KR20170001261A

KR20170001261A - 착용로봇의 보행천이 제어방법

Info

Publication number: KR20170001261A
Application number: KR1020150090993A
Authority: KR
Inventors: 김홍철; 이상훈; 신영준
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2017-01-04
Also published as: KR101740253B1

Abstract

본 발명은 상기 착용로봇의 보행단계를 감지하고, 감지된 보행단계에 따라 보행천이를 예측하여 미리 보행단계로 전환하여 보행속도를 증가시키고, 보행단계 천이시 토크를 선형을 보정하여 안정적인 보정이 가능하도록 한 착용로봇의 보행천이 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법은, 서로 링크연결되는 복수의 링크부재를 포함하고, 착용자가 착용하며, 상기 링크 연결부위가 유압에 의해 각도가 조절되는 착용로봇(1)의 보행천이를 제어하는 착용로봇(1)의 보행천이 제어방법에 있어서, 착용로봇(1)의 발바닥 부위에 가해지는 압력을 이용하여, 초기 입각기, 입각기, 사전 유각기, 유각기 중 어느 하나로 상기 착용로봇(1)의 보행단계를 판별하는 보행단계 판별단계(S110)와, 상기 착용로봇(1)의 각 링크부재 또는 링크부재가 연결되는 부위에 설치된 센서를 이용하여 착용자로부터 상기 착용로봇(1)에 가해지는 힘을 감지하여 착용자의 운동의도를 인식하는 운동의도 인식단계(S120)와, 착용자의 운동의도에 맞게 보행단계별로 상기 착용로봇(1)의 슬관절의 각도가 조절되도록 상기 슬관절의 각도를 제어하는 액츄에이터로 공급되는 유압을 제어하는 유압 제어 단계(S150)를 포함한다.

Description

착용로봇의 보행천이 제어방법{CONTROLLING METHOD FOR GAIT TRANSITION OF WEARABLE ROBOT}

본 발명은 착용자의 보행을 보조하는 착용로봇의 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 착용로봇의 보행단계를 감지하고, 감지된 보행단계에 따라 보행천이를 예측하여 미리 보행단계로 전환하여 보행속도를 증가시키고, 보행단계 천이시 토크를 선형을 보정하여 안정적인 보행이 가능하도록 한 착용로봇의 보행천이 제어방법에 관한 것이다.

착용로봇은 착용자의 신체에 착용되어, 상기 착용자의 운동의도에 따라 팔, 다리의 근력을 증폭시켜 상기 착용자의 운동능력을 증대시키는 로봇을 의미한다.

예컨대, 상기 착용로봇은 노인이나 장애인 또는 환자의 운동을 돕기도 하고, 산업현장에서는 작업자의 작업능력을 보조하며, 군용으로도 적용되어 병사의 기동력을 보조하여 전투력이 향상되도록 하고 있다.

상기 착용로봇과 상기 착용자가 일체화 되어 빠르고 자연스럽게 움직이기 위해서는 사람과 로봇의 동기화를 향상이 요구되고, 이를 위해서, 보행제어에 보행천이에 따른 제어변화가 필요하다.

하지만, 종래기술에 따른 착용로봇의 제어에서는, 보행천이 제어가 원만하게 되지 않아서, 제어의 불연속 또는 급격한 제어 명령에 의한 자세 불안정성 발생 및 보행 모드 천이 지연에 따른 역부하로 착용자에게 피로감을 증대시키고 보행속도 증대에도 제한적인 문제점이 있었다.

한편, 하기의 선행기술문헌에는 ‘보행보조로봇 및 제어 방법’에 관한 기술이 개시되어 있다.

KR　10-2013-0029620 A

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 착용자의 보행단계를 센서를 통하여 감지하고, 감지된 보행단계에 따라 보행천이를 예측하여, 다음 보행단계로 미리 전환하도록 한 착용로봇의 보행천이 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법은, 서로 링크연결되는 복수의 링크부재를 포함하고, 착용자가 착용하며, 상기 링크 연결부위가 유압에 의해 각도가 조절되는 착용로봇의 보행천이를 제어하는 착용로봇의 보행천이 제어방법에 있어서, 착용로봇의 발바닥 부위에 가해지는 압력을 이용하여, 초기 입각기, 입각기, 사전 유각기, 유각기 중 어느 하나로 상기 착용로봇의 보행단계를 판별하는 보행단계 판별단계와, 상기 착용로봇의 각 링크부재 또는 링크부재가 연결되는 부위에 설치된 센서를 이용하여 착용자로부터 상기 착용로봇에 가해지는 힘을 감지하여 착용자의 운동의도를 인식하는 운동의도 인식단계와, 착용자의 운동의도에 맞게 보행단계별로 상기 착용로봇의 고관절과 슬관절의 각도가 조절되도록 상기 고관절의 각도를 제어하는 액츄에이터와 상기 슬관절의 각도를 제어하는 또 다른 액츄에이터로 공급되는 유압을 제어하는 유압 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 보행단계 판별단계에서는 착용자에 족부에 착용되는 착용로봇의 발바닥 링크부에 서로 이격되게 설치되는 복수의 보행판별센서와 지면 사이의 반발력을 측정하고, 각 보행판별센서로 측정된 반발상기 반발력이 미리 설정된 임계값의 초과여부에 따라 보행단계를 판별하는 것을 특징으로 한다.

상기 운동의도 인식단계에서는, 착용로봇의 링크부재 또는 링크부재의 연결부위에 설치된 센서로부터 측정된 상기 링크부재의 연결부위의 토크, 각도, 각속도 및 각가속도를 역동역학 관계식에 대입하여 착용자의 운동의도를 인식하는 것을 특징으로 한다.

상기 유압 제어 단계에서는, 상기 보행단계가 입각기이면, 관절부위가 저속으로 구동하면서 착용로봇의 하중을 지지하도록 상기 유각기일 때보다 고토크가 발생하도록 유압이 제어되는 액티브 모드가 작동되고, 상기 보행단계가 유각기이면, 상기 관절부위의 각도를 조절하는 액츄에이터로 유압의 일부가 바이패스되어 상기 입각기일때보다 저토크가 되도록 저토크가 되도록 유압이 제어되는 패시브 모드가 작동되는 것을 특징으로 한다.

상기 유압 제어 단계가 수행되기 이전에는, 보행단계가 입각기에서 유각기로 전환될 때, 상기 착용로봇에 설치된 보행판별센서로부터 측정되는 값이 미리 설정된 임계값보다 작으면, 보행단계를 사전유각기로 판단하고, 상기 액티브 모드로부터 상기 패시브 모드로 전환되는 보행단계 천이 예측단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 보행단계 천이 예측단계과 상기 유압 제어 단계 사이에는, 보행단계가 유각기에서 입각기로 전환될 때, 역동역학적 계산에 의해 구해진 역동역학적 추정토크의 기울기보다 완만한 기울기로 입각기로 전환되도록 하는 보행천이 토크 성형단계를 더포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법에 따르면, 센서를 통하여 착용자의 보행단계를 감지하고, 보행천이에 따라 다음 보행단계에 맞는 제어를 수행함으로써, 보행모드의 전환에 소요되는 시간이 감소되고, 이로 인하여 착용로봇의 보행속도를 증가시킬 수 있다.

또한, 착용로봇의 보행속도가 증가함에 따라 착용로봇의 착용한 착용자의 운동능력이 향상을 기대할 수 있다.

아울러, 다음 보행단계에 맞도록 토크의 선형을 보정하여 제어를 수행하게 됨으로써, 제어 명령의 불연속 또는 급격한 동작이 발생하지 않게 되고, 보행 천이 지연에 따른 역부하를 감소시켜 착용자의 피로감을 줄이고, 착용후 인체의 근골격의 피해를 최소화할 수 있다.

도 1은 착용자가 착용로봇을 착용한 상태를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법이 적용되는 착용로봇의 이례를 도시한 사시도.
도 3은 도 2의 착용로봇에서 발바닥링크부의 분해사시도.
도 4는 본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법에서 착용로봇의 발바닥링크부를 통하여 감지되는 압력에 따라 보행단계를 판단하는 원리를 도시한 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법을 도시한 블록도.
도 6은 본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법에서 보행단계별 보행제어방법을 도시한 개념도.
도 7은 본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법에서 운동의도를 인식하는 원리를 도시한 개념도.
도 8은 본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법에서 보행단계와 각 보행단계별로 적용되는 역동역학 관계식을 도시한 개념도.
도 9는 본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법에서 각 보행단계별 유압제어모드를 도시한 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법에서 보행천이시의 토크 성형 제어기법을 도시한 상태의 토크를 도시한 그래프.
도 12는 본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법에서 보행천이시 토크 성형 제어를 수행한 결과를 도시한 그래프.
도 13은 본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법을 도시한 순서도.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법을 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법은, 착용로봇(1)의 발바닥 부위에 가해지는 압력을 이용하여, 초기 입각기, 입각기, 사전 유각기, 유각기 중 어느 하나로 상기 착용로봇(1)의 보행단계를 판별하는 보행단계 판별단계(S110)와, 상기 착용로봇(1)의 각 링크부재 또는 링크부재가 연결되는 부위에 설치된 센서를 이용하여 착용자로부터 상기 착용로봇(1)에 가해지는 힘을 감지하여 착용자의 운동의도를 인식하는 운동의도 인식단계(S120)와, 착용자의 운동의도에 맞게 보행단계별로 상기 착용로봇(1)의 슬관절의 각도가 조절되도록 상기 슬관절의 각도를 제어하는 액츄에이터로 공급되는 유압을 제어하는 유압 제어 단계(S150)를 포함한다.

먼저, 본 발명에 따른 착용로봇의 보행천이 제어방법이 수행되는 착용로봇(1)의 구성을 살펴보기로 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 백팩부(10), 골반링크부(20), 대퇴링크부(30), 슬관절부(40), 하퇴링크부(50), 족관절부(60)와 발바닥링크부(70)를 포함한다.

백팩부(10)는 착용자가 매는 형태로 착용하고, 상기 백팩부(10)의 내부에는 상기 착용로봇(1)의 작동을 제어하는 제어부(11), 상기 착용로봇(1)의 자세를 감지하는 자세센서(12), 상기 착용로봇(1)의 작동에 필요한 전원을 공급하는 배터리(13) 및 상기 착용로봇(1)의 각 액츄에이터의 작동에 소요되는 유압을 공급하는 유압공급부(14)를 포함한다.

골반링크부(20)는 상기 백팩부(10)에 연결되고 상기 착용자의 골반을 지지하기 위한 것으로서, 대퇴링크부(30)와 링크연결되는 고관절(21)과, 상기 고관절(21)의 각도를 조절하는 고관절 액츄에이터(23), 상기 고관절(21)의 회전각도를 측정하는 고관절 각센서(22), 상기 고관절 액츄에이터(23)에 의해 작용하는 작용력을 측정하는 고관절 액츄에이터 힘센서(24)를 포함한다.

대퇴링크부(30)는 상기 골반링크부(20)에 연결되어 상기 착용자의 대퇴를 지지한다. 상기 대퇴링크부(30)는 상기 착용자의 대퇴와 고정되도록 상기 착용자의 대퇴를 파지하는 대퇴파지부(31)와, 상기 대퇴의 운동시 길이조절되어 상기 대퇴의 근력을 보조하는 대퇴길이조절링크(32)와, 상기 대퇴길이조절링크(32)의 길이가 조절되도록 작동하는 슬관절 액츄에이터(33)와, 상기 슬관절 액츄에이터(33)의 작동시 상기 슬관절에 작용하는 작용력을 측정하는 슬관절 액츄에이터 센서(34)와, 착용자의 대퇴로부터 상기 대퇴길이조절링크(32)로 가해지는 힘을 측정하는 대퇴 HRI(Human-Robot Interaction) 센서(35)를 포함한다. 상기 HRI센서는 상기 착용자의 신체부위와 상기 착용로봇(1)이 서로 연결되는 부위에 설치되어, 상기 착용자의 각 착용부위로부터 상기 착용로봇(1)에 가해지는 힘을 측정함으로써 상기 착용자의 운동의지를 파악할 수 있도록 한다.

슬관절부(40)는 상기 대퇴링크부(30)와 하퇴링크부(50)가 연결되는 부위가 되고, 상기 대퇴링크부(30)와 하퇴링크부(50)의 굽힘각도를 측정하는 슬관절 각센서(41)를 포함한다.

하퇴링크부(50)는 상기 착용자의 하퇴를 지지하기 위한 것으로서, 상기 착용자의 하퇴를파지하는 하퇴파지부(51)와, 상기 하퇴의 운동시 길이조절되어 상기 하퇴의 근력을 보조하는 하퇴길이조절링크(52)와, 상기 착용자의 하퇴로부터 상기 하퇴길이조절링크(52)로 작용하는 힘을 측정하는 하퇴HRI센서(53)를 포함한다.

족관절부(60)는 상기 하퇴링크부(50)의 하단에서 상기 하퇴링크부(50)와 발바닥링크부(70)가 연결시키는 역할을 한다. 상기 족관절부(60)에는 상기 족관절부(60)의 각도를 측정하는 족관절 각센서(61)가 설치된다.

발바닥링크부(70)는 상기 하퇴링크부(50)의 하단에 링크연결되고, 상기 착용자의 족(足)부를 지지한다.

상기 발바닥링크부(70)는 도 3에 그 구성에 더욱 명확하게 도시되어 있는데, 착용자의 발목의 움직임을 모사하는 발목관절(71)과, 상기 발목관절(71)에 설치되어 상기 발바닥링크부(70)의 기울어진 상태를 측정하는 발바닥 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서(72)을 포함한다. 또한, 보행시 착용자의 발바닥의 굽힘을 모사하기 위해 발바닥 연결 탄성체(75)의 전방과 후방의 상하에 각각 연결되는 발바닥 전방 하판(73), 발바닥 후방 하판(74), 발바닥 전방 상판(76), 발바닥 후방 상판(77)이 포함되고, 상기 보행단계를 판단하기 위해 상기 착용자의 발바닥에 가해지는 압력을 감지하는 복수의 보행판별센서(78a)(78b)(78c)(78d)를 포함한다.

상기 골반링크부(20), 상기 대퇴링크부(30), 상기 슬관절부(40), 상기 하퇴링크부(50), 상기 족관절부(60)와 상기 발바닥링크부(70)는 상기 백팩부(10)의 좌우측에 각각 설치된다.

한편, 착용로봇(1)의 각 링크부재의 구동에 필요한 동력을 발생하는 유압공급부(14, 도 9참조)는 모터(14b)와, 상기 모터(14b)에 의해 구동하면서 오일팬(14a)에 저장된 오일을 펌핑하는 오일펌프(14c)와, 상기 오일펌프(14c)로부터 토출되는 방향으로 오일이 유동하도록 제어하는 체크밸브(14d)와, 상기 오일을 액티브 제어되는 액츄에이터와 패시브 제어되는 액츄에이터 쪽으로 분배하는 3웨이밸브(14e)와, 패시브 제어되는 액츄에이터로 공급되는 오일이 바이패스되도록 제어하는 바이패스밸브(14f)를 포함한다.

상기와 같은 기구적인 구성을 갖는 착용로봇(1)은 후술되는 착용로봇의 보행천이 제어방법에 따라 제어된다.

보행단계 판별단계(S110)는 상기 착용로봇(1)의 발바닥링크부(70)에 설치된 보행판별센서(78a)(78b)(78c)(78d)로 입력되는 신호에 따라, 상기 착용로봇(1)의 보행단계를 판별한다. 상기 착용로봇(1)의 발바닥링크부(70)에는 4개의 보행판별센서(78a)(78b)(78c)(78d)가 서로 이격되게 설치되는데, 도 4에는 발뒤꿈치, 발끝 바깥쪽, 발끝 안쪽 및 엄지발가락에 각각 보행판별센서(78a)(78b)(78c)(78d)가 설치된 예가 도시되어 있다. 사전에 보행단계별로 상기 4개의 보행판별센서(78a)(78b)(78c)(78d)의 출력값을 수집하고, 상기 보행판별센서(78a)(78b)(78c)(78d)의 온/오프를 판단하는 임계값을 설정하고, 상기 임계값의 초과여부에 따라 보행단계를 판별한다.

따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 4개의 보행판별센서(78a)(78b)(78c)(78d)의 조합을 통하여 보행의 4단계, 즉 초기 입각기(Initial Contact), 입각기(Stance), 사전 유각기(Pre-Swing) 및 유각기(Swing)로 보행단계를 구분할 수 있고, 이를 식으로 표현하면, 다음과 같다.

운동의도 인식단계(S120)는 상기 보행단계 판별단계(S110)가 수행된 이후에, 상기 착용자로부터 상기 착용로봇(1)의 가해지는 힘을 감지하고, 이를 제어부(11)에서 판별하여 상기 착용자의 운동의도를 인식하는 단계이다. 상기 착용로봇(1)의 각 액츄에이터에 부착된 힘/토크 센서를 직접적(Direct Force Feedback : Impedance control, Admittance control)으로 이용하는 방법과 역동역학에 의한 방법(Virtual torque method)이 있다. 상기의 두 가지 방법 모두 사용이 가능하지만 상기 착용자와 상기 착용로봇(1)의 인터페이스를 최소화하고 착용자의 운동 특성에 따른 민감도를 줄이기 위해 역동역학에 의한 제어 방법이 사용되는 것이 바람직하다.

상기 역동역학적 제어에서는 상기 착용로봇(1)에 부착된 각 링크부재의 토크센서로 측정된 토크와, 관절부위 즉 링크부재의 연결부위에 설치된 각센서로 측정한 관절부위의 회전각도, 각속도, 각가속도를 이용한 역동역학(Inverse Dynamics) 관계식과의 차이를 이용하여 착용자의 운동의도를 인식한다.

(단,

: actuator torque,

: force applied by human,

: torque applied by human,

: position vector of the ganeralized F_HMj _,T_HM : human-machine torque(T_HM = -T_MH))

상기 식에서

는 액츄에이터 F/T센서로부터 구해지고,

는 역동역학에 의해 구할 수 있다.

특히, 상기 착용자의 운동의도를 인식하기 위해서 상기 착용로봇(1)의 역동역학 계산은 도 8에 도시된 바와 같이, 보행단계별로 대표 모델을 만들어 수행할 수 있다. 예컨대, 입각기(Stance) 단계에서는 발바닥이 지면에 닿아 있는 위치에서 고정 좌표계를 설정하고 역동역학을 해석하고, 유각기(Swing) 단계에서는 로봇 상체에 고정좌표계를 설정하고 역동역학을 해석할 수 있다.

한편, 상기 입각기와 상기 유각기에서의 역동역학을 계산하기 위한 식을 표현하면 다음과 같다.

(단, V : body twist, q : joint angle, W : body wrength, L : torque influence matrix, M : inertia, C : bias matrix, F: gravitational force, external force wrench)

본 발명에서는 각 보행단계별로 상기 착용자의 운동의도에 맞게, 각 보행단계별로 맞는 제어를 수행한다.

초기 입각기(Initial Contact)에서는 유각기에서 입각기로 보행 천이가 발생하면서 생기는 제어 명령의 급격한 변화에 의한 불안정성을 최소화하기 위해 토크 세이핑(Torque Shaping)기법을 적용한다. 상기 토크 세이핑기법은 보행단계가 유각기에서 입각기로 천이될 때 발생하는 급격한 토크 입력 변화를 완만하게 하는 함수를 사용해서 완만하게 변화하도록 해서 안정적인 보행이 되도록 하기 위한 것으로, 후술되는 보행천이 토크 성형단계(S140)에 적용된다.

입각기(Stance) 구간에서는 하중을 지지할 수 있도록 액티브 컨트롤(Active control), 예컨대, 다이렉트 포스 피드백(Direct Force Feedback) 또는 버츄얼 조인트 토크 방법(Virtual joint torque method)을 사용한다. 여기서, 다이렉트 포스 피드백은 사람과 착용로봇 사이에 상호작용력을 측정하여 그에 따라 제어하는 방법이고, 버츄얼 조인트 토크 방법은 사람과 착용로봇 사이에 상호작용력을 측정하여 센서를 부착하지 않고, 로봇에 장착된 센서만으로 역동역학 관계식을 이용하여 상호작용력을 추정하여 제어하는 방법이다.

사전 유각기(Pre-Swing) 단계에서는 임피던스를 줄여주기 위해 제어모드를 빨리 전환해주기 위해 GRF(ground Reaction Force) 기반의 프리 트랜지션(Pre-transition) 기법이 적용된다. 상기 프리 트랜지션은 보행 모드가 입각기에서 유각기로 넘어갈 때 GRF 값이 임계값 이하로 떨어지면 유각기 제어모드로 미리 전환하는 방법이다.

유각기(Swing)에는 하중지지는 크지 않기 때문에 착용자의 운동의도에 따라 동기화 운동이 가능한 제로 임피던스(Zero-Impedance) 제어 기법이 적용된다. 상기 제로 임피던스 제어 기법은 외부에서 힘을 가해 움직일 때 아무 저항없이 움직일 수 있게 하는 제어 방법(마찰 보상, 중력보상 등)이다. 상기 제로 임피던스 제어 기법은 패시브 모드에 해당하는 것으로서, 본 발명에서는 액츄에이터로 공급되는 유압을 바이패스시키는 패시브 모드에서 유압장치의 바이패스를 통하여 달성될 수 있다.

유압 제어 단계(S150)에서는 상기 착용로봇의 관절부위의 각도를 제어하기 위해 관절부위의 각도를 제어하는 액츄에이터로 보내지는 유압을 보행단계별로, 보행모드별로 제어하는 단계이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 보행단계 및 착용자의 운동의도에 따라 상기 착용로봇(1)의 보행제어가 이루어질 때, 각 관절부위, 특히 고관절과 슬관절을 저속으로 구동하면서, 상기 착용자 및 상기 착용로봇(1)의 하중을 지지해야 하기 때문에 고토크로 관절구동이 필요한 입각기에서는 액티브 컨트롤(Active control)을 하기 위해 유압구동기에 의한 토크제어를 수행한다. 그리고, 큰 관절 운동을 비교적 빠르게 움직이기 때문에 로봇 관절의 높은 구동 대역폭(bandwidth)를 필요하지만, 부하가 적어 상대적으로 낮은 구동토크가 필요한 유각기에서는 유압 회로에 의한 바이패스를 통해 수동 제어를 수행하도록 한다.

즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 보행단계가 입각기인 다리를 제어하기 위해서는 상기 오일펌프(14c)에 의해 가압된 오일이 상기 3웨이밸브(14e)를 통하여 고관절()의 각도를 제어하는 액츄에이터(23) 또는 슬관절부(40)의 각도를 제어하는 액츄에이터(33)로 각각 공급되어 액티브 모드(active mode)로 작동되도록 함으로써, 상기 액츄에이터가 고토크를 발생시킬 수 있도록 작동하도록 한다. 한편, 보행단계가 유각기인 다리를 제어하기 위해서는 상기 오일이 3웨이밸브(14e)를 통하여 슬관절부(40)의 각도를 제어하는 액츄에이터로 공급되는 것을 차단되어 패시브 모드(passive mode)로 작동되도록 상기 3웨이밸브(14e)와 액츄에이터 사이에 설치된 상기 바이패스밸브(14f)를 통하여 바이패스되도록 하여 상기 액츄에이터로부터 저토크가 발생되도록 한다.

보행단계 천이 예측단계(S130)에서는, 유압식 착용로봇의 보행 제어시 도 9에 도시된 바와 같이 액티브 모드 또는 패시브 모드로 나누어 제어를 하지만 보행천이에 대한 고려가 되어 있지 않다. 따라서, 상기 보행단계 천이 예측단계(S130)를 통하여 상기 착용자의 보행 속도를 개선하고 역부하에 의한 피로감을 줄여줄 수 있도록, 보행단계 천이예측제어 기법을 적용한다.

보행단계가 입각기에서 유각기로 전환될 때, 도 10에 도시된 바와 같이, 발바닥에 부착된 보행판별센서(78a)(78b)(78c)(78d)에 의해 측정된 정보(GRF)를 기반으로 하여, 상기 보행판별센서(78a)(78b)(78c)(78d)로부터 측정된 값이 미리 설정된 임계값 보다 작으면, 실질적으로 하중 지지 역할이 거의 없는 사전 유각기로 판단하고 액티브모드에서 패시브모드로 전환을 사전에 수행한다. 이를 통해 패시브 모드 수행시 상기 바이패스밸브(14f)가 바이패스로 작동시 잔류 내압(대략 1~5 bar)에 의한 역부하를 최소화하고 보행속도 증대에 중요한 단계인 유각기에서 속도를 증대시킬 수 있다.

상기 보행단계 천이 예측단계(S130)는 보행단계의 천이를 예측한 바를 반영하여 착용로봇을 제어해야 하는 것인 바, 상기 유압 제어 단계(S150)보다 먼저 수행되는 것이 바람직하다.

보행천이 토크 성형단계(S140)에서는 도 11에서와 같이, 가중치함수(weighting function)을 이용하여 보행제어에 사용되는 토크값을 성형한다. 상기 보행천이 토크 성형단계(S140)에서 성형된 토크는 상기 유압 제어 단계(S150)에 적용되는 것이므로, 상기 보행단계 천이 예측단계(S130)와 유압 제어 단계(S150) 사이에 실시되는 것이 바람직하다.

상기 보행천이 토크 성형단계(S140)는 유각기에서 입각기로 보행이 천이될 때, 적용되는 것으로서, 유각기와 입각기의 고정좌표계 위치 및 하중지지 특성 변화로 인한 제어 명령의 불연속 또는 급격한 제어 명령의 변화를 완화시키기 위해 적용된다. 이를 위해 상기 가중치합수를 반영하여 안정적인 제어가 가능하도록 구현한다.

여기서, 상기 가중함수의 예로 다음을 들 수 있다.

상기 가중치함수를 적용하면, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 유각기로부터 입각기로 전환될 때, 역동역학적 추정토크 대신에 성형된 토크가 적용됨으로써, 안정적인 보행이 가능하다. 즉, 상기 보행천이 토크 성형단계(S140)에서는 앞서 구해진 역동역학적 추정토크에서 유각기에서 입각기로 전환될 때, 토크의 변동을 상대적으로 더 완만해지도록 토크명령을 성형하여 안정적인 보행이 가능하도록 한다. 즉, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 유각기로부터 입각기로 전환될 때, 역동역학 계산에 의한 추정토크는 유각기가 완료되는 순간 급격이 줄어든 다음 입각기로 전환되는데, 토크의 기울기가 완만해지도록 성형함으로써, 유각기가 완료되는 순간 완만하게 토크가 감소하도록 함으로써 안정적인 보행이 가능해진다.

1 : 착용로봇 10 : 백팩부
11 : 제어부 12 : 자세센서
13 : 배터리 14 : 유압공급부
14a: 오일팬 14b: 모터
14c : 오일펌프 14d : 체크밸브
14e : 3웨이밸브 14f : 바이패스밸브
20 : 골반링크부 21 : 고관절
22 : 고관절 각센서 23 : 고관절 액츄에이터
24 : 고관절 액츄에이터 힘센서 30 : 대퇴링크부
31 : 대퇴파지부 32 : 대퇴길이조절링크
33 : 슬관절 액츄에이터 34 : 슬관절 액츄에이터 센서
35 : 대퇴 HRI센서 40 : 슬관절부
41 : 슬관절 각센서 50 : 하퇴링크부
51 : 하퇴파지부 52 : 하퇴길이조절링크
53 : 하퇴 HRI센서 60 : 족관절부
61 : 족관절 각센서 70 : 발바닥링크부
71 : 발목관절 72 : 발바닥 IMU센서
73 : 발바닥 전방 하판 74 : 발바닥 후방 하판
75 :발바닥 연결 탄성체 76 : 발바닥 전방 상판
77 : 발바닥 후방 상판 78a, 78b, 78c,78c : 보행판별센서
S110 : 보행단계 판별단계 S120 : 운동의도 인식단계
S130 : 보행단계 천이 예측단계 S140 : 보행천이 토크 성형단계
S150 : 유압제어단계

Claims

서로 링크연결되는 복수의 링크부재를 포함하고, 착용자가 착용하며, 상기 링크 연결부위가 유압에 의해 각도가 조절되는 착용로봇의 보행천이를 제어하는 착용로봇의 보행천이 제어방법에 있어서,
착용로봇의 발바닥 부위에 가해지는 압력을 이용하여, 초기 입각기, 입각기, 사전 유각기, 유각기 중 어느 하나로 상기 착용로봇의 보행단계를 판별하는 보행단계 판별단계와,
상기 착용로봇의 각 링크부재 또는 링크부재가 연결되는 부위에 설치된 센서를 이용하여 착용자로부터 상기 착용로봇에 가해지는 힘을 감지하여 착용자의 운동의도를 인식하는 운동의도 인식단계와,
착용자의 운동의도에 맞게 보행단계별로 상기 착용로봇의 고관절과 슬관절의 각도가 조절되도록 상기 고관절의 각도를 제어하는 액츄에이터와 상기 슬관절의 각도를 제어하는 또 다른 액츄에이터로 공급되는 유압을 제어하는 유압 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행천이 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 보행단계 판별단계에서는 착용자에 족부에 착용되는 착용로봇의 발바닥 링크부에 서로 이격되게 설치되는 복수의 보행판별센서와 지면 사이의 반발력을 측정하고, 각 보행판별센서로 측정된 반발상기 반발력이 미리 설정된 임계값의 초과여부에 따라 보행단계를 판별하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행천이 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 운동의도 인식단계에서는,
착용로봇의 링크부재 또는 링크부재의 연결부위에 설치된 센서로부터 측정된 상기 링크부재의 연결부위의 토크, 각도, 각속도 및 각가속도를 역동역학 관계식에 대입하여 착용자의 운동의도를 인식하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행천이 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 유압 제어 단계에서는,
상기 보행단계가 입각기이면, 관절부위가 저속으로 구동하면서 착용로봇의 하중을 지지하도록 상기 유각기일 때보다 고토크가 발생하도록 유압이 제어되는 액티브 모드가 작동되고,
상기 보행단계가 유각기이면, 상기 관절부위의 각도를 조절하는 액츄에이터로 유압의 일부가 바이패스되어 상기 입각기일때보다 저토크가 되도록 저토크가 되도록 유압이 제어되는 패시브 모드가 작동되는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행천이 제어방법.
제4항에 있어서,
상기 유압 제어 단계가 수행되기 이전에는, 보행단계가 입각기에서 유각기로 전환될 때, 상기 착용로봇에 설치된 보행판별센서로부터 측정되는 값이 미리 설정된 임계값보다 작으면, 보행단계를 사전유각기로 판단하고, 상기 액티브 모드로부터 상기 패시브 모드로 전환되는 보행단계 천이 예측단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행천이 제어방법.
제5항에 있어서,
상기 보행단계 천이 예측단계과 상기 유압 제어 단계 사이에는,
보행단계가 유각기에서 입각기로 전환될 때, 역동역학적 계산에 의해 구해진 역동역학적 추정토크의 기울기보다 완만한 기울기로 입각기로 전환되도록 하는 보행천이 토크 성형단계를 더포함하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 보행천이 제어방법.