KR101787879B1

KR101787879B1 - 착용형 로봇의 제어를 위한 zmp 기반 보행궤적 생성 방법 및 보행 궤적 생성 시스템의 제어 방법

Info

Publication number: KR101787879B1
Application number: KR1020160033574A
Authority: KR
Inventors: 신영준; 김홍철; 이상훈
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2016-03-21
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2017-10-19
Also published as: KR20170109438A

Abstract

제안기술은 착용형 로봇의 제어를 위한 ZMP 기반 보행궤적 생성 알고리즘 및 그 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 착용형 로봇과 착용자의 간의 ZMP를 일치시킴으로써 착용형 로봇과 착용자의 자세 불일치로부터 전달되는 저항감을 경감시키고 동적 자세를 일치시켜줄 수 있는 보행궤적 생성 알고리즘 및 그 시스템에 관한 발명이다.

Description

착용형 로봇의 제어를 위한 ZMP 기반 보행궤적 생성 방법 및 보행 궤적 생성 시스템의 제어 방법{Method of ZMP-based gait trajectory generation for control of wearable robot and control method of gait trajectory generation system}

제안기술은 착용형 로봇의 제어를 위한 ZMP 기반 보행궤적 생성 방법 및 보행 궤적 생성 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 착용형 로봇과 착용자의 간의 ZMP(Zero Moment Point)를 일치시킴으로써 착용형 로봇과 착용자의 동적 자세를 일치시켜 자세 불일치로부터 전달되는 저항감을 경감시켜줄 수 있는 보행궤적 생성 방법 및 보행 궤적 생성 시스템의 제어 방법에 관한 발명이다.

일반적으로 착용형 로봇은 착용자의 근력을 보조해주거나 지원해주는 시스템으로, 재활 및 의료용, 군사용, 산업근로자용 등 다양한 분야로의 활용이 기대된다.

이 시스템은 착용자의 운동 의도를 정확하게 파악하여 로봇이 착용자에게 저항감을 주지 않고 근력을 지원해주는 기술이 궁극적인 목표이나, 현재 개발된 대부분의 시스템은 보행 등 착용자가 움직일 때 착용자가 느끼게 되는 저항감이 상당하다. 이로 인해 실제 착용자가 로봇으로부터 근력을 보조 또는 지원 받기보다는 저항으로 인한 소비 에너지가 더 크다는 연구 결과가 발표된 바 있다.

종래의 착용형 로봇은 운동의 범위가 넓은 시상면(Sagittal plane)의 운동만을 고려한 운동의도 추정이 활용되었고 나머지 부분에 대해서는 무시되었는데, 실제 착용형 로봇을 입고 보행을 하게 되면 착용형 로봇과 착용자 간의 관상면(Coronal plane)의 운동이 불일치하여 발생하는 저항감이 상당하다.

이러한 착용자가 느끼는 저항감은 주로 착용자 운동 의도의 부정확성, 의도추정지연 등의 원인으로 발생된다. 운동 의도는 주로 근전도나 뇌전도 등과 같은 생체신호 또는 관절센서나 힘센서 등과 같은 운동센서를 통해 추정하게 된다.

하지만 생체신호는 신호의 노이즈가 커 정확한 의도 추출이 어렵고, 운동 센서의 경우 운동이 일어난 이후에 측정되므로 운동의도 추정의 시간지연이 필연적으로 발생되어 결국 착용자에게 그만큼의 저항감이 전달되는 문제가 있다.

따라서, 착용형 로봇이 착용자에게 실질적인 근력 지원 또는 보조를 할 수 있도록 하는 방안이 필요하다.

한국 공개특허공보 제10-2012-0061631호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 착용형 로봇과 착용자의 간의 ZMP를 일치시킴으로써 착용형 로봇과 착용자의 동적 자세를 일치시키게 되어 자세 불일치로부터 전달되는 저항감을 경감시켜줄 수 있는 보행궤적 생성 방법 및 그 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

착용자의 하지와 대응되는 각 관절에 피치방향 운동을 위한 구동력을 제공하여 착용자의 보행을 보조하는 한 쌍의 외골격다리와 상기 외골격다리 상측에 결합되는 보행바디를 포함하는 착용형 로봇;

상기 착용자의 상체와 하체에 각각 부착되어 착용자의 운동 상태를 측정하는 착용자 운동 센서;

상기 보행바디에 부착되어 상기 보행바디의 운동 상태를 측정하는 착용형 로봇 운동 센서;

상기 착용형 로봇의 엉덩 관절 부분에 장착되는 엉덩 구동기;

상기 착용형 로봇의 무릎 관절 부분에 장착되는 무릎 구동기;

상기 착용형 로봇의 발목 관절 부분에 장착되는 발목 관절각 센서;

상기 착용형 로봇의 양 쪽 발바닥 부분에 장착되어 지면의 반발력을 측정하는 GRF 센서를 포함하는 착용형 로봇의 제어를 위한 ZMP 기반 보행궤적 생성 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은

착용형 로봇과 상기 착용형 로봇을 착용한 착용자에 장착된 센서에서 상기 착용형 로봇의 ZMP(Zero Moment Point)와 상기 착용자의 ZMP(Zero Moment Point)를 측정하고,

상기 착용형 로봇의 ZMP와 상기 착용자의 ZMP 사이의 거리가 항상 일정하게 유지되도록 상기 착용형 로봇의 보행궤적을 생성하는 착용형 로봇의 제어를 위한 ZMP 기반 보행궤적 생성 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은

상기 착용형 로봇의 ZMP와 상기 착용자의 ZMP가 지지다각형 영역 내에 있는지 판단하여 상기 착용자의 자세 안정성을 판별하는 보행궤적 생성 시스템 제어 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 착용형 로봇과 착용자의 간의 ZMP를 일치시킴으로써 착용형 로봇과 착용자의 동적 자세를 일치시키게 되어 자세 불일치로부터 전달되는 저항감을 경감시켜줄 수 있는 효과가 있다.

또한, 저항감의 경감을 통해 착용자의 자세 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 착용형 로봇 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 ZMP 기반의 보행궤적 생성 개략도.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 착용형 로봇과 착용자 사이의 ZMP(Zero Moment Point)를 일치시킴으로써 착용형 로봇과 착용자의 동적 자세를 일치시켜 종래의 착용형 로봇과 착용자 사이의 자세 불일치로부터 전달되던 저항감을 경감시킬 수 있는 보행궤적 생성 방법 및 그 시스템에 관한 발명이다.

도 1은 본 발명에 따른 착용형 로봇 시스템의 구성도를 도시하고 있고, 도 2는 본 발명에 따른 ZMP 기반의 보행궤적 생성 개략도를 도시하고 있다.

본 발명의 착용형 로봇(2)은 착용자(8)의 하지와 대응되는 각 관절에 피치방향 운동을 위한 구동력을 제공하여 착용자(8)의 보행을 보조하는 한 쌍의 외골격다리(4)와 상기 외골격다리(4) 상측에 결합되어 보행의 중심이 되는 보행바디(6)를 포함하여 구성된다.

상기 착용자(8)의 상체와 하체에는 착용자(8)의 자세 및 운동 상태를 측정하는 착용자 상체 운동 센서(10)와 착용자 하체 운동 센서(12)가 각각 부착되어 있고, 상기 보행바디(6)에는 상기 착용형 로봇(2)의 보행 속도와 상체 자세 및 운동 상태를 측정하는 착용형 로봇 운동 센서(14)가 부착되어 상기 착용형 로봇(2)과 상기 착용형 로봇(2)을 착용한 착용자(8)의 운동 상태를 측정하게 된다.

상기 착용자 운동 센서(10, 12)와 상기 착용형 로봇 운동 센서(14)는 관성센서(IMU, Inertia Measurement Unit)를 사용할 수 있다.

상기 착용형 로봇(2)의 관절은 크게 엉덩 관절, 무릎 관절, 발목 관절로 나누어지며, 상기 착용형 로봇(2)의 발목 관절 부분은 3자유도(roll, pitch, yaw)를 구현하게 되고, 상기 착용형 로봇의 엉덩 관절 부분은 2자유도(roll, pitch)를 구현하게 되며, 상기 착용형 로봇의 무릎 관절 부분은 1자유도(pitch)를 구현하게 된다. 이를 측정하기 위해 상기 착용형 로봇(2)의 각 관절에는 다수 개의 센서가 장착되어진다.

먼저, 상기 착용형 로봇(2)의 엉덩 관절 부분에는 엉덩 구동기(16)가 장착된다. 상기 착용형 로봇(2)의 엉덩 관절 부분에는 엉덩 관절각 피치(pitch)센서(20)와 엉덩 힘센서(22)가 장착되어 상기 착용형 로봇(2) 엉덩 관절 부분의 피치(pitch)방향 관절각과 상기 착용형 로봇(2) 엉덩 관절 부분의 관절 토크를 측정하게 된다.

또한, 상기 보행바디(6)에는 상기 착용형 로봇 운동 센서(14)를 기준으로 대칭되는 양측에 상기 착용형 로봇(2) 엉덩 관절 부분의 롤(roll)방향 관절각 측정을 위한 엉덩 관절각 롤(roll)센서(18)가 장착된다.

상기 착용형 로봇(2)의 무릎 관절 부분에는 무릎 구동기(24)가 장착된다. 상기 착용형 로봇(2)의 무릎 관절 부분에는 무릎 관절각 피치(pitch)센서(26)와 무릎 힘센서(28)가 장착되어 상기 착용형 로봇(2) 무릎 관절 부분의 피치방향 관절각과 상기 착용형 로봇 (2)무릎 관절 부분의 관절 토크를 측정하게 된다.

상기 착용형 로봇(2)의 발목 관절 부분에는 발목 관절각 센서(30)가 장착되어 상기 착용형 로봇(2) 발목 관절 부분의 3자유도를 구현하게 된다.

상기 착용형 로봇(2)의 양 쪽 발바닥 부분에는 GRF 센서(32)가 장착되어 착용형 로봇(2) 및 착용자(8)의 지면 반발력을 측정하는 된다.

상기에서 설명한 구성을 포함하는 센서 시스템을 이용하여 상기 착용형 로봇(2)과 상기 착용자(8)의 ZMP(Zero Moment Point)를 측정하게 된다.

상기 착용형 로봇(2)의 경우 등짐(34)의 하중으로 인해 상기 착용형 로봇(2)의 등 쪽으로 무게가 집중되기 때문에 착용자(8)가 안정적인 보행을 하기 위해서는 상기 착용형 로봇(2)을 착용하지 않았을 때와는 다른 보행 자세를 취해야 하며, 상기 착용형 로봇(2)의 시스템이나 하중 조건에 따라 안정적인 자세가 불가능해 질 수도 있다.

상기 착용자(8)의 자세가 불안정한 경우, 일반적으로 상기 착용형 로봇(2)의 ZMP와 상기 착용자(8)의 ZMP가 서로 다른 곳에 위치하고 있기 때문에, 상기 착용형 로봇(2)의 ZMP와 상기 착용자(8)의 ZMP를 일치시켜 상기 착용형 로봇(2)과 상기 착용자(8)의 ZMP가 항상 일정거리 유지되도록 한다면 상기 착용형 로봇(2)과 상기 착용자(8)의 동적 자세가 일치되어 안정적인 자세로 보행이 가능해진다.

따라서, 상기 착용형 로봇(2)과 상기 착용자(8)의 ZMP가 항상 일정거리를 유지하기 위해서는 다음의 식과 같은 조건을 충족시켜야 한다.

여기서,

은 착용형 로봇(2)의 ZMP이고,

는 착용자(8)의 ZMP이며,

는 상수이다.

즉, 상기 센서 시스템을 이용하여 측정된 상기 착용형 로봇(2)의 ZMP와 상기 착용자(8)의 ZMP 사이의 거리를 상기의 식을 이용하여 비교하고, 상기 착용형 로봇(2)의 ZMP와 상기 착용자(8)의 ZMP 사이의 거리가 항상 일정하게 유지되도록 상기 착용형 로봇(2)의 보행궤적을 생성하는 것이다.

상기 착용형 로봇(2)의 보행궤적은 구동기(16, 24)가 장착된 관절에 대해 수행되는 것으로, 엉덩 관절과 무릎 관절에서 보행궤적을 생성하게 된다.

상기 착용형 로봇(2)의 ZMP와 상기 착용자(8)의 ZMP 사이의 거리가 일정하게 유지되도록 하는 상기 착용형 로봇(2)의 보행궤적 생성 방법에는 다양한 방법이 사용될 수 있지만, 본 발명의 일실시 예에서는 구동기(16, 24)가 장착된 관절의 굽힘 정도를 조절하여 상기 착용형 로봇(2)의 ZMP를 조절함으로써 상기 착용형 로봇(2)의 보행궤적을 생성하는 방법에 대해 설명한다.

먼저, 구동기(16, 24)가 장착된 엉덩 관절 또는 무릎 관절의 굽힘 정도를 조절하고, 굽힘 정도에 따른 보행궤적을 해당 관절의 굽힘 정도 조절 전 보행궤적에 반영하면 굽힘 정도에 따른 관절의 보행궤적을 생성할 수 있다.

굽힘 정도가 반영된 상기 착용형 로봇(2)의 보행 궤적은 다음 식에 의해 산출된다.

여기서,

,

이 되며,

는 관절각 벡터,

는 보행주파수,

,

및

는 상수이다.

즉, 상기 착용형 로봇(2)의 ZMP와 상기 착용자(8)의 ZMP 사이의 거리 비교 식을 이용하여 상기 착용형 로봇(2)과 상기 착용자(8)의 ZMP를 비교하고, 상기 착용형 로봇(2)의 보행궤적을 산출하는 식을 이용하여 상기 착용형 로봇(2)과 상기 착용자(8)의 ZMP가 항상 일정 거리를 유지할 수 있는 상기 착용형 로봇(2)의 엉덩 관절 및 무릎 관절의 보행궤적을 생성하는 것이다.

생성된 보행궤적을 기준으로 하여 상기 착용형 로봇(2)을 착용한 착용자(8)의 보행 시 각 관절에서 실제로 진행되는 보행궤적이 상기에서 생성된 보행궤적과 일치하도록 상기 착용형 로봇(2)의 엉덩/무릎 관절을 스프링, 댐퍼의 기계적 임피던스 특성을 가지도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 착용형 로봇(2)의 ZMP와 상기 착용자(8)의 ZMP가 지면에 닿아있는 발에 의해 생기는 지지다각형(Support Polygon) 영역 내에 위치한다고 확인되면 상기 착용자(8)의 자세가 안정하다고 판단하게 되며, 상기 착용형 로봇(2)의 ZMP와 상기 착용자(8)의 ZMP가 지지다각형 영역 내에 있지 않다고 확인되면 상기 착용형 로봇(2)의 보행궤적을 수정하여 상기 착용형 로봇(2)을 제어하게 된다.

상기 착용형 로봇(2)과 상기 착용자(8)의 ZMP를 일치시켜 상기 착용형 로봇(2)의 보행궤적을 생성함으로써 착용형 로봇(2)과 착용자(8) 사이의 동적 자세를 일치시킬 수 있게 되어 종래의 착용자와 착용형 로봇 간의 자세 불일치로 인한 저항감을 경감시킬 수 있게 되며, 저항감의 경감을 통해 착용형 로봇(2)을 장착한 착용자(8)의 자세를 안정화시킬 수 있게 된다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

2 : 착용형 로봇
4 : 외골격다리
6 : 보행바디
8 : 착용자
10 : 착용자 상체 운동 센서
12 : 착용자 하체 운동 센서
14 : 착용형 로봇 운동 센서
16 : 엉덩 구동기
18 : 엉덩 관절각 롤센서
20 : 엉덩 관절각 피치센서
22 : 엉덩 힘센서
24 : 무릎 구동기
26 : 무릎 관절각 피치센서
28 : 무릎 힘센서
30 : 발목 관절각 센서
32 : GRF 센서
34 : 등짐

Claims

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착용자의 하지와 대응되는 각 관절에 피치방향 운동을 위한 구동력을 제공하여 착용자의 보행을 보조하는 한 쌍의 외골격다리와 상기 외골격다리 상측에 결합되는 보행바디를 포함하는 착용형 로봇;
상기 착용자의 상체와 하체에 각각 부착되어 착용자의 운동 상태를 측정하는 착용자 운동 센서;
상기 보행바디에 부착되어 상기 보행바디의 운동 상태를 측정하는 착용형 로봇 운동 센서;
상기 착용형 로봇의 엉덩 관절 부분에 장착되는 엉덩 구동기;
상기 착용형 로봇의 무릎 관절 부분에 장착되는 무릎 구동기;
상기 착용형 로봇의 발목 관절 부분에 장착되는 발목 관절각 센서;
상기 착용형 로봇의 양 쪽 발바닥 부분에 장착되어 지면의 반발력을 측정하는 GRF 센서;
를 포함하는 보행궤적 생성 시스템을 이용한 보행궤적 생성 방법에 있어서,
상기 착용형 로봇과 상기 착용형 로봇을 착용한 착용자에 장착된 센서에서 상기 착용형 로봇의 ZMP(Zero Moment Point)와 상기 착용자의 ZMP(Zero Moment Point)를 측정하고,
상기 착용형 로봇의 ZMP와 상기 착용자의 ZMP 사이의 거리가 항상 일정하게 유지되도록 상기 착용형 로봇의 보행궤적을 생성하는 것을 특징으로 하는 착용형 로봇의 제어를 위한 ZMP 기반 보행궤적 생성 방법.
제5항에 있어서,
상기 착용형 로봇의 ZMP와 상기 착용자의 ZMP 사이의 거리가 항상 일정하게 유지되기 위해서는 다음 식,

(여기서,
은 착용형 로봇의 ZMP이고,
는 착용자의 ZMP이며,
는 상수임.)
을 충족시키는 것을 특징으로 하는 착용형 로봇의 제어를 위한 ZMP 기반 보행궤적 생성 방법.
제6항에 있어서,
상기 착용형 로봇의 ZMP와 상기 착용자의 ZMP 사이의 거리가 항상 일정하게 유지되도록 생성되는 보행궤적은 구동기가 장착되는 엉덩 관절과 무릎 관절에 대해 수행되는 것을 특징으로 하는 착용형 로봇의 제어를 위한 ZMP 기반 보행궤적 생성 방법.
제7항에 있어서,
상기 구동기가 장착된 관절의 굽힘 정도를 조절하여 상기 착용형 로봇의 ZMP를 조절하는 것을 특징으로 하는 착용형 로봇의 제어를 위한 ZMP 기반 보행궤적 생성 방법.
제8항에 있어서,
상기 구동기가 장착된 관절의 굽힘 정도를 반영하여 생성되는 상기 착용형 로봇의 보행궤적은 다음 식,

(여기서,
,
,
)
에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 착용형 로봇의 제어를 위한 ZMP 기반 보행궤적 생성 방법.
착용자의 하지와 대응되는 각 관절에 피치방향 운동을 위한 구동력을 제공하여 착용자의 보행을 보조하는 한 쌍의 외골격다리와 상기 외골격다리 상측에 결합되는 보행바디를 포함하는 착용형 로봇;
상기 착용자의 상체와 하체에 각각 부착되어 착용자의 운동 상태를 측정하는 착용자 운동 센서;
상기 보행바디에 부착되어 상기 보행바디의 운동 상태를 측정하는 착용형 로봇 운동 센서;
상기 착용형 로봇의 엉덩 관절 부분에 장착되는 엉덩 구동기;
상기 착용형 로봇의 무릎 관절 부분에 장착되는 무릎 구동기;
상기 착용형 로봇의 발목 관절 부분에 장착되는 발목 관절각 센서;
상기 착용형 로봇의 양 쪽 발바닥 부분에 장착되어 지면의 반발력을 측정하는 GRF 센서;
를 포함하는 보행궤적 생성 시스템의 제어 방법에 있어서,
상기 착용형 로봇의 ZMP와 착용자의 ZMP가 지지다각형 영역 내에 있는지 판단하여 상기 착용자의 자세 안정성을 판별하는 것을 특징으로 하는 보행궤적 생성 시스템 제어 방법.
제10항에 있어서,
상기 착용형 로봇의 ZMP와 상기 착용자의 ZMP가 지지다각형 영역 내에 위치한다고 판단되면 상기 착용자의 자세가 안정하다고 판단하는 것을 특징으로 하는 보행궤적 생성 시스템 제어 방법.
제10항에 있어서,
상기 착용형 로봇의 ZMP와 상기 착용자의 ZMP가 지지다각형 영역 내에 있지 않다고 판단되면 상기 착용형 로봇의 보행궤적을 수정하는 것을 특징으로 하는 보행궤적 생성 시스템 제어 방법.