KR101491365B1

KR101491365B1 - 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법

Info

Publication number: KR101491365B1
Application number: KR20130151884A
Authority: KR
Inventors: 고훈건; 천주영
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-02-06

Abstract

본 발명은 착용식 로봇에 관한 것으로, 와이어 구동방식의 관절 연동기구를 가지는 착용식 로봇의 조작시 로봇의 관절 위치가 고정된 상태에서 사용자의 구동 의도를 파악하여 그 구동 의도를 로봇에 정확히 전달할 수 있도록 한다.
아울러, 본 발명에서는 로봇 구동을 와이어 구동방식으로 적용함으로써 구동부 및 센서의 수를 감소하여 전장의 단순화 및 로봇의 무게를 감소시킬 수 있다.

Description

착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법 {MANIPULATING INTENTION EXTRACTING METHOD OF WEARABLE ROBOT}

본 발명은 와이어 구동방식의 관절 연동기구를 가지는 착용식 로봇에 있어서, 사용자의 로봇 구동 의도를 파악하기 위한 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법에 관한 것이다.

최근에는 작업자의 편의를 위한 다양한 기술이 개발 중이다. 산업 현장에는 무거운 물체를 이동시키거나 무거운 물체의 작업을 수행해야하는 작업이 많고, 이는 사람의 힘만으로는 작업을 진행하기가 어렵다.

이러한 고하중의 물건을 취급시 사람에 작용하는 부하를 감소시키고, 작업 편의성을 증가시킬 수 있는 기술이 개발중이며, 최근에는 작업자가 로봇을 직접 착용하여 로봇을 조작해줌으로써 고하중의 물건을 용이하게 다룰 수 있는 착용식 로봇이 개발되고 있다.

이러한 착용식 로봇은 사용자가 가하는 조작력에 기반하여 로봇의 제어가 적절히 이루어지도록 설계되며, 이를 위해서는 로봇의 관절마다 착용자의 의도를 파악할 수 있는 토크센서나 각도센서 등을 설치하고, 그 의도에 따라 각 관절의 모터 등을 구동하여 로봇을 통해 근력을 지원받는 형식으로 이루어진다.

그러나, 로봇의 관절마다 모터를 구비할 경우 원가가 매우 높아지고 특히 모터의 무게로 인하여 로봇 자체의 무게가 증대되어 비효율적이며 제어가 어려운 문제가 발생되는바, 이러한 문제를 해소하기 위해 와이어를 이용해 로봇을 구동하는 로봇 시스템이 개발중이다.

이렇게, 와이어를 이용해 로봇을 구동하는 로봇 시스템의 경우 관절의 의도를 파악하기 위한 센서의 수를 감소시킬 수 있는 장점이 있으며, 이러한 착용식 로봇의 제어방법을 통해 사용자의 로봇 구동 의도를 판단할 수 있는 기술이 필요하였다.

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.

KR

10-2012-0131800

A (2012.12.05)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 와이어 구동방식의 관절 연동기구를 가지는 착용식 로봇에 있어서, 사용자의 로봇 구동 의도를 파악할 수 있으며, 관절의 위치를 판단하기 위한 구동부 및 센서의 수가 감소됨으로써 전장의 단순화 및 로봇의 무게를 감소시킬 수 있는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법은 와이어 구동방식의 착용식 로봇 제어시 사용자의 로봇 구동 의도를 파악하기 위한 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법에 있어서, 로봇의 그리퍼에 홀딩된 물체를 들어올린 상태에서 관절의 위치를 유지시 구동와이어에 작용되는 장력을 산출하는 산출단계; 로봇의 그리퍼가 물체를 들어올림에 따라 구동와이어에 작용되는 장력을 센서를 통해 측정하는 도출단계; 및 상기 산출단계를 통해 산출된 구동와이어의 장력값과 상기 도출단계를 통해 측정된 구동와이어의 장력값을 비교판단하고, 각 장력값의 차이가 발생되면 사용자의 로봇 구동을 위한 의도가 반영된 것으로 판단하는 로봇구동단계;를 포함한다.

상기 산출단계는, 로봇의 그리퍼에 홀딩된 물체의 중량을 판단하는 중량판단단계; 상기 그리퍼에 홀딩된 물체를 들어올림에 따른 관절의 각도 변화량을 판단하는 관절위치파악단계; 및 상기 중량판단단계를 통해 도출된 물체의 중량과 상기 관절위치파악단계를 통해 도출된 관절의 각도로부터 관절의 위치를 유지하기 위해 구동와이어에 작용되는 장력을 산출하는 장력산출단계;를 더 포함한다.

상기 중량판단단계는 로봇의 그리퍼에 설치된 로드셀을 통해 홀딩된 물체의 중량을 측정할 수 있다.

상기 관절위치파악단계는 구동와이어를 당기거나 풀림을 위해 마련된 모터의 엔코더를 이용하여 관절의 위치를 도출할 수 있다.

상기 도출단계는 로봇의 그리퍼에 홀딩된 물체를 들어올린 상태에서 로봇 팔을 지지하기 위해 구동와이어에 작용되는 장력을 로드셀을 통해 측정할 수 있다.

상기 로봇구동단계는 상기 산출단계를 통해 산출된 구동와이어의 장력값과 상기 도출단계를 통해 측정된 구동와이어의 장력값의 차이가 발생되면, 그 차이값을 기저장된 의도전달 기준값과 비교 판단하는 의지판단단계; 및 상기 산출된 구동와이어의 장력값과 측정된 구동와이어의 장력값의 차이값이 의도전달 기준값보다 클 경우 사용자의 구동 의지를 확정하여 로봇 구동을 수행하는 구동확정단계;를 더 포함한다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법은 와이어 구동방식의 관절 연동기구를 가지는 착용식 로봇의 조작시 사용자의 구동 의도를 로봇에 전달할 수 있으며, 로봇 구동을 와이어 구동방식으로 적용함으로써 구동부 및 센서의 수를 감소하여 전장의 단순화 및 로봇의 무게를 감소시킬 수 있다.

도 1 내지 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어 구동방식의 관절 연동기구를 가지는 착용식 로봇의 구성도.
도 3 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법의 순서도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법에 대하여 살펴본다.

도 1 내지 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어 구동방식의 관절 연동기구를 가지는 착용식 로봇의 구성도이고, 도 3 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법의 순서도이다.

본 발명은 착용식 로봇은 와이어 구동방식의 관절 기구를 통해 관절이 구동되는 로봇으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 큰 범위로 몸통부(100)와 팔(200)로 구분되고, 몸통부(100)와 팔 사이의 관절에는 드라이브 풀리(10)가 설치되며, 구동와이어(20)가 양측의 드라이브 풀리(10)에 연결된 후 가이드 풀리(30)를 지나 밸런스 풀리(40)에 연결된다. 여기서, 밸런스 풀리(40)는 구동부(50)의 작동에 의해 상하로 슬라이딩됨으로써 상기 구동와이어(20)의 풀어짐 또는 당겨짐에 의해 최종적으로 드라이브 풀리(10)의 회전시 로봇의 팔(200)의 위치를 제어할 수 있다.

여기서, 구동와이어(20)는 상기 드라이브 풀리(10), 가이드 풀리(30), 밸런스 풀리(40)와 연결된 제1와이어(22)와, 밸런스 풀리(40)와 구동부(50)를 연결하는 제2와이어(24)로 구성될 수 있으며, 제1와이어(22)와 제2와이어(24)는 밸런스 풀리(40)를 통해 연결되어 구동력의 전달이 이루어지도록 한다.

아울러, 상기 제2와이어(24)에는 하기 설명할 도출단계(S200)에서 구동와이어(20)에 작용되는 장력을 측정하기 위한 센서(60)가 설치되어 물체를 들어올림에 따라 작용되는 장력을 측정할 수 있다. 하기, 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법의 설명시 구동와이어(20)의 장력은 제2와이어(24)에 작용되는 장력을 의미하며, 이를 토대로 본 발명에 대해서 설명하도록 하겠다.

본 발명에서는 상기의 와이어 구동방식의 로봇을 중심으로, 사용자의 로봇 구동 의도를 파악함을 기재하였지만, 와이어를 이용한 연동 기구는 다양한 분야에서 응용되고 있으며, 부차적인 구성에 따라 다양한 실시예가 있을 수 있다. 따라서, 본 발명은 위의 와이어 구동방식의 로봇에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 이해를 돕고, 최적의 적용 방안에 대한 부분으로 살펴보도록 한다.

본 발명은 와이어 구동방식의 착용식 로봇 제어시 사용자의 로봇 구동 의도를 파악하기 위한 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법에 있어서, 로봇의 그리퍼(200)에 홀딩된 물체를 들어올린 상태에서 관절의 위치를 유지시 구동와이어(20)에 작용되는 장력을 산출하는 산출단계(S100); 로봇의 그리퍼(200)가 물체를 들어올림에 따라 구동와이어(20)에 작용되는 장력을 센서(60)를 통해 측정하는 도출단계(S200); 및 상기 산출단계(S100)를 통해 산출된 구동와이어(20)의 장력값과 상기 도출단계(S200)를 통해 측정된 구동와이어(20)의 장력값을 비교판단하고, 각 장력값의 차이가 발생되면 사용자의 로봇 구동을 위한 의도가 반영된 것으로 판단하는 로봇구동단계(S300);를 포함한다.

본 발명에서는 와이어 구동방식의 착용식 로봇을 착용한 사용자의 의도를 파악하기 위한 것이며, 사용자의 의도를 파악하기 위한 센서(60)가 로봇의 몸통부(100)에 설치되어 사용자의 로봇 구동 의도를 파악할 수 있음으로써 고가의 센서를 다수개 설치하지 않음에 따라 로봇의 비용 감소를 꾀할 수 있다.

아울러, 와이어 구동 방식의 착용식 로봇의 경우 관절을 구동시 각 관절에 각각 구동부를 설치하지 않기 때문에, 전장의 단순화 및 무게 감소를 통해 로봇을 경량화할 수 있다.

상기의 본 발명은 우선 산출단계(S100)를 통해 로봇의 그리퍼(200)에 홀딩된 물체를 들어올린 상태에서 관절의 위치를 유지시 구동와이어(20)에 작용되는 장력을 산출하도록 한다. 이러한 산출단계(S100)는 로봇이 특정 물체를 파지하여 들어올린 상태에서, 관절의 위치가 고정된 상태의 와이어 장력을 산출하는 것으로, 로봇을 착용한 사용자의 로봇 구동 의도를 파악하기 위한 비교값이 되는 것이다.

즉, 산출단계(S100)를 통해 산출된 구동와이어(20)의 장력값은 로봇의 팔(200)이 들어올려 지탱하는 물체와 그 물체를 들어올림에 따라 변화된 로봇 관절의 위치를 이용하여, 위에서 설명된 제2와이어(24)에 작용되는 장력을 산출하는 것이다.

상기의 산출단계(S100)는, 로봇의 그리퍼(200)에 홀딩된 물체의 중량을 판단하는 중량판단단계(S120); 상기 그리퍼(200)에 홀딩된 물체를 들어올림에 따른 관절의 각도 변화량을 판단하는 관절위치파악단계(S140); 및 상기 중량판단단계(S120)를 통해 도출된 물체의 중량과 상기 관절위치파악단계(S140)를 통해 도출된 관절의 각도로부터 관절의 위치를 유지하기 위해 구동와이어(20)에 작용되는 장력을 산출하는 장력산출단계(S160);를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 중량판단단계(S120)는 로봇의 그리퍼(200)에 설치된 로드셀(70)을 통해 홀딩된 물체의 중량을 측정할 수 있다. 즉, 로봇의 그리퍼(200)에 파지된 물체를 들어올림에 따라 물체가 지면에서 이탈되어 그리퍼(200)에 물체의 중량이 부하되며, 그리퍼(200)에 설치된 로드셀(70)을 통해 물체의 중량을 측정해주는 것이다. 여기서, 그리퍼(200)에 파지된 물체의 중량을 측정하기 위한 센서(60)로는 로드셀뿐만 아니라 다양한 중량을 측정할 수 있는 수단이 사용가능하다.

또한, 상기 관절위치파악단계(S140)는 구동와이어를 당기거나 풀림을 위해 마련된 모터의 엔코더를 이용하여 관절의 위치를 도출할 수 있다.

즉, 로봇의 그리퍼(200)에 파지된 물체를 들어올리는 동작은 구동부(50)의 작동에 의해 구동와이어가 당겨지거나 풀리는 동작에 의해 수행된다. 여기서, 구동부(50)는 구동와이어의 당김 또는 풀림 동작이 수행되도록 하는 모터일 수 있으며, 모터의 회전수를 감지하여 모터 회전수를 제어가능하도록 모터 엔코더가 적용된다.

이렇게, 모터의 엔코더를 이용하여 로봇 팔의 관절 위치 변경을 위한 구동와이어의 당김 또는 풀림 동작을 위한 모터의 회전수를 감지할 수 있으며, 감지된 모터의 회전수를 토대로 로봇 관절의 위치를 도출하는 것이다.

이어서, 상기 중량판단단계(S120)를 통해 도출된 물체의 중량과 상기 관절위치파악단계(S140)를 통해 도출된 관절의 각도로부터 물체를 들어올린 현재 관절의 위치를 유지하기 위해 구동와이어에 작용되는 장력을 산출하는 산출단계(S100)를 수행하도록 한다.

즉, 산출단계(S100)에서는 로봇에 파지된 물체의 중량과 현재 로봇 관절의 각도로부터 정역학적으로 산출하여 밸런스 풀리(40)와 구동부(50) 사이의 구동와이어에 작용되는 장력을 산출하는 것이다. 이렇게, 산출된 구동와이어의 장력값은 상기 구동와이어에 장력을 측정하는 센서(60)를 통해 측정된 장력값과 비교해줌으로써 사용자의 의도를 파악하기 위한 비교값으로 사용된다.

한편, 상기 도출단계(S200)는 로봇의 그리퍼(200)에 홀딩된 물체를 들어올린 상태에서 로봇 팔을 지지하기 위해 구동와이어(20)에 작용되는 장력을 로드셀을 통해 측정할 수 있다.

즉, 밸런스 풀리(40)와 구동부(50) 사이의 구동와이어(20)에는 센서(60)가 설치되고, 로봇의 그리퍼(200)에 파지된 물체를 들어올리기 위해 구동부(50)가 작동되어 구동와이어(20)를 당겨줌에 따라 물체가 홀딩된 로봇 팔이 상승 동작되는데, 이때 센서(60)를 통해 구동와이어(20)에 작용되는 장력을 측정하는 것이다.

이러한 도출단계(S200)에서는 로봇을 착용한 사용자가 로봇을 구동하기 위해 조작력을 전달할 경우 로봇 팔에 사용자의 의도가 반영된 하중이 부가됨에 따라 구동와이어(20)의 장력이 변화된다. 이렇게, 도출단계(S200)에서는 사용자의 로봇 구동의도에 따른 구동와이어(20)의 장력값이 변화됨을 센서(60)를 통해 측정하고, 이를 상기 산출단계(S100)에서 산출된 구동와이어(20)의 장력값과 비교해줌으로써 사용자가 로봇의 구동을 위한 조작력을 전달했는지 판단하도록 한다.

여기서, 센서는 로드셀이 될 수 있으며, 로봇 팔 및 물체를 들어올리기 위한 힘 또는 하중을 측정하기 위한 다양한 수단이 적용가능하다.

한편, 산출단계(S100)를 통해 산출된 구동와이어(20)의 장력값과 상기 도출단계(S200)를 통해 측정된 구동와이어(20)의 장력값을 비교판단하고, 각 장력값의 차이가 발생되면 사용자의 로봇 구동을 위한 의도가 반영된 것으로 판단하는 로봇구동단계(S300)를 수행하도록 한다.

즉, 물체를 파지한 상태에서 관절의 위치가 일정 각도 변화된 후 로봇 팔의 위치가 고정되었을 경우에는 상기 산출단계(S100)를 통해 산출된 구동와이어(20)의 장력값과 상기 도출단계(S200)를 통해 측정된 구동와이어(20)의 장력값이 동일한 값으로 유지된다.

이러한 상태에서, 로봇을 착용한 사용자가 로봇을 구동하기 위해 조작력을 전달하게 되면, 로봇 팔에 사용자의 의도가 반영된 하중이 부가됨에 따라 구동와이어(20)의 장력이 변화되어 도출단계(S200)를 통해 측정된 구동와이어(20)의 장력값이 변화하게 된다.

이렇게, 사용자가 로봇 구동 의도가 반영됨에 따라 도출단계(S200)를 통해 측정된 구동와이어(20)의 장력값이 변화되고, 이를 산출단계(S100)를 통해 산출된 구동와이어(20)의 장력값과 비교시 차이가 발생되면 사용자의 의도에 따라 로봇이 구동되도록 하는 것이다.

바람직하게는, 상기 로봇구동단계(S300)는 상기 산출단계(S100)를 통해 산출된 구동와이어(20)의 장력값과 상기 도출단계(S200)를 통해 측정된 구동와이어(20)의 장력값의 차이가 발생되면, 그 차이값을 기저장된 의도전달 기준값과 비교 판단하는 의지판단단계(S320); 및 상기 산출된 구동와이어(20)의 장력값과 측정된 구동와이어(20)의 장력값의 차이값이 의도전달 기준값보다 클 경우 사용자의 구동 의지를 확정하여 로봇 구동을 수행하는 구동확정단계(S340);를 더 포함할 수 있다.

여기서, 의도전달 기준값은 사용자가 로봇을 구동하겠다는 조작력이 명확히 전달되었는지를 판단하기 위해 마련된 값으로, 산출단계(S100)와 도출단계(S200)에서 도출된 각 구동와이어(20) 장력값의 차이값을 의도전달 기준값과 비교해줌으로써 사용자가 로봇을 구동하기 위한 구동력이 확실히 반영되었는지를 판단할 수 있다.

이처럼, 의지판단단계(S320)를 통해 산출단계(S100)와 도출단계(S200)에서 도출된 각 구동와이어(20)의 장력값의 차이값을 의도전달 기준값과 비교하고, 그 차이값이 의도전달 기준값보다 클 경우 사용자의 로봇을 구동하고자 하는 의도가 명확히 반영된 것으로 확정하여 사용자의 의도에 따라 로봇이 구동되도록 하는 구동확정단계(S340)를 수행하는 것이다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법은 와이어 구동방식의 관절 연동기구를 가지는 착용식 로봇의 조작시 사용자의 로봇 구동 의도를 로봇에 전달할 수 있으며, 로봇 구동을 와이어 구동방식으로 적용함으로써 구동부 및 센서의 수를 감소하여 전장의 단순화 및 로봇의 무게를 감소시킬 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:몸통부 200:그리퍼
10:드라이브 풀리 20:구동와이어
30:가이드 풀리 40:밸런스 풀리
50:구동부
S100:산출단계 S120:중량판단단계
S140:관절위치파악단계 S160:장력산출단계
S200:도출단계 S300:로봇구동단계
S320:의지판단단계 S340:구동확정단계

Claims

와이어 구동방식의 착용식 로봇 제어시 사용자의 로봇 구동 의도를 파악하기 위한 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법에 있어서,
로봇의 그리퍼에 홀딩된 물체를 들어올린 상태에서 관절의 위치를 유지시 구동와이어에 작용되는 장력을 산출하는 산출단계;
로봇의 그리퍼가 물체를 들어올림에 따라 구동와이어에 작용되는 장력을 센서를 통해 측정하는 도출단계; 및
상기 산출단계를 통해 산출된 구동와이어의 장력값과 상기 도출단계를 통해 측정된 구동와이어의 장력값을 비교판단하고, 각 장력값의 차이가 발생되면 사용자의 로봇 구동을 위한 의도가 반영된 것으로 판단하는 로봇구동단계;를 포함하고,
상기 로봇구동단계는,
상기 산출단계를 통해 산출된 구동와이어의 장력값과 상기 도출단계를 통해 측정된 구동와이어의 장력값의 차이가 발생되면, 그 차이값을 기저장된 의도전달 기준값과 비교 판단하는 의지판단단계; 및
상기 산출된 구동와이어의 장력값과 측정된 구동와이어의 장력값의 차이값이 의도전달 기준값보다 클 경우 사용자의 구동 의지를 확정하여 로봇 구동을 수행하는 구동확정단계;를 수행하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 산출단계는,
로봇의 그리퍼에 홀딩된 물체의 중량을 판단하는 중량판단단계;
상기 그리퍼에 홀딩된 물체를 들어올림에 따른 관절의 각도 변화량을 판단하는 관절위치파악단계; 및
상기 중량판단단계를 통해 도출된 물체의 중량과 상기 관절위치파악단계를 통해 도출된 관절의 각도로부터 관절의 위치를 유지하기 위해 구동와이어에 작용되는 장력을 산출하는 장력산출단계;를 수행하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 중량판단단계는 로봇의 그리퍼에 설치된 로드셀을 통해 홀딩된 물체의 중량을 측정하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 관절위치파악단계는 구동와이어를 당기거나 풀림을 위해 마련된 모터의 엔코더를 이용하여 관절의 위치를 도출하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 도출단계는 로봇의 그리퍼에 홀딩된 물체를 들어올린 상태에서 로봇 팔을 지지하기 위해 구동와이어에 작용되는 장력을 로드셀을 통해 측정하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법.
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