KR101786105B1 - 착용로봇 제어방법 - Google Patents

Abstract

착용로봇의 끝단에 가상의 스프링-댐퍼 모델을 적용하고, 끝단에서 로봇의 동작에 필요한 최종힘을 자코비안 트랜스포즈를 통해 각 관절에서의 필요토크로 분배하되, 최종힘에 저항힘을 가산하여 필요토크로 분배함으로써 요구되는 로봇의 저항을 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 착용로봇 제어방법이 소개된다.

Description

착용로봇 제어방법 {METHOD FOR CONTROLLING WEARABLE ROBOT}

본 발명은 착용로봇을 다자유도의 방식으로 제어하되 착용자가 힘을 가하는 끝단부에 가변저항을 설정함으로써 최적의 운동 및 작업효과를 달성하기 위한 착용로봇 제어방법에 관한 것이다.

본 발명은 착용자의 의도에 따라 착용로봇이 동작하도록 제어하는 방법에 관한 것으로, 착용로봇은 인간의 몸에 착용되어 착용자의 동작의도 신호를 기반으로 액추에이터를 구동함으로써 상체의 근력을 지원 또는 증폭시켜 인간의 물리적인 작업 능력을 증대시키는 기능을 수행한다.

또한, 본 발명에서 제안한 제어방법은 착용로봇에 적용되어 착용자의 상체근력을 훈련할 수 있도록 하는 활용방법으로도 사용될 수 있다.

착용로봇의 구동 제어에 있어서 가장 핵심적인 기술은 착용로봇의 말단부가 착용자의 움직임을 정확하게 파악한 후 착용자의 동작의도를 신속하게 반영하여 착용로봇의 동작패턴을 생성하는 것이다.

기존의 로봇제어 방법은 주로 산업용 로봇에 관한 기술들로서, 주위의 환경들이 로봇에 어떠한 영향을 주더라도 로봇은 생성된 동작패턴을 정확하게 추종하도록 제어하므로, 상황에 맞게 착용자의 의도대로 동작하여야 하는 착용로봇을 구동하는 방법으로 사용하기에는 어려움이 있었다.

따라서, 착용식 로봇을 시시각각 변화되는 사용자의 의도를 정확히 반영하여 구동하기 위해서는 새로운 접근방법에 의한 제어로직이 필요하다. 본 발명의 착용로봇은 인간의 몸에 착용되어 착용자의 동작의도 신호를 기반으로 액추에이터를 구동함으로써 상체의 근력을 지원 또는 증폭시켜 인간의 물리적인 작업 능력을 증대시키는 것으로서, 종래에는 이러한 방식으로 착용로봇을 제어하고자 하는 시도를 찾아볼 수 없었다.

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, 착용자의 의도에 따라 착용로봇이 동작하도록 제어하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 착용로봇을 인간의 몸에 착용시켜 착용자의 동작의도 신호를 기반으로 액추에이터를 구동함으로써 사용자의 근력을 지원 또는 증폭시켜 인간의 물리적인 작업 능력을 증대시키는 기능을 수행하도록 하는 착용로봇의 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 착용로봇 제어방법은, 착용로봇의 끝단에 가상의 스프링-댐퍼 모델을 적용하고, 끝단에서 로봇의 동작에 필요한 최종힘을 자코비안 트랜스포즈를 통해 각 관절에서의 필요토크로 분배하되, 최종힘에 저항힘을 가산하여 필요토크로 분배함으로써 요구되는 로봇의 저항을 조절할 수 있도록 한다.

상기 분배되는 필요토크에는 중력에 의한 로봇의 처짐량을 부가하도록 할 수 있다.

상기 저항힘은 스프링 모델로 구현되어 탄성계수의 조절을 통해 로봇에 요구되는 저항을 변화시키도록 할 수 있다.

상기 착용로봇의 각 관절에도 가상의 스프링-댐퍼 모델을 적용하여 필요토크를 산출하도록 할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 착용로봇 제어방법은, 착용로봇의 끝단에 가상의 스프링-댐퍼 모델을 적용하는 모델링단계; 상기 착용로봇의 끝단에서 로봇의 동작에 필요한 최종힘을 자코비안 트랜스포즈를 통해 각 관절에서의 필요토크로 분배하는 분배단계; 및 로봇의 끝단에 필요한 저항힘을 자코비안 트랜스포즈를 통해 각 관절에서의 필요토크로 분배함으로써 요구되는 로봇의 저항을 조절하는 조절단계;를 포함한다.

상기 분배단계는 분배되는 필요토크에 중력에 의한 로봇의 처짐량을 부가하는 보상단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 조절단계는 저항힘을 스프링 모델로 구현하여 탄성계수의 조절을 통해 로봇에 요구되는 저항을 변화시키도록 할 수 있다.

상술한 바와 같은 착용로봇 제어방법에 따르면, 착용로봇이 상황에 맞게 착용자의 의도대로 동작하고, 다양한 부위의 근력을 강화하기 위한 다양한 운동기구들을 하나의 운동시스템으로 대체가 가능해진다.

또한, 일반인을 대상으로 하는 근력 강화 훈련 프로그램을 구동할 수 있고, 재활이 요구되는 사람들에게 재활 프로그램에 적합한 근력 강화 프로그램을 제공하며, 노화에 따른 근력 약화를 막기 위한 시스템으로 구동될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용로봇 제어방법이 적용된 착용로봇을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용로봇 제어방법을 설명하기 위한 모델링 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 착용로봇 제어방법에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용로봇 제어방법이 적용된 착용로봇을 나타낸 도면으로서, 착용로봇은 착용자(10)가 탑승하여 팔 또는 다리를 착용자(10)의 의도대로 움직이도록 하는 것이다. 이러한 착용로봇은 작업공간이나 운동기구 또는 재활기구로서 이용될 수 있다.

이를 위해 착용로봇에는 착용자(10)로부터 힘을 인가받는 끝단부(20)와 그 끝단부(20)를 구동하는 관절부(30)로 구성될 수 있다.

본 발명의 착용로봇 제어방법은, 착용로봇의 끝단(20)에 가상의 스프링-댐퍼 모델을 적용하고, 끝단(20)에서 로봇의 동작에 필요한 최종힘을 자코비안 트랜스포즈를 통해 각 관절(30)에서의 필요토크로 분배하되, 최종힘에 저항힘을 가산하여 필요토크로 분배함으로써 요구되는 로봇의 저항을 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

이는 도 2의 모델링 도면으로 이해될 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용로봇 제어방법을 설명하기 위한 모델링 도면으로서, 착용로봇은 복수의 관절과 그 관절을 통한 끝단부로 구성되는데, 끝단에서는 사용자의 가하는 힘을 측정하고 그에 따라 제어부에서 각 관절을 구동하여 끝단을 움직이도록 함으로써 로봇이 착용자의 의도를 추종하도록 한다.

이를 위해 착용로봇의 팔이나 다리의 끝단에 가상의 스프링-댐퍼 모델을 적용하고 끝단이 원하는 위치로 이동하기 위해 필요한 힘을 계산한 후, 이를 각각의 관절들마다 분배하여 제어함으로써 최종적으로 원하는 지점으로 로봇이 수렴하도록 한다.

또한, 상기 착용로봇의 각 관절에도 가상의 스프링-댐퍼 모델을 적용하여 관절에서 필요한 토크를 산출하는 것도 가능하다.

구체적으로, 하기의 식을 참고하여 설명하면 다음과 같다.

상기 식은 착용로봇을 다자유도의 방식으로 제어하는 개념을 나타내는 것으로서, 착용로봇 끝단에서 움직임시 필요한 가상의 힘을 F로 표현한 것이다(도 2의 모델링 도면 함께 참조). 이러한 F의 힘은 가상의 스프링-댐퍼 모델을 통해

와 같이 표현될 수 있다. 이는 다시 자코비안 트랜스포즈를 통해 각각의 관절마다 필요한 토크로 도출될 수 있다.

또한, 각 관절에는 각각 스프링-댐퍼 모델로 구현된 토크가 존재하고, 이를 끝단에서 분배된 토크와 가산되며, 더욱이 분배되는 필요토크에는 중력에 의한 로봇의 처짐량을 부가하도록 하여, 로봇이 안정적으로 원하는 위치로 이동할 수 있도록 하는 것이다.

한편, 이러한 착용로봇의 끝단에는 사용자의 힘에 비례하지 않도록 저항을 설정할 수도 있다. 그러한 저항은 운동기구에서 운동을 위한 저항으로 설정될 수 있으며, 작업공간에서 미세 작업을 위한 저항으로 설정될 수 있고, 재활훈련에서 특정 근육의 재활을 위한 저항으로도 설정이 가능하다. 또한, 그 저항은 로봇의 궤적에서 특정 지점마다 달리 부가될 필요도 있을 것이다.

이러한 다양한 방면의 저항을 구성하기 위해 저항힘을 가산하여 필요토크로 분배하는 것이다. 즉, 본 발명의 착용로봇 제어방법은 착용로봇의 끝단(20)에 가상의 스프링-댐퍼 모델을 적용하고, 끝단(20)에서 로봇의 동작에 필요한 최종힘을 자코비안 트랜스포즈를 통해 각 관절(30)에서의 필요토크로 분배하되, 최종힘에 저항힘을 가산하여 필요토크로 분배함으로써 요구되는 로봇의 저항을 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

이는 아래의 식으로 구체화될 수 있다.

상기 수학식은 저항힘을 부가한 경우를 나타낸 것으로서, 앞서 살핀 최종토크의 분배식에 저항힘인 FR을 부가한 것이다. 저항힘의 경우에는 상기와 같이 스프링 모델로 구현되어 탄성계수의 조절을 통해 로봇에 요구되는 저항을 변화시키는 것도 가능하다.

스프링 모델로 표현된 저항힘의 경우에는 자코비안 트랜스포즈를 통해 각 관절에서의 토크로 구현되고, 그 토크값들은 상기 필요토크와 결합되어 관절에 인가됨으로써 끝단부에서 필요한 저항이 관절에 모두 반영되어 실제 착용자가 어색하지 않고 자연스럽게 저항을 느끼도록 구현될 수 있는 것이다.

본 발명의 착용로봇 제어방법은 아래와 같이 구현될 수도 있다. 즉, 본 발명의 착용로봇 제어방법은, 착용로봇의 끝단(20)에 가상의 스프링-댐퍼 모델을 적용하는 모델링단계; 상기 착용로봇의 끝단(20)에서 로봇의 동작에 필요한 최종힘을 자코비안 트랜스포즈를 통해 각 관절(30)에서의 필요토크로 분배하는 분배단계; 및 로봇의 끝단(20)에 필요한 저항힘을 자코비안 트랜스포즈를 통해 각 관절(30)에서의 필요토크로 분배함으로써 요구되는 로봇의 저항을 조절하는 조절단계;를 포함한다.

또한, 상기 분배단계는 분배되는 필요토크에 중력에 의한 로봇의 처짐량을 부가하는 보상단계;를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 조절단계는 저항힘을 스프링 모델로 구현하여 탄성계수의 조절을 통해 로봇에 요구되는 저항을 변화시키도록 하는 것도 가능하다.

이와 같이 착용로봇의 제어방법이 구현된다면, 다양한 상황에 따라 자유스럽게 로봇의 저항 구현이 가능해지고, 또한 착용로봇이 상황에 맞게 착용자의 의도대로 동작하고, 다양한 부위의 근력을 강화하기 위한 다양한 운동기구들을 하나의 운동시스템으로 대체가 가능해진다.

또한, 일반인을 대상으로 하는 근력 강화 훈련 프로그램을 구동할 수 있고, 재활이 요구되는 사람들에게 재활 프로그램에 적합한 근력 강화 프로그램을 제공하며, 노화에 따른 근력 약화를 막기 위한 시스템으로 구동될 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.

10 : 착용자 20 : 끝단
30 : 관절

Claims (7)

1. 착용로봇의 끝단(20)에 가상의 스프링-댐퍼 모델을 적용하고, 끝단(20)에서 로봇의 동작에 필요한 최종힘을 자코비안 트랜스포즈를 통해 각 관절(30)에서의 필요토크로 분배하되, 최종힘에 가변 가능한 저항힘을 가산하여 각 관절(30)에서의 필요토크로 분배함으로써 요구되는 로봇의 각 관절(30)별 저항을 조절할 수 있으며,
   상기 저항힘은 스프링 모델로 구현되어 탄성계수의 조절을 통해 로봇에 요구되는 저항을 변화시키는 것을 특징으로 하는 착용로봇 제어방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 분배되는 필요토크에는 중력에 의한 로봇의 처짐량을 부가하는 것을 특징으로 하는 착용로봇 제어방법.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 착용로봇의 각 관절(30)에도 가상의 스프링-댐퍼 모델을 적용하여 필요토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 착용로봇 제어방법.
5. 착용로봇의 끝단(20)에 가상의 스프링-댐퍼 모델을 적용하는 모델링단계;
   상기 착용로봇의 끝단(20)에서 로봇의 동작에 필요한 최종힘을 자코비안 트랜스포즈를 통해 각 관절(30)에서의 필요토크로 분배하는 분배단계; 및
   로봇의 끝단(20)에 필요한 가변 가능한 저항힘을 자코비안 트랜스포즈를 통해 각 관절(30)에서의 필요토크로 분배함으로써 요구되는 로봇의 각 관절(30)별 저항을 조절하는 조절단계;를 포함하고,
   상기 조절단계는 저항힘을 스프링 모델로 구현하여 탄성계수의 조절을 통해 로봇에 요구되는 저항을 변화시키는 것을 특징으로 하는 착용로봇 제어방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 분배단계는 분배되는 필요토크에 중력에 의한 로봇의 처짐량을 부가하는 보상단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착용로봇 제어방법.
7. 삭제

Images