KR20130113062A

KR20130113062A - 힘토크 센서를 이용하여 사용자의 동작 의도를 추정하는 근력증강로봇 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20130113062A
Application number: KR1020120035351A
Authority: KR
Inventors: 김경환
Original assignee: 주식회사 엔티리서치; 주식회사 엔티메디; 김경환
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2013-10-15

Abstract

본 발명은 사용자의 동작 의도를 추정하여 자세 제어를 할 수 있는 근력증강로봇을 개시한다. 본 발명에 따르면 사용자의 손목, 발목, 허리, 가슴 등 신체의 동작이 일어나는 부분을 감싸는 구속기구와 상기 구속기구에 근접한 근력증강로봇의 골격요소의 사이에 설치된 힘토크센서를 사용하여 사용자의 동작으로 인해 발생하는 힘이나 토크의 변화를 직접 측정하고, 이를 이용하여 근력증강로봇의 각 팔 관절이나 다리 관절, 허리 관절 등을 제어하는 점에 특징이 있다.
본 발명에 따르면 사용자가 의도하는 동작을 인식하여 근력증강로봇의 동작을 보다 정밀하게 제어할 수 있다. 또한 근력증강로봇이 사용자의 동작을 따라 바로 움직이도록 제어하는 것이 가능해지므로 사용자는 근력증강로봇을 착용하고 있더라도 동작의 제한이 최소화 되어 더욱 자유스러운 동작이 가능해진다.

Description

힘토크 센서를 이용하여 사용자의 동작 의도를 추정하는 근력증강로봇 및 그 제어방법{Human power amplification robot estimating user's intension by force-torque sensor and control method thereof}

본 발명은 사람의 근력을 보조 또는 증강하기 위한 근력증강로봇에 관한 것으로서, 구체적으로는 힘토크센서를 이용하여 사용자의 동작의도를 추정하고 이를 통해 근력증강로봇의 동작을 제어하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 산업현장에서는 무거운 중량의 물체를 들어 옮기거나 들고 있는 상태를 장시간 유지해야 하는 경우가 많다. 이러한 작업은 여러 사람의 인력이 요구되거나 현장 상황에 따라 중장비나 기중기, 도르레 등의 보조장비가 사용되어야 하는 불편이 있다.

그러나 사람이 직접 작업할 경우에는 높은 작업강도로 인해 작업능률이 낮음은 물론이고 산업재해의 위험이 높은 문제가 있고, 보조장비를 사용할 경우에는 비교적 넓은 이동공간이나 설치공간이 필요하므로 사용범위가 제한적인 문제가 있다.

이러한 문제로 인해 최근에는 모터나 유/공압 실린더 등의 액츄에이터를 이용하여 추가적인 힘을 지원할 수 있는 근력증강로봇의 필요성이 대두되고 있다.

근력증강로봇은 액츄에이터에 의해 동작하는 관절기구를 사람이 착용하거나 탑승하여 사용하는 것으로서, 액츄에이터의 도움으로 사용자가 낼 수 있는 힘보다 훨씬 큰 힘을 낼 수 있도록 해주는 로봇을 말한다. 추가적으로 얻을 수 있는 힘이 작은 경우에는 근력보조로봇이라고도 한다.

그런데 이러한 근력증강로봇을 실제로 구현하기 위해서는 기구의 크기를 최소화하고 경량화 하면서도 높은 출력과 강성을 갖도록 해야 하는데, 이와 같은 상충되는 요구를 동시에 만족시키는 것이 쉽지 않은 문제가 있다. 그리고 사용자의 동작을 최대한 방해하지 않으면서 사용자가 의도하는 동작을 자연스럽게 수행하도록 제어하는 것이 특히 어려운 문제로 남아 있다.

근력증강로봇은 사용자의 신체에 근접하거나 접촉한 상태에서 사용자가 의도하는 동작을 할 수 있어야 한다. 근력증강로봇의 목적이 소수의 사람이 다수의 사람과 같은 힘을 내도록 지원하는 것이므로 좁은 공간에서도 쉽게 움직일 수 있어야 하기 때문이다.

근력증강로봇의 기본구조는 사용자의 신체를 감싸는 형태이거나, 사람의 각 관절과 나란히 움직일 수 있는 형태인 경우가 많은데, 이와 같이 사용자의 근접 거리에 로봇이 존재하면 사용자의 동작을 방해할 수 있다.

따라서 근력증강로봇은 사용자의 동작을 방해하지 않으면서 사용자의 동작을 인식하고 추정할 수 있어야 한다. 사용자는 본인이 원하는 동작을 하고, 근력증강로봇은 사용자의 근접거리에서 사용자의 동작을 추정하여 사용자의 동작을 지원하도록 작동할 수 있어야 한다. 근력증강로봇이 사용자와 근접한 거리에 존재하므로 원거리에서 사용자의 동작을 인식하는 방법은 바람직하지 않다.

근접한 거리에서 사용자의 동작을 인식하는 종래의 방법에는 사용자의 뇌파를 측정하여 제어에 사용하는 방법, 근전도 신호를 측정하여 근육의 움직임을 추정하는 방법, 근육의 경도 변화를 측정하여 근육의 움직임을 추정하는 방법 등이 있다.

그러나 이러한 방법은 사용자의 피부에 직접 센서를 접촉시켜야 하는데, 센서의 접촉상태나 사용자의 신체특징에 따라 측정치의 오차가 커서 근력증강로봇을 정밀하게 제어하기 어렵다는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 사용자의 동작 의도를 보다 정확하게 추정하여 근력증강로봇의 동작을 보다 자연스럽고 정밀하게 제어할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 다수의 골격요소를 포함하는 근력증강로봇에 있어서, 사용자의 신체를 감싸는 구속기구; 상기 구속기구와 상기 구속기구에 인접한 골격요소의 사이에 설치되는 힘토크센서; 상기 힘토크센서의 출력값을 이용하여 상기 인접한 골격요소에 대한 사용자의 동작 의도를 추정하고, 상기 추정된 의도에 따라 로봇의 자세를 제어하는 로봇제어부를 포함하는 근력증강로봇을 제공한다.

본 발명에 따른 근력증강로봇의 상기 구속기구는, 사용자의 손목을 구속하는 손목구속기구, 사용자의 손등을 구속하는 장갑형구속기구, 사용자의 발목을 구속하는 발목구속기구, 사용자의 무릎주변을 구속하는 무릎주변구속기구, 사용자의 발을 구속하는 신발형구속기구, 사용자의 허리를 구속하는 허리구속기구, 사용자의 등을 구속하는 등구속기구, 사용자의 가슴을 구속하는 가슴구속기구, 사용자의 어깨를 구속하는 어깨구속기구 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 근력증강로봇은 동작오류를 방지하기 위한 동작스위치를 포함하고, 상기 동작스위치가 온(on)된 경우에만 상기 로봇제어부가 상기 인접한 골격요소의 자세를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 본 발명은, 다수의 골격요소를 포함하는 근력증강로봇에 있어서, 사용자가 손으로 잡을 수 있는 손잡이; 상기 손잡이와 상기 손잡이에 인접한 골격요소의 사이에 설치되는 힘토크센서; 상기 힘토크센서의 출력값을 이용하여 상기 인접한 골격요소에 대한 사용자의 동작 의도를 추정하고, 상기 추정된 의도에 따라 로봇의 자세를 제어하는 로봇제어부를 포함하는 근력증강로봇을 제공한다.

본 발명에 따르면, 사용자의 손목, 발목, 허리, 가슴 등 신체의 동작이 일어나는 부분을 감싸는 구속기구와 상기 구속기구에 근접한 근력증강로봇의 골격요소의 사이에 설치된 힘토크센서에 의하여 사용자가 의도하는 동작을 인식하고, 이를 이용하여 근력증강로봇의 동작을 정밀하게 제어할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 근력증강로봇이 사용자의 동작을 따라 바로 움직이도록 제어하는 것이 가능해지므로 사용자는 근력증강로봇을 착용하고 있더라도 동작의 제한이 최소화 되어 더욱 자유스러운 동작이 가능해진다.

또한 근력증강로봇이 사용자가 원하는 방향 및 크기로 힘을 지원하므로 사용자가 실제 느끼는 하중이 더욱 즉각적으로 줄어들게 되는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면 근력증강로봇을 몇 개의 골격요소로 구분하여 소수의 힘토크센서만으로도 사용자의 동작 의도를 실제에 가깝게 추정하는 것이 가능해 진다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따라 손목구속기구와 골격요소의 사이에 힘토크센서가 설치된 경우를 나타낸 도면
도 2a 내지 도 2c는 각각 손잡이와 골격요소의 사이에 힘토크센서가 설치된 여러 경우를 나타낸 도면
도 3a 및 도 3b는 장갑형 구속기구와 골격요소의 사이에 힘토크센서가 설치된 경우를 나타낸 도면
도 4는 발목구속기구와 골격요소의 사이에 힘토크센서가 설치된 경우를 나타낸 도면
도 5는 신발형 구속기구와 골격요소의 사이에 힘토크센서가 설치된 경우를 나타낸 도면
도 6은 허리구속기구와 골격요소의 사이에 힘토크센서가 설치된 경우를 나타낸 도면
도 7은 등구속기구와 골격요소의 사이에 힘토크센서가 설치된 경우를 나타낸 도면
도 8은 가슴구속기구와 골격요소의 사이에 힘토크센서가 설치된 경우를 나타낸 도면
도 9는 어깨구속기구와 골격요소의 사이에 힘토크센서가 설치된 경우를 나타낸 도면

본 발명은 근력증강로봇의 여러 골격요소와 사용자의 신체를 구속하는 구속기구 또는 조작용 손잡이 사이에 힘토크센서(Force/Torque Sensor)를 설치하고, 이를 통해 사용자의 움직임을 추정하여 근력증강로봇의 동작을 제어하는 점에 특징이 있다.

힘토크센서는 사용자가 움직일 때 발생하는 힘의 크기와 방향을 측정하기 위한 것으로서, 3축 방향의 힘(Fx, Fy, Fz)과 3축 방향의 토크(Tx, Ty, Tz)를 측정할 수 있는 6축 힘토크센서인 것이 바람직하지만, 근력증강로봇의 자유도 숫자에 따라서는 일부 방향의 힘과 토크만을 측정하는 것이 사용될 수도 있다.

그리고 본 명세서에서 근력증강로봇의 골격요소는 모터, 공압/유압 실린더 등의 엑츄에이터에 의해 직접 또는 간접으로 회전운동을 하거나 직선운동을 하는 요소를 의미하는 것으로서, 근력증강로봇에서 흔히 사용되는 링크, 프레임, 엔드이펙터(end effector) 등을 의미할 수 있다. 또한 메인골격, 하지골격, 상지골격뿐만 아니라 사용자 보호, 구속기구 설치 등과 같은 보조적 기능을 위해 설치되는 것도 골격요소에 포함될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 이러한 힘토크센서를 사용자가 손으로 잡는 조작용 손잡이와 근력증강로봇의 골격요소의 사이에 설치하거나, 사용자의 인체(손, 팔, 다리, 허리, 가슴, 어깨 등)에 착용하는 구속기구와 근력증강로봇의 골격요소의 사이에 설치함으로써 사용자의 동작의도를 추정하고, 이를 이용하여 근력증강로봇의 동작을 제어한다.

즉, 힘토크센서에서 측정된 힘의 크기와 방향을 이용하여 대응하는 근력증강로봇의 골격요소의 방향과 속도 등을 산출하고, 이렇게 구해진 값을 해당 골격요소에서 발생하는 힘으로 치환하면, 일반적인 로봇 매니퓰레이터의 동역학식을 이용하여 근력증강로봇의 관절 제어에 필요한 데이터를 얻을 수 있다. 이를 위해서는 근력증강로봇의 각 관절의 기구적 특성, 관절의 각도, 관절의 운동 속도 등의 데이터와 관련 동역학프로그램이 미리 저장되어 있어야 함은 물론이다.

보다 구체적으로 설명하면, 일반적으로 힘토크센서는 직각좌표값으로 출력이 발생하므로 이를 이용하여 근력증강로봇의 각 관절을 제어하기 위해서는 근력증강로봇의 골격요소의 끝단의 위치 및 방향 변화량과 각 관절의 회전각 변화량 사이의 관계를 나타내는 인버스 자코비안(Inverse Jacobian)을 이용한다.

인버스 자코비안(Inverse Jacobian)을 이용하여 각 관절을 제어하는 방법은 다음과 같다.

먼저 힘토크센서가 장착된 위치와 제어할 근력증강로봇의 골격요소의 끝단은 반드시 일치하지 않는다. 따라서 센서의 출력값을 제어하고자 하는 골격요소의 끝단에 대응되는 값으로 변환하는 것이 필요하며, 예를 들어 다음의 수학식 1을 이용하여 해당 골격요소의 끝단에 대한 힘/토크로 변환할 수 있다.

여기서 α,β,γ는 힘토크센서와 근력증강로봇의 골격요소의 끝단 사이의 X, Y, Z축 변환 관계이며, c는 코사인함수, s는 사인함수를 나타낸다.

위 수학식 1을 이용하면 힘토크센서의 출력값은 제어하고자 하는 골격요소의 끝단에 부하되는 힘/토크로 변환되며, 다시 이 값은 순기구학식을 이용하여 근력증강로봇의 기준위치가 되는 베이스에 대한 힘토크로 계산될 수 있다. 즉, 힘토크센서의 출력값은 근력증강로봇의 베이스좌표계를 기준으로 변환될 수 있으며, 다음의 수학식 2는 그 관계식을 나타내는 동차변환행렬(

)을 나타낸 것이다.

여기서

는 센서값을 골격요소의 끝단에서의 툴(Tool)좌표로 변환하는 동차변환 행렬이고,

는 순기구학 식을 이용하여 구한 골격요소의 끝단과 로봇 베이스간의 관계식을 나타내는 동차변환행렬이다.

수학식 2로부터 구한 로봇 베이스의 힘/토크는 다시 각 관절의 액츄에이터에서 발생할 힘/토크로 계산되어야 하며, 이것은 인버스 자코비안(Inverse jacobian)을 이용하여 구할 수 있다. 자코비안(Jacobian)은 각 관절의 위치 변화량과 골격요소 끝단의 변화량의 관계식을 나타내며, 인버스 자코비안(Inverse jacobian)을 이용하면 끝단에 작용할 힘/토크를 로봇의 각 관절에 발생할 힘/토크로 계산할 수 있다.

결국, 근력증강로봇의 골격요소와 구속기구의 사이에 장착된 힘토크센서의 출력값은 센서와 골격요소의 끝단간의 좌표변환에 의해 골격요소 끝단에서 발생되는 힘/토크로 계산되고, 이렇게 계산된 힘/토크는 인버스 자코비안(Inverse Jacobian)을 통해 각 골격요소에 가해지는 힘/토크의 지령치로 산출된다. 이러한 힘/토크는 해당 관절의 구동장치 - 모터나 유압 실린더나 공압실린더와 같은 액츄에이터 - 가 발생해야 하는 힘에 해당한다.

한편 힘토크센서의 출력값과 실제 근력증강로봇의 관절구동부에 입력되는 토크 발생량이 반드시 동일해야 하는 것은 아니다. 각 관절에 가해지는 부하조건과 사용요건에 따라 더 높거나 낮은 토크가 발생하도록 근력증강로봇의 구조에 맞춘 전달함수를 사용하는 것도 가능하다.

이하에서는 도면을 참조하여 사용자 의도 추정을 위하여 근력증강로봇에 힘토크센서가 사용되는 구체적인 실시예를 설명한다.

먼저 도 1a 및 도 1b는 근력증강로봇의 팔 움직임에 대한 사용자 의도를 추정하기 위하여 손목구속기구(10)와 근력증강로봇의 골격요소(90)의 사이에 힘토크센서(100)를 설치한 경우를 나타낸 것이다.

손목구속기구(10)는 베이스(12), 베이스(12)에 회전 가능하게 결합되어 사용자의 손목을 둘러싸는 홀더부(14), 홀더부(14)를 잠금/해제 시키는 잠금수단(도면에는 나타내지 않았음)을 포함할 수 있다.

힘토크센서(100)는 손목구속기구(10)의 베이스(12)와 근력증강로봇의 골격요소(90) - 예, 로봇의 전완골격의 말단부 - 의 사이에 설치된다.

따라서 근력증강로봇의 손목구속기구(10)를 착용한 사용자가 의도하는 동작을 위하여 팔을 움직이면, 로봇제어부는 힘토크센서(100)에서 측정된 힘의 크기와 방향을 이용하여 사용자의 팔에 대응하는 근력증강로봇의 골격요소(90)를 실제로 움직이는데 필요한 힘의 방향과 속도를 산출하고, 이를 이용하여 해당 골격요소(90)를 구동시킨다.

한편 사용자의 의도하지 않은 동작으로 인한 오류나 사고를 방지하기 위해서는 동작스위치를 소정 위치에 설치하고, 동작스위치가 눌려진(on) 경우에만 힘토크센서(100)의 출력값을 이용하여 골격요소(90)를 제어하도록 설정하는 것이 바람직하다.

도 2a 내지 도 2c는 근력증강로봇의 팔 움직임에 대한 사용자의 의도를 추정하기 위한 다른 방법에 관한 것으로서, 사용자가 직접 손으로 조정할 수 있는 손잡이(20)와 근력증강로봇의 골격요소(90)의 사이에 힘토크센서(100)를 설치한 여러 경우를 나타내고 있다.

힘토크센서(100)는 손잡이(20)의 베이스 부분과 근력증강로봇의 골격요소(90) - 예, 로봇의 전완골격의 말단부 - 의 사이에 설치되어 사용자가 의도하는 힘의 크기와 방향을 측정하고, 로봇제어부는 이를 이용하여 사용자의 팔 대응하는 근력증강로봇의 골격요소(90)를 제어한다.

손잡이(20)에 장착된 힘토크센서(100)는 사용자가 손잡이(20)를 밀거나, 당기거나, 누르거나, 잡아 비트는 등의 힘과 방향을 측정할 수 있다.

이 경우에는 동작스위치(22)를 손잡이(20)에 설치하는 것이 바람직하며, 사용자가 동작스위치(22)를 눌렀을 때만 근력증강로봇이 동작하도록 하면 동작 오류를 방지할 수 있다.

도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이 하나의 손잡이(20)에 하나의 힘토크센서(100)만 장착할 수도 있으나, 보다 정확한 동작제어를 위하여 도 2c에 나타낸 바와 같이 하나의 손잡이(20)의 양단에 각각 힘토크센서(100)를 장착할 수도 있을 것이다.

도 3a 및 도 3b는 근력증강로봇의 팔 움직임에 대한 사용자 의도를 추정하기 위한 또 다른 방법에 관한 것으로서, 사용자의 손을 구속하는 장갑형 구속기구(30)와 근력증강로봇의 골격요소(90)의 사이에 힘토크센서(100)를 설치한 경우를 나타낸 것이다.

즉, 근력증강로봇의 전완골격의 끝부분에 사용자의 손을 끼울 수 있는 장갑형 구속기구(30)를 제공하고, 장갑형 구속기구(30)의 손등 부분과 근력증강로봇의 골격요소(90) - 예, 로봇의 전완골격의 말단부 - 의 사이에 힘토크센서(100)를 설치하였다.

장갑형 구속기구(30)는 사용자의 손가락에 자유도를 제공하면서 손목의 움직임만으로도 팔의 동작을 유도할 수 있는 장점이 있다. 특히, 도 1a에 나타낸 손목구속기구(10)는 손목의 운동을 감지하지 못하는데 반하여 장갑형 구속기구(30)는 사용자의 손등에서 운동을 감지하므로 손목의 운동을 포함한 팔의 운동을 추정할 수 있으므로 더욱 많은 자유도를 갖는 상지골격의 움직임을 제어하는데 특히 유용하다.

도 4는 근력증강로봇의 다리 움직임에 대한 사용자의 의도를 추정하는 방법에 관한 것이다. 이에 따르면 사용자의 발목을 감싸서 지지하는 발목구속기구(40)와 이에 인접한 근력증강로봇의 골격요소(90)의 사이에 힘토크센서(100)를 설치한다.

사용자가 보행을 위해 다리를 앞으로 들어올리거나, 앞으로 내리거나, 뒤로 들어올리거나 뒤로 내리거나, 혹은 옆 방향으로 꺾는 동작은 모두 발목에서 측정할 수 있다. 또한 다리를 구부려 앉거나 일어서는 동작은 발목에서의 상하방향의 힘이 최소화 되고 발목을 위아래로 꺾는 방향으로의 회전력이 증가하는 점을 이용해 추정할 수 있다.

따라서 발목구속기구(40)와 근력증강로봇의 골격요소(90) - 예, 로봇의 하퇴골격의 말단부 - 의 사이에 힘토크센서(100)를 설치하여, 사용자가 발을 움직일 때 힘토크센서(100)의 출력값을 이용하여 근력증강로봇의 하지골격을 사용자의 의도에 따라 움직이도록 제어할 수 있다.

한편 발목구속기구(40)를 근력증강로봇의 골격요소(90)의 사이에 힘토크센서(100)를 설치할 때는 발목과 근력증강로봇의 골격요소(90)가 많이 이격되는 경우를 대비하여 유연성 재질의 연결부재 또는 스프링 등의 탄성부재를 이용하여 설치할 수도 있다.

도 5는 근력증강로봇의 다리 움직임에 대한 사용자의 의도를 추정하는 다른 방법에 관한 것으로서, 사용자의 다리의 움직임을 발바닥에서의 힘과 토크의 변화를 이용하여 추정하는 방법이다.

구체적으로는 사용자의 발을 감싸는 신발형 구속기구(50)와 근력증강로봇의 골격요소(90)의 사이에 힘토크센서(100)를 설치한다. 신발형 구속기구(50)는 바닥부(51)와 바닥부(51)에 연결되어 사용자의 발등을 감싸는 덮개부(52)를 포함할 수 있다.

사용자가 앞으로 전진할 때는 무게 중심이 앞으로 이동하게 되므로 발바닥에 가해지는 힘의 방향과 위치가 이동하면서 발바닥면에서 발생하는 토크도 변화하게 된다. 이는 뒤로 걷거나 옆으로 걸을 때도 확인할 수 있다.

따라서 신발형 구속기구(50)의 바닥부(51)와 그 하부에 위치하는 근력증강로봇의 골격요소(90) - 예, 사용자가 발을 올려 놓는 발거치대(90a) - 의 사이에 힘토크센서(100)를 설치하면, 사용자의 발바닥에서 발생하는 힘과 토크의 변화를 측정해서 사용자의 의도하는 다리 움직임을 추정하고, 이를 이용하여 근력증강로봇의 하지골격의 움직임을 제어할 수 있다.

발거치대(90a)를 하퇴골격에 대응하는 골격요소(90)와 별도로 구동시킬 필요가 있는 경우에도 상기 힘토크센서(100)의 측정값을 이용할 수 있음은 물론이다.

한편 보행 중 로봇의 발바닥이 지면과 떨어지더라도 신발형 구속기구(50)의 바닥부(51)와 근력증강로봇의 발거치대(90a)의 사이에서는 힘과 토크의 변화가 계속 관측되므로 힘과 토크의 변화를 힘토크센서(100)를 이용하여 측정하고 이를 이용하여 근력증강로봇의 하지골격의 움직임을 제어할 수 있다.

전술한 여러 실시예는 사용자의 팔, 다리의 움직임을 이용하여 근력증강로봇의 상지골격이나 하지골격의 움직임에 대한 사용자의 의도를 추정하는 방법에 관한 것이다.

그런데 높이 차이가 있는 대상물의 이동, 작업자세의 변화 등이 필요한 경우에는 근력증강로봇의 허리부분에도 자유도가 요구된다. 근력증강로봇의 허리를 숙이거나 펴는 움직임은 사용자의 다리나 팔의 움직임만으로 추정하기가 어려우므로 이하에서는 근력증강로봇의 허리부분에 대한 사용자의 동작 의도를 추정하는 여러 방법을 설명한다.

구체적으로는 사용자의 허리 움직임에 따른 힘토크의 변화를 허리 부근에서 직접적으로 측정하거나, 등, 가슴, 어깨 등에서 간접적으로 측정하여 사용자의 의도를 추정하여 근력증강로봇의 동작을 제어한다. 사용자의 허리에 변위가 발생하면 사용자의 등, 가슴, 어깨 부분의 변위도 매우 커지므로 등, 가슴 또는 어깨에서 힘과 토크의 변화를 측정하여 허리 움직임을 충분히 유효하게 추정할 수 있다.

먼저 도 6은 사용자의 허리를 감싸는 허리구속기구(60)와 근력증강로봇의 골격요소(90)의 사이에 힘토크센서(100)가 설치된 경우를 나타낸 것이다. 이때 근력증강로봇의 골격요소(90)는 사용자의 등 뒤에 위치하면서 기구의 하중을 지탱하는 메인골격에 해당될 수 있다.

따라서 사용자가 허리를 굽히거나 펴는 동작을 함에 따라 힘토크센서(100)에서 힘과 토크의 변화가 감지되면, 로봇 제어부는 이를 이용하여 근력증강로봇의 골격요소(90)를 사용자가 의도한 대로 움직이기 위한 방향 및 자세를 추정한다.

도 7은 근력증강로봇의 허리부분에 대한 사용자의 동작 의도를 추정하는 다른 방법을 나타낸 것으로서, 사용자의 등을 감싸는 등 구속기구(70)와 근력증강로봇의 골격요소(90)의 사이에 힘토크센서(100)를 설치하여 사용자의 허리움직임에 대한 방향, 자세 등을 추정하고 이를 이용하여 근력증강로봇의 움직임을 제어할 수 있다. 여기서 근력증강로봇의 골격요소(90)는 사용자의 등 뒤에 위치하면서 기구의 하중을 지탱하는 메인골격에 해당될 수 있다.

도 8은 근력증강로봇의 허리부분에 대한 사용자의 동작 의도를 추정하는 또 다른 방법을 나타낸 것으로서, 사용자의 가슴을 감싸는 가슴구속기구(80)와 근력증강로봇의 골격요소(90)의 사이에 힘토크센서(100)를 설치하여 사용자의 허리움직임에 대한 방향, 자세 등을 추정하고 이를 이용하여 근력증강로봇의 움직임을 제어할 수 있다. 여기서 근력증강로봇의 골격요소(90)는 사용자의 가슴 앞쪽까지 연장된 골격으로서, 힘토크센서(100)는 사용자의 가슴 앞쪽에서 가슴구속기구(80)와 골격요소(90)의 사이에 설치되는 것이 바람직하다.

도 9는 근력증강로봇의 허리부분에 대한 사용자의 동작 의도를 추정하는 또 다른 방법을 나타낸 것으로서, 사용자의 어깨를 감싸는 어깨구속기구(82)와 근력증강로봇의 골격요소(90)의 사이에 힘토크센서(100)를 설치하여 사용자의 허리움직임에 대한 방향, 자세 등을 추정하고 이를 이용하여 근력증강로봇의 움직임을 제어할 수 있다. 여기서 근력증강로봇의 골격요소(90)는 사용자의 어깨 위쪽 또는 주변에 위치하는 골격인 것이 바람직하다.

이와 같이 허리구속기구(60), 등구속기구(70), 가슴구속기구(80) 또는 어깨구속기구(82)와 근력증강로봇의 골격요소(90)의 사이에 설치된 힘토크센서(100)로부터 추정된 값을 이용하여 근력증강로봇의 허리관절을 독립적으로 제어할 수도 있고, 로봇의 기구적 특성에 따라서는 상지골격이나 하지골격 등의 다른 관절의 동작을 제어하여 사용자의 의도대로 근력증강로봇을 제어할 수도 있다.

한편 힘토크센서(100)가 설치되는 등구속기구(70), 가슴구속기구(80) 또는 어깨구속기구(82)는 근력증강로봇을 사용하기 위해 상체에 착용하는 구속기구를 편의상 분류한 것이며, 상체에 착용하는 하나의 구속기구 형태로 제공될 수도 있고 각각 별개의 구속기구로 제공될 수도 있다.

또한 힘토크센서(100)는 전술한 위치에 모두 설치될 수도 있고, 필요에 따라서는 몇 개의 힘토크센서(100)만을 설치하여 사용자의 동작 의도를 추정할 수도 있다.

또한 힘토크센서(100)의 설치 위치가 전술한 장소에 국한되는 것도 아니다. 예를 들어 앞에서는 사용자의 다리 움직임을 추정하기 위하여 사용자의 발목/발바닥과 골격요소의 사이에 힘토크센서(100)를 설치하였다. 그런데 힘토크센서(100)를 발목에 설치하면 보행동작을 추정할 수는 있어도 앉거나 일어서는 자세에 대한 의도를 추정하기는 쉽지 않다. 따라서 사용자의 무릎 부근에 힘토크센서(100)를 설치하여 무릅관절부근의 토크 변화나 압력 변화를 측정하여 동작 의도를 추정하는 것도 가능하다. 이를 위해서는 사용자의 무릎주변을 감싸는 구속기구를 설치하고, 상기 구속기구와 인접한 골격요소의 사이에 힘토크센서(100)를 설치하면 된다.

한편 본 발명은 힘토크센서(100)를 동작을 의도하는 골격요소(90)에 근접 설치하여 사용자의 팔이나 다리, 허리 등의 동작 의도를 추정하는 것이다.

그런데 힘토크센서(100)에 의해 측정되는 힘과 토크의 자유도 배치와 실제 근력증강로봇의 자유도가 맞지 않는 경우에는 사용자의 동작 의도를 정확히 반영하지 못할 수도 있다. 예를 들어 힘토크센서의 최대 측정 자유도인 6자유도보다 높은 7자유도의 근력증강로봇의 상지골격을 제어할 경우에는 팔꿈치 관절부분이 사용자의 팔의 자세와 다른 방향으로 꺾이는 등의 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제는 힘토크센서(100)를 다수 사용하거나, 추가적인 외부 센서를 사용하거나, 프로그램을 통해 자세에 따른 관절의 동작 방향, 범위를 제한함으로써 방지할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다 할 것이다.

10: 손목구속기구 20: 손잡이
22: 동작스위치 30: 장갑형 구속기구
40: 발목구속기구 50: 신발형 구속기구
60: 허리구속기구 70: 등구속기구
80: 가슴구속기구 82: 어깨구속기구
90: 골격요소 100: 힘토크센서

Claims

다수의 골격요소를 포함하는 근력증강로봇에 있어서,
사용자의 신체를 감싸는 구속기구;
상기 구속기구와 상기 구속기구에 인접한 골격요소의 사이에 설치되는 힘토크센서;
상기 힘토크센서의 출력값을 이용하여 상기 인접한 골격요소에 대한 사용자의 동작 의도를 추정하고, 상기 추정된 의도에 따라 로봇의 자세를 제어하는 로봇제어부
를 포함하는 근력증강로봇
제1항에 있어서, 상기 구속기구는,
사용자의 손목을 구속하는 손목구속기구,
사용자의 손등을 구속하는 장갑형구속기구,
사용자의 발목을 구속하는 발목구속기구,
사용자의 무릎주변을 구속하는 무릎주변구속기구,
사용자의 발을 구속하는 신발형구속기구,
사용자의 허리를 구속하는 허리구속기구,
사용자의 등을 구속하는 등구속기구,
사용자의 가슴을 구속하는 가슴구속기구,
사용자의 어깨를 구속하는 어깨구속기구
중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 근력증강로봇
제1항에 있어서,
동작오류를 방지하기 위한 동작스위치를 포함하고, 상기 동작스위치가 온(on)된 경우에만 상기 로봇제어부가 상기 인접한 골격요소의 자세를 제어하는 것을 특징으로 하는 근력증강로봇
다수의 골격요소를 포함하는 근력증강로봇에 있어서,
사용자가 손으로 잡을 수 있는 손잡이;
상기 손잡이와 상기 손잡이에 인접한 골격요소의 사이에 설치되는 힘토크센서;
상기 힘토크센서의 출력값을 이용하여 상기 인접한 골격요소에 대한 사용자의 동작 의도를 추정하고, 상기 추정된 의도에 따라 로봇의 자세를 제어하는 로봇제어부
를 포함하는 근력증강로봇
제4항에 있어서,
상기 손잡이에는 동작오류를 방지하기 위한 동작스위치가 설치되고, 상기 동작스위치가 온(on)된 경우에만 상기 로봇제어부가 상기 인접한 골격요소의 자세를 제어하는 것을 특징으로 하는 근력증강로봇
다수의 골격요소와, 사용자의 신체를 감싸는 구속기구와, 상기 구속기구와 상기 구속기구에 인접한 골격요소의 사이에 설치되는 힘토크센서를 포함하는 근력증강로봇의 동작을 제어하는 방법에 있어서,
(a) 사용자가 상기 구속기구를 착용한 상태에서 움직이면, 상기 구속기구에 연결된 상기 힘토크센서가 힘 또는 토크의 변화를 검출하는 단계;
(b) 상기 인접한 골격요소의 자세를 사용자의 의도대로 제어하기 위하여, 상기 힘토크센서의 출력값을 이용하여 상기 다수 골격요소의 방향과 속도에 대한 데이터를 산출하는 단계;
(c) 상기 (b)단계에서 산출된 데이터를 이용하여 상기 근력증강로봇을 동작시키는 단계
를 포함하는 근력증강로봇의 제어 방법
다수의 골격요소와, 사용자가 손으로 잡을 수 있는 손잡이와, 상기 손잡이와 상기 손잡이에 인접한 골격요소의 사이에 설치되는 힘토크센서를 포함하는 근력증강로봇의 동작을 제어하는 방법에 있어서,
(a) 사용자가 상기 손잡이를 잡아서 움직이면, 상기 구속기구에 연결된 상기 힘토크센서가 힘 또는 토크의 변화를 검출하는 단계;
(b) 상기 인접한 골격요소의 자세를 사용자의 의도대로 제어하기 위하여, 상기 힘토크센서의 출력값을 이용하여 상기 다수 골격요소의 방향과 속도에 대한 데이터를 산출하는 단계;
(c) 상기 (b)단계에서 산출된 데이터를 이용하여 상기 근력증강로봇을 동작시키는 단계
를 포함하는 근력증강로봇의 제어 방법
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 단계 (b)는,
(b-1) 상기 힘토크센서의 출력값을 상기 인접한 골격요소의 끝단에 대한 힘과 토크의 값으로 변환하는 단계;
(b-2) 상기 (b-1)단계에서 변환된 값을 다시 상기 근력증강로봇의 기준좌표계에 대한 힘과 토크의 값으로 변환하는 단계;
(b-3) 상기 (b-2)단계에서 변환된 값을 이용하여 상기 다수의 골격요소를 구동하는 구동장치에서 발생할 힘과 토크를 산출하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 근력증강로봇의 제어방법