KR101815989B1 - Front wearing stand-up assistance robot - Google Patents

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KR101815989B1
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조백규
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Abstract

본 발명은 전방착용 기립보조로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 발목부의 구동기를 이용하여 외력에 대해 자동으로 균형을 유지할 수 있고 사용자의 의도를 파악하여 다음 동작을 예측 및 보조할 수 있으며 전방으로 착용할 수 있는 전방착용 기립보조로봇에 관한 것이다.
전방착용 기립보조로봇은 각각이 제1 또는 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하고 각각의 중심 축이 이격된 복수의 발목 관절 구동기들 및 제1 골반 관절 구동기를 각각 포함하는 복수의 보조 다리부들; 각각이 제1 단에서 상기 제1 골반 관절 구동기와 연결되고 상기 사용자의 몸체 전면을 둘러싸고 몸체 후면을 개구하도록 절곡된 복수의 지지 바들(support bars)과 각각이 해당 지지 바의 제2 단에 연결되어 상기 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제2 골반 관절 구동기를 포함하는 몸체부; 및 사용자의 무게중심을 지속적으로 감지하여 상기 복수의 발목 관절 구동기들을 제어하여 상기 무게중심을 잡는 동작제어모듈을 포함한다.
The present invention relates to a front-standing standing-up assistance robot, and more particularly, it relates to a front-standing standing assistant robot which can automatically balance an external force by using an actuator of an ankle part and can predict and assist the next operation by grasping a user's intention, To a wearable standing-up standing-up robot.
The front-standing standing-up assistant robot includes a plurality of auxiliary legs each of which includes a plurality of ankle joint actuators and a first pelvic joint actuator, each of which provides a degree of freedom in a first or second direction and is spaced apart from each central axis; A plurality of support bars connected to the first pelvis joint actuator at the first end and each of which is bent to open the rear surface of the body surrounding the front surface of the user and connected to the second end of the support bar, A body portion including a second pelvis joint actuator for providing an operation degree of freedom in the second direction; And an operation control module for continuously sensing the center of gravity of the user and controlling the plurality of ankle joint actuators to hold the center of gravity.

Description

전방착용 기립보조로봇{FRONT WEARING STAND-UP ASSISTANCE ROBOT}{FRONT WEARING STAND-UP ASSISTANCE ROBOT}

본 발명은 전방착용 기립보조로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 발목부의 구동기를 이용하여 외력에 대해 자동으로 균형을 유지할 수 있고 사용자의 의도를 파악하여 다음 동작을 예측 및 보조할 수 있으며 전방으로 착용할 수 있는 전방착용 기립보조로봇에 관한 것이다.The present invention relates to a front-standing standing assistant robot, and more particularly, it relates to a front-standing standing assistant robot which can automatically balance an external force by using an actuator of an ankle portion and can predict and assist the next operation by grasping a user's intention, To a wearable standing-up standing-up robot.

보행보조로봇은 노약자나 장애인의 보행동작을 보조하는 로봇으로서, 주로 의료 전반에 활용되는 재활치료를 위한 로봇과 실내외 보행환경에서 근력이 저하된 노인이나 장애우의 독립적 활동 및 근력 보조를 위한 로봇의 용도로 개발되고 있다.The walking assist robot is a robot that assists the elderly or the handicapped in walking. It is mainly used for the rehabilitation therapy for general medical use, and for the independent activity of the elderly or the handicapped in the indoor / outdoor walking environment .

보행보조로봇은 사용자의 신체에 착용될 수 있는 형태로 제작되어 사용자의 팔이나 다리의 움직임을 감지하여 구동기가 장착된 로봇의 팔이나 다리를 움직이며 사용자의 움직임을 보조하고 힘을 증폭시키는 보행보조로봇을 말한다. 이러한 보행보조로봇은 자가 재활 치료 적용 시 제약이 많은 기존 보행보조로봇의 단점을 극복하기 위해 개발되고 있고, 사용자의 독립적 자가 보행 재활 훈련을 돕기 위해 사용자의 신체에 착용할 수 있는 형태로 개발되고 있다.The walking assist robot is manufactured in a form that can be worn on the user's body, and detects the motion of the user's arm or leg, thereby moving the arms or legs of the robot equipped with the actuator, It refers to robot. These walking-assist robots are being developed to overcome the disadvantages of existing walking-assist robots, which have limitations in the application of self-rehabilitation treatment, and are being developed in a form that can be worn on the user's body in order to help the user's self- .

종래의 보행보조로봇은 탑승을 하거나 후방에서 착용하는 형태로 구성되어 사용자 착용 및 기립 시 타인의 보조를 필수적인 전제로 해야 하는 단점이 있다. The conventional walking-assist robot has a disadvantage in that it is constructed in a form of being worn on the rear side or on the ground so that the user's assistance and assistance of the standing person should be a prerequisite.

종래의 보행보조로봇은 보행 시 외력이 작용하는 경우 복잡한 힘의 균형 상태를 유지하기 위한 구동 모듈의 동작 및 알고리즘이 단순하여 자가 균형 및 동력 제어에 많은 어려움을 겪고 있다. 따라서 보행 시 발생 가능한 외력 및 사용자의 힘을 기초로 로봇 스스로 균형을 정확하게 잡을 수 있고, 앉거나 서려는 혹은 전후좌우로 움직이거나 움직임을 거부하는 등의 사용자 움직임의 의도를 정확하게 예측하여 동작을 제어할 수 있는 보행보조로봇 기술 개발이 요구되고 있다.The conventional walking-assist robot suffers from difficulties in self-balancing and power control due to the simple operation and algorithm of the driving module for maintaining a complicated force balance state when an external force is applied during walking. Therefore, it is possible to precisely estimate the balance of the robot itself based on the external force and the user's force that can be generated when the robot is walking, accurately predict the intentions of the user's movement such as sitting or stopping, The robot has to be developed.

한국 등록특허 제10-1497673호는 간단한 구조 및 구성으로 효율적이고 자연스러운 보행 동작의 구동이 가능한 보행 보조장치를 제공하고, 보행 시 안정감 및 자세유지를 위한 균형을 확보할 뿐만 아니라, 보행에 따르는 충격을 완화하고 탑승자의 탑승감 및 안정성 높일 수 있는 탑승형 2족 보행 보조장치를 제공하는 장치 빛 방법에 관한 것이다.Korean Patent No. 10-1497673 proposes a walking assist device capable of driving an efficient and natural walking motion with a simple structure and configuration and not only secures a balance for maintaining stability and posture while walking, To provide a ride-on bipedal walking aid which can relieve passengers' feeling of ride and stability.

한국 공개특허공보 제2015-0142794호는 발바닥부에 마련된 힘센서의 측정값을 통하여 다리가 지지과정 또는 스윙과정인지 판단하는 판단단계 및 다리가 지지과정인 경우 다리 관절의 구동부에 동역학적 보상토크와 가상의 스프링-댐퍼모델의 완토크를 인가하는 지지단계를 포함하는 착용로봇의 보행제어방법 및 보행시스템을 소개한다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2015-0142794 discloses a method for determining whether a leg is a supporting process or a swing process through a measurement value of a force sensor provided at a sole of foot and a dynamic compensating torque A walking control method and a walking system of a wearing robot including a supporting step of applying a perfect torque of a virtual spring-damper model will be introduced.

한국 등록특허 제10-0716597호는 지능형 근력 및 보행 보조용 로봇에 관한 것으로서, 별도의 구동수단이 배제되어 무게가 가볍고 부피가 작아서 사용자가 쉽게 입고 벗을 수 있는 착탈식의 입는 로봇과, 사용자의 신체 하중을 실을 수 있게 손 또는 팔을 올려 놓으며 균형을 잡을 수 있고 전면의 모니터를 통해 여러가지 신체 및 상황정보를 볼 수 있도록 한 캐스터워커와, 캐스터워커에 장착되어 입는 로봇에 움직임을 위한 동력을 전달하는 동력전달장치로 구성함으로써, 고중량 및 큰 부피를 차지하는 동력전달장치가 사용자의 착용부분에 장착되는 기존 장치와 달리 사용자가 밀고 다닐 수 있는 캐스터워커에 장착됨에 따라, 사용자에 직접 착용되는 입는 로봇의 무게 및 부피를 크게 줄일 수 있다.Korean Patent No. 10-0716597 relates to a robot for intelligent muscular strength and a gait, which is a removable robot which can be easily put on and taken off by a user because the weight is light and the volume is small, , A caster walker that allows you to balance your body by placing your hands or arms on the front monitor to see various body and situational information and a robot that is mounted on a caster walker to transmit power for movement The power transmission device having a high weight and a large volume is mounted on the caster walker which can be pushed by the user unlike the conventional device in which the power transmission device is mounted on the wearer's part of the wearer, And the volume can be greatly reduced.

한국 등록특허 제10-1497673호 (2015.02.24 등록)Korean Registered Patent No. 10-1497673 (Registered on February 22, 2015) 한국 공개특허공보 제10-2015-0142794호 (2015.12.12 공개)Korean Patent Publication No. 10-2015-0142794 (published Dec. 12, 2015) 한국 등록특허 제10-0716597호 (2007.05.03 등록)Korean Patent No. 10-0716597 (registered on May 3, 2007)

본 발명의 일 실시예는 발목부의 구동기를 이용하여 외력에 대해 자동으로 균형을 유지하는 지능형 보조로봇을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide an intelligent auxiliary robot that automatically balances an external force by using an actuator of an ankle.

본 발명의 일 실시예는 다축 힘-토크센서 및 EMG 센서 등의 각종 센서를 포함한 동작제어모듈을 통해 사용자의 움직임을 즉각적으로 감지하고 사용자의 다음 행동을 정확하게 예측하여 전체 동작을 제어할 수 있는 보조로봇을 제공하고자 한다.One embodiment of the present invention provides an auxiliary motion control module that instantly senses a user's movement through an operation control module including various sensors such as a multi-axis force-torque sensor and an EMG sensor, accurately predicts a user's next behavior, We want to provide robots.

본 발명의 일 실시예는 전방으로 착용할 수 있어 타인의 보조 없이도 사용자의 자가 착용에 용이하고 기립을 보조할 수 있는 전방착용 기립보조로봇을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a front-standing standing-up assistance robot which can be worn forward and can assist a user in self-wearing and assist standing up without the assistance of others.

실시예들 중에서, 전방착용 기립보조로봇은 각각이 제1 또는 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하고 각각의 중심 축이 이격된 복수의 발목 관절 구동기들 및 제1 골반 관절 구동기를 각각 포함하는 복수의 보조 다리부들; 각각이 제1 단에서 상기 제1 골반 관절 구동기와 연결되고 상기 사용자의 몸체 전면을 둘러싸고 몸체 후면을 개구하도록 절곡된 복수의 지지 바들(support bars)과 각각이 해당 지지 바의 제2 단에 연결되어 상기 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제2 골반 관절 구동기를 포함하는 몸체부; 및 사용자의 무게중심을 지속적으로 감지하여 상기 복수의 발목 관절 구동기들을 제어하여 상기 무게중심을 잡는 동작제어모듈을 포함한다.In embodiments, the front-standing standing-up assistant robot may include a plurality of ankle joint actuators, each of which includes a plurality of ankle joint actuators and a first pelvic joint actuator each providing a degree of freedom in a first or second direction, Auxiliary legs; A plurality of support bars connected to the first pelvis joint actuator at the first end and each of which is bent to open the rear surface of the body surrounding the front surface of the user and connected to the second end of the support bar, A body portion including a second pelvis joint actuator for providing an operation degree of freedom in the second direction; And an operation control module for continuously sensing the center of gravity of the user and controlling the plurality of ankle joint actuators to hold the center of gravity.

상기 복수의 관절 구동기들 및 상기 제2 골반 관절 구동기들(이하, 보행 보조 구동기들) 각각은 상기 사용자의 동작에 따라 발생되는 해당 관절의 움직임을 센싱하는 다축 힘-토크센서를 포함할 수 있다.Each of the plurality of joint actuators and the second pelvis joint actuators (hereinafter, the gait assistant actuators) may include a multi-axis force-torque sensor for sensing motion of the joint generated according to the user's motion.

상기 몸체부는 상기 다축 힘-토크센서의 힘-토크 측정값들을 기초로 균형 알고리즘을 적용하고 중심축의 균형을 유지하기 위해 필요한 상기 다축 힘-토크센서의 힘-토크 변화량들을 예측하여 상기 보행 보조 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 하는 동작제어모듈을 더 포함 할 수 있다.The body part applies a balance algorithm based on force-torque measurements of the multiaxial force-torque sensor and estimates force-torque variations of the multiaxial force-torque sensor necessary to maintain balance of the central axle, And an operation control module for controlling the operation of the display device.

상기 동작제어모듈은 상기 다축 힘-토크센서를 통해 상기 사용자의 동작에 의해 발생되는 힘-토크 변화량을 기초로 다음의 동작을 예측하여 상기 보행 보조 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.And the operation control module controls the walking assist driver by predicting the following operation on the basis of a force-torque change amount generated by the user's operation through the multi-axis force-torque sensor.

상기 동작제어모듈은 상기 사용자의 동작이 발생되기 전에 상기 사용자의 근육에 인가되는 전기적 신호를 측정할 수 있는 근육힘 측정 센서를 통해 측정된 전기적 신호량을 기초로 다음의 동작을 예측하여 상기 보행 보조 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.The operation control module predicts the following operation based on the amount of the electrical signal measured through the muscle force measuring sensor capable of measuring an electrical signal applied to the user's muscles before the operation of the user occurs, And controlling the driving units.

상기 보조 다리부는 상기 사용자의 발로 탑승 가능하게 배치되어 상기 제2 발목 관절 구동기와 연결되는 발판을 더 포함할 수 있다.The auxiliary leg portion may further include a footrest disposed on the foot of the user and connected to the second ankle joint driver.

상기 보조 다리부는 상기 사용자의 무릎 관절과 대응하여 상기 제1 방향으로 동작 자유도를 제공하는 무릎 관절 구동기를 더 포함할 수 있다.The auxiliary leg may further include a knee joint actuator that provides an operation degree of freedom in the first direction corresponding to the knee joint of the user.

상기 보조 다리부는 상기 복수의 관절 구동기들을 연결하는 링커들을 더 포함할 수 있다.The auxiliary leg may further include linkers connecting the plurality of joint actuators.

상기 몸체부는 상기 몸체 플레이트에서 사용자의 반대편 일면에 연결되어 상기 사용자의 손에 의해 파지될 수 있도록 지면에 평행한 방향으로 연장되는 파지봉을 더 포함할 수 있다.The body portion may further include a gripper rod connected to one surface of the body plate opposite to the user and extending in a direction parallel to the ground so as to be gripped by the user's hand.

상기 몸체부는 상기 복수의 지지 바들 및 상기 제2 골반 관절 구동기들을 결합한 몸체 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The body may further include a body plate coupled with the plurality of support bars and the second pelvis joint actuators.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The disclosed technique may have the following effects. It is to be understood, however, that the scope of the disclosed technology is not to be construed as limited thereby, as it is not meant to imply that a particular embodiment should include all of the following effects or only the following effects.

본 발명의 일 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇은 발목부의 구동기를 이용하여 외력에 대해 자동으로 사용자의 균형을 유지할 수 있다.The front-standing standing assistant robot according to an embodiment of the present invention can automatically balance the user against an external force by using a driver of the ankle part.

본 발명의 일 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇은 다축 힘-토크센서 및 EMG 센서를 포함한 동작제어모듈을 통해 사용자의 움직임을 즉각적으로 감지하여 다음 행동을 예측함으로써 사용자의 의도를 정확하게 판단하여 전체 동작을 제어할 수 있다.The front-standing standing assistant robot according to an embodiment of the present invention accurately detects motion of a user through an operation control module including a multi-axis force-torque sensor and an EMG sensor to predict the next behavior, The operation can be controlled.

본 발명의 일 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇은 전방으로 착용할 수 있어 타인의 보조 없이도 사용자의 자가 착용에 용이하고 기립을 보조할 수 있다. The front-standing standing-up assistant robot according to the embodiment of the present invention can be worn forward, so that it is easy for the user to self-wear and assist in standing up without the assistance of other persons.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 착용한 사용자를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇의 구성을 나타내는 사시도(2a), 전면도(2b), 측면도(2c)이다.
1 is a diagram showing a user wearing an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a perspective view 2a, a front view 2b, and a side view 2c showing the configuration of the front-standing standing-up auxiliary robot according to the embodiment of the present invention.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The description of the present invention is merely an example for structural or functional explanation, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, the embodiments are to be construed as being variously embodied and having various forms, so that the scope of the present invention should be understood to include equivalents capable of realizing technical ideas. Also, the purpose or effect of the present invention should not be construed as limiting the scope of the present invention, since it does not mean that a specific embodiment should include all or only such effect.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.Meanwhile, the meaning of the terms described in the present application should be understood as follows.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.The terms "first "," second ", and the like are intended to distinguish one element from another, and the scope of the right should not be limited by these terms. For example, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" to another element, it may be directly connected to the other element, but there may be other elements in between. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. On the other hand, other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that the singular " include " or "have" are to be construed as including the stated feature, number, step, operation, It is to be understood that the combination is intended to specify that it does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.In each step, the identification code (e.g., a, b, c, etc.) is used for convenience of explanation, the identification code does not describe the order of each step, Unless otherwise stated, it may occur differently from the stated order. That is, each step may occur in the same order as described, may be performed substantially concurrently, or may be performed in reverse order.

본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한, 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The present invention can be embodied as computer-readable code on a computer-readable recording medium, and the computer-readable recording medium includes all kinds of recording devices for storing data that can be read by a computer system . Examples of the computer-readable recording medium include a ROM, a RAM, a CD-ROM, a magnetic tape, a floppy disk, an optical data storage device, and the like, and also implemented in the form of a carrier wave (for example, transmission over the Internet) . In addition, the computer-readable recording medium may be distributed over network-connected computer systems so that computer readable codes can be stored and executed in a distributed manner.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Commonly used predefined terms should be interpreted to be consistent with the meanings in the context of the related art and can not be interpreted as having ideal or overly formal meaning unless explicitly defined in the present application.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇을 설명하는 도면이다.1 is a view illustrating a front-standing standing-up assistance robot according to an embodiment of the present invention.

도 1a는 사용자가 앉은 자세에서 전방착용 기립보조로봇(100)을 착용하는 과정을 나타내고, 전방착용 기립보조로봇(100)은 사용자가 앉아서 착용 가능한 자세를 형성할 수 있다.1A shows a process of wearing a front-standing standing-up assistant robot 100 in a sitting position, and the front-standing standing-up assistant robot 100 can form a posture in which a user can sit and wear.

전방착용 기립보조로봇(100)의 착용을 위해서, 다음의 과정들이 수행될 수 있다.In order to wear the front-standing standing-up auxiliary robot 100, the following processes can be performed.

우선, 사용자는 발바닥을 발판(114)에 올려놓고, 필요에 따라, 다리 스트랩(130a)을 활용하여 발을 링커(112)에 결합시킨다. 사용자는 손을 파지봉(122)에 올려놓아 파지하고, 힘을 가하여 당김으로써 전방착용 기립보조로봇(100)을 앉아서 착용 가능한 자세로 변경시킨다. 사용자는 필요에 따라, 다리 스트랩(130b)을 활용하여 허벅지를 링커(112)에 결합시키고, 상체 스트랩(130c)을 활용하여 상체를 몸체 플레이트(124)에 결합시킨다.First, the user places his sole on the foot plate 114 and, if necessary, uses the leg strap 130a to join the foot to the linker 112. The user puts his / her hand on the gripper rod 122 and grasps it, and applies a force to change the front-wear standing-up assistant robot 100 to a sitting and wearable posture. The user uses the leg strap 130b to join the thigh to the linker 112 and attach the upper body to the body plate 124 by utilizing the upper body strap 130c.

본 발명의 일 실시예에 따라 사용자는 앉은 자세에서 타인의 보조 없이도 전방착용 기립보조로봇(100)을 스스로 착용할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the user can wear the front-standing standing-up assistant robot 100 himself or herself without assistance of the other person in a sitting position.

도 1b는 사용자가 전방착용 기립보조로봇(100)을 이용하여 보행하는 과정을 나타내고, 전방착용 기립보조로봇(100)은 사용자의 소량의 동작을 기초로 다음 동작을 예측하여 다리 관절 구동기(116)들 및 제2 골반 관절 구동기(128)들(이하, 보행 보조 구동기들)을 구동함으로써 사용자의 보행을 보조할 수 있다.1B shows a process in which the user walks using the front wear standing assistant robot 100. The front wear standing assistant robot 100 predicts the next operation based on a small amount of motion of the user, And the second pelvic joint actuators 128 (hereinafter, the gait assistant drivers) to assist the user's walking.

전방착용 기립보조로봇(100)의 동작을 위해서, 다음의 과정들이 수행될 수 있다.For the operation of the front-standing standing-up assistance robot 100, the following processes can be performed.

우선, 전방착용 기립보조로봇(100)은 사용자에 의해 동작이 발생되기 전에 사용자의 근육에 인가되는 전기적인 신호가 가해지면, 동작제어모듈(140) 내에 장착된 근육힘 측정 센서를 이용하여 해당 신호를 근육힘 측정값으로 변환할 수 있다. 이후 동작제어모듈(140)은 상기 근육힘 측정값을 기초로 보행 알고리즘을 적용하여 현재 상태를 연산하고, 사용자의 다음 동작을 예측하여 다리 관절 구동기(116)들 및 제2 골반 관절 구동기(128)들을 가동시켜 사용자의 기립 또는 초기 보행을 보조할 수 있다. 이후, 전방착용 기립보조로봇(100)은 사용자의 동작이 발생하는 경우 보행 보조 구동기들에 장착된 다축 힘-토크 센서를 이용하여 힘-토크 변화량을 측정하여 이를 기초로 사용자의 다음 동작을 예측하여 보행 보조 구동기들을 가동시킴으로써 보행을 보조할 수 있다. 또한, 동작제어모듈(140)은 상기 힘-토크 변화량을 기초로 균형 알고리즘을 적용하여 균형을 유지하기 위해 필요한 보행 보조 구동기들의 동작을 예측하여 구동함으로써 전체적인 균형을 유지하여 사용자의 보행을 보조할 수 있다.First, when an electric signal applied to the user's muscle is applied by the user before the motion is generated by the user, the front-standing standing-up assistant robot 100 uses the muscle force measurement sensor mounted in the motion control module 140, To a muscle force measurement value. Then, the operation control module 140 computes the current state by applying the gait algorithm based on the muscle force measurement values, and calculates the current state of the leg joint actuators 116 and the second pelvis joint actuators 128, So that the user can stand up or start walking. Then, when the user's action occurs, the front-standing standing-up assistant robot 100 measures a force-torque change amount using a multi-axis force-torque sensor mounted on the gait assistant drivers and predicts the next action of the user based on the measured force- The walking assist can be assisted by operating the walking assist driver. Further, the operation control module 140 predicts and drives the motion of the walking aiding actuators necessary to maintain balance by applying a balance algorithm based on the amount of change in the force-torque, thereby maintaining the overall balance and assisting the walking of the user have.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전방착용 기립보조로봇(100)의 구성을 나타내는 사시도(도 2a), 전면도(도 2b) 및 측면도(도 2c)이다.FIG. 2 is a perspective view (FIG. 2A), a front view (FIG. 2B), and a side view (FIG. 2C) showing the configuration of the front-standing standing-up assistance robot 100 according to the embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 전방착용 기립보조로봇(100)은 복수의 보조 다리부(110)들과 몸체부(120)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the front-standing standing-up assistant robot 100 may include a plurality of auxiliary legs 110 and a body 120.

복수의 보조 다리부(110)들은 각각이 제1 또는 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하고 각각의 중심 축이 이격된 복수의 발목 관절 구동기들 및 제1 골반 관절 구동기를 각각 포함할 수 있다. 상기 복수의 발목 관절 구동기들 및 제1 골반 관절 구동기들은 다리 관절 구동기(116)로 표현될 수 있다. 보다 구체적으로, 다리 관절 구동기(116)들은 각각이 사용자의 골반 관절들과 대응하여 제1 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제1 골반 관절 구동기(116a)들, 사용자의 무릎 관절들과 대응하여 제1 방향으로 동작 자유도를 제공하는 무릎 관절 구동기(116b)들, 사용자의 발목 관절들과 대응하여 제1 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제1 발목 관절 구동기(116c)들을 포함하여 구성될 수 있고, 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제2 발목 관절 구동기(116d)들을 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제1 발목 관절 구동기(116c)와 제2 발목 관절 구동기(116d)는 각각의 중심 축이 이격되어 있어 넓은 동작 자유도를 제공할 수 있고, 사용자의 무게중심을 지속적으로 감지하는 동작제어모듈에 의해 제어되어 전체 균형을 유지하는 동작을 수행할 수 있다.The plurality of auxiliary legs 110 may each include a plurality of ankle joint actuators and a first pelvis joint actuator each of which provides a degree of freedom in the first or second direction and is spaced apart from each central axis. The plurality of ankle joint actuators and the first pelvis joint actuators may be represented by a leg joint actuator 116. More specifically, the leg joint drivers 116 include first pelvis joint actuators 116a each corresponding to the user's pelvic joints to provide a degree of freedom in a first direction, And a first ankle joint driver 116c for providing an operation degree of freedom in a first direction corresponding to the ankle joints of the user, And a second ankle joint driver 116d that provides a degree of freedom of motion in the direction of the second ankle joint. The first ankle joint driver 116c and the second ankle joint driver 116d are spaced apart from each other by their center axes to provide a wide freedom of motion and are controlled by an operation control module It is possible to perform an operation of controlling and maintaining a full balance.

상기 다리 관절 구동기(116)들을 포함한 보행 보조 구동기들 각각은 사용자의 관절들과 대응하여 특정 방향의 동작 자유도를 제공한다. 특정 방향에 해당하는 로봇 관절의 움직임은 3차원 직교 좌표의 구조, 즉, X, Y, Z 3차원 공간을 향해 직선 방향으로 로봇이 움직이거나 X, Y, Z축을 중심축으로 그 축을 회전하는 방향(Roll, Pitch, Yaw)으로 표현할 수 있다. 로봇의 좌우를 직교하는 축을 X축으로 놓고 이를 중심으로 회전하는 방향은 Pitch에 대응되고, 앞뒤를 직교하는 축을 Y축으로 놓고 이를 중심으로 회전하는 방향은 Roll에 대응될 수 있으며, 상하면을 직교하는 축을 Z축으로 놓고 이를 중심으로 회전하는 방향은 Yaw에 대응될 수 있다. 이에 따라 제1 골반 관절 구동기(116a)들, 무릎 관절 구동기(116b)들, 제1 발목 관절 구동기(116c)들은 각각이 해당 관절에 대응하여 Pitch 방향으로 동작 자유도를 제공할 수 있고, 제2 발목 관절 구동기(116d)들 및 제2 골반 관절 구동기(128)들은 Roll 방향으로 동작 자유도를 제공할 수 있다. Each of the walking assist drivers including the leg joint actuators 116 corresponds to the joints of the user and provides a certain degree of freedom of operation. The motion of the robot joint corresponding to a specific direction is a direction in which the robot moves in a linear direction toward the three-dimensional Cartesian coordinate system, that is, the three-dimensional space of X, Y, Z or the direction in which the axis is rotated about the X, (Roll, Pitch, Yaw). The direction orthogonal to the left and right sides of the robot is placed on the X axis, and the direction of rotation about the robot corresponds to the pitch. The axis orthogonal to the front and the back is positioned on the Y axis, and the direction of rotation about the Y axis corresponds to the roll. The direction in which the axis is placed on the Z axis and which rotates about it is Yaw. Accordingly, the first pelvis joint actuators 116a, the knee joint actuators 116b, and the first ankle joint actuators 116c can provide the degree of freedom in the pitch direction corresponding to the corresponding joints, The joint actuators 116d and the second pelvis joint actuators 128 may provide an operational degree of freedom in the Roll direction.

보행 보조 구동기들 각각은 전력을 이용하여 회전운동의 힘을 얻는 구동기, 감각 관련 신호들을 분석하여 외부의 상태를 감지하는 센서 및 주변 모듈을 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 구동기는 특히 사람의 관절과 대응하여 유사 기능을 수행하면서 제1 및 제2 동작 자유도를 제공할 수 있도록 설계된 구동기를 의미하고, 이와 관련하여 본 발명에서 전력을 이용하여 회전 운동의 힘을 얻는 구동기의 용어를 사용하였으나 이에 한정되지 않으며, 모터, 유압 구동기 및 공기압 구동기 등 로봇을 구동하는데 사용되고 산업에서 이용 가능한 다양한 종류를 포함할 수 있다. 이중에서 구동기로서 주로 사용되는 모터는 최대 토크를 빠르게 출력 가능하여 주로 바퀴를 구동할 때 사용되는 AC모터, 짧은 듀티 사이클에서 강점을 갖는 DC모터, 제어가 편리한 스테핑모터, 컨트롤러의 제어 신호로 인해 높은 정밀도의 구동이 가능한 서보모터 및 이들의 혼합형인 복합 디지털 모터의 예를 들 수 있다. 또한, 센서는 3차원적인 운동을 감지하기 위하여 지표면을 기준으로 기울기를 측정하는 가속도센서와 각속도를 측정하여 얻은 정보를 가지고 기울기를 측정하는 자이로센서 각각에 해당하거나 이들을 조합하여 구성한 다축 힘-토크 센서에 해당할 수 있으며, 사용자의 움직임이 외력으로 나타나기 전에 전기적 신호를 측정할 수 있는 근육힘 측정 센서 등에 해당할 수 있다. 복수의 센서들에 의해 감지된 신호들은 동작제어모듈(140)에 전달된 후 균형 알고리즘을 통해 전체적인 균형을 유지하는데 사용될 수 있고, 보행 알고리즘을 통해 다음 동작을 예측하는데 사용될 수 있다. 해당 내용은 동작제어모듈(140)에 대한 설명에서 더 자세히 서술하도록 한다.Each of the gait assistant drivers may include a driver for obtaining the rotational force using electric power, a sensor for sensing external conditions by analyzing sensory related signals, and a peripheral module. Here, the driver means a driver designed to provide first and second operating degrees of freedom, in particular, performing similar functions in correspondence with the joints of a person, and in the present invention, But the present invention is not limited thereto, and may include various kinds of motors, hydraulic actuators and pneumatic actuators, which are used for driving the robots and which can be used in industry. Among them, the motors mainly used as actuators are capable of outputting the maximum torque quickly. Therefore, the AC motor used mainly for driving the wheels, the DC motor having the strength in the short duty cycle, the stepping motor which is easy to control, Servo motors capable of driving precision, and hybrid digital motors of these types. In addition, the sensor includes an acceleration sensor for measuring the inclination with respect to the surface of the ground to detect the three-dimensional motion, a multi-axis force-torque sensor comprising the combination of the acceleration sensor for measuring the angular velocity and the gyro sensor for measuring the inclination, And a muscle force measuring sensor capable of measuring an electrical signal before a user's movement appears as an external force. Signals sensed by the plurality of sensors may be transmitted to the motion control module 140 and then used to maintain overall balance through a balance algorithm and may be used to predict the next motion through a gait algorithm. The contents thereof will be described in more detail in the description of the operation control module 140.

보조 다리부(110)들은 사용자의 사용자의 발로 탑승 가능하게 배치되어 상기 제2 발목 관절 구동기(116d)와 연결되는 발판(114)을 더 포함할 수 있다. 이에 따라 보조 다리부(110)들 내에서 사용자의 다리 외측을 따라 각각이 형성된 다리 관절 구동기(116)들은 다리 외측의 하단부에서 발판(114)과 연결될 수 있다. 발판(114)은 제2 발목 관절 구동기(116d)와 결합하여 사용자의 무게를 지지하고 보행을 보조하도록 판형상으로 제작될 수 있다. The auxiliary leg portions 110 may further include a footrest 114 disposed on the user's foot for connection with the second ankle joint driver 116d. Accordingly, the leg joint actuators 116, each formed along the outside of the user's legs in the auxiliary leg portions 110, can be connected to the footrest 114 at the lower end of the legs. The foot plate 114 may be formed in a plate shape to support the weight of the user and to assist walking by being joined with the second ankle joint driver 116d.

보조 다리부(110)들은 복수의 관절 구동기들을 연결하는 링커(112)들을 더 포함할 수 있다. 여기에서, 링커(112)는 사용자의 다리 외측을 따라 이어지는 다리 관절 구동기(116)들을 해당 관절들과 대응하여 동작할 수 있도록 물리적으로 연결하는 막대형상의 보조 모듈에 해당하고, 해당 구동기들 간의 전기적 신호 전달 및 증폭을 위한 회로 모듈들을 내외부에 더 포함할 수 있다. 또한, 보조 다리부(110)들은 사용자의 다리를 안정적으로 지지하기 위한 고정수단인 다리 스트랩(130a, 130b)을 더 포함할 수 있다.The auxiliary legs 110 may further include linkers 112 connecting the plurality of joint actuators. Here, the linker 112 corresponds to a bar-shaped auxiliary module that physically connects the leg joint drivers 116 that are connected to the legs of the user along the legs to correspond to the joints, And may further include circuit modules for signal transmission and amplification inside and outside. The auxiliary legs 110 may further include leg straps 130a and 130b as fixing means for stably supporting the user's legs.

몸체부(120)는 각각이 제1 단에서 다리 관절 구동기(116)들 중 제1 골반 관절 구동기(116a)들과 연결되고 사용자의 몸체 전면을 둘러싸고 몸체 후면을 개구하도록 절곡된 복수의 지지 바들(support bars)(126)과 각각이 복수의 지지 바(126)들의 제2 단들에 연결되어 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제2 골반 관절 구동기(128)들을 포함할 수 있다.The body part 120 is connected to the first pelvis joint actuators 116a of the leg joint actuators 116 at the first end and includes a plurality of support bars (not shown) which are bent to open the rear face of the body, support bars 126 and second pelvis joint actuators 128 each coupled to second ends of the plurality of support bars 126 to provide a degree of freedom in a second direction.

몸체부(120)는 복수의 지지 바(126)들 및 제2 골반 관절 구동기(128)들을 결합한 몸체 플레이트(124)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 몸체 플레이트(124)는 사용자의 상체를 고정 및 지지하기 위해 판형상으로 제작되어 제2 골반 관절 구동기들과 연결되는 복수의 지지 바들과 결합하는 보조 모듈을 말한다. 몸체 플레이트(124)는 사용자의 상체를 안정적으로 지지하기 위한 고정수단인 상체 스트랩(130c)을 더 포함할 수 있다.The body part 120 may further include a body plate 124 combining the plurality of support bars 126 and the second pelvis joint actuators 128. The body plate 124 refers to an auxiliary module that is combined with a plurality of support bars that are formed in a plate shape to fix and support the upper body of the user and are connected to the second pelvis joint actuators. The body plate 124 may further include an upper body strap 130c as a fixing means for stably supporting the upper body of the user.

몸체부(120)는 몸체 플레이트(124)에서 사용자의 반대편 일면에 연결되어 사용자의 손에 의해 파지될 수 있도록 지면에 평행한 방향으로 연장되는 파지봉(122)을 더 포함할 수 있다. 사용자는 파지봉(122)의 일부를 손으로 파지하고 힘을 가하여 당김으로써 보행 전 전방착용 기립보조로봇(100)을 착용하기 위한 수단으로 활용할 수 있고, 보행 중 스스로 신체의 균형을 조정할 수 있으며, 파지봉(122)의 일부를 손으로 쥐고 특정 방향으로 힘을 가하거나 회전시키는 등의 수동 제어를 통해 다리 관절 구동기(116)들 및 제2 골반 관절 구동기(128)들을 가동시킴으로써 원하는 동작을 보조하도록 할 수 있다. 또한, 사용자는 파지봉(122)의 일부에 무게가 있는 짐을 올릴 수 있고, 이 경우, 상기 짐의 무게는 동작제어모듈(140) 내 복수의 센서들에 의해 감지된 후 균형 알고리즘을 통해 전체적인 균형을 유지하는데 사용될 수 있다. 여기에서, 파지봉(122)은 둘레가 둥근 대를 의미하는 봉이라는 용어를 사용하였지만, 이에 제한되지 않고 서술한 기능과 유사하게 사용자의 손에 의해 파지될 수 있는 다양한 형태를 포함할 수 있다.The body part 120 may further include a gripping rod 122 connected to one surface of the body plate 124 opposite to the user and extending in a direction parallel to the ground so as to be gripped by a user's hand. The user can utilize the part of the grip rod 122 as a means for wearing the forward-standing standing-up assistant robot 100 by grasping a part of the gripper by hand and applying a force to pull the gripper rod 122 by hand, To assist the desired operation by operating the leg joint actuators 116 and the second pivot joint actuators 128 through manual control such as holding a part of the gripping rod 122 by hand and applying or rotating the force in a specific direction can do. In addition, the user may lift a load with a weight on a portion of the grip rod 122, in which case the weight of the load is sensed by a plurality of sensors in the motion control module 140, Lt; / RTI > Here, the gripper rod 122 uses the term rod, which means round the circumference, but it is not limited thereto and may include various forms that can be grasped by the user's hand similarly to the described function.

몸체부(120)는 몸체 플레이트(124)에서 사용자의 반대편 일면에 장착되어 전방착용 기립보조로봇(100) 내부의 전원을 공급하는 대용량의 배터리팩(135)을 포함할 수 있고, 상기 배터리팩(135)은 탈부착 및 휴대 가능하도록 제작될 수 있다.The body part 120 may include a large-capacity battery pack 135 mounted on one side of the body plate 124 opposite to the user to supply power to the inside of the front-standing upright supporting robot 100, 135 may be made detachable and portable.

보행 보조 구동기들 각각은 사용자의 동작에 따라 발생되는 해당 관절의 움직임을 센싱하는 다축 힘-토크센서를 포함할 수 있다. 여기에서, 다축 힘-토크센서는 3차원적인 운동을 감지하기 위하여 지표면을 기준으로 기울기를 측정하는 가속도센서와 각속도를 측정하여 얻은 정보를 가지고 기울기를 측정하는 자이로센서 다수 개의 조합으로 구성될 수 있고, 그 예로는 3개의 자이로센서와 3개의 가속도센서를 포함하여 6자유도를 갖도록 구성된 6축 힘-토크 센서를 들 수 있다. 다축 힘-토크센서에 의해 감지된 신호는 균형 알고리즘을 통해 전체적인 균형을 유지하는데 사용될 수 있다.Each of the gait assistant drivers may include a multi-axis force-torque sensor for sensing the movement of the corresponding joint generated according to the user's operation. Here, the multi-axis force-torque sensor may be composed of a combination of an acceleration sensor for measuring the tilt with respect to the surface of the ground to detect three-dimensional motion and a plurality of gyro sensors for measuring the tilt with information obtained by measuring the angular velocity For example, a six-axis force-torque sensor including three gyro sensors and three acceleration sensors and configured to have six degrees of freedom. The signals sensed by the multi-axis force-torque sensor can be used to balance the overall balance algorithm.

몸체부(120)는 사용자의 무게중심을 지속적으로 감지하여 상기 복수의 발목 관절 구동기들을 제어하여 상기 무게중심을 잡는 동작제어모듈(140)을 포함할 수 있다. The body part 120 may include an operation control module 140 that continuously detects the center of gravity of the user and controls the plurality of ankle joint actuators to hold the center of gravity.

동작제어모듈(140)은 상기 다축 힘-토크센서의 힘-토크 측정값들을 기초로 균형 알고리즘을 적용하고 중심축의 균형을 유지하기 위해 필요한 다축 힘-토크센서의 힘-토크 변화량들을 예측하여 보행 보조 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.The motion control module 140 applies the balance algorithm based on the force-torque measurements of the multi-axis force-torque sensor and predicts the force-torque variations of the multi-axis force-torque sensor necessary to maintain balance of the central axis, And controlling the driving units.

동작제어모듈(140)은 사용자가 힘을 가하였을 때 외력을 측정하는 다축 힘-토크센서 외에도 관절을 움직일 때의 각도 변화를 측정하는 엔코더, 압력에 따른 저항 변화량을 측정하는 FSR(Force-Sensing Resistor) 센서, 사용자의 근육에 인가되는 전기적 신호를 측정할 수 있는 EMG(Electromyograph) 센서와 같은 근육힘 측정 센서 등 복수의 센서들과, 상기 센서들에 의해 측정되는 정보들을 기초로 종합적인 컴퓨팅을 수행하는 MCU(Micro Controller Unit)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서 MCU는 마이크로프로세서와 입출력 모듈을 하나의 칩으로 만들어 정해진 기능을 수행하는 컴퓨터를 말하고, CPU(Central Processing Unit) 코어와 메모리 그리고 프로그램 가능한 입/출력을 가지고 있어 정해진 기능을 수행하도록 프로그래밍 코딩 및 기계어 코드를 써 넣을 수 있다.In addition to the multi-axis force-torque sensor for measuring the external force when the user applies force, the operation control module 140 includes an encoder for measuring an angle change when the joint is moved, a force-sensing resistor (FSR) ) Sensor, a muscular force measuring sensor such as an EMG (Electromyograph) sensor capable of measuring an electrical signal applied to the user's muscles, and a plurality of sensors, and performs comprehensive computing based on the information measured by the sensors And a micro controller unit (MCU). Here, the MCU refers to a computer that has a microprocessor and an I / O module formed into a single chip, performs a predetermined function, has a CPU (Central Processing Unit) core and a memory, and has programmable inputs and outputs. You can write machine code.

동작제어모듈(140)은 복수의 센서들로부터 측정한 값들을 기초로 균형 알고리즘을 적용하여 현재의 균형 상태를 연산할 수 있고, 중심축의 균형을 유지하기 위해 필요한 보행 보조 구동기들의 동작 변화량을 예측하여 해당 보행 보조 구동기들을 제어할 수 있다.The operation control module 140 can calculate the present balance state by applying a balance algorithm based on the values measured from the plurality of sensors, predicts the amount of operation change of the walking assist driver required to maintain the balance of the central axis The walking assist driver can be controlled.

동작제어모듈(140)은 상기 복수의 센서들로부터 측정한 값들을 기초로 다음의 동작을 예측하여 보행 보조 구동기들을 제어할 수 있다. 예를 들어, 다축 힘-토크센서를 통해 사용자의 동작에 의해 발생되는 힘-토크 변화량을 기초로 다음의 동작을 예측하여 보행 보조 구동기들을 제어할 수 있고, 혹은 사용자의 동작에 의한 움직임이 외력으로 나타나기 전에 사용자의 근육에 인가되는 전기적 신호를 측정할 수 있는 근육힘 측정 센서를 통해 측정된 전기적 신호량을 기초로 다음의 동작을 예측하여 보행 보조 구동기들을 제어할 수 있다.The operation control module 140 may control the walking assist drivers by predicting the following operation based on the values measured from the plurality of sensors. For example, it is possible to control the walking aiding actuators by predicting the following actions on the basis of the amount of force-torque change generated by the user's operation via the multi-axis force-torque sensor, The gait assistant drivers can be controlled by predicting the following actions based on the amount of electrical signals measured by the muscle force measuring sensor capable of measuring electrical signals applied to the user's muscles before they appear.

동작제어모듈(140)은 상기 다음의 동작 예측에 있어서 보행패턴을 구분 및 인식할 수 있는 알고리즘을 적용할 수 있다. 사람의 보행패턴은 Foot Flat → Midstance → Terminal Stance → PreSwing → Initial-Swing → Midswing → TerminalSwing 총 7단계의 연속적으로 이어지는 보행 단계를 갖기 때문에 사용자의 보행을 보조하기 위해서 각 단계를 정확하게 구분하고 현재 상태에 따른 지지 방식을 다르게 가져갈 필요가 있다. 따라서 동작제어모듈(140)은 다축 힘-토크센서 및 근육힘 측정 센서 등 복수의 센서들로부터 변환한 측정값들을 기초로 사용자의 현재 상태를 연산하여 현재 보행 단계를 인식할 수 있다. 동작제어모듈(140)은 인식한 현재 보행 단계에 따라 다음 단계를 예측할 수 있고, 사용자의 근력을 연속적으로 지지할 수 있도록 보행 보조 구동기들을 제어하여 사용자의 보행을 보조할 수 있다.The motion control module 140 may apply an algorithm capable of distinguishing and recognizing the gait pattern in the next motion prediction. Since the walking pattern of the person has a continuous step of walking in 7 stages of Foot Flat → Midstance → Terminal Stance → PreSwing → Initial-Swing → Midswing → TerminalSwing in order to assist the walking of the user, It is necessary to take different support methods accordingly. Accordingly, the operation control module 140 can recognize the current walking step by calculating the current state of the user based on the measured values converted from the plurality of sensors such as the multi-axis force-torque sensor and the muscle force measuring sensor. The operation control module 140 can predict the next step according to the recognized current walking step and assist the walking of the user by controlling the walking assist drivers so as to support the user's strength continuously.

동작제어모듈(140)은 상기 균형 알고리즘과 일반 보행 패턴 알고리즘 외에도 전방착용 기립보조로봇(100)의 착용 및 해제 알고리즘, 계단보행보조 알고리즘, 뒤로 걷기 알고리즘, 좌우 움직임 알고리즘 및 그 밖에 사용자의 동작 전반에 관한 움직임의 의도를 종합적으로 파악할 수 있는 다양한 알고리즘을 적용하여 사용자의 복합적인 의도에 따라 예측되는 다음 동작을 기초로 보행 보조 구동기들을 제어할 수 있다.In addition to the balance algorithm and the general gait pattern algorithm, the motion control module 140 may control the wearing and releasing algorithms of the front-standing standing assistant robot 100, the stair walking aiding algorithm, the backward walking algorithm, the left and right motion algorithm, It is possible to control the gait assistant drivers based on the next operation predicted according to the complex intention of the user by applying various algorithms to comprehensively understand the intention of the gait related to the motion.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims It can be understood that

100: 전방착용 기립보조로봇
110: 보조 다리부
112: 링커
114: 발판
116: 다리 관절 구동기
116a: 제1 골반 관절 구동기
116b: 무릎 관절 구동기
116c: 제1 발목 관절 구동기
116d: 제2 발목 관절 구동기
120: 몸체부
122: 파지봉
124: 몸체 플레이트
126: 지지 바
128: 제2 골반 관절 구동기
130: 스트랩
130a: 다리 스트랩
130b: 다리 스트랩
130c: 상체 스트랩
135: 배터리팩
140: 동작제어모듈
100: Front worn standing assist robot
110: auxiliary leg
112: Linker
114: Scaffolding
116: Leg joint actuator
116a: First pelvic joint actuator
116b: a knee joint actuator
116c: first ankle joint actuator
116d: second ankle joint actuator
120:
122: Finger Jib
124: Body plate
126: Support bar
128: second pelvic joint actuator
130: Strap
130a: Leg strap
130b: leg strap
130c: upper body strap
135: Battery pack
140: Operation control module

Claims (10)

각각이 제1 또는 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하고 각각의 중심 축이 이격된 복수의 발목 관절 구동기들 및 상기 제1 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제1 골반 관절 구동기를 각각 포함하는 복수의 보조 다리부들;
각각이 제1 단에서 상기 제1 골반 관절 구동기와 연결되고 사용자의 몸체 전면을 둘러싸고 몸체 후면을 개구하도록 절곡된 복수의 지지 바들(support bars)과 각각이 해당 지지 바의 제2 단에 연결되어 상기 제2 방향으로 동작 자유도를 제공하는 제2 골반 관절 구동기를 포함하는 몸체부; 및
사용자의 무게중심을 지속적으로 감지하여 상기 복수의 발목 관절 구동기들을 제어하여 상기 무게중심을 잡는 동작제어모듈을 포함하고,
상기 복수의 관절 구동기들 및 상기 제2 골반 관절 구동기들(이하, 보행 보조 구동기들) 각각은 상기 사용자의 동작에 따라 발생되는 해당 관절의 움직임을 센싱하는 다축 힘-토크센서를 포함하고,
상기 동작제어모듈은 상기 사용자의 동작이 발생되기 전에 상기 사용자의 근육에 인가되는 전기적 신호를 측정할 수 있는 근육힘 측정 센서를 통해 측정된 전기적 신호량을 기초로 다음의 동작을 예측하여 상기 보행 보조 구동기들을 가동시켜 상기 사용자의 기립 또는 초기 보행을 보조하고, 상기 사용자의 동작이 발생되는 경우 상기 다축 힘-토크센서를 이용하여 상기 사용자의 동작에 의해 발생되는 힘-토크 변화량을 측정하여 이를 기초로 상기 사용자의 다음 동작을 예측하여 상기 보행 보조 구동기들을 가동시킴으로써 상기 사용자의 보행을 보조하는 전방착용 기립보조로봇.
A plurality of ankle joint actuators each providing a degree of freedom in a first or second direction and spaced apart from each central axis and a first pelvic joint actuator each providing a degree of freedom of motion in the first direction, Legs;
A plurality of support bars connected to the first pelvis joint actuator at the first end and surrounding the front surface of the user's body and bent to open the rear surface of the body and each of the support bars connected to the second end of the support bar, A body portion including a second pelvis joint actuator for providing a motion freedom in a second direction; And
And an operation control module for continuously sensing the center of gravity of the user and controlling the plurality of ankle joint actuators to hold the center of gravity,
Each of the plurality of joint actuators and the second pelvis joint actuators (hereinafter, the walking assistant actuators) includes a multi-axis force-torque sensor for sensing a movement of the joint generated according to the user's operation,
The operation control module predicts the following operation based on the amount of the electrical signal measured through the muscle force measuring sensor capable of measuring an electrical signal applied to the user's muscles before the operation of the user occurs, Torque sensors are used to assist the user's standing or initial walking, and when the user's action is generated, a force-torque change amount generated by the user's operation is measured using the multi-axis force-torque sensor, Wherein the walking assistant actuators are operated by predicting the next operation of the user, thereby assisting the walking of the user.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 몸체부는
상기 다축 힘-토크센서의 힘-토크 측정값들을 기초로 균형 알고리즘을 적용하고 중심축의 균형을 유지하기 위해 필요한 상기 다축 힘-토크센서의 힘-토크 변화량들을 예측하여 상기 보행 보조 구동기들을 제어하는 것을 특징으로 하는 동작제어모듈을 더 포함하는 전방착용 기립보조로봇.
2. The apparatus of claim 1, wherein the body
And controlling the walking assist driver by predicting the force-torque variation amounts of the multi-axis force-torque sensor necessary to maintain the balance of the central axis by applying a balance algorithm based on the force-torque measurement values of the multi-axis force- torque sensor Further comprising a motion control module that is characterized by:
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 보조 다리부는
상기 사용자의 발로 탑승 가능하게 배치되어 상기 복수의 발목 관절 구동기와 연결되는 발판을 더 포함하는 전방착용 기립보조로봇.
2. The apparatus according to claim 1, wherein the auxiliary leg
Further comprising: a footrest mounted on the foot of the user and connected to the plurality of ankle joint actuators.
제6항에 있어서, 상기 보조 다리부는
상기 사용자의 무릎 관절과 대응하여 상기 제1 방향으로 동작 자유도를 제공하는 무릎 관절 구동기를 더 포함하는 전방착용 기립보조로봇.
7. The apparatus according to claim 6, wherein the auxiliary leg
And a knee joint actuator for providing a degree of freedom in the first direction in correspondence with the knee joint of the user.
제7항에 있어서, 상기 보조 다리부는
상기 복수의 관절 구동기들을 연결하는 링커들을 더 포함하는 전방착용 기립보조로봇.
8. The apparatus according to claim 7, wherein the auxiliary leg
Further comprising linkers connecting the plurality of joint actuators.
제1항에 있어서, 상기 몸체부는
상기 복수의 지지 바들 및 상기 제2 골반 관절 구동기들을 결합한 몸체 플레이트를 더 포함하는 전방착용 기립보조로봇.
2. The apparatus of claim 1, wherein the body
Further comprising a body plate coupled to the plurality of support bars and the second pelvis joint actuators.
제9항에 있어서, 상기 몸체부는
상기 몸체 플레이트에서 사용자의 반대편 일면에 연결되어 상기 사용자의 손에 의해 파지될 수 있도록 지면에 평행한 방향으로 연장되는 파지봉을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전방착용 기립보조로봇.
10. The apparatus of claim 9, wherein the body
Further comprising a gripper rod connected to one surface of the body plate opposite to the user and extending in a direction parallel to the ground so as to be gripped by the user's hand.
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