KR102152274B1 - 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치, 이의 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 - Google Patents

생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치, 이의 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 Download PDF

Info

Publication number
KR102152274B1
KR102152274B1 KR1020190012894A KR20190012894A KR102152274B1 KR 102152274 B1 KR102152274 B1 KR 102152274B1 KR 1020190012894 A KR1020190012894 A KR 1020190012894A KR 20190012894 A KR20190012894 A KR 20190012894A KR 102152274 B1 KR102152274 B1 KR 102152274B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
heart rate
control
value
robot
control gain
Prior art date
Application number
KR1020190012894A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200095152A (ko
Inventor
김현석
홍만복
김광태
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020190012894A priority Critical patent/KR102152274B1/ko
Publication of KR20200095152A publication Critical patent/KR20200095152A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102152274B1 publication Critical patent/KR102152274B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1602—Programme controls characterised by the control system, structure, architecture
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/021—Measuring pressure in heart or blood vessels
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/024—Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • A61B5/14551—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1633—Programme controls characterised by the control loop compliant, force, torque control, e.g. combined with position control

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Rehabilitation Tools (AREA)

Abstract

착용 로봇 제어 장치가 개시된다. 상기 착용 로봇 제어 장치는, 착용 로봇의 두 다리링크, 상기 두 다리링크의 상대적 운동을 발생시키기 위한 관절 구동기, 상기 관절 구동기의 제어를 위한 제어기, 및 상기 제어에 대한 제어게인 조절값을 위한 착용 로봇의 착용자 생체신호를 측정하는 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치, 이의 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체{Apparatus for controlling wearable Robot using bio signal, Method thereof, and Computer readable storage medium having the method}
본 발명은 착용 로봇에 대한 것으로서, 더 상세하게는 인체의 생리적 측정 지표인 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 착용로봇은, 사람이 입는(착용하는) 로봇 시스템을 의미하며, 외골격 로봇(Exoskeleton Robot)이라고도 한다. 상기 착용로봇은, 상지 또는 하지의 근력을 보조 또는 증강하는 외골격 로봇을 포함한다.
착용로봇은, 주로 노약자/장애인의 재활 치료, 또는 일상 생활에서의 근력을 보조하거나, 또는 공장에서 작업 효율 향상을 목적으로 근로자의 근력 보조를 위해 개발되어 왔다.
한편, 주로 실내에서 사용되는 상기 민수 분야의 착용로봇과는 달리, 군사 분야의 착용로봇은, 병사의 고하중의 등짐을 지지해야 할 뿐만 아니라 다양한 움직임을 보조해야 한다. 상기 군사분야의 착용로봇은, 상기 민수 분야의 착용로봇에 비해 경량화 및 착용자의 다양한 관절 운동을 구현할 수 있어야 하며, 착용자인 병사의 동작의도를 인식하고 이를 동기화하여 제어함으로써 병사의 기민한 움직임에 방해 되지 않도록 설계해야 한다.
보다 구체적으로, 착용로봇은 착용자의 동작의도를 파악하여 이를 동기화하는 것이 가장 중요한 성능지표이다. 이상적일 경우 착용자는 맨몸 동작과 동일한 에너지 소모를 통해 맨몸과 동일한 자유도의 자세와 동작을 수행할 수 있어야 한다.
이를 위해 착용로봇은 토크 또는 힘, 상체 기울기, 무게중심 또는 압력중심, 피부 표면 압력 등의 물리적 신호를 이용하여 착용자의 동작의도를 파악하고 있다. 또한, 최근에는 생체신호인 근전도(EMG : Electromyography 또는 Electromyograph, 이하 EMG)신호 등의 사용을 위해 연구를 계속하고 있다.
또한, 착용자가 불편하면 에너지 소모가 증가한다는 직관적인 이론에 따라 착용로봇 착용 전후의 산소소모량을 비교하여 착용로봇의 동기화 여부를 측정하고 있다.
그러나, 생체신호인 EMG는 측정기를 피부에 부착해야 하므로 땀에 취약하고 전기접촉에 예민하며 근육 피로도에 따라 신호가 왜곡되는 단점이 있어 실험실 외부에서 착용로봇에 대한 실제 제어수단으로 활용하기 제한이 있다.
산소 소모량 측정방식은 호흡 마스크 등 부가적인 장비를 착용해야 하므로 야전 병사의 동작을 방해하고 자체가 부하로 작용하며, 통신의 제한 등으로 마찬가지로 야전에서 사용하는 군사용 착용로봇에 적용은 제한된다.
특히, 군사용 착용로봇은 평지 뿐만 아니라 산악지형, 보행 뿐만아니라 달리기, 사격자세 등 다양한 신체활동 등으로 동작의도가 수시로 변하고, 각 동작의 부하가 상당한 차이가 있다.
따라서, 또 다른 생체신호인 심박수를 이용하여 운동부하 증감에 따른 착용로봇의 제어에 활용할 필요가 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-2015-0085357호 2. 한국공개특허번호 제10-2015-0139056호 3. 한국등록특허번호 제10-1802640호(등록일자: 2017.11.22)
1. 윤여훈, "병사를 위한 허리 보조 외골격 로봇: 군 적용 가능성 분석", 한국정밀공학회지, 2018년
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 다른 생체신호인 심박수를 이용하여 운동부하 증감에 따른 착용로봇의 제어에 활용하는 착용 로봇 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 심박수가 급격히 증가할 때 착용로봇이 보조하는 출력을 증대시켜주거나 심박수가 감소할 때는 운동부하가 줄어든다고 보고(예를 들어 산악에서 평지로 변화), 출력을 감소시켜 에너지 소모를 효율화하고, 착용자의 근력 보강에 효율성을 기하고자 하는 착용 로봇 제어 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 다른 생체신호인 심박수를 이용하여 운동부하 증감에 따른 착용로봇의 제어에 활용하는 착용 로봇 제어 장치를 제공한다.
상기 착용 로봇 제어 장치는,
착용 로봇의 두 다리링크;
상기 두 다리링크의 상대적 운동을 발생시키기 위한 관절 구동기;
상기 관절 구동기의 제어를 위한 제어기; 및
상기 제어에 대한 제어게인 조절값을 위한 착용 로봇의 착용자 생체신호를 측정하는 센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 생체 신호는 심박수, 혈압, 및 산소 교환율 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 심박수는 정규화 심박수 값(
Figure 112019011665104-pat00001
)으로, 상기 정규화 심박수 값은 수학식
Figure 112019011665104-pat00002
(여기서,
Figure 112019011665104-pat00003
는 현재 측정된 심박수, HRrest는 휴지기에서 심박수, HRmax는 최대 심박수이다)에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 현재 측정된 심박수는 심박수의 이동평균인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정규화 심박수 값은 휴지기에서 0이고, 최대 운동 상태에서 1에 근접한 값을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어게인 조절값은 입각기 시 무릎하중 지지를 위한 토크 제어를 통해 산출되는 것을 특징을 한다.
또한, 상기 토크 제어에 따른 제어게인 조절값은 수학식
Figure 112019011665104-pat00004
및
Figure 112019011665104-pat00005
(여기서, GH(
Figure 112019011665104-pat00006
)는 상기 엉덩이 관절 구동기의 제어게인이고, GK(
Figure 112019011665104-pat00007
)는 무릎관절 구동기의 제어게인이며, GH,0와 GK,0은 초기 설계된 제어게인이며, Sigmoid는 0과 1 사이 값은 갖는 시그모이드(sigmoid)함수이다)에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 관절 구동기가 착용 로봇의 두 다리링크의 상대적 운동을 발생시키는 단계; (b) 센서가 상기 관절 구동기의 제어를 위한 제어게인 조절값을 위한 착용 로봇의 착용자 생체신호를 측정하는 단계 ; 및 (c) 제어기가 제어게인 조절값을 이용하여 상기 제어를 실행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 방법을 제공한다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, 위에 기술된 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 방법을 실행하는 프로그램 명령어를 저장한 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체를 제공한다.
본 발명에 따르면, 대용 심박수 측정기를 통해 착용자의 심박수를 실시간 확인함으로써 착용자의 부하 상태를 확인하여 착용자의 근력을 보강하는 착용로봇의 출력을 조절하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 심박수가 급격히 증가할 때 착용로봇이 보조하는 출력을 증대시켜주거나 심박수가 감소할 때는 운동부하가 줄어든다고 보고(예를 들어 산악에서 평지로 변화), 출력을 감소시켜 에너지 소모를 효율화하고, 착용자의 근력 보강에 효율성을 기할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 운동부하 변화에 따른 심박수와 산소 소모량 변환를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 착용 로봇의 구성 블럭도이다.
도 3은 도 2에 도시된 착용 로봇을 제어하는 착용 로봇 제어 장치의 구성 블럭도이다.
도 4는 도 2에 도시된 착용 로봇 중 엉덩이 관절을 토크 제어하는 제어 블럭도이다.
도 5는 도 2에 도시된 착용 로봇 중 무릎 관절을 토크 제어하는 제어 블럭도이다.
도 6은 일반적인 시그모이드 함수를 보여주는 그래프이다.
도 7은 도 2에 도시된 착용 로봇에서 작업공간 힘 제어를 보여주는 개념도이다.
도 8은 도 7에 도시된 작업공간 힘 제어를 수행하는 제어 블럭도이다.
도 9는 도 2에 도시된 착용 로봇에서 조인트 임피던스 제어를 보여주는 개념도이다.
도 10은 도 9에 도시된 착용 로봇 중 엉덩이 관절을 조인트 임피던스 제어하는 제어 블럭도이다.
도 11은 도 9에 도시된 착용 로봇 중 무릎 관절을 조인트 임피던스 제어하는 제어 블럭도이다.
도 12는 도 2에 도시된 착용 로봇에서 작업 공간 임피던스 제어를 보여주는 개념도이다.
도 13은 도 12에 도시된 착용 로봇을 작업 공간 임피던스 제어하는 제어 블럭도이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 정규화 심박수를 산출하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 운동부하 변화에 따른 심박수와 산소 소모량 변환를 보여주는 그래프이다. 도 1을 참조하면, 생체 신호중 심박수는 인체에 필요한 산소(혈액)를 운반하기 위한 심장의 분당 박동수로 운동 부하의 변화에 따라 산소 소모량 보다 빨리 반응하는 특성을 보인다.
운동부하의 변화에 따라 외부의 산소를 흡입하기에 앞서 인체 내부의 산소를 먼저 공급하기 위하여 심박수(110)가 먼저 반응하는 현상으로 산소 소모량(120)에 비해 운동부하의 증감을 먼저 확인할 수 있다. 또한, 심박수는 비교적 간단한 장비 착용으로 실시간 확인이 가능하므로 EMG(Electromyography 또는 Electromyograph)나 산소 소모량 측정에 비해 간편하고 경제적인 수단이 된다.
도 1에서, VO2는 인체가 1분에 소모하는 산소량(ml/min)이다. 또한, HR(heart rate)은 인체의 분당 심박수(bpm : beats per minute)를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 착용 로봇(200)의 구성 블럭도이다. 도 2를 참조하면, 착용 로봇(200)은, 착용자(210)가 착용할 수 있도록 외관을 형성하는 외골격(230), 외골격(230)의 하단 양측에 연결되는 제 1 링크(240), 상기 제 1 링크(240)를 일정 각도로 회동시키는 엉덩이 관절 구동기(225), 상기 제 1 링크(240)의 하단에 연결되는 제 2 링크(270), 및 상기 제 2 링크(270)를 일정 각도로 회동시키는 무릎 관절 구동기(245), 제 2 링크(270)의 하단에 힌지(275)에 의해 결합되어 신발과 같이 착용할 수 있는 스텝퍼(280) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
외골격(230)은 "L" 형상의 몸체(220)와 몸체(220)의 상단 외측에 형성되는 부하(20)로 구성된다. 부하(20)는 착용 로봇(200)의 무게 중심의 위치를 잡도록 돕는 역할을 한다.
외골격(230)은 착용자(210)의 상단에 착용가능하다. 이때, 상단은 허리, 등 및 어깨 등을 포함할 수 있다.
부하(20)는 전원을 공급하는 배터리 등이 내장될 수 있다. 배터리는 충전 가능한 이차 전지가 될 수 있다.
제 1 링크(240)는 착용자(210)의 엉덩이로부터 무릎까지의 길이에 대응한다. 즉, 허벅지 역할을 한다. 따라서, 제 1 링크(240)는 외골격(230)의 몸체(220)의 하단 일측에 엉덩이 관절 구동기(225)로 연결된다.
제 2 링크(270)는 착용자(210)의 무릎으로부터 발목까지의 길이에 대응한다. 즉, 종앙리 역할을 한다. 따라서, 제 2 링크(270)는 제 1 링크(240)의 하단에 무릎 관절 구동기(245)로 연결된다.
엉덩이 관절 구동기(225) 및 무릎 관절 구동기(245)는 예를 들면, 전기 모터 등으로 구현될 수 있다. 부연하면, 엉덩이 관절의 경우, 전기 모터의 고정자(미도시)를 몸체(220)에 고정하고, 회전자(미도시)를 제 1 링크(240)의 상단에 연결할 수 있다. 이와 동일하게, 무릎 관절의 경우, 전기 모터의 고정자(미도시)를 제 1 링크(240)의 하단에 고정하고, 회전자(미도시)를 제 2 링크(270)의 상단에 연결할 수 있다. 물론, 전기 모터외에도, 진공 펌프(vacuum pump), 수압 펌프(hydraulic pump) 등으로 구현될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 착용 로봇(200)을 제어하는 착용 로봇 제어 장치의 구성 블럭도이다. 도 3을 참조하면, 착용자(도 2의 210)의 신체 일부에 설치되어 착용자(210)의 생체 신호를 센싱하는 센서(320), 생체 신호를 이용하여 엉덩이 관절 구동기(325) 및/또는 무릎 관절 구동기(245)를 제어하는 제어기(310) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 생체 신호 중 심장 박동수를 이용하여 설명하기로 한다.
센서(320)는 직접적으로 심장 박동수(즉 심박수)를 측정하는 심박 센서가 될 수 있으나, 맥박 센서, 만보계 센서 등을 이용하여 일정한 데이터 처리를 통해 심장 박동수를 산출하는 방식도 적용될 수 있다. 또한, 혈압을 측정하는 혈압센서, 호흡가스 분석을 통해 인체가 흡입하는 산소 대비 배출하는 이산화탄소의 양을 측정 및 비교하는 산소 교환율을 측정하는 센서 등이 사용될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 착용 로봇 중 엉덩이 관절을 토크 제어하는 제어 블럭도이고, 도 5는 도 2에 도시된 착용 로봇 중 무릎 관절을 토크 제어하는 제어 블럭도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 관절 구동기(225,245)의 일반적인 제어전략은 입각기 시 해당 관절에 작용하는 부하를 지지하도록 하는 것과, 유각기 시에는 착용자(210)의 다리 관절의 움직임을 방해하지 않도록 잘 따라가도록 하는 것이다.
입각기 시 관절 구동기는 관절 부하를 지지하기 위해 토크제어를 수행하거나 임피던스 제어를 수행할 수 있다. 도 4 및 도 5는 이중 토크 제어를 수행하는 제어 블럭도를 도시한 것이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 제어 게인은 착용 로봇(200)의 안전성 및/또는 동역학적 특성, 착용 로봇(200)에 가해지는 부하 정도, 그리고 착용자의 착용감 등을 고려하여 설계된다.
하지만, 착용 로봇(200)은 사람과 동기화하여 움직이는 시스템으로 피로도 증가와 같은 착용자의 신체적 상태 변화와 더불어 착용자가 짊어지는 부하(20)의 상태 변화 등에 의해 전체 동역학적 특성이 매 순간 변할 수 있기에, 초기 설계에 의해 결정된 제어 게인으로 착용 로봇을 제어하는 것은 착용자의 안전 상 잠재적 위험요소로 작용할 수 있고 착용감 측면으로도 불리하다 할 수 있다.
즉, 착용 로봇(200)의 안전한 동작 및/또는 착용감 향상을 위해 착용자의 상태 변화에 순응하여 제어기의 제어 게인을 조절해 줄 필요가 있다.
심박수 계측은 외골격 로봇 착용자의 상태 변화를 추정할 수 있는 하나의 척도로 활용될 수 있다. 즉, 걷는 속도의 증가 또는 짊어지는 부하의 증가로 인한 근력 부하 증가 정도는 심박수 변화 측정을 통해 추정해 볼 수 있는 것이다.
현재 측정된 심박수를
Figure 112019011665104-pat00008
, 휴지기에서 심박수를 HRrest, 최대 심박수를 HRmax라 하면, 다음과 같이 정규화된 정규화 심박수 값(
Figure 112019011665104-pat00009
)을 얻을 수 있다.
Figure 112019011665104-pat00010
여기서,
Figure 112019011665104-pat00011
는 필터화된 현재 심박수 값으로 일례로 심박수의 이동평균 (moving average)이 될 수 있다. 정규화된 심박수 값(
Figure 112019011665104-pat00012
)는 휴지기에서 0이고, 최대 운동 상태에서 1에 근접한 값을 지닐 것이다.
심박수는 심박수 측정 센서 혹은 스마트 워치 등과 같은 휴대용 통신 단말기로부터 쉽게 얻을 수 있다. 착용자(210)는 착용 로봇(200)을 착용한 상태에서 심박수 측정기를 착용하고 보행을 시작한다. 초기 보행 시 제어기(310)는 제어기 설계로부터 설계된 게인값으로 구동기 제어를 시작한다. 이후, 센서(320)로부터 측정된 심박수는 제어기(320)에서 획득되고 획득된 값을 통해 정규화 심박수값을 위 수학식을 이용하여 구한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 조인트 공간에서 토크제어를 수행하는 제어에 대해, 심박수를 이용하여 게인값을 조절한다. 즉, 각 조인트에 연결된 구동기에 대한 독립적인 토크제어를 수행할 때 심박수를 이용하여 각 구동기 제어를 위한 제어 게인값을 조절함을 의미한다.
착용 로봇(200)의 엉덩이 관절 구동기(225)와 무릎 관절 구동기(245)가 각각 엉덩이와 무릎에 장착되어 있다고 가정하고, 각 구동기의 현재 토크 값을 τH와 τK로, 각 구동기에 요구되는 토크 값을 τHd와 τKd로 나타낸다.
현재 토크 값(τH,τK) 및 요구되는 토크 값(τHd, τKd)은 감산기(401,501) (tHd-tH를 계산합니다)에 의해 그 차이 값이 구해져 제어게인 GH(
Figure 112019011665104-pat00013
)와 GK(
Figure 112019011665104-pat00014
)에 이용된다. 또한, 현재 토크 값(τH,τK)은 엉덩이 관절과 무릎관절 각각의 플랜트 (PH,PK)(420,520)를 통해 구현된 토크 값을 피드백한 값이 된다.
엉덩이 관절 구동기(225)와 무릎 관절 구동기(245)에 대해 각각 토크 제어가 구성되며, 각 토크 제어의 초기 설계된 제어게인(410,510)을 GH,0와 GK,0라 하면 정규화 심박수값을 이용해 조절된 엉덩이 관절 구동기(225)와 무릎관절 구동기(245)의 제어게인 조절값GH(
Figure 112019011665104-pat00015
)와 GK(
Figure 112019011665104-pat00016
)(410,510)은 다음식과 같이 구성해 볼 수 있다.
Figure 112019011665104-pat00017
Figure 112019011665104-pat00018
여기서 시그모이드(sigmoid)(
Figure 112019011665104-pat00019
) 함수의 일례가 도 6에 제시된다.
도 6은 일반적인 시그모이드 함수를 보여주는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 시그모이드 함수의 입력은 정규화 심박수값이 되고 출력은 0과 1사이 값이다. 따라서 위 식과 같이 게인조절을 수행하게 되면, 착용자 심박수가 휴지기 상태이면 제어게인은 0에 가까운 값이 되어 제어를 거의 수행하지 않게 되어 로봇에 의한 근력보조력을 거의 제공하지 않게 되고 이를 통해 로봇의 소모 에너지를 줄일 수 있다. 반면 착용자 심박수가 최대치에 근접하면 제어게인은 초기 설계된 게인값에 근접하여 로봇에 의한 근력보조력을 제공하게 된다. 시그모이드 함수를 구성하는 파라미터 조절을 통해 다양한 형태의 GH(
Figure 112019011665104-pat00020
)와 GK(
Figure 112019011665104-pat00021
)를 구성할 수 있다.
도 7은 도 2에 도시된 착용 로봇에서 작업공간 힘 제어를 보여주는 개념도이고, 도 8은 도 7에 도시된 작업공간 힘 제어를 수행하는 제어 블럭도이다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 조인트 공간이 아닌 작업공간(task space)에서 구성된 힘제어기의 심박수를 이용한 제어게인 조절의 일례가 도시된다. 즉, 각 조인트에 연결된 구동기에 대해 독립적인 힘제어를 하는 것이 아니라 착용로봇 끝단에 작용하는 힘을 직접 제어하기 위한 힘제어기의 심박수를 이용한 제어게인 조절의 일례를 의미한다.
도 7 및 도 8을 참조하면,
Figure 112019011665104-pat00022
는 착용 로봇(도 2의 200)의 부하를 지지하기 위해 관절 구동기(225,245)의 구동을 통해 착용 로봇(200)이 발생시키는 착용로봇 끝단에서의 힘 벡터을 의미한다. J는 로봇 다리의 자코비안 행렬을 의미한다. 작업공간에서 설계된 초기 힘제어 게인을 G 0 라 하면, 정규화 심박수값을 이용한 제어게인 조절값 G(
Figure 112019011665104-pat00023
)는 앞에서 기술한 바와 유사하게 구성할 수 있다.
현재 착용로봇이 발생시키는 힘 벡터(
Figure 112019011665104-pat00024
) 및 ~ 끝단에 요구되는 힘 벡터(
Figure 112019011665104-pat00025
)는 합산기(801)에 의해 그 차이가 구해져 제어게인 조절값 G(
Figure 112019011665104-pat00026
)(810)에 이용된다. 또한, 착용로봇이 현재 발생시키는 힘(
Figure 112019011665104-pat00027
)은 엉덩이 관절 및 무릎관절에서 계측된 토크 값 (tH, tK)과 로봇 자코비안 전치행렬(J T )(820)의 역행렬을 통해 구해지는 힘 벡터를 피드백한 값이 된다. 여기서, T는 전치 행열을 나타낸다.
도 9는 도 2에 도시된 착용 로봇에서 조인트 임피던스 제어를 보여주는 개념도이고, 도 10은 도 9에 도시된 착용 로봇 중 엉덩이 관절을 조인트 임피던스 제어하는 제어 블럭도이고, 도 11은 도 9에 도시된 착용 로봇 중 무릎 관절을 조인트 임피던스 제어하는 제어 블럭도이다. 도 9 내지 도 11을 참조하면, 현재 각 관절에서 측정된 회전 각도(θH ,θK) 및 요구되는 관절 회전 각도(θHd , θkd )는 합산기(1001,1101)에 의해 그 차이가 구해져 각 조인트의 임피던스 조절값 kH(
Figure 112019011665104-pat00028
),kK(
Figure 112019011665104-pat00029
)(1010,1110)을 통해 각 관절의 토크 입력(tH, tK)로 변환된다. 이 입력 값으로 각 관절 구동기를 구동했을 때 발생하는 관절 회전 각도(θH ,θK)는 엉덩이 관절 및 무릎관절 플랜트(pH, pK)(1020,1120)를 거쳐 실제 회전되는 관절 회전 각도를 측정하여 피드백한 값이 된다. 도 9 내지 도 11에서 kH와 kK는 각각 엉덩이 관절 구동기와 무릎관절 구동기에 대한 임피던스를 의미하며, 이들은 정규화된 심박수(
Figure 112019011665104-pat00030
)에 의해 조절될 수 있다.
도 12는 도 2에 도시된 착용 로봇에서 작업 공간 임피던스 제어를 보여주는 개념도이고, 도 13은 도 12에 도시된 착용 로봇을 작업 공간 임피던스 제어하는 제어 블럭도이다. 도 12 및 도 13을 참조하면, 현재 로봇 끝단의 변위 벡터(
Figure 112019011665104-pat00031
) 및 요구되는 로봇 끝단의 변위벡터(
Figure 112019011665104-pat00032
)은 합산기(1301)에 의해 그 차이가 구해져 착용로봇 끝단에서의 임피던스 조절값 K(
Figure 112019011665104-pat00033
)(1310)을 통해 끝단에서 내야하는 힘으로 변환된다. 이 힘은 자코비안 행렬의 전치 행렬(J T )(1320)를 통해 이에 해당하는 각 관절에서 내야하는 토크 값으로 변환된다. 이 입력 값으로 각 관절 구동기를 구동했을 때 발생하는 관절 회전 각도(θH ,θK)는 엉덩이 관절 및 무릎관절 플랜트 (pH, pK)를 거쳐 실제 회전되는 관절 회전 각도를 측정하여 얻어지고, 측정된 관절 회전 각도와 로봇의 자코비안 (J -T ) (1340)를 통해 현재 로봇 끝단의 변위 벡터(
Figure 112019011665104-pat00034
)가 얻어진다. 여기서, K는 부하를 지지하기 위해 로봇 다리가 구현하는 작업공간에서의 가상의 임피던스를 의미한다. 임피던스 조절 역시 정규화된 심박수를 이용하여 앞에서와 유사하게 구성할 수 있다.
조인트 공간 혹은 작업 공간에서의 어드미턴스 제어기의 어드미턴스 값도 위와 유사하게 심박수를 이용하여 조절하도록 구성할 수 있다. 즉, 엉덩이 관절과 무릎관절에서 회전각도 대신 토크 정보를 측정하면 임피던스의 역수 개념인 어드미턴스 값을 이용하여 각 관절의 위치제어를 위한 회전각도 정보를 얻을 수 있는데 이 때 어드미턴스 값을 정규화된 심박수에 따라 조절 가능하게 구성함에 의해 전술한 방법과 유사하게 심박수 적응형 어드미턴스 제어기를 구성할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 정규화 심박수를 산출하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 14를 참조하면, 착용 로봇(200)을 착용한 착용자(210)가 보행을 시작함에 따라 센서(320)를 통해 착용자(210)의 생체 신호를 센싱한다(단계 S1410,S1420). 또한, 이와 동시에 관절 구동기(225,245)의 제어를 시작한다(단계 S1430).
이러한 센싱과 구동기의 제어에 따라 정규화 심박수 값을 산출하고, 관절 구동기(225,245)의 제어에 대한 제어게인 조절값을 산출하여 제어를 수행한다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
20: 부하
200: 착용 로봇 210: 착용자
220: 몸체 225: 엉덩이 관절 구동기
240: 제 1 링크 245: 무릎 관절 구동기
270: 제 2 링크 275: 힌지
280: 스텝퍼

Claims (9)

  1. 착용 로봇(200)의 두 다리링크(240,270);
    상기 두 다리링크(240,270)의 상대적 운동을 발생시키기 위한 관절 구동기(225,245);
    상기 관절 구동기(225,245)의 제어를 위한 제어기(310); 및
    상기 제어에 대한 제어게인 조절값을 위한 상기 착용 로봇(200)의 착용자 생체신호를 측정하는 센서(320);를 포함하며,
    상기 생체 신호는 심박수, 혈압, 및 산소 교환율 중 어느 하나이고,
    상기 심박수는 정규화 심박수 값(
    Figure 112020048455327-pat00056
    )으로, 상기 정규화 심박수 값은 수학식
    Figure 112020048455327-pat00057
    (여기서,
    Figure 112020048455327-pat00058
    는 현재 측정된 심박수, HRrest는 휴지기에서 심박수, HRmax는 최대 심박수이다)에 의해 산출되고,
    상기 제어게인 조절값은 입각기 시 무릎하중 지지를 위한 토크 제어를 통해 산출되고,
    상기 토크 제어에 따른 제어게인 조절값은 수학식
    Figure 112020048455327-pat00059
    및
    Figure 112020048455327-pat00060
    (여기서, GH(
    Figure 112020048455327-pat00061
    )는 엉덩이 관절 구동기(225)의 제어게인이고, GK(
    Figure 112020048455327-pat00062
    )는 무릎관절 구동기(245)의 제어게인이며, GH,0와 GK,0은 초기 설계된 제어게인이며, Sigmoid는 0과 1 사이 값은 갖는 시그모이드(sigmoid)함수이다)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 현재 측정된 심박수는 심박수의 이동평균인 것을 특징으로 하는 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 정규화 심박수 값은 휴지기에서 0이고, 최대 운동 상태에서 1에 근접한 값을 갖는 것을 특징으로 하는 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. (a) 관절 구동기(225,245)가 착용 로봇(200)의 두 다리링크(240,270)의 상대적 운동을 발생시키는 단계;
    (b) 센서(320)가 상기 관절 구동기(225,245)의 제어를 위한 제어게인 조절값을 위한 착용 로봇(200)의 착용자 생체신호를 측정하는 단계 ; 및
    (c) 제어기(310)가 제어게인 조절값을 이용하여 상기 제어를 실행하는 단계;를 포함하며,
    상기 생체 신호는 심박수, 혈압, 및 산소 교환율 중 어느 하나이고,
    상기 심박수는 정규화 심박수 값(
    Figure 112020048455327-pat00063
    )으로, 상기 정규화 심박수 값은 수학식
    Figure 112020048455327-pat00064
    (여기서,
    Figure 112020048455327-pat00065
    는 현재 측정된 심박수, HRrest는 휴지기에서 심박수, HRmax는 최대 심박수이다)에 의해 산출되고,
    상기 제어게인 조절값은 입각기 시 무릎하중 지지를 위한 토크 제어를 통해 산출되고,
    상기 토크 제어에 따른 제어게인 조절값은 수학식
    Figure 112020048455327-pat00066
    및
    Figure 112020048455327-pat00067
    (여기서, GH(
    Figure 112020048455327-pat00068
    )는 엉덩이 관절 구동기(225)의 제어게인이고, GK(
    Figure 112020048455327-pat00069
    )는 무릎관절 구동기(245)의 제어게인이며, GH,0와 GK,0은 초기 설계된 제어게인이며, Sigmoid는 0과 1 사이 값은 갖는 시그모이드(sigmoid)함수이다)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 방법.
  9. 삭제
KR1020190012894A 2019-01-31 2019-01-31 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치, 이의 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 KR102152274B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190012894A KR102152274B1 (ko) 2019-01-31 2019-01-31 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치, 이의 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190012894A KR102152274B1 (ko) 2019-01-31 2019-01-31 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치, 이의 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200095152A KR20200095152A (ko) 2020-08-10
KR102152274B1 true KR102152274B1 (ko) 2020-09-04

Family

ID=72049192

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190012894A KR102152274B1 (ko) 2019-01-31 2019-01-31 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치, 이의 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102152274B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112223257A (zh) * 2020-09-02 2021-01-15 阜新市三合智能制造技术有限公司 一种下肢辅助器械行动控制系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101841011B1 (ko) * 2016-11-24 2018-03-26 대한민국 하지 보조로봇의 제어방법

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102119536B1 (ko) 2014-01-15 2020-06-05 삼성전자주식회사 착용형 로봇 및 그 제어 방법
KR20150139056A (ko) 2014-06-02 2015-12-11 대우조선해양 주식회사 리니어 엑추에이터를 적용한 착용로봇
KR102133933B1 (ko) * 2015-07-27 2020-07-21 삼성전자주식회사 보행 보조 방법 및 이를 수행하는 장치
KR101802640B1 (ko) 2016-03-23 2017-11-30 국방과학연구소 착용형 외골격 로봇의 보행 천이 제어 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101841011B1 (ko) * 2016-11-24 2018-03-26 대한민국 하지 보조로봇의 제어방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200095152A (ko) 2020-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11498203B2 (en) Controls optimization for wearable systems
US20210039248A1 (en) Soft exosuit for assistance with human motion
US10123932B2 (en) Motion assist device and motion assist method
Bae et al. A soft exosuit for patients with stroke: Feasibility study with a mobile off-board actuation unit
US9622884B2 (en) Control systems and methods for gait devices
JP2021514230A (ja) 筋骨格傷害から保護し、能力を強化させるためのウェアラブル・デバイス
JP5420405B2 (ja) ロボット骨組、外骨格構造体、装着式のロボットシステム、人体と協調して装着式のロボット骨組を同時に動かす方法、装着式の人間の外骨格を人体の動きと協調して動かせるようにする方法
CN107411939A (zh) 一种单侧下肢残疾人士专用助力康复机器人
Zhang et al. Assistive devices of human knee joint: A review
JP2009543706A5 (ko)
Font-Llagunes et al. Design, control, and pilot study of a lightweight and modular robotic exoskeleton for walking assistance after spinal cord injury
KR102152274B1 (ko) 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치, 이의 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체
Wang et al. An underwater lower-extremity soft exoskeleton for breaststroke assistance
Camardella et al. Gait phases blended control for enhancing transparency on lower-limb exoskeletons
Al-Shuka et al. On high-level control of power-augmentation lower extremity exoskeletons: Human walking intention
Wang et al. Improving walking economy with an ankle exoskeleton prior to human-in-the-loop optimization
Leng et al. A lightweight, integrated and portable force-controlled ankle exoskeleton for daily walking assistance
Al-Hayali et al. Analysis and evaluation of a quasi-passive lower limb exoskeleton for gait rehabilitation
He et al. Review of Power-Assisted Lower Limb Exoskeleton Robot
Carrozza et al. On the design of an exoskeleton for neurorehabilitation: design rules and preliminary prototype
Zheng Control strategy of lower-limb exoskeleton
Shushtari et al. Human-Exoskeleton Interaction Portrait
Iwaya et al. Development of a walking assist machine using crutches–motion for ascending and descending steps
Qian et al. Terrain-Adaptive Exoskeleton Control With Predictive Gait Mode Recognition: A Pilot Study During Level Walking and Stair Ascent
CN114209541A (zh) 一种步行辅助外骨骼装置

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant