KR20150142794A - 착용로봇의 보행제어방법 및 보행시스템 - Google Patents

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Abstract

발바닥부에 마련된 힘센서의 측정값을 통하여 다리가 지지과정 또는 스윙과정인지 판단하는 판단단계; 및 다리가 지지과정인 경우 다리 관절의 구동부에 동역학적 보상토크와 가상의 스프링-댐퍼모델의 완충토크를 인가하는 지지단계;를 포함하는 착용로봇의 보행제어방법 및 보행시스템이 소개된다.

Description

착용로봇의 보행제어방법 및 보행시스템 {METHOD SYSTEM FOR CONTROLLING WALKING OF WEARABLE ROBOT}
본 발명은 착용식 로봇에 있어서 사용자가 착용 후 로봇의 관성으로 인해 발생하는 스윙다리의 부하를 줄일 수 있고, 보행 시 주기적으로 발생하는 로봇의 발과 지면과의 접촉으로 인한 충격이 인체에 전해지는 것을 방지할 수 있는 착용로봇의 보행제어방법 및 보행시스템에 관한 것이다.
인체의 보행은 크게 발바닥이 지면에 지지되는 지지과정과 반대측 다리가 허공에서 전방으로 뻗어나가는 스윙과정으로 나뉠 수 있다.
또한, 지지과정은 발바닥의 지지상태에 따라 초기접지기, 부하반응기, 입각기로 구성되고, 스윙과정은 전유각기, 유각기로 나뉜다. 이는 보행의 상태에 따라 시간적으로 진행되는 과정이다.
한편, 착용식 로봇의 경우 사용자는 보행시 로봇과 함께 보행하며, 앞서 설명한 일반적인 보행 패턴을 구현하게 된다.
그러나 사용자가 착용 후 스윙시에는 로봇 자체가 가지고 있는 본래의 기구적인 관성으로 인해 스윙다리에 부하가 작용하여 걸음이 어렵고 어색한 경우가 있다. 또한, 지지과정에서는 보행시 주기적으로 로봇의 발과 지면과의 접촉으로 인한 충격이 인체에 전해지는 현상이 나타나는바, 이는 로봇 자체의 중력에 의한 하중이 작용하기에 사용자는 많은 힘이 들어가며 발바닥에 지면에 의한 반력이 작용하여 쉽게 피로해지는 문제가 있었다.
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.
KR 10-1999-0059516 A
본 발명은 착용식 로봇에 있어서 사용자가 착용 후 로봇의 관성으로 인해 발생하는 스윙다리의 부하를 줄일 수 있고, 보행 시 주기적으로 발생하는 로봇의 발과 지면과의 접촉으로 인한 충격이 인체에 전해지는 것을 방지할 수 있는 착용로봇의 보행제어방법 및 보행시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 착용로봇의 보행제어방법은, 발바닥부에 마련된 힘센서의 측정값을 통하여 다리가 지지과정 또는 스윙과정인지 판단하는 판단단계; 및 다리가 지지과정인 경우 다리 관절의 구동부에 아래 식을 통해 동역학적 보상토크와 가상의 스프링-댐퍼모델의 완충토크를 인가하는 지지단계;를 포함한다.
Figure pat00001
힘센서는 로봇의 발바닥부와 다리부의 사이에 마련되어 수평 및 수직방향의 힘을 측정할 수 있다.
지지과정은 초기접지기, 부하반응기, 입각기로 구성될 수 있다.
판단단계는 힘센서의 수직방향 계측값이 로봇하중×a 이상인 경우 초기접지기로 판단할 수 있다.
지지단계에서는 초기접지기의 경우
Figure pat00002
이며, △z1은 수직높이변화량일 수 있다.
판단단계는 힘센서의 수직방향 계측값이 (로봇하중+사용자하중)×b1 이상인 경우 부하반응기로 판단할 수 있다.
판단단계는 힘센서의 수직방향 계측값이 (로봇하중+사용자하중)×b1 이상이고, 초기접지기가 미리 선정된 보행주기×0.05 이상의 시간 동안 지속된 경우 부하반응기로 판단할 수 있다.
지지단계에서는 부하반응기의 경우
Figure pat00003
이며, △z2은 수직높이변화량일 수 있다.
판단단계는 힘센서의 수직방향 계측값이 (로봇하중+사용자하중)×b2 이상인 경우 입각기로 판단할 수 있다.
지지단계에서는 입각기의 경우
Figure pat00004
이며, △z3은 수직높이변화량일 수 있다.
다리가 스윙과정인 경우 다리 관절의 구동부에 아래 식을 통해 동역학적 보상토크와 의도힘에 따른 보행토크를 인가하는 스윙단계;를 더 포함할 수 있다.
Figure pat00005
스윙과정은 전유각기, 유각기로 구성될 수 있다.
판단단계는 힘센서의 수평방향 계측값의 변화량이 로봇하중×c 이상이고, 수평방향 계측값이 로봇하중×d 이하인 경우 전유각기로 판단할 수 있다.
판단단계는 전유각기가 미리 측정된 보행주기×0.2 이상의 시간 동안 지속된 경우 유각기로 판단할 수 있다.
본 발명의 착용로봇의 보행시스템은, 착용로봇 다리 관절의 구동부; 착용로봇의 발바닥부에 마련된 힘센서; 및 힘센서의 측정값을 통하여 다리가 지지과정 또는 스윙과정인지 판단하고, 다리가 지지과정인 경우 다리 관절의 구동부에 아래 식을 통해 동역학적 보상토크와 가상의 스프링-댐퍼모델의 완충토크의 인가를 제어하는 제어부;를 포함한다.
Figure pat00006
힘센서는 로봇의 발바닥부와 다리부의 사이에 마련되어 수평 및 수직방향의 힘을 측정할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 착용로봇의 보행제어방법에 따르면, 착용식 로봇에 있어서 사용자가 착용 후 로봇의 관성으로 인해 발생하는 스윙다리의 부하를 줄일 수 있고, 보행 시 주기적으로 발생하는 로봇의 발과 지면과의 접촉으로 인한 충격이 인체에 전해지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명을 통해 착용로봇의 보행으로 인해 반복적으로 발생되는 지면으로부터의 충격을 최소화할 수 있으며, 이로 인해 발생하는 착용자의 불편을 줄일 수 있고, 착용로봇의 보행안정성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇의 보행제어방법의 수행을 위한 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇의 보행제어방법의 수행을 위한 시스템을 나타낸 또 다른 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇의 보행제어방법의 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇의 보행제어방법의 수행을 위한 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 착용로봇의 보행제어방법의 수행을 위한 시스템을 나타낸 또 다른 도면이다.
본 발명에 따른 착용로봇의 보행제어방법이 수행되는 로봇은 복수의 관절로 구성되고, 각 관절에는 토크의 인가가 가능한 구동부가 모터로서 사용되고, 기본적으로 구동부에는 인코더 등이 마련될 수 있다.
그리고 각 구동부를 제어하는 제어부가 마련되고, 제어부는 발바닥과 다리 사이에 마련된 힘센서로부터 측정값을 읽는다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 힘센서는 로봇의 발바닥부와 다리부의 사이에 마련되어 수평 및 수직방향의 힘을 측정할 수 있다. 다리와 발의 사이에 힘센서가 마련되어 지면에 지지되는 발과 허공에 떠 있는 다리 사이에 작용하는 상대적인 힘을 측정함으로써 사용자가 지면에 발을 디디는 경우인지 혹은 지면으로부터 발진하는 경우인지를 쉽게 파악할 수 있게 된다.
구체적으로, 본 발명에 따른 착용로봇의 보행제어방법은, 발바닥부에 마련된 힘센서의 측정값을 통하여 다리가 지지과정 또는 스윙과정인지 판단하는 판단단계; 및 다리가 지지과정인 경우 다리 관절의 구동부에 아래 식을 통해 동역학적 보상토크와 가상의 스프링-댐퍼모델의 완충토크를 인가하는 지지단계;를 포함한다.
Figure pat00007
먼저, 판단단계에서는 발바닥부에 마련된 힘센서의 측정값을 통하여 다리가 지지과정 또는 스윙과정인지 판단하도록 한다.
먼저, 지지과정을 살펴본다. 지지과정은 초기접지기, 부하반응기, 입각기로 구성될 수 있다. 그리고, 판단단계는 힘센서의 수직방향 계측값이 로봇하중×a 이상인 경우 초기접지기로 판단할 수 있다. 즉, 초기접지기의 경우 로봇의 발바닥이 지면에 최초로 접하는 과정으로써 이 경우에는 로봇 하중의 일부만이 계측될 것이기 때문이다. 여기서 a는 0.5일 수 있다.
그리고, 판단단계는 힘센서의 수직방향 계측값이 (로봇하중+사용자하중)×b1 이상인 경우 부하반응기로 판단할 수 있다. 초기접지기를 지나 부하반응기로 갈 경우에는 실질적인 지지가 시작되는 것으로서, 여기서 b1은 0.5일 수 있다.
특히, 판단단계는 힘센서의 수직방향 계측값이 (로봇하중+사용자하중)×b1 이상이고, 초기접지기가 미리 선정된 보행주기×0.05 이상의 시간 동안 지속된 경우 부하반응기로 판단할 수 있다. 이는 계측값이 불안정할 경우 미리 측정한 보행주기에서 초기접지기가 5% 만을 차지한다는 점을 이용한 것이다. 보행주기는 전단계에서 측정된 주기를 이용하거나 평균 주기를 이용할 수 있을 것이다.
또한, 판단단계는 힘센서의 수직방향 계측값이 (로봇하중+사용자하중)×b2 이상인 경우 입각기로 판단할 수 있다. 여기서, b2는 0.8일 수 있다.
한편, 다리가 지지과정인 경우에는 다리 관절의 구동부에 아래 식을 통해 동역학적 보상토크와 가상의 스프링-댐퍼모델의 완충토크를 인가한다.
Figure pat00008
상기 식에서 볼 수 있듯이, 로봇의 각 관절은 토크제어를 수행하는데, 이는 기본적으로 동역학적 보상을 통하여 필요한 관절의 회전각에 따라 토크를 생성하도록 한다. 그리고 지지과정에서는 완충력을 제공하기 위해 여기에 가상의 스프링 댐퍼 모델을 통한 지지력을 제공하는 것이다. 즉, 로봇의 발바닥과 지면의 사이에 스프링-댐퍼모델이 있는 것으로 가정하고 관절을 제어할 경우 실제 로봇은 지면에 지지할 경우 스프링 댐퍼 모델에 의해 사뿐이 지지함으로써 사용자에게 충격을 덜 가져다주게 되는 것이다. 그리고 그 제어를 위한 스프링상수와 댐핑상수의 경우 지지단계마다 달리 제어함으로써 최적의 쿠션감을 제공할 수 있도록 한다.
구체적으로, 초기접지기의 경우에는
Figure pat00009
이며, △z1은 수직높이변화량일 수 있다. 그리고, 부하반응기의 경우에는
Figure pat00010
이며, △z2은 수직높이변화량일 수 있다. 또한, 입각기의 경우에는
Figure pat00011
이며, △z3은 수직높이변화량일 수 있다.
한편, 다리가 스윙과정인 경우 다리 관절의 구동부에 아래 식을 통해 동역학적 보상토크와 의도힘에 따른 보행토크를 인가하는 스윙단계;를 더 포함할 수 있다.
Figure pat00012
스윙단계에서는 기본적인 각도 입력에 의한 동역학 보상에 의해 관절에 토크를 생성하고, 힘센서로 계측된 의도힘 즉, 사용자의 다리와 로봇의 발바닥 사이에 작용하는 의도적인 힘을 자코비안 전치행렬에 대입하여 각 관절단에서 필요한 토크를 생성함으로써 스윙에 대한 보상을 수행하고, 이를 통해 사용자는 가벼운 느낌으로 관성 없이 보행 스윙이 가능해지는 것이다.
그리고, 스윙과정은 전유각기, 유각기로 구성될 수 있으며, 마찬가지로 판단단계는 힘센서의 수평방향 계측값의 변화량이 로봇하중×c 이상이고, 수평방향 계측값이 로봇하중×d 이하인 경우 전유각기로 판단할 수 있다. 여기서 c는 0.2이고 d는 0.3일 수 있다.
한편, 전유각기가 미리 측정된 보행주기×0.2 이상의 시간 동안 지속된 경우에는 유각기로 판단할 수 있다.
이러한 전체 보행의 제어는 아래 표 및 도 3과 같이 정리될 수 있다.
Figure pat00013
즉, 왼쪽다리와 오른쪽다리는 서로 일정한 시간차를 두고 초기접지기-부하반응기-입각기-전유각기-유각기의 보행과정을 거친다. 그리고 각각의 다리에 있는 힘센서를 통해 계측된 값을 통하여 각각의 다리를 독립적으로 제어하는 것이다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 착용로봇의 보행제어방법에 따르면, 착용식 로봇에 있어서 사용자가 착용 후 로봇의 관성으로 인해 발생하는 스윙다리의 부하를 줄일 수 있고, 보행 시 주기적으로 발생하는 로봇의 발과 지면과의 접촉으로 인한 충격이 인체에 전해지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명을 통해 착용로봇의 보행으로 인해 반복적으로 발생되는 지면으로부터의 충격을 최소화할 수 있으며, 이로 인해 발생하는 착용자의 불편을 줄일 수 있고, 착용로봇의 보행안정성을 높일 수 있다.
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 (16)

  1. 발바닥부에 마련된 힘센서의 측정값을 통하여 다리가 지지과정 또는 스윙과정인지 판단하는 판단단계; 및
    다리가 지지과정인 경우 다리 관절의 구동부에 아래 식을 통해 동역학적 보상토크와 가상의 스프링-댐퍼모델의 완충토크를 인가하는 지지단계;를 포함하는 착용로봇의 보행제어방법.
    Figure pat00014
  2. 청구항 1에 있어서,
    힘센서는 로봇의 발바닥부와 다리부의 사이에 마련되어 수평 및 수직방향의 힘을 측정하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    지지과정은 초기접지기, 부하반응기, 입각기로 구성된 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    판단단계는 힘센서의 수직방향 계측값이 로봇하중×a 이상인 경우 초기접지기로 판단하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    지지단계에서는 초기접지기의 경우
    Figure pat00015
    이며, △z1은 수직높이변화량인 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행제어방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    판단단계는 힘센서의 수직방향 계측값이 (로봇하중+사용자하중)×b1 이상인 경우 부하반응기로 판단하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행제어방법.
  7. 청구항 3에 있어서,
    판단단계는 힘센서의 수직방향 계측값이 (로봇하중+사용자하중)×b1 이상이고, 초기접지기가 미리 선정된 보행주기×0.05 이상의 시간 동안 지속된 경우 부하반응기로 판단하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행제어방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    지지단계에서는 부하반응기의 경우
    Figure pat00016
    이며, △z2은 수직높이변화량인 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행제어방법.
  9. 청구항 3에 있어서,
    판단단계는 힘센서의 수직방향 계측값이 (로봇하중+사용자하중)×b2 이상인 경우 입각기로 판단하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    지지단계에서는 입각기의 경우
    Figure pat00017
    이며, △z3은 수직높이변화량인 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행제어방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    다리가 스윙과정인 경우 다리 관절의 구동부에 아래 식을 통해 동역학적 보상토크와 의도힘에 따른 보행토크를 인가하는 스윙단계;를 더 포함하는 착용로봇의 보행제어방법.
    Figure pat00018
  12. 청구항 11에 있어서,
    스윙과정은 전유각기, 유각기로 구성된 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행제어방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    판단단계는 힘센서의 수평방향 계측값의 변화량이 로봇하중×c 이상이고, 수평방향 계측값이 로봇하중×d 이하인 경우 전유각기로 판단하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행제어방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    판단단계는 전유각기가 미리 측정된 보행주기×0.2 이상의 시간 동안 지속된 경우 유각기로 판단하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행제어방법.
  15. 착용로봇 다리 관절의 구동부;
    착용로봇의 발바닥부에 마련된 힘센서; 및
    힘센서의 측정값을 통하여 다리가 지지과정 또는 스윙과정인지 판단하고, 다리가 지지과정인 경우 다리 관절의 구동부에 아래 식을 통해 동역학적 보상토크와 가상의 스프링-댐퍼모델의 완충토크의 인가를 제어하는 제어부;를 포함하는 착용로봇의 보행시스템.
    Figure pat00019
  16. 청구항 15에 있어서,
    힘센서는 로봇의 발바닥부와 다리부의 사이에 마련되어 수평 및 수직방향의 힘을 측정하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행시스템.
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