sensor may be a femoral HRI sensor 343 mounted on the femoral link 340 and a lowered HRI sensor 373 mounted on the lower link 370. The HRI sensor may be an F / a force-torque sensor), a pressure sensor, a Muscle Strength Sensor, and an electromyogram (EMG).
아울러, 상기 착용로봇(2)이 위치한 지면의 경사도를 측정하기 위해서, 상기 백팩부(100)에는 백팩부 IMU 센서(110) 또는 경사계가 설치될 수 있고, 상기 발바닥 링크부(390)에는 발바닥 IMU 센서(392)가 설치된다.
In addition, a back pack IMU sensor 110 or an inclinometer may be installed in the backpack part 100 to measure the inclination of the ground on which the wearing robot 2 is placed, and the sole IMU A sensor 392 is installed.
본 발명에 따른 보행의도 추정기반 착용로봇의 제어방법은, 도 14 내지 도 15에 도시된 바와 같이, 착용자의 우측 발바닥 또는 좌측발바닥이 지면과 접촉하고 있는 지를 감지하여 보행모드를 추정하는 보행추정단계(S110)와, 착용자가 위치한 지면의 경사도를 측정하는 경사측정단계(S120)와, 착용로봇(2)에 설치된 센서를 이용하여 착용자의 보행의도를 추정하고, 상기 착용자의 보행의도에 맞게 착용로봇의 작동부위를 작동시키는데 필요한 요구토크(Treq)를 계산하여 각 구동부위를 제어하는 명령을 생성하는 명령생성단계(S130)와, 생성된 명령에 따라 착용로봇(2)의 액츄에이터를 작동시키는 명령수행단계(S140)를 포함한다.
The control method of the walking comfort robot according to the present invention is a control method of a walking wrist robot for estimating a walking mode by detecting whether the right soles or left soles of the wearer are in contact with the ground, A slope measuring step S120 for measuring the slope of the ground on which the wearer is placed and a sensor installed on the wearer robot 2 to estimate the walking intention of the wearer, (S130) for calculating a required torque (T req ) required to operate the operating part of the wearing robot to generate a command for controlling each driving part, and an actuator of the wearing robot (2) according to the generated command (S140).
보행추정단계(S110)는 착용자의 우측 발바닥 또는 좌측 발바닥이 지면과 접촉하고 있는 지를 감지한다. 상기 보행추정단계(S110)에 의해 우측 로봇다리(300R)의 발바닥 링크부(390) 또는 좌측 로봇다리(300L)의 발바닥 링크부(390)에 설치된 발바닥 힘센서(391)로부터 입력된 신호를 감지함으로써, 착용자(1)의 보행의도를 추정한다.The gait estimation step S110 detects whether the right soles or left soles of the wearer are in contact with the ground. It is possible to detect a signal input from the soles of foot force sensor 391 installed on the soles of the foot link portion 390 of the right robot leg 300R or the soles of the leg links 390 of the left leg 300L by the step of estimating step (S110) Thereby estimating the walking intention of the wearer 1.
상기 보행추정단계(S110)에서는 우측 로봇다리(300R)의 발바닥 힘센서(391)로부터 입력되는 신호(A)와 좌측 로봇다리(300L)의 발바닥 힘센서(391)로부터 입력되는 신호(B)에 의해서 양측 발바닥이 지면과 접촉한 상태를 각각 파악한다. In the gait estimation step S110, the signal A input from the sole force sensor 391 of the right robot leg 300R and the signal B input from the sole force sensor 391 of the left robot leg 300L To thereby grasp the state in which the sole of both sides is in contact with the ground.
여기서, 우측 또는 좌측 발바닥 중 어느 하나가 지면과 접촉하고, 나머지 하나는 지면과 떨어진 상태라면 싱글 서포트 모드(single support mode)가 되고, 양쪽 발바닥이 모두 지면과 접촉한 상태라면 더블 서포트 모드(double support mode)가 되며, 양쪽 발바닥이 모두 지면과 떨어진 상태라면 점프 모드(jump mode)로 보행의도를 추정한다.Here, if either the right or left sole is in contact with the ground and the other is in a single support mode if it is away from the ground, and if both feet are in contact with the ground, a double support mode mode, and if both feet are separated from the ground, the walking intention is estimated in the jump mode.
경사측정단계(S120)는 착용자가 위치한 지면의 경사를 측정한다.The inclination measuring step S120 measures the inclination of the ground on which the wearer is located.
예컨대, 상기 보행추정단계(S110)에서 더블 서포트 모드라면, 우측 로봇다리(300R)의 발바닥 링크부(390) 및 좌측 로봇다리(300L)의 좌측 발바닥 링크부(390)에 설치된 발바닥 IMU 센서(392)를 통하여 지면의 경사도(θa)를 측정한다. 그리고 양쪽 발 중 적어도 어느 하나의 발이 지면과 떨어진 상태, 즉 싱글 서포트 모드 또는 점프 모드라면, 백팩부(100)에 설치된 백팩부 IMU 센서(110)를 통하여 지면의 경사도(θb)를 측정한다. 여기서 측정된 경사도(θa, θb)가 기준이 되고, 상기 백팩부(100) 또는 상기 우측 로봇다리(300R)의 발바닥 링크부(390) 또는 좌측 로봇다리(300L)의 발바닥 링크부(390)에 연결된 각 구성요소들은 상기 경사도를 기준으로 하여 기구학적으로 계산되는 중력보상 토크를 산출하게 된다.For example, if it is the double support mode in the gait estimation step S110, the sole IMU sensor 392 installed on the soles link portion 390 of the right robot leg 300R and the left soles link portion 390 of the left robot leg 300L ) measures the slope of the ground surface (θ a) through. If the feet of at least one of the feet are away from the ground, that is, in the single support mode or the jump mode, the inclination degree? B of the ground is measured through the back pack IMU sensor 110 installed in the back pack 100. The measured inclination degrees? A and? B are used as a reference and the foot link portion 390 of the backpack part 100 or the right robot leg 300R or the sole link part 390 of the left robot leg 300L ) Calculates the gravity compensation torque that is kinematically calculated based on the slope.
만약, 경사지에서 지면의 경사도에 대한 정보가 없으면, 중력보상 토크에 큰 차이가 발생하여 착용자의 운동의도가 잘못 인식될 수 있으므로, 반드시 착용로봇(2)이 위치한 지면의 경사도(θa, θb)를 측정해야 한다.If there is no information about the slope of the ground at the slopes, it is also of the wearer by a large difference occurs in the gravity compensation torque movements can be misinterpreted, the slope of the ground, the robot (2) must be worn in (θ a, θ b ) should be measured.
명령생성단계(S130)는 착용자의 보행의도에 맞게 착용로봇의 작동부위를 작동시킬 명령을 생성한다. 즉, 상기 보행추정단계(S110)에서 감지한 착용자의 의도와 상기 경사측정단계(S120)에 측정한 착용로봇(2)이 위치한 곳의 경사도에 따라 각 구동부위에서 작동에 필요한 요구토크를 계산하여 각 구동부위를 제어하는 명령을 생성한다.The command generation step (S130) generates a command to operate the operating part of the wearing robot in accordance with the wearer's walking intention. That is, the required torque required for the operation on each driving unit is calculated according to the intention of the wearer sensed in the walking step S110 and the inclination of the wear robot 2 measured at the inclination measuring step S120, And generates a command for controlling the driving portion.
이때, 도 17에 도시된 바와 같이, 착용자의 운동의도에 맞는 요구토크(Treq)는 역동역학적 방법에 의해 계산되어진 착용자의 보행의도를 반영한 토크(Thuman)와 경사도를 반영한 중력보상토크(Tgravity)의 합에 가중치(Gain1)를 반영한 값과 HRI센서로부터 입력된 값에 가중치(Gain2)를 반영한 값을 합하여 구해진다. 즉, 상기 착용로봇(2)을 제어함에 있어서, 역동역학적 방법에 의한 요구토크값과 HRI 센싱방법에 의해 구해진 요구토크값을 융합하여 사용함으로써, 상기 착용로봇(2)의 보행에 대한 모델링 오차를 줄여, 제어의 안정성을 향상시킨다.At this time, also, the required torque for the wearer's exercise, as shown in 17 (T req) is a gravity compensation torque reflecting the torque (T human) that reflects the degree of the wearer's gait and the inclination been calculated by a dynamic mechanical method the combined value is obtained that reflects the weights (Gain2) to the value entered weights (Gain1) from the reflection values and the HRI sensor to the sum of (T gravity). That is, in controlling the wearing robot 2, the required torque value by the dynamic mechanical method and the required torque value obtained by the HRI sensing method are fused and used so that the modeling error for the walking robot 2 Thereby improving the stability of the control.
한편, 착용자의 보행의도를 반영한 토크(Treq)를 구하기 위해서, 도 1먼저 역동역학적 방법에 의한 토크(Tjump, Tsingle, Tdouble)를 구한다.On the other hand, in order to obtain a torque T req reflecting the wearer's walking intention , a torque (T jump , T single , T double ) by a dynamical mechanical method is first obtained in FIG.
상기 점프모드, 싱글 서포트 모드 및 더블 서포트 모드에서 구해지는 역동역학적 토크는 다음의 식으로부터 구할 수 있다.The dynamic mechanical torque obtained in the jump mode, the single support mode and the double support mode can be obtained from the following equation.
Figure 112013116086167-pat00001
(Right Leg : 3-DOF, :Left Leg : 3-DOF, Base Body : 백팩)
Figure 112013116086167-pat00001
(Right Leg: 3-DOF, Left Leg: 3-DOF, Base Body: Backpack)
Figure 112013116086167-pat00002
(Right, Left Leg : 7-DOF)
Figure 112013116086167-pat00002
(Right, Left Leg: 7-DOF)
Figure 112013116086167-pat00003
(Right Leg : 3-DOF, :Left Leg : 3-DOF, Base Body : 발바닥)
Figure 112013116086167-pat00003
(Right Leg: 3-DOF, Left Leg: 3-DOF, Base Body: Soles)
상기와 같이, 각 보행모드별로 역동역학적 방법에 의해 계산된 토크(Tjump, Tsingle, Tdouble)를 구한 다음, 각 구동부위에서 필요한 착용자의 운동의도를 반영한 토크(Thuman)은 역동역학적 방법으로 구한 토크(Tjump, Tsingle, Tdouble)와 액츄에이터에서 발생된 토크(Tactuator)의 차이에 마찰토크(Tfriction)를 더해서 구해진다.As described above, the torque (T jump , T single , T double ) calculated by the dynamical mechanical method for each walking mode is obtained, and then the torque (T human ) reflecting the degree of motion of the wearer required on each driving unit is determined by an inverse dynamic method Is obtained by adding a friction torque (T friction ) to the difference between the torque (T jump , T single , T double ) obtained from the actuator (T) and the torque generated by the actuator (T actuator ).
이를 식으로 표현하면, 다음과 같이 표시될 수 있다.This expression can be expressed as follows.
Figure 112013116086167-pat00004
Figure 112013116086167-pat00004
한편, 최종적으로 구해지는 요구토크(Treq) 명령은 착용자의 운동의도를 반영한 토크(Thuman)와 중력보상토크(Tgravity)의 합에 가중치(Gain1)를 반영한 값과, HRI 센서로 측정된 값에 가중치(Gain2)를 반영한 값을 더하여 구해진다.On the other hand, the finally requested torque command (Treq) is a command reflecting the weight (Gain1) to the sum of the torque (T human ) and the gravity compensation torque (T gravity ) reflecting the wearer's motion intention, Value is added to the value reflecting the weight (Gain2).
명령수행단계(S140)에서는, 상기 명령생성단계(S130)에서 생성된 요구토크(Treq)가 발휘될 수 있도록 각 구동부위의 작동시키는 액츄에이터를 구동시킨다. 상기 명령생성단계(S130)에서 생성된 요구토크(Treq)는 PID제어, 임피던스 제어, 어드미턴스 제어 등과 같은 형태로 하위 제어되어, 유압밸브 모듈(230)의 각 밸브를 제어한다.In the command execution step S140, the actuators for actuating the respective driving parts are driven so that the required torque Treq generated in the command generation step S130 can be exerted. The required torque Treq generated in the command generation step S 130 is subordinately controlled in the form of PID control, impedance control, admittance control or the like to control each valve of the hydraulic valve module 230.
따라서, 상기 하위제어기(220)는 명령수행단계(S140)에 의해 실제 각 구동부위에 설치된 액츄에이터로 유압이 공급되도록 함으로써, 착용로봇의 각 가동부위가 작동할 수 있다.
Accordingly, the lower controller 220 can supply the hydraulic pressure to the actuators provided on the respective actuators by the command execution step (S140), so that the movable parts of the wear robot can operate.
1 : 착용자 2 : 착용로봇
100 : 백팩부 110 : 백팩 IMU 센서
120 : 허리피치관절 121 : 허리피치 고정부
200 : 유압공급부 210 : 상위제어기
220 : 하위제어기 230 : 유압밸브 모듈
300R, 300L : 착용로봇 다리 310 : 골반링크부
311 : 고관절 수동 롤축 312 : 골반폭 조절부
320 : 고관절 액츄에이터 321 : 고관절 액츄에이터 힘센서
330 : 고관절부 331 : 고관절 각센서
340 : 대퇴링크부 341 : 대퇴파지부
342 : 대퇴길이조절링크 343 : 대퇴 HRI센서
350 : 슬관절 액츄에이터 351 : 슬관절 액츄에이터 센서
360 : 슬관절부 361 : 슬관절 각센서
370 : 하퇴링크부 371 : 하퇴파지부
372 : 하퇴길이조절링크 373 : 하퇴 HRI센서
380 : 족관절부 381 : 족관절 각센서
382 : 가이드 390 : 발바닥 링크부
391 : 발바닥 힘센서 392 : 발바닥 IMU센서
393 : 발바닥 전방 하판 394 : 발바닥 후방 하판
395 : 발바닥 연결 탄성체 396 : 발바닥 전방 상판
397 : 발바닥 후방 상판
1: Wearer 2: Wear robot
100: backpack part 110: back pack IMU sensor
120: waist pitch joint 121: waist pitch fixing part
200: Hydraulic pressure supply unit 210:
220: Lower controller 230: Hydraulic valve module
300R, 300L: Wear robot leg 310: Pelvic link part
311: hip joint manual roll axis 312: pelvic width adjusting part
320: Hip Actuator 321: Hip Actuator Force Sensor
330: Hip joint 331: Hip joint angle sensor
340: femoral link portion 341:
342: Femoral length adjustment link 343: Femur HRI sensor
350: Knee joint actuator 351: Knee joint actuator sensor
360: Knee joint part 361: Knee joint angle sensor
370: lower link portion 371: lower grip portion
372: Adjusting the length of the lower leg link 373: Lower HRI sensor
380: ankle joint part 381: ankle joint angle sensor
382: guide 390: sole link part
391: sole force sensor 392: sole IMU sensor
393: lower front plate 394: lower back plate of soles
395: soles connected to the soles 396:
397: sole backrest top plate

Claims (17)

  1. 착용자의 하체를 지지하여 착용자의 보행을 도와주는 착용로봇에 있어서,
    착용자가 메는 백팩부와,
    상기 백팩부에 설치되고 각 가동부위로 유압을 공급하는 유압공급부와,
    상기 백팩부의 하단 좌우 양측에 설치되고, 상기 착용자의 다리에 고정되며, 상기 유압공급부에서 발생한 유압에 의해 작동하는 로봇다리와,
    상기 착용로봇에 설치된 센서로부터 입력되는 지면의 경사도와 상기 착용로봇의 관절부위에서 발생하는 신호와 상기 착용자가 상기 착용로봇에 가하는 힘에 대한 신호를 입력받아서, 착용자의 보행의도에 따라 각 가동부위의 작동에 필요한 요구토크를 계산하고, 상기 유압공급부의 작동을 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 로봇다리는, 상기 백팩부의 하단에 설치되는 골반링크부와, 상기 골반링크부에 회전가능하게 연결되는 고관절부와, 상기 고관절부에 상단이 연결되고 착용자의 대퇴부에 인접하게 위치하여 착용자의 대퇴부의 운동을 지지하는 대퇴링크부와, 상기 대퇴링크부의 하단에 연결되고 착용자의 하퇴부에 인접하게 위치하여 착용자의 하퇴부의 운동을 지지하는 하퇴링크부와, 상기 하퇴링크부의 하단에 연결되고 착용자의 발목에 인접하게 설치되는 족관절부와, 상기 족관절부의 설치되어, 착용자의 발을 지지하는 발바닥 링크부를 포함하며,
    상기 족관절부에는 원호형상으로 형성되는 가이드가 형성되고, 상기 가이드가 상기 하퇴링크부에 연결되게 설치되어, 상기 족관절부는 상기 하퇴링크부를 회전중심으로 하여 정해진 각도범위 이내에서 회전하는 것을 특징으로 하는 보행의도 추정기반 착용로봇.
    A wearable robot for supporting a wearer's lower body by supporting the wearer's lower body,
    The wearer's backpack,
    A hydraulic pressure supply unit installed in the backpack unit and supplying hydraulic pressure to each of the movable parts,
    A robot leg fixed to the legs of the wearer and operated by hydraulic pressure generated at the hydraulic pressure supply unit,
    A signal generated on the joint of the wearer robot and a signal of a force applied by the wearer to the wearer robot are input to the wearer robot, A controller that calculates a required torque required for operation and controls operation of the hydraulic pressure supply,
    The robot leg includes a pelvis link portion provided at a lower end of the backpack portion, a hip joint portion rotatably connected to the pelvis link portion, and an upper end connected to the hip joint portion and positioned adjacent to the femoral portion of the wearer, A lower link portion connected to a lower end of the femur link portion and positioned adjacent to a lower portion of the wearer to support a movement of a wearer's lower leg portion, a lower link portion connected to a lower end of the lower link portion, And a foot link portion provided on the ankle joint portion and supporting a foot of the wearer,
    Wherein a guide formed in an arc shape is formed on the ankle joint part, the guide is connected to the lower link part, and the ankle joint part rotates within a predetermined angular range about the rotation axis of the lower link part. Intention Estimation Based Wearing Robot.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 백팩부에는 지면의 절대 경사도를 측정하는 백팩부 IMU(Inertial Measurement Unit)센서 또는 경사계가 설치되는 것을 특징으로 하는 보행의도 추정기반 착용로봇.
    The method according to claim 1,
    Wherein the backpack part is provided with a back pack IMU (Inertial Measurement Unit) sensor or an inclinometer for measuring the absolute inclination of the ground.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유압공급부에는 상기 유압공급부에서 발생한 유압이 각 가동부위로 공급되는 것을 단속(斷續)하는 복수의 밸브가 설치된 유압밸브 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 보행의도 추정기반 착용로봇.
    The method according to claim 1,
    Wherein the hydraulic pressure supply part includes a hydraulic valve module provided with a plurality of valves intermittently interrupting supply of the hydraulic pressure generated in the hydraulic pressure supply part to the respective movable parts.
  4. 삭제delete
  5. 제1항에 있어서,
    상기 대퇴링크부는 정해진 길이를 갖는 링크로 형성되고, 상기 대퇴링크부의 일측에는 상기 착용자의 대퇴를 파지하는 대퇴파지부가 설치되며, 상기 대퇴링크부의 상단에는 착용자의 대퇴길이에 맞게 조절할 수 있도록 대퇴길이조절링크가 설치되며, 착용자의 동작에 따라 착용자가 대퇴부를 통하여 상기 대퇴링크부로 가하는 힘을 측정하는 대퇴 HRI센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 보행의도 추정기반 착용로봇.
    The method according to claim 1,
    The femoral link portion is formed by a link having a predetermined length, and a femoral grip portion for gripping the femur of the wearer is provided at one side of the femur link portion. The upper end of the femur link portion is provided with a femur length adjustment And a femur HRI sensor for measuring a force applied by the wearer to the femoral link portion through the femur is installed according to the operation of the wearer.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하퇴링크부는 정해진 길이를 갖는 링크로 형성되고, 상기 하퇴링크부의 일측에는 상기 착용자의 하퇴를 파지하는 하퇴파지부가 설치되며, 상기 하퇴링크부의 하단에는 착용자의 하퇴길이에 맞게 조절할 수 있도록 하퇴길이조절링크가 설치되며, 착용자 동작에 따라 착용자가 하퇴부를 통하여 상기 하퇴링크부로 가하는 힘을 측정하는 하퇴 HRI센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 보행의도 추정기반 착용로봇.
    The method according to claim 1,
    The lower link portion is formed by a link having a predetermined length, and a lower grip portion for gripping the lower portion of the wearer is provided at one side of the lower link portion. The lower link portion is provided with a lower leg length adjustable And a backward HRI sensor for measuring a force applied by the wearer to the lower link portion through the lower leg is installed according to a wearer's operation.
  7. 삭제delete
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발바닥 링크부에는
    상기 발바닥 링크부와 지면이 접촉여부를 감지하는 복수의 발바닥 힘센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 보행의도 추정기반 착용로봇.
    The method according to claim 1,
    The foot link portion
    And a plurality of sole force sensors for detecting whether or not the sole link portion is in contact with the ground.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 발바닥 링크부에는 상기 발바닥 링크부가 지면과 접촉되면, 지면의 경사각을 측정하는 발바닥 IMU 센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 보행의도 추정기반 착용로봇.
    The method according to claim 1,
    Wherein the foot linkage unit is provided with a foot IMU sensor for measuring an inclination angle of the ground when the foot linkage comes into contact with the ground surface.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 백팩부는 상기 골반링크부에 대하여 각도조절이 가능하도록 허리피치관절을 통하여 연결되고, 상기 백팩부의 각도조절이 완료되면, 상기 백팩부을 고정하는 허리피치 고정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행의도 추정기반 착용로봇.
    The method according to claim 1,
    Wherein the backpack part is connected to the pelvis link part through a waist-pitch joint so as to be adjustable in angle with respect to the pelvis link part and includes a waist-pitch fixing part for fixing the backpack part when the angle of the backpack part is adjusted. Estimation based wearable robots.
  11. 착용자의 우측발바닥 또는 좌측발바닥이 지면과 접촉하고 있는 지를 감지하여 보행모드를 추정하는 보행추정단계와,
    착용자가 위치한 지면의 경사도를 측정하는 경사측정단계와,
    착용로봇에 설치된 센서를 이용하여 착용자의 보행의도를 추정하고, 상기 착용자의 보행의도에 맞게 착용로봇의 작동부위를 작동시키는데 필요한 요구토크를 계산하여 각 구동부위를 제어하는 명령을 생성하는 명령생성단계와,
    생성된 명령에 따라 착용로봇의 액츄에이터를 작동시키는 명령수행단계를 포함하고,
    상기 보행추정단계는, 양발 중 어는 한 발은 지면과 접촉하고, 나머지 한 발은 지면과 떨어지면 싱글 서포트 모드, 양발이 모두 지면과 접촉되면 더블 서포트 모드, 양발이 모두 지면과 떨어지면 점프모드로 보행의도를 추정하는 것을 특징으로 하는 보행의도 추정기반 착용로봇의 제어방법.
    A gait estimation step of estimating a gait mode by sensing whether the wearer's right foot or left foot is in contact with the ground,
    A slope measuring step of measuring a slope of a ground on which the wearer is located,
    A command for estimating the walking intention of the wearer using a sensor provided on the wear robot and calculating a required torque necessary for operating the operating portion of the wear robot in accordance with the wearer's intention to walk, Generating,
    And executing an actuator of the wearing robot in accordance with the generated command,
    The gait estimation step may be performed in a single support mode when one foot is in contact with the ground surface while the other foot is in contact with the ground and in a double support mode when both feet are in contact with the ground surface. Wherein the step of estimating the walking intention is based on the estimated walking intention.
  12. 삭제delete
  13. 제11항에 있어서,
    상기 경사측정단계는,
    상기 보행추정단계에서 상기 우측 발바닥과 좌측 발바닥이 모두 지면과 접촉된 상태이면, 발바닥 링크부에서 측정된 경사도를 지면의 경사도로 인식하고,
    상기 보행추정단계에서 상기 우측 발바닥 또는 좌측 발바닥 중 적어도 어느 하나가 지면과 접촉된 상태가 아니면, 착용로봇의 백팩부에 설치된 백팩부 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서에서 측정된 경사도를 지면의 경사도로 인식하는 것을 특징으로 하는 보행의도 추정기반 착용로봇의 제어방법.
    12. The method of claim 11,
    Wherein the tilt measuring step comprises:
    Wherein when the right soles and the left soles are in contact with the ground in the gait estimation step, the slope measured at the sole link portion is recognized as the slope of the ground,
    If the at least one of the right sole or the left sole is not in contact with the ground in the walking estimation step, the inclination measured by the back pack imum unit (IMU) sensor installed in the back pack of the wearing robot is recognized as a ground inclination Wherein the step of estimating the walking intention is performed based on the estimated walking intention.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 명령생성단계는,
    착용자의 보행의도를 반영한 토크와 중력보상토크의 합에 가중치를 반영한 값과, 상기 착용로봇에 설치된 HRI 센서값에 가중치를 반영한 값을 더하여 요구토크를 생성하는 것을 특징으로 하는 보행의도 추정기반 착용로봇의 제어방법.
    12. The method of claim 11,
    Wherein the command generation step comprises:
    Wherein a sum of a torque and a gravity compensation torque reflecting a wearer's walking intention reflects a weight and a value reflecting a weight value to an HRI sensor value provided on the wearer robot to generate a required torque, Control method of worn robot.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 착용자의 운동의도를 반영한 토크는,
    보행모드에 따른 역동력학적 토크에서 액츄에이터의 토크를 빼고, 마찰토크를 더하여 구해지는 것을 특징으로 하는 보행의도 추정기반 착용로봇의 제어방법.
    15. The method of claim 14,
    The torque reflecting the wearer ' s motion intention,
    Wherein a torque of the actuator is subtracted from an inverse kinetic torque in accordance with the walking mode, and the frictional torque is added.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 명령수행단계에서는 상기 명령생성단계에서 생성된 요구토크가 발생되도록 유압공급부에 설치된 유압밸브 모듈의 밸브를 개폐함으로써, 착용로봇의 각 구동부위에 설치된 액츄에이터가 작동하도록 하는 것을 특징으로 하는 보행의도 추정기반 착용로봇의 제어방법.
    12. The method of claim 11,
    Wherein the step of actuating the actuator provided on each of the driving units of the wearable robot is performed by opening and closing the valve of the hydraulic pressure valve module installed in the hydraulic pressure supply unit so that the required torque generated in the command generation step is generated, Control method of base wear robot.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 명령수행단계에서는 상기 명령생성단계에서 생성된 명령을 PID제어, 임피던스 제어, 어드미턴스 제어 중 어느 하나를 이용하여 상기 유압밸브 모듈의 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 보행의도 추정기반 착용로봇의 제어방법.
    17. The method of claim 16,
    Wherein the command generating step controls the valve of the hydraulic valve module using one of PID control, impedance control, and admittance control of the command generated in the command generation step. Way.
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