KR20130061786A - 착용식 로봇의 제어방법 - Google Patents

Abstract

착용자가 로봇에 가하는 작동힘에 일정 증폭비를 곱하여 로봇의 끝단에서 물체를 지지하기 위한 지지힘을 구하고, 로봇의 끝단에 가상의 질량-댐퍼-스프링 모델을 적용함으로써 로봇의 끝단이 물체를 들어올리는데 필요한 구동힘을 가상의 스프링-댐퍼 모델로 도출하고 이를 자코비안 트랜스포즈를 통해 로봇의 각 관절에서의 필요토크로 분배하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 제어방법이 소개된다.

Description

착용식 로봇의 제어방법 {METHOD FOR CONTROLLING WEARABLE ROBOT}

본 발명은 착용자의 의도가 작동힘으로 로봇 끝단에 반영되어 이에 순응하여 끝단이 구동되도록 할 수 있는 착용식 로봇의 제어방법에 관한 것이다.

기존의 착용식 근력지원 로봇은 착용자의 신체에 근전도(EMG) 센서를 부착하여 착용자의 동작의도 신호를 근육의 수축과 이완으로 판단하여 로봇 제어기에 보내어 액추에이터를 구동하는 데에 사용하여 왔다. 즉, 착용자의 근육이 위치하는 지점마다 각각 센서를 부착하고, 이를 통해 각각의 근육의 움직임으로 로봇의 각 관절을 제어하였던 것이다.

그러나 기존의 방식은 착용자가 움직이는 경우, 근전도 센서가 신체와 정확하게 밀착되지 않아 착용차의 동작의도 신호가 왜곡되는 현상이 빈번하게 발생하는 단점이 있었다. 또한, 각각의 근육에 따라 각각의 로봇 관절을 제어할 경우 최종적으로 로봇의 끝단에서는 오차가 누적되어 제대로 된 제어결과가 나타나지 않는 문제가 있었다.

즉, 착용자의 의도와는 다르게 로봇이 작동하여 이질감이 느껴지고, 각각의 관절마다 센서를 부착하고 계산을 수행해야 하는바 제작비용이 비싸고 연산과정이 복잡하다는 문제가 있었던 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 착용자의 의도에 따라 착용식 근력지원 로봇이 동작하도록 제어하며, 착용자의 힘은 로봇에 전달되고 로봇을 통해 전달된 힘이 증폭되도록 하는 착용식 로봇의 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 착용식 로봇의 제어방법은, 착용자가 로봇에 가하는 작동힘에 일정 증폭비를 곱하여 로봇의 끝단에서 물체를 지지하기 위한 지지힘을 구하고, 로봇의 끝단에 가상의 질량-댐퍼-스프링 모델을 적용함으로써 로봇의 끝단이 물체를 들어올리는데 필요한 구동힘을 가상의 스프링-댐퍼 모델로 도출하고 이를 자코비안 트랜스포즈를 통해 로봇의 각 관절에서의 필요토크로 분배하도록 한다.

상기 지지힘은 하기의 식으로 표현될 수 있다.

상기 구동힘은 하기의 식으로 표현될 수 있다.

상기 로봇의 각 관절에서의 필요토크는, 로봇의 끝단을 가상의 스프링-댐퍼 모델로 표현하고 이에 상기 구동힘을 반영한 후 자코비안 트랜스포즈를 통해 분배되도록 할 수 있다.

상기 로봇의 끝단에 적용된 가상의 스프링-댐퍼 모델에는 중력에 의한 처짐량이 반영될 수 있다.

상기 로봇의 각 관절에서의 필요토크는 하기의 식으로 표현될 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 착용식 로봇의 제어방법에 따르면, 기존의 제어방법과 같이 각 관절에 목적 운동값을 주어 끝단을 제어하는 방법에 비해, 착용자의 의도가 작동힘으로써 로봇 끝단에 반영되어 이에 순응하여 끝단이 구동되도록 할 수 있으며, 일정한 증폭비를 가지고 로봇이 구동되도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 로봇의 제어방법의 질량-스프링-댐퍼 모델을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 로봇의 제어방법의 스프링-댐퍼 모델을 나타낸 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 착용식 로봇의 제어방법에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 로봇의 제어방법의 질량-스프링-댐퍼 모델을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 로봇의 제어방법의 스프링-댐퍼 모델을 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 착용식 로봇의 제어방법은, 착용자가 로봇에 가하는 작동힘에 일정 증폭비를 곱하여 로봇의 끝단에서 물체를 지지하기 위한 지지힘을 구하고, 로봇의 끝단에 가상의 질량-댐퍼-스프링 모델을 적용함으로써 로봇의 끝단이 물체를 들어올리는데 필요한 구동힘을 가상의 스프링-댐퍼 모델로 도출하고 이를 자코비안 트랜스포즈를 통해 로봇의 각 관절에서의 필요토크로 분배하도록 하는 것이다.

본 발명의 제어방법에 따르면, 로봇의 끝단에서 물체를 들어올리기 위해 착용자는 로봇의 끝단에 설치된 센서에 힘을 가하도록 한다. 센서에서는 착용자가 가하는 힘을 측정하고 이에 일정한 증폭비를 곱하여 실제 로봇의 끝단에서 해당지점에서 물체를 지지하기 위한 지지힘을 구한다. 이를 식으로 나타내면 하기와 같다.

상기 식에서 볼 수 있듯이, 착용자의 센서에 가하는 작동힘(F_h)은 이에 증폭비(Q)가 곱해져 결국 로봇의 끝단에서 물체를 지지하는 지지힘(F_T)으로 나타난다.

그리고 이러한 로봇의 끝단에는 도 1에서와 같이 질량-스프링-댐퍼 모델이 적용되어 상기 수학식 1과 같이 표현될 수 있는 것이다.

즉, 착용자가 센서에 가하고 있는 작동힘을 통해 물체를 지지하는 로봇의 지지힘이 표현되고, 상기 미분방정식에서

을 구하도록 한다.

그리고

을 통해 로봇의 끝단에 스프링-댐퍼 모델을 적용한다. 이에 관한 수학식은 아래와 같다.

상기 F_e는 로봇의 끝단에서 물체를 이동시키거나 들어올리기 위한 구동힘으로써, 가상의 스프링상수와 댐핑계수로 표현되는 것이다.

이와 같이 도출된 스프링-댐퍼 모델은 로봇의 구동을 위한 모델로서 자코비안 트랜스포즈를 통해 로봇의 관절에 필요한 각각의 필요토크로 분배되어 적용된다. 로봇의 관절에서는 이와 같이 분배된 필요토크에 따라 모터를 구동함으로써 결국 착용자가 의도한 대로 로봇의 끝단이 물체를 들어올리는 것이다.

구체적으로, 로봇의 끝단은 물체가 없다고 가정할 경우 하기의 식과 같이 스프링-댐퍼 모델이 적용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용식 로봇의 제어방법의 스프링-댐퍼 모델을 나타낸 도면으로서, 상기 식은 착용식 로봇을 다자유도의 방식으로 제어하는 개념을 나타내는 것이다. 착용식 로봇의 끝단에서 물체를 들고 있지 않다는 가정하에 움직임을 표현할 경우에 필요한 가상의 힘을 F로 표현한 것이다(도 2의 모델링 도면 함께 참조). 이러한 F의 힘은 가상의 스프링-댐퍼 모델을 통해

와 같이 표현될 수 있다. 이는 다시 자코비안 트랜스포즈를 통해 각각의 관절마다 필요한 토크로 도출될 수 있다.

또한, 각 관절에는 각각 스프링-댐퍼 모델로 구현된 토크가 존재하고, 이를 끝단에서 분배된 토크와 가산되며, 더욱이 분배되는 필요토크에는 중력에 의한 로봇의 처짐량 g(q)을 부가하도록 하여, 로봇이 안정적으로 원하는 위치로 이동할 수 있도록 하는 것이다.

즉, 상기 로봇의 각 관절에서의 필요토크는, 로봇의 끝단을 가상의 스프링-댐퍼 모델로 표현하고 이에 상기 구동힘을 반영한 후 자코비안 트랜스포즈를 통해 분배되도록 할 수 있으며, 로봇의 끝단에 적용된 가상의 스프링-댐퍼 모델에는 중력에 의한 처짐량이 반영될 수 있는 것이다.

이러한 과정을 통해 상기 로봇의 각 관절에서의 필요토크는 하기의 수학식 4와 같은 과정을 거쳐 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.

상기 식에서는 로봇의 끝단에 필요한 구동힘이 반영되어 본래 로봇의 구동에 필요한 기본적인 힘과 함께 각각의 관절로 필요토크로서 분배됨을 알 수 있다. 따라서, 이러한 본 발명의 로봇 제어방법을 이용하면, 기존의 제어방법과 같이 각 관절에 목적 운동값을 주어 끝단을 제어하는 방법에 비해, 착용자의 의도가 작동힘으로써 로봇 끝단에 반영되어 이에 순응하여 끝단이 구동되도록 할 수 있으며, 일정한 증폭비를 가지고 로봇이 구동되도록 할 수 있는 것이다. 또한, 증폭비를 변화시킴으로써 착용자가 느껴지는 로봇에 의한 저항력을 적절하게 조절할 수 있는 장점도 있는 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (6)

1. 착용자가 로봇에 가하는 작동힘에 일정 증폭비를 곱하여 로봇의 끝단에서 물체를 지지하기 위한 지지힘을 구하고, 로봇의 끝단에 가상의 질량-댐퍼-스프링 모델을 적용함으로써 로봇의 끝단이 물체를 들어올리는데 필요한 구동힘을 가상의 스프링-댐퍼 모델로 도출하고 이를 자코비안 트랜스포즈를 통해 로봇의 각 관절에서의 필요토크로 분배하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 제어방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 지지힘은 하기의 식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 제어방법.
   

   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 구동힘은 하기의 식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 제어방법.
   

   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 로봇의 각 관절에서의 필요토크는, 로봇의 끝단을 가상의 스프링-댐퍼 모델로 표현하고 이에 상기 구동힘을 반영한 후 자코비안 트랜스포즈를 통해 분배되는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 제어방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 로봇의 끝단에 적용된 가상의 스프링-댐퍼 모델에는 중력에 의한 처짐량이 반영된 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 제어방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 로봇의 각 관절에서의 필요토크는 하기의 식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 제어방법.
   

   

Images