KR102146363B1 - 착용형 로봇 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시 예에 따른 착용형 로봇의 제어 방법은 착용자의 발바닥에 작용하는 지면 반력(Ground Reaction Force, GRF)을 측정하는 단계, 측정된 상기 지면 반력의 시간변화율을 연산하는 단계, 상기 착용자의 무릎 관절 각도를 측정하는 단계 및 연산된 상기 지면 반력의 시간변화율과 측정된 상기 무릎 관절 각도가 교차하는 시점을 검출하는 단계를 포함한다.

Description

착용형 로봇 및 그 제어 방법{Wearable robot and control method for the same}
착용형 로봇 및 그 제어 방법이 개시된다. 더욱 상세하게는, 일어서는 시점을 검출하고, 근력 보조를 위한 보조 토크를 생성하는 착용형 로봇 및 그 제어 방법이 개시된다.
현재 장애인 및 노약자의 거동 시 근력을 보조하여 거동을 도와주거나, 근육병 환자를 위한 재활치료용 또는 무거운 군장을 지는 군인용 또는 무거운 짐을 드는 산업현장용 등의 다양한 목적을 갖는 착용형 로봇(wearable robot)의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
군인용 또는 산업현장용으로 사용되는 착용형 로봇은 사람이 발생하는 힘보다 훨씬 큰 힘을 발생하는 반면, 장애인용 또는 노약자용으로 사용되는 착용형 로봇은 착용자에게 작은 크기의 힘을 보조한다. 이러한 장애인용 또는 노약자용으로 사용되는 착용형 로봇은 착용자가 편리한 생활을 할 수 있도록 도와주고, 특히 고령화 사회에 접어들면서 근력이 쇠약해진 노인들을 대상으로 하는 보행 보조 장치에 대한 연구들이 스마트 에이징(smart aging) 기술로 주목받고 있다.
이와 같이 노인들을 대상으로 하는 보행 보조 장치는 사람의 기본적인 필수 생활 요소인 이동 능력을 향상시킴으로써 삶의 질에 큰 영향을 끼칠 수 있다. 즉, 오래 걷지 못하는 노인들이 이러한 보행 보조 장치를 착용하면 생활 반경이 넓어지게 되어 다양한 문화 생활을 더 경험할 수 있으며 운동도 보다 적극적으로 시도할 수 있게 되어 재활의 목적으로도 사용이 가능하다. 또한, 웨어러블 컴퓨터(wearable computer)의 역할도 수행하여 각종 IT 기술과 접목하여 실시간 건강 체크 및 응급 상황 알림/대처에도 활용 가능하다.
이러한 보행 보조 장치는 목적에 따라 여러 가지 형태로 나눌 수 있다. 예로써, 힙(hip), 무릎(knee), 발목(ankle) 관절에 모두 프레임이 장착되는 외골격(exoskeleton) 형태 또는 힙(hip) 관절만 보조할 수 있도록 허리 및 허벅지에만 착용하는 형태일 수 있다.
또한, 보행 보조 장치는 기본적으로 이동을 전제로 하기 때문에 배터리 탑재가 필수이며, 착용에 부담을 주지 않도록 최대한 가벼워야 한다. 그리고, 보행의 패턴을 파악할 수 있는 관절각 센서 등을 포함하는 다수의 신체 움직임 측정 센서가 마련된다. 또한, 정확한 시점에 최적의 관절 토크를 생성할 수 있도록 제어해야 한다.
적절한 시점에 착용자로 하여금 저항감을 느끼지 않게 하는 보조 토크를 발생시키는 착용형 로봇 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 착용형 로봇의 제어 방법은 착용자의 발바닥에 작용하는 지면 반력 및 착용자의 무릎 관절 각도를 측정하는 단계, 상기 지면 반력의 시간변화율 그래프와 상기 무릎 관절 각도의 그래프가 교차하는 시점을 검출하는 단계 및 검출된 상기 교차 시점을 상기 착용자가 일어서는 동작을 시작하는 시점으로 판단하고, 해당 시점부터 보조 토크를 적용하는 단계를 포함한다.
또한, 다른 실시 예에 따른 착용형 로봇의 제어 방법은 착용자가 일어서는 동작을 시작하는 시점을 판단하는 단계, 복수 개의 사인파가 중첩된 삼각함수 파동 형상을 갖는 보조 토크를 생성하는 단계 및 생성된 상기 보조 토크를 상기 판단된 시점부터 적용하는 단계를 포함한다.
또한, 일 실시 예에 따른 착용형 로봇은 착용자의 근력 보조를 위한 기구로 구성된 로봇부, 상기 착용자의 발바닥에 작용하는 지면 반력(Ground Reaction Force, GRF)을 측정하는 GRF 측정부, 상기 착용자의 무릎 관절 각도 및 힙 관절 각도를 측정하는 관절 각 측정부 및 상기 GRF 측정부를 이용하여 측정된 지면 반력의 시간변화율 그래프와 상기 무릎 관절 각도 그래프가 교차하는 시점을 검출하고, 검출된 시점을 상기 착용자가 일어서는 동작을 시작하는 시점으로 판단하고, 판단된 시점부터 상기 로봇부에 보조 토크를 적용하는 제어부를 포함한다.
또한, 다른 실시 예에 따른 착용형 로봇은 착용자의 근력 보조를 위한 기구로 구성된 로봇부, 상기 착용자의 무릎 관절 각도 및 힙 관절 각도를 측정하는 관절 각 측정부 및 상기 착용자가 일어서는 동작을 시작하는 시점을 판단하고, 복수 개의 사인파가 중첩된 삼각함수 파동 형상을 갖는 보조 토크를 생성한 후, 생성된 상기 보조 토크를 상기 판단된 시점부터 상기 로봇부에 적용하는 제어부를 포함한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 착용형 로봇의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 착용형 로봇의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3은 착용자의 일어서는 동작을 순차적으로 도시한 개념도이다.
도 4는 일어서는 동작의 각 단계에서의 지면 반력(GRF)과 힙과 무릎의 관절각을 도시한 그래프이다.
도 5는 일어서는 동작의 각 단계에서 힙과 무릎 및 발목에 각각 걸리는 부하토크를 도시한 그래프이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 착용형 로봇의 제어 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 7은 일어서는 동작 중 증가하는 지면 반력(GRF)과 무릎 관절 각도가 교차하는 시점을 나타내는 그래프이다.
도 8은 일어서는 동작 속도별 검출되는 교차 시점을 나타내는 그래프이다.
도 9는 일어서는 자세별 검출되는 교차 시점을 나타내는 그래프이다.
도 10은 보조 토크의 적용 시점과 적용 시간 및 형상을 도시한 개념도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 착용형 로봇 및 그 제어 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 실시 예에서는 착용형 로봇 중 보행 보조 로봇을 예를 들어 본 발명에 대하여 설명할 것이나, 본 발명이 특별히 보행 보조 로봇에만 적용되는 것은 아니며, 착용자의 근력을 보조하는 모든 착용형 로봇에 적용될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 외관을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 보행 보조 로봇은 크게 로봇부(100) 및 제어부(200)를 포함할 수 있다.
로봇부(100)는 착용자의 보행 보조를 위한 기구로 구성된 것으로서, 보행 동작을 위한 관절 및 모터, 유공압 실린더 등의 액추에이터 및 다리와의 결합을 위한 벨트 등의 부품으로 구성될 수 있다. 이러한 로봇부(100)는 관절과 액추에이터의 동작에 의해 착용자의 보행 동작을 보조할 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 로봇부(100)는 도 1에 도시한 바와 같이, 허리 착용부(101), 지지부(102), 조인트부(103) 및 고정부(104) 등을 포함할 수 있다.
허리 착용부(101)는 착용자의 허리에 착용되는 부분으로, 착용자 허리 부분의 형상 또는 사이즈에 따라 변형되도록 구현될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 이에 따라 허리 착용부(101)는 착용자의 체형에 따라 신체의 허리를 변형없이 안정되게 지지할 수 있다.
도 1에 구체적으로 도시하지는 않았으나, 본 실시 예에 따른 허리 착용부(101)는 착용자의 허리 후면에 위치하여 착용자의 허리를 안정되게 지지하는 허리 지지대(미도시)와 착용자의 배 부분을 감싸도록 형성된 밴드부(미도시)를 포함할 수 있다.
이와 같이, 밴드(미도시)와 허리 지지대(미도시)로 이루어진 허리 착용부(101)는 착용자의 허리부분 배와 등을 감쌀 수 있으므로, 착용자의 허리에 가해지는 하중 부담을 최소화할 수 있다.
또한, 본 실시 예에서 허리 착용부(101)에는 후술될 제어부(200)가 설치될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
지지부(102)는 착용자가 보행할 수 있도록 지지하는 역할을 하는 것으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 일정 길이를 갖는 제1 지지프레임(102a) 및 제2 지지프레임(102b)으로 구성될 수 있다. 이때, 제1 지지프레임(102a) 및 제2 지지프레임(102b)은 판(plate) 상의 바(bar) 타입으로 형성될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
여기에서, 제1 지지프레임(102a)은 착용자의 무릎 상부에 위치하여 일단은 상술한 허리 착용부(101)와 연결되고, 타단은 제2 지지프레임(102b)과 연결될 수 있다. 또한, 제2 지지프레임(102b)은 착용자의 무릎 하부에 위치하여 일단은 제1 지지프레임(102a)과 연결되고, 타단은 신발부(105, 도 1 참조)에 연결될 수 있다.
이때, 제1 지지프레임(102a) 일단과 허리 착용부(101)의 연결 부분, 제1 지지프레임(102a) 타단과 제2 지지프레임(102b) 일단의 연결 부분 및 제2 지지 프레임(102b) 타단과 신발부(105)의 연결 부분은 서로 회전 가능하도록 연결될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 각 연결 부분은 적어도 1 자유도(Degree Of Free:DOF)를 가질 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에서, 자유도(Degree Of Freedom: DOF)란 순기구학(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 공간상의 물체는, 물체의 공간적인 위치를 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. 구체적으로, 물체가 각각의 축을 따라 이동 가능하고, 각각의 축을 기준으로 회전 가능하다고 한다면, 이 물체는 6 자유도를 갖는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 제1 지지프레임(102a) 및 제2 지지프레임(102b)은 착용자의 다리 길이에 대응되는 길이로 조절 가능하다.
조인트부(103)는 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 조인트부(103a), 제2 조인트부(103b) 및 제3 조인트부(103c)를 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 조인트부(103a)는 상술한 제1 지지프레임(102a) 일단과 허리 착용부(101)의 연결 부위에 마련되어 힙과 허벅지간의 굽힘을 가능하게 하는 역할을 하고, 제2 조인트부(103b)는 제1 지지 프레임(102a) 타단과 제2 지지프레임(102b) 일단의 연결 부위에 마련되어 무릎의 굽힘을 가능하게 하는 역할을 하며, 제3 조인트부(103c)는 제2 지지프레임(102b) 타단과 신발부(105)의 연결 부위에 마련되어 발목의 굽힘을 가능하게 하는 역할을 한다.
도 1에 도시하지는 않았으나, 제1 조인트부(103a) 및 제2 조인트부(103b) 각각에는 구동부(110, 도 2 참조)가 마련될 수 있다.
구동부(110)는 상술한 제1 조인트부(103a) 및 제2 조인트부(103b) 각각에 회전 운동을 위한 구동력을 전달하는 구성이다.
예를 들어, 구동부(110)는 각 연결 부분에 구비된 한 쌍의 기어(미도시) 및 한 쌍의 기어 중 어느 한 기어의 축에 연결되어 제어부(200, 도 2 참조)로부터 전기적 신호를 받아 구동되는 구동모터(미도시)를 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 구동모터(미도시) 대신 공, 유압 방식이 사용될 수도 있다.
이러한 구동부(110)로부터 전달되는 구동력에 의해 제1 지지프레임(102a) 및 제2 지지프레임(102b)이 허리, 무릎, 발을 기준으로 움직일 수 있고, 이에 따라, 힙과 허벅지 간, 무릎 및 발목을 굽힐 수 있다.
또한, 도 1에는 도시하지는 않았으나, 제1 조인트부(103a) 및 제2 조인트부(103b) 각각에 관절 각을 검출하기 위한 관절 각 측정부(320, 도 2 참조)가 마련될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에서, 관절 각 측정부(320)로는 엔코더(encoder) 또는 포텐쇼미터(potentiometer) 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 관절 각 측정부(320)는 구체적으로 구동부(110)의 구동모터(미도시)에 마련될 수 있다.
고정부(104)는 제1 지지프레임(102a) 및 제2 지지프레임(102b)을 각각 착용자의 하지에 고정시키기 위한 부분으로, 밴드 또는 벨트 등으로 구현될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이, 고정부(104)를 통해 제1 지지프레임(102a) 및 제2 지지프레임(102b)을 각각 무릎 상부 및 하부에 고정시킴으로써, 움직이는 제1 지지프레임(102a) 및 제2 지지프레임(102b)이 착용자의 하지 근력을 안정적으로 보조할 수 있다.
또한, 본 실시 예에 따른 로봇부(100)는 신발부(105)를 더 포함할 수 있다. 신발부(105)는 착용자의 발을 감싸며 착용자의 보행 상태를 판단할 수 있도록 하는 구성이다.
구체적으로, 신발부(105)는 도 1에 도시한 바와 같이, 착용자의 발을 감싸 발을 보호하는 한편, 착용자의 보행 상태를 측정하는 역할을 하는 구성으로, 신발부(105)의 측면은 상술한 바와 같이 제2 지지프레임(102b) 타단과 회전 가능하게 결합될 수 있다.
또한, 제2 지지프레임(102b)과 결합되는 신발부(105)의 상부에는 와이어 등을 이용하여 제2 조인트부(103b)용 구동부(110)의 구동모터(미도시)와 연결되도록 함으로써, 상기 구동모터(미도시)의 구동에 의해 변환되는 각도에 따라 발목의 굽힘 각도가 결정될 수 있다.
따라서, 신발부(105)는 상술한 압력센서(미도시)를 통해 측정된 압력 값에 기초하여 착용자의 좌측 및 우측 보행 단계를 판단한 후 제어부(200)로 송신함으로써, 착용자의 보행상태를 측정하는 동시에 상기 구동모터(미도시)의 구동에 따른 변화시 상기 와이어에 의해 발목의 굽힘 각도가 조절되어 착용자가 안정적으로 보행할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 신발부(105)에는 착용자가 쉽고 간편하게 신고 벗을 수 있도록 상부에 밸크로 파스너, 똑딱이 등과 같은 체결수단(미도시)을 더 포함하여 원터치형 고정 구조가 이루어질 수 있다.
또한, 본 실시 예에 따른 로봇부(100)는 동력을 제공하기 위한 전원부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 전원부(미도시)는 배터리일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 실시 예에 다른 보행 보조 로봇은 후술될 GRF(Ground Reaction Force) 측정부(310, 도 2 참조)를 포함할 수 있다.
GRF 측정부(310)는 지면으로부터 착용자의 발바닥에 작용하는 지면 반력(Ground Reaction Force; GFR)을 측정하기 위한 구성이다. 여기에서, 지면 반력은 지면 위에서 중력 혹은 신체 내의 내력이 지면을 향해 작용할 때, 그와 크기가 같고 방향은 반대인 지면으로부터 신체를 향해 작용하는 힘을 의미한다. 즉, 본 실시 예에서는 착용자가 지면을 딛는 힘으로 이해될 수 있다.
본 실시 예에서 GRF 측정부(310)는 상술한 바와 같이 지면으로부터 착용자의 발바닥에 작용하는 지면 반력을 측정하는 구성이므로, 착용자의 발바닥에 해당하는 신발부(105)의 바닥면에 마련될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시 예에서 GRF 측정부(310)로는 포스 센싱 레지스터(Force Sensing Resister; FSR) 센서, 압력 센서 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시 예에서 GRF 측정부(310)는 신발부(105)의 바닥면에 복수 개가 마련될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 착용자의 일어서는 동작을 순차적으로 도시한 개념도이고, 도 4는 일어서는 동작의 각 단계에서의 지면 반력(GRF)과 힙과 무릎의 관절각을 도시한 그래프이며, 도 5는 일어서는 동작 중 힙 관절과 무릎 관절 및 발목 관절에 각각 걸리는 부하 토크를 도시한 그래프이다.
일반적으로 일어서는 동작을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 즉, 앉아있는 상태(Siting)에서 우선, 상체를 앞으로 숙인 다음(Waist forwarding), 엉덩이를 들고(Seat unloading), 몸을 상승시키고(Ascending) 균형을 유지하면서(Stabilization) 완전히 일어서게 된다(Standing).
이때, 앉아있는 상태에서 상체를 앞으로 숙이는 단계를 TU1이라 하고, 상체를 앞으로 숙인 상태에서 엉덩이를 드는 단계를 TU2라 하고, 엉덩이를 든 상태에서 몸을 상승시키는 단계를 TU3라 하고, 몸을 상승시키는 상태에서 균형을 유지하는 단계를 TU4라 하고, 균형을 유지하는 상태에서 완전히 일어서는 단계를 TU5라 하자.
도 4를 살펴보면, TU1에서 TU2로 진행할 때 지면 반력(GRF)이 급속히 증가되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5를 살펴보면, TU2 즉, 상체를 숙인 상태(Waist forwarding)에서 엉덩이를 들 때(Seat unloading) 힙 관절, 무릎 관절 및 발목 관절에 가장 큰 부하 토크가 걸리는 것을 알 수 있다.
이에 따라, 상술한 각각의 동작 중 엉덩이를 드는(Seat unloading) 동작 직전의 시점을 검출하는 것이 매우 중요하다. 이는 힙 관절, 무릎 관절 및 발목 관절에 걸리는 부하 토크를 증가시키기 위해 구동모터를 가속시키는 여유시간을 확보할 수 있어 급격한 가속 또는 감속으로 인한 착용자의 저항감을 줄이고 좀더 부드러운 형태의 토크를 생성할 수 있기 때문이다.
따라서, 본 실시 예에서는 힙 관절의 관절 각 및 무릎 관절의 관절 각에 변화가 일어나기 전에 착용자의 일어서려는 의도를 검출하고자 한다. 이를 위해 본 실시 예에서는 지면 반력(GRF)의 시간변화율과 무릎 관절의 관절 각이 교차하는 시점을 검출하고 이를 착용자가 일어서는 동작을 시작하는 시점으로 판단한다. 이에 대해서는 이후 상세히 설명할 것이다.
이상, 일 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 외관을 설명하였다. 이후부터는 보행 보조 로봇의 각 구성에 대하여 설명할 것이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 보행 보조 로봇은 GRF 측정부(310), 관절 각 측정부(320), 제어부(200) 및 로봇부(100)를 포함할 수 있다. 이때, 제어부(200)는 보조 시점 검출부(210) 및 보조 토크 생성부(220)를 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
GRF 측정부(310)는 전술한 바와 같이, 착용자의 발바닥에 해당하는 신발부(105) 바닥면에 마련되어 지면으로부터 착용자의 발바닥에 작용하는 지면 반력(Ground Reaction Force; GFR)을 측정하는 구성이다.
일반적으로, 사람이 일어서는 동작을 할 때에는 도 3에 도시한 바와 같이 앉아있는 상태(Siting)에서 우선, 상체를 앞으로 숙인 다음(Waist forwarding), 엉덩이를 들고(Seat unloading), 몸을 상승시키고(Ascending) 균형을 잡으면서(Stabilization) 완전히 일어서게 된다(Standing).
이때, 도 4를 살펴보면, 상체를 숙인 상태에서 엉덩이를 드는 동작을 할 때 지면 반력(GRF)이 급속히 증가 되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5를 참조하면, 엉덩이를 드는(Seat unloading) 동작(Time(s) = 0)을 할 때, 힙 관절, 무릎 관절 및 발목 관절에 가장 큰 부하 토크가 걸리는 것을 알 수 있다.(참고문헌:[1]Effect of muscle strength and movement speed on the biomechanics of rising from a chair in healthy elderly and young women : Gait and Posture 8(1998) pp.175-185)
이에 따라, 상술한 각각의 동작 중 엉덩이를 드는(Seat unloading) 동작 직전의 시점을 검출하는 것이 매우 중요하다. 이는 힙 관절, 무릎 관절 및 발목 관절에 걸리는 부하 토크를 증가시키기 위해 구동모터를 가속시키는 여유시간을 충분히 확보하기 위함이며, 이로써 급격한 가속 또는 감속으로 인한 착용자의 저항감을 줄이고 좀더 부드러운 형태의 토크를 생성할 수 있다.
따라서, GRF 측정부(310)는 구체적으로 착용자가 일어서기 위해 엉덩이를 들려고 하는 시점 즉, 지면 반력(GRF)이 급속히 증가하는 시점을 검출하는 역할을 할 수 있다. 이러한 GRF 측정부(310)를 통해 측정된 지면 반력(GRF)은 후술될 제어부(200)로 제공될 수 있다.
관절 각 측정부(320)는 전술한 바와 같이, 로봇부(100)의 제1 조인트부(103a) 및 제2 조인트부(103b)에 마련되어 힙 관절 각도 및 무릎 관절 각도를 측정하기 위한 구성이다. 이러한 관절 각 측정부(320)로는 엔코더(encoder) 또는 포텐쇼미터(potentiometer) 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 관절 각 측정부(320)를 통해 측정된 힙 관절 각도 및 무릎 관절 각도는 후술될 제어부(200)로 제공될 수 있다.
제어부(200)는 본 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 전반적인 동작을 제어하는 구성으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 보조 시점 검출부(210) 및 보조 토크 생성부(220)를 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시 예에서 제어부(200)는 상술한 GRF 측정부(310)를 통해 측정된 지면 반력(GRF)과 관절 각 측정부(320)를 통해 측정된 무릎 관절 각도를 이용하여 착용자가 일어서기 시작하는 시점을 검출하고, 보조 토크를 생성하기 위한 제어 신호를 로봇부(100)로 제공할 수 있다.
구체적으로, 제어부(200)는 지면 반력(GRF)의 시간변화율(미분값)과 무릎 관절 각도와의 교차 시점을 검출하고, 검출된 교차 시점을 착용자가 일어서기 시작하는 시점인 것으로 판단하고, 해당하는 보조 토크를 생성하기 위한 제어 신호를 로봇부(100)의 구동부(110)로 제공할 수 있다. 여기에서, 제어 신호는 구동부(110)의 구동모터를 구동시키기 위한 전기적 신호로 이해될 수 있다.
보조 시점 검출부(210)는 GRF 측정부(310)로부터 제공된 지면 반력(GRF)의 시간변화율(미분값)을 연산하고, 연산된 지면 반력(GRF)의 시간변화율이 증가하는 구간 중 관절 각 측정부(320)로부터 제공된 무릎 관절 각도와 교차하는 시점을 검출한다. 구체적으로, 보조 시점 검출부(210)는 연산된 지면 반력(GRF)의 시간변화율 그래프와 관절 각 측정부(320)로부터 제공된 무릎 관절 각도 그래프를 하나의 그래프 상에 겹치도록 나타내어 교차하는 부분을 검출할 수 있다.
이를 수학식으로 나타내면 아래의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 보조 시점 검출부(210)는 아래의 [수학식 1]의 두 가지 조건을 동시에 만족하는 시점을 검출할 수 있다.
Figure 112013099063858-pat00001
여기에서,
Figure 112013099063858-pat00002
는 지면 반력(GRF)의 시간변화율[Newton/second]을 의미하고,
Figure 112013099063858-pat00003
는 무릎 관절 각도(degree)를 의미할 수 있다. 즉, 지면 반력(GRF)의 시간변화율이 0 이상이 되는 동시에 무릎 관절 각도에 도달할 때를 검출하는 것이다. 이를 도 7에 그래프로 나타내었다.
도 7에 도시한 바와 같이 연산된 지면 반력(GRF)의 시간변화율(미분값)과 관절 각 측정부(320)로부터 제공된 힙 관절 각도 및 무릎 관절 각도를 동일 그래프 상에 표시하면, 화살표가 가리키는 부분과 같이 증가하는 지면 반력(GRF)과 무릎 관절 각도가 교차하는 시점을 검출할 수 있는 것이다.
이와 같이, 본 실시 예에서는 지면 반력(GRF)의 시간변화율과 무릎 관절 각도와의 교차 시점을 검출하여 착용자가 일어서기 시작하는 시점을 검출하므로, 착용자가 일어서는 속도가 다른 경우 또는 일어설 때 취하는 자세가 다른 경우에도 일정하게 일어서기 시작하는 시점을 검출할 수 있다.
즉, 도 8에 도시한 바와 같이, 착용자가 빠른 속도로 일어서는 경우(1), 느린 속도로 일어서는 경우(2) 또는 중간 속도로 일어서는 경우(3) 등 어떠한 경우라도 상관없이 화살표가 가리키는 부분과 같은 교차 시점을 검출할 수 있다.
또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 착용자가 팔짱을 낀 상태에서 일어서는 경우(a), 팔걸이 등을 짚고 일어서는 경우(b) 또는 무릎을 짚고 일어서는 경우(c) 등 어떠한 경우라도 상관없이 화살표가 가리키는 부분과 같은 교차 시점을 검출할 수 있다.
한편, 본 실시 예에 따른 보조 시점 검출부(210)는 GRF 측정부(310)로부터 제공된 지면 반력(GRF)이 무릎 관절 각도와 만날 수 없을 정도로 작은 값인 경우에는 제공된 지면 반력(GRF)을 노멀라이즈(normalize)하고, 노멀라이즈된 지면 반력(GRF)과 무릎 관절 각도가 교차하는 시점을 검출할 수 있다.
이때, GRF 측정부(310)로부터 제공된 지면 반력(GRF)은 아래의 [수학식 2]를 이용하여 노멀라이즈(normalize)할 수 있다.
Figure 112013099063858-pat00004
여기에서,
Figure 112013099063858-pat00005
는 측정된 지면 반력(GRF)을 의미하고,
Figure 112013099063858-pat00006
은 노멀라이즈된 지면 반력(GRF)을 의미하며,
Figure 112013099063858-pat00007
는 측정된 지면 반력(GRF) 중 최대값을 의미하고,
Figure 112013099063858-pat00008
는 비례상수를 의미한다.
즉, 보조 시점 검출부(210)는 측정된 지면 반력(GRF)이 임계값 이하인 경우에는 측정된 모든 지면 반력(GRF)을 측정된 지면 반력(GRF) 중 최대값의 절대값으로 나눈 값에 기설정된 비례상수를 곱하여 측정된 지면 반력(GRF)을 노멀라이즈(normalize)할 수 있으며, 노멀라이즈된 지면 반력(GRF)의 시간변화율(미분값)을 이용하여 무릎 관절 각도와 교차하는 시점을 검출할 수 있다.
보조 토크 생성부(220)는 상술한 보조 시점 검출부(210)를 이용하여 검출된 보조 시점 즉, 지면 반력(GRF)의 시간변화율이 무릎 관절 각도와 교차하는 시점부터 적용할 보조 토크를 생성하기 위한 구성이다.
본 실시 예에 따른 보조 토크 생성부(220)는 착용자가 저항감을 느끼지 않을 파동 형상을 갖는 보조 토크를 생성할 수 있다. 구체적으로, 보조 토크 생성부(220)는 아래의 [수학식 3]을 이용하여 보조 토크를 생성할 수 있다.
Figure 112013099063858-pat00009
여기에서,
Figure 112013099063858-pat00010
는 보조 토크를 의미하고,
Figure 112013099063858-pat00011
는 i번째 사인파의 크기를 의미하며,
Figure 112013099063858-pat00012
는 i번째 사인파의 주파수를 의미하고,
Figure 112013099063858-pat00013
는 시간,
Figure 112013099063858-pat00014
는 i번째 사인파의 위상을 의미할 수 있다.
즉, 주파수, 위상, 크기가 다른 여러 개의 사인파를 중첩하여 삼각함수 파동 형상과 같은 부드러운 형상을 갖도록 쉐이핑(shaping)된 보조 토크를 생성하기 위한 제어 신호를 생성하는 것이다. 이와 같은 제어 신호를 구동모터로 출력함으로써, 구동모터의 구동에 의해 생성되는 보조 토크가 급격하게 증가하거나 감소하지 않으므로 착용자가 발생하는 보조 토크에 대하여 거부감 또는 저항감을 느끼지 않도록 할 수 있다.
도 10에 보조 토크 적용 시점 및 형태를 표시한 그래프를 도시하였다.
도 10을 살펴보면, 엉덩이를 드는 동작(Seat unloading)이 시작되는 시점 직전부터 균형을 잡는 시점(Stabilization)까지 C2 부분과 같이 중첩된 삼각함수 파동 형상을 갖는 보조 토크가 생성 및 적용된다. 이에 따라, 착용자가 일어서기 위해 엉덩이를 들기 직전부터 몸을 상승시키고 균형을 잡을 때까지 완만한 형태를 갖는 보조 토크가 적용되어 착용자가 발생되는 보조 토크로 인한 불편함을 느끼지 않도록 한다.
이때, 도 10에서는 일 예로 사람의 맥파 형상과 유사한 형상으로 쉐이핑(shaphing)한 보조 토크가 적용되는 것으로 도시하고 있으나, 생성되는 보조 토크의 형상이 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 실시 예에 따른 제어부(200)는 상술한 보조 토크 생성부(220)를 이용하여 생성된 보조 토크에 마찰력 보상 토크 및 동역학 보상 토크를 더한 목표 토크를 구동부(110)로 출력할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 이를 수학식으로 나타내면 아래의 [수학식 4]와 같다.
Figure 112013099063858-pat00015
여기에서,
Figure 112013099063858-pat00016
는 목표 토크를 의미하고,
Figure 112013099063858-pat00017
은 마찰력 보상 토크를 의미하며,
Figure 112013099063858-pat00018
은 동역학 보상 토크를 의미할 수 있다. [수학식 4]를 살펴보면, 제어부(200)가 로봇부(100)로 출력하는 최종 목표 토크는 임의의 마찰력 보상 토크와 임의의 동역학 보상 토크 및 보조 토크 생성부(220)를 통해 생성된 보조 토크를 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제어부(200)는 상술한 보조 토크가 적용되는 시간을 결정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(200)는 착용자가 일어서기 위해 상체를 앞으로 숙이는 동작(Waist forwarding)에 대한 속도를 측정하고, 이를 이용하여 보조 토크를 적용하는 시간을 결정할 수 있다.
이때, 제어부(200)는 관절 각 측정부(320)를 통해 측정된 힙 관절 각도를 미분하여 상술한 상체를 앞으로 숙이는 동작(Waist forwarding)에 대한 속도를 측정할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 측정된 속도별 보조 토크 적용 시간은 사전에 실험 등을 통해 데이터베이스화되어 있을 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 제어부(200)는 상술한 바와 같이 착용자가 상체를 앞으로 숙이는 동작을 할 때의 힙 관절 각도를 관절 각 측정부(320)를 통해 측정하고, 측정된 힙 관절 각도를 미분하여 착용자가 상체를 앞으로 숙이는 속도를 연산한 후, 상술한 데이터베이스에 저장된 정보를 이용하여 연산된 속도에 대응되는 보조 토크 적용 시간을 결정할 수 있으며, 이와 같이 결정된 보조 토크 적용 시간 동안 로봇부(100)에 보조 토크를 적용할 수 있다.
로봇부(100)는 착용자의 보행 보조를 위한 기구로 구성된 것으로서, 보행 동작을 위한 관절 및 모터, 유공압 실린더 등의 액추에이터 및 다리와의 결합을 위한 벨트 등의 부품으로 구성될 수 있다. 이러한 로봇부(100)는 관절과 액추에이터의 동작에 의해 착용자의 보행 동작을 보조할 수 있다.
도 2에 도시하지는 않았으나, 로봇부(100)는 앞서 말한 바와 같이, 허리 착용부(101), 지지부(102), 조인트부(103), 고정부(104), 신발부(105) 및 구동부(110)를 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 각 구성에 대해서는 이미 위에서 서술하였으므로, 여기에서 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한, 도 2에 도시하지는 않았으나, 본 실시 예에 따른 보행 보조 로봇은 모드 변환부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
모드 변환부(미도시)는 보행모드, 자세모드, 보행속도 등을 선택할 수 있는 구성이다. 구체적으로, 모드 변환부(미도시)는 평평한 노면, 거친 노면 및 계단 등에 대한 보행모드를 선택할 수 있도록 하는 보행모드변환부(미도시), 앉기, 서기 및 경사면 등에 대한 자세를 선택할 수 있도록 하는 자세모드변환부(미도시) 및 빠르게, 느리게, 보통 등과 같은 보행속도를 선택할 수 있도록 하는 보행속도변환부(미도시)를 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
이상, 일 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 구성에 대하여 설명하였다. 본 실시 예에 따른 보행 보조 로봇은 착용자의 발바닥에 대한 지면 반력 및 무릎 각도를 측정하고 이들의 교차 시점을 검출하고, 검출된 교차 시점을 보조 토크 적용 시점으로 판단함으로써 착용자별 동작 속도, 자세 및 보조 기구 사용에 관계없이 적절한 보조 토크 적용 시점을 검출할 수 있도록 한다.
또한, 일어서기 위한 동작의 속도에 기초하여 보조 토크를 적용할 시간을 결정하고, 급격하게 증가하거나 감소하지 않는 완만한 형상으로 쉐이핑(shaping)된 보조 토크를 발생시킴으로써, 착용자가 발생되는 보조 토크로 인하여 느끼는 저항감 또는 거부감을 감소시킬 수 있다.
이후부터는 보행 보조 로봇의 제어 방법에 대한 다양한 실시 예에 대하여 설명할 것이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 착용형 로봇의 제어 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시 예에 따른 착용형 로봇의 제어 방법은 우선, 지면으로부터 착용자의 발바닥에 작용하는 지면 반력(Ground Reaction Force; GRF) 및 착용자의 무릎 관절 각도를 측정한다(S610). 여기에서, 지면 반력은 지면 위에서 중력 혹은 신체 내의 내력이 지면을 향해 작용할 때, 그와 크기가 같고 방향은 반대인 지면으로부터 신체를 향해 작용하는 힘을 의미한다. 즉, 본 실시 예에서는 착용자가 지면을 딛는 힘으로 이해될 수 있다.
본 실시 예에서는 착용자의 발바닥에 해당하는 신발부(105)에 마련된 GRF 측정부(310)를 이용하여 착용자의 발바닥에 작용하는 지면 반력(GRF)를 측정할 수 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며 지면 반력(GRF)을 측정할 수 있는 수단이 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 실시 예에서 상술한 착용자의 무릎 관절 각도는 제2 조인트부(103b)에 마련된 관절 각 측정부(320)를 이용하여 측정할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에서, 관절 각 측정부(320)로는 엔코더(encoder) 또는 포텐쇼미터(potentiometer) 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 관절 각 측정부(320)는 구체적으로 구동부(110)의 구동모터(미도시)에 마련될 수 있다.
다음, 단계 S610을 통해 측정된 지면 반력(GRF)의 시간변화율을 연산한다(S620). 이때, 지면 반력(GRF)의 시간변화율은 지면 반력(GRF)을 미분하여 얻은 미분값으로 이해될 수 있다.
본 실시 예에서는, 제어부(200) 구체적으로, 제어부(200)의 보조 시점 검출부(210)를 이용하여 지면 반력(GRF)의 시간변화율을 연산할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 6에 도시하지는 않았으나, 상술한 바와 같이 지면 반력(GRF)의 시간변화율을 연산하기 전, 측정된 지면 반력(GRF)을 노멀라이즈(normalize)하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는, 측정된 지면 반력(GRF)이 기설정된 임계값보다 작아서 무릎 관절 각도와 만날 수가 없는 경우에 수행될 수 있다. 이때, 측정된 지면 반력(GRF)을 노멀라이즈(normalize)하는 것은 상술한 [수학식 2]를 이용하여 수행될 수 있다.
다음, 상술한 단계 S620을 통해 연산된 지면 반력(GRF)의 시간변화율 그래프와 단계 S610을 통해 측정된 무릎 관절 각도 그래프의 교차 시점을 검출하고(S630), 검출된 교차 시점을 착용자가 일어서기 시작하는 시점으로 판단한다(S640).
본 실시 예에서 지면 반력(GRF)의 시간변화율과 무릎 관절 각도의 교차 시점을 검출하는 단계는 제어부(200)의 보조 시점 검출부(210)를 이용하여 수행될 수 있으며, 구체적으로, 연산된 지면 반력(GRF)의 시간변화율 그래프의 증가하는 구간 중 관절 각 측정부(320)로부터 제공된 무릎 관절 각도 그래프와 만나는 시점을 검출함으로써 수행될 수 있다.
예를 들어, 도 7에 도시한 바와 같이, 서로 다른 물리량 즉, 연산된 지면 반력(GRF)의 시간변화율 그래프와 측정된 무릎 관절 각도 그래프를 하나의 그래프 상에 표시한 후, 교차하는 시점을 검출함으로써 수행될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 이를 수학식으로 나타내면, 상술한 [수학식 1]과 같으며, 결국 [수학식 1]의 두 가지 조건을 만족하는 시점을 검출하는 것이다.
또한, 보조 시점 검출부(210)는 검출된 교차 시점을 착용자가 일어서는 동작을 시작하는 시점으로 판단하여 이때부터 보조 토크를 적용하는 것으로 판단할 수 있다.
다음, 보조 토크를 생성하고 상술한 단계 S640을 통해 판단된 시점부터 생성된 보조 토크를 적용한다(S650).
본 실시 예에서 보조 토크는 도 10에 도시한 바와 같이, 주파수, 크기 및 위상이 상이한 복수 개의 사인파가 중첩된 삼각함수 파동 형상을 갖도록 생성될 수 있다. 이와 같은 복수 개의 사인파가 중첩된 삼각함수 파동 형상을 갖는 보조 토크는 상술한 [수학식 3]을 이용하여 생성될 수 있다. 이와 같이 복수 개의 사인파가 중첩된 삼각함수 파동 형상을 갖는 보조 토크를 출력하도록 구동모터의 구동을 제어함으로써, 구동모터의 구동에 의해 생성되는 보조 토크가 급격하게 증가하거나 감소하지 않으므로 착용자가 발생하는 보조 토크에 대하여 거부감 또는 저항감을 느끼지 않도록 할 수 있다.
한편, 도 6에 도시하지는 않았으나, 본 단계는 보조 토크를 적용하는 시간을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 제어부(200)는 착용자가 일어서기 위해 상체를 앞으로 숙이는 동작(Waist forwarding)에 대한 속도를 측정하고, 이를 이용하여 보조 토크를 적용하는 시간을 결정할 수 있다. 즉, 상체를 앞으로 숙이는 동작(Waist forwarding)에 대한 속도를 측정함으로써, 착용자가 일어서는 속도를 예측하고, 예측된 속도에 대응되는 시간 동안 보조 토크를 적용하는 것이다.
이때, 제어부(200)는 관절 각 측정부(320)를 통해 측정된 힙 관절 각도를 미분하여 상술한 상체를 앞으로 숙이는 동작(Waist forwarding)에 대한 속도를 측정할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 측정된 속도별 보조 토크를 적용하는 시간은 사전에 실험 등을 통해 데이터베이스화되어 있을 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 제어부(200)는 상술한 바와 같이 착용자가 상체를 앞으로 숙이는 동작을 할 때의 힙 관절 각도를 관절 각 측정부(320)를 통해 측정하고, 측정된 힙 관절 각도를 미분하여 착용자가 상체를 앞으로 숙이는 속도를 연산한 후, 상술한 데이터베이스에 저장된 정보를 이용하여 연산된 속도에 대응되는 보조 토크 적용 시간을 결정할 수 있으며, 이와 같이 결정된 보조 토크 적용 시간 동안 로봇부(100)에 보조 토크를 적용할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시 예들을 설명하였다. 전술한 실시 예들에서 착용형 로봇을 구성하는 일부 구성요소들은 일종의 '모듈(module)'로 구현될 수 있다. 여기에서, '모듈'은 소프트웨어 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)와 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, 모듈은 어떤 역할들을 수행할 수 있다. 그러나, 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 구성요소들, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함할 수 있다. 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 실시 예들은 전술한 실시 예의 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 뿐 아니라, 인터넷을 통해 전송될 수도 있는데, 상기 매체는 예를 들어, ROM, RAM, CD-ROM, 마그네틱 테이프, 플로피 디스크, 광학 기록 매체, 인터넷을 통한 데이터 전송(data transmission)과 같은 반송파(carrier wave)를 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 및 전송되고 실행될 수 있다. 또한, 더 나아가, 일 예로써, 처리 요소는 프로세서 또는 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있고, 상기 처리 요소는 하나의 디바이스 내에 분산 및/또는 포함될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100: 로봇부
101: 허리 착용부
102: 지지부
102a: 제1 지지프레임
102b: 제2 지지프레임
103: 조인트부
103a: 제1 조인트
103b: 제2 조인트
103c: 제3 조인트
104: 고정부
105: 신발부
110: 구동부
200: 제어부
210: 보조 시점 검출부
220: 보조 토크 생성부
310: GRF(Ground Reaction Force) 측정부
320: 관절 각 측정부

Claims (20)

  1. 착용자의 발바닥에 작용하는 지면 반력 및 착용자의 무릎 관절 각도를 측정하는 단계;
    제 1 그래프에 상기 지면 반력의 시간 변화율을 나타내는 단계;
    제 2 그래프에 상기 무릎 관절 각도를 나타내는 단계;
    상기 제 1 그래프 상에 상기 제 2 그래프를 겹쳐 제 3 그래프를 생성하는 단계;
    상기 제 3 그래프 상에서 상기 지면 반력의 시간 변화율과 상기 무릎 관절 각도가 교차하는 시점을 검출하는 단계;
    상기 검출된 시점을 상기 착용자가 일어서는 동작을 시작하는 시점으로 판단하는 단계; 및
    상기 판단된 시점부터 착용형 로봇에 보조 토크를 적용하는 단계를 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 착용자가 일어서는 동작을 시작하는 시점을 판단하는 단계 이후에,
    상기 보조 토크를 생성하는 단계를 더 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보조 토크는 복수 개의 사인파가 중첩된 삼각함수 파동 형상을 갖는 착용형 로봇의 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수 개의 사인파는 각각 주파수, 크기 및 위상이 다른 착용형 로봇의 제어 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 보조 토크를 생성하는 단계는,
    상기 생성된 보조 토크를 상기 착용형 로봇에 적용할 시간을 결정하는 단계를 더 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 생성된 보조 토크를 상기 착용형 로봇에 적용할 시간을 결정하는 단계는,
    상기 착용자가 동작 속도로 상체를 앞으로 숙이는 동작을 할 때의 힙 관절 각도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 힙 관절 각도를 미분하여 상기 동작 속도를 연산하는 단계; 및
    상기 연산된 동작 속도에 기초하여 보조 토크 적용 시간을 결정하는 단계를 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지면 반력을 측정하는 단계 이후에,
    상기 측정된 지면 반력이 기설정된 임계값보다 작은 경우, 상기 측정된 지면 반력을 노멀라이즈(normalize)하는 단계를 더 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법.
  8. 착용자의 발바닥에 작용하는 지면 반력 및 착용자의 무릎 관절 각도를 측정하는 단계;
    제 1 그래프에 상기 지면 반력의 시간 변화율을 나타내는 단계;
    제 2 그래프에 상기 무릎 관절 각도를 나타내는 단계;
    상기 제 1 그래프 상에 상기 제 2 그래프를 겹쳐 제 3 그래프를 생성하는 단계;
    상기 제 3 그래프 상에서 상기 지면 반력의 시간 변화율과 상기 무릎 관절 각도가 교차하는 시점을 검출하는 단계;
    상기 검출된 시점을 상기 착용자가 일어서는 동작을 시작하는 시점으로 판단하는 단계;
    복수 개의 사인파가 중첩된 삼각함수 파동 형상을 갖는 보조 토크를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 보조 토크를 상기 판단된 시점부터 착용형 로봇에 적용하는 단계를 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수 개의 사인파는 각각 주파수, 크기 및 위상이 다른 착용형 로봇의 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 보조 토크를 생성하는 단계는,
    상기 생성된 보조 토크를 상기 착용형 로봇에 적용할 시간을 결정하는 단계를 더 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 생성된 보조 토크를 상기 착용형 로봇에 적용할 시간을 결정하는 단계는,
    상기 착용자가 동작 속도로 상체를 앞으로 숙이는 동작을 할 때의 힙 관절 각도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 힙 관절 각도를 미분하여 상기 동작 속도를 연산하는 단계; 및
    상기 연산된 동작 속도에 기초하여 보조 토크 적용 시간을 결정하는 단계를 포함하는 착용형 로봇의 제어 방법.
  12. 삭제
  13. 착용자의 근력 보조를 위한 기구로 구성된 로봇부;
    상기 착용자의 발바닥에 작용하는 지면 반력(Ground Reaction Force, GRF)을 측정하는 GRF 측정부;
    상기 착용자의 무릎 관절 각도 및 힙 관절 각도를 측정하는 관절 각 측정부; 및
    제 1 그래프에 상기 지면 반력의 시간 변화율을 나타내고, 제 2 그래프에 상기 무릎 관절 각도를 나타내고, 상기 제 1 그래프 상에 상기 제 2 그래프를 겹쳐 제 3 그래프를 생성하고, 상기 제 3 그래프 상에서 상기 지면 반력의 시간 변화율과 상기 무릎 관절 각도가 교차하는 시점을 검출하고, 상기 검출된 시점을 상기 착용자가 일어서는 동작을 시작하는 시점으로 판단하고, 상기 판단된 시점부터 상기 로봇부에 보조 토크를 적용하는 제어부를 포함하는 착용형 로봇.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는 복수 개의 사인파가 중첩된 삼각함수 파동 형상을 갖는 보조 토크를 생성하고, 상기 생성된 보조 토크를 상기 판단된 시점부터 상기 로봇부에 적용하는 착용형 로봇.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 관절 각 측정부를 이용하여 상기 착용자가 동작 속도로 상체를 앞으로 숙이는 동작을 할 때의 힙 관절 각도를 측정하고, 상기 측정된 힙 관절 각도를 미분하여 상기 동작 속도를 연산하고, 상기 연산된 동작 속도에 기초하여 상기 보조 토크를 상기 로봇부에 적용할 시간을 결정하고, 상기 결정된 시간 동안 상기 보조 토크를 상기 로봇부에 적용하는 착용형 로봇.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 측정된 지면 반력이 기설정된 임계값보다 작으면 상기 측정된 지면 반력을 노멀라이즈(normalize)하고, 상기 노멀라이즈된 지면 반력의 시간 변화율을 연산하는 착용형 로봇.
  17. 착용자의 근력 보조를 위한 기구로 구성된 로봇부;
    상기 착용자의 발바닥에 작용하는 지면 반력(Ground Reaction Force, GRF)을 측정하는 GRF 측정부;
    상기 착용자의 무릎 관절 각도 및 힙 관절 각도를 측정하는 관절 각 측정부; 및
    제 1 그래프에 상기 지면 반력의 시간 변화율을 나타내고, 제 2 그래프에 상기 무릎 관절 각도를 나타내고, 상기 제 1 그래프 상에 상기 제 2 그래프를 겹쳐 제 3 그래프를 생성하고, 상기 제 3 그래프 상에서 상기 지면 반력의 시간 변화율과 상기 무릎 관절 각도가 교차하는 시점을 검출하고, 상기 검출된 시점을 상기 착용자가 일어서는 동작을 시작하는 시점을 판단하고, 복수 개의 사인파가 중첩된 삼각함수 파동 형상을 갖는 보조 토크를 생성한 후, 상기 생성된 보조 토크를 상기 판단된 시점부터 상기 로봇부에 적용하는 제어부를 포함하는 착용형 로봇.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제17항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 관절 각 측정부를 이용하여 상기 착용자가 동작 속도로 상체를 앞으로 숙이는 동작을 할 때의 힙 관절 각도를 측정하고, 상기 측정된 힙 관절 각도를 미분하여 상기 동작 속도를 연산하고, 상기 연산된 동작 속도에 기초하여 상기 보조 토크를 상기 로봇부에 적용할 시간을 결정하고, 상기 결정된 시간 동안 상기 보조 토크를 상기 로봇부에 적용하는 착용형 로봇.
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