KR20140005415A - 착용형 로봇 및 이를 이용한 착용자의 보행 의도 판단 방법 - Google Patents

착용형 로봇 및 이를 이용한 착용자의 보행 의도 판단 방법 Download PDF

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Abstract

착용형 로봇 및 이를 이용한 착용자의 보행 의도 판단 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 로봇은, 착용자에 의해 착용되는 착용형 로봇으로서, 한 쌍의 다리부재와, 이러한 다리부재 각각의 단부에 발목관절축을 매개로 회동 가능하게 겹합된 발 부재와, 이러한 발 부재에 설치되어 상기 발 부재의 각속도를 측정하는 속도 측정 센서와, 이러한 속도 측정 센서로부터 제공되는 정보를 이용하여 착용자의 보행 의도를 판단하는 제어부를 포함한다.

Description

착용형 로봇 및 이를 이용한 착용자의 보행 의도 판단 방법{WEARABLE ROBOT AND METHOD FOR DETERMINING THE ROBOT WEARER'S WALKING PATTERN USING THE SAME}
본 발명은 착용형 로봇 및 이를 이용한 착용자의 보행 의도 판단 방법에 관한 것이다.
로봇을 이용하여 다양한 작업을 수행하기 위한 많은 연구가 진행되고 있으며, 특히 로봇 기술이 발달함에 따라 인체에 착용되어 인체의 근력을 지원하는 착용형 로봇이 개발되고 있다.
일반적으로, 이러한 근력 지원을 위한 인체 착용형 로봇은 착용자가 움직이고자 하는 동기 정보를 받아 구동하도록 형성되며, 구동력 확보를 위한 모터나 유압실린더 등이 로봇에 구비된다.
이러한 착용형 로봇이 착용자의 보행에 맞춰 자연스럽게 작동하기 위해서는 착용형 로봇의 발바닥에 다수의 압력 센서 또는 접촉 스위치 센서를 설치하고 이러한 센서에서 수집되는 정보를 이용하여 로봇의 발바닥과 지면 사이의 접촉 상태 등에 대한 정보를 획득한다.
그러나 이러한 종래의 압력 센서 또는 접촉 스위치 센서를 이용한 방식은 보행 단계를 구분하기 위해서는 다수의 센서를 사용해야 하며, 발바닥면 쪽에 배치해야 된다. 이에 따라, 지면 상태에 의해 센서가 손상 될 수 있으며, 배치 상 제한을 받는 한계가 있다.
한국공개특허공보 제2011-0083144호
본 발명의 실시예들은 착용자의 보행 중 보행 의도를 파악하여 로봇을 보행 동작을 보다 정확하게 제어할 수 있는 착용형 로봇을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 착용자에 의해 착용되는 착용형 로봇으로서, 한 쌍의 다리부재와; 상기 다리부재 각각의 단부에 발목관절축을 매개로 회동 가능하게 겹합된 발 부재와; 상기 발 부재에 설치되어 상기 발 부재의 각속도를 측정하는 속도 측정 센서와; 상기 속도 측정 센서로부터 제공되는 정보를 이용하여 상기 착용자의 보행 의도를 판단하는 제어부를 포함하는 착용형 로봇이 제공된다.
상기 속도 측정 센서는, 상기 발 부재가 상기 발목관절축을 기준으로 시계방향(+)으로 회전하는 경우와 영방향(0)인 경우와 반시계방향(-)으로 회전하는 경우를 측정할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 착용형 로봇을 착용한 착용자의 보행 의도를 판단하는 방법으로서, 상기 착용형 로봇의 발 부재 각각에 설치된 속도 측정 센서를 이용하여 상기 발 부재 각각의 현재 각속도를 측정하는 단계와; 상기 속도 측정 센서로부터 제공되는 정보를 이용하여 상기 착용자의 보행 의도를 판단하는 단계를 포함하는, 착용자의 보행 의도 판단 방법이 제공된다.
상기 속도 측정 센서는, 상기 발 부재가 발목관절축을 기준으로 시계방향(+)으로 회전하는 경우와 영방향(0)인 경우와 반시계방향(-)으로 회전하는 경우를 측정할 수 있다. 상기 발 부재가 시계방향(+)으로 회전하는 경우 또는 영방향(0)인 경우는 상기 발 부재가 지면과 접촉된 상태로 판단하고, 상기 발 부재가 반시계방향(-)으로 회전하는 경우는 상기 발 부재가 지면과 떨어져 허공에 위치한 상태로 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 다리부재와 발 부재 사이의 발목관절축을 기준으로 축회전하는 발 부재의 각속도를 측정함으로써, 착용자의 보행 중 보행 의도를 실시간으로 파악하고 이로부터 제공되는 정보를 이용하여 로봇을 보행 동작을 보다 정확하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 로봇을 개략적으로 나타낸 측면도와 정면도.
도 2와 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 로봇을 이용한 착용자의 보행 의도 판단 방법에서 착용자의 보행 의도를 판단하는 원리를 개략적으로 설명한 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 착용형 로봇 및 이를 이용한 착용자의 보행 의도 판단 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 로봇을 개략적으로 나타낸 측면도와 정면도이며, 도 2와 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용형 로봇을 이용한 착용자의 보행 의도 판단 방법에서 착용자의 보행 의도를 판단하는 원리를 개략적으로 설명한 도면이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 착용형 로봇(100)은, 한 쌍의 다리부재(110)와, 이러한 다리부재(110) 각각의 단부에 발목관절축(Z)을 매개로 회동 가능하게 겹합된 발 부재(120)와, 이러한 발 부재(120)에 설치되어 상기 발 부재(120)의 각속도를 측정하는 속도 측정 센서(130)와, 이러한 속도 측정 센서(130)로부터 제공되는 정보를 이용하여 착용자의 보행 의도를 판단하는 제어부(미도시)를 포함한다.
이와 같은 본 실시예에 따르면, 발목관절축(Z)을 기준으로 축회전하는 발 부재(120)의 각속도를 측정함으로써, 착용자의 보행 중 보행 의도를 실시간으로 파악하고 이로부터 제공되는 정보를 이용하여 로봇을 보행 동작을 보다 정확하게 제어할 수 있다.
특히, 속도 측정 센서(130)를 발목관절축(Z)으로부터 이격되게 발 부재(120)의 소정 부분에 설치함으로써, 종래와 같이 복수개의 센서를 발바닥에 설치함에 따라 발바닥에 가해지는 충격으로 인해 센서 등이 파손되는 등의 문제를 해결할 수 있다.
또한, 속도 측정 센서(130)를 발 부재(120)의 저면(즉, 발바닥)에 장착할 필요가 없어짐에 따라, 결과적으로 미려한 외관을 제공할 수 있으며 사용되는 자재 등을 절감할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 실시예에 따른 착용형 로봇(100)의 각 구성 및 이를 이용한 착용자의 보행 의도 판단 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 착용형 로봇(100)은 사람에 의해 착용되는 착용형 로봇으로서, 본 실시예에서는 인체의 하반신에 착용되어 착용자의 근력을 지원하는 역할을 하는 착용형 로봇일 수 있다.
본 실시예에서는 도 1에 도시된 착용형 로봇(100)이 착용자의 근력을 지원하는 착용형 로봇으로 도시되고 있으나, 착용형 로봇(100)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 인간의 형상을 가진 로봇 등 다양한 로봇 형태를 모두 포함하는 개념이다.
이러한 로봇(100)의 다리부재(110)는, 착용자의 하반신 운동이 자연스럽게 구현될 수 있도록 도 1에 도시된 바와 같이 다수개의 부재가 관절을 매개로 회동 가능하게 결합되어 형성될 수 있다.
발 부재(120)는 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 부재로 구성된 다리부재(110)의 단부에 회동 가능하게 결합되어 착용형 로봇(100)을 지지하는 부재이다. 이러한 발 부재(120)은 착용형 로봇(100)을 착용하는 사람의 발 형상에 상응하여 형성될 수 있으며, 도시된 예 외에도 그 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
본 실시예에서는, 이러한 발 부재(120)와 상술한 다리부재(110)의 단부가 서로 회동 가능하게 결합되는 발목관절(112) 부분에 회전축의 중심이 되는 발목관절축(Z)이 위치하며, 발 부재(120)는 이러한 발목관절축(Z)을 중심으로 다리부재(110)에 대해 회전할 수 있다.
속도 측정 센서(130)는 도 1에 도시된 바와 같이 발목관절축(Z)으로부터 소정 거리(본 실시예의 경우, 반지름 r을 지칭함) 이격되도록 예를 들어 발 부재(120)의 단부에 설치될 수 있다. 그러나, 속도 측정 센서(130)의 설치 위치는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 속도 측정 센서(130)가 발목관절축(Z)으로부터 소정 거리 이격될 수 있다면 필요에 따라 발 부재(120)의 다양한 위치에 설치될 수 있다.
속도 측정 센서(130)는 발목관절축(Z)을 기준으로 회전하는 발 부재(120)의 각속도를 측정하기 위한 장치이다. 즉, 속도 측정 센서(130)는 매 순간마다의 발 부재(12)의 각속도를 측정함으로써, 발목관절축(Z)을 기준으로 회전운동하는 발 부재(120)의 속도방향을 알 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 매 순간마다의 각속도 방향을 측정함으로써, 각각의 발 부재(120)가 지면과 접촉된 상태인지 또는 지면과 떨어져 허공에 위치한 상태인지 등을 알 수 있다.
본 실시예의 경우, 속도 측정 센서(130)는 회전축을 중심으로 원운동을 하는 물체(본 실시예의 경우, 발 부재(130)를 지칭함)의 단위 시간당 움직인 거리를 측정하여 상기 물체의 선속도(v)를 측정한 후 알고 있는 선속도(v)를 이용하여 상기 물체의 각속도(w)를 계산해낼 수 있다. 이러한 선속도(v)와 각속도(w)를 계산하는 식은 공지된 것으로서 본 실시예에서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
참고로, 각속도는 원운동을 하는 물체의 단위 시간당 움직인 각으로서, 이러한 각속도를 측정함으로써 발목관절축(Z)을 중심으로 회전하는 발 부재(120)의 속도방향을 알 수 있다. 즉, 발 부재(120)이 시계방향(이하 본 실시예에서는 +로 표시함)으로 회전하는지 또는 영 방향(이하 본 실시예에서는 0으로 표시함)인지 또는 반시계방향(이하 본 실시예에서는 -로 표시함)으로 회전하는지를 알 수 있다(도 2 참조).
사람이 보행할 때의 발의 움직임을 살펴보면, 도 2에 도시된 바와 같이, 발이 지면에 닿을 때는 발뒤꿈치가 발앞꿈치보다 지면에 가깝도록 밑에 위치하게 되며, 그 발이 발뒤꿈치에 의해 지면에 지지되는 동안 발앞꿈치가 발뒤꿈치보다 밑으로 내려오게(즉, 시계방향(+)으로) 움직인다. 반대로, 발이 지면에서 이격될 때는 발뒤꿈치보다 밑으로 내려가던 발앞꿈치(즉, 시계방향(+)으로 회전하던 발앞꿈치)가 발뒤꿈치를 기준으로(즉, 발목관절축을 기준으로) 반시계방향(-)으로 회전하게 된다.
속도 측정 센서(130)는 도 2에 도시된 바와 같이 이러한 동작들을 구분할 수 있도록, 발 부재(120)가 발목관절축(Z)을 기준으로 시계방향(+)으로 회전하는 경우와 영방향(0)인 경우와 반시계방향(-)으로 회전하는 경우를 측정할 수 있다.
제어부(미도시)는, 왼발 및 오른발 부재(120) 각각에 설치된 속도 측정 센서(130)로부터 매 순간 제공되는 이러한 정보를 이용하여 예를 들어 도 3에 도시된 기준에 따라 착용자의 보행 의도를 파악할 수 있다.
구체적으로 제어부는, 상술한 속도 측정 센서(130)로부터 매 순간 제공되는 정보를 통해, 도 3에 도시된 바와 같이 발 부재(120)가 시계방향(+)으로 회전하는 경우나 영방향(0)인 경우는 발 부재(120)가 지면과 접촉된 상태로 판단하고, 발 부재(120)가 반시계방향(-)으로 회전하는 경우는 발 부재(120)가 지면과 떨어져 허공에 위치한 상태로 판단할 수 있다.
도 3을 참조하여 이를 보다 구체적으로 설명하면, 왼발 및 오른발 부재(120) 각각에 설치된 속도 측정 센서(130)로부터 측정된 속도방향이 모두 영방향(0)인 경우는 양쪽 발 부재(120)가 모두 지면과 접촉된 상태로 판단할 수 있다.
그리고, 사람이 보행할 때의 보행 동작 단계는 일반적으로 8단계(도 3의 번호 순서 참조)로 구분될 수 있는데, 먼저 1번 동작과 같이 오른발이 지면에 최초 접지하는 단계와, 2번 동작과 같이 오른발이 지면에 지지된 상태에서 왼발이 지면으로부터 이격되어 허공으로 스윙하기 전 단계와, 3번과 4번과 같이 스윙하는 왼발이 허공을 가로질러 지면에 다시 접지되는 단계와, 그리고 도 5번과 같이 반대로 왼발이 지면에 최초 접지하는 단계와, 6번 동작과 같이 왼발이 지면에 지지된 상태에서 오른발이 지면으로부터 이격되어 허공으로 스윙하기 전 단계와, 7번과 8번과 같이 스윙하는 오른발이 허공을 가로질러 지면에 다시 접지되는 단계로 구분될 수 있다.
이러한 1번부터 8번까지의 보행 동작 단계는 도 3에 도시된 바와 같이 반복적으로 진행되게 된다.
본 실시예에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 발 부재(120)가 지면에 지지된 상태에서는 발 부재(120)의 각속도 방향이 영방향(0) 또는 시계방향(+)이라는 점과, 발 부재(120)가 지면에서 이격되어 허공에 떠있는 상태에서는 발 부재(120)의 각속도 방향이 반시계방향(-)이라는 점을 이용하여 상술한 8개의 보행 동작 단계에 맞춰 착용자의 보행 의도를 미리 파악하고 이에 따라 착용형 로봇(100)의 보행 동작을 보다 효과적을 제어할 수 있다.
예를 들어, 1번 보행 동작과 같이 오른발의 발뒤꿈치가 지면에 최초 접지하면서 왼발의 발앞꿈치가 지면에서 이격되기 바로 전 상태의 경우(즉, 착용자가 앞으로 전진하기 위해 오른발을 지면에 내디딘 경우), 양쪽 발 부재(120)의 각속도 방향은 모두 시계방향(+)일 수 있으며, 양 발 부재(120)에 설치된 속도 측정 센서(130)이 이러한 매 순간의 속도방향을 측정함으로써, 착용자의 보행 상태와 앞으로의 보행 의도를 미리 파악할 수 있다.
이러한 착용형 로봇(100)을 이용하여 착용자의 보행 의도를 판단하는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에 따른 착용자의 보행 의도 판단 방법은, 착용형 로봇을 착용한 착용자의 보행 의도를 판단하는 방법으로서, 상기 착용형 로봇의 발 부재 각각에 설치된 속도 측정 센서를 이용하여 상기 발 부재 각각의 현재 각속도를 측정하는 단계(S10)와; 속도 측정 센서로부터 제공되는 정보를 이용하여 상기 착용자의 보행 의도를 판단하는 단계(S20)를 포함할 수 있다.
이 경우, 속도 측정 센서(130)는 앞서 전술된 바와 같이, 보행 동작들을 구분할 수 있도록 발 부재(120)가 발목관절축(Z)을 기준으로 시계방향(+)으로 회전하는 경우와 영방향(0)인 경우와 반시계방향(-)으로 회전하는 경우를 측정할 수 있다.
제어부(미도시)는 이러한 속도 측정 센서(130)로부터 제공되는 정보를 이용하여, 발 부재(120)가 시계방향(+)으로 회전하는 경우나 영방향(0)인 경우는 상기 발 부재(120)가 지면과 접촉된 상태로 판단하고, 발 부재(120)가 반시계방향(-)으로 회전하는 경우는 상기 발 부재(120)가 지면과 떨어져 허공에 위치한 상태인 것으로 판단할 수 있다.
즉, 발 부재(120)가 지면에 지지된 상태에서는 발 부재(120)의 각속도 방향이 영방향(0) 또는 시계방향(+)이라는 점과, 발 부재(120)가 지면에서 이격되어 허공에 떠있는 상태에서는 발 부재(120)의 각속도 방향이 반시계방향(-)이라는 점을 이용하여, 상술한 8개의 보행 동작 단계에 맞춰 착용자의 보행 의도를 미리 파악하고 이에 따라 착용형 로봇(100)의 보행 동작을 보다 효과적을 제어할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100: 착용형 로봇 110: 다리부재
112: 발목관절 Z: 발목관절축
120: 발 부재 130: 속도 측정 센서

Claims (4)

  1. 착용자에 의해 착용되는 착용형 로봇으로서,
    한 쌍의 다리부재와;
    상기 다리부재 각각의 단부에 발목관절축을 매개로 회동 가능하게 겹합된 발 부재와;
    상기 발 부재에 설치되어 상기 발 부재의 각속도를 측정하는 속도 측정 센서와;
    상기 속도 측정 센서로부터 제공되는 정보를 이용하여 상기 착용자의 보행 의도를 판단하는 제어부를 포함하는, 착용형 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 속도 측정 센서는, 상기 발 부재가 상기 발목관절축을 기준으로 시계방향(+)으로 회전하는 경우와 영방향(0)인 경우와 반시계방향(-)으로 회전하는 경우를 측정하는, 착용형 로봇.
  3. 착용형 로봇을 착용한 착용자의 보행 의도를 판단하는 방법으로서,
    상기 착용형 로봇의 발 부재 각각에 설치된 속도 측정 센서를 이용하여 상기 발 부재 각각의 현재 각속도를 측정하는 단계와;
    상기 속도 측정 센서로부터 제공되는 정보를 이용하여 상기 착용자의 보행 의도를 판단하는 단계를 포함하는, 착용자의 보행 의도 판단 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 속도 측정 센서는, 상기 발 부재가 발목관절축을 기준으로 시계방향(+)으로 회전하는 경우와 영방향(0)인 경우와 반시계방향(-)으로 회전하는 경우를 측정하며,
    상기 발 부재가 시계방향(+)으로 회전하는 경우 또는 영방향(0)인 경우는 상기 발 부재가 지면과 접촉된 상태로 판단하고, 상기 발 부재가 반시계방향(-)으로 회전하는 경우는 상기 발 부재가 지면과 떨어져 허공에 위치한 상태로 판단하는, 착용자의 보행 의도 판단 방법.
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