KR20160126335A - 착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세를 안정시키는 착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세 제어 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세 제어 장치는 피치방향운동을 지원 또는 보조해주기 위해 발생되는 토크에 의해 발생되는 지면반발력을 이용하여 착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세를 안정시킬 수 있다.

Description

착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세 제어 장치{HIGH-SPEED WALKING ATTITUDE CONTROL APPARATUS OF WEARABLE EXOSKELETON ROBOT}

본 발명은 사용자에 장착되는 외골격 로봇에 관한 것이다.

일반적으로, 착용형 외골격 로봇(외골격 시스템)은 사람이 입는 로봇 시스템으로 착용자의 힘 또는 동작을 보조해 주기 위한 장치이다. 외골격 로봇은 사람의 몸에 착용되어 착용자의 근력의 일부 또는 그 이상을 지원해주는 로봇시스템으로, 군사용뿐만 아니라 재활, 산업근로자, 교통약자 등 다양한 분야에 활용될 수 있어, 관련 연구가 활발히 진행 중에 있다.

제한된 공간에서 동작하는 재활 및 산업용 외골격 시스템과는 다르게, 실외이동이 요구되는 외골격 시스템의 경우 배터리를 활용하기 때문에, 무게, 크기, 구동기 개수 등 외골격 로봇 설계 시 제약사항이 더 많다. 최근에 연구 개발되고 있는 외골격 시스템은 이러한 설계 요구조건을 충족시키기 위해서, 시스템에 적용되는 구동기가 최소화되고 있고, 주로 무릎관절 또는 무릎관절과 엉덩 관절에만 장착되는 추세이다. 결국, 착용자의 모든 운동에 대해서 근력 지원을 해주는 시스템이 아니라 제한적으로 특정 주요 관절에 한해서 근력보조 또는 지원을 해주는 시스템이라서, 능동관절 이외의 관절에 대해서는 착용자가 로봇을 대신하여 근력을 부담해야하는 상황이다. 다시 말해, 이러한 외골격 시스템은 주로 피치 방향 모션에 대해서 근력지원이 가능하도록 설계가 되므로, 롤방향의 운동에 대해서 착용자가 부담해야 한다. 착용자의 짊어져야 하는 등짐의 무게가 크고, 고속 기동이 요구되는 군사용 외골격 시스템의 경우, 등짐 무게가 증대되고 기동속도가 늘어날수록 롤방향 운동에 대해서 착용자가 부담해야 하는 근력이 증대되고, 최악의 경우 그 이상의 토크가 요구되어 착용자의 보행자세 안정성을 잃고 넘어지게 된다. 이러한 경우에는 등짐의 무게를 줄이거나 보행속도를 줄이는 방법이 있으나 적절한 해결책이라 할 수 없다. 기존 연구에서는 주로 추가적인 구동기를 등 관절에 장착하여 등짐의 무게중심을 이동시키는 방법을 제시하였지만, 효과적인 해결책이라 할 수 없다.

한국특허출원번호 제10-2010-0118656호

본 발명은 피치방향운동을 지원 또는 보조해주기 위해 발생되는 토크에 의해 발생되는 지면반발력을 이용하여 착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세를 안정시키는 제어 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세 제어 장치는,

착용자에 착용된 외골격 로봇의 각 관절에 피치방향 운동을 위한 구동력을 제공함으로써 상기 착용자의 보행을 지원 또는 보조하는 한쌍의 외골격 다리;

상기 한 쌍의 외골격다리 각각의 상측에 결합되고, 상기 외골격 로봇의 보행의 중심이 되는 보행바디;

상기 보행바디에 장착되고, 상기 외골격 로봇의 보행 중 상기 외골격 로봇의 보행속도, 무게중심 및 ZMP(Zero Moment Point)에 대응하는 제1 정보를 측정하는 제1센서부;

지면에 닿아있는 상기 외골격다리와 상기 외골격 로봇의 운동상태(관절각, 관절토크 등)에 대응하는 제2 정보를 측정하는 제2센서부;

상기 외골격 다리의 발바닥에 위치하고, 상기 지면의 반발력에 대응하는 제3 정보를 측정하는 제3센서부;

상기 제1, 제2 또는 제3센서부로부터 감지된 제1 내지 제 3 정보를 근거로, 상기 외골격 로봇과 상기 착용자의 자세를 일치시키면서 안정적인 고속보행이 가능하도록 하는 롤방향 보상모멘트를 생성하고, 상기 생성한 롤방향 보상모멘트를 근거로 상기 지면에 닿아있는 상기 외골격다리의 구동력을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세 제어 장치는, 롤방향의 운동을 위한 추가적인 구동기 없이 롤방향의 운동을 제어할 수 있다. 추가적인 구동기가 필요 없으므로 시스템을 더 작고 가볍게 설계 가능하며, 운용시간이 늘어나며, 성능을 향상시킬 수 있는 설계마진이 더욱 커지는 효과가 있다. 특히, 무거운 등짐과 빠른 고속 보행으로 발생되는 롤방향 모멘트를 보상해주기 때문에 안정적인 보행이 가능하며, 착용자가 부담해야 하는 근력이 크게 줄여주기 때문에 착용자의 피로감이 크게 감소하는 효과가 있다.

도 1a-1b는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 외골격 로봇의 구성을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 오른다리로 지면반발력을 생성하는 방법을 나타낸 개략도 이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오른다리로 지면반발력을 결정하기 위한 무게중심 및 ZMP 위치에 대한 개략도이다.
도 4는 ZMP 추정용 발바닥 센서를 나타낸 예시도 이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하에서는, 피치방향운동을 지원 또는 보조해주기 위해 발생되는 토크에 의해 발생되는 지면반발력을 이용하여 착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세를 안정시키는 제어 장치 및 그 방법을 설명한다. 예를 들면, 외골격 로봇 시스템은 각 하지의 무릎관절 및 엉덩관절에 피치방향 운동을 지원 및 보조하기 위한 구동기가 장착되어 있으며, 로봇의 운동정보를 센싱하는 센서부로 구성되어 있다. 이러한 외골격 로봇 시스템에서 착용자의 의도를 추정하면서 적절한 지면반발력을 생성하는 제어 장치 및 제어 방법을 설명한다.

도 1a-1b는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 외골격 로봇의 구성을 나타낸 도이다.

도 1a-1b에 도시한 바와 같이, 외골격 로봇은,

각 다리부의 무릎관절 및 엉덩관절 부위에 구동기가 하나씩 장착되어 있으며,

보행단계 판별 및 로봇의 운동 상태를 센싱하기 위한 센서부로 구성되어 있다. 센서부는 세부적으로 발바닥의 힘센서 및 관성 센서(IMU, Inertia Measurement Unit), 각 관절의 각도센서 및 힘센서, 등판의 관성센서 등을 포함할 수 있다.

외골격 로봇을 착용하고 보행을 수행하는 경우, 부정확한 의도추정에 의해 로봇과 사람 간의 동작 불일치가 발생한다. 특히, 등짐의 무게와 보행속도가 늘어날수록 착용자에게 가해지는 저항감이 커지게 되며, 이는 곧 착용자에게 급격한 피로감을 야기한다.

본 발명의 실시예에 따른 착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세 제어 장치는,

착용자에 착용된 외골격 로봇의 각 관절에 피치방향 운동을 위한 구동력을 제공함으로써 상기 착용자의 보행을 지원 또는 보조하는 한쌍의 외골격 다리(또는 외골격 다리 구동부)(10);

상기 한 쌍의 외골격다리 각각의 상측에 결합되고, 상기 외골격 로봇의 보행의 중심이 되는 보행바디(20);

상기 보행바디(20)에 장착되고, 상기 외골격 로봇의 보행 중 상기 외골격 로봇의 보행속도, 무게중심 및 ZMP(Zero Moment Point)(또는 유사 ZMP)에 대응하는 제1 정보를 측정하는 제1센서부(30);

지면에 닿아있는 상기 외골격다리와 상기 외골격 로봇의 운동상태(관절각, 관절토크 등)에 대응하는 제2 정보를 측정하는 제2센서부(40);

상기 외골격 다리의 발바닥에 위치하고, 상기 지면의 반발력에 대응하는 제3 정보를 측정하는 제3센서부(50);

상기 제1, 제2 또는 제3센서부로부터 감지된 제1 내지 제 3 정보를 근거로, 상기 외골격 로봇과 상기 착용자의 자세를 일치시키면서 안정적인 고속보행이 가능하도록 하는 롤방향 보상모멘트를 생성(결정)하고, 그 생성한 롤방향 보상모멘트를 근거로 상기 지면에 닿아있는 상기 외골격다리의 구동력을 제어하는 제어부(60)를 포함할 수 있다.

상기 한쌍의 외골격 다리(또는 외골격 다리 구동부)(10)는 엉덩 구동기(11), 엉덩 힘 센서(12), 엉덩 관절각 센서(13), 무릎 구동기(14), 무릎 힘 센서(15), 무릎 관절각 센서(16), 오른발 관성 센서(17), 왼발 관성 센서(18) 등을 포함할 수 있으며, 이는 이미 공지된 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 상기 제1센서부(30)는 몸체 관성 센서를 포함할 수 있으며, 이는 이미 공지된 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 제어부(60)는, 상기 제1, 제2, 또는 제 3센서부의 제1 내지 제3 정보를 활용하여 보행속도, 무게중심 및 ZMP 또는 유사 ZMP를 추정하고, 그리고 보행속도, 무게중심, ZMP 또는 유사 ZMP를 활용하여 보행 중의 외골격 로봇의 롤방향 자세안정성을 위한 지면반발력을 결정한다.

상기 제어부(60)는, 상기 제1, 제2, 또는 제 3센서부로부터 ZMP 또는 유사ZMP를 활용하여 보행 중의 롤방향 안정성을 판별한다.

상기 제어부(60)는, 기준 지면반발력으로부터 지면과 닿아있는 외골격 로봇의 무릎관절 및 엉덩관절의 토크를 산출하고, 그리고 산출된 피치방향의 무릎관절 및 엉덩관절의 토크를 추종하여 원하는 지면반발력을 생성한다.

본 발명에서 고려하는 외골격 로봇 시스템의 경우, 롤 방향 운동을 지원 또는 보조하는 구동기가 없는 시스템으로 지면 반발력을 활용하여 외골격 로봇의 롤방향 운동을 제어하기 위한 제어력(롤방향 보상모멘트)을 생성하도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 오른다리로 지면반발력을 생성하는 방법을 나타낸 개략도 이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 지면반발력은 피치방향의 토크를 통해 생성이 되지만, 지면반발력과 회전중심과의 모멘트암이 발생되므로 롤방향의 모멘트가 생성될 수 있으며, 롤방향 운동을 위한 모멘트(

)는 다음의 수학식 1과 같이 지면반발력과 모멘트 암의 곱으로 표현할 수 있다.

여기서,

은 지면반발력,

는 지면반발력과의 롤방향 모멘트암으로 다리와 다리 사이의 길이 벡터로 표현될 수 있다.

또한, 지면반발력은 피치방향의 관절토크에 의해서 결정되는 것으로 무릎관절 및 엉덩관절의 입력토크를 조절하여 결정될 수 있다. 이때의 지면 반발력과 토크와의 상관식은 수학식 2와 같다.

여기서,

는 각각 피치방향의 발목토크, 무릎토크, 엉덩토크로 구성된 벡터이다.

은 지면반발력과 피치방향 토크사이의 자코비안 행렬이다.

예를 들면, 2-D 평면의 운동만을 고려하는 경우, 롤방향 운동방정식을 적으면 수학식 3과 같다.

여기서,

은 관절의 각가속도,

는 관성행렬,

는 코리올리 및 원심 모멘트,

는 중력모멘트,

는 마찰모멘트,

는 외란이다.

따라서 생성되는 모멘트에 따라 롤방향의 운동이 결정됨을 쉽게 알 수 있으며, 상황에 따라 중력모멘트, 관성모멘트 등을 보상하도록 지면반발력을 결정할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오른다리로 지면반발력을 결정하기 위한 무게중심 및 ZMP 위치에 대한 개략도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 사람의 보행의 경우 무게중심이 좌우로 옮겨지며 보행이 이루어지므로, 로봇과 착용자의 자세 안정성 확보를 위한 지면반발력 제어입력은 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.

여기서,

,

그리고

은 중력항이며,

는 튜닝파라미터,

은 보행속도,

은 무게중심의 위치,

는 Zero Moment Point(ZMP)의 위치이다.

위 식을 통해 확인할 수 있듯이, 지면반발력은 무게중심과 ZMP의 위치를 기준으로 보행속도에 비례하는 값으로 제어될 수 있다. 여기서, 지면반발력은 도 4와 같이 외골격 로봇의 발바닥 모듈을 통해 센싱할 수 있다.

도 4는 ZMP 추정용 발바닥 센서를 나타낸 예시도 이다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 착용자에 착용된 외골격 로봇의 각 관절에 피치방향 운동을 위한 구동력을 제공함으로써 상기 착용자의 보행을 지원 또는 보조하는 한쌍의 외골격 다리;
   상기 한 쌍의 외골격다리 각각의 상측에 결합되고, 상기 외골격 로봇의 보행의 중심이 되는 보행바디;
   상기 보행바디에 장착되고, 상기 외골격 로봇의 보행 중 상기 외골격 로봇의 보행속도, 무게중심 및 ZMP(Zero Moment Point)에 대응하는 제1 정보를 측정하는 제1센서부;
   지면에 닿아있는 상기 외골격다리와 상기 외골격 로봇의 운동상태(관절각, 관절토크 등)에 대응하는 제2 정보를 측정하는 제2센서부;
   상기 외골격 다리의 발바닥에 위치하고, 상기 지면의 반발력에 대응하는 제3 정보를 측정하는 제3센서부;
   상기 제1, 제2 또는 제3센서부로부터 감지된 제1 내지 제 3 정보를 근거로, 상기 외골격 로봇과 상기 착용자의 자세를 일치시키면서 안정적인 고속보행이 가능하도록 하는 롤방향 보상모멘트를 생성하고, 상기 생성한 롤방향 보상모멘트를 근거로 상기 지면에 닿아있는 상기 외골격다리의 구동력을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 정보는,
   상기 외골격 로봇의 관절각 및 관절토크에 대응하는 정보인 것을 특징으로 하는 착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세 제어 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 제1 내지 제3 정보를 활용하여 보행속도, 무게중심 및 ZMP를 추정하고, 상기 보행속도, 무게중심, ZMP를 근거로 보행 중의 외골격 로봇의 롤방향 자세안정성을 위한 지면반발력을 결정하는 것을 특징으로 하는 착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세 제어 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
   기준 지면반발력으로부터 상기 지면과 닿아있는 외골격 로봇의 무릎관절 및 엉덩관절의 토크를 산출하고, 상기 산출된 피치방향의 무릎관절 및 엉덩관절의 토크를 추종하여 원하는 지면반발력을 생성하는 것을 특징으로 하는 착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세 제어 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 지면 반발력을 근거로 상기 외골격 로봇의 롤방향 운동을 제어하기 위한 상기 롤방향 보상모멘트를 생성하는 것을 특징으로 하는 착용형 외골격 로봇의 고속 보행 자세 제어 장치.

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