KR101812603B1 - Wearable robot with active-passive operating mode - Google Patents

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KR101812603B1
KR101812603B1 KR1020160112210A KR20160112210A KR101812603B1 KR 101812603 B1 KR101812603 B1 KR 101812603B1 KR 1020160112210 A KR1020160112210 A KR 1020160112210A KR 20160112210 A KR20160112210 A KR 20160112210A KR 101812603 B1 KR101812603 B1 KR 101812603B1
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KR
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driving
joint
mode
pressure
wearer
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KR1020160112210A
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김홍철
신영준
유재관
심성준
이준식
윤여훈
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국방과학연구소
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Abstract

The present invention relates to a wearable robot with active and passive operation modes, having a compact structure and high reactivity. According to the present invention, the wearable robot comprises: first and second driving units operated by pressure of a fluid, and disposed in a different joint position of a wearer to support a load applied in a predetermined direction; a pressure supply unit connected to the first and second driving units, supplying first and second driving units with pressure of the fluid to operate the first and second driving units; and a control unit operating the pressure supply unit to supply pressure of the fluid to the first and second driving units in a first mode where a reaction force is generated from the ground when a wearer walks, stopping operation of the pressure supply unit in a second mode where the reaction force is not generated from the ground when the wearer walks.

Description

능동-수동 동작 모드를 갖는 착용로봇{WEARABLE ROBOT WITH ACTIVE-PASSIVE OPERATING MODE}[0001] The present invention relates to a wearable robot having an active-passive operation mode,

본 발명은 신체 기능을 강화 또는 보조하며 능동-수동 동작 모드를 갖는 착용로봇에 관한 것이다.The present invention relates to a wearable robot that enhances or assists in bodily functions and has an active-passive mode of operation.

착용로봇(wearable robot)이란, 인간의 몸에 장착되어 착용자의 운동 의도에 따라 팔, 다리의 근력을 증폭시켜 인간의 물리적인 능력을 증대시키는 로봇을 의미한다. 착용로봇의 핵심 기술은 착용로봇을 착용자의 운동 의도대로 빠르고 자연스럽게 움직이게 하는 인체-기계 연동제어에 관한 기술이다. 인체-기계 연동제어가 잘 이루어지지 못하는 경우 착용로봇은 착용자에게 역부하로 작용되어 착용자의 피로를 증대시킨다. 따라서, 사람의 운동 의도에 따라 빠르게 구동하면서 사람과 유사하게 능동-수동 모드로 착용로봇을 제어함으로써 자연스러운 운동을 구현하는 것이 필요하다.  A wearable robot means a robot that is mounted on a human body and amplifies the muscular strength of the arms and legs according to the wearer's motion intention, thereby increasing the physical ability of the human being. The core technology of worn robots is a technology related to human-machine interlocking control, which makes the wearing robot move quickly and naturally according to the intention of the wearer. If the human-machine interlocking control is not performed well, the wear robot acts as a reverse load on the wearer and increases the fatigue of the wearer. Therefore, it is necessary to realize a natural motion by controlling the wearable robot in an active-passive mode similar to a human being while driving rapidly according to a human motion intention.

하지만, 기존의 유압용 착용로봇은 정압(constant pressure) 기반 제어를 수행하여 반응성은 빠르지만 시스템이 커지는 단점이 있었다. 또한, 모터속도기반 유압 장치의 경우는 정압기반 유압장치보다 시스템을 경량화시킬 수 있지만 반응성이 늦다는 단점이 있었다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0062285 (2015.06.08.), 제10-2012-0105194호 (2012.09.25.), 제10-2013-0045777 (2013.05.06.), 인본 공개특허공보 특개평05-329792 (1993.12.14.)에 개시되어 있다.However, the existing hydraulic wearing robot performs constant pressure based control, which has a disadvantage that the reactivity is fast but the system becomes large. In addition, in the case of a motor speed-based hydraulic device, the system can be made lighter than the static pressure-based hydraulic device, but it has a disadvantage that the reactivity is slow.
BACKGROUND OF THE INVENTION [0002] The art of the present invention is disclosed in Korean Patent Publication Nos. 10-2015-0062285 (2015.06.08.), 10-2012-0105194 (2012.09.25.), 10-2013-0045777 (2013.05.06. ), Published Japanese Translation of PCT Application No. 05-329792 (Dec. 14, 1993).

본 발명의 일 목적은, 콤팩트한 구조와 높은 반응성을 갖는 능동-수동 동작 모드를 구비한 착용로봇을 제공하는 데에 있다.It is an object of the present invention to provide a wearable robot having an active-passive operation mode with a compact structure and high reactivity.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 능동-수동 동작 모드를 갖는 착용로봇은, 유체의 압력으로 구동되며, 각각 착용자의 서로 다른 관절 위치에 배치되어 특정 방향으로 가해지는 하중을 지지하도록 구성되는 제1 구동부와 제2 구동부; 상기 제1 및 제2 구동부와 연결되고, 상기 제1 및 제2 구동부의 구동을 위한 상기 유체의 압력을 상기 제1 및 제2 구동부로 공급하도록 이루어지는 압력공급부; 및 상기 착용자의 보행 시 지면으로부터 반력(reaction force)이 발생하는 제1 모드에서는 상기 압력공급부를 동작시켜 상기 제1 및 제2 구동부로 상기 유체의 압력을 공급하고, 상기 착용자의 보행 시 지면으로부터 상기 반력이 발생하지 않는 제2 모드에서는 상기 압력공급부의 동작을 중단시키도록 이루어지는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용로봇을 개시한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a wearable robot having an active-passive operation mode, which is driven by a fluid pressure and disposed at different joint positions of a wearer, A first driving unit and a second driving unit configured to support the first driving unit and the second driving unit; A pressure supply unit connected to the first and second driving units and configured to supply a pressure of the fluid for driving the first and second driving units to the first and second driving units; And a second mode in which a reaction force is generated from a ground surface of the wearer by operating the pressure supply unit to supply the pressure of the fluid to the first and second driving units, And a control unit configured to stop the operation of the pressure supply unit in a second mode in which no reaction force is generated.

상기 제1 구동부와 상기 제2 구동부는 각각, 복동 실린더(double acting cylinder)와 단동 실린더(single acting cylinder)로 이루어지며, 각각 상기 착용자의 고관절(hip joint)의 전방 및 후방으로 가해지는 하중과 상기 착용자의 슬관절(knee joint)에 수직으로 가해지는 하중을 지지하도록 구성될 수 있다.The first driving unit and the second driving unit are respectively composed of a double acting cylinder and a single acting cylinder and are respectively provided with a load applied to the front and rear of the wearer's hip joint, And may be configured to support a load applied perpendicularly to the wearer's knee joint.

상기 압력공급부는, 상기 제1 구동부의 피스톤 양측에 각각 연결되어 상기 제1 구동부로 공급 또는 상기 제1 구동부로부터 토출되는 상기 유체의 압력을 조절하도록 이루어지는 제1 서보밸브와 제2 서보밸브; 및 상기 제2 구동부의 피스톤 일측에 연결되어 상기 제2 구동부로 공급 또는 상기 제2 구동부로부터 토출되는 상기 유체의 압력을 조절하도록 이루어지는 제3 서보밸브를 포함할 수 있다.The pressure supply unit may include a first servo valve and a second servo valve connected to both sides of the piston of the first drive unit to adjust the pressure of the fluid supplied to the first drive unit or discharged from the first drive unit, And a third servo valve connected to one side of the piston of the second driving unit to adjust a pressure of the fluid supplied to the second driving unit or discharged from the second driving unit.

각각 상기 착용자의 고관절 및 슬관절 위치에서 상기 제1 및 제2 구동부의 동작에 의해 1축 회전 가능하도록 형성되는 제1 관절부와 제2 관절부를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 관절부에는 각각 상기 1축 회전 시 상기 제1 및 제2 관절부의 각도 또는 각속도 변화를 센싱하도록 이루어지는 제1 센서와 제2 센서가 장착되며, 상기 제어부는 상기 제1 및 제2 센서에 의해 측정된 상기 제1 관절부 또는 상기 제2 관절부의 상기 각도 또는 각속도 변화로부터 상기 제1 관절부 또는 상기 제2 관절부의 회전 속도를 산출하고, 산출된 상기 회전 속도를 근거로 상기 제2 모드에서 상기 제1 모드로 천이되는 시점을 추정하여 상기 천이가 완료되기 전 상기 압력공급부를 동작시키도록 이루어질 수 있다.Further comprising a first joint part and a second joint part formed to be uniaxially rotatable by the operation of the first and second driving parts at the hip and knee joint positions of the wearer respectively, Wherein the first sensor and the second sensor are mounted to sense an angle or an angular velocity change of the first and second joint parts when the shaft is rotated and the control part controls the first joint part or the second joint part measured by the first and second sensors, The rotation speed of the first joint part or the second joint part is calculated from the angle or angular velocity of the second joint part, and a time point at which the transition from the second mode to the first mode is estimated based on the calculated rotation speed And to operate the pressure supply unit before the transition is completed.

상기 착용자의 족관절(ankle joint) 위치에서 회전 가능하도록 형성되는 제3 관절부; 및 상기 제3 관절부에 장착되어 상기 제3 관절부의 각도 또는 각속도 변화를 센싱하도록 이루어지는 제3 센서를 더 포함할 수 있다.A third joint formed to be rotatable at an ankle joint position of the wearer; And a third sensor mounted on the third joint to sense a change in angular or angular velocity of the third joint.

상기 착용자의 발바닥이 안착되게 형성되는 발바닥부를 더 포함하고, 상기 발바닥부에는 상기 제1 및 제2 모드의 판별을 위하여, 상기 착용자의 보행 시 상기 발바닥에 의해 가압되어 상기 반력을 센싱하도록 이루어지는 반력센서가 장착될 수 있다.And a foot sensor for detecting the reaction force when the foot of the wearer is walking on the foot so as to sense the reaction force for discriminating between the first mode and the second mode, Can be mounted.

상기 제어부는 상기 제1 구동부 또는 상기 제2 구동부의 상기 제1 및 제2 모드 천이에 대한 응답성을 증가시키도록, 상기 제1 구동부의 구동 후 상기 제2 구동부를 구동시키거나 상기 제2 구동부의 구동 후 상기 제1 구동부를 구동시키도록 이루어질 수 있다.Wherein the controller is configured to drive the second driver after driving the first driver to increase responsiveness of the first driver or the second driver to the first and second mode transitions, And may drive the first driving unit after driving.

상기 제1 및 제2 구동부와 상기 압력공급부는 유압 또는 공압으로 작동이 이루어질 수 있다.The first and second driving portions and the pressure supplying portion may be operated by hydraulic pressure or pneumatic pressure.

본 발명에 의하면, 착용자의 서로 다른 관절 위치에 각각 배치되어 특정 방향으로 가해지는 하중을 지지하도록 구성되는 제1 구동부 및 제2 구동부와, 제1 및 제2 구동부의 구동을 위한 유체의 압력을 공급하는 압력공급부와, 착용자의 보행 시 지면으로부터 반력이 발생하는 제1 모드 즉 입각기(stance)에서는 압력공급부를 동작시켜 제1 및 제2 구동부로 유체의 압력을 공급하고, 보행 시 지면으로부터 반력이 발생하지 않는 제2 모드 즉 유각기(swing)에서는 압력공급부의 동작을 중단시키는 제어부를 포함한다. 보다 구체적으로, 상대적으로 큰 토크와 저속의 구동을 요구하는 제1 모드 즉 입각기에서는 제1 및 제2 구동부가 능동 모드로 구동되며, 상대적으로 큰 속도와 작은 토크를 요구하는 제2 모드 즉 유각기에서는 제1 및 제2 구동부가 수동 모드로 구동된다.According to the present invention, there are provided a first driving unit and a second driving unit arranged to respectively support loads applied in a specific direction and disposed at different joint positions of a wearer, and a first driving unit and a second driving unit configured to supply a fluid pressure for driving the first and second driving units In a first mode, i.e., a stance, in which a reaction force is generated from the ground during walking of the wearer, a pressure of the fluid is supplied to the first and second driving units by operating the pressure supply unit, And a control unit for stopping the operation of the pressure supply unit in a second mode that does not occur, that is, a swing. More specifically, in a first mode that requires relatively large torque and low-speed driving, that is, the striking device, the first and second driving portions are driven in the active mode, and a second mode In each case, the first and second driving units are driven in the passive mode.

따라서, 본 발명의 착용로봇은 시스템의 경량화 및 안정적인 고속보행을 구현하는데 기여할 수 있으며, 인체와 보행 동작과 유사하게 구동되기 때문에 착용자의 피로감을 최소화 할 수 있으므로 착용자의 에너지 소모량을 줄여 장기 운용이 가능하다는 장점이 있다.Therefore, the wearable robot according to the present invention can contribute to realize a light weight system and a stable high-speed gait, and it is driven similarly to a walking motion of the human body, thereby minimizing fatigue of a wearer. .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동-수동 동작 모드를 갖는 착용로봇을 나타낸 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 착용로봇에 적용되는 능동-수동 모드의 개념을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 도 1에 도시된 압력공급부를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 착용로봇에 적용되는 압력의 흐름을 나타낸 회로도이다.
도 5는 도 1에 도시된 착용로봇의 보행 단계별 보행 제어 매커니즘을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 도 1에 도시된 제어부를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7 및 도 8은 각각 도 1에 도시된 착용로봇의 제1 모드와 제2 모드 상태에서의 동작을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 9는 도 1에 도시된 착용로봇의 제2 모드에서 제1 모드로 천이되는 시점에서의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.1 is a conceptual view illustrating a wearable robot having an active-passive operation mode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph for explaining the concept of the active-passive mode applied to the wearing robot shown in FIG.
3 is a perspective view showing the pressure supply unit shown in FIG.
4 is a circuit diagram showing a flow of pressure applied to the wearing robot shown in Fig.
FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining a walking control step by step of the worn robot shown in FIG. 1. FIG.
6 is a block diagram for explaining the control unit shown in FIG.
FIGS. 7 and 8 are conceptual diagrams for explaining the operation of the wearing robot shown in FIG. 1 in the first mode and the second mode, respectively.
FIG. 9 is a conceptual view for explaining an operation at a time point when the wear robot shown in FIG. 1 transitions from the second mode to the first mode.

이하, 본 발명에 관련된 능동-수동 동작 모드를 갖는 착용로봇에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, a wearable robot having an active-passive operation mode according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

서로 다른 실시예라고 하더라도, 앞선 실시예와 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.In other respects, the same or similar reference numerals are given to the same or similar components to those of the previous embodiment, and a duplicate description thereof will be omitted.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the embodiments of the present invention, a detailed description of related arts will be omitted when it is determined that the gist of the embodiments disclosed herein may be obscured.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. It should be understood that it includes water and alternatives.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동-수동 동작 모드를 갖는 착용로봇(100)을 나타낸 개념도이고, 도 2는 도 1에 도시된 착용로봇(100)에 적용되는 능동-수동 모드의 개념을 설명하기 위한 그래프이며, 도 3은 도 1에 도시된 압력공급부(130)를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 1에 도시된 착용로봇(100)에 적용되는 압력의 흐름을 나타낸 회로도이며, 도 5는 도 1에 도시된 착용로봇(100)의 보행 단계별 보행 제어 매커니즘을 설명하기 위한 개념도이고, 도 6은 도 1에 도시된 제어부(140)를 설명하기 위한 블록도이다.FIG. 1 is a conceptual view showing a wearable robot 100 having an active-passive mode of operation according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a conceptual view of an active-passive mode applied to the wearable robot 100 shown in FIG. FIG. 3 is a perspective view showing the pressure supply unit 130 shown in FIG. 1, FIG. 4 is a circuit diagram showing a flow of pressure applied to the wearing robot 100 shown in FIG. 1, 5 is a conceptual view for explaining a walking control step by step of the wearing robot 100 shown in FIG. 1, and FIG. 6 is a block diagram for explaining the control unit 140 shown in FIG.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 착용로봇(100)은 제1 구동부(110) 및 제2 구동부(120), 압력공급부(130)와 제어부(140)를 포함한다.1 to 6, the wearing robot 100 includes a first driving part 110, a second driving part 120, a pressure supplying part 130, and a controller 140.

제1 구동부(110)와 제2 구동부(120)는 유체의 압력으로 구동되며, 각각 착용자(H, 도 7 내지 도 9 참조)의 서로 다른 관절 위치에 배치되어 특정 방향으로 가해지는 하중을 지지하도록 구성된다. 상기 제1 및 제2 구동부(110,120)와 후술할 압력공급부(130)는 유압 또는 공압으로 작동이 이루어질 수 있다. 또한, 제1 및 제2 구동부(110,120)가 배치되는 관절 위치는 고관절(hip joint), 슬관절(knee joint), 족관절(ankle joint), 목뼈(cervical vetebra)에 배치될 수 있다. 또한, 제1 구동부(110)와 제2 구동부(120)에는 제1 및 제2 구동부(110,120)의 힘 또는 토크를 측정할 수 있는 제1 힘센서(111)와 제2 힘센서(121)가 장착될 수 있다. 상기 제1 및 제2 힘센서(111,121)는 압력을 측정하도록 이루어질 수도 있다.The first driving part 110 and the second driving part 120 are driven by the pressure of the fluid and are arranged at different joint positions of the wearer H (see FIGS. 7 to 9) to support loads applied in a specific direction . The first and second driving units 110 and 120 and the pressure supplying unit 130 to be described later may be operated by hydraulic pressure or pneumatic pressure. The joint positions at which the first and second driving units 110 and 120 are disposed may be disposed at hip joints, knee joints, ankle joints, and cervical vetebra. A first force sensor 111 and a second force sensor 121 capable of measuring the force or torque of the first and second driving units 110 and 120 are provided in the first and second driving units 110 and 120, Can be mounted. The first and second force sensors 111 and 121 may be configured to measure pressure.

압력공급부(130)는 제1 및 제2 구동부(110,120)와 연결되고, 제1 및 제2 구동부(110,120)의 구동을 위한 상기 유체의 압력을 제1 및 제2 구동부(110,120)로 공급하도록 이루어진다. 압력공급부(130)와 후술할 제어부(140)는 상기 착용자(H)의 상체에 고정을 위한 백팩부(10)에 장착될 수 있다. 또한, 상기 백팩부(10)에는 착용로봇(100)의 상부 자세 변화를 측정하기 위한 관성측정기(IMU, inertial measurement unit)이 설치될 수 있다.The pressure supply unit 130 is connected to the first and second driving units 110 and 120 and supplies the pressure of the fluid for driving the first and second driving units 110 and 120 to the first and second driving units 110 and 120 . The pressure supply unit 130 and a control unit 140 to be described later may be mounted on the backpack unit 10 for fixing to the upper body of the wearer H. In addition, an inertial measurement unit (IMU) for measuring a change in the upper posture of the wearing robot 100 may be installed in the backpack part 10. [

제어부(140)는, 착용자(H)의 보행 시 지면으로부터 반력(reaction force) 즉, 지면반력(GRF,ground reaction force)이 발생하는 제1 모드에서는 상기 압력공급부(130)를 동작시켜 제1 및 제2 구동부(110,120)로 상기 유체의 압력을 공급하고, 상기 착용자(H)의 보행 시 지면으로부터 상기 지면반력(F, 도 7 내지 도 9 참조)이 발생하지 않는 제2 모드에서는 압력공급부(130)의 동작을 중단시키도록 이루어진다.The control unit 140 operates the pressure supply unit 130 in the first mode in which a reaction force, that is, a ground reaction force (GRF), is generated from the ground surface of the wearer H, In the second mode in which the pressure of the fluid is supplied to the second driving units 110 and 120 and the ground surface reaction force F is not generated from the ground surface of the wearer H, In order to stop the operation of the vehicle.

보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 착용로봇(100)은 사람과 결합되어 구동되는 시스템이기 때문에 착용자(H)와 동기화가 중요한 요소이다. 인체의 운동특성은 도 2에 도시된 바와 같이 입각기(stance) 즉, 상기 제1 모드에서는 큰 토크가 필요하지만 상대적으로 저속의 구동을 요한다. 하지만, 유각기(swing) 즉, 상기 제2 모드에서는 빠른 구동 속도가 필요하지만 상대적으로 작은 토크를 요한다. 이를 기반으로 실제 인체의 움직임과 같이 안정적이고 자연스러운 운동을 구현하기 위해서는 보행단계에 따라 적절한 제어전략(제1 모드, 제2 모드)을 구분할 필요가 있다.More specifically, referring to FIG. 2, synchronization with the wearer H is an important factor because the wearing robot 100 is a system driven by a person. As shown in FIG. 2, the human body needs a stance, that is, a large torque in the first mode, but requires a relatively low speed driving. However, in the swing mode, that is, in the second mode, a fast driving speed is required, but a relatively small torque is required. Based on this, it is necessary to classify the appropriate control strategies (first mode and second mode) according to the walking step in order to realize a stable and natural movement such as the motion of the human body.

한편, 착용장치(100)는, 상기 착용자의 발바닥이 안착되게 형성되는 발바닥부를 더 포함하고, 상기 보행단계의 판별 즉, 상기 제1 및 제2 모드의 판별을 위하여, 착용자(H)의 보행 시 상기 발바닥에 의해 가압되어 상기 반력을 센싱하도록 이루어지는 반력센서(161)가 장착된다.On the other hand, the wearer's apparatus 100 further includes a sole formed so that the wearer's soles are seated, and in order to determine the walking step, that is, to determine the first and second modes, And a reaction force sensor 161 which is pressed by the sole and senses the reaction force is mounted.

한편, 상기 제1 구동부(110)와 상기 제2 구동부(120)는 각각, 복동 실린더(double acting cylinder)와 단동 실린더(single acting cylinder)로 이루어지며, 각각 착용자(H)의 고관절(hip joint)의 전방 및 후방으로 가해지는 하중과 착용자(H)의 슬관절(knee joint)에 수직으로 가해지는 하중을 지지하도록 구성될 수 있다.The first driving part 110 and the second driving part 120 are composed of a double acting cylinder and a single acting cylinder and are respectively connected to a hip joint of the wearer H, And a load applied perpendicularly to the knee joint of the wearer < RTI ID = 0.0 > H. < / RTI >

또한, 압력공급부(130)는 제1 서보밸브(131), 제2 서보밸브(132)와 제3 서보밸브(133)을 포함할 수 있다.The pressure supply unit 130 may include a first servo valve 131, a second servo valve 132, and a third servo valve 133.

제1 및 제2 서보밸브(131,132)는 제1 구동부(110)의 피스톤(110a) 양측에 각각 연결되어 제1 구동부(110)로 공급 또는 상기 제1 구동부(110)로부터 토출되는 상기 유체의 압력을 조절하도록 이루어진다.The first and second servo valves 131 and 132 are connected to both sides of the piston 110a of the first driving part 110 to supply the fluid to the first driving part 110 or the pressure of the fluid discharged from the first driving part 110 .

제3 서보밸브(133)는 도시된 바와 같이 제2 구동부(120)의 피스톤(121) 일측에 연결되어 제2 구동부(120)로 공급 또는 제2 구동부(120)로부터 토출되는 상기 유체의 압력을 조절하도록 이루어진다.The third servo valve 133 is connected to one side of the piston 121 of the second driving part 120 and supplies the pressure of the fluid discharged from the second driving part 120 to the second driving part 120 .

도 3을 참조하면, 압력공급부(130)는 매니폴드(130a), 압력 또는 유량을 제어하는 DC모터(130b), 축압기(135), 온도센서(137), 압력센서(138)를 구비할 수 있다. 본 발명의 압력공급부(130)는 하나의 DC모터(130b)를 이용하여 단방향으로 구동되며, 상기 제1 내지 제3 서보밸브(131,132,133)를 이용하여 압력의 방향을 전환시킴으로써 시스템의 크기를 콤팩트하게 구현할 수 있으며, 상대적으로 고가의 체크밸브 사용을 최소화하는 한편 에너지 소모율을 줄일 수 있는 장점을 갖는다.3, the pressure supply unit 130 includes a manifold 130a, a DC motor 130b for controlling a pressure or a flow rate, an accumulator 135, a temperature sensor 137, and a pressure sensor 138 . The pressure supply unit 130 of the present invention is unidirectionally driven using one DC motor 130b and switches the direction of pressure by using the first to third servo valves 131 to 132 to thereby make the size of the system compact And has the advantage of reducing energy consumption while minimizing the use of relatively expensive check valves.

다음 도 4를 참조하면, 제1 및 제2 구동부(110, 120)는 제1 내지 제3 서보밸브(131,132,133)에 의해 압력 탱크 라인으로 연결되어 압력공급부(130)의 작동이 없는 상기 제2 모드 시 외부에서 가해지는 힘에 의해 동작이 가능하다.Referring to FIG. 4, the first and second driving units 110 and 120 are connected to the pressure tank line by the first to third servo valves 131, 132, and 133 so that the second mode It is possible to operate by force externally applied.

도 5를 참조하면, 착용로봇(100)은 상기 반력센서(161)의 임계값(δ) 설정으로 상기 보행단계의 판별 가능하다. 제어부(140)는 상기 보행단계의 판별이 완료되면 하중의 지지가 필요한 상기 제1 모드, 즉 상기 입각기(initail contact, mid-stance)에서는 능동(active) 동작을 수행하고, 빠른 동작이 필요한 상기 제2 모드, 즉 상기 유각기(pre-swing, swing)에서는 수동(passive) 동작을 수행하도록 이루어진다. 상기 수동 동작 시에는 회로의 개방을 위한 약간의 전력만을 필요로 하므로 시스템을 장기 운용하는 데에 유리하다.Referring to FIG. 5, the wearing robot 100 can determine the walking step by setting a threshold value? Of the reaction force sensor 161. The control unit 140 performs an active operation in the first mode in which support of the load is required, that is, in the initiation of contact (mid-stance) when the determination of the walking step is completed, In the second mode, that is, in the pre-swing, a passive operation is performed. In the manual operation, only a small amount of power is required for opening the circuit, which is advantageous for long-term operation of the system.

Figure 112016085164511-pat00001
Figure 112016085164511-pat00001

도 6을 참조하면, 여기서 (s)는 제1 구동부(110)에 대한 제어기(PID), (s)는 제2 구동부(120)에 대한 제어기(PID), (s)는 DC모터(130b)를 위한 제어기(PID), P0(s)는 압력공급부(130)를 통해 토출되는 유량에 대한 모델, P1(s)은 제1 및 제2 서보밸브(131,132)를 통해 토출되는 유량, P2(s)는 제3 서보밸브(133)를 통해 토출되는 유량에 대한 모델, HHip(s), HKnee(s)은 기준 입력에 대한 시스템 상태(예를 들어, 힘 또는 위치)이다. (S) is a controller (PID) for the first driver 110, (s) is a controller (PID) for the second driver 120, (s) is a DC motor 130b, a controller (PID), P 0 (s) is a model, P 1 (s) for the flow rate to be discharged through the pressure supply unit 130 for the flow rate to be discharged through the first and second servo valves (131,132), P 2 (s) is the model for the flow rate delivered through the third servo valve 133, H Hip (s), H Knee (s) is the system state (e.g., force or position) for the reference input.

본 발명에서는 하나의 압력공급부(130)를 이용하여 상기 고관절 및 상기 슬관절을 제어한다. 여기서, Xref .Hip은 고관절 명령을 의미하며 HHip를 통해 측정된 센서신호가 고관절 명령을 잘 따라갈 수 있도록 제어기 CH(s)를 설계한다. 상기 슬관절도 상기 고관절 유사하게 제어되며 최종적으로 상기 고관절과 상기 슬관절 구동을 위해 필요로 하는 유량, 압력을 산출해서 DC모터(130b)의 속도를 결정하게 된다. 즉, 각 관절에서 필요로 하는 유량을 산정하고 두 축을 동시에 만족시킬 수 있는 유량을 생성하기 위해 DC모터(130b)의 속도 명령을 결정하게 된다. 이와 같이, 하나의 압력공급부(130)를 이용하여 제1 및 제2 구동부(110,120)을 제어함으로써 제1 및 제2 구동부(110,120) 별로 구동모듈이 구성된 종래의 시스템보다 착용로봇(100)의 경량화에 유리하다.In the present invention, the haptics and the knee joint are controlled using one pressure supply unit 130. Here, X ref .Hip means a hip joint command, and the controller C H (s) is designed so that the sensor signal measured through H Hip can follow the hip joint command well. The knee joint is controlled similarly to the hip joint, and finally the flow rate and pressure required for driving the hip joint and the knee joint are calculated to determine the speed of the DC motor 130b. In other words, the velocity command of the DC motor 130b is determined in order to calculate a flow rate required by each joint and to generate a flow rate capable of simultaneously satisfying both axes. By controlling the first and second driving units 110 and 120 by using the single pressure supply unit 130, the weight of the wearing robot 100 is reduced compared with the conventional system in which the driving modules are configured for the first and second driving units 110 and 120, .

이하, 본 발명의 착용로봇의 제1 및 제2 모드와, 제2 모드에서 제1 모드로 천이되는 시점의 동작에 대하여 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한다.Hereinafter, the first and second modes of the wearing robot of the present invention and the operation at the time of transition from the second mode to the first mode will be described with reference to Figs. 7 to 9. Fig.

도 7 및 도 8은 각각 도 1에 도시된 착용로봇(100)의 제1 모드와 제2 모드에서의 동작을 설명하기 위한 개념도들이고, 도 9는 도 1에 도시된 착용로봇(100)의 제2 모드에서 제1 모드로 천이되는 시점에서의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.7 and 8 are conceptual diagrams for explaining operations in the first mode and the second mode of the wearing robot 100 shown in Fig. 1, and Fig. 9 is a schematic view for explaining operations of the wearing robot 100 shown in Fig. 2 mode to the first mode according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 7을 참조하면, 반력센서(161)로부터 측정된 반력을 근거로 제어부(140)에서 상기 보행단계가 상기 입각기(stance)로 식별되면, 상기 제1 모드 즉 능동 동작 모드가 작동된다. 이에 따라, 압력공급부(130)를 통하여 제1 및 제2 구동부(110,120)로 하중을 지지하기 위한 압력이 공급된다. 상기 제1 모드에서 하중을 지탱하기 위한 제1 및 제2 구동부(110,120)의 제어 방법은, 위치제어, 힘제어, 임피던스 제어의 적용이 가능하다.7, when the walking step is identified as the stance in the controller 140 based on the reaction force measured from the reaction force sensor 161, the first mode, that is, the active operation mode is operated . Accordingly, the pressure for supporting the load is supplied to the first and second driving units 110 and 120 through the pressure supply unit 130. [ The control method of the first and second driving units 110 and 120 for supporting the load in the first mode can be applied to position control, force control, and impedance control.

다음으로, 도 8을 참조하면, 반력센서(161)로부터 측정된 반력을 근거로 제어부(140)에서 상기 보행단계가 상기 유각기(swing)로 식별되면, 압력공급부(130)는 동작을 중단하고, 외부에서 가해지는 힘에 의해 제1 및 제2 구동부(110,120)의 동작이 이루어진다. 이때, 착용로봇(100)은 상기 제2 모드에 필요한 회로를 개방하기 위한 최소한의 전력만을 필요로 한다.8, when the walking step is identified as the swing by the controller 140 based on the reaction force measured by the reaction force sensor 161, the pressure supply unit 130 stops the operation , The first and second driving units 110 and 120 are operated by a force externally applied. At this time, the wearing robot 100 needs only a minimum amount of electric power to open a circuit necessary for the second mode.

다음, 도 9를 참조하면, 착용로봇(100)은 제1 관절부(151), 제2 관절부(152), 제3 관절부(153)을 더 포함할 수 있다.9, the wearing robot 100 may further include a first joint 151, a second joint 152, and a third joint 153. The first joint 151, the second joint 152,

제1 관절부(151)와 제2 관절부(152)는 각각 착용자(H)의 상기 고관절 및 상기 슬관절에 위치에서 제1 및 제2 구동부(110,120)의 동작에 의해 1축 회전 가능하도록 형성된다. 여기서, 제1 및 제2 관절부(151,152)에는 각각 상기 1축 회전 시 제1 및 제2 관절부(151,152)의 각도 또는 각속도 변화를 센싱하도록 이루어지는 제1 센서(151a)와 제2 센서(152a)가 장착된다.The first joint 151 and the second joint 152 are formed so as to be uniaxially rotatable by the operation of the first and second drive units 110 and 120 in the position of the hip joint of the wearer H and the knee joint, respectively. The first and second joint portions 151 and 152 are respectively provided with a first sensor 151a and a second sensor 152a which are configured to sense angular or angular velocity changes of the first and second joint portions 151 and 152 during the single- Respectively.

또한, 제어부(140)는 제1 및 제2 센서(151a,152a)에서 측정된 제1 관절부(151) 또는 제2 관절부(152)의 상기 각도 또는 각속도 변화로부터 제1 관절부(151) 또는 제2 관절부(152)의 회전 속도를 산출하고, 산출된 상기 회전 속도를 근거로 상기 제2 모드에서 상기 제1 모드로 천이되는 시점을 추정하여 상기 천이가 완료되기 전 압력공급부(130)를 동작시키도록 이루어진다. 이에 따라, 본 발명의 착용로봇(100)은 정압기반 압력공급장치보다 상대적으로 반응성이 느린 단점을 극복할 수 있다. 예를 들어, 착용로봇(100)은 상기 제2 모드에서 상기 제1 모드로 천이 시 상기 제2 관절부(152)의 회전 속도

Figure 112016085164511-pat00002
를 이용하여 추정하고 이를 이용하여 상기 천이 시점에서 제1 및 제2 구동부(110,120)가 예비 구동 되도록 제어되어, 상기 제2 모드로의 전환 시 제1 및 제2 구동부(110,120)의 반응성이 향상될 수 있다.The controller 140 determines whether the angle of the first joint 151 or the angle of the second joint 152 of the first joint 151 or the second joint 152 is changed from the angular or angular velocity of the first joint 151 or the second joint 152 measured by the first and second sensors 151a, The rotation speed of the joint part 152 is calculated and a time point at which the transition from the second mode to the first mode is estimated based on the calculated rotation speed is made to operate the pressure supply part 130 before the completion of the transition . Accordingly, the wearable robot 100 of the present invention can overcome the disadvantage that it is relatively slower than the static pressure-based pressure supply device. For example, when the wear robot 100 moves from the second mode to the first mode, the rotation speed of the second joint part 152
Figure 112016085164511-pat00002
The first and second driving units 110 and 120 are controlled to be preliminarily driven at the transition point so that the reactivity of the first and second driving units 110 and 120 is improved at the time of switching to the second mode .

Figure 112016085164511-pat00003
Figure 112016085164511-pat00003

제3 관절부(130)는 상기 착용자(H)의 족관절(ankle joint) 위치에서 회전 가능하도록 형성되고, 제3 관절부(130)에는 제3 관절부(130)의 각도 또는 각속도 변화를 센싱하도록 이루어지는 제3 센서(153a)가 장착될 수 있다.The third joint 130 is formed to be rotatable at an ankle joint position of the wearer H and the third joint 130 is formed to be rotatable about an ankle joint position of the third joint 130, The sensor 153a can be mounted.

한편, 제어부(140)는 제1 구동부(110) 또는 제2 구동부(120)의 상기 제1 및 제2 모드 천이에 대한 응답성을 증가시키도록, 제1 구동부(110)의 구동 후 제2 구동부(120)를 구동시키거나 제2 구동부(120)의 구동 후 제1 구동부(110)를 구동시키도록 이루어질 수 있다.The controller 140 controls the first and second driving units 110 and 120 to increase responsiveness to the first and second mode transitions, The first driving unit 120 may be driven or the first driving unit 110 may be driven after the second driving unit 120 is driven.

이상에서 설명한 본 발명에 의하면, 착용자(H)의 서로 다른 관절 위치에 각각 배치되어 특정 방향으로 가해지는 하중을 지지하도록 구성되는 제1 구동부(110) 및 제2 구동부(120)와, 제1 및 제2 구동부(110,120)의 구동을 위한 유체의 압력을 공급하는 압력공급부(130)와, 착용자(H)의 보행 시 지면으로부터 반력이 발생하는 제1 모드, 상기 입각기(stance)에서는 압력공급부(130)를 동작시켜 제1 및 제2 구동부(110,120)로 상기 유체의 압력을 공급하고, 보행 시 지면으로부터 상기 반력이 발생하지 않는 상기 제2 모드, 상기 유각기(swing)에서는 압력공급부(130)의 동작을 중단시키는 제어부(140)를 포함한다. 요컨대, 본 발명의 착용로봇(100)은 상대적으로 큰 토크와 저속의 구동을 요구하는 상기 제1 모드에서는 제1 및 제2 구동부(110,120)가 능동 모드로 구동되며, 상대적으로 큰 속도와 작은 토크를 요구하는 상기 제2 모드에서는 제1 및 제2 구동부(110,120)가 수동 모드로 구동된다.According to the present invention described above, the first driving part 110 and the second driving part 120, which are respectively disposed at different joint positions of the wearer H and configured to support a load applied in a specific direction, A first mode in which a reaction force is generated from the ground during walking of the wearer H and a pressure mode in which the pressure is applied to the pressure supply unit 130 in the stance, 130) to supply the pressure of the fluid to the first and second driving units (110, 120), and in the second mode in which the reaction force is not generated from the ground during walking, and in the swing, And a control unit 140 for stopping the operation. That is, in the first mode in which the relatively large torque and low speed driving are required, the first and second driving units 110 and 120 are driven in the active mode, and the relatively large speed and the small torque The first and second driving units 110 and 120 are driven in the manual mode.

따라서, 본 발명의 착용로봇(100)은 시스템의 경량화 및 안정적인 고속보행을 구현하는데 기여할 수 있으며, 인체와 보행 동작과 유사하게 구동되기 때문에 착용자(H)의 피로감을 최소화 할 수 있으므로 착용자(H)의 에너지 소모량을 줄여 장기 운용이 가능하다는 장점을 갖는다.Therefore, the wearing robot 100 of the present invention can contribute to realizing a light weight system and a stable high-speed walking, and is driven similarly to a walking operation of the human body, thereby minimizing the fatigue of the wearer H, The energy consumption of the system can be reduced and the system can be operated for a long time.

100 : 착용로봇 110 : 제1 구동부
120 : 제2 구동부 130 : 압력공급부
131 : 제1 서보밸브 132 : 제2 서보밸브
133 : 제3 서보밸브 140 : 제어부
151 : 제1 관절부 152 : 제2 관절부
153 : 제3 관절부100: wearing robot 110: first driving part
120: second driving part 130: pressure supply part
131: first servo valve 132: second servo valve
133: third servo valve 140:
151: first joint 152: second joint
153: third joint

Claims (8)

유체의 압력으로 구동되며, 각각 착용자의 서로 다른 관절 위치에 배치되어 특정 방향으로 가해지는 하중을 지지하도록 구성되는 제1 구동부와 제2 구동부;
상기 제1 및 제2 구동부와 연결되고, 하나의 모터를 이용하여 일 방향으로 구동되며, 상기 제1 및 제2 구동부의 구동을 위한 상기 유체의 압력을 상기 제1 및 제2 구동부로 공급하도록 이루어지는 압력공급부; 및
상기 착용자의 보행 시 지면으로부터 반력(reaction force)이 발생하는 제1 모드에서는 상기 압력공급부를 동작시켜 상기 제1 및 제2 구동부로 상기 유체의 압력을 공급하고, 상기 착용자의 보행 시 지면으로부터 상기 반력이 발생하지 않는 제2 모드에서는 상기 압력공급부의 동작을 중단시키도록 이루어지며, 상기 제1 및 제2 모드를 순차적으로 천이시키는 제어부; 및
각각 상기 착용자의 고관절 및 슬관절 위치에서 상기 제1 및 제2 구동부의 동작에 의해 1축 회전 가능하도록 형성되는 제1 관절부와 제2 관절부를 포함하고,
상기 제1 및 제2 관절부에는 각각 상기 1축 회전 시 상기 제1 및 제2 관절부의 각도 또는 각속도 변화를 센싱하도록 이루어지는 제1 센서와 제2 센서가 장착되며,
상기 압력공급부는,
상기 제1 구동부의 피스톤 양측에 각각 연결되어 상기 제1 구동부로 공급 또는 상기 제1 구동부로부터 토출되는 상기 유체의 압력을 조절하도록 이루어지는 제1 서보밸브와 제2 서보밸브; 및
상기 제2 구동부의 피스톤 일측에 연결되어 상기 제2 구동부로 공급 또는 상기 제2 구동부로부터 토출되는 상기 유체의 압력을 조절하도록 이루어지는 제3 서보밸브를 포함하고,
상기 제1 및 제2 구동부는 제1 내지 제3 서보밸브에 의해 압력 탱크 라인으로 연결되어 상기 제2 모드시 외부에서 가해지는 힘에 의해 동작이 가능하도록 이루어지며,
상기 제어부는 상기 제1 및 제2 센서에 의해 측정된 상기 제1 관절부 또는 상기 제2 관절부의 상기 각도 또는 각속도 변화로부터 상기 제1 관절부 또는 상기 제2 관절부의 회전 속도를 산출하고, 산출된 상기 회전 속도를 근거로 상기 제2 모드에서 상기 제1 모드로 천이되는 시점을 추정하여 상기 천이가 완료되기 전 상기 압력공급부를 동작시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 착용로봇.A first driving part and a second driving part driven by the pressure of the fluid and arranged to respectively support the loads applied to the wearer in different directions;
And a second driving unit connected to the first and second driving units and being driven in one direction using one motor and supplying the pressure of the fluid for driving the first and second driving units to the first and second driving units A pressure supply; And
In a first mode in which a reaction force is generated from the ground during walking of the wearer, the pressure supply unit is operated to supply the fluid pressure to the first and second driving units, Wherein the control unit stops the operation of the pressure supply unit in a second mode in which the first mode is not generated, and sequentially transitions the first mode and the second mode; And
A first joint part and a second joint part formed to be uniaxially rotatable by the operation of the first and second driving parts at the hip and knee joint positions of the wearer respectively,
Wherein the first and second joint portions are respectively equipped with a first sensor and a second sensor configured to sense changes in angles or angular velocities of the first and second joint portions during the uniaxial rotation,
The pressure supply unit may include:
A first servo valve and a second servo valve which are respectively connected to both sides of the piston of the first driving part to adjust a pressure of the fluid supplied to the first driving part or discharged from the first driving part; And
And a third servo valve connected to one side of the piston of the second driving unit to adjust a pressure of the fluid supplied to the second driving unit or discharged from the second driving unit,
Wherein the first and second driving units are connected to the pressure tank line by the first to third servo valves so as to be operated by a force externally applied in the second mode,
Wherein the controller calculates a rotation speed of the first joint or the second joint from a change in the angle or angular velocity of the first joint or the second joint measured by the first sensor and the second sensor, And estimates a transition point from the second mode to the first mode on the basis of the velocity and operates the pressure supply unit before the transition is completed. 제1항에 있어서,
상기 제1 구동부와 상기 제2 구동부는 각각, 복동 실린더(double acting cylinder)와 단동 실린더(single acting cylinder)로 이루어지며, 각각 상기 착용자의 고관절(hip joint)의 전방 및 후방으로 가해지는 하중과 상기 착용자의 슬관절(knee joint)에 수직으로 가해지는 하중을 지지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 착용로봇.The method according to claim 1,
The first driving unit and the second driving unit are respectively composed of a double acting cylinder and a single acting cylinder and are respectively provided with a load applied to the front and rear of the wearer's hip joint, And is configured to support a load applied perpendicularly to a wearer's knee joint. 삭제delete 삭제delete 제2항에 있어서,
상기 착용자의 족관절(ankle joint) 위치에서 회전 가능하도록 형성되는 제3 관절부; 및
상기 제3 관절부에 장착되어 상기 제3 관절부의 각도 또는 각속도 변화를 센싱하도록 이루어지는 제3 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착용로봇.3. The method of claim 2,
A third joint formed to be rotatable at an ankle joint position of the wearer; And
And a third sensor mounted on the third joint to sense a change in angle or angular velocity of the third joint. 제1항에 있어서,
상기 착용자의 발바닥이 안착되게 형성되는 발바닥부를 더 포함하고,
상기 발바닥부에는 상기 제1 및 제2 모드의 판별을 위하여, 상기 착용자의 보행 시 상기 발바닥에 의해 가압되어 상기 반력을 센싱하도록 이루어지는 반력센서가 장착되는 것을 특징으로 하는 착용로봇.The method according to claim 1,
Further comprising a sole formed so that the sole of the wearer is seated,
And a reaction force sensor is mounted on the sole portion for sensing the reaction force by the soles of the foot when the wearer is walking for discrimination between the first mode and the second mode. 제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제1 구동부 또는 상기 제2 구동부의 상기 제1 및 제2 모드 천이에 대한 응답성을 증가시키도록, 상기 제1 구동부의 구동 후 상기 제2 구동부를 구동시키거나 상기 제2 구동부의 구동 후 상기 제1 구동부를 구동시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 착용로봇.The method according to claim 1,
Wherein the controller is configured to drive the second driver after driving the first driver to increase responsiveness of the first driver or the second driver to the first and second mode transitions, And drives the first driving unit after the driving. 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 구동부와 상기 압력공급부는 유압 또는 공압으로 작동이 이루어지는 것을 특징으로 하는 착용로봇.The method according to claim 1,
Wherein the first and second driving portions and the pressure supplying portion are operated by hydraulic pressure or pneumatic pressure.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20210370493A1 (en) * 2020-05-27 2021-12-02 Roam Robotics Inc. Direct drive pneumatic transmission for a mobile robot
US11872181B2 (en) 2017-08-29 2024-01-16 Roam Robotics Inc. Semi-supervised intent recognition system and method
US11931307B2 (en) 2019-12-13 2024-03-19 Roam Robotics Inc. Skiing exoskeleton control method and system

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