KR102119536B1 - 착용형 로봇 및 그 제어 방법 - Google Patents

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김지영
문경원
심영보
이주석
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삼성전자주식회사
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Abstract

착용형 로봇의 제어 방법의 일 실시예는 기구부에 마련된 센서부의 감지 결과에 기초하여 기준 보행 데이터를 생성하는 단계; 착용자가 보행하는 경우, 상기 센서부의 감지 결과에 기초하여 상기 착용자의 보행 위상을 추정하는 단계; 상기 추정된 보행 위상과의 차이가 최소인 보행 위상을 상기 기준 보행 데이터에서 검출하는 단계; 및 상기 추정된 보행 위상과 상기 검출된 보행 위상에 기초하여 생성된 제어신호에 따라, 상기 기구부의 구동부를 구동하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

착용형 로봇 및 그 제어 방법{Wearable robot and control method for the same}
기준 보행 데이터에 기초하여 착용형 로봇을 제어할 때, 착용자의 움직임과 착용형 로봇의 움직임을 동기화시킬 수 있는 착용형 로봇 및 그 제어 방법이 개시된다.
로봇은 군사, 산업, 의료 분야에서 다양한 목적으로 사용되고 있다. 이들 로봇 중에서 착용형 로봇은 실내외 보행 환경에서 보행이 불편한 보행자를 부축하고 보행을 도와주는 로봇을 말한다. 이러한 착용형 로봇은 부축형 착용형 로봇(이하, 부축형 로봇이라 함)과 착용형 착용형 로봇(이하, 착용형 로봇이라 함)을 포함할 수 있다.
부축형 로봇은 보행자의 보행 의지를 파악하여 보행자의 보행을 보조하는 로봇이다. 부축형 로봇은 몸체, 몸체 상부에 마련된 핸들바, 몸체 하부에 마련되어 몸체의 이동을 가능하게 하는 복수의 바퀴를 포함할 수 있다.
착용형 로봇은 하지 근력이 저하된 노인 및 환자의 재활 치료와 근력 증진을 도모하기 위한 로봇으로, 보행자의 하지에 착용될 수 있도록 외골격 구조를 갖는다.
기준 보행 데이터에 기초하여 착용형 로봇을 제어할 때, 착용자의 움직임과 착용형 로봇의 움직임을 동기화시킬 수 있는 착용형 로봇 및 그 제어 방법이 개시된다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 착용형 로봇의 제어 방법의 일 실시예는 기구부에 마련된 센서부의 감지 결과에 기초하여 기준 보행 데이터를 생성하는 단계; 착용자가 보행하는 경우, 상기 센서부의 감지 결과에 기초하여 상기 착용자의 보행 위상을 추정하는 단계; 상기 추정된 보행 위상과의 차이가 최소인 보행 위상을 상기 기준 보행 데이터에서 검출하는 단계; 및 상기 추정된 보행 위상과 상기 검출된 보행 위상에 기초하여 생성된 제어신호에 따라, 상기 기구부의 구동부를 구동하는 단계를 포함한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 착용형 로봇의 제어 방법의 다른 실시예는 착용자가 보행하는 경우, 기구부에 마련된 센서부의 감지 결과에 기초하여 상기 착용자의 보행 위상을 추정하는 단계; 상기 추정된 보행 위상과의 차이가 최소인 보행 위상을 사전에 획득된 기준 보행 데이터에서 검출하는 단계; 및 상기 추정된 보행 위상과 상기 검출된 보행 위상에 기초하여 생성된 제어신호에 따라, 상기 기구부의 구동부를 구동하는 단계를 포함한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 착용형 로봇의 일 실시예는 기준 보행 데이터를 저장하는 저장부; 착용자의 다리에 착용될 수 있도록 외골격 구조를 가지며, 센서부가 마련되는 기구부; 및 상기 착용자가 보행하는 경우, 상기 센서부의 감지 결과에 기초하여 상기 착용자의 보행 위상을 추정하고, 상기 추정된 보행 위상과의 차이가 최소인 보행 위상을 상기 기준 보행 데이터에서 검출하며, 상기 추정된 보행 위상과 상기 검출된 보행 위상에 기초하여 생성된 제어신호에 따라, 상기 기구부의 구동부를 구동하는 제어부를 포함한다.
기준 보행 데이터에 기초하여 착용형 로봇을 제어할 때, 착용자의 움직임과 착용형 로봇의 움직임을 동기화시킬 수 있으므로, 착용자와 착용형 로봇 간의 충돌을 최소화할 수 있다.
동기화 시점을 검출할 때, 발 착용부에 마련된 압력 센서의 감지 결과를 이용하므로, 보다 신속하고 정확하게 동기화 시점을 검출할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 착용형 로봇의 정면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 착용형 로봇의 배면도이다.
도 3은 착용형 로봇의 발 착용부에 대한 저면도이다.
도 4는 인간의 단일 보행 주기(single gait cycle)를 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 착용형 로봇의 구성도이다.
도 6은 도 5에 도시된 제어부의 구성도이다.
도 7은 기준 보행 데이터를 예시한 도면이다.
도 8은 실시예에 따른 착용형 로봇의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 착용형 로봇 및 그 제어 방법에 대한 실시예들을 설명한다. 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
개시된 발명에 따른 로봇은 이동형 로봇 및 착용형 로봇을 포함할 수 있다. 이동형 로봇은 사람 없이도 이동이 가능한 무인 로봇 및 사람이 탑승할 수 있는 형태의 유인 로봇을 포함할 수 있다. 착용형 로봇은 부축형 로봇 및 착용형 로봇을 포함할 수 있다.
부축형 로봇은 복수의 바퀴에 의해 이동 가능한 몸체, 몸체의 상부에 마련되어 사용자가 몸체의 이동 방향을 조절할 수 있으며, 사용자가 몸체를 기댈 수 있는 핸들바를 포함한다.
착용형 로봇은 사용자의 양 다리 중에서 적어도 하나의 다리에 착용될 수 있도록 외골격(外骨格) 구조를 가진다. 이하의 설명에서는 착용형 로봇을 예로 들어 설명하기로 한다.
도 1는 및 도 2는 일 실시예에 따른 착용형 로봇을 도시한 도면이다. 도 1은 일 실시예에 따른 착용형 로봇의 정면도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 착용형 로봇의 배면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 착용형 로봇(1)은 착용자의 왼쪽 다리 및 오른쪽 다리에 각각 착용될 수 있도록 외골격(外骨格) 구조를 가진다. 착용자는 착용형 로봇(1)을 착용한 상태에서 폄(extension), 구부림(flexion), 모음(adduction), 벌림(abduction) 등의 동작을 수행할 수 있다. 폄 동작은 관절을 펴는 운동을 말하며, 구부림 동작은 관절을 구부리는 운동을 말한다. 모음 동작은 다리를 몸의 중심축으로 가까이 하는 운동을 말한다. 벌림 동작은 몸의 중심축에서 멀어지는 방향으로 다리를 뻗는 운동을 말한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 착용형 로봇(1)은 본체부(10), 제1 기구부(20R, 20L), 제2 기구부(30R, 30L) 및 제3 기구부(40R, 40L)를 포함할 수 있다.
본체부(10)는 하우징(11), 허리 착용부(13), 허리 지지부(12) 및 전원(16)을 포함할 수 있다.
하우징(11)에는 각종 부품이 내장될 수 있다. 하우징(11)에 내장되는 부품으로는, 인쇄 회로 기판,중앙 처리 장치(CPU, central processing unit), 그래픽 처리 장치(GPU, graphic processing unit),저장 장치 및 관성 측정 장치(Inertial Measurement Unit; IMU)가 설치될 수 있다.
인쇄 회로 기판은 소정의 회로가 인쇄되어 있는 기판으로, 인쇄 회로 기판에는 중앙 처리 장치, 그래픽 처리 장치, 저장 장치 및 관성 측정 장치가 설치되어 있을 수 있다.이러한 인쇄 회로 기판은 하우징(11)의 내측면에 고정될 수 있다.
중앙 처리 장치는 마이크로 프로세서일 수 있다. 마이크로 프로세서는 실리콘 칩에 산술 논리 연산기, 레지스터, 프로그램 카운터, 명령 디코더나 제어 회로 등이 설치되어 있는 처리 장치이다. 중앙 처리 장치는 기구부(20R, 20L, 30R, 30L, 40R, 40L)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다. 구체적으로, 중앙 처리 장치는 사전에 생성된 착용형 로봇(1)의 기준 보행 데이터에 따라 기구부(20R, 20L, 30R, 30L, 40R, 40L)가 구동될 수 있도록 제어신호를 생성할 수 있다. 또한, 중앙 처리 장치는 센서부의 각종 센서에서 감지된 정보에 기초하여 착용자의 보행 위상을 추정하고, 추정된 보행 위상과의 차이가 최소인 보행 위상을 기준 보행 데이터에서 검출한다. 그리고, 추정된 보행 위상이 검출된 보행 위상에 점차적으로 수렴하도록 각 구동부의 구동 속도를 조절할 수 있다.
그래픽 처리 장치는 마이크로 프로세서 중 주로 그래픽에 관련된 정보를 처리하는 처리 장치를 의미한다. 그래픽 처리 장치는 중앙 처리 장치의 그래픽 처리 기능을 보조하거나 단독으로 그래픽 처리를 수행할 수 있다.
관성 측정 장치는 관성 센서(inertial sensor)를 포함할 수 있다. 관성 센서는 가속도 및 각속도를 측정할 수 있다. 관성 측정 장치는 인쇄회로기판 상에 설치될 수 있다.
하우징(11)에 내장된 저장 장치는 다양한 종류를 포함할 수 있다. 저장 장치로는 자기 디스크 표면을 자화시켜 데이터를 저장하는 자기 디스크 저장 장치, 다양한 종류의 메모리 반도체를 이용하여 데이터를 저장하는 반도체 메모리 장치를 예로 들 수 있다.
하우징(11)에 내장된 관성 측정 장치는 관성 센서(inertial sensor)를 포함할 수 있다. 관성 센서는 착용형 로봇(1)의 가속도 및 각속도를 측정할 수 있다.
전원(16)은 하우징(11)의 외부에 배치될 수 있다. 전원(16)은 하우징(11)에 내장된 각종 부품이나 기구부(20R, 20L, 30R, 30L, 40R, 40L)로 동력을 공급할 수 있다. 도 1 및 도 2는 하우징(11)의 외부에 전원(16)이 배치된 경우를 도시하고 있으나, 전원(16)은 하우징(11)의 내부에 배치될 수도 있다. 구체적으로, 하우징(11)의 내부에 마련된 인쇄회로기판 상에 배치될 수도 있다. 전원(16)은 하우징(11) 또는 하우징(11) 내의 인쇄회로기판으로부터 분리 가능하도록 구현되거나, 외부 장치(미도시)에 의해 충전 가능한 형태로 구현될 수 있다.
허리 착용부(13)는 하우징(11)을 착용자의 허리에 고정시키는 역할을 한다. 허리 착용부(13)는 착용자의 허리를 지지할 수 있도록 만곡된 평면판의 형상을 가질 수 있다. 도면에 도시되지는 않았으나, 허리 착용부(13)에는 허리 착용부(13)를 착용자의 허리에 고정시키기 위한, 고정부를 더 포함할 수 있다. 고정부는 예를 들어, 밴드나 벨트 형태로 구현될 수 있다. 고정부는 길이가 조절될 수 있도록 구현될 수 있다. 이 경우, 고정부는 착용자의 허리 둘레에 상관 없이 허리 착용부(13)를 착용자의 허리에 고정시킬 수 있다.
허리 지지부(12)는 허리 착용부(13)에 연결된다. 허리 지지부(12)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 착용자의 등을 지지할 수 있도록 만곡된 평면판의 형상을 가질 수 있으며, 일단이 착용자의 양 어깨에 걸쳐질 수 있도록 구부러진 형상을 가질 수 있다. 그러나 허리 지지부(12)의 형상이 반드시 이로 한정되는 것은 아니며, 착용자의 등 및/또는 어깨 모양에 맞게 다양한 형상을 가질 수 있다.
제1 기구부(20R, 20L)는 보행 동작에 있어서 착용자의 엉덩이 관절 및 대퇴부의 움직임을 보조할 수 있다. 이를 위해 제1 기구부(20R, 20L)는 제1 관절부(21R, 21L), 제1 링크부(22R, 22L) 및 제1 고정부(23R, 23L)를 포함할 수 있다.
제1 관절부(21R, 21L)는 인체의 엉덩이 관절에 대응된다. 제1 관절부(21R, 21L)는 인체의 엉덩이 관절의 동작 범위 내에서 회전하도록 구현될 수 있다. 이를 위해 제1 관절부(21R, 21L)는 적어도 1 자유도를 가질 수 있다.
여기서, 자유도(Degree of Freedom; DOF)란 정기구학(Forward Kinematics) 또는 역기구학(Inverse Kinematics)에서의 자유도를 말한다. 기구의 자유도란 기구의 독립적인 운동의 수, 또는 각 링크 간의 상대 위치의 독립된 운동을 결정하는 변수의 수를 말한다. 예를 들어, x축, y축, z축으로 이루어진 3차원 공간 상의 물체는 물체의 공간적인 위치(position)를 결정하기 위한 3 자유도(각 축에서의 위치)와, 물체의 공간적인 자세(orientation)를 결정하기 위한 3 자유도(각 축에 대한 회전 각도) 중에서 하나 이상의 자유도를 갖는다. 만약, 물체가 각각의 축을 따라 이동 가능하고, 각각의 축을 기준으로 회전 가능하다고 한다면, 이 물체는 6 자유도를 갖는 것으로 이해될 수 있다.
제1 관절부(21R, 21L)에는 제1 구동부(도 5의 210R, 210L)가 마련될 수 있다. 제1 구동부(210R, 210L)는 본체부(10)에서 제공되는 제어신호에 따라 구동되어, 소정의 방향으로 다양한 크기의 회전력을 발생시킬 수 있다. 제1 구동부(210R, 210L)에서 발생된 회전력은 제1 관절부(210R, 21L)과 연결된 제1 링크부(22R, 22L)에 인가될 수 있다.
제1 구동부(210R, 210L)는 예를 들어, 모터, 진공 펌프(vacuum pump) 및 수압 펌프(hydraulic pump) 중 하나로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명에서는 제1 구동부(210R, 210L)가 모터로 구현되는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
제1 관절부(21R, 21L)에는 위치 센서 및 속도 센서가 마련될 수 있다. 착용자가 보행하는 경우, 위치 센서는 제1 관절부(21R, 21L)의 위치를 감지하며, 속도 센서는 제1 관절부(21R, 21L)의 속도를 감지한다.
제1 링크부(22R, 22L)는 제1 관절부(21R, 21L)와 물리적으로 연결된다. 제1 링크부(22R, 22L)는 제1 관절부(21R, 21L)의 제1 구동부(210R, 210L)에서 발생한 회전력에 따라 소정의 방향으로 회전될 수 있다.
제1 링크부(22R, 22L)는 다양한 형상으로 구현될 수 있다. 일 예로, 제1 링크부(22R, 22L)는 복수의 마디가 서로 연결되어 있는 형상으로 구현될 수 있다.이 때, 마디와 마디 사이에는 관절이 마련될 수 있으며, 제1 링크부(22R, 22L)는 이 관절에 의해 일정 범위 내에서 휘어질 수 있다.다른 예로, 제1 링크부(22R, 22L)는 막대 형상으로 구현될 수 있다.이 때, 제1 링크부(22R, 22L)는 일정한 범위 내에서 휘어질 수 있도록 가요성 있는 소재로 구현될 수 있다.
제1 고정부(23R, 23L)는 제1 링크부(22R, 22L)에 마련될 수 있다. 제1 고정부(23R, 23L)는 제1 링크부(22R, 22L)를 착용자의 대퇴부에 고정시키는 역할을 한다. 도 1 및 도 2는 제1 링크부(22R, 22L)가 제1 고정부(23R, 23L)에 의해 착용자의 대퇴부의 외측에 고정되는 경우를 도시하고 있다. 제1 관절부(21R, 21L)가회전함에 따라 제1 링크부(22R, 22L)가 회전하게 되면, 제1 링크부(22R, 22L)가 고정되어 있는 착용자의 대퇴부 역시 제1 링크부(22R, 22L)의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전한다. 실시예에 따르면, 제1 고정부(23R, 23L)은 탄성력을 구비한 밴드, 벨트, 끈, 가요성 있는 금속 소재, 또는 이들의 조합으로 구현될 수도 있다.
제2 기구부(30R, 30L)는 보행 동작에 있어서 착용자의 무릎 관절 및 하퇴부의 움직임을 보조할 수 있다. 이를 위해 제2 기구부(30R, 30L)는 제2 관절부(31R, 31L), 제2 링크부(32R, 32L) 및 제2 고정부(33R, 33L)를 포함할 수 있다.
제2 관절부(31R, 31L)는 인체의 무릎 관절에 대응된다. 제2 관절부(31R, 31L)는 인체의 무릎 관절의 동작 범위 내에서 회전하도록 구현될 수 있다. 이를 위해 제2 관절부(31R, 31L)는적어도 1 자유도를 가질 수 있다.
제2 관절부(31R, 31L)에는 제2 구동부(도 5의 310R, 310L)가 마련될 수 있다. 제2구동부(310R, 310L)는 본체부(10)에서 제공되는 제어신호에 따라 구동되어, 소정의 방향으로 다양한 크기의 회전력을 발생시킬 수 있다. 제2 구동부(310R, 310L)에서 발생된 회전력은 제2 관절부(31R, 31L)와 연결된 제2 링크부(22R, 22L)에 인가될 수 있다.
제2 구동부(310R, 310L)는 예를 들어, 모터, 진공 펌프 및 수압 펌프 중 하나로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.이하의 설명에서는 제2 구동부(310R, 310L)가 모터로 구현되는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
제2 관절부(31R, 31L)에는 위치 센서 및 속도 센서가 마련될 수 있다. 착용자가 보행하는 경우, 위치 센서는 제2 관절부(31R, 31L)의 위치를 감지하며, 속도 센서는 제2 관절부(31R, 31L)의 속도를 감지한다.
제2 링크부(32R, 32L)는 제2 관절부(31R, 31L)와 물리적으로 연결된다. 제2 링크부(32R, 32L)는 제2 관절부(31R, 31L)의 제2 구동부(310R, 310L)에서 발생한 회전력에 따라 소정의 방향으로 회전될 수 있다.
제2 링크부(32R, 32L)는 다양한 형상으로 구현될 수 있다. 일 예로, 제2 링크부(32R, 32L)는 복수의 마디가 서로 연결되어 있는 형상으로 구현될 수 있다. 이 때, 마디와 마디 사이에는 관절이 마련될 수 있으며, 제2 링크부(32R, 32L)는 이 관절에 의해 일정 범위 내에서 휘어질 수 있다. 다른 예로, 제2 링크부(32R, 32L)는 막대 형상으로 구현될 수 있다. 이 때, 제2 링크부(32R, 32L)는 일정한 범위 내에서 휘어질 수 있도록 가요성 있는 소재로 구현될 수 있다.
제2 고정부(33R, 33L)는 제2 링크부(32R, 32L)에 마련될 수 있다. 제2 고정부(33R, 33L)는 제2 링크부(32R, 32L)를 착용자의 하퇴부에 고정시키는 역할을 한다. 도 1 및 도 2는 제2 링크부(32R, 32L)가 제2 고정부(33R, 33L)에 의해 착용자의 하퇴부의 외측에 고정되는 경우를 도시하고 있다. 제2 관절부(31R, 31L)가 회전함에 따라 제2 링크부(22R, 22L)가 회전하게 되면, 제2 링크부(22R, 22L)가 고정되어 있는 착용자의 하퇴부 역시 제2 링크부(22R, 22L)의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전한다. 실시예에 따르면, 제2 고정부(33R, 33L)는 탄성력을 구비한 밴드, 벨트, 끈,가요성 있는 금속 소재, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
제3 기구부(40R, 40L)는 보행 동작에 있어서 착용자의 발목 관절 및 발의 움직임을 보조할 수 있다. 이를 위해 제3 기구부(40R, 40L)는 제3 관절부(41R, 41L) 및 발 착용부(42R, 42L)를 포함할 수 있다.
제3 관절부(41R, 41L)는 인체의 발목 관절에 대응된다. 제3 관절부(41R, 41L)는 인체의 발목 관절의 동작 범위 내에서 회전하도록 구현될 수 있다. 이를 위해 제3 관절부(41R, 41L)는 적어도 1 자유도를 가질 수 있다.
제3 관절부(41R, 41L)에는 제3 구동부(도 5의 410R, 410L)가 마련될 수 있다. 제3 구동부(도 3의 410R, 410L)는 본체부(10)에서 제공되는 제어신호에 따라 구동되어, 소정의 방향으로 다양한 크기의 회전력을 발생시킬 수 있다. 제3 구동부(410R, 410L)에서 발생된 회전력은 제3 관절부(41R, 41L)와 연결된 발 착용부(43R, 43L)에 인가될 수 있다.
제3 구동부(410R, 410L)는 예를 들어, 모터, 진공 펌프 및 수압 펌프 중 하나로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명에서는 제3 구동부(410R, 410L)가 모터로 구현되는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
제3 관절부(41R, 41L)에는 위치 센서 및 속도 센서가 마련될 수 있다. 착용자가 보행하는 경우, 위치 센서는 제3 관절부(41R, 41L)의 위치를 감지하며, 속도 센서는 제3 관절부(41R, 41L)의 속도를 감지한다.
발 착용부(42R, 42L)는 착용자의 발에 대응하는 위치에 마련되며, 제3 관절부(41R, 41L)와 물리적으로 연결된다. 발 착용부(42R, 42L)에는 적어도 하나의 센서가 구비될 수 있다. 구체적으로, 발 착용부(42R, 42L)에는 압력 센서, 힘 센서, 로드 센서(load sensor), 또는 이들의 조합이 구비될 수 있다. 이하의 설명에서는 압력 센서가 구비되는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
실시예에 따르면, 발 착용부(42R, 42L)에는 두 개의 압력 센서가 구비될 수 있다. 두 개의 압력 센서는 예를 들어, 발 착용부(42R, 42L)의 저면에 서로 다른 위치에 구비될 수 있다. 구체적으로, 발 착용부(42R, 42L)는 도 3에 도시된 바와 같이, 전족부(발가락)가 안착되는 제1 영역(D1), 중족부가 안착되는 제2 영역(D2) 및 후족부(발꿈치)가 안착되는 제3 영역(D3)을 포함할 수 있다. 압력 센서(100)는 제1 영역(D1) 및 제3 영역(D3)에 각각 마련될 수 있다.
발 착용부(42R, 42L)의 제1 영역(D1)과 제3 영역(D3)에 구비된 압력 센서들은 발 착용부(42R, 42L)의 제1 영역(D1) 및/또는 제3 영역(D3)이 지면과 접촉하는 경우에 활성화되고, 발 착용부(42R, 42L)의 제1 영역(D1) 및/또는 제3 영역(D3)이 지면에서 분리되는 경우에 비활성화된다. 착용자의 보행 상태에 따른 압력 센서의 동작에 대해 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 4는 인간의 단일 보행 주기(single gait cycle)를 도시한 도면이다.
도 4는 오른쪽 다리에 대한 단일 보행 주기를 도시하고 있다. 도 4에서 오른쪽 다리는 어둡게 표현되어 있다. 오른쪽 다리에 대한 보행 주기는 오른쪽 다리의 발꿈치가 지면에 닿는 시점부터 오른쪽 다리의 발꿈치가 다시 지면에 닿는 시점까지를 말한다.
보행 주기에서 보행 동작은 8개의 동작으로 세분화될 수 있다. 구체적으로, 오른쪽 초기 접지(Right Initial contact; RIC), 왼쪽 발가락 떼기(Left Toe Off; LTO), 왼쪽 발 인접(Left Feet Adjacent; LFA), 오른쪽 발꿈치 상승(Right Heel Rise; RHR), 왼쪽 초기 접지(Left Initial Contact; LIC), 오른쪽 발가락 떼기(Right Toe Off; RTO), 오른쪽 발 인접(Right Feet Adjacent; RFA) 및 왼쪽 발꿈치 상승(Left Heel Rise; LFR)로 세분화된다.
오른쪽 초기 접지(RIC) 동작에서는 오른쪽 발꿈치와 왼쪽 발가락이 지면이 접촉된 상태이므로, 오른쪽 발꿈치 부분에 마련된 압력 센서와 왼쪽 발가락 부분에 마련된 압력 센서가 활성화된다.
왼쪽 발가락 떼기(LTO) 동작에서는 오른쪽 발꿈치와 오른쪽 발가락이 지면에 접속된 상태이므로, 오른쪽 발꿈치 부분에 마련된 압력 센서와 오른쪽 발가락 부분에 마련된 압력 센서가 활성화된다. 이 때, 왼쪽 발은 지면에서 떨어진 상태이므로, 왼쪽 발꿈치 부분 및 왼쪽 발가락 부분에 마련된 압력 센서들은 모두 비활성화 된다.
왼쪽 발 인접(LFA) 동작에서도 왼쪽 발가락 떼기(LTO) 동작에서와 마찬가지로, 오른쪽 발꿈치 부분에 마련된 압력 센서와 오른쪽 발가락 부분에 마련된 압력 센서가 활성화된다. 왼쪽 발은 지면에서 떨어진 상태이므로, 왼쪽 발꿈치 부분 및 왼쪽 발가락 부분에 마련된 압력 센서들은 모두 비활성화 된다.
오른쪽 발꿈치 상승(RHR) 동작에서는 오른쪽 발꿈치가 지면에서 떨어지고, 오른쪽 발가락 부분만 지면에 접촉되어 있는 상태이므로, 오른쪽 발꿈치 부분에 마련된 압력 센서는 비활성화되고, 오른쪽 발가락 부분에 마련된 압력 센서만 활성화된다. 또한, 왼쪽 발은 지면에서 떨어진 상태이므로, 왼쪽 발꿈치 부분 및 왼쪽 발가락 부분에 마련된 압력 센서들은 모두 비활성화 된다.
왼쪽 초기 접지(LIC) 동작에서는 왼쪽 발꿈치 및 오른쪽 발가락이 지면에 접촉된 상태이므로, 왼쪽 발꿈치 부분 및 오른쪽 발가락 부분에 마련된 압력 센서들만이 활성화 된다. 그리고 왼쪽 발가락 부분 및 오른쪽 발꿈치 부분에 마련된 압력 센서들은 비활성화 된다.
오른쪽 발가락 떼기(RTO) 동작에서는 오른쪽 발이 지면에서 떨어지고, 왼쪽 발이 지면에 접촉된 상태이므로, 오른쪽 발꿈치 부분과 오른쪽 발가락 부분에 마련된 압력 센서들은 모두 비활성화 된다. 그리고 왼쪽 발꿈치 부분과 왼쪽 발가락 부분에 마련된 압력 센서들만이 활성화 된다.
오른쪽 발 인접(RFA) 동작에서는 오른쪽 발가락 떼기(RTO) 동작과 마찬가지로, 오른쪽 발꿈치 부분과 오른쪽 발가락 부분에 마련된 압력 센서들은 모두 비활성화 되고, 왼쪽 발꿈치 부분과 왼쪽 발가락 부분에 마련된 압력 센서들만이 활성화 된다.
왼쪽 발꿈치 상승(LFR) 동작에서는 왼쪽 발꿈치 및 오른쪽 발가락이 지면에서 떨어지고, 왼쪽 발가락 및 오른쪽 발꿈치가 지면에 접촉된 상태이다. 따라서, 왼쪽 발꿈치 부분 및 오른쪽 발가락 부분에 마련된 압력 센서들은 비활성화 되고, 왼쪽 발가락 부분 및 오른쪽 발꿈치 부분에 마련된 압력 센서들은 활성화 된다.
도 5는 일 실시예에 따른 착용형 로봇(1)의 구성도이다. 도 5를 참조하면, 착용형 로봇(1)은 제어부(100), 센서부(500), 저장부(600) 및 구동부(210R, 210L, 310R, 310L, 410R, 410L)을 포함할 수 있다.
센서부(500)는 각종 센서를 포함할 수 있다. 센서는 관성 센서, 위치 센서, 속도 센서 및 압력 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 위치 센서 및 속도 센서는 제1 관절부(21R, 21L), 제2 관절부(31R, 31L) 및 제3 관절부(41R, 41L)에 각각 마련될 수 있다. 각 관절부에 마련된 위치 센서 및 속도 센서는 착용자가 보행하는 경우, 해당 관절부의 위치 및 속도를 감지할 수 있다. 압력 센서는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 발 착용부(42R. 42L)의 제1 영역(D1) 및 제3 영역(D3)에 각각 마련될 수 있다. 압력 센서에서 감지된 결과는 발 착용부(42R, 42L)의 제1 영역(D1) 및/또는 제3 영역(D3)이 지면과 접촉하였는지를 판단하는데 사용될 수 있다. 또한, 압력 센서에서 감지된 결과는 착용자의 현재 보행상(gait phase)를 추정하는데 사용될 수 있다.
저장부(600)는 착용형 로봇(1)이 동작하는데 필요한 각종 데이터나 알고리즘을 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장부(600)는 착용형 로봇(1)에 대한 기준 보행 데이터를 저장할 수 있다. 기준 보행 데이터는 기준 궤적을 포함할 수 있다. 여기서, 기준 궤적은 착용자의 보행 보조 시, 착용형 로봇(1)의 각 관절부가 추종해야할 목표 궤적을 의미한다. 이러한 기준 궤적의 생성 과정을 간단히 설명하면 다음과 같다.
우선, 착용자는 착용형 로봇(1)을 착용한 상태에서 표준 보폭 및 표준 속도로 일정 시간 동안 보행한다. 그러면, 착용형 로봇(1)의 각 관절부에 마련된 위치 센서 및 속도 센서는 착용자가 보행하는 동안 각 관절부의 위치 및 속도를 감지하고, 발 착용부(42R, 42)에 마련된 압력 센서(100)는 발 착용부(42R, 42L)과 지면의 접촉 여부를 감지한다. 위치 센서, 속도 센서 및 압력 센서에 의해 감지된 보행 데이터는 저장부(600) 혹은 외부 장치(미도시)에 저장될 수 있다. 이 후, 기록된 보행 데이터를 분석하여, 보행 주기를 구분하고, 구분된 보행 주기의 데이터의 평균을 계산한다. 계산된 평균 값은 기준 궤적인 것으로 이해될 수 있다. 이러한 기준 궤적은 사전에 생성되어 저장부(600)에 저장될 수 있다.
상술한 바와 같은 기준 궤적을 저장하는 저장부(600)는 비휘발성 메모리 소자, 휘발성 메모리 소자, 하드 디스크, 광 디스크, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 비휘발성 메모리 소자로는 롬(Read Only Memory: ROM), 피롬(Programmable Read Only Memory: PROM), 이피롬(Erasable Programmable Read Only Memory: EPROM) 및 플레시 메모리를 예로 들 수 있다. 휘발성 메모리 소자로는 램(Random Access Memory: RAM)을 예로 들 수 있다. 그러나 저장부(600)는 상술한 예로 한정되는 것은 아니며, 당업자에게 알려져 있는 임의의 다른 형태로 구현될 수도 있다.
제어부(100)는 센서부(500)의 감지 결과에 기초하여, 착용자의 현재 보행 위상(gait phase)을 추정할 수 있다. 그리고 추정된 보행 위상과의 차이가 가장 작은 보행 위상을 기준 보행 데이터에서 검출하고, 추정된 보행 위상이 검출된 보행 위상에 점차적으로 수렴하도록 각 구동부(210R, 210L, 310R, 310L, 410R, 410L)의 구동 속도를 조절하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다. 제어부(100)에 대한 보다 구체적인 설명을 위해 도 6을 참조하기로 한다.
도 6은 제어부(100)의 구성도이다. 도 6을 참조하면, 제어부(100)는 보행 위상 추정부(110), 검출부(120) 및 제어신호 생성부(130)를 포함할 수 있다.
보행 위상 추정부(110)는 센서부(500)의 감지 결과에 기초하여 현재 착용자의 보행 위상을 추정할 수 있다. 구체적으로, 보행 위상 추정부(110)는 착용형 로봇(1)의 각 관절부에 마련된 위치 센서 및 속도 센서의 감지 결과, 착용형 로봇(1)의 발 착용부(42R, 42L)에 마련된 압력 센서의 감지 결과에 기초하여, 현재 착용자의 보행 위상을 추정할 수 있다. 이처럼 각 관절부에 마련된 위치 센서 및 속도 센서의 감지 결과와 발 착용부(42R, 42L)에 마련된 압력 센서의 감지 결과를 이용하여 착용자의 보행 위상을 추정하면, 위치 센서 및 속도 센서의 감지 결과만을 이용하여 착용자의 보행 위상을 추정하는 경우에 비하여, 보다 정확하게 보행 위상을 추정할 수 있다. 보행 위상 추정부(110)에서 추정된 보행 위상은 후술될 검출부(120) 및 제어신호 생성부(130)로 각각 제공될 수 있다.
검출부(120)는 추정된 보행 위상과의 차이가 가장 작은 보행 위상을 기준 보행 데이터에서 검출한다. 예를 들어, 2차원 상태 공간에서 기준 보행 데이터 및 추정된 보행 위상이 도 7과 같이 표현된다고 하자. 이 경우, 검출부(120)는 추정된 보행 위상(72)과 기준 보행 데이터(71) 간의 거리가 최소인 보행 위상(71a)을 검출할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 위치 센서, 속도 센서 및 압력 센서의 감지 결과에 기초하여 추정된 보행 위상은 위치 센서 및 속도 센서의 감지 결과에 기초하여 추정된 보행 위상 보다 정확도가 높다. 따라서, 추정된 보행 위상과의 차이가 가장 작은 보행 위상을 기준 보행 데이터에서 검출하였을 때, 검출 결과의 정확도 역시 향상될 수 있다. 검출부(120)에서 검출된 보행 위상은 후술될 제어신호 생성부(130)로 제공된다.
제어신호 생성부(130)는 추정된 보행 위상이 검출된 보행 위상에 점차적으로 수렴하도록 각 구동부(210R, 210L, 310R, 310L, 410R, 410L)의 구동 속도를 조절하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다. 제어신호 생성부(130)에서 생성된 제어신호는 각 구동부(210R, 210L, 310R, 310L, 410R, 410L)로 제공된다. 이처럼 각 구동부(210R, 210L, 310R, 310L, 410R, 410L)를 제어하면, 기준 보행 데이터에 따라 착용형 로봇(1)을 제어할 때, 착용형 로봇(1)의 움직임을 착용자의 움직임에 동기화할 수 있으므로, 착용형 로봇(1)의 움직임과 착용자의 움직임 간의 충돌을 줄일 수 있다.
도 8은 착용형 로봇(1)의 제어 방법에 대한 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
우선, 기준 보행 데이터를 생성한다(S81). 기준 보행 데이터를 예를 들어, 기준 궤적을 포함할 수 있다. 기준 궤적은 착용자의 보행 보조 시, 착용형 로봇(1)의 각 관절부가 추종해야할 목표 궤적을 의미한다. 상기 S81 단계는, 착용자가 착용형 로봇(1)을 착용한 상태에서 표준 보폭 및 표준 속도로 일정 시간 보행하는 단계, 상기 착용자가 보행하는 동안 착용형 로봇(1)의 각 관절부의 위치 및 속도, 발 착용부(42R, 42L)와 지면의 접촉 여부를 보행 데이터로 기록하는 단계, 기록된 보행 데이터를 분석하여 보행 주기를 구분하는 단계, 구분된 보행 주기의 데이터의 평균을 기준 궤적으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
이 후, 착용자는 착용형 로봇(1)을 착용한 상태에서 보행한다(S82). 그러면 센서부(500)의 각종 센서에 의해, 각 관절부의 위치 및 속도, 발 착용부(42R, 42L)와 지면의 접촉 여부가 감지된다.
이 후, 센서부(500)의 감지 결과에 기초하여 착용자의 보행 위상을 추정한다(S83). 즉, 각 관절부에 마련된 위치 센서 및 속도 센서의 감지 결과와 발 착용부(42R, 42L)에 마련된 압력 센서의 감지 결과를 이용하여 착용자의 보행 위상을 추정한다. 이처럼 위치 센서, 속도 센서 및 압력 센서의 감지 결과를 이용하여 착용자의 보행 위상을 추정하면, 위치 센서 및 속도 센서의 감지 결과만을 이용하여 착용자의 보행 위상을 추정하는 경우에 비하여, 보다 정확하게 보행 위상을 추정할 수 있다.
그 다음, 추정된 보행 위상과의 차이가 가장 작은 보행 위상을 기준 보행 데이터 예를 들어, 기준 궤적에서 검출한다(S84).
이 후, 추정된 보행 위상과 검출된 보행 위상에 기초하여 각 구동부(210R, 210L, 310R, 310L, 410R, 410L)로 제공할 제어신호를 생성한다(S85). 구체적으로, 추정된 보행 위상이 검출된 보행 위상에 점차적으로 수렴하도록 각 구동부(210R, 210L, 310R, 310L, 410R, 410L)의 구동 속도를 조절하기 위한 제어신호를 생성한다.
그 다음, 생성된 제어신호에 따라 각 구동부(210R, 210L, 310R, 310L, 410R, 410L)를 구동한다. 각 구동부(210R, 210L, 310R, 310L, 410R, 410L)를 제어하면, 기준 보행 데이터에 따라 착용형 로봇(1)을 제어할 때, 착용형 로봇(1)의 움직임을 착용자의 움직임에 동기화할 수 있으므로, 착용형 로봇(1)의 움직임과 착용자의 움직임 간의 충돌을 줄일 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예들을 설명하였다. 전술한 실시예들에서착용형 로봇(1)의 일부 구성요소는 일종의 '모듈(module)'로 구현될 수 있다. 여기서, '모듈'은 소프트웨어 또는 Field Programmable Gate Array(FPGA) 또는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, 모듈은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 모듈은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. 모듈은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 실행시키도록 구성될 수도 있다.
일 예로서 모듈은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다.구성요소들과 모듈들에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 모듈들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 모듈들로 더 분리될 수 있다. 게다가, 상기 구성요소들 및 모듈들은 디바이스 내에서 하나 또는 그 이상의 CPU를 실행할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은 전술한 실시예의 적어도 하나의 처리 요소를 제어하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 코드/명령을 포함하는 매체 예를 들면, 컴퓨터 판독 가능한 매체를 통해 구현될 수도 있다.상기 매체는 상기 컴퓨터 판독 가능한 코드의 저장 및/또는 전송을 가능하게 하는 매체/매체들에 대응할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 코드는, 매체에 기록될 수 있을 뿐만 아니라, 인터넷을 통해 전송될 수도 있는데, 상기 매체는 예를 들어, ROM, RAM, CD-ROM, 마그네틱 테이프, 플로피 디스크, 광학 기록 매체를 포함할 수 있다.또한, 상기 매체는 비일시적인 컴퓨터로 판독 가능한 매체일 수도 있다. 상기 매체들은 분산 네트워크일 수도 있으므로, 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드는 분산 방식으로 저장/전송되고 실행될 수 있다.또한 더 나아가, 단지 일 예로써, 처리 요소는 프로세서 또는 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있고, 상기 처리 요소는 하나의 디바이스 내에 분산 및/또는 포함될 수 있다.
이상과 같이 예시된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 착용형 로봇
10: 본체부
20R, 20L: 제1 기구부
30R, 30L: 제2 기구부
40R, 40L: 제3 기구부

Claims (11)

  1. 착용자의 다리에 착용될 수 있도록 외골격 구조를 가지며, 센서부가 마련되는 기구부 및 상기 기구부를 구동하는 구동부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 센서부의 감지 결과에 기초하여 기준 보행 데이터를 생성하는 단계, 상기 기준 보행 데이터는 상기 착용자의 보행 보조 시, 상기 기구부에 마련된 관절부가 추종해야 할 목표 궤적인 기준 궤적을 포함하고;
    상기 착용자가 보행하는 경우, 상기 제어부가, 상기 센서부의 감지 결과에 기초하여 상기 착용자의 현재 보행 위상을 결정하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 결정된 보행 위상과의 거리가 최소인 보행 위상을 상기 기준 보행 데이터 내의 복수의 데이터 포인트들 중에서 검출하는 단계; 및
    상기 제어부가, 상기 결정된 보행 위상과 상기 검출된 보행 위상에 기초하여 제어신호를 생성하고, 상기 생성된 제어신호에 따라 상기 구동부를 구동하는 단계를 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 관절부의 위치를 감지하는 위치 센서, 상기 관절부의 속도를 감지하는 속도 센서, 및 상기 기구부에 마련된 발 착용부와 지면의 접촉 여부를 감지하는 압력 센서를 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 발 착용부는 전족부가 안착되는 제1 영역, 중족부가 안착되는 제2 영역 및 후족부가 안착되는 제3 영역을 포함하며,
    상기 압력 센서는 상기 제1 영역 및 상기 제3 영역 중 적어도 하나에 마련되는 착용형 로봇의 제어 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동하는 단계는,
    상기 결정된 보행 위상이 상기 검출된 보행 위상에 점차적으로 수렴하도록 상기 구동부의 구동 속도를 조절하기 위한 제어신호를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 제어신호에 따라 상기 구동부를 구동하는 단계를 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법.
  6. 착용자의 다리에 착용될 수 있도록 외골격 구조를 가지며, 센서부가 마련되는 기구부 및 상기 기구부를 구동하는 구동부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법에 있어서,
    상기 착용자가 보행하는 경우, 상기 제어부가, 상기 센서부의 감지 결과에 기초하여 상기 착용자의 현재 보행 위상을 결정하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 결정된 보행 위상과의 거리가 최소인 보행 위상을 사전에 획득된 기준 보행 데이터 내의 복수의 데이터 포인트들 중에서 검출하는 단계; 및
    상기 제어부가, 상기 결정된 보행 위상과 상기 검출된 보행 위상에 기초하여 제어신호를 생성하고, 상기 생성된 제어신호에 따라, 상기 구동부를 구동하는 단계를 포함하되,
    상기 기준 보행 데이터는 상기 착용자의 보행 보조 시, 상기 기구부에 마련된 관절부가 추종해야 할 목표 궤적인 기준 궤적을 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 관절부의 위치를 감지하는 위치 센서, 상기 관절부의 속도를 감지하는 속도 센서, 및 상기 기구부에 마련된 발 착용부와 지면의 접촉 여부를 감지하는 압력 센서를 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 구동하는 단계는,
    상기 결정된 보행 위상이 상기 검출된 보행 위상에 점차적으로 수렴하도록 상기 구동부의 구동 속도를 조절하기 위한 제어신호를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 제어신호에 따라 상기 구동부를 구동하는 단계를 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법.
  9. 기준 보행 데이터를 저장하는 저장부;
    착용자의 다리에 착용될 수 있도록 외골격 구조를 가지며, 센서부가 마련되는 기구부; 및
    상기 착용자가 보행하는 경우, 상기 센서부의 감지 결과에 기초하여 상기 착용자의 현재 보행 위상을 결정하고, 상기 결정된 보행 위상과의 거리가 최소인 보행 위상을 상기 기준 보행 데이터 내의 복수의 데이터 포인트들 중에서 검출하며, 상기 결정된 보행 위상과 상기 검출된 보행 위상에 기초하여 생성된 제어신호에 따라, 상기 기구부를 구동하는 구동부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 기준 보행 데이터는 상기 착용자의 보행 보조 시, 상기 기구부에 마련된 관절부가 추종해야 할 목표 궤적인 기준 궤적을 포함하는 착용형 로봇.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 관절부의 위치를 감지하는 위치 센서, 상기 관절부의 속도를 감지하는 속도 센서, 및 상기 기구부에 마련된 발 착용부와 지면의 접촉 여부를 감지하는 압력 센서를 포함하는 착용형 로봇.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 결정된 보행 위상이 상기 검출된 보행 위상에 점차적으로 수렴하도록 상기 구동부의 구동 속도를 조절하기 위한 제어신호를 생성하는 착용형 로봇.
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