KR102163284B1

KR102163284B1 - 착용형 로봇 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR102163284B1
Application number: KR1020130114449A
Authority: KR
Inventors: 노창현
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2020-10-08
Also published as: US9775727B2; US20150088269A1; KR20150034405A

Abstract

일 실시 예에 따른 착용형 로봇은 착용자의 무릎 부위에 가해진 압력을 검출하여 착용자의 일어서는 동작 의도를 감지하고, 감지된 착용자의 일어서는 동작 의도에 해당하는 근력 보조를 전개하도록 구성된다.

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 동작을 보조하는 근력 보조 전개 시점을 결정하는 착용형 로봇 및 그 제어 방법이 개시된다.

현재 산업현장뿐만 아니라, 장애인 및 노약자의 거동시 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.

일반적으로 이러한 근력 지원을 위한 착용형 로봇은 상지 거동을 위한 상지용 근력 보조 로봇과 하지 거동을 위한 하지용 근력 보조 로봇을 포함할 수 있다. 이중, 하지용 근력 보조 로봇은 착용자의 다리 힘을 보조하여 보행을 돕는 역할을 하는 것으로 인간과 로봇의 동기화를 이용한 로봇을 말한다.

이러한 하지용 근력 보조 로봇은 착용자의 보행의도를 감지하고 해당하는 근력을 보조하도록 구동될 수 있다. 여기에서, 보행의도감지는 착용자가 보행을 시작하거나 또는 보행을 종료하고자 하는 의도를 감지하는 것을 의미하거나 또는 왼발 및 오른발의 움직임 상태를 감지하는 것을 의미할 수 있다.

이때, 착용자가 보행을 시작하는 의도는 일어서는 동작에 해당할 수 있고, 보행을 종료하고자 하는 의도는 앉는 동작에 해당할 수 있다. 이와 같은 일어서는 동작 및 앉는 동작은 일반적인 보행 동작과는 작용기전(action mechanism)이 상이하여 보조 전략을 다르게 적용해야 한다.

착용자의 일어서는 동작에 대한 정확한 시점을 검출하여 해당하는 근력 보조 전개 시점을 결정하는 착용형 로봇 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.

또한, 일 실시 예에 따른 착용형 로봇은 착용자의 근력 보조를 위한 기구로 구성된 로봇부, 상기 착용자의 무릎 부위에 마련되어 상기 착용자가 무릎을 누르는 동작을 검출하기 위한 제1 센서부 및 상기 제1 센서부를 이용하여 검출된 정보에 기초하여 착용자의 일어서는 동작 의도에 해당하는지를 판단하고, 판단 결과 착용자의 일어서는 동작 의도에 해당하면 대응되는 근력 보조를 위한 제어 신호를 상기 로봇부로 전송하는 제어부를 포함한다.

또한, 일 실시 예에 따른 착용형 로봇의 제어 방법은 착용자의 무릎 부위에 대한 압력이 검출되는지를 판단하는 단계 및 판단 결과, 압력이 검출되면 착용자의 일어서는 동작 의도에 해당하는 것으로 결정하고 대응되는 근력 보조를 전개하는 단계를 포함한다.

도 1은 보행 보조 로봇의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 착용자의 일어서는 동작을 순차적으로 도시한 개념도이다.
도 3은 보행 보조 로봇의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 4는 착용자의 일어서는 시점을 검출하는 일 예를 도시한 도면이다.
도 5는 착용자의 일어서는 시점을 검출하는 다른 예를 도시한 도면이다.
도 6은 제1 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 제어 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 7은 제2 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 제어 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 8은 제3 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 제어 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.

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 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 다른 착용형 로봇에 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, 모든 착용형 로봇에 적용될 수 있을 것이다.

도 1은 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 3 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 3 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 1에 도시하지는 않았으나, 제1 조인트부(103a) 및 제2 조인트부(103b) 각각에 관절 각을 검출하기 위한 검출 수단(미도시)이 마련될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에서, 검출 수단으로는 엔코더(encoder) 또는 포텐쇼미터(potentiometer) 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 검출 수단은 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 한 것으로, 신발 내부의 착용자의 발바닥과 접하는 부분에 압력센서(미도시)가 설치될 수도 있고, 신발 외부 바닥면에 압력센서(미도시)가 설치될 수도 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.

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 따른 보행 보조 로봇은 후술될 센서부를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 센서부는 제1 센서부(310, 도 3 참조) 및 제2 센서부(320, 도 3 참조)를 포함할 수 있다.

여기에서, 제1 센서부(310)는 착용자의 무릎 부위에 마련되어 착용자가 일어서는 동작을 하기 전 양손 또는 한 손으로 무릎을 짚는 행동을 하는 것을 검출하는 역할을 한다. 이러한 제1 센서부(310)로는 압력센서 또는 온/오프(on/off) 버튼이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 눌려짐을 측정할 수 있는 센서는 어떤 것이든 사용 가능할 것이다.

또한, 제2 센서부(320)는 상술한 착용자의 허리 후면에 위치한 허리 착용부(101)의 허리 지지대(미도시) 하부에 마련되어 착용자가 일어서는 동작을 할 때, 바닥과 착용자의 둔부 사이 거리를 측정하는 역할을 한다. 이러한 제2 센서부(320)로는 초음파 센서 또는 적외선 센서 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 거리를 측정할 수 있는 센서는 어떤 것이든 사용 가능할 것이다.

이상, 일 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 외관을 간략히 설명하였다. 이후부터는 보행 보조 로봇의 각 구성에 대하여 설명할 것이다.

도 3은 일 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 구성을 도시한 블럭도이다.

도 3을 참조하면, 본 실시 예에 따른 보행 보조 로봇은 제1 센서부(310), 제2 센서부(320), 제어부(200) 및 로봇부(100)를 포함할 수 있다.

제1 센서부(310)는 전술한 바와 같이, 착용자의 무릎 부위에 마련되어 착용자가 일어서는 동작을 하기 전 양손 또는 한 손으로 무릎을 누르는 행동을 하는 것을 검출하는 역할을 한다.

일반적으로, 사람이 일어서는 동작을 할 때에는 상체를 앞으로 숙이는 경향이 있다. 즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 사람이 앉아 있는 상태(①)에서 상체를 앞으로 숙인 다음(②), 둔부를 먼저 들고(③), 그 다음 ④번 상태와 같이 다리를 편 후 ⑤번과 같이 완전히 설 수 있게 된다. 이와 같이, 앉아 있던 사람이 일어서는 동작을 할 때에는 우선 상체를 앞으로 숙이게 된다. 이처럼 상체를 앞으로 숙이는 경우, 손을 무릎에 대고 팔로 지지하게 된다. 즉, 사람은 팔로 무릎을 누르면서 일어설 수 있다.

이에 따라, 본 실시 예에서는 사람이 일어서는 시점을 검출하기 위해 무릎을 누르는 동작을 검출한다.

본 실시 예에 개시된 착용형 보행 보조 로봇은 인간의 신체에 착용되어 신체의 일부처럼 작용하게 된다. 따라서, 보행 보조 로봇을 착용한 착용자의 의도를 정확하게 파악하고 동작해야 한다. 예를 들면, 착용자는 아직 걷기 시작할 준비가 되지 않았는데 로봇이 걷기 시작하면, 착용자는 놀라거나 넘어지는 등의 위험이 발생할 수 있다. 한편, 착용자는 걷기 시작했는데 로봇이 감지하지 못하여 동작을 안 하거나 늦게 시작한다면 착용자는 불편을 느끼게 될 것이다. 이와 같이 착용자인 사람과 보행 보조 로봇 사이의 의사 전달이 매우 중요하다.

이때, 상술한 착용자의 의도는 '일어서기', '앉기', '걷기'를 포함할 수 있다. 여기에서, '일어서기' 및 '앉기' 동작은 '걷기' 동작과 작용기전(action mechanism)이 상이하여 근력 보조 전략을 다르게 적용해야 한다.

구체적으로, 착용자가 '앉기' 또는 '일어서기' 동작을 취하고자 할 때에는 착용자의 허벅지 앞쪽의 장내전근(Adductor Longus muscle, AL) 및 대퇴직근(Rectus Femoris muscle, RF)과 허벅지 뒤쪽의 대둔근(Gluteus Maximus muscle, GM) 및 대퇴이두근(Biceps Femoris muscle, BF)이 팽창 또는 수축을 하게 된다. 한편, '걷기' 동작을 할 때 팽창 또는 수축하는 부위는 이와는 다르다. 이에 따라, '일어서기' 및 '앉기' 동작을 할 때와 '걷기' 동작을 할 때 보조해야 할 부위가 상이한 것이다.

따라서, 보행 보조 로봇에는 각각의 의도를 검출하기 위한 다양한 감지 수단을 구비할 수 있다.

본 실시 예에서는 착용자의 무릎 부위에 제1 센서부(310)를 마련하여 상술한 착용자의 의도 중 '일어서기' 동작에 대한 의도를 검출할 수 있다.

종래에는 착용자의 '일어서기' 의도를 검출하기 위해 발바닥에 힘을 측정할 수 있는 센서를 장착하여 지면 반발력의 크기 변화나 위치 변화 등을 감지하는 방법을 사용하였다. 그러나, 지면 반발력의 위치 변화를 알아내기 위해서는 발바닥의 다수의 위치에 측정 센서가 장착되어야 하는데 그 분해능이 충분치 못한 경우가 발생할 수 있다. 또한, 지면 반발력의 크기를 이용하는 경우, 앉아있는 자세에 따라 측정값이 불분명할 수 있다.

따라서, 본 실시 예에서는 앞서 말한 바와 같이, 일반적으로 사람이 일어설 때 상체를 앞으로 숙이면서 팔로 무릎 부위를 누르는 동작을 하는 것에 착안하여 무릎 부위를 누르는 동작을 검출하기 위한 제1 센서부(310)를 구비한 것이다.

본 실시 예에서, 제1 센서부(310)는 압력 센서 또는 온/오프(on/off) 버튼 등일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 누르는 동작을 검출할 수 있는 측정 센서라면 어떤 것이든 사용 가능할 것이다.

예를 들어, 도 4에 도시한 바와 같이, 착용자의 무릎 부위에 제1 센서부(310)를 구비함으로써, 착용자가 일어서는 동작을 할 때 화살표 방향으로 상체를 숙이면서 팔로 무릎 부위를 누르는 시점을 검출하여 착용자의 '일어서기' 의도를 정확하게 판단할 수 있다. 이를 위해, 제1 센서부(310)는 검출된 정보를 제어부(200)로 제공할 수 있다.

제2 센서부(320)는 착용자의 허리 후면에 위치한 허리 착용부(101)의 허리 지지대(미도시) 하부에 마련되어 착용자가 일어서는 동작을 할 때, 바닥과 착용자의 둔부 사이 거리를 측정하는 역할을 한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 사람이 일어서는 동작을 할 때에는 앉아 있는 상태(①)에서 상체를 앞으로 숙인 다음(②), 둔부를 먼저 들게 된다(③). 즉, 앉아 있던 사람이 일어날 때에는 둔부가 가장 먼저 바닥면으로부터 떨어지게 되는 것이다.

이에 따라, 본 실시 예에서는 착용자의 허리를 감싸는 허리 착용부(101)의 후면 하부에 둔부와 바닥까지의 거리를 측정하기 위한 제2 센서부(320)를 구비함으로써, 도 5에 도시한 바와 같이, 착용자의 둔부와 바닥까지의 거리를 측정하여 착용자의 '일어서기' 의도를 정확하게 판단할 수 있다. 이를 위해, 제2 센서부(320)는 검출된 정보를 제어부(200)로 제공할 수 있다.

본 실시 예에서, 제2 센서부(320)로 초음파 센서 또는 적외선 센서 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 거리를 측정할 수 있는 센서라면 어떤 것이든 사용 가능할 것이다.

한편, 본 실시 예에서는 상술한 제1 센서부(310)와 제2 센서부(320)를 각각 구비할 수도 있고 또는, 모두 구비할 수도 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 도 3에서는 상술한 제1 센서부(310) 및 제2 센서부(320)만을 도시하고 있으나, 본 실시 예에 따른 보행 보조 로봇에 포함되는 센서가 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 신발부(105)의 바닥면에 지면 반발력을 측정하기 위해 마련된 압력 센서, 로봇부(100)의 제1 조인트부(103a) 및 제2 조인트부(103b)에 마련된 관절 각 측정 센서 및 착용자의 허리 부위에 마련되어 착용자의 상체 기울기를 측정하는 기울기 센서 등을 더 포함할 수 있다.

제어부(200)는 보행 보조 로봇의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.

즉, 제어부(200)는 상술한 제1 센서부(310) 또는 제2 센서부(320)로부터 감지된 정보에 기초하여 착용자의 의도를 판단하고, 판단된 결과에 따라 로봇부(100)를 구동시킬 수 있다. 여기에서, '착용자의 의도'는 구체적으로 착용자의 '일어서기', '앉기' 및 '걷기' 의도를 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.

본 실시 예에서 제어부(200)는 각 의도 별로 구동부(110)가 다른 구동력을 발생시키도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(200)는 착용자의 의도가 '일어서기' 의도로 판단되면 제1 제어신호를 구동부(110)로 전송하여 구동모터(미도시)를 구동시킴으로써, 해당 의도에 대응되는 근력을 보조하기 위한 제1 구동력을 조인트부(103)로 제공할 수 있다. 또한, 제어부(200)는 착용자의 의도가 '앉기' 의도로 판단되면 제2 제어신호를 구동부(110)로 전송하여 해당 의도에 대응되는 근력을 보조하기 위한 제2 구동력을 조인트부(103)로 제공할 수 있으며, 착용자의 의도가 '걷기' 의도로 판단되면 제3 제어신호를 구동부(110)로 전송하여 해당 의도에 대응되는 근력을 보조하기 위한 제3 구동력을 조인트부(103)로 제공할 수 있다.

이를 위해, 제어부(200)는 상술한 제1 센서부(310) 또는 제2 센서부(320)로부터 제공되는 정보에 기초하여 착용자의 의도를 판단해야 한다.

또한, 앞서 말한 바와 같이, 본 실시 예에 따른 보행 보조 로봇은 제1 센서부(310)만 포함할 수도 있고, 제2 센서부(320) 만을 포함할 수도 있으며, 또는 제1 센서부(310)와 제2 센서부(320)를 모두 포함할 수도 있다.

이에 따라, 제어부(200)는 제1 센서부(310)로부터 제공되는 정보를 이용하여 착용자의 '일어서기' 의도를 판단할 수도 있고, 제2 센서부(320)로부터 제공되는 정보를 이용하여 착용자의 '일어서기' 의도를 판단할 수도 있으며, 또는 제1 센서부(310) 및 제2 센서부(320)로부터 제공되는 정보를 모두 이용하여 착용자의 '일어서기' 의도를 판단할 수도 있다.

예를 들어, 제1 센서부(310)가 착용자의 무릎 누름 동작을 검출하고, 해당하는 정보를 제어부(200)로 제공하면, 제어부(200)는 제1 센서부(310)로부터 전달받은 정보에 기초하여 현재 착용자가 '일어서기' 동작을 취하려는 것으로 판단하고, '일어서기' 동작에 대응되는 근력을 보조하기 위한 제1 제어 신호를 구동부(110)로 전송할 수 있다.

한편, 제2 센서부(320)가 착용자의 둔부와 바닥면까지의 거리를 측정하고, 측정된 거리를 제어부(200)로 제공하면, 제어부(200)는 제2 센서부(320)로부터 전달받은 거리가 기설정된 임계값 이상인지를 판단하고, 기설정된 값 이상이면 현재 착용자가 '일어서기' 동작을 취하려는 것으로 판단하고, '일어서기' 동작에 대응되는 근력을 보조하기 위한 제1 제어 신호를 구동부(110)로 전송할 수 있다.

또는, 제1 센서부(310)가 착용자의 무릎 누름 동작을 검출하고, 해당하는 정보를 제어부(200)로 제공하면, 제어부(200)는 제2 센서부(320)로 착용자의 둔부와 바닥면까지의 거리를 측정하라는 명령 신호를 전송한다. 이후, 제2 센서부(320)는 제어부(200)로부터 전송된 명령 신호에 따라 착용자의 둔부와 바닥면까지의 거리를 측정하고, 측정된 거리를 제어부(200)로 제공하면, 제어부(200)는 제2 센서부(320)로부터 전달받은 거리가 기설정된 임계값 이상인지를 판단하고, 기설정된 값 이상이면 현재 착용자가 '일어서기' 동작을 취하려는 것으로 판단하고, '일어서기' 동작에 대응되는 근력을 보조하기 위한 제1 제어 신호를 구동부(110)로 전송할 수 있다.

도 3에 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 3에 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 무릎 부위 눌려짐을 검출하기 위한 제1 센서부를 구비함으로써, 착용자의 일어서는 동작 의도가 발생된 시점을 적극적으로 감지하여 정확한 근력 보조 전개 시점을 결정할 수 있다.

이후부터는 보행 보조 로봇의 제어 방법에 대한 다양한 실시 예에 대하여 설명할 것이다.

도 6은 제1 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 제어 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이고, 도 7은 제2 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 제어 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이며, 도 8은 제3 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 제어 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.

우선, 제1 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 제어 방법은 다음과 같다.

도 6을 참조하면, 제어부(200)는 착용자의 무릎 부위에 마련된 제1 센서부(310)를 통해 압력이 검출되는지를 판단한다(S610). 판단 결과, 제1 센서부(310)를 통해 착용자가 무릎 부위를 누르는 것으로 인한 압력이 검출되면, 착용자의 '일어서기' 동작 의도로 판단하고, 해당하는 근력 보조를 위한 구동을 제어한다(S620)

일반적으로, 사람이 일어서는 동작을 할 때에는 상체를 앞으로 숙이는 경향이 있다. 즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 사람이 앉아 있는 상태(①)에서 상체를 앞으로 숙인 다음(②), 둔부를 먼저 들고(③), 그 다음 ④번 상태와 같이 다리를 편 후 ⑤번과 같이 완전히 설 수 있게 된다. 이와 같이, 앉아 있던 사람이 일어서는 동작을 할 때에는 우선 상체를 앞으로 숙이게 된다. 이처럼 상체를 앞으로 숙이는 경우, 손을 무릎에 대고 팔로 지지하게 된다. 즉, 사람은 팔로 무릎을 누르면서 일어설 수 있다. 이에 따라, 본 실시 예에서는 사람이 일어서는 시점을 검출하기 위해 무릎을 누르는 동작을 검출하는 것이다.

이와 같이 무릎 부위를 누르는 압력이 검출되면, 제어부(200)는 이를 착용자의 '일어서기' 동작 의도로 판단하고, 해당하는 근력 보조를 위한 제1 제어 신호를 로봇부(100)의 구동부(110)로 전송한다.

한편, 제2 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 제어 방법은 다음과 같다.

도 7을 참조하면, 제어부(200)는 착용자의 무릎 부위에 마련된 제1 센서부(310)를 통해 압력이 검출되는지를 판단한다(S710). 판단 결과, 제1 센서부(310)를 통해 착용자가 무릎 부위를 누르는 것으로 인한 압력이 검출되면, 제2 센서부(320)로 명령 신호를 전송한다(S720). 이때, 제2 센서부(320)로 전송되는 명령 신호는 착용자의 둔부로부터 바닥면까지의 거리를 측정하라는 신호로 이해될 수 있다.

이후, 제2 센서부(320)를 통해 측정된 거리 즉, 착용자의 둔부로부터 바닥면까지의 거리가 기설정된 임계값 이상인지를 판단한다(S730). 판단 결과, 착용자의 둔부와 바닥면 간의 거리가 기설정된 임계값 이상이면, 제어부(200)는 이를 착용자의 '일어서기' 동작 의도로 판단하고, 해당하는 근력 보조를 위한 제1 제어 신호를 로봇부(100)의 구동부(110)로 전송한다(S740). 한편, 판단 결과, 착용자의 둔부와 바닥면 간의 거리가 기설정된 임계값 이하이면, 제어부(200)는 이를 착용자의 '일어서기' 동작 의도로 판단하지 않고, 다시 제1 센서부(310)를 통해 압력이 검출되는지를 판단한다(S710).

또한, 제3 실시 예에 따른 보행 보조 로봇의 제어 방법은 다음과 같다.

도 8을 참조하면, 제어부(200)는 제2 센서부(320)를 통해 측정된 거리 정보 즉, 착용자의 둔부와 바닥면까지의 거리가 임계값 이상인지를 판단한다(S810). 판단 결과, 착용자의 둔부와 바닥면까지의 거리가 임계값 이상이면, 제어부(200)는 이를 착용자의 '일어서기' 동작 의도로 판단하고, 해당하는 근력 보조를 위한 제1 제어 신호를 로봇부(100)의 구동부(110)로 전송한다(S820). 한편, 판단 결과, 착용자의 둔부와 바닥면 간의 거리가 기설정된 임계값 이하이면, 제어부(200)는 이를 착용자의 '일어서기' 동작 의도로 판단하지 않고, 다시 제2 센서부(310)를 통해 측정되는 거리가 기설정된 임계값 이상인지를 판단한다(S810).

상술한 바와 같이, 본 발명은 사람이 일어서는 동작을 할 때 일반적으로 무릎을 짚는 동작을 수행한다는 것에 착안하여, 무릎 부위에 마련된 압력 측정 센서를 통해 착용자의 일어서는 동작 의도를 감지할 수 있고, 이에 따라 정확한 근력 보조 전개 시점을 결정할 수 있다.

또한, 무릎 부위에 마련된 압력 측정 센서뿐 아니라, 허리 후면에 마련된 거리 측정 센서를 함께 복합적으로 이용하여 더욱 정확한 근력 보조 전개 시점을 결정할 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시 예들을 설명하였다. 전술한 실시 예들에서 보행 보조 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
310: 제1 센서부
320: 제2 센서부

Claims

착용자의 근력 보조를 위한 기구로 구성된 로봇부;
상기 착용자의 무릎 부위에 마련되어 상기 착용자가 무릎을 누르는 동작을 검출하기 위한 제1 센서부;
상기 착용자의 허리 부위에 마련되어 상기 착용자의 둔부와 바닥면 사이의 거리를 측정하기 위한 제2 센서부; 및
상기 제1 센서부에 의해 상기 착용자의 무릎을 누르는 동작이 검출되면 상기 제 2 센서부를 통해 상기 착용자의 둔부와 상기 바닥면 사이의 거리를 측정하고, 상기 제1 센서부에 의해 검출되는 무릎 누름 동작 및 상기 제2 센서부에 의해 검출되는 상기 둔부와 상기 바닥면 사이의 거리에 기초하여 상기 착용자의 일어서는 동작 의도에 해당하는지 여부를 판단하고, 상기 착용자의 일어서는 동작 의도에 해당하는 것으로 판단되고 상기 측정된 거리가 기설정된 임계값보다 클 때 대응하는 근력 보조를 위한 제어 신호를 상기 로봇부로 전송하는 제어부를 포함하는 착용형 로봇.
제1항에 있어서,
상기 제1 센서부는 압력 센서 또는 온/오프(on/off) 버튼인 착용형 로봇.
제1항에 있어서,
상기 로봇부는 상기 착용자의 허리 부위에 착용되는 허리 착용부를 포함하는 착용형 로봇.
제3항에 있어서,
상기 제2 센서부는 상기 허리 착용부에 마련되는 착용형 로봇.
제1항에 있어서,
상기 제2 센서부는 초음파 센서 또는 적외선 센서인 착용형 로봇.
삭제
착용자의 무릎 부위에 마련되는 제 1 센서부를 통해 상기 착용자의 무릎에 대한 압력이 검출되는지 여부를 판단하고;
상기 착용자의 무릎에 대한 압력이 검출되는 것으로 판단되면 상기 착용자의 허리 부위에 마련되는 제 2 센서부를 통해 상기 착용자의 둔부와 바닥면 사이의 거리를 측정하고;
상기 측정된 거리가 기설정된 임계값보다 큰지를 판단하고;
상기 측정된 거리가 상기 기설정된 임계값보다 큰 것으로 판단되면 상기 착용자의 일어서는 동작 의도에 해당하는 것으로 판단하고 대응하는 근력 보조를 전개하는 착용형 로봇의 제어 방법.
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