KR101684017B1 - 보행 보조 로봇 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

보행 보조 로봇 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 보행 보조 로봇 제어장치는 모터에 의해 회전하고, 양단에 서로 다른 방향의 나사선이 형성된 스크류; 스크류의 양단에 마련된 복수의 너트들; 너트들과 각각 와이어로 연결되고, 스크류와 너트들의 직선이동에 따라 회동하는 복수의 풀리들; 및 모터의 회전각과 스크류의 직선이동량에 기반하여 복수의 풀리들의 회전각과 회전속도를 산출하는 제어부;를 포함할 수 있다.

Description

보행 보조 로봇 제어장치 및 제어방법 {Apparatus and method for controlling of walking assistance robot}
본 발명은 직선 운동 기반 관절 연동형 보행 보조 로봇의 관절 위치를 파악하기 위한 보행 보조 로봇 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
종래에 발표된 착용식 로봇은 대부분 각 관절마다 인코더를 설치하여 관절의 위치 정보를 획득하도록 구성되었다.
하지만, 이 경우 모든 관절에 센서를 부착해야하기 때문에 로봇의 원가가 상승한다는 문제점이 있다. 또한, 관절의 길이가 길어짐에 따라 센서 무게에 따른 관성부하가 증가하여 구동기의 출력이 감소하는 문제점이 발생하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 직선 운동 기반 관절 연동형 보행 보조 로봇을 구현하되, 최소한의 센서를 이용하여 관절의 위치를 파악하고 그에 따라 모터를 제어가능한 보행 보조 로봇 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보행 보조 로봇 제어장치는 모터에 의해 회전하고, 양단에 서로 다른 방향의 나사선이 형성된 스크류; 상기 스크류의 양단에 마련된 복수의 너트들; 상기 너트들과 각각 와이어로 연결되고, 스크류와 너트들의 직선이동에 따라 회동하는 복수의 풀리들; 및 상기 모터의 회전각과 스크류의 직선이동량에 기반하여 상기 복수의 풀리들의 회전각과 회전속도를 산출하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 모터로부터 동력을 받아 회전하는 제1 기어; 및 상기 제1 기어에 의해 회전되되, 상기 스크류의 일측에 고정되어 직선이동이 가능하도록 마련된 제2 기어;를 더 포함할 수 있다.
상기 모터의 회전각을 센싱하는 홀센서; 및 상기 스크류의 직선이동량을 센싱하는 리니어 인코더;를 더 포함할 수 있다.
상기 홀센서 및 리니어 인코더는 보행자의 등 측을 지지하는 백플레이트에 내장된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 와이어의 이탈을 방지하는 와이어 가이드;를 더 포함할 수 있다.
상기 스크류와 복수의 너트들은 상기 풀리들이 지면에 고정되는지 여부에 따라 직선이동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 풀리들이 모두 지면에 고정된 경우, 복수의 너트들만이 직선이동하고, 상기 직선이동에 따라 복수의 풀리들이 회동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 풀리들 중 어느 하나가 지면에 고정된 경우, 고정되지 않은 풀리에 연결된 너트와 스크류가 고정된 풀리 측으로 직선이동하고, 상기 직선이동에 따라 고정되지 않은 풀리만 회동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제어부는 복수의 풀리들의 회전각과 회전속도에 기반하여 모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보행 보조 로봇 제어방법은 보행자에 의해 회전하는 모터의 회전각을 센싱하는 단계; 상기 센싱하는 단계 후, 스크류의 직선이동량을 센싱하는 단계; 상기 모터의 회전각과 스크류의 직선이동량에 기반하여 복수의 풀리들의 회전각과 회전속도를 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 모터의 회전각은 홀센서로 센싱하고, 상기 스크류의 직선이동량은 리니어 인코더로 센싱할 수 있다.
상기 복수의 풀리들의 회전각과 회전속도에 기반하여 모터의 구동을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 보행 보조 로봇 제어장치 및 제어방법에 따르면, 최소한의 센서를 이용하여 관절의 위치를 파악함으로써 원가를 절감할 수 있다.
또한, 센서들을 관절 위치가 아닌 백플레이트에 설치함으로써 관성 부하에 의한 모터 출력 감소현상을 방지할 수 있다.
또한, 센서의 위치가 집중되어 있으므로 전장의 구조가 단순화되어 조립성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 보조 로봇 제어장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 풀리가 고정된 경우 보행 보조 로봇 제어장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 풀리 중 어느 하나가 고정된 경우 보행 보조 로봇 제어장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 보조 로봇 제어방법을 도시한 순서도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 보행 보조 로봇 제어장치에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 보조 로봇 제어장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 풀리가 고정된 경우 보행 보조 로봇 제어장치를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 풀리 중 어느 하나가 고정된 경우 보행 보조 로봇 제어장치를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면 보행 보조 로봇 제어장치는 모터(110)에 의해 회전하고, 양단에 서로 다른 방향의 나사선이 형성된 스크류(120); 상기 스크류(120)의 양단에 마련된 복수의 너트들(130); 상기 너트들(130)과 각각 와이어(133)로 연결되고, 스크류(120)와 너트들(130)의 직선이동에 따라 회동하는 복수의 풀리들(140); 및 상기 모터(110)의 회전각과 스크류(120)의 직선이동량에 기반하여 상기 복수의 풀리들(140)의 회전각과 회전속도를 산출하는 제어부(미도시);를 포함할 수 있다.
상기 모터(110)로부터 동력을 받아 회전하는 제1 기어(113); 및 상기 제1 기어(113)에 의해 회전되되, 상기 스크류(120)의 일측에 고정되어 직선이동이 가능하도록 마련된 제2 기어(115)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 사용자가 보행 보조 로봇을 착용한 후 동작하게 되면 모터(110)가 외부의 힘에 의해 회전하게 되는데, 모터(110)의 회전력이 제1 기어(113)와 제2 기어(115)를 통해 스크류(120)와 복수의 너트들(130)을 회전시키고, 이는 사용자의 동작에 따라 스크류(120)와 복수의 너트들(130)을 직선이동시킨다. 이러한 스크류(120)와 너트들(130)의 직선운동에 기반하여 너트들(130)이 복수의 풀리들(140)에 구비된 와이어(133)를 인출시킴으로써 풀리들(140)을 회전시킬 수 있다.
이때, 스크류(120)는 제2 기어(115)와 고정되어 있으며 제1 기어(113)를 통해 회전하며 구속되어 있지 않아 직선이동이 가능하다. 복수의 너트들(130)도 스크류(120)의 양단에 체결되어 있지만 구속되어 있지 않아 회전시 직선이동이 가능하다. 또한, 스크류(120)의 양단은 서로 다른 방향의 나사선이 형성됨으로 스크류(120)의 회전에 따라 양단에 체결된 복수의 너트들(130)의 거리가 좁아지거나 넓어지도록 직선이동할 수 있다.
제어부는 이때 회전된 풀리들(140)의 회전각과 회전속도를 산출함으로써 사용자가 보행 시 작용하는 힘과 동작을 판별할 수 있고, 이에 따라 모터(110)를 구동제어함으로써 사용자의 보행을 효과적으로 보조해줄 수 있다.
여기서, 모터(110)의 회전각을 센싱하는 홀센서; 및 상기 스크류(120)의 직선이동량을 센싱하는 리니어 인코더(150)를 더 포함할 수 있다. 홀센서는 모터(110) 내부에 포함되어 마련될 수 있다.
이때, 홀센서 및 리니어 인코더(150)는 보행자의 등 측을 지지하는 백플레이트(170)에 내장된 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 홀센서를 포함한 모터(110), 제1 기어(113), 제2 기어(115), 스크류(120), 복수의 너트들(130)과 리니어 인코더(150)가 백플레이트(170)에 내장될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면 관절 위치마다 센서들을 적용하지 않아도 되는바, 관성부하에 의한 모터 출력 감소를 방지할 수 있으며, 센서 위치가 집중되어 있어 전장을 단순화할 수 있다.
제어부는 홀센서와 리니어 인코더(150)의 센싱값을 이용하여 다음과 같은 식으로 복수의 풀리들(140)의 회전각을 구할 수 있다.
Figure 112016051657971-pat00018
상기 수학식 1에서, Θj는 풀리들의 회전각이고, Θj0는 풀리들의 초기 회전각이다. 또한, ΔΘj는 스크류(120), 너트(130)의 직선 이동에 따라 와이어(133)가 이동함에 의해 발생하는 풀리(140)의 회전각 변동량을 나타낸다. 여기서, 와이어(133)는 풀리(140)의 원주에 해당하는 위치에서 풀리(140)와 접촉하면서 풀리(140)를 회전시키는 것으로 한다.
따라서, 와이어의 이동량(Δdn)은 풀리(140)의 회전각 변동에 대응되는 풀리(140) 원주 상의 호의 길이에 대응되며, 와이어의 이동량(Δdn)은 풀리의 반경(Dp)와 풀리(140)의 회전각 변동(ΔΘj)의 곱으로 표현될 수 있다. 따라서, 풀리의 회전각 변동량은 다음의 수학식 2와 같이 나타난다.
Figure 112016051657971-pat00019
또한, 와이어의 이동량(Δdn)은 리니어 인코더(150)에서 검출된 스크류(120)의 직선이동량(ΔPs)과 너트(130)의 이동량의 합이 될 수 있다. 여기서, 너트(130)의 이동량은 모터의 회전각(ΔΘm)과 스크류(120)의 리드(l)로서 표현될 수 있다. 와이어의 이동량(Δdn)은 하기 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016051657971-pat00020
상기 수학식 3에서는 모터(110)의 회전을 스크류(120)로 전달하는 제1 기어(113)과 제2 기어(115)의 기어비를 1:1로 설정한 예를 나타낸 것으로, 기어비가 달라지는 경우 이를 적절하게 반영할 수 있다.
상기 수학식 2와 수학식 3을 수학식 1에 대입하면 다음의 수학식 4가 도출된다.
Figure 112016051657971-pat00021
상기 수학식 4와 같이 풀리들(140)의 회전각(Θj)을 구할 수 있다. 풀리들(140)의 회전속도는 이 값을 시간으로 미분함으로써 얻을 수 있다.
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상기 와이어(133)의 이탈을 방지하는 와이어 가이드(160)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 와이어(133)가 이탈하거나 변형하는 현상을 방지하여 본 발명의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 스크류(120)와 복수의 너트들(130)은 상기 풀리들(140)이 지면에 고정되는지 여부에 따라 직선이동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
먼저, 풀리들(140)이 모두 지면에 고정된 경우, 복수의 너트들(130)만이 직선이동하고, 상기 직선이동에 따라 복수의 풀리들(140)이 회동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
예를 들어, 도 2의 (a)와 같이 풀리들(140)이 모두 지면에 고정된 상태에서 보행자가 쪼그리고 앉는 동작을 수행할 경우, 도 2의 (b)를 참조하면 모터(110) 회전으로 스크류(120)가 회전하지만 풀리들(140)의 양단이 지면에 고정되어 있기 때문에 직선이동은 하지 않는다. 이에 따라 복수의 너트들(130)은 스크류(120)에 회전에 의해 중심 측으로 직선이동하게 되고 와이어(133)를 인출함으로써 복수의 풀리들(140)을 회동시킨다. 이때 제어부가 풀리들(140)의 회전각과 회전속도를 홀센서와 리니어 인코더(150)를 이용하여 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.
Figure 112016051657971-pat00022
Figure 112016051657971-pat00023

상기 수학식 5와 같이 풀리들(140)의 회전각을 산출할 수 있다. 회전속도는 위의 식을 시간으로 미분하면 구할 수 있다.
반면, 풀리들(140) 중 어느 하나가 지면에 고정된 경우, 고정되지 않은 풀리(140)에 연결된 너트(130)와 스크류(120)가 고정된 풀리(140) 측으로 직선이동하고, 상기 직선이동에 따라 고정되지 않은 풀리(140)만 회동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
예를 들어, 도 3의 (a)와 같이 풀리들(140) 중 어느 하나만 지면에 고정된 상태에서 보행자가 걷는 동작을 수행할 경우, 도 3의 (b)를 참조하면 모터(110) 회전으로 스크류(120)가 회전하는데 고정된 풀리(140) 측의 너트(130)가 고정되기 때문에 제2 기어(115)와 스크류(120)가 고정된 풀리(140)측으로 직선이동하게 된다. 또한, 고정되지 않은 풀리(140) 측의 너트(130)는 스크류(120)에 회전에 의해 고정된 풀리(140)측으로 함께 직선이동한다. 이에 따라 스크류(120)와 너트(130)의 직선이동으로 인해 고정되지 않은 풀리(140) 측의 와이어(133)를 인출함으로써 고정되지 않은 풀리(140)만을 회동시킨다. 이때 제어부가 회동하는 풀리(140)의 회전각과 회전속도를 홀센서와 리니어 인코더(150)를 이용하여 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.
수학식 1에 기반하면, 좌측의 회동하는 풀리의 회전각은 다음 식과 같다.
Figure 112016051657971-pat00024
우측의 고정된 풀리의 회전각은 "ΘjR=Θj0R"로 산출할 수 있다. 풀리들(140)의 회전속도는 위의 식을 시간에 따라 미분하면 구할 수 있다.
상기 제어부는 복수의 풀리들(140)의 회전각과 회전속도에 기반하여 모터(110)의 구동을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 제어부는 복수의 풀리들(140)에 회전이 감지되면 풀리들(140)에 파워 어시스트가 필요한 상황으로 판단하고, 산출된 복수의 풀리들(140)의 회전각과 회전속도에 기반하여 어시스트량을 제어함으로써 원활하게 사용자의 보행을 보조할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 보행 보조 로봇 제어방법에 대하여 살펴본다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 보조 로봇 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 보행 보조 로봇 제어방법은 보행자에 의해 회전하는 모터의 회전각을 센싱하는 단계(S400); 상기 센싱하는 단계(S400) 후, 스크류의 직선이동량을 센싱하는 단계(S410); 상기 모터의 회전각과 스크류의 직선이동량에 기반하여 복수의 풀리들의 회전각과 회전속도를 산출하는 단계(S420); 상기 복수의 풀리들의 회전각과 회전속도에 기반하여 모터의 구동을 제어하는 단계(S430);를 포함할 수 있다. 상기 모터의 회전각은 홀센서로 센싱하고, 상기 스크류의 직선이동량은 리니어 인코더로 센싱할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 보행 보조 로봇 제어장치 및 제어방법에 따르면, 최소한의 센서를 이용하여 관절의 위치를 파악함으로써 원가를 절감할 수 있다.
또한, 센서들을 관절 위치가 아닌 백플레이트에 설치함으로써 관성 부하에 의한 모터 출력 감소현상을 방지할 수 있다.
또한, 센서의 위치가 집중되어 있으므로 전장의 구조가 단순화되어 조립성이 향상될 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.
110: 모터(홀센서) 113: 제1 기어
115: 제2 기어 120: 스크류
130: 복수의 너트들 133: 와이어
140: 복수의 풀리들 150: 리니어 인코더
160: 와이어 가이드 170: 백플레이트

Claims (12)

  1. 모터에 의해 회전하고, 양단에 서로 다른 방향의 나사선이 형성된 스크류;
    상기 스크류의 양단에 마련된 복수의 너트들;
    상기 너트들과 각각 와이어로 연결되고, 스크류와 너트들의 직선이동에 따라 상기 와이어에 의해 회동하는 복수의 풀리들; 및
    상기 모터의 회전각과 스크류의 직선이동량에 기반하여 상기 복수의 풀리들의 회전각과 회전속도를 산출하는 제어부;를 포함하며,
    상기 스크류와 복수의 너트들은 상기 풀리들에 연결된 로봇 하지에 대응되는 로봇 착용자 하지가 지면에 의해 지지되는지 여부에 따라 직선이동하며,
    상기 풀리들에 연결된 로봇 하지에 대응되는 로봇 착용자 하지가 모두 지면에 지지된 경우, 복수의 너트들만이 직선이동하고, 상기 직선이동에 따라 복수의 풀리들이 회동하며,
    상기 풀리들 중 어느 하나에 연결된 로봇 하지에 대응되는 로봇 착용자 하지가 지면에 지지된 경우, 지면에 지지되지 않은 하지에 대응되는 풀리에 연결된 너트와 스크류가 고정된 풀리 측으로 직선이동하고, 상기 직선이동에 따라 지면에 지지되지 않은 하지에 대응되는 풀리만 회동하는 것을 특징으로 하는
    보행 보조 로봇 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모터로부터 동력을 받아 회전하는 제1 기어; 및
    상기 제1 기어에 의해 회전되되, 상기 스크류의 일측에 고정되어 직선이동이 가능하도록 마련된 제2 기어;를 더 포함하는,
    보행 보조 로봇 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모터의 회전각을 센싱하는 홀센서; 및
    상기 스크류의 직선이동량을 센싱하는 리니어 인코더;를 더 포함하는,
    보행 보조 로봇 제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 홀센서 및 리니어 인코더는 보행자의 등 측을 지지하는 백플레이트에 내장된 것을 특징으로 하는,
    보행 보조 로봇 제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 와이어의 이탈을 방지하는 와이어 가이드;를 더 포함하는,
    보행 보조 로봇 제어장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 복수의 풀리들의 회전각과 회전속도에 기반하여 모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는,
    보행 보조 로봇 제어장치.
  10. 보행자에 의해 회전하는 모터의 회전각을 센싱하는 단계;
    상기 센싱하는 단계 후, 모터에 의해 회전하고, 양단에 서로 다른 방향의 나사선이 형성된 스크류의 직선이동량을 센싱하는 단계;
    상기 스크류의 양단에 마련된 복수의 너트들과 각각 와이어로 연결되고 스크류와 너트들의 직선이동에 따라 상기 와이어에 의해 회동하는 복수의 풀리들의 회전각과 회전속도를, 상기 모터의 회전각과 스크류의 직선이동량에 기반하여 산출하는 단계를 포함하며,
    상기 스크류와 복수의 너트들은 상기 풀리들에 연결된 로봇 하지에 대응되는 로봇 착용자 하지가 지면에 의해 지지되는지 여부에 따라 직선이동하며,
    상기 풀리들에 연결된 로봇 하지에 대응되는 로봇 착용자 하지가 모두 지면에 지지된 경우, 복수의 너트들만이 직선이동하고, 상기 직선이동에 따라 복수의 풀리들이 회동하며,
    상기 풀리들 중 어느 하나에 연결된 로봇 하지에 대응되는 로봇 착용자 하지가 지면에 지지된 경우, 지면에 지지되지 않은 하지에 대응되는 풀리에 연결된 너트와 스크류가 고정된 풀리 측으로 직선이동하고, 상기 직선이동에 따라 지면에 지지되지 않은 하지에 대응되는 풀리만 회동하는 것을 특징으로 하는
    보행 보조 로봇 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 모터의 회전각은 홀센서로 센싱하고,
    상기 스크류의 직선이동량은 리니어 인코더로 센싱하는,
    보행 보조 로봇 제어방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 풀리들의 회전각과 회전속도에 기반하여 모터의 구동을 제어하는 단계;를 더 포함하는,
    보행 보조 로봇 제어방법.
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