KR101841126B1

KR101841126B1 - 착용형 로봇의 자세 제어 장치 및 그 장치의 제어 방법

Info

Publication number: KR101841126B1
Application number: KR1020160097262A
Authority: KR
Inventors: 서창훈; 이상훈
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2018-03-22
Also published as: KR20180013472A

Abstract

본 발명은 착용형 로봇의 자세 제어 장치 및 그 장치의 제어 방법에 관한 것으로, 착용형 로봇의 자세를 제어하는 자세 제어 장치에 있어서, 상기 로봇을 착용한 사용자의 보행 상태를 감지하는 센서부와, 롤(roll) 방향에서 특정 방향의 모멘트(moment)를 발생시키는 적어도 하나의 구동부, 및, 상기 사용자의 보행 상태를 감지한 결과에 근거하여 사용자가 한쪽 다리로 몸체를 지지하고 있는 상태인지 여부를 판단하며, 사용자가 한쪽 다리로 몸체를 지지하고 있는 상태인 경우, 상기 사용자가 몸체를 지지하는 다리에 대응되는 방향의 모멘트가 발생되도록 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

착용형 로봇의 자세 제어 장치 및 그 장치의 제어 방법{ATTITUDE CONTROL APPARATUS FOR AN WEARABLE TYPE ROBOT AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}

본 발명은 착용형 로봇의 자세 제어 장치 및 그 장치의 제어 방법에 관한 것이다.

착용형 로봇은 사람의 근력을 지원하거나 증폭하기 위한 목적으로 액추에이터를 구동하지만 2족 로봇 등과는 달리, 자세 제어는 착용자가 스스로 하는 것이 일반적이다. 그리고 종래 개발된 착용형 로봇 시스템의 경우 전체 착용로봇 시스템의 부피 및 중량을 줄이기 위하여 엉덩이 관절/무릎관절 또는 무릎관절 단독으로 피치 방향에만 구동기를 배치하여 사용하고 있다.

따라서 현재의 착용형 로봇은 롤 방향 자세에 대해서는 착용자의 힘만으로 안정적인 자세를 유지할 수 밖에 없다. 그러나 국방 분야와같이 고속 기동과 동시에 고하중의 등짐을 짊어지는 경우, 사람의 힘만으로 자세를 유지하기는 힘들다. 또한 로봇이 아무리 잘 설계되었다고 하더라도 사람의 모든 움직임을 구속하지 않을 수 없고, 이는 착용자의 안정적인 자세 유지에 있어 방해 요소로 작용할 수 있다.

본 발명의 목적은, 착용형 로봇을 착용한 사용자가, 국방 분야와 같이 고속 기동과 동시에 고하중의 등짐을 짊어지는 경우에도, 안정적인 자세를 유지할 수 있도록 하는 착용형 로봇의 자세 제어 장치 및 그 장치의 제어 방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 착용형 로봇의 자세를 제어하는 자세 제어 장치에 있어서, 상기 로봇을 착용한 사용자의 보행 상태를 감지하는 센서부와, 롤(roll) 방향에서 특정 방향의 모멘트(moment)를 발생시키는 적어도 하나의 구동부, 및, 상기 사용자의 보행 상태를 감지한 결과에 근거하여 사용자가 한쪽 다리로 몸체를 지지하고 있는 상태인지 여부를 판단하며, 사용자가 한쪽 다리로 몸체를 지지하고 있는 상태인 경우, 상기 사용자가 몸체를 지지하는 다리에 대응되는 방향의 모멘트가 발생되도록 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 사용자가 한쪽 다리로 몸체를 지지하고 있는 상태에서 사용자의 제1 무게 중심 위치를 산출하고, 상기 제1 무게 중심 위치와 기 설정된 사용자의 기준 무게 중심 위치 사이의 이격 거리에 따라 상기 모멘트의 크기를 결정하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 발생된 모멘트에 따라 이동된 사용자의 제2 무게 중심 위치를 산출하며, 상기 기준 무게 중심 위치로부터 상기 제2 무게 중심 위치의 방향 및, 상기 기준 무게 중심 위치로부터 상기 제2 무게 중심 위치 사이의 거리에 따라 상기 모멘트의 방향 및 크기 중 적어도 하나를 재설정하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 사용자의 보행 상태를 감지한 결과, 사용자가 양쪽 다리 모두를 이용하여 몸체를 지지하고 있는 상태인 경우, 상기 사용자 신체상의 무게 중심으로부터 중력 방향으로 연장한 중심선과, 지면에 접촉된 착용 로봇 일부분들로부터 형성되는 지지기저면(Base of Support)의 교점에 근거하여 기준 무게 중심 위치를 산출하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 센서부는, 상기 착용 로봇의 양발 부분에 구비되는 적어도 하나의 압력 센서를 구비하고, 상기 착용 로봇의 양발에서 감지되는 압력 센서의 변화에 근거하여 사용자의 보행 상태를 감지하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 구동부는, 상기 착용형 로봇의 엉덩이 관절 도는 허리 관절의 롤 방향에서 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 모멘트를 생성시키도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 착용형 로봇의 자세를 제어하는 자세 제어 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 로봇을 착용한 사용자의 보행 상태를 감지하는 단계와, 상기 사용자의 보행 상태를 감지한 결과에 근거하여, 사용자가 한쪽 다리로 몸체를 지지하고 있는 상태인지 여부를 판단하는 단계, 및, 상기 판단 결과 사용자가 한쪽 다리로 몸체를 지지하고 있는 상태인 경우, 상기 사용자가 몸체를 지지하는 다리에 대응되는 방향의 모멘트가 발생되도록 상기 구동부를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 구동부를 제어하는 단계는, 상기 모멘트에 의해 이동된 사용자의 제1 무게 중심 위치를 산출하는 단계와, 상기 제1 무게 중심 위치와 기 설정된 기준 무게 중심 위치를 비교하는 단계와, 상기 비교 결과, 상기 기준 무게 중심 위치로부터 상기 제1 무게 중심 위치로의 방향 및, 상기 기준 무게 중심 위치와 상기 제1 무게 중심 위치 사이의 이격 거리를 검출하는 단계, 및, 상기 검출된 방향 및 이격 거리에 따라 상기 모멘트의 출력 방향 및 크기를 재설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 모멘트는, 상기 착용형 로봇의 엉덩이 관절 도는 허리 관절의 롤 방향에서 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 생성되는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 기준 무게 중심 위치는, 상기 사용자의 보행 상태를 감지한 결과, 사용자가 양쪽 다리 모두를 이용하여 몸체를 지지하고 있는 상태인 경우, 상기 사용자 신체상의 무게 중심으로부터 중력 방향으로 연장한 중심선과, 지면에 접촉된 착용 로봇 일부분들로부터 형성되는 지지기저면의 교점에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명은 착용형 로봇의 허리 또는 엉덩이 관절 롤 방향 구동을 할 수 있는 액추에이터를 장착하고, 사용자의 보행 단계에 따라 롤 방향 액추에이터를 구동시킴으로써, 착용자의 자세 유지에 도움을 주도록 함으로써, 국방 분야와 같이 고속 기동과 동시에 고하중의 등짐을 짊어지는 경우에도, 사용자가 안정적인 자세를 유지할 수 있도록 하여 안전성을 높이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치가, 사용자의 보행 상태에 따른 모멘트를 발생시키는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치가, 과도한 모멘트로 인해 사용자의 자세가 불안정해지지 않도록 발생되는 모멘트를 보정하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치가, 사용자의 보행 상태에 따라 모멘트를 발생시키는 예를 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치의 다른 실시 예를 도시한 예시도이다.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치가, 기 설정된 기준 무게 중심에 따라 모멘트를 발생시키는 예를 도시한 예시도이다.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한 이하의 설명에서 '사용자'는, 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치를 포함하는 착용형 로봇을 착용한 착용자를 의미할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하도록 한다.

우선 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 착용형 로봇의 자세 제어 장치(100)는, 제어부(101) 및 상기 제어부(101)와 연결되는 센서부(102), 구동부(103), 메모리부(104)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 안정성 판단부(105)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 센서부(102)는 본 발명의 실시 예에 따라 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치를 구비하는 착용형 로봇을 착용한 사용자의 보행 상태를 감지하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 센서부(102)는 사용자 신체의 무게 중심의 이동을 감지하거나, 또는 사용자의 양쪽 다리 각각으로 분배되는 무게를 감지하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 또는 센서부(102)는 사용자의 상기 로봇의 양쪽 발에 인가되는 압력을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어 이러한 센서는 압력 센서나 가속도 센서 또는 관성 센서나 자이로스코프와 같은 센서 중 적어도 하나이거나 또는 상기 센서들 중 적어도 하나를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.

한편 구동부(103)는 제어부(101)의 제어에 따라 롤 방향의 모멘트(Moment)를 발생시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어 상기 구동부(103)는 제어부(101)의 제어에 따라, 지면과 수직한 방향, 즉 롤(roll) 방향으로, 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 발생되는 모멘트를 적어도 하나 출력하도록 구성될 수 있다.

한편 메모리부(104)는 자세 제어 장치(100)의 다양한 기능을 지원하는 데이터를 저장한다. 메모리부(104)는 자세 제어 장치(100)에서 구동되는 다수의 응용 프로그램(application program 또는 애플리케이션(application)), 자세 제어 장치(100)의 동작을 위한 데이터들, 명령어들을 저장할 수 있다. 이러한 응용 프로그램 중 적어도 일부는, 무선 통신을 통해 외부 서버로부터 다운로드 될 수 있다. 또한 이러한 응용 프로그램 중 적어도 일부는, 자세 제어 장치(100)의 기본적인 기능을 위하여 출고 당시부터 자세 제어 장치(100)상에 존재할 수 있다. 한편, 응용 프로그램은, 메모리부(104)에 저장되고, 자세 제어 장치(100) 상에 설치되어, 제어부(101)에 의하여 상기 자세 제어 장치(100)의 동작(또는 기능)을 수행하도록 구동될 수 있다.

한편 제어부(101)는 연결된 각 구성 요소를 제어하며, 자세 제어 장치(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 제어부(101)는 상기 센서부(102)를 통해 감지된 결과에 근거하여 착용형 로봇을 착용한 사용자의 보행 상태를 판단할 수 있으며, 현재 판단된 보행 상태에 대응되는 방향의 크기에 따른 롤 방향의 모멘트가 발생되도록 상기 구동부(103)를 제어할 수 있다.

한편 안정성 판단부(105)는, 지면과 접촉된 로봇의 일 부분들로부터 형성되는 지지기저면과, 사용자의 무게 중심으로부터 중력 방향으로 연장한 중심선과 지면이 만나는 교점으로부터 사용자 자세의 안전성을 판단할 수 있다. 그리고 안전성 판단 결과를 상기 제어부(101)에 입력할 수 있으며, 상기 안정성 판단부(105)로부터 입력된 결과에 따라 제어부(101)는 상기 구동부(103)를 통해 출력되는 모멘트의 방향 및 크기를 변경하거나 또는 상기 안정성 판단부(105)로부터 입력된 결과에 따라 특정 방향 및 크기를 가지는 모멘트가 출력되도록 상기 구동부(103)를 제어할 수 있다.

도 2는 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치가, 사용자의 보행 상태에 따른 모멘트를 발생시키는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.

도 2를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치(100)의 제어부(101)는 먼저 사용자의 보행 상태를 감지할 수 있다(S150). 그리고 상기 감지 결과에 따라 사용자의 현재 보행 상태를 판별할 수 있다(S152). 예를 들어 제어부(101)는 상기 S150 단계에서 센서부(102)를 통해 사용자의 무게 중심 이동을 감지할 수 있으며, 상기 S152 단계에서 감지된 무게 중심에 따라 현재 사용자가 왼쪽 발로만 지지하고 있는 상태인지 오른쪽 발로만 지지하고 있는 상태인지 여부를 판단할 수 있다. 이러한 경우 무게 중심이 기준 무게 중심으로부터 일정 수준 이상 벗어나지 않은 경우라면, 제어부(101)는 사용자가 양쪽 발 모두를 통해 몸체를 지지하고 있는 상태라고 판단할 수 있다.

한편 이 뿐만 아니라 상기 S150 단계 및 S151 단계는 다양한 방법으로 사용자의 보행 상태를 감지 및 판단할 수 있다. 예를 들어 제어부(101)는 지면과 접촉되는 착용 로봇의 일 부분에 인가되는 압력으로부터 사용자의 보행 상태를 감지할 수도 있다.

즉, 왼쪽 발로만 몸체를 지지하고 있는 상태인 경우는, 사용자가 보행을 위해 오른쪽 발을 지면으로부터 들어서 이동하는 상태일 수 있다. 또는 오른쪽 발로만 몸체를 지지하고 있는 상태인 경우는, 사용자가 보행을 위해 왼쪽 발을 지면으로부터 들어서 이동하는 상태일 수 있다. 그리고 이처럼 어느 한쪽 발이 지면으로부터 이격되는 경우라면, 상기 지면으로부터 이격된 발은 현재 공중에 떠 있는 상태이므로, 지지면이 없고 이에 따라 지지력이 발생될 수 없다. 따라서 공중에 떠 있는 착용 로봇의 발 부분의 압력은 순간적으로 일정 수준 이상 감소될 수 있다.

그러면 제어부(101)는 상기 압력이 감소된 착용 로봇의 발이 지면으로부터 이격된 것으로 판단할 수 있다. 그리고 제어부(101)는 상기 지면으로부터 이격된 발 부분에 근거하여 현재 사용자가 왼쪽 발을 이동하고 있는 상태인지, 또는 오른쪽 발을 이동하고 있는 상태인지 여부를 판단하고, 그에 따라 오른쪽 지지 상태(Right single support : RS) 또는 왼쪽 지지 상태(Left single support : LS)인지 여부를 판단할 수 있다. 또는 양쪽 발 부분에 인가되는 하중이 유사한 경우라면, 양쪽 지지 상태(Double Support : DS)라고 판단할 수 있다.

한편 상기 S150 단계 및 S152 단계를 통해, 현재 사용자의 보행 상태에 따른 지지 상태가 판단되면, 제어부(101)는 판단된 결과에 따라 발생될 롤 방향의 모멘트를 결정할 수 있다(S154). 그리고 상기 S154 단계에서 산출된 방향 및 크기에 따른 모멘트가 상기 구동부(103)를 통해 발생되도록 상기 구동부(103)를 제어할 수 있다(S156). 예를 들어 제어부(101)는 사용자가 왼쪽 지지 상태인 경우라면, 시계 방향(사용자의 정면 방향에서 사용자를 보는 경우에)의 모멘트가 발생되도록 상기 구동부(103)를 제어할 수 있다. 또는 사용자가 오른발 지지 상태인 경우라면, 시계 반대 방향(사용자의 정면 방향에서 사용자를 보는 경우에)의 모멘트가 발생되도록 상기 구동부(103)를 제어할 수 있다. 즉 제어부(101)는 사용자가 몸체를 지탱하고 있는 다리, 즉 발이 바닥에 붙어 있는 쪽 다리의 방향으로 모멘트가 발생되도록 구동부(103)를 제어함으로써 사용자가 안정적인 자세를 유지할 수 있도록 돕는 방향으로 제어한다.

반면 상기 S152 단계의 판단 결과, 사용자가 양쪽지지 상태인 경우라면, 제어부(101)는 상기 S154 단계 및 S156 단계에서, 모멘트가 발생되도록 구동부(103)를 제어\하지 않거나, 또는 단순히 사용자가 움직이는 의도에 따라 움직이도록 상기 구동부(103)를 제어할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치(100)의 제어부(101)는 과도한 모멘트의 발생에 따라 사용자의 자세가 불안정해지지 않도록, 사용자의 무게 중심으로부터 중력 방향으로 연장한 중심선과 지면의 교점과, 기 설정된 사용자의 기준 무게 중심 위치에 따라 상기 구동부(103)에서 출력될 모멘트의 크기를 결정할 수 있다. 또는 제어부(101)는 안정성 판단부(105)의 판단 결과에 근거하여, 과도한 모멘트로 인해 사용자의 자세가 불안정해지지 않도록 제어할 수도 있다.

도 3은 이러한 경우에 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치가, 모멘트를 보정하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.

예를 들어 제어부(101)는 상기 도 2의 S156 단계에서 모멘트가 발생되면, 안정성 판단부(105)를 통해 현재 발생된 모멘트에 의해 이동된 사용자의 무게 중심 위치를 산출할 수 있다(S160). 상기 S160 단계에서 산출되는 무게 중심 위치는, 착용 로봇을 착용한 사용자 신체의 무게 중심으로부터 중력 방향으로 연장한 중심선과 지면의 교점을 의미하는 것일 수 있다.

한편 상기 S160 단계에서 무게 중심 위치가 산출되면, 제어부(101)는 상기 산출된 무게 중심 위치와, 사용자의 기준 무게 중심 위치를 서로 비교할 수 있다. 여기서 상기 사용자의 기준 무게 중심 위치는 사용자의 자세가 안정적 상태인 경우에 산출된 무게 중심 위치일 수 있다. 예를 들어 상기 기준 무게 중심 위치는, 사용자의 보행 상태가 양쪽 지지(DS) 상태인 경우에 사용자 신체의 무게 중심으로부터 중력 방향으로 연장한 중심선과 지면의 교점일 수 있다.

제어부(101)는 이처럼 사용자의 보행 상태가 양쪽지지(DS) 상태인 경우에 산출된 기준 무게 중심 위치와, 상기 S160 단계에서 산출된 무게 중심 위치를 서로 비교할 수 있다. 예를 들어 제어부(101)는 상기 기준 무게 중심 위치가 산출될 때의 사용자의 양쪽 발의 위치를 기준으로 사용자가 왼쪽 지지 상태이거나, 오른쪽 지지 상태인 때의 기준 무게 중심 위치를 산출할 수 있다. 즉, 사용자가 왼쪽 지지 상태인 경우에, 지면에 접촉된 오른쪽 발을 기준으로 상기 기준 무게 중심 위치를 산출할 수 있으며, 산출된 기준 무게 중심 위치와, 상기 S160 단계에서 산출된 무게 중심 위치를 서로 비교할 수 있다. 반면 사용자가 오른쪽 지지 상태인 경우에, 지면에 접촉된 왼쪽 발을 기준으로, 상기 기준 무게 중심 위치를 산출할 수 있으며, 산출된 기준 무게 중심 위치와, 상기 S160 단계에서 산출된 무게 중심 위치를 서로 비교할 수 있다. 그리고 상기 기준 무게 중심 위치와, 상기 S160 단계에서 산출된 무게 중심 위치 사이의 이격 거리를 산출할 수 있다(S162).

그리고 제어부(101)는 상기 이격 거리가 기 설정된 거리 이내인지 여부를 판단할 수 있다(S164). 그리고 상기 S164 단계의 판단 결과 상기 이격 거리가 기 설정된 거리 이내인 경우라면, 제어부(101)는 현재 모멘트가 적절하게 발생한 것으로 판단할 수 있다. 그러면 제어부(101)는 현재 모멘트를 발생시키는 과정을 종료할 수 있다.

반면 상기 S164 단계의 판단 결과 상기 이격 거리가 기 설정된 거리를 벗어나는 경우라면, 제어부(101)는 상기 S160 단계에서 산출된 무게 중심 위치와, 기준 무게 중심의 위치에 따라 모멘트의 출력 방향을 재설정 할 수 있다(S166). 그리고 산출된 출력 방향에 따른 모멘트가 출력되도록 구동부(103)를 제어할 수 있다.

예를 들어 제어부(101)는 상기 S160 단계의 산출 결과, 상기 S156 단계에서 출력된 모멘트에 따라 이동된 사용자의 무게 중심이, 기준 무게 중심 위치로부터 일정 거리 이내의 영역을 초과하였는지 여부를 확인할 수 있다. 그리고 확인 결과 이동된 사용자의 무게 중심이, 기준 무게 중심 위치로부터 일정 거리 이내의 영역을 초과한 경우라면, 제어부(101)는 과도한 모멘트가 출력된 것으로 판단하고 이를 보정하기 위해 모멘트의 출력 방향을 재설정할 수 있다(S166). 이러한 경우 제어부(101)는 상기 S156 단계에서 출력된 모멘트와 반대 방향의 모멘트가 출력되도록 구동부(103)를 제어할 수 있다.

반면 상기 확인 결과 이동된 사용자의 무게 중심이, 기준 무게 중심 위치로부터 일정 거리 이내의 영역을 초과하지 않았음에도 불구하고, 상기 기준 무게 중심 위치로부터 일정 거리 이내의 영역에, 상기 S160 단계에서 산출된 무게 중심 위치가 도달하지 못한 경우라면, 제어부(101)는 현재 충분한 모멘트가 발생되지 않은 것으로 판단할 수 있다. 이러한 경우 제어부(101)는 상기 S156 단계에서 출력된 모멘트와 같은 방향의 모멘트가, 상기 S164 단계에서 산출된 이격 거리에 대응되는 크기로 출력되도록 구동부(103)를 제어할 수도 있다.

한편 상기 S168 단계에서, 모멘트의 출력 방향 및/또는 크기가 재설정되어 출력되면, 제어부(101)는 다시 S164 단계로 진행하여 상기 기준 무게 중심 위치와, 상기 S160 단계에서 산출된 무게 중심 위치 사이의 이격 거리가 기 설정된 거리 이내인지 여부를 판단할 수 있다. 그리고 판단 결과에 따라 모멘트를 출력하는 동작 과정을 종료하거나, 상기 S166 단계 및 S168 단계를 다시 수행할 수도 있다.

도 4는 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치(100)가, 사용자의 보행 상태에 따라 모멘트를 발생시키는 예를 도시한 예시도이다.

먼저 도 4의 첫 번째 도면은, 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치(100)를 구비한 착용 로봇을 착용한 사용자가 보행 중 오른쪽 발을 지면에서 떼어서 이동하는 상태의 예를 도시한 것이다.

이처럼 사용자가 보행을 위해 특정 발을 지면에서 떼는 경우, 그 발은 공중에 머무르는 상태가 된다. 이러한 경우 강한 지지력을 발생시킬 수 있는 착용 로봇이라고 할지라도 상기 지지력이 발생될 수 없다. 이는 지지할 수 있는 면이 발에 닿아있지 않기 때문이다.

한편 일반적으로 가벼운 짐이나 장비를 휴대하는 경우 무게 중심의 이동이 발생하기 전에 안정적인 상태를 다시 유지할 수 있으나, 착용 로봇을 착용하는 경우, 로봇의 힘을 이용하여 보다 무거운 짐 또는 장비를 휴대할 수 있으므로, 무거운 짐 또는 장비를 휴대하는 것이 일반적이다. 그리고 이처럼 무거운 짐 또는 장비를 휴대하는 경우라면 보행을 위해 발이 지면에서 이격되는 그 순간에, 바로 상기 도 4의 두 번째 도면에서 보이고 있는 바와 같이, 상기 짐 또는 장비의 무게(210)와 지지력의 부재로 인한 무게 중심의 이동이 발생할 수 있다. 그리고 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치(100)는 센서부(102)에 구비된 센서로 상기 무게 중심의 이동으로 인한 관성 모멘트(220)를 감지할 수 있다. 그리고 이처럼 무거운 짐 또는 장비의 무게로 인한 무게 중심의 이동을 사용자의 자력만으로 회복하기는 어려울 수 있으며, 또한 상기 무게 중심의 이동은 사용자 자세의 불안전성을 초래할 수 있다.

한편 이러한 무게 중심의 이동에 따른 영향을 해소하고자, 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치(100)는 상기 무게 중심의 이동에 따른 관성 모멘트(220)를 상쇄할 수 있는 모멘트를 출력할 수 있다. 즉, 구동부(103)는 상기 도 4의 세 번째 도면에서 보이고 있는 바와 같이, 무게 중심의 이동에 따라 발생된 관성 모멘트(220)를 상쇄하는 방향의 모멘트(230)가 발생되도록 구동부(103)의 액추에이터를 구동하여, 상기 관성 모멘트(220)를 상쇄시킬 수 있다. 따라서 도 4의 세 번째 도면에서 보이고 있는 바와 같이, 사용자는 보다 쉽고 빠르게 자세를 회복할 수 있다.

한편 도 4의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치(100)의 제어에 따라 하나의 모멘트가 발생되는 예를 설명하였으나, 상기 구동부(103)는 복수개 구비될 수도 있음은 물론이다. 도 5는 이러한 본 발명의 실시 예에 따라 하나의 구동부 또는 복수의 구동부를 포함하는 예를 도시한 것이다.

먼저 도 5의 (a)를 참조하여 살펴보면, 도 5의 (a)는 상기 도 4와 유사하게 하나의 구동부(103)가 하나의 모멘트를 발생시키는 예를 도시한 것이다. 이와 달리 상기 본 발명의 실시 예에 따른 구동부(103)는 복수개 구비될 수도 있음은 물론이다. 도 5의 (b)는 이처럼 복수의 구동부(103a, 103b)를 구비하는 예를 도시한 것이다.

이러한 경우 상기 복수의 구동부(103a, 103b)는, 도 5의 (b)에서 보이고 있는 것처럼 상기 도 5의 (a)에서 출력되는 모멘트(300)보다 약한 크기의 모멘트들(310, 320)을 각각 출력할 수 있다. 한편 상기 복수의 구동부(103a, 103b)는 각각 사용자의 특정 다리 부분에 대응되게 구비될 수 있으며, 서로 독립적으로 구동되는 것일 수도 있다. 이러한 경우 상기 각 구동부들(103a, 103b)에서 출력되는 각 모멘트들(310, 320)은 서로 그 크기나 방향이 다를 수도 있음은 물론이다.

한편 도 6 내지 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치가, 기 설정된 기준 무게 중심에 따라 모멘트를 발생시키는 예를 도시한 예시도이다.

먼저 도 6의 (a)는, 사용자가 안정된 자세, 즉 양쪽 지지 상태인 경우에 산출되는 무게 중심 위치, 즉 기준 무게 중심 위치(430)를 보이고 있는 것이다. 이러한 경우 상기 기준 무게 중심 위치(430)는 사용자 신체의 무게 중심으로부터 중력 방향으로 연장된 중심선과, 지지기저면(400)의 교점일 수 있다. 여기서 지지기저면(400)은 지면과 접촉된 착용 로봇의 일 부분, 즉 사용자의 양 발 부분들(410, 420) 사이의 면적일 수 있으며, 상기 무게 중심 위치가 상기 지지기저면(400)의 중앙에 있을수록 사용자의 자세는 안정된 자세일 수 있다.

한편 도 6의 (b)는 사용자가 보행을 위해 오른쪽 발을 지면에서 뗀 상태의 예를 보이고 있는 것이다. 이러한 경우 도 6의 (b)에서 보이고 있는 것처럼 사용자는 지면에 한쪽 발로만 지지하고 있는 상태(Left single Support : LS)이므로, 지지기저면(400)은 현재 지면에 접촉된 왼쪽 발의 영역으로 축소될 수 있다. 이에 따라 사용자가 오른쪽 발을 지면에서 뗀 상태에서 산출된 무게 중심 위치(450)는 상기 지지기저면(400)을 벗어난 위치에 생성될 수 있다. 즉 사용자의 자세는 불안정해질 수 있다.

이러한 상태에서, 본 발명의 실시 예에 따른 제어부(101)는 기준 무게 중심 위치(430)와, 상기 불안정한 자세에서 산출된 무게 중심 위치, 즉 불안정 무게 중심 위치(450) 사이의 거리를 산출할 수 있다. 예를 들어 제어부(101)는 현재 사용자의 왼쪽 발이 지면에 닿아있는 상태이므로, 상기 도 6의 (a)에서 보이고 있는 사용자의 왼쪽 발 부분의 영역(420)을 기준으로, 상기 도 6의 (b)에서 사용자의 왼쪽 발 부분(420)을 기준으로 상기 기준 무게 중심 위치(430)가 감지된 지점을 매칭하고, 매칭 결과에 따라 사용자의 자세가 불안정한 상태에서의 기준 무게 중심 위치(430)를 산출할 수 있다. 그리고 산출된 기준 무게 중심 위치(430)와 상기 불안정 무게 중심 위치(450) 사이의 이격 거리에 따라 출력될 모멘트의 크기를 결정하고, 상기 기준 무게 중심 위치(430)를 기준으로, 상기 불안정 무게 중심 위치(450)가 위치한 방향에 따라 모멘트가 출력될 방향을 결정할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 자세 제어 장치(100)의 제어부(101)는 출력된 모멘트에 따라 사용자의 무게 중심 위치가 달라지는 경우, 달라진 무게 중심 위치에 따라 출력되는 모멘트의 방향 및/또는 크기를 재설정할 수 있다. 예를 들어 도 6의 (b)에서 보이고 있는 바와 같은 상태에서 모멘트가 출력되는 경우 제어부(101)는 출력된 모멘트에 따라 이동된 무게 중심 위치가 기준 무게 중심 위치로부터 이격된 거리에 따라 출력되는 모멘트의 방향 및/또는 크기를 재설정할 수 있다. 도 7은 이러한 예를 보이고 있는 것이다.

먼저 도 7의 (a)는 모멘트에 의해 이동된 무게 중심 위치(500)가, 기준 무게 중심 위치(450)로부터 일정 거리 이내(510)에 위치하는 경우의 예를 보이고 있는 것이다. 이러한 경우 제어부(101)는 현재 출력된 모멘트가 적절한 것으로 판단할 수 있으며, 모멘트를 출력하는 과정을 종료할 수 있다.

반면, 도 7의 (b)와 (c)는 모멘트에 의해 이동된 무게 중심 위치(500)가, 기준 무게 중심 위치(450)로부터 일정 거리 이내(510)를 벗어나는 예를 도시한 것이다.

도 7의 (b)와 (c)에서 보이고 있는 바와 같이 모멘트에 의해 이동된 무게 중심 위치(500)가, 기준 무게 중심 위치(450)로부터 일정 거리 이내(510)를 벗어나는 경우, 제어부(101)는 기준 무게 중심 위치(430)를 기준으로 상기 이동된 무게 중심 위치(500)의 방향 및 거리에 따른 모멘트를 발생시킬 수 있다. 예를 들어 도 6 내지 7에서 보이고 있는 바와 같이, 사용자가 현재 오른쪽 발을 지면에서 뗀 상태, 즉 LS(Left single Support) 상태에서, 도 7의 (b)에서 보이고 있는 것처럼, 이동된 무게 중심 위치(500)가 기준 무게 중심 위치(430)로부터 오른쪽(사용자의 오른쪽 발 위치)에 있는 경우라면, 제어부(101)는 왼쪽 발에 대응되는 모멘트가 더 필요한 것으로 판단할 수 있다. 이에 따라 제어부(101)는 왼쪽 발에 대응되는 모멘트, 즉 롤 방향에서, 시계 방향으로 작용하는 모멘트를 더 출력하도록 구동부(103)를 제어할 수 있다. 여기서 상기 모멘트의 출력 크기는 상기 이동된 무게 중심 위치(500)가 기준 무게 중심 위치(430) 사이의 이격 거리에 따라 결정될 수 있음은 물론이다.

반면 도 7의 (c)에서 보이고 있는 것처럼, 이동된 무게 중심 위치(500)가 기준 무게 중심 위치(430)로부터 왼쪽(사용자의 왼쪽 발 위치)에 있는 경우라면, 제어부(101)는 현재 과도한 모멘트가 출력된 것으로 판단할 수 있다. 이에 따라 제어부(101)는 오른쪽 발에 대응되는 모멘트, 즉 롤 방향에서, 시계 반대 방향으로 작용하는 모멘트를 더 출력하도록 구동부(103)를 제어할 수 있다. 여기서 상기 모멘트의 출력 크기는 상기 이동된 무게 중심 위치(500)가 기준 무게 중심 위치(430) 사이의 이격 거리에 따라 결정될 수 있음은 물론이다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다.

예를 들어 상술한 설명에서는, 지면에 닿아있는 부분에 근거하여 지지기저면이 형성되는 것을 예로 들어 설명하였으나, 지면에서 들어올려진 발, 즉 사용자의 스윙된 다리의 발 위치의 정사영과 지면에 닿아있는 발의 면적으로 상기 지지기저면이 형성될 수도 있음은 물론이다.

따라서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석 되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 착용 로봇의 자세 제어 장치 101 : 제어부
102 : 센서부 103 : 구동부
104 : 메모리부 105 : 안전성 판단부

Claims

착용형 로봇의 자세를 제어하는 자세 제어 장치에 있어서,
사용자의 무게 중심 이동을 감지하여 상기 로봇을 착용한 상기 사용자의 보행 상태를 감지하는 센서부;
롤(roll) 방향에서 특정 방향의 모멘트(moment)를 발생시키는 적어도 하나의 구동부; 및,
상기 사용자의 보행 상태를 감지한 결과에 근거하여 사용자가 한쪽 다리로 몸체를 지지하고 있는 상태인지 여부를 판단하며, 사용자가 한쪽 다리로 몸체를 지지하고 있는 상태인 경우, 상기 사용자가 몸체를 지지하는 다리에 대응되는 방향의 모멘트가 발생되도록 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 제어부는,
사용자가 한쪽 다리로 몸체를 지지하고 있는 상태에서 사용자의 제1 무게 중심 위치를 산출하고,
상기 제1 무게 중심 위치와 기 설정된 사용자의 기준 무게 중심 위치 사이의 이격 거리에 따라 상기 모멘트의 크기를 결정하고,
상기 발생된 모멘트에 따라 이동된 사용자의 제2 무게 중심 위치를 산출하며,
상기 기준 무게 중심 위치로부터 상기 제2 무게 중심 위치 사이의 거리가 기 설정된 거리를 초과하는 경우, 상기 기준 무게 중심 위치로부터 상기 제2 무게 중심 위치의 방향 및 상기 기준 무게 중심 위치로부터 상기 제2 무게 중심 위치 사이의 거리에 근거하여 상기 모멘트의 방향 및 크기 중 적어도 하나를 재설정하는 것을 특징으로 하는 상기 착용형 로봇의 자세 제어 장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 사용자의 보행 상태를 감지한 결과, 사용자가 양쪽 다리 모두를 이용하여 몸체를 지지하고 있는 상태인 경우, 상기 사용자 신체상의 무게 중심으로부터 중력 방향으로 연장한 중심선과, 지면에 접촉된 착용 로봇 일부분들로부터 형성되는 지지기저면(Base of Support)의 교점에 근거하여 기준 무게 중심 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 상기 착용형 로봇의 자세 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 센서부는,
상기 착용 로봇의 양발 부분에 구비되는 적어도 하나의 압력 센서를 구비하고,
상기 착용 로봇의 양발에서 감지되는 압력 센서의 변화에 근거하여 사용자의 보행 상태를 감지하는 것을 특징으로 하는 상기 착용형 로봇의 자세 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 구동부는,
상기 착용형 로봇의 엉덩이 관절 도는 허리 관절의 롤 방향에서 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 모멘트를 생성시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 착용형 로봇의 자세 제어 장치.
구동부를 포함하는 착용형 로봇의 자세를 제어하는 자세 제어 장치의 제어 방법에 있어서,
사용자의 무게 중심 이동을 감지하여 상기 로봇을 착용한 상기 사용자의 보행 상태를 감지하는 단계;
상기 사용자의 보행 상태를 감지한 결과에 근거하여, 사용자가 한쪽 다리로 몸체를 지지하고 있는 상태인지 여부를 판단하는 단계; 및,
상기 판단 결과 사용자가 한쪽 다리로 몸체를 지지하고 있는 상태인 경우, 상기 사용자가 몸체를 지지하는 다리에 대응되는 방향의 모멘트가 발생되도록 상기 구동부를 제어하는 단계를 포함하며,
상기 구동부를 제어하는 단계는,
상기 모멘트에 의해 이동된 사용자의 제1 무게 중심 위치를 산출하는 단계;
상기 제1 무게 중심 위치와 기 설정된 기준 무게 중심 위치를 비교하는 단계;
상기 비교 결과, 상기 기준 무게 중심 위치로부터 상기 제1 무게 중심 위치로의 방향 및 상기 기준 무게 중심 위치와 상기 제1 무게 중심 위치 사이의 이격 거리를 검출하는 단계; 및,
상기 이격 거리가 기 설정된 거리를 초과하는 경우 상기 검출된 방향 및 이격 거리에 따라 상기 모멘트의 출력 방향 및 크기를 재설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 자세 제어 장치의 제어 방법.
삭제
제7항에 있어서, 상기 모멘트는,
상기 착용형 로봇의 엉덩이 관절 도는 허리 관절의 롤 방향에서 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 생성되는 것을 특징으로 하는 상기 자세 제어 장치의 제어 방법.
제7항에 있어서, 상기 기준 무게 중심 위치는,
상기 사용자의 보행 상태를 감지한 결과, 사용자가 양쪽 다리 모두를 이용하여 몸체를 지지하고 있는 상태인 경우, 상기 사용자 신체상의 무게 중심으로부터 중력 방향으로 연장한 중심선과, 지면에 접촉된 착용 로봇 일부분들로부터 형성되는 지지기저면의 교점에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 상기 자세 제어 장치의 제어 방법.