KR102136330B1 - 외골격 로봇 장치 - Google Patents

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KR102136330B1
KR102136330B1 KR1020190013753A KR20190013753A KR102136330B1 KR 102136330 B1 KR102136330 B1 KR 102136330B1 KR 1020190013753 A KR1020190013753 A KR 1020190013753A KR 20190013753 A KR20190013753 A KR 20190013753A KR 102136330 B1 KR102136330 B1 KR 102136330B1
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human body
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exoskeleton robot
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KR1020190013753A
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김광태
신영준
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국방과학연구소
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Abstract

외골격 로봇 장치는 인체에 장착되어 인체의 활동을 보조하는 외골격 로봇 장치로서, 인체의 소정 부분에 부착되어 인체의 동작을 센싱하는 센서를 포함하는 센서 시스템, 센서 시스템에 의하여 센싱된 인체의 동작에 대응하여 인체의 동작을 보조하도록 인체에 힘을 제공하는 프레임부, 및 센서 시스템을 인체에 고정하며, 센서 시스템이 부착된 인체의 각 부분과 프레임부를 연결하는 스트랩부를 포함하되, 센서는 센서가 부착된 인체의 소정 부분의 회전 정보를 포함하는 오일러 각을 도출하는 관성 항법 센서이다.

Description

외골격 로봇 장치{Exoskeleton robot device}
실시예들은 외골격 로봇 장치 및 외골격 로봇 장치의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인체에 부착되는 관성 항법 센서를 통하여 인체의 움직임을 따라 움직이도록 주종 제어(mater-slave control) 가능한 외골격 로봇 장치 및 외골격 로봇 장치의 제어 방법에 관한 것이다.
외골격 로봇 장치는 사람이 옷과 같이 인체 장착할 수 있는 로봇으로 외골격 로봇을 착용한 사람의 신체 일부의 근력을 증가시키거나 착용자의 신체적 불편함을 보완할 수 있다.
외골격 로봇 장치는 종래에 노약자의 보행을 보조하기 위한 지팡이나 부상 환자를 돕기 위한 목발과 같은 기구에서 유래되었다고 볼 수 있다. 외골격 로봇 장치는 의료 및 재활분야에서 인체의 불편함을 해소하기 위한 목적으로 주로 연구되어왔다.
다만, 근래에는 민간의 산업 현장 및 군의 전투 현장이 점차 유인에서 무인으로 변화하고, 현장 작업자 및 전투원 개개인의 작업 능력과 임무 능력의 향상이 요구됨에 따라 종래의 의료 및 재활 분야를 넘어 산업 전반에 걸쳐 외골격 로봇 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
외골격 로봇 장치의 주된 연구 분야 중 하나는 야외에서 운용될 수 있는 하지 외골격 로봇 장치로 외골격 로봇 장치를 착용한 사람이 인체의 한계를 넘어서 목적물의 하중을 지지하거나 목적물을 보다 쉽게 다른 위치로 운반하도록 돕는 것이다.
외골격 로봇 장치가 야외에서 운용되기 위해서는 실내에서 운용되는 로봇과 비교하여 큰 차이점을 갖는다. 예를 들어 실내에서 운용되는 외골격 로봇 장치가 실내에 위치하는 전원을 통해 전력을 공급 받을 수 있는 반면, 실외에서 운용되는 외골격 로봇 장치는 전력 공급을 위한 전원을 별도로 구비할 필요가 있다.
따라서 실외에서 운용되기 위한 외골격 로봇 장치는 전력 공급을 위한 전원으로서 배터리가 탑재될 필요성이 있으며, 배터리의 용량은 배터리의 부피-중량에 비례하기 때문에 외골격 로봇 장치에 장착될 배터리의 부피-중량이 제한적인 바 외골격 로봇 장치에 공급 가능한 전력 또한 제한적이다. 제한적인 전력 공급은 외골격 로봇 장치 설계 시 소모 전력을 최소화시키기 위한 설계 적용이 필요하며, 이로 인해 외골격 로봇 장치 시스템 전체의 중량, 크기, 및 구동기의 수량 및 용량에 제한을 받게 된다.
상술한 제한으로 인하여 야외에서 운용되는 외골격 로봇 장치의 일 양태로서, 사람의 모든 근력이 아닌 하지(下肢) 부분의 근력을 지지하는 하지 외골격 로봇 장치가 개발되었다. 이러한 하지 외골격 로봇 장치는 특히 무릎 관절 혹은 무릎 관절과 엉덩 관절의 회전 중 피치(pitch) 운동을 구동기(actuator)로 능동(active)으로 지원할 수 있다.
이때 하지 외골격 로봇 장치를 착용한 착용자의 움직임으로 인한 불편함을 최소화시키기 위해서 외골격 로봇 장치가 능동으로 지원하지 않는 부분들은 착용자의 움직임에 순응하여 움직이게 되는 수동(passive) 구동될 수 있도록 설계한다.
이때 종래 대부분의 하지 외골격 로봇은 착용자의 발에 대응되는 위치에 형성된 바닥 면에 부착한 압력센서를 이용하여 착용자의 입각기(stance)와 유각기(swing)에 따른 보행 상태를 구분하고 판단한다.
판단된 보행상태에 따라 외골격 로봇은 착용자가 입각기(stance)일 때 능동 관절의 위치를 제어함으로써 외골격이 부하전달경로(load path)를 만들 수 있도록 하고, 유각기(swing)에서는 능동 관절 무부하(zero impedance) 제어를 통해 외골격 로봇이 착용자에게 불편함을 야기하지 않도록 제어한다.
상술한 바와 같이 종래의 하지 외골격 로봇은 입각기 상태와 유각기 상태를 구분하고 판단하여 각 상태에 대응되도록 외골격 로봇 장치가 움직이는 제어 시스템이 적용되었다.
즉, 종래의 하지 외골격 로봇 장치의 제어 시스템은 하지 외골격 로봇 장치를 착용한 착용자의 보행 단계에 따라 제어 시스템이 변동되었다. 하지만 하지 외골격 로봇 장치를 착용한 착용자의 상태를 구분하도록 제어시스템이 설계되고 적용되는 것은 착용자의 상태가 변할 때마다 제어 시스템이 변동될 필요성이 있어 시스템 안정성이 보장될 수 없는 문제가 존재하였고, 이는 착용자에게 위험을 야기하는 요소가 될 수 있다.
또한, 기존 대부분의 하지 외골격 로봇 장치는 유각기 상태에서 무부하 제어가 수행되었는데, 이는 하지 외골격 로봇 장치의 능동 구동부의 마찰 및 중력 등을 보상하거나 착용자와 로봇 사이에 작용하는 힘을 보상하는 방법으로 구현되었다.
하지만 상술한 두 방법 모두 제어 시스템의 구현이 쉽지 않을 뿐 아니라 제어 시스템을 구현하는 데에 시간지연이 발생하는 바 하지 외골격 로봇 장치를 착용한 착용자에게 불편함을 초래할 수 있어 이러한 문제점을 해결할 필요성이 존재하였다.
실시예들은 인체에 부착되는 관성 항법 센서를 통하여 인체의 움직임을 따라 움직이도록 제어 가능한 외골격 로봇 장치를 제공한다.
또한 실시예들은 외골격 로봇 장치의 제어 방법을 제공한다.
본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
일 실시예에 관한 외골격 로봇 장치는 인체에 장착되어 인체의 활동을 보조하는 외골격 로봇 장치로서, 인체의 소정 부분에 부착되어 인체의 동작을 센싱하는 센서를 포함하는 센서 시스템; 상기 센서 시스템에 의하여 센싱된 인체의 동작에 대응하여 인체의 동작을 보조하도록 인체에 힘을 제공하는 프레임부; 및 상기 센서 시스템을 인체에 고정하며, 상기 센서 시스템이 부착된 인체의 각 부분과 상기 프레임부를 연결하는 스트랩부;를 포함하되, 상기 센서는 상기 센서가 부착된 인체의 소정 부분의 회전 정보를 포함하는 오일러 각을 도출하는 관성 항법 센서이다.
상기 센서 시스템은 복수 개의 센서를 포함하되, 상기 복수 개의 센서는 인체의 소정 부분들에 각각 부착되어 부착된 소정 부분들 각각의 회전 정보를 포함하는 오일러 각을 도출할 수 있다.
상기 센서 시스템은 인체의 몸통에 부착되는 몸통 센서; 인체의 허벅지에 부착되는 허벅지 센서; 및 인체의 정강이에 부착되는 정강이 센서; 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치는 상기 프레임부는 인체 중 엉덩 관절의 회전을 보조하는 엉덩 관절 구동부; 인체 중 무릎 관절의 회전을 보조하는 무릎 관절 구동부; 및 인체 중 발목 관절의 회전을 보조하는 발목 관절 구동부; 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 엉덩 관절 구동부는 엉덩 관절의 피치(pitch) 회전을 보조하는 엉덩 능동 관절을 포함할 수 있다.
상기 무릎 관절 구동부는 무릎 관절의 피치(pitch) 회전을 보조하는 무릎 능동 관절을 포함할 수 있다.
상기 발목 관절 구동부는 발목 관절의 피치(pitch) 회전을 보조하는 발목 능동 관절을 포함할 수 있다.
상기 엉덩 관절 구동부와 상기 무릎 관절 구동부는 제 1 링크부를 통하여 연결되고, 상기 무릎 관절 구동부와 상기 발목 관절 구동부는 제 2 링크부를 통하여 연결될 수 있다.
상기 스트랩부는 체결부를 통하여 상기 프레임부의 홈부에 연결되되, 상기 체결부와 상기 홈부는 상기 스트랩부와 상기 프레임부 사이에 유격(裕隔)을 발생시킬 수 있다.
상기 스트랩부와 상기 프레임부 사이에 발생된 유격은 상기 스트랩부와 연결된 인체의 각 부분이 상기 외골격 로봇 장치에 구속되지 않고 피치(pitch) 회전할 수 있도록 자유도를 제공할 수 있다.
상기 자유도를 통하여 상기 외골격 로봇 장치가 인체의 움직임을 추종하여 움직이는 주종 제어(master-slave)가 수행될 수 있다.
또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치의 제어 방법은 실시예에 관한 외골격 로봇 장치 및 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치의 제어 방법으로서, 상기 센서를 통하여 상기 센서가 부착된 인체의 소정 부분의 회전 정보가 포함된 오일러 각을 도출하는 단계; 및 상기 센서의 부착에 의하여 발생하는 위치 오차를 보완하는 단계;를 포함한다.
상기 센서에서 측정된 롤(roll) 회전 값을 통하여 인체의 소정 부분의 피치(pitch) 회전 값을 유도하는 단계; 및 인체의 활동을 보조하도록 인체의 소정 부분의 피치 회전 값을 바탕으로 인체의 소정 부분에 대응되는 상기 외골격 로봇 장치의 프레임부를 구동하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치 제어 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체가 또 다른 실시예로서 제공될 수 있다.
실시예들에 관한 외골격 로봇 장치 및 외골격 로봇 장치의 제어 방법은 외골격 로봇 장치를 착용한 착용자의 인체에 센서를 부착해 외골격 로봇 장치가 착용자의 움직임을 인지하고 이를 추종하도록 하는 주종 제어(master slave control)가 수행된다.
실시예에 관한 외골격 로봇 장치 및 외골격 로봇 장치의 제어 방법은 관성 항법 센서를 이용하는 주종 제어를 통하여 종래의 입각기와 유각기를 구분하고 판단하는 마찰/중력 및 힘 보상 제어보다 착용자의 불편함을 저감시킬 수 있다.
또한 실시예에 관한 외골격 로봇 장치 및 외골격 로봇 장치의 제어 방법은 주종 제어의 단일 제어 시스템을 이용하기 때문에 입각기 및 유각기의 상태 변화에도 제어 시스템의 안정성을 균일하게 유지할 수 있다.
또한 실시예에 관한 외골격 로봇 장치 및 외골격 로봇 장치의 제어 방법은 입각기와 유각기를 구분하고 판단할 필요가 없어 지면과의 충격이 잦아 신뢰도가 낮고 유지 보수가 주기적으로 필요한 발 센서를 제거할 수 있다. 이에 따라 발 센서에 필요한 시스템 설계 비용 및 유지 보수 비용을 절감할 수 있고 전체 외골격 로봇 장치 및 시스템의 제어 신뢰성을 높일 수 있다.
더불어, 실시예에 관한 외골격 로봇 장치 및 외골격 로봇 장치의 제어 방법에서 인체에 부착되는 센서인 관성 항법 센서는 초기 보정 알고리즘에 따라 자이로 편류(gyro drift)에 자유로울 수 있다. 인체에 부착되는 관성 항법 센서가 자이로 편류에 자유로움에 따라 센서들을 장시간 동안 외골격 로봇의 주종 제어에 적용할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 관한 외골격 로봇 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a는 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치의 다른 방향에서의 도면이다.
도 3은 도 2a 및 도 2b에 도시된 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치의 일 부분을 도시한 도면이다.
도 4는 또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치의 제어 방법을 모식화한 블록도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치의 제어 방법에서 수행될될 수 있는 예시적 알고리즘의 블록도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 하기 설명은 실시예들을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 당해 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 명세서에서 사용되는 '구비한다' 또는 '포함한다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 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.
본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 실시예에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 실시예의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다. 일 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)는, 인체에 장착되어 인체의 활동을 보조하는 외골격 로봇 장로서, 인체의 소정 부분에 부착되어 인체의 동작을 센싱하는 센서를 포함하는 센서 시스템(110), 센서 시스템(110)에 의하여 센싱된 인체의 동작에 대응하여 인체의 동작을 보조하도록 인체에 힘을 제공하는 프레임부(120), 및 센서 시스템(110)을 인체에 고정하며, 센서 시스템(110)이 부착된 인체의 각 부분과 프레임부(120)를 연결하는 스트랩부(130)를 포함하되, 센서는 센서가 부착된 인체의 소정 부분의 회전 정보를 포함한다.
일 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)는 인체의 소정 부분에 부착되어 인체의 동작을 센싱하는 센서를 포함한다. 예를 들어 인체의 동작은 회전 운동을 포함할 수 있으며 인체의 소정 부분에 부착된 센서는 인체의 소정 부분의 회전 운동을 센싱하여 인체의 소정 부분의 회전에 대한 정보를 포함하는 오일러 각을 도출할 수 있다.
센서로부터 센싱된 인체의 동작은 외골격 로봇 장치(100)에 송신될 수 있다. 외골격 로봇 장치(100)는 센싱된 인체의 동작에 대응되는 움직임을 수행하여 인체의 동작을 보조할 수 있다. 예를 들어, 외골격 로봇 장치(100)는 외골격 로봇 장치(100)를 착용한 사람의 신체 일부의 근력을 증가시켜 한계 이상의 힘을 발휘할 수 있게 하고, 신체의 일부에 장애가 있는 착용자의 신체적 불편함을 보완하여 장애를 극복할 수 있도록 할 수 있다.
일 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 센서 시스템(110)의 센서는 오일러 각(Euler angle) 을 도출할 수 있는 관성 항법 센서일 수 있다. 오일러 각(Euler angle)은 강체가 놓인 방향을　3차원 공간에 표시하기 위해　오일러가 도입한 세 개의　각도이다. 즉, 3차원 회전군을 공간에 표시하기 위한　좌표계로서, 3차원 공간에 놓인　강체의 방향은 오일러 각을 사용하여 세 번의　회전을 통해 얻을 수 있다.
센서 시스템(110)은 복수 개의 센서를 포함하되, 복수 개의 센서는 인체의 소정 부분들에 각각 부착되어 부착된 소정 부분들 각각의 회전 정보를 포함하는 오일러 각을 도출할 수 있다.
이때 센서 시스템(110)은 인체의 몸통에 부착되는 몸통 센서(111), 인체의 허벅지에 부착되는 허벅지 센서(112), 및 인체의 정강이에 부착되는 정강이 센서(113) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
센서 시스템(110)은 복수 개의 센서를 포함할 수 있다. 복수 개의 센서는 인체의 소정 부분들에 각각 부착될 수 있으며, 인체의 소정 부분은 예를 들어 몸통, 허벅지, 및 정강이 중 적어도 하나일 수 있다. 센서가 부착되는 위치는 이에 제한되지 않고 필요에 따라 변경될 수 있다.
복수 개의 센서는 인체의 소정 부분들에 각각 부착되어 소정 부분들 각각의 운동을 센싱할 수 있는데, 소정 부분들의 운동은 회전 운동을 포함할 수 있다. 이때 각 센서는 소정 부분들의 회전에 대한 정보를 포함하는 오일러 각을 도출할 수 있다.
복수 개의 센서를 포함하는 센서 시스템(110)에서, 센서는 예를 들어 다섯 개일 수 있다. 센서는 모두 관성 항법 센서일 수 있으며 다섯 개의 센서는 인체의 몸통에 부착되는 몸통 센서(111), 허벅지 양쪽에 부착되는 허벅지 센서(112), 정강이 양쪽에 부착되는 정강이 센서(113)일 수 있다. 센서는 스트랩부(130)를 통하여 인체에 부착될 수 있으나 센서의 부착 방법은 이에 제한되지 않는다. 인체에 부착된 센서는 인체의 운동에 의하여 부착 위치가 변경되지 않도록 인체에 단단히 고정될 수 있다.
스트랩부(130)는 각각의 센서를 신체에 고정시키도록 복수 개의 스트랩을 포함할 수 있다. 예를 들어 스트랩부(130)는 몸통 센서(111)를 인체의 몸통에 고정시키기 위한 몸통 스트랩(131), 허벅지 센서(112)를 인체의 허벅지에 고정시키기 위한 허벅지 스트랩(132), 정강이 센서(113)를 인체의 정강이에 고정시키기 위한 정강이 스트랩(133)을 포함할 수 있다. 스트랩부(130)가 포함할 수 있는 스트랩의 개수 및 종류는 이에 제한되지 않는다.
인체에 부착한 관성 항법 센서로부터 추론된 오일러 각으로 외골격 로봇 장치(100)의 각도를 제어하기 위한 명령을 생성하기 위해서는 두 가지 기술적 문제 해결이 필요하다.
첫 번째 문제는 인체표면에 부착된 관성 항법 센서의 좌표계와 인체운동의 기준이 되는 예를 들어, 몸통, 허벅지, 정강이 뼈대의 좌표계가 서로 다르다는 것이고, 두 번째 문제는 인체에 부착 가능한 소형 MEMS기반 관성 항법 센서는 자이로 편류(gyro drift)를 포함하기 때문에 도출하여 제공되는 오일러 각에 오차가 존재한다는 것이다.
실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 센서 시스템(110)은 상술한 문제를 해결하기 위해, 센서 시스템(110) 전원이 켜지면 초기화 보정 작업을 수행할 수 있다. 이 초기화 보정 작업은 인체에 부착된 관성 항법 센서의 좌표계와 인체의 뼈대(예를 들어 몸통, 허벅지, 정강이 뼈대)의 좌표계를 대응시키는 단계를 포함할 수 있다.
관성 항법 센서의 좌표계와 인체의 뼈대(예를 들어 몸통, 허벅지, 정강이 뼈대)의 좌표계를 대응시키는 단계 이후, 인체 뼈대의 피치(pitch) 회전 운동을 관성 항법 센서에서 롤(roll) 회전 값으로 계측되도록 하는 과정을 포함할 수 있다.
상술한 보정 작업으로 관성 항법 센서의 오일러 각 중 롤(roll) 회전 값을 이용하여 외골격 로봇 장치(100)가 외골격 로봇 장치(100)를 착용한 인체의 움직임을 따라 움직이는 주종 제어(master-slave control) 가 수행될 수 있다. 이러한 외골격 로봇 장치(100)의 주종 제어에 관하여는 후술될 또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 제어 방법과 함께 보다 상세하게 알아본다.
일 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)는 센서 시스템(110)에 의하여 센싱된 인체의 동작에 대응하여 인체의 동작을 보조하도록 인체에 힘을 제공하는 프레임부(120)를 포함한다.
프레임부(120)는 인체에 동작에 대응되는 움직임을 수행하여 인체의 동작을 보조할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 프레임부(120)는 외골격 로봇 장치(100)를 착용한 사람이 소정 범위 이상의 힘을 발휘할 수 있게 하기 위하여 인체의 주위에 배치될 수 있으며, 인체가 힘을 발휘하도록 인체 또는 목적물에 힘을 제공하는 강체로 형성될 수 있으나 프레임부(120)의 구조 및 재료는 이에 제한되지 않는다.
일 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)는 센서 시스템(110)을 인체에 고정하며, 센서 시스템(110)이 부착된 인체의 각 부분과 프레임부(120)를 연결하는 스트랩부(130)를 포함할 수 있다.
외골격 로봇 장치(100)는 스트랩부(130)를 통하여 인체에 체결될 수 있다. 이때 스트랩부(130)는 외골격 로봇 장치(100)를 착용하는 사람의 신체의 소정 부분을 감싸는 형상을 가질 수 있다. 스트랩부(130)는 신체의 소정 부분을 감싸며 센서 시스템(110)을 인체에 고정시킬 수 있다. 스트랩부(130)는 센서 시스템(110)에 포함된 센서의 개수에 대응되는 개수일 수 있으며 센서의 개수에 따라 변경될 수 있다.
스트랩부(130)가 센서 시스템(110)을 인체의 소정 부분에 고정시킴에 따라 센서 시스템(110)의 위치는 인체의 운동에 의하여 변경되지 않고 최초 인체에 부착된 지점을 유지할 수 있다.
도 2a는 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 다른 방향에서의 도면이다.
다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)는 인체에 장착되어 인체의 활동을 보조하는 외골격 로봇 장로서, 인체의 소정 부분에 부착되어 인체의 동작을 센싱하는 센서를 포함하는 센서 시스템(110), 센서 시스템(110)에 의하여 센싱된 인체의 동작에 대응하여 인체의 동작을 보조하도록 인체에 힘을 제공하는 프레임부(120), 및 센서 시스템(110)을 인체에 고정하며, 센서 시스템(110)이 부착된 인체의 각 부분과 프레임부(120)를 연결하는 스트랩부(130)를 포함하되, 센서는 센서가 부착된 인체의 소정 부분의 회전 정보를 포함한다.
이때, 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 구성 및 효과는 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 구성 및 효과와 동일한 바, 이와 중복되는 범위에서의 상세한 설명은 생략하도록 한다.
다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)는 센서 시스템(110)에 의하여 센싱된 인체의 동작에 대응하여 인체의 동작을 보조하도록 인체에 힘을 제공하는 프레임부(120)를 포함하는데, 프레임부(120)는 인체 중 엉덩 관절의 회전을 보조하는 엉덩 관절 구동부(121), 인체 중 무릎 관절의 회전을 보조하는 무릎 관절 구동부(122), 및 인체 중 발목 관절의 회전을 보조하는 발목 관절 구동부(123) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
엉덩 관절 구동부(121)는 엉덩 관절의 피치(pitch) 회전을 보조하는 엉덩 능동 관절(121a)을 포함할 수 있다.
무릎 관절 구동부(122)는 무릎 관절의 피치(pitch) 회전을 보조하는 무릎 능동 관절(122a)을 포함할 수 있다.
발목 관절 구동부(123)는 발목 관절의 피치(pitch) 회전을 보조하는 발목 능동 관절(123a)을 포함할 수 있다.
엉덩 관절 구동부(121)와 무릎 관절 구동부(122)는 제 1 링크부(124)를 통하여 연결되고, 무릎관절 구동부와 발목 관절 구동부(123)는 제 2 링크부(125)를 통하여 연결될 수 있다.
다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)는 발목 관절 구동부(123)로부터 연장되어 형성되며 인체의 발이 위치할 수 있는 발판부(150)를 더 포함할 수 있다. 발판부(150)는 인체의 발과 접촉하여 발을 이동하는 역할을 할 수 있다.
다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 프레임부(120)는 엉덩 관절의 회전을 보조하는 엉덩 관절 구동부(121), 인체 중 무릎 관절의 회전을 보조하는 무릎 관절 구동부(122), 및 인체 중 발목 관절의 회전을 보조하는 발목 관절 구동부(123) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
엉덩 관절 구동부(121)는 인체 중 몸통(고관절) 부분의 움직임에 대응되도록 외골격 로봇 장치(100)를 움직이는 역할을 할 수 있다. 이때 엉덩 관절 구동부(121)는 착용자의 몸통의 회전 중 피치(pitch) 회전에 대응하여 착용자의 움직임을 보조하는 회전력을 제공하는 엉덩 능동 관절(121a)을 포함할 수 있다. 즉, 엉덩 능동 관절(121a)을 통하여 외골격 로봇 장치(100)는 몸통의 회전 중 피치(pitch) 방향 회전에 대하여 근력을 지원할 수 있다.
엉덩 관절 구동부(121)는 착용자의 몸통의 회전 중 롤(roll) 회전과 요(yaw) 회전에 순응하여 수동(passive)으로 움직이는 엉덩 수동 관절(121b)을 포함할 수 있다. 즉, 엉덩 수동 관절(121b)은 착용자의 몸통의 롤(roll) 회전 또는 요(yaw) 회전에 순응하여 함께 회전할 수 있다. 다만, 엉덩 수동 관절(121b)은 착용자의 움직임(롤 회전 및 요 회전)을 보조하기 위한 별도의 회전력을 제공하지 않는다.
다만, 엉덩 관절 구동부(121)의 피치(pitch) 회전, 롤(roll) 회전, 및 요(yaw) 회전에 따른 능동과 수동 관절의 제공은 필요에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 다른 양태의 실시예에서 외골격 로봇의 엉덩 관절 구동부(121)는 롤(roll) 회전에 대응하여 착용자의 움직임을 보조하는 회전력을 제공하는 엉덩 능동 관절(121a)과, 피치(pitch) 회전과 요(yaw) 회전에 순응하여 수동으로 움직이는 엉덩 수동 관절(121b)을 포함할 수 있다.
무릎 관절 구동부(122)는 인체 중 무릎 부분의 움직임에 대응되도록 외골격 로봇 장치(100)를 움직이는 역할을 할 수 있다. 이때 무릎 관절 구동부(122)는 착용자의 무릎의 회전 중 피치(pitch) 회전에 대응하여 착용자의 움직임을 보조하는 회전력을 제공하는 무릎 능동 관절(122a)을 포함할 수 있다. 즉, 무릎 능동 관절(122a)을 통하여 외골격 로봇 장치(100)는 무릎의 회전 중 피치(pitch) 방향 회전에 대하여 근력을 지원할 수 있다.
무릎 관절 구동부(122)는 착용자의 무릎의 회전 중 롤(roll) 회전과 요(yaw) 회전에 순응하여 수동(passive)으로 움직이는 무릎 수동 관절(미도시)을 포함할 수 있다.
즉, 무릎 수동 관절(미도시)은 착용자의 무릎의 롤(roll) 회전 또는 요(yaw) 회전에 순응하여 함께 회전할 수 있다. 다만, 무릎 수동 관절(미도시)은 착용자의 움직임(롤 회전 및 요 회전)을 보조하기 위한 별도의 회전력을 제공하지 않는다.
다만, 무릎 관절 구동부(122)의 피치(pitch) 회전, 롤(roll) 회전, 및 요(yaw) 회전에 따른 능동과 수동 관절의 차이는 필요에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 다른 양태의 실시예에서 외골격 로봇의 무릎 관절 구동부(122)는 요(yaw) 회전에 대응하여 착용자의 움직임을 보조하는 회전력을 제공하는 무릎 능동 관절(122a)과, 피치(pitch) 회전과 롤(roll) 회전에 순응하여 수동으로 움직이는 무릎 수동 관절(미도시)을 포함할 수 있다.
발목 관절 구동부(123)는 인체 중 발목 부분의 움직임에 대응되도록 외골격 로봇 장치(100)를 움직이는 역할을 할 수 있다. 이때 발목 관절 구동부(123)는 착용자의 발목의 회전 중 피치(pitch) 회전에 대응하여 착용자의 움직임을 보조하는 회전력을 제공하는 발목 능동 관절(123a)을 포함할 수 있다. 즉, 발목 능동 관절(123a)을 통하여 외골격 로봇 장치(100)는 발목의 회전 중 피치(pitch) 방향 회전에 대하여 근력을 지원할 수 있다.
발목 관절 구동부(123)는 착용자의 발목의 회전 중 롤(roll) 회전과 요(yaw) 회전에 순응하여 수동(passive)으로 움직이는 발목 수동 관절(미도시)을 포함할 수 있다. 즉, 발목 수동 관절(미도시)은 착용자의 발목의 롤(roll) 회전 또는 요(yaw) 회전에 순응하여 함께 회전할 수 있다. 다만, 발목 수동 관절(미도시)은 착용자의 움직임(롤 회전 및 요 회전)을 보조하기 위한 별도의 회전력을 제공하지 않는다.
다만, 발목 관절 구동부(123)의 피치(pitch) 회전, 롤(roll) 회전, 및 요(yaw) 회전에 따른 능동과 수동 관절의 차이는 필요에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 다른 양태의 실시예에서 외골격 로봇의 발목 관절 구동부(123)는 요(yaw) 회전에 대응하여 착용자의 움직임을 보조하는 회전력을 제공하는 발목 능동 관절(123a)과, 피치(pitch) 회전과 롤(roll) 회전에 순응하여 수동으로 움직이는 발목 수동 관절(미도시)을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)에서 센서 시스템(110)은 예를 들어 도 2a 및 도 2b와 같이 오일러 각을 만들 수 있는 5 개의 관성 항법 센서를 포함할 수 있다. 이때 무릎 관절을 보조하기 위해 구성된 외골격 로봇 장치(100)에서 센서 시스템(110)은 허벅지에 2개와 정강이에 2개 총 4개의 관성 항법 센서로 구성될 수 있다.
다른 예시로서, 엉덩 관절만 보조하는 외골격 로봇 장치(100)에서는 센서 시스템(110)은 몸통에 1개과 허벅지에 2개, 총 3개의 관성 항법 센서로 구성될 수 있다. 또 다른 예시로서, 발목 관절을 보조하는 외골격 로봇 장치(100)에서 센서 시스템(110)은 정강이에 2개 발등에 2개, 총 4개의 센서로 구성될 수 있으나, 센서의 종류 및 위치는 이에 제한되지 않고 필요에 따라 변경될 수 있다.
또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)에서 엉덩 관절 구동부(121)와 무릎 관절 구동부(122)는 제 1 링크부(124)를 통하여 연결되고, 무릎 관절 구동부(122)와 발목 관절 구동부(123)는 제 2 링크부(125)를 통하여 연결될 수 있다. 이때 제 1 링크부(124)는 엉덩 관절 구동부(121)로부터 무릎 관절 구동부(122)로 연장될 수 있고, 제 2 링크부(125)는 무릎 관절 구동부(122)로부터 발목 관절 구동부(123)로 연장될 수 있다.
도 3은 도 2a 및 도 2b에 도시된 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 일 부분을 도시한 도면이다. 도 2a, 도 2b, 및 도 3을 참조하여 스트랩부(130)와 프레임부(120) 사이에 발생되는 유격(50)(裕隔)으로 인한 자유도를 통하여 수행되는 주종(master-slave) 제어에 대하여 보다 상세하게 알아보도록 한다.
다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)에서 스트랩부(130)는 체결부(70)를 통하여 프레임부(120)의 홈부(60)에 연결되되, 체결부(70)와 홈부(60)는 스트랩부(130)와 프레임부(120) 사이에 유격(50)(裕隔)을 발생시킬 수 있다.
스트랩부(130)와 프레임부(120) 사이에 발생된 유격(50)은 스트랩부(130)와 연결된 인체의 각 부분이 외골격 로봇 장치(100)에 구속되지 않고 피치(pitch) 회전할 수 있도록 자유도를 제공할 수 있다. 제공된 자유도를 통하여 외골격 로봇 장치(100)가 인체의 움직임을 추종하여 움직이는 주종 제어(master-slave)가 수행될 수 있다.
다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)에서 스트랩부(130)는 체결부(70)를 통하여 프레임부(120)에 연결될 수 있다. 이때 스트랩부(130)의 체결부(70)는 프레임부(120)에 형성된 홈부(60)에 연결될 수 있다.
예를 들어 스트랩부(130)의 체결부(70)가 프레임부(120)의 홈부(60)에 삽입되어 스트랩부(130)가 프레임부(120)와 연결될 수 있다. 이때 홈부(60)의 크기가 체결부(70)의 크기보다 클 수 있음에 따라 체결부(70)가 홈부(60) 내부에서 변위될 수 있다. 따라서 체결부(70)와 홈부(60)는 스트랩부(130)와 프레임부(120) 사이에 유격(50)(裕隔)을 발생시킬 수 있다.
스트랩부(130)와 프레임부(120) 사이에 발생된 유격(50)은 스트랩부(130)와 연결된 인체의 각 부분이 외골격 로봇 장치(100)에 구속되지 않고 피치(pitch) 회전할 수 있도록 자유도를 제공할 수 있다.
홈부(60)의 형상은 스트랩부(130)가 부착된 인체의 소정 부분의 회전 중 피치(pitch) 회전에 대하여 자유도를 제공하기 위하여 아래로 볼록한 호 형상의 단면을 가질 수 있다.
다만 홈부(60)의 형상은 그 목적 및 효과에 따라 직선 형상의 단면 및 위로 볼록한 호 형상의 단면을 가질 수 있으며 홈부(60)의 형상이 이에 제한되지 않고 필요에 따라 다양한 형상으로 변경될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명한 사실에 불과하다.
외골격 로봇 장치(100)가 인체의 움직임을 추종하여 움직이는 주종 제어(master-slave control)가 수행되기 위해서는 프레임부(120)와 인체의 움직임에 유격(50)이 필요하다. 이러한 유격(50)은 상술한 바와 같이 스트랩부(130)의 체결부(70)와 프레임부(120)의 홈부(60) 통하여 발생할 수 있다. 이를 통해 인체와 프레임부(120)는 유격(50)이 발생하는 소정의 영역에서 동기화, 즉 일치되지 않아 주종 제어(master-slave control)의 수행이 가능하다.
주종 제어(master-slave control)를 위해 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 센서 시스템(110)은 센서 시스템(110) 전원이 켜지면 초기화 보정 작업을 수행할 수 있다. 이 초기화 보정 작업은 인체에 부착된 관성 항법 센서의 좌표계와 인체의 뼈대(예를 들어 몸통, 허벅지, 정강이 뼈대)의 좌표계를 대응시키는 단계를 포함할 수 있다.
관성 항법 센서의 좌표계와 인체의 뼈대(예를 들어 몸통, 허벅지, 정강이 뼈대)의 좌표계를 대응시키는 단계 이후, 인체 뼈대의 피치(pitch) 회전 운동을 관성 항법 센서에서 롤(roll) 회전 값으로 계측되도록 하는 과정을 포함할 수 있다.
상술한 보정 작업으로 관성 항법 센서의 오일러 각 중 롤(roll) 회전 값을 이용하여 외골격 로봇 장치(100)가 외골격 로봇 장치(100)를 착용한 인체의 움직임을 따라 움직이는 주종 제어(master-slave control)가 수행될 수 있다.
도 4는 또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 제어 방법을 모식화한 블록도이다. 이때, 외골격 로봇 장치(100)의 제어 방법은 상술한 주종 제어(master-slave control)일 수 있다.
또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 제어 방법은 센서를 통하여 센서가 부착된 인체의 소정 부분의 회전 정보가 포함된 오일러 각을 도출하는 단계(201), 및 센서의 부착에 의하여 발생하는 각 부분의 위치 오차를 보완하는 단계(202)를 포함한다.
이때 또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 제어 방법은 센서에서 측정된 롤(roll) 회전 값을 통하여 인체의 소정 부분의 피치(pitch) 회전 값을 유도하는 단계(203), 및 인체의 활동을 보조하도록 인체의 소정 부분의 피치 회전 값을 바탕으로 인체의 소정 부분에 대응되는 외골격 로봇 장치(100)의 프레임부(120)를 구동하는 단계(204)를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 제어 방법은 센서를 통하여 센서가 부착된 인체의 소정 부분의 회전 정보가 포함된 오일러 각을 도출하는 단계(201)를 포함한다. 인체에 부착된 센서는 관성 항법 센서일 수 있으며, 센서는 센서가 부착된 부착면의 오일러 각을 도출한다.
센서가 측정하는 신체의 소정 부분의 오일러 각 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112019012254895-pat00001
여기서 아래첨자 o는 무보정(original)의 약자로 이 회전행렬은 기준 좌표계 대비 도출되는 오일러 각이 된다. 그리고 α는 요, β는 피치, γ는 롤이 되며 Rzyx는 회전 행렬이 된다.
또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 제어 방법은 센서를 통하여 센서가 부착된 인체의 소정 부분의 회전 정보가 포함된 오일러 각을 도출하는 단계(201) 이후 센서의 부착에 의하여 발생하는 각 부분의 위치 오차를 보완하는 단계(202)를 포함한다.
센서의 부착에 의하여 발생하는 위치 오차를 보완하는 단계(202)에서는 위치 오차를 보완함으로써 센서의 좌표계(상대 좌표계)와 센서가 부착되어 센싱의 대상이 되는 인체의 소정 부분의 좌표계(기준 좌표계)를 일치시킬 수 있다.
센서의 부착에 의하여 발생하는 위치 오차는 센서의 부착면과 센서의 센싱 대상이 되는 인체의 소정 부분의 위치의 차이로 인하여 발생할 수 있다. 또한, 위치 오차는 센서가 부착되는 부착면의 굴곡에 의하여 발생할 수 있다.
따라서, 센서의 부착에 의하여 발생하는 위치 오차를 보완하기 위하여 보상이 필요한데 그 방법은 다음의 수학식 2 방법으로 구현 가능하다.
Figure 112019012254895-pat00002
여기서 아래첨자 n은 보정된 좌표계의 약자이고,
Figure 112019012254895-pat00003
는 보정 상수로 오일러 각을 도출하는 단계(201)에서 도출된 오일러 각의 초기치이다. 수학식 2를 통해 각 센서는 보정된 회전 행렬
Figure 112019012254895-pat00004
을 갖게 된다. 이 보정된 회전 행렬로부터 얻은 오일러 각은 센서의 센싱 대상이 되는 인체의 소정 부분의 좌표계(기준 좌표계)와 동일한 좌표계를 갖게 된다
이때 또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 제어 방법은 센서에서 측정된 롤(roll) 회전 값을 통하여 인체의 소정 부분의 피치(pitch) 회전 값을 유도하는 단계(203)를 포함할 수 있다. 즉, 센서에서 측정된 롤(roll) 회전 값을 통하여 인체의 소정 부분의 피치(pitch) 회전 값을 유도하는 단계(203)는 센서가 장착된 인체의 소정 부분의 피치(pitch) 운동을 관성 항법 센서에서 롤(roll) 값으로 계측되도록 하는 과정을 포함할 수 있다.
이러한 단계들을 통하여 관성 항법 센서의 오일러 각 중 롤(roll) 값의 연산으로 주종 제어(master-slave control)의 각도 제어 명령이 제공될 수 있다. 이 명령은 관성 항법 센서의 롤 값만 이용하기 때문에 자이로 편류(gyro drift)에서 자유로워질 수 있으며 좌표계 일치를 통해 신뢰성 높은 각도 명령의 생성이 가능하다. 또한 자이로 편류를 배제함으로 외골격 로봇 장치(100)는 수 시간 이상의 장시간 운용도 가능하다.
즉, 또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 제어 방법은 센서에서 측정된 롤(roll) 회전 값을 통하여 인체의 소정 부분의 피치(pitch) 회전 값을 유도하는 단계(203)는 센서의 상대 좌표계의 롤(roll) 회전 값이 인체의 소정 부분의 피치(pitch) 각의 값에 대응되도록 하는 좌표계 보정이 추가로 필요하다.
회전 행렬로부터 획득하는 롤 각 값은 측정에 있어서의 안정성을 띄며, 360도 영역 측정이 가능하다. 측정된 롤(roll) 회전 값을 통하여 인체의 소정 부분의 피치(pitch) 회전 값을 유도하는 단계(203)를 통하여 용이하게 주종 제어의 명령 연산이 가능하다. 이처럼 부착된 관성항법센서의 롤 회전 값으로 인체의 피치 회전 값을 계측하기 위해서는 식 수학식 2를 다음의 수학식 3과 같이 수정해야 한다.
Figure 112019012254895-pat00005
여기서 t는 시간을 의미하고, δ는 보정상수가 된다. 수학식 3에서 δ와 회전 행렬
Figure 112019012254895-pat00006
으로부터 얻은 롤 회전 값은 인체의 피치 회전 값을 계측하게 된다.
δ는 인체의 정지 상태에서 오일러 각 초기치
Figure 112019012254895-pat00007
를 구한 다음 획득할 수 있다. 우선 인체 중 예를 들어 몸통의 좌표계 보정은 몸통을 피치 방향으로 흔들면서 오일러 각을 저장하고, 예를 들어 다리의 경우 좌측 또는 우측 엉덩 관절을 각각 피치 방향으로 일정 시간 동안 진자 또는 회전 운동하면서 오일러 각을 저장한다.
그리고 수학식 4의 목적 함수를 갖는 최적화 문제를 품으로써 각 센서의 δ를 구할 수 있다.
Figure 112019012254895-pat00008
여기서
Figure 112019012254895-pat00009
,
Figure 112019012254895-pat00010
, 그리고 아래첨자 n, m은 3행 3열 회전행렬의 n행 m열 성분을 뜻한다. 이렇게 최적화 문제의 결과인 δ를 통해 상술한 수학식 3을 완성시킬 수 있고 이 결과 얻은 수학식 3의 회전 행렬은 다음의 식으로 각각 롤, 피치 또는 요 값으로 변환 가능하다.
Figure 112019012254895-pat00011
수학식 5의 결과로 얻은 각 센서의 롤 회전 값 γ는 또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 제어 방법에서 사용되는 롤 회전 값이 될 수 있다. 상술한 식으로 획득한 인체의 소정 부분의 예시로서, 몸통, 허벅지, 또는 정강이 각각의 롤 회전 값은 몸통 센서(111)와 허벅지 센서(112)의 롤 회전 값의 차를 통해 엉덩 능동 관절(121a)의 피치 방향의 주종 제어 각도 명령으로, 허벅지 센서(112)와 정강이 센서(113)의 롤 회전 값의 차를 통해 무릎 능동 관절(122a)의 주종 제어를 위한 각도 명령으로 변환이 가능하다.
도 5는 또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 제어 방법에서 수행될 수 있는 예시적 알고리즘의 블록도이다. 이때 도 5의 블록도를 참조하여 상술한 일련의 과정에 대하여 보다 상세하게 알 수 있다.
또 다른 실시예에 관한 외골격 로봇 장치(100)의 제어 방법은 센서를 통하여 센서가 부착된 인체의 소정 부분의 회전 정보가 포함된 오일러 각을 도출하는 단계(201), 및 센서의 부착에 의하여 발생하는 각 부분의 위치 오차를 보완하는 단계(202), 측정된 롤(roll) 회전 값을 통하여 인체의 소정 부분의 피치(pitch) 회전 값을 유도하는 단계(203), 및 인체의 활동을 보조하도록 인체의 소정 부분의 피치 회전 값을 바탕으로 인체의 소정 부분에 대응되는 외골격 로봇 장치(100)의 프레임부(120)를 구동하는 단계(204)를 통하여 센서가 부착된 신체의 소정 부분에 대한 주종 제어가 수행될 수 있으며, 주종 제어 명령이 생성될 수 있다.
주종 제어를 통하여 시스템 설계 비용 및 유지 보수 비용을 절감할 수 있고 전체 외골격 로봇 장치(100) 및 시스템의 제어 신뢰성을 높일 수 있다.
한편, 상술한 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 방법에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 램, USB, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 인체에 장착되어 인체의 활동을 보조하는 외골격 로봇 장치로서,
    인체의 소정 부분에 부착되어 인체의 동작을 센싱하는 센서를 포함하는 센서 시스템;
    상기 센서 시스템에 의하여 센싱된 인체의 동작에 대응하여 인체의 동작을 보조하도록 인체에 힘을 제공하는 프레임부; 및
    상기 센서 시스템을 인체에 고정하며, 상기 센서 시스템이 부착된 인체의 각 부분과 상기 프레임부를 연결하는 스트랩부;를 포함하되,
    상기 센서는 상기 센서가 부착된 인체의 소정 부분의 회전 정보를 포함하는 오일러 각을 도출하는 관성 항법 센서이고,
    상기 센서 시스템은 상기 센서에서 측정된 롤(roll) 회전 값을 통하여 인체의 소정 부분의 피치(pitch) 회전 값을 유도하고,
    인체의 소정 부분에 대응되는 상기 프레임부는 인체의 활동을 보조하도록 인체의 소정 부분의 피치 회전 값을 바탕으로 구동되는, 외골격 로봇 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 시스템은 복수 개의 센서를 포함하는, 외골격 로봇 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서 시스템은
    인체의 몸통에 부착되는 몸통 센서;
    인체의 허벅지에 부착되는 허벅지 센서; 및
    인체의 정강이에 부착되는 정강이 센서; 중 적어도 하나를 포함하는, 외골격 로봇 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임부는
    인체 중 엉덩 관절의 회전을 보조하는 엉덩 관절 구동부;
    인체 중 무릎 관절의 회전을 보조하는 무릎 관절 구동부; 및
    인체 중 발목 관절의 회전을 보조하는 발목 관절 구동부; 중 적어도 하나를 포함하는, 외골격 로봇 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 엉덩 관절 구동부는 엉덩 관절의 피치(pitch) 회전을 보조하는 엉덩 능동 관절을 포함하는, 외골격 로봇 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 무릎 관절 구동부는 무릎 관절의 피치(pitch) 회전을 보조하는 무릎 능동 관절을 포함하는, 외골격 로봇 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 발목 관절 구동부는 발목 관절의 피치(pitch) 회전을 보조하는 발목 능동 관절을 포함하는, 외골격 로봇 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 엉덩 관절 구동부와 상기 무릎 관절 구동부는 제 1 링크부를 통하여 연결되고,
    상기 무릎 관절 구동부와 상기 발목 관절 구동부는 제 2 링크부를 통하여 연결되는, 외골격 로봇 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 스트랩부는 체결부를 통하여 상기 프레임부의 홈부에 연결되되,
    상기 체결부와 상기 홈부는 상기 스트랩부와 상기 프레임부 사이에 유격(裕隔)을 발생시키는, 외골격 로봇 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 스트랩부와 상기 프레임부 사이에 발생된 유격은 상기 스트랩부와 연결된 인체의 각 부분이 상기 외골격 로봇 장치에 구속되지 않고 피치(pitch) 회전할 수 있도록 자유도를 제공하는, 외골격 로봇 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 자유도를 통하여 상기 외골격 로봇 장치가 인체의 움직임을 추종하여 움직이는 주종 제어(master-slave)가 수행되는, 외골격 로봇 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 외골격 로봇 장치의 제어 방법으로서,
    상기 센서를 통하여 상기 센서가 부착된 인체의 소정 부분의 회전 정보가 포함된 오일러 각을 도출하는 단계;
    상기 센서의 부착에 의하여 발생하는 위치 오차를 보완하는 단계;
    상기 센서에서 측정된 롤(roll) 회전 값을 통하여 인체의 소정 부분의 피치(pitch) 회전 값을 유도하는 단계; 및
    인체의 활동을 보조하도록 인체의 소정 부분의 피치 회전 값을 바탕으로 인체의 소정 부분에 대응되는 상기 외골격 로봇 장치의 프레임부를 구동하는 단계를 포함하는, 외골격 로봇 장치의 제어 방법.
  13. 삭제
  14. 제 12 항에 따른 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102595539B1 (ko) 2023-07-26 2023-10-31 엑소아틀레트아시아 주식회사 기계식 스토퍼를 구비한 외골격 장치
KR102690570B1 (ko) * 2022-05-31 2024-07-31 엘아이지넥스원 주식회사 착용로봇 및 이를 포함하는 상호작용력 측정 웨어러블 시스템

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150085357A (ko) * 2014-01-15 2015-07-23 삼성전자주식회사 착용형 로봇 및 그 제어 방법
KR101751760B1 (ko) * 2016-10-31 2017-06-28 주식회사 모셔넥스 하지 관절 각도를 이용한 보행 인자 추정 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150085357A (ko) * 2014-01-15 2015-07-23 삼성전자주식회사 착용형 로봇 및 그 제어 방법
KR101751760B1 (ko) * 2016-10-31 2017-06-28 주식회사 모셔넥스 하지 관절 각도를 이용한 보행 인자 추정 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102690570B1 (ko) * 2022-05-31 2024-07-31 엘아이지넥스원 주식회사 착용로봇 및 이를 포함하는 상호작용력 측정 웨어러블 시스템
KR102595539B1 (ko) 2023-07-26 2023-10-31 엑소아틀레트아시아 주식회사 기계식 스토퍼를 구비한 외골격 장치

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