KR101712918B1

KR101712918B1 - 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법 및 착용형 외골격 로봇

Info

Publication number: KR101712918B1
Application number: KR1020140105954A
Authority: KR
Inventors: 김홍철; 차도완; 강대원; 오성남; 김갑일; 김수현
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2014-08-14
Filing date: 2014-08-14
Publication date: 2017-03-22
Also published as: KR20160020780A

Abstract

본 발명의 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법은 보행 시 발바닥에서 발생하는 상호작용 힘을 통하여 착용자의 첫 번째 피크지점을 나타내는 발뒤꿈치 충격힘과 두 번째 피크지점을 나타내는 밀어내기 충격힘 간 간격이 좁아지는 변화로 연속보행의도인식과 정지의도인식이 이루어지고, 이를 바탕으로 외골격 로봇(10)이 외골격 로봇 착용자를 추종함으로써 연속보행간 보행속도에 대한 가,감속 및 정지의도가 정확히 인식되고, 보행의지의 선행 또는 추종이 정확하게 구현되며, 특히 착용형 로봇 보행제어 및 보행분석 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 특징을 갖는다.

Description

상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법 및 착용형 외골격 로봇{Detection Method of continuous walking intention with interaction forces and Exoskeleton Robot therefor}

본 발명은 연속보행 인식에 관한 것으로, 특히 외골격 로봇 착용자의 연속보행간 보행속도에 대한 가,감속 및 정지 의도를 인식할 수 있는 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법 및 착용형 외골격 로봇에 관한 것이다.

일반적으로 외골격 로봇은 착용자의 보행의도를 인식하여 그 움직임을 선행 또는 추종할 수 있어야 한다. 그러므로, 외골격 로봇은 외골격 로봇과 착용자 사이에서 필수적으로 발생하는 상호작용 힘에 대한 정확한 인식을 핵심 기술로 한다.

이를 위해, 외골격 로봇에서는 다양한 방식으로 상호작용 힘을 검출하고, 이를 외골격 로봇의 움직임에 적용한다.

일례로, 착용자의 무릎관절 꺾임을 힘 센서로 검출하고, 이를 상호작용 힘과 연계시킴으로써 착용자의 보행 상태를 인식하고, 더 나아가 착용자의 움직임을 선행 또는 추종한다.

국내특허공개 10-2011-0002065(2011년01월06일)

하지만, 힘 센서를 이용한 상호작용 힘 검출 방식은 비교적 착용자의 큰 움직임에 기반함으로써 발바닥 움직임과 같이 착용자의 보행 의지를 알 수 있는 작은 움직임 변화에 취약하고, 이는 착용자의 보행 의지가 외골격 로봇에 의해 선행되거나 추종되지 못하는 결과로 나올 수밖에 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 외골격 로봇과 착용자 사이의 상호작용 힘이 발바닥의 수직 지면 반발력 특징을 통해 검출됨으로써 밀어내기 충격힘(Push-Off Impulse)의 시간에 따른 변화로 연속보행간 보행속도에 대한 가,감속 및 정지의도가 정확히 인식되고, 이를 외골격 로봇이 이용함으로써 착용자 보행의지의 선행 또는 추종이 정확하게 구현되는 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법 및 착용형 외골격 로봇의 제공에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법은 (A) 외골격 로봇의 착용자 보행 시 발바닥에서 발생하는 상호작용 힘을 통하여 상기 착용자의 보행이 Heel-Strike, 첫번째 피크 지점을 나타내는 발뒤꿈치 충격힘, 두번째 피크 지점을 나타내는 밀어내기 충격힘, Toe-Off로 구분되고, 상기 발뒤꿈치 충격힘과 상기 밀어내기 충격힘 간 간격이 좁아지는 변화로 상기 착용자의 연속보행 의도나 정지 의도가 인식되는 보행의지판단모드; (B) 상기 정지 의도 인식 시 상기 외골격 로봇에 토크중지명령을 출력하고, 상기 연속보행 의도 인식 시 상기 외골격 로봇에 토크생성명령을 출력하는 보행추종실행모드; (C) 상기 토크중지명령으로 상기 외골격 로봇의 동작이 멈추고, 상기 토크생성명령으로 상기 외골격 로봇의 동작이 이루어지는 보행협조모드; 가 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 (A)에서, 상기 발바닥에서 발생하는 상호작용 힘은 발뒤꿈치 충격힘(Heel-Strike Impulse)을 포함한다. 상기 (A)에서, 상기 밀어내기 충격힘(Push-Off Impulse)은 엄지발가락 힘 검출부와 발뒷꿈치 힘 검출부를 갖는 2 채널타입 FSR센서(Force Sensing Resistors Sensor)로 검출된다.

상기 (B)에서, 상기 연속보행 의도 인식은 가속의 연속보행 의도로 인식되어 설정된 가속의도게인(Gain)이 반영된 기준입력토크(Reference Torque)로 상기 토크생성명령이 출력되거나 감속의 연속보행 의도로 인식되어 설정된 감속의도게인(Gain)이 반영된 기준입력토크(Reference Torque)로 상기 토크생성명령이 출력된다.

삭제

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 착용형 외골격 로봇은 지면에 설치된 지지 프레임에 장착되고, 보행자의 양쪽 다리 움직임이 가능하게 착용되는 외골격 프레임; 상기 외골격 프레임의 무릎관절을 제어하는 좌,우 레그 액추에이터; 상기 보행자의 보행 시 엄지발가락 힘 검출부와 발뒷꿈치 힘 검출부로 발바닥에서 발생하는 상호작용 힘을 통하여 발뒤꿈치 충격힘과 밀어내기 충격힘이 검출되는 2 채널타입의 좌,우 FSR센서(Force Sensing Resistors Sensor); 상기 발뒤꿈치 충격힘과 상기 밀어내기 충격힘 간 간격이 좁아지는 변화로 상기 보행자의 연속보행상에서 가속, 감속 또는 정지하려고 하는 의도인식이 이루어지며, 연속보행의도인식에 따른 토크생성명령이나 정지 의도인식에 따른 토크중지명령이 상기 좌,우 레그 액추에이터로 출력되는 토크제어기; 가 포함된 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 발바닥의 수직 지면 반발력이 상호작용 힘으로 적용되고, 발뒤꿈치 충격힘과 밀어내기 충격힘 간 간격이 좁아지는 변화로 상기 보행자의 연속보행상에서 가속, 감속 또는 정지하려고 하는 의도인식을 판단함으로써 외골격 로봇에서 착용자 보행의지의 선행 또는 추종이 정확하게 구현될 수 있다.

또한, 본 발명의 상호작용 힘을 통한 선행 연속보행 의도 인식 기술은 인체의 보행 특징이 정확히 고려됨으로써 신체의 다양한 부위에서 측정되는 힘으로 연속보행 의도를 인식하는 다른 방법에 비해 보다 더 선행하여 보행의도가 외골격 로봇에서 인식될 수 있다.

도 1은 외골격 로봇 착용자의 연속 보행 시 본 발명에 따른 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법이 구현되는 블록 동작도이고, 도 2는 본 발명에 따른 FSR센서(Force Sensing Resistors Sensor)를 이용한 착용형 외골격 로봇 착용자의 지면반발력 형태도이며, 도 3은 본 발명에 따른 착용형 외골격 로봇 착용자의 연속보행 속도에 따른 상호작용 힘 측정값의 패턴이고, 도 4는 본 발명에 따른 지면반발력 측정에 사용되는 힘센서가 적용된 착용형 외골력 로봇이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 외골격 로봇 착용자의 연속 보행을 인식하는 본 실시예에 따른 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법의 블록 흐름도를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법은, S10과 같이 외골격 로봇 착용자의 발뒤꿈치 충격힘(Heel-Strike Impulse, 이하 HSI) 및 밀어내기 충격힘(Push-Off Impulse, 이하 POI)이 측정됨으로써 시작된다. 여기서, 상기 발뒤꿈치 충격힘과 상기 밀어내기 충격힘은 ‘N(뉴턴)’ 또는 ‘kgm/s²’의 단위로 표현되는 ‘힘(또는 충격힘)’을 의미한다

그러면, S20과 같이 연속보행 제어알고리즘에서는 HSL 및 POL을 이용해 보행자의 연속보행 의도 인식시 스텝 이니시에이션 명령(Step Initiation Command, 이하 SIC)을 출력하거나 보행자의 정지 의도 인식시 스텝 터미네이션 명령(Step Termination Command, 이하 STC)을 출력한다.

이어, S30과 같이 SIC에 의한 토크생성명령이나 또는 STC에 의한 토크중지명령이 발생된다. 이로 인해, S40과 같이 외골격 로봇 착용자는 외골격 로봇의 도음으로 보행을 계속 진행하거나 또는 보행을 중지한다.

이후, S10과 같이 외골격 로봇 착용자의 보행 변화는 FSR센서에 의해 검출됨으로써 S20의 연속보행 제어알고리즘과 S30의 토크명령 및 S40의 외골격 로봇 작동의 절차가 순환된다.

구체적으로, S10에서 검출해 적용하는 HSI및 POI의 근거는 도 2에 예시된 보행 시 수직 지면반발력 형태로부터 알 수 있다. 도시된 바와 같이, 보행자의 보행 시 패턴은 Heel-Strike 지점부터 첫번째 피크 지점인 Heel-Strkie Impulse, 그리고 두번째 피크 지점인 Push-Off Impulse, 마지막으로 Toe-Off 순으로 GRF 패턴이 바뀐다. 그러므로, 보행 인식기술인 GRF 패턴중 상기 Heel-Strkie Impulser와 상기 Push-Off Impulse 간 간격이 좁아지는 변화를 이용하여 연속보행상에서 가속, 감속 또는 정지하려고 하는 의도를 식별할 수 있다. 이를 위해, 본 실시예에서는 보행자의 발바닥에 있는 깔개(Insole) 타입의 FSR센서(Force Sensing Resistors Sensor)가 적용되고, 상기 FSR센서가 HSI 및 POI를 검출한다.

구체적으로, S20의 연속보행 제어알고리즘에서는 S21과 같이 HSI 및 POI로부터 보행자의 연속보행 의도나 또는 보행자의 정지 의도가 인식된다. S21에서 연속보행 의도가 인식되면, S22와 같이 연속보행 의도에 적합하게 선택된 게인(Gain)을 기준입력(Reference Torque)에 반영하는 게인 명령(Gain Command)을 출력하고, S25와 같이 게인 기준입력(Gain Reference Torque)에 적합한 SIC(Step Initiation Command)을 출력한다. 반면, S21에서 정지 의도가 인식되면, S23과 같이 종료 토크 명령(Termination Torque Command))을 출력하고, S25와 같이 STC(Step Termination Command)을 출력한다.

S20의 연속보행 제어알고리즘에서 구현되는 연속보행 의도 인식과 보행자의 정지 의도 인식에 대한 근거는 도 3의 연속보행 속도에 따른 상호작용 힘 측정값의 패턴을 통해 예시된다. 도시된 바와 같이, 수직 지면 반발력의 특징과 유사하게 발생하는 발바닥 지점에서의 상호작용 힘은 인간의 보행 특징과 유사한 모습을 나타낸다. 구체적으로. 인간의 보행에 있어 보행속도변화는 발뒤꿈치 충격힘(Heel-Strike Impulse)과 밀어내기 충격힘(Push-Off Impulse)의 변화를 가져온다. 그러므로 발뒤꿈치 충격힘과 밀어내기 충격힘 간(즉, 두 피크지점간) 간격이 좁아지는 정보를 이용함으로써 가속의 의도와 감속의 의도 및 정지의 의도가 판단될 수 있다. 그러므로, 상기 S22의 게인(Gain)은 가속 의도 게인, 감속의도 게인으로 구분된다.

구체적으로, S30의 토크명령은 토크제어기(Torque Controller)로 수행되며, 상기 토크제어기는 보행자가 착용한 외골격 로봇에 구비된다. 특히 상기 토크제어기에는 S20의 연속보행 제어알고리즘이 탑재될 수 있다.

구체적으로, S40의 외골격 로봇은 보행자가 착용함으로써 보행 훈련이나 보조시 착용자에게 도움을 주는 모든 종류의 외골격 로봇을 포함한다.

한편, 도 4는 본 발명의 연속보행 제어알고리즘이 탑재된 토크제어기를 갖춘 착용형 외골격 로봇의 예를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 착용형 외골격 로봇(10)은 지지 프레임(20), 외골격 프레임(30), 토크제어기로 제어되는 좌,우 레그 액추에이터(40-1,40-2), 좌,우 FSR센서(Force Sensing Resistors Sensor)(50-1,50-2)로 구성된다.

구체적으로, 상기 지지 프레임(20)은 지면에 수직하게 설치된다. 상기 외골격 프레임(30)은 보행자의 양쪽 다리부위에 착용해 정상적인 보행 움직임을 가능케 하는 외골격 로봇의 형상을 이루고, 지지 프레임(20)에 설치된다. 상기 좌,우 레그 액추에이터(40-1,40-2)는 토크제어기로 제어되고, 외골격 프레임(30)의 무릎관절을 제어한다.

상기 좌,우 FSR센서(50-1,50-2)는 외골격 프레임(30)의 아래쪽에서 바닥에 설치되고, 좌 FSR센서(50-1)와 우 FSR센서(50-2)의 간격은 외골격 프레임(30)을 착용한 보행자의 양 발 간격에 일치된다.

특히, 상기 좌,우 FSR센서(50-1,50-2)의 각각은 깔개(Insole)타입이고, 깔개에는 엄지발가락 힘 검출부(51)와 발뒷꿈치 힘 검출부(52)가 구비됨으로써 2 채널 FSR 보행시작 의도 인식 센서로 구현된다. 그러므로, 상기 좌,우 FSR센서(50-1,50-2)는 단순하게 2채널의 FSR 정보만으로 연속보행의 가감속 및 정지 의도를 인식할 있다. 또한, 상기 좌,우 FSR센서(50-1,50-2)에는 신호선(53)이 더 구비되고, 상기 신호선(53)은 엄지발가락 힘 검출부(51)와 발뒷꿈치 힘 검출부(52)의 신호를 검출해 토크제어기로 전송한다.

이와 같이, 상기 착용형 외골격 로봇(10)이 좌,우 FSR센서(50-1,50-2)와 연계되고, 상기 좌,우 FSR센서(50-1,50-2)가 좌,우 레그 액추에이터(40-1,40-2)를 제어하는 토크제어기와 연계되며, 상기 토크제어기가 연속보행 제어알고리즘으로 제어됨으로써 도 1에서 기술된 S10내지 S40의 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법이 구현된다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법은 보행 시 발바닥에서 발생하는 상호작용 힘을 통하여 착용자의 첫 번째 피크지점을 나타내는 발뒤꿈치 충격힘과 두 번째 피크지점을 나타내는 밀어내기 충격힘 간 간격이 좁아지는 변화로 연속보행의도인식과 정지의도인식이 이루어지고, 이를 바탕으로 착용형 외골격 로봇(10)이 외골격 로봇 착용자를 추종함으로써 연속보행간 보행속도에 대한 가,감속 및 정지의도가 정확히 인식되고, 특히 보행의지의 선행 또는 추종이 정확하게 구현된다.

10 : 착용형 외골격 로봇 20 :지지 프레임
30 : 외골격 프레임 40-1,40-2 : 좌,우 레그 액추에이터
50-1,50-2 : 좌,우 FSR센서(Force Sensing Resistors Sensor)
51 : 엄지발가락 힘 검출부
52 : 발뒷꿈치 힘 검출부 53 : 신호선

Claims

(A) 외골격 로봇의 착용자 보행 시 발바닥에서 발생하는 상호작용 힘을 통하여 밀어내기 충격힘(Push-Off Impulse)과 발뒤꿈치 충격힘(Heel-Strike Impulse)을 검출하고, 상기 착용자의 연속보행 의도나 정지 의도가 인식되는 보행의지판단모드;
(B) 상기 정지 의도 인식 시 상기 외골격 로봇에 토크중지명령을 출력하고, 상기 연속보행 의도 인식 시 상기 외골격 로봇에 토크생성명령을 출력하는 보행추종실행모드;
(C) 상기 토크중지명령으로 상기 외골격 로봇의 동작이 멈추고, 상기 토크생성명령으로 상기 외골격 로봇의 동작이 이루어지는 보행협조모드;가 수행되고,
상기 착용자의 보행은 Heel-Strike, 첫번째 피크 지점을 나타내는 상기 발뒤꿈치 충격힘, 두번째 피크 지점을 나타내는 상기 밀어내기 충격힘, Toe-Off로 구분되고, 상기 착용자의 연속보행상에서 가속, 감속 또는 정지하려고 하는 의도는 상기 발뒤꿈치 충격힘과 상기 밀어내기 충격힘 간 간격이 좁아지는 변화로 식별되는
것을 특징으로 하는 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 (A)에서, 상기 밀어내기 충격힘(Push-Off Impulse)은 엄지발가락 힘 검출부와 발뒷꿈치 힘 검출부를 갖는 2 채널타입 FSR센서(Force Sensing Resistors Sensor)로 검출되는 것을 특징으로 하는 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 가속 시 설정된 가속의도게인(Gain)이 반영된 기준입력토크(Reference Torque)로 상기 토크생성명령이 출력되는 것을 특징으로 하는 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법.
청구항 1에 있어서, 상기 감속 시 설정된 감속의도게인(Gain)이 반영된 기준입력토크(Reference Torque)로 상기 토크생성명령이 출력되는 것을 특징으로 하는 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법.
청구항 1에 있어서, 상기 정지 시 상기 토크중지명령이 출력되는 것을 특징으로 하는 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법.
지면에 설치된 지지 프레임에 장착되고, 보행자의 양쪽 다리 움직임이 가능하게 착용되는 외골격 프레임;
상기 외골격 프레임의 무릎관절을 제어하는 좌,우 레그 액추에이터;
상기 보행자의 보행 시 엄지발가락 힘 검출부와 발뒷꿈치 힘 검출부로 발바닥에서 발생하는 상호작용 힘을 통하여 밀어내기 충격힘(Push-Off Impulse)이 검출되는 2 채널타입의 좌,우 FSR센서(Force Sensing Resistors Sensor);
청구항 1과 청구항 3 및 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 의한 상호작용 힘을 통한 연속보행 인식방법으로 연속보행의도인식에 따른 토크생성명령이나 정지의도인식에 따른 토크중지명령이 상기 좌,우 레그 액추에이터로 출력되는 토크제어기;
가 포함된 것을 특징으로 하는 착용형 외골격 로봇.