KR20100075269A - 인체 하지용 근력 보조 로봇과 이의 보행제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인체 하지용 근력 보조 로봇과 이의 보행제어 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 인체 착용방식의 하지용 근력 보조 로봇과 이의 보행제어 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 인체 하지용 근력 보조 로봇은, 무릎의 상하를 에워싸며, 인체에 착용하기 위한 복수 개의 착용대가 구비된 보조기구; 상기 보조기구의 외측에 체결되며, 무릎 위치의 관절부와 상부골격 및 하부골격으로 이루어지는 외골격; 상기 외골격의 관절부의 외측에 체결되어 상부, 하부 골격을 회전운동시키는 액추에이터; 인체에 부착되어 근육의 부피 변화를 감지하는 센서; 및 상기 센서에서 출력되는 값을 기준으로 인체의 동작의지신호를 판단하여 상기 액추에이터에 동작신호를 보내는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

근력 보조, 무릎 근력 보조, 로봇, 보행제어, 착용형 근력 보조 로봇

Description

인체 하지용 근력 보조 로봇과 이의 보행제어 방법{ROBOT FOR ASSISTING THE MUSCULAR STRENGTH OF LOWER EXTREMITY AND CONTROL METHOD FOR WALKING OF THE SAME}

본 발명은 인체 하지용 근력 보조 로봇과 이의 보행제어 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 인체 착용방식의 하지용 근력 보조 로봇과 이의 보행제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 인체 착용방식의 하지용 근력 보조 로봇은 사람의 다리 힘을 보조하여 보행을 도와주는 역할을 하는 것으로, 인간과 로봇의 동기화를 이용한 입는 형태의 로봇을 말한다.

이러한 인체 착용방식의 하지용 근력 보조 로봇은 근육병 환자를 위한 재활 보조기구로부터 발전하여 최근에는 노인 등을 위한 근력 보조 역할 및 무거운 군장을 지는 군인용 또는 무거운 짐을 드는 산업현장용 근력 증폭기, 외과수술환자 및 오랫동안 병원생활을 한 내과 환자 등의 보행보조 등에 응용되고 있다.

최근에 기술의 발전과 함께 액추에이터의 소형화가 가능해지는 등 구조적인 부분에서 많은 발전이 있어왔다. 하지만, 보행 동작을 위한 일련의 시스템에 대하여는 여전히 많은 연구과제가 남아있다.

그 중에 대표적인 것이 센서의 문제이다. 일반적으로 인체 착용방식의 하지용 근력 보조 로봇에서 사용자가 어떠한 동작을 원하는지 여부는 인체의 변화를 감지하는 센서를 통하여 판단하여야 한다. 이를 위한 대표적인 방법이 근육이 경직되는 특성을 이용하는 근육강화센서 또는 근전도 센서를 이용하여 근육의 변화를 감지하는 방법이다. 하지만, 이러한 센서는 인체에 깊숙이 부착하여야 하고, 로드 셀을 이용하여 비용이 많이 드는 문제가 있기 때문에 개선의 노력이 이어지고 있다.

또 다른 문제로 동작의지신호를 규정하는 방법이 문제된다. 동작의지란 특정한 동작을 하고자 하는 사람의 의지를 말하는 데, 사람의 의지를 직접적으로 확인하는 기술이 없는 현실에서는 신체 특정분위의 변화를 통하여 의지를 유추하는 방법을 이용한다. 인체에 부착된 센서에서 감지되는 일정한 상황을 특정 동작에 대한 동작의지로 규정하고, 액추에이터에 신호를 보내는 것이다. 이때, 어떠한 경우를 특정 동작에 대한 동작의지로 규정하느냐에 따라서, 센서의 부착위치 등 전체적인 시스템이 결정된다. 이러한 동작의지신호 규정에 대하여는 계속적인 연구가 이어지고 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 근육의 부피변화를 감지하여 동작을 제어하는 인체 하지용 근력 보조 로봇과 이러한 인체 하지용 근력 보조 로봇의 보행을 제어하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 인체 하지용 근력 보조 로봇은, 무릎의 상하를 에워싸며, 인체에 착용하기 위한 복수 개의 착용대가 구비된 보조기구; 상기 보조기구의 외측에 체결되며, 무릎 위치의 관절부와 상부골격 및 하부골격으로 이루어지는 외골격; 상기 외골격의 관절부의 외측에 체결되어 상부, 하부 골격을 회전운동시키는 액추에이터; 인체에 부착되어 근육의 부피 변화를 감지하는 센서; 및 상기 센서에서 출력되는 값을 기준으로 인체의 동작의지신호를 판단하여 상기 액추에이터에 동작신호를 보내는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 센서가 부착되는 위치는 전대퇴부와 종아리의 두 곳인 것이 좋으며, 전대퇴부와 종아리를 감싸도록 형성된 착용대에 센서가 설치될 수도 있다.

이러한 센서는 플렉서블한 기판 위에 병렬로 배치된 다수 개의 스위츠를 포함하여 이루어지고, 인체에 착용 시 표면의 곡면에 맞게 자연스럽게 휘어지면서 착용되어 근육의 부피변화에 따라 스위치가 눌리는 개수를 통해 근육이 활성화된 것으로 판단하는 센서일 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 인체 하지용 근력 보조 로봇의 보행제어 방법은, 양쪽 다리에 각각 부착된 센서의 출력값을 측정하여 비교하는 비교단계; 및 상기 비교단계에서 센서의 출력이 작은 것으로 판단된 다리의 액추에이터에 동작신호를 보내는 동작단계를 포함하며; 상기한 두 단계를 반복하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이때, 센서가 전대퇴부와 종아리 두 곳에 각각 부착되고 두 개의 센서에서 측정된 값을 함께 비교하는 것이 좋으며, 동작단계에서 액추에이터에 동작신호를 보낼 때 센서들이 부착된 부위의 근육들이 모두 활성화 된 것으로 판단될 때, 반대편 다리의 액추에이터에 동작신호를 보내는 것이 좋다.

그리고 비교단계에 앞서서, 센서의 출력값을 교정하는 교정단계를 실시할 수 있다.

본 발명에 따르면, 부피변화를 감지하는 센서를 이용하여 근육의 활성화 여부를 판단함으로써 센서 제작에 들어가는 비용을 줄일 수 있으며, 전대퇴부와 종아리의 근육 활성화 여부를 동작의지로 판단함으로써 정확한 보행제어 시스템을 제공하는 효과가 있다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 인체 하지용 근력 보조 로봇을 나타내는 도면이다.

본 발명의 인체 하지용 근력 보조 로봇은 보조기구(100), 외골격(200), 액추 에이터(300), 센서(400) 및 제어부(미도시)를 포함하여 구성된다.

보조기구(100)는 사용자의 인체에 직접 착용하는 부분으로, 무릎의 상부와 하부에 걸치도록 구성된다. 보조기구(100)를 인체에 착용할 때, 인체에 고정할 수 있도록 착용대(110)를 구비하고 있다. 이러한 착용대(110)는 최소한 무릎의 상부와 하부에 각각 하나씩 형성되는 것이 좋으며, 다수 개가 형성될 수도 있다.

외골격(200)은 보조기구(100)에 체결되며, 그 위치는 인체(다리)의 바깥쪽에 체결된다. 외골격(200)은 상부골격(220)과 하부골격(230)이 회전가능하도록 관절부(210)로 연결된다. 관절부(210)는 무릎의 옆에 위치하고, 상부골격(220)은 무릎의 위쪽에 위치하며, 하부골격(230)은 무릎의 아래쪽에 위치한다. 무릎을 굽히고 펴는 동작과 동일하게 관절부(210)를 중심으로 상부골격(220)과 하부골격(230)이 움직일 수 있다. 이러한 외골격(200)은 판상 또는 막대 형상 등으로 제작할 수 있으며, 본 발명은 그 형상에 특별히 제한되지 않는다.

액추에이터(300)는 외골격(200)의 관절부(210)에 체결되어, 상부골격(220)과 하부골격(230)의 회전운동에 대한 구동력을 제공하는 부분이다.

센서(400)는 인체의 변화를 감지하는 부분이며, 본 발명에서는 특히 근육의 부피변화를 감지한다. 근육은 피부로 둘러싸인 내부에 위치하지만, 근육의 부피변화는 피부를 통하여서도 느낄 수 가 있는 것이 보통이다. 따라서 다리의 피부에 부착하는 센서(400)를 통해서 센서가 부착된 위치에 있는 근육의 부피변화를 감지할 수 있다.

근육의 부피변화를 감지하는 센서(400)는 다양한 구조로 제작될 수 있으며, 도 2에 도시된 것과 같이 휘어질 수 있는 기판(410)에 다수 개의 스위치(420)를 배치하는 구조가 가능하다. 이러한 센서(400)는 인체에 부착하면, 기판(410)이 휘어져 인체의 피부 형상에 맞춰 밀착되면서 부착된다. 이러한 센서(400)를 인체에 부착하면, 근육의 부피변화에 따라 스위치(420)를 누르는 양에서 변화가 생겨 출력값이 변하게 되므로 근육의 활성화 여부를 판단할 수 있다. 이때, 근육의 부피변화량은 사람에 따라 다르기 때문에, 사용에 앞서 센서(400)를 착용한 뒤 교정단계를 실시한다. 교정단계에서는 근육이 활성화되지 않은 상태에서의 센서 출력값과 근육이 활성화된 경우의 센서 출력값을 확인하여, 근육이 활성화된 경우에 해당하는 출력값을 설정한다. 이러한 과정을 통해 근육의 활성화 상태를 정량적으로 산출할 수 있다.

제어부(미도시)는 액추에이터(300) 및 센서(400)와 전기적으로 연결되며, 센서(400)의 출력값을 통해 동작의지신호를 판단하여 액추에이터(300)에 동작 신호를 보내는 부분이다. 또한, 제어부는 상기한 교정단계를 실시하거나 액추에이터(300)의 움직임을 프로그램화하는 부분이다.

한편, 상기한 구조의 인체 하지용 근력 보조 로봇은 센서(400)의 부착위치가 매우 중요하다. 센서(400)의 부착위치와 관련하여서, 본 발명의 발명자들은 다양한 연구를 통해 다음 부분에 관심을 갖게 되었다.

도 3은 전대퇴부와 종아리 부분을 나타내는 도면으로, 센서가 부착되는 위치이다. 전대퇴부(10)는 대퇴직근(12)과 내측광근(13) 및 외측광근(14)을 포함하는 대퇴사두근(15)이 위치하는 부분이다. 종아리(20)는 비복근(22)이 위치하는 부분이다.

본 발명의 발명자들은 두 부분이 모두, 다리가 지면에 지지되고 있는 동안에는 근육이 활성화 상태에 있는 점에 주목하였다. 또한, 두 부분에 위치하는 근육들의 크기가 상당히 크기 때문에, 근육의 부피변화가 상당히 심해서 센서를 이용하기에 매우 좋다.

나아가, 전대퇴부(10)와 종아리(20) 부분은 보조기구(100)의 착용대(110)가 위치할 수 있는 위치이다. 센서(400)가 설치된 착용대(110)가 두 부분에 위치하도록 인체 하지용 근력 보조 로봇을 제작하면, 인체 하지용 근력 보조 로봇의 착용과 동시에 센서(400)를 부착하는 것이 되어 매우 편리하다.

보행동작을 제어하는 방법을 설명하기 위하여 보행동작의 특징을 살펴보면 다음과 같다.

보행동작은 크게 두 개로 나누어 볼 수 있는데, '발이 지면에 닿아있는 구간'(이하 A구간)과 '발이 지면에서 떨어져있는 구간'(이하 B구간)이 그 두 가지이다. 이때, B구간에서 지면에서 떨어진 다리는 공중에서 무릎을 굽혔다가 펴는 동작을 하게 된다.

사람의 양 다리는 A구간과 B구간을 서로 교대로 지나가게 되는데, 정확하게는 한 쪽 다리의 A구간이 끝나고 조금 뒤에 다른 쪽 다리가 B구간에 접어들게 된다.

도 4는 보행 시 시간의 흐름에 따른 발의 위치와 센서의 출력값을 나타는 도면이며, 좌측 다리를 먼저 앞으로 내미는 경우에 대한 것이다. 양쪽 다리 각각의 상태를 A구간과 B구간으로 표시하고, 가운데 등호와 부등호는 센서 출력값의 크기를 비교한 것을 나타낸다.

먼저, 보행을 시작하기 전 정지상태에서는 양쪽 다리가 모두 지면을 지지하고 있는 A구간이며, 센서의 출력이 동일하다. 이는 센서가 설치된 네 곳의 근육들이 모두 활성화된 상태이기 때문이다.

보행을 시작하기 위하여 좌측 다리를 앞으로 내밀려는 동작을 취하는 순간에는, 아직 왼발이 지면에 닿아 있기 때문에 좌측 다리도 여전히 A구간에 속한다. 다만, 좌측 다리를 앞으로 내밀기 위해서는 먼저 왼발을 지면에서 들어야하므로, 왼쪽 종아리(20)의 근육이 비활성화 되고 이는 센서출력의 비대칭으로 나타난다.

좌측 다리를 들어서 앞으로 내미는 동안에는 좌측 다리가 B구간에 속하며, 센서의 출력은 여전히 우측 다리가 우세하다.

좌측 다리를 앞으로 움직여 왼발을 착지하는 순간부터 좌측 다리는 A구간에 속한다. 반면에, 센서의 출력은 좌측 다리의 출력이 우측 다리의 출력보다 강해지는 변화가 생긴다. 이는 보행을 지속하려는 경우 앞쪽에 위치하는 발에 체중을 싣기 때문에, 앞쪽에 위치하는 좌측 다리의 근육은 활성화가 되고 뒤쪽에 위치하는 우측 다리는 지면을 지지하는 힘이 약해져 우측 다리 근육은 비활성화 되는 것이다.

우측 다리를 들어서 앞으로 내미는 동안에는 우측 다리가 B구간에 속하며, 센서의 출력은 여전히 좌측 다리가 우세하다.

좌측 다리를 앞으로 움직여 왼발을 착지하는 순간부터 우측 다리가 A구간에 속하고, 보행을 지속하려는 경우라면 상기한 것과 같은 이유로 우측 다리의 센서 출력이 좌측 다리의 센서 출력보다 강해진다.

이어서, 좌측 다리를 들어서 앞으로 내미는 동안에는 좌측 다리가 B구간에 속하며, 센서의 출력은 여전히 우측 다리가 우세하다.

마지막으로 왼발을 착지하면서 보행을 정지하는 경우를 확인한다. 왼발을 착지하는 순간에 좌측 다리가 A구간에 접어들게 되며, 양쪽 다리의 센서 출력이 동일한 값을 갖는다. 이는 보행을 정지하는 순간에는 양쪽 다리에 체중을 동일하게 분산하고, 양쪽 다리로 지면을 지지하기 때문이다.

이상의 내용을 간략하게 정리하면 다음과 같다.

1) 전대퇴부와 종아리에 센서를 부착한 경우에 보행을 위해서는 양쪽 다리의 센서 출력값이 비대칭이 된다.

2) 센서 출력값이 약한 쪽 다리가 조금 뒤에 발이 지면에서 떨어진다.

3) 보행을 지속하는 경우에 한쪽 다리의 센서 출력값만이 모두 활성화 상태를 나타낸다.

4) 보행을 멈추는 순간에는 양쪽 다리의 센서 출력값이 모두 활성화 상태가 되어 다시 대칭을 이룬다.

상기한 내용을 토대로, 상기한 구조의 인체 하지용 근력 보조 로봇의 보행제 어 방법은, 양쪽 다리에서 측정된 센서의 출력값을 비교하는 비교단계(S1)와 동작신호를 보내는 동작단계(S2)를 포함하여 구성된다.

이때, 비교단계(S1)에 앞서서 센서를 사용자에게 부착하고 양발로 서있는 경우를 기준상태로 하여 센서의 출력을 교정하는 교정단계(S0)를 거치는 것이 좋다. 도 5는 교정단계를 포함하는 본 발명의 보행제어 방법을 나타내는 도면이다.

비교단계(S1)에서는 먼저 양쪽 다리에 부착된 센서의 출력값을 비교한다. 그리고 비교된 양쪽다리의 출력값이 대칭인 경우에는 계속적으로 비교를 진행하고, 출력값이 비대칭인 경우에는 보행동작을 하는 것으로 판단하여 동작단계를 수행한다.

동작단계(S2)는 먼저 센서의 출력이 약한 다리를 판단한다. 상기에서 설명한 것과 같이 센서의 출력이 약한 다리는 근육이 비활성된 다리로, 공중에서 무릎을 굽히고 펴는 동작을 한다. 따라서 센서의 출력이 약한 다리에 채워진 액추에이터에 동작신호를 보내 무릎을 굽히고 펴는 동작을 하도록 한다. 이때, 액추에이터의 구동에 의한 외골격의 움직임은 미리 프로그램화 할 수 있다.

동작단계(S2)를 거친 후에는 다시 비교단계(S1)로 돌아가며, 이는 보행동작의 지속여부를 판단하기 위해서이다.

동작신호에 의해 액추에이터가 한 번의 동작을 마친 뒤에, 양쪽 다리의 센서 출력값이 비대칭이라면 보행동작을 계속하는 것으로 판단하여 동작단계(S2)를 다시 실시하게 된다.

이때, 다음의 동작신호를 보내는 타이밍은 한쪽 다리의 근육이 모두 활성화 된 것으로 센서의 출력값이 나타날 때이다. 앞서 살펴본 것과 같이 본 발명의 인체 하지용 근력 보조 로봇의 센서는 전대퇴부와 종아리의 두 곳에 부착되며, 이 두 곳은 다리에 체중을 싣고 있는 경우에 활성화되는 근육이 있는 부위이다. 또한, 보행동작 중에는 한쪽 다리를 지면에 딛고 난 뒤에 다른 쪽 다리를 들게 된다. 따라서 한 쪽다리가 두 개의 근육이 활성화된 상태의 센서 출력값을 나타내는 것은 다리에 체중을 실은 채 지면을 딛은 상태이며, 이는 조금 뒤에 반대쪽 다리가 공중에서 무릎을 굽히고 펴는 동작을 하는 것으로 판단할 수 있는 것이다.

만약에 동작신호에 의해 액추에이터가 한 번의 동작을 마친 뒤에, 양쪽 다리의 센서 출력값이 대칭이라면 보행동작을 중지하는 것이므로 동작단계(S2)롤 진입하지 않는다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 인체 하지용 근력 보조 로봇을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 인체 하지용 근력 보조 로봇에 사용하는 센서를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 센서가 부착되는 인체의 부위를 나타내는 도면이다.

도 4는 보행 시 시간의 흐름에 따른 발의 위치와 센서의 출력값을 나타는 도면이다.

도 5는 본 발명의 보행제어 방법을 나타내는 도면이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10: 전대퇴부 20: 종아리

100: 보조기구 110: 착용대

200: 외골격 210: 관절부

220: 상부골격 230: 하부골격

300: 액추에이터 400: 센서

410: 기판 420: 스위치

Claims (8)

1. 무릎의 상하를 에워싸며, 인체에 착용하기 위한 복수 개의 착용대가 구비된 보조기구;

   상기 보조기구의 외측에 체결되며, 무릎 위치의 관절부와 상부골격 및 하부골격으로 이루어지는 외골격;

   상기 외골격의 관절부의 외측에 체결되어 상부, 하부 골격을 회전운동시키는 액추에이터;

   인체에 부착되어 근육의 부피 변화를 감지하는 센서; 및

   상기 센서에서 출력되는 값을 기준으로 인체의 동작의지신호를 판단하여 상기 액추에이터에 동작신호를 보내는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 인체 하지용 근력 보조 로봇.
2. 제1항에 있어서,

   상기 센서가 부착되는 위치가 전대퇴부와 종아리의 두 곳인 것을 특징으로 하는 인체 하지용 근력 보조 로봇.
3. 제2항에 있어서,

   상기 착용대의 위치가 전대퇴부와 종아리 부분을 포함하며, 상기 센서가 전대퇴부 및 종아리에 위치하는 착용대에 설치된 것을 특징으로 하는 인체 하지용 근 력 보조 로봇.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 센서가 플렉서블한 기판 위에 병렬로 배치된 다수 개의 스위츠를 포함하여 이루어지고, 인체에 착용 시 표면의 곡면에 맞게 자연스럽게 휘어지면서 착용되어 근육의 부피변화에 따라 스위치가 눌리는 개수를 통해 근육이 활성화된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 인체 하지용 근력 보조 로봇.
5. 양쪽 다리에 각각 부착된 센서의 출력값을 측정하여 비교하는 비교단계; 및

   상기 비교단계에서 센서의 출력이 작은 것으로 판단된 다리의 액추에이터에 동작신호를 보내는 동작단계를 포함하며;

   상기한 두 단계를 반복하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 인체 하지용 근력 보조 로봇의 보행제어 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 센서가 전대퇴부와 종아리 두 곳에 각각 부착되어, 상기 비교단계에서 두 개의 센서에서 측정된 값을 함께 비교하는 것을 특징으로 하는 인체 하지용 근력 보조 로봇의 보행제어 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 동작단계에서 액추에이터에 동작신호를 보내는 과정에서,

   상기 센서들이 부착된 부위의 근육들이 모두 활성화 된 것으로 판단될 때, 반대편 다리의 액추에이터에 동작신호를 보내는 것을 특징으로 하는 인체 하지용 근력 보조 로봇의 보행제어 시스템.
8. 제7항에 있어서,

   상기 비교단계에 앞서서, 센서의 출력값을 교정하는 교정단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 인체 하지용 근력 보조 로봇의 보행제어 시스템.

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