KR101611042B1 - System and method for controlling joint of wearable robot - Google Patents
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Abstract
착용로봇의 관절에 마련된 구동부, 각도센서, 토크센서; 및 각도센서를 통해 측정된 관절각의 변화를 통해 관절각속도를 산출하고, 관절각속도가 존재하지 않는 경우 구동부를 정지마찰력 보상값으로 제어하며, 관절각속도가 존재하는 경우 구동부를 운동마찰력 보상값으로 제어하고, 관절각속도의 방향이 전환되는 경우 구동부를 의도 보상값으로 제어하는 제어부;를 포함하는 착용로봇의 관절 제어시스템 및 제어방법이 소개된다.A driving unit, an angle sensor, and a torque sensor provided at joints of the wearing robot; And calculates the joint angular velocity based on the change of the joint angle measured by the angle sensor. When the joint angular velocity does not exist, the drive unit is controlled as the static frictional force compensation value. If there is the joint angular velocity, And a controller for controlling the driving unit to an intent compensation value when the direction of the angular velocity of the joint is changed.
Description
본 발명은 착용로봇의 구동에 있어 착용자가 로봇에 의한 부하를 적게 느낄 수 있도록 하기 위한 착용로봇의 관절 제어시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a joint control system and a control method of a wearable robot for enabling a wearer to feel less load by a robot in driving a wearable robot.
본 발명은 착용로봇, 특히 무릎에 착용하여 착용자의 보행을 보조하는 보행보조 로봇에 있어서, 착용자가 동작하는 동안, 로봇으로부터 부하를 적게 느끼고 착용자의 동작의도에 빠르게 반응하게 하기 위한 알고리즘에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a walking robot, particularly, a walking assist robot that is worn on a knee to assist a walking of a wearer so that a load from the robot is felt less while the wearer is operating, .
무릎형 보행보조 로봇의 착용자는 로봇 관절에서 발생하는 마찰력에 의해 별도의 마찰 보상 알고리즘이 없이는 동작하는 동안 로봇으로부터 부하를 느끼게 된다. 또한 착용자의 동작의도를 빠르게 감지하여 그에 맞게 로봇을 제어하는 알고리즘 없이는 로봇을 착용하고 빠르게 움직이기 어렵다. 그리하여 본 발명은 이러한 무릎형 보행보조 로봇의 부하 저감 및 고반응을 위한 마찰 보상 및 동작 의도 감지 알고리즘을 제안한다.
The wearer of the walking assist robot of the knee type senses the load from the robot while it operates without a separate friction compensation algorithm due to the frictional force generated in the robot joint. Also, it is difficult to wear the robot and move quickly without an algorithm that detects the motion of the wearer quickly and controls the robot accordingly. Thus, the present invention proposes a friction compensation and motion intention detection algorithm for load reduction and high response of the knee type walking-assist robot.
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.
It should be understood that the foregoing description of the background art is merely for the purpose of promoting an understanding of the background of the present invention and is not to be construed as an admission that the prior art is known to those skilled in the art.
본 발명은 착용로봇의 구동에 있어 착용자가 로봇에 의한 부하를 적게 느낄 수 있도록 하기 위한 착용로봇의 관절 제어시스템 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
An object of the present invention is to provide a joint control system and a control method of a wearable robot for enabling a wearer to feel less load by a robot in driving a wearable robot.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 착용로봇의 관절 제어시스템은, 착용로봇의 관절에 마련된 구동부, 각도센서, 토크센서; 및 각도센서를 통해 측정된 관절각의 변화를 통해 관절각속도를 산출하고, 관절각속도가 존재하지 않는 경우 구동부를 정지마찰력 보상값으로 제어하며, 관절각속도가 존재하는 경우 구동부를 운동마찰력 보상값으로 제어하고, 관절각속도의 방향이 전환되는 경우 구동부를 의도 보상값으로 제어하는 제어부;를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a joint control system for a wearable robot, including a drive unit, an angle sensor, a torque sensor, And calculates the joint angular velocity based on the change of the joint angle measured by the angle sensor. When the joint angular velocity does not exist, the drive unit is controlled as the static frictional force compensation value. If there is the joint angular velocity, And controlling the driving unit to the intent compensation value when the direction of the joint angular velocity is changed.
제어부는 관절각속도가 0인 경우 관절각속도가 존재하지 않는 것으로 보아 구동부를 정지마찰력 보상값으로 제어할 수 있다.The control unit can control the driving unit as the static frictional force compensation value because the joint angular velocity does not exist when the angular velocity of the joint is zero.
제어부는 정지마찰력 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어할 수 있다.The control unit can control the driving unit by deriving the static frictional force compensation value through the following equation.
운동마찰력 보상값은 쿨롱마찰력 보상값과 점성마찰력 보상값으로 구성될 수 있다.The kinetic frictional force compensation value may consist of the coulomb frictional force compensation value and the viscous frictional force compensation value.
제어부는 운동마찰력 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어할 수 있다.The control unit can control the driving unit by deriving the motion frictional force compensation value through the following equation.
제어부는 관절각속도의 방향이 전환되고 전환된 방향으로의 관절토크의 크기가 기준값을 넘어설 경우 구동부를 의도 보상값으로 제어할 수 있다.The control unit can control the driving unit to the intent compensation value when the direction of the joint angular velocity is switched and the magnitude of the joint torque in the switched direction exceeds the reference value.
제어부는 의도 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어할 수 있다.The control unit can control the driving unit by deriving the intention compensation value through the following equation.
본 발명의 착용로봇의 관절 제어방법은, 각도센서를 통해 측정된 관절각의 변화를 통해 관절각속도를 산출하는 각속도산출단계; 관절각속도가 존재하지 않는 경우 구동부를 정지마찰력 보상값으로 제어하는 정지보상단계; 관절각속도가 존재하는 경우 구동부를 운동마찰력 보상값으로 제어하는 운동보상단계; 및 관절각속도의 방향이 전환되는 경우 구동부를 의도 보상값으로 제어하는 의도보상단계;를 포함한다.The method of controlling a joint of a wearable robot according to the present invention includes the steps of: calculating an angular velocity of a joint through a change of a joint angle measured through an angle sensor; A stop compensating step of controlling the driving unit to a static frictional force compensation value when there is no joint angular velocity; A motion compensating step of controlling the driving unit to a motion frictional force compensation value when the angular velocity of the joint exists; And an intention compensation step of controlling the drive unit to an intent compensation value when the direction of the joint angular velocity is switched.
정지보상단계에서는 관절각속도가 0인 경우 관절각속도가 존재하지 않는 것으로 보아 구동부를 정지마찰력 보상값으로 제어할 수 있다.In the stopping compensation step, when the angular velocity of the joint is 0, the angular velocity of the joint does not exist, so that the driving part can be controlled as the static frictional force compensation value.
정지보상단계에서는 정지마찰력 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어할 수 있다.In the stop compensation step, the drive unit can be controlled by deriving the static friction compensation value through the following equation.
운동마찰력 보상값은 쿨롱마찰력 보상값과 점성마찰력 보상값으로 구성될 수 있다.The kinetic frictional force compensation value may consist of the coulomb frictional force compensation value and the viscous frictional force compensation value.
운동보상단계에서는 운동마찰력 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어할 수 있다.In the motion compensating step, the driving force can be controlled by deriving the compensation value of the kinetic frictional force through the following equation.
의도보상단계에서는 관절각속도의 방향이 전환되고 전환된 방향으로의 관절토크의 크기가 기준값을 넘어설 경우 구동부를 의도 보상값으로 제어할 수 있다.In the intention compensation step, when the direction of the joint angular velocity is changed and the magnitude of the joint torque in the switched direction exceeds the reference value, the driving unit can be controlled to the intent compensation value.
의도보상단계에서는 의도 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어할 수 있다.In the intention compensation step, the driver can be controlled by deriving the intention compensation value through the following equation.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 착용로봇의 관절 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 토크센서가 관절에 장착된 착용로봇에 있어서 토크센서를 이용하여 로봇 관절에서 발생하는 정지마찰력을 보상하기 위한 토크를 인가함으로써 정지상태에서 착용자가 로봇을 동작하는 순간의 부하를 저감시킬 수 있다.According to the joint control system and control method of the wearing robot having the above-described structure, the torque sensor is used to apply a torque for compensating the static frictional force generated in the robot joint in the wear robot mounted on the joint The load at the moment when the wearer operates the robot in the stopped state can be reduced.
또한, 운동 방향 전환과 같은 경우 착용자의 동작 의도를 빠르게 감지함으로써 로봇을 착용자의 의도에 맞게 빠르게 동작시키고 따라서 동작하는 동안 착용자가 느끼는 부하를 저감시킬 수 있다. In addition, in the case of switching the direction of motion, the robot can be quickly operated in accordance with the intention of the wearer by detecting the motion intention of the wearer quickly, and thus the load felt by the wearer during operation can be reduced.
그리고, 무릎뿐만 아니라 고관절, 발목 등의 1자유도의 착용식 로봇의 구동에 있어서도 동작 부하 저감 및 고반응을 위해 활용될 수 있다.
In addition, it can be utilized not only for the knee but also for the reduction of the working load and the high response in the driving of the wearing robot of the one degree of freedom such as the hip joint and the ankle.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇의 관절 제어시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇의 관절 제어방법의 순서도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇의 관절 제어시스템에 따른 효과를 나타낸 그래프.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a configuration diagram of a joint control system of a wearing robot according to an embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 2 is a flowchart of a joint control method of a wearing robot according to an embodiment of the present invention. FIG.
3 is a graph showing an effect of a joint control system of a wearable robot according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇의 관절 제어시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇의 관절 제어방법의 순서도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇의 관절 제어시스템에 따른 효과를 나타낸 그래프이다.FIG. 1 is a configuration diagram of a joint control system of a wearable robot according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a flowchart of a joint control method of a wearable robot according to an embodiment of the present invention, FIG. 5 is a graph illustrating the effect of the joint control system of the wearable robot according to the present invention. FIG.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇의 관절 제어시스템의 구성도로서, 본 발명에 따른 착용로봇의 관절 제어시스템은, 착용로봇의 관절에 마련된 구동부(100), 각도센서(200), 토크센서(300); 및 각도센서(200)를 통해 측정된 관절각의 변화를 통해 관절각속도를 산출하고, 관절각속도가 존재하지 않는 경우 구동부(100)를 정지마찰력 보상값으로 제어하며, 관절각속도가 존재하는 경우 구동부(100)를 운동마찰력 보상값으로 제어하고, 관절각속도의 방향이 전환되는 경우 구동부(100)를 의도 보상값으로 제어하는 제어부(400);를 포함한다.FIG. 1 is a block diagram of a joint control system of a wearable robot according to an embodiment of the present invention. The joint control system of a wearable robot according to the present invention includes a
본 발명은 착용로봇 특히, 도시된 바와 같은 착용자(P)의 무릎(P1)에 설치되는 보행보조 로봇에 대하여, 하나의 관절에 회전형 모터로서의 구동부(100), 회전각을 측정할 수 있는 각도센서(200), 토크를 측정할 수 있는 토크센서(300)를 포함하는 관절 기구부와 마찰 보상 및 착용자 동작 의도 감지 알고리즘으로 구동부를 제어하는 제어부(400)로 구성되어 있다.The present invention relates to a wearable robot, particularly to a walking assist robot provided on a knee (P1) of a wearer (P) as shown, a drive unit (100) as a rotary motor in one joint, an
본 발명의 경우 마찰모델을 이용한 마찰력 보상 방법을 이용하여 동작중 로봇 관절에서 발생하는 운동마찰력을 보상한다. 그리고 로봇 관절에 있는 토크센서를 이용하여 로봇 관절에서 발생하는 정지마찰력을 보상하고 착용자의 동작 의도를 감지하여 그에 맞게 로봇을 빠르게 동작하도록 한다.In the present invention, the frictional force compensation method using the friction model is used to compensate the kinetic frictional force generated in the robot joint during operation. The torque sensor in the robot joint compensates the static frictional force generated in the robot joint, detects the motion intention of the wearer, and quickly operates the robot accordingly.
구체적으로, 관절각속도가 존재하지 않는 경우에는 구동부를 정지마찰력 보상값으로 제어하도록 한다. 마찰모델을 통해서 운동마찰력은 보상할 수 있으나 관절 각속도가 발생해야 운동마찰력 보상 토크가 생성되므로 관절 각속도가 "0"인 상태에서 발생하는 정지마찰력에 대한 마찰 보상은 해결되지 못한다. 그리하여 본 발명에서는 착용자가 움직이려고 할 때 관절에서 발생하는 토크를 토크센서를 통해 측정하고 이값을 이용하여 정지마찰력 보상 토크를 계산한다.Specifically, when there is no joint angular velocity, the drive unit is controlled to the static frictional force compensation value. The friction force can be compensated through the friction model, but since the angular velocity of the joint is generated, the compensating torque of the kinetic frictional force is generated. Therefore, the frictional compensation for the static frictional force generated when the angular velocity of the joint is "0" can not be solved. Thus, in the present invention, the torque generated in the joint when the wearer is about to move is measured through the torque sensor, and the static friction compensation torque is calculated using this value.
즉, 제어부는 관절각속도가 0인 경우 관절각속도가 존재하지 않는 것으로 보아 구동부를 정지마찰력 보상값으로 제어할 수 있다.That is, since the joint angular velocity does not exist when the angular velocity of the joint is 0, the control unit can control the driving unit as the static frictional force compensation value.
그리고, 제어부는 정지마찰력 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어할 수 있다.Then, the control unit can control the driving unit by deriving the static frictional force compensation value through the following equation.
한편, 관절각속도가 존재하는 경우 구동부를 운동마찰력 보상값으로 제어한다. 마찰력은 정지마찰력과 운동마찰력으로 구분할 수 있고 그 중 운동마찰력은 Coulomb Friction과 Viscous Friction으로 이루어져 있다. Coulomb Friction은 운동에 대항해서 작용하는 속도에 의존하지 않는 일정한 마찰력을 의미하고 Viscous Friction은 운동에 대항해서 작용하는 속도에 비례하는 마찰력을 의미한다.On the other hand, when the angular velocity of the joint exists, the driving unit is controlled to the motion frictional force compensation value. The frictional force can be classified into static friction force and dynamic friction force, and the kinetic frictional force is composed of Coulomb Friction and Viscous Friction. Coulomb Friction refers to a constant frictional force that does not depend on the velocity acting against the motion, and Viscous Friction refers to the frictional force that is proportional to the velocity acting against the motion.
즉, 운동마찰력 보상값은 쿨롱마찰력 보상값과 점성마찰력 보상값으로 구성될 수 있다. 그리고 그에 따라 제어부는 운동마찰력 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어할 수 있다.That is, the motion frictional force compensation value may be composed of the coulomb frictional force compensation value and the viscous frictional force compensation value. Then, the control unit can control the driving unit by deriving the motion frictional force compensation value through the following equation.
상기 식에서의 상수들의 경우 실험값으로서 먼저 실험을 통해 도출한 후 제어로직에 일관적으로 적용할 수도 있고 일정한 데어터맵을 통해 시시각각 도출하여 적용하도록 하는 것도 가능할 것이다.
In the case of the constants in the above equations, it is possible to apply consistently to the control logic after deriving the experiment value as an experimental value first, and to derive it from time to time through a constant data map.
한편, 착용자가 움직이는 동안에는 관절 각속도가 발생하여 마찰모델을 통한 운동마찰력 보상 토크가 모터에 인가된다. 이때, 착용자가 운동 방향을 변경하기 위해 현재 운동 방향과 반대되는 방향으로 힘을 가하면 관절 각속도가 반대방향으로 생성될 때까지는 운동마찰력 보상 토크에 의해 여전히 현재 운동 방향으로의 토크가 모터에 인가되고 이로 인해 착용자는 운동 방향을 전환할 때마다 부하를 느끼게 된다. 그리하여 본 발명에서는 착용자가 운동 방향을 변경하려는 동작 의도를 토크센서를 이용하여 감지함으로써 운동 방향 전환 시 부하를 감소시킨다. On the other hand, while the wearer is moving, the joint angular velocity is generated, and the motor torque compensation torque through the friction model is applied to the motor. At this time, when the wearer applies a force in a direction opposite to the current direction of motion to change the direction of motion, the torque in the current direction of motion is still applied to the motor by the dynamic friction compensation torque until the joint angular velocity is generated in the opposite direction, As a result, the wearer feels a load every time the direction of movement is changed. Thus, in the present invention, the wearer senses the intention of the driver to change the direction of motion by using the torque sensor, thereby reducing the load upon switching the direction of motion.
즉, 관절각속도의 방향이 전환되는 경우 구동부를 의도 보상값으로 제어하는 것이다. 제어부는 관절각속도의 방향이 전환되고 전환된 방향으로의 관절토크의 크기가 기준값을 넘어설 경우 구동부를 의도 보상값으로 제어할 수 있다.That is, when the direction of the angular velocity of the joint is changed, the driving unit is controlled to the intention compensation value. The control unit can control the driving unit to the intent compensation value when the direction of the joint angular velocity is switched and the magnitude of the joint torque in the switched direction exceeds the reference value.
이에 따라 제어부는 의도 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어할 수 있다.Accordingly, the control unit can control the driving unit by deriving the intent compensation value through the following equation.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇의 관절 제어방법의 순서도로서, 이러한 본 발명의 착용로봇의 관절 제어시스템을 제어하는 방법은, 각도센서를 통해 측정된 관절각의 변화를 통해 관절각속도를 산출하는 각속도산출단계(S100); 관절각속도가 존재하지 않는 경우 구동부를 정지마찰력 보상값으로 제어하는 정지보상단계(S120,S600); 관절각속도가 존재하는 경우 구동부를 운동마찰력 보상값으로 제어하는 운동보상단계(S400); 및 관절각속도의 방향이 전환되는 경우 구동부를 의도 보상값으로 제어하는 의도보상단계(S200,S300,S500);를 포함한다.FIG. 2 is a flowchart of a method of controlling a joint of a wearable robot according to an embodiment of the present invention. The method of controlling the joint control system of the wearable robot of the present invention includes: (S100) of calculating an angular velocity; A stop compensation step (S120, S600) for controlling the driving unit to a static frictional force compensation value when there is no joint angular velocity; A motion compensation step (S400) of controlling the driving unit to a motion frictional force compensation value when the angular velocity of the joint exists; And an intention compensation step (S200, S300, S500) for controlling the driving unit to an intent compensation value when the direction of the joint angular velocity is changed.
정지보상단계(S600)에서는 관절각속도가 0인 경우 관절각속도가 존재하지 않는 것으로 보아 구동부를 정지마찰력 보상값으로 제어할 수 있다.In the stop compensation step S600, when the joint angular velocity is 0, the joint angular velocity does not exist, so that the drive unit can be controlled as the static frictional force compensation value.
정지보상단계(S600)에서는 정지마찰력 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어할 수 있다.In the stop compensation step (S600), the drive unit can be controlled by deriving the static friction compensation value through the following equation.
운동마찰력 보상값은 쿨롱마찰력 보상값과 점성마찰력 보상값으로 구성될 수 있다.The kinetic frictional force compensation value may consist of the coulomb frictional force compensation value and the viscous frictional force compensation value.
운동보상단계(S400)에서는 운동마찰력 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어할 수 있다.In the motion compensation step (S400), the driving force compensation value can be derived through the following equation to control the driving unit.
의도보상단계(S500)에서는 관절각속도의 방향이 전환되고 전환된 방향으로의 관절토크의 크기가 기준값을 넘어설 경우 구동부를 의도 보상값으로 제어할 수 있다. 구체적으로, 착용자가 관절을 펴는 방향으로 동작할 경우 관절각속도와 관절토크는 모두 양수라고 한다면, 관절을 접는 방향으로 동작할 경우에는 관절각속도와 관절토크가 모두 음수일 것이다.In the intention compensation step S500, when the direction of the joint angular velocity is changed and the magnitude of the joint torque in the switched direction exceeds the reference value, the drive unit can be controlled as the intent compensation value. Specifically, when the wearer operates in a direction to stretch the joint, if both the joint angular velocity and the joint torque are both positive, the joint angular velocity and the joint torque are both negative when the joint is operated in the folding direction.
만약 착용자가 관절을 펴는 방향으로 움직이다가 다시 접는 방향으로 전환하는 경우에는 그 순간 관절각속도는 양수라 하더라도 의도에 의해 관절토크는 음수로 전환되는 상황이 발생된다. 따라서, 관절각속도가 양수인 경우(S100)에서 관절토크가 음수인 임계값 Th1보다 작아진다면(S200) 방향을 전환하는 것으로 보아 의도보상(S400)을 수행하는 것이다. 마찬가지로, 관절각속도가 음수인 경우(S120)에 있어 관절토크가 양수인 임계값 Th2를 넘는다면(S300) 방향 전환으로 보아 의도보상(S400)을 수행하는 것이다.If the wearer moves in the direction of stretching the joint and then switching back to the folding direction, the joint torque is converted to a negative value by the intention even if the moment of the moment is positive. Therefore, if the joint angular velocity is a positive number (S100), if the joint torque becomes smaller than the negative threshold Th1 (S200), the intention compensation (S400) is performed. Likewise, if the joint angular velocity is negative (S120), the intention compensation (S400) is performed based on the directional change if the joint torque exceeds the positive threshold Th2 (S300).
이러한 의도보상단계에서는 의도 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어할 수 있다.In this intention compensation step, the driver can be controlled by deriving the intention compensation value through the following equation.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇의 관절 제어시스템에 따른 효과를 나타낸 그래프로서, 무릎형 보행보조 로봇을 착용하고 마찰보상, 동작의도 감지 알고리즘을 적용하지 않았을 때와 적용하였을 때에 대해, 정지상태에서부터 비슷한 주기로 반복적인 스윙동작을 하는 동안의 각각의 경우에 대한 관절 각속도 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing the effect of the joint control system of the wearing robot according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a graph showing the effect of the wear control robot when wearing a knee- , And a graph of joint angular velocity for each case during repeated swinging operations from a stopped state to a similar cycle.
그래프를 보면 먼저 알고리즘들을 적용하지 않았을 때에 비해 적용하였을 때가 보다 빠르게 높은 속도로 로봇을 움직이기 시작하는 것을 볼 수 있다. 또한 알고리즘들을 적용하지 않았을 때는 최대 각속도가 약 1.7rad/s였고 이와 비교하여 알고리즘들을 적용하였을 때는 5.5rad/s로 약 3.2배 정도 빠르게 움직일 수 있는 것을 확인하였다.
In the graph, it can be seen that the robot starts moving at a higher speed faster than when the algorithms are not applied first. Also, when the algorithms were not applied, the maximum angular velocity was about 1.7 rad / s and compared with 5.5 rad / s when the algorithms were applied.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 착용로봇의 관절 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 토크센서가 관절에 장착된 착용로봇에 있어서 토크센서를 이용하여 로봇 관절에서 발생하는 정지마찰력을 보상하기 위한 토크를 인가함으로써 정지상태에서 착용자가 로봇을 동작하는 순간의 부하를 저감시킬 수 있다.According to the joint control system and control method of the wearing robot having the above-described structure, the torque sensor is used to apply a torque for compensating the static frictional force generated in the robot joint in the wear robot mounted on the joint The load at the moment when the wearer operates the robot in the stopped state can be reduced.
또한, 운동 방향 전환과 같은 경우 착용자의 동작 의도를 빠르게 감지함으로써 로봇을 착용자의 의도에 맞게 빠르게 동작시키고 따라서 동작하는 동안 착용자가 느끼는 부하를 저감시킬 수 있다. In addition, in the case of switching the direction of motion, the robot can be quickly operated in accordance with the intention of the wearer by detecting the motion intention of the wearer quickly, and thus the load felt by the wearer during operation can be reduced.
그리고, 무릎뿐만 아니라 고관절, 발목 등의 1자유도의 착용식 로봇의 구동에 있어서도 동작 부하 저감 및 고반응을 위해 활용될 수 있다.
In addition, it can be utilized not only for the knee but also for the reduction of the working load and the high response in the driving of the wearing robot of the one degree of freedom such as the hip joint and the ankle.
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.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific 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 following claims It will be apparent to those of ordinary skill in the art.
100 : 구동부 200 : 각도센서
300 : 토크센서 400 : 제어부100: driving unit 200: angle sensor
300: torque sensor 400:
Claims (14)
각도센서를 통해 측정된 관절각의 변화를 통해 관절각속도를 산출하고, 관절각속도가 존재하지 않는 경우 구동부를 정지마찰력 보상값으로 제어하며, 관절각속도가 존재하는 경우 구동부를 운동마찰력 보상값으로 제어하고, 관절각속도의 방향이 전환되는 경우 구동부를 의도 보상값으로 제어하는 제어부;를 포함하며,
제어부는 관절각속도의 방향이 전환되는 경우, 전환된 방향으로의 관절토크의 크기에 따라 구동부를 의도 보상값으로 제어하며,
제어부는, 관절각속도가 0이고 토크센서에서 관절토크가 검출되는 경우 구동부를 정지마찰력 보상값으로 제어하며, 토크센서에서 검출되는 관절토크의 방향이 관절각속도의 방향과 반대방향이고 그 크기가 기준값을 넘어설 경우 구동부를 의도 보상값으로 제어하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 관절 제어시스템.A driving unit, an angle sensor, and a torque sensor provided at joints of the wearing robot; And
The angular velocity of the joint is calculated through the change of the joint angle measured by the angle sensor, the drive is controlled to the static frictional force compensation value when the angular velocity of the joint is not present, and the drive is controlled as the frictional force compensation value when the angular velocity exists And a control unit for controlling the driving unit to an intent compensation value when the direction of the angular velocity of the joint is changed,
When the direction of the joint angular velocity is changed, the control unit controls the driving unit to the intent compensation value according to the magnitude of the joint torque in the switched direction,
When the joint angular velocity is 0 and the joint torque is detected by the torque sensor, the control unit controls the drive unit as the static frictional force compensation value, and the direction of the joint torque detected by the torque sensor is opposite to the direction of the joint angular velocity, And controls the driving unit to be the intentional compensation value when the robot is overtaken.
제어부는 정지마찰력 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 관절 제어시스템.
Wherein the control unit controls the driving unit by deriving the static friction force compensation value through the following equation.
운동마찰력 보상값은 쿨롱마찰력 보상값과 점성마찰력 보상값으로 구성된 것을 특징으로 하는 착용로봇의 관절 제어시스템.The method according to claim 1,
Wherein the motion frictional force compensation value comprises a coulomb frictional force compensation value and a viscous frictional force compensation value.
제어부는 운동마찰력 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 관절 제어시스템.
Wherein the control unit controls the driving unit by deriving the motion frictional force compensation value through the following equation.
제어부는 의도 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 관절 제어시스템.
Wherein the control unit controls the driving unit by deriving the intent compensation value through the following equation.
각도센서를 통해 측정된 관절각의 변화를 통해 관절각속도를 산출하는 각속도산출단계;
관절각속도가 존재하지 않는 경우 구동부를 정지마찰력 보상값으로 제어하는 정지보상단계;
관절각속도가 존재하는 경우 구동부를 운동마찰력 보상값으로 제어하는 운동보상단계; 및
관절각속도의 방향이 전환되는 경우 구동부를 의도 보상값으로 제어하는 의도보상단계;를 포함하며,
정지보상단계에서는, 관절각속도가 0이고 토크센서에서 관절토크가 검출되는 경우 구동부를 정지마찰력 보상값으로 제어하며,
의도보상단계에서는 관절각속도의 방향이 전환되는 경우, 전환된 방향으로의 관절토크의 크기에 따라 구동부를 의도 보상값으로 제어하되, 토크센서에서 검출되는 관절토크의 방향이 관절각속도의 방향과 반대방향이고 그 크기가 기준값을 넘어설 경우 구동부를 의도 보상값으로 제어하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 관절 제어방법.A method of controlling a joint control system of a wearing robot according to claim 1,
An angular velocity calculating step of calculating a joint angular velocity through a change in joint angle measured through an angle sensor;
A stop compensating step of controlling the driving unit to a static frictional force compensation value when there is no joint angular velocity;
A motion compensating step of controlling the driving unit to a motion frictional force compensation value when the angular velocity of the joint exists; And
And an intention compensation step of controlling the driving unit to an intent compensation value when the direction of the angular velocity of the joint is changed,
In the stop compensation step, when the joint angular velocity is 0 and the joint torque is detected in the torque sensor, the drive unit is controlled as the static frictional force compensation value,
In the intention compensation step, when the direction of the joint angular velocity is changed, the drive unit is controlled to the intent compensation value according to the magnitude of the joint torque in the switched direction, and the direction of the joint torque detected by the torque sensor is opposite to the direction of the joint angular velocity And controlling the driving unit to be an intentional compensation value when the size exceeds a reference value.
정지보상단계에서는 정지마찰력 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 관절 제어방법.
Wherein the controller controls the driving unit by deriving the static frictional force compensation value through the following equation in the stop compensation step.
운동마찰력 보상값은 쿨롱마찰력 보상값과 점성마찰력 보상값으로 구성된 것을 특징으로 하는 착용로봇의 관절 제어방법.The method of claim 8,
Wherein the motion frictional force compensation value comprises a coulomb frictional force compensation value and a viscous frictional force compensation value.
운동보상단계에서는 운동마찰력 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 관절 제어방법.
And calculating a motion frictional force compensation value in the motion compensation step using the following equation to control the driving unit.
의도보상단계에서는 의도 보상값을 아래의 식을 통해 도출하여 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 관절 제어방법.
Wherein the intention compensation step derives the intention compensation value through the following equation to control the driving unit.
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