KR20170018218A - Method and system of controlling wearable robot - Google Patents

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KR20170018218A
KR20170018218A KR1020150111486A KR20150111486A KR20170018218A KR 20170018218 A KR20170018218 A KR 20170018218A KR 1020150111486 A KR1020150111486 A KR 1020150111486A KR 20150111486 A KR20150111486 A KR 20150111486A KR 20170018218 A KR20170018218 A KR 20170018218A
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홍영대
신완재
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Abstract

Provided are a method and a system of controlling a wearable robot, wherein the method comprises: a measurement step of measuring joint torque on each joint of a robot, calculating intention torque which a wearer intends in each joint through the same; an adding step of adding the intention torque in each joint to draw an imaginary intention force on a dead end of a robot; and a distribution step of distributing the intention force to control torque to control a drive unit in each joint.

Description

착용식 로봇 제어 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM OF CONTROLLING WEARABLE ROBOT}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method and system for controlling a wearable robot,

본 발명은 로봇에서 측정된 토크를 가속도로 환산한 후 임피던스 모델 적용을 통해 착용자의 정확한 동작 의도를 파악하여 로봇 제어 방법의 성능을 향상시킬 수 있는 착용식 로봇 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a wearable robot control method and system capable of improving the performance of a robot control method by converting a torque measured by a robot into an acceleration and then determining an accurate operation intention of the wearer through application of an impedance model.

산업 현장에서는 고하중의 물건을 취급해야 하는 작업이 많은바, 최근 이러한 고하중 물건의 취급시에 인체에 작용하는 부하를 줄이고 편의성을 증가시킬 수 있도록 하기 위하여, 작업자가 로봇을 착용하여 약간의 조작력만으로 로봇을 조작함으로써, 고하중의 물건을 용이하게 다룰 수 있도록 하는 착용식 로봇(Wearable robot)이 개발되고 있다.In order to reduce the load acting on the human body and to increase the convenience in handling such a high-load object, a worker wears a robot so that a slight operation force A wearable robot has been developed which can easily handle a heavy object by manipulating the robot with only the robot.

이러한 로봇의 제어가 적절하게 이루어질 수 있도록 하기 위해서는, 로봇에 적절한 센서를 장착하여 사용자가 움직이고자 하는 의도 토크를 정확히 파악하여 로봇을 사용자의 의도에 맞게 제어하는 것이 필요하다.In order to properly control the robot, it is necessary to mount an appropriate sensor on the robot to accurately grasp the intended torque of the user and to control the robot according to the user's intention.

따라서 착용자의 의도를 파악하여 로봇을 제어하기 위한 다양한 제어기법으로 로봇 각 관절 모터의 전류변화와 로봇에 장착된 가속도 센서의 측정값을 통하여 사용자의 조작 의도 토크를 간단하고 신속하게 추출해내는 제어 방법 등이 제시되고 있다.Therefore, a control method that extracts user's intended intention torque easily and quickly through the change of the current of each joint motor of the robot and the measurement value of the acceleration sensor mounted on the robot by various control techniques for grasping the wearer's intention and controlling the robot .

그러나 위와 같은 방식으로 산출한 착용자 동작 의도 토크는 순간적인 착용자의 동작 의도에 대한 각 관절의 독립적인 발생 토크이므로 정확한 착용자의 동작 의도와는 다를 수 있다. 또한, 종래의 방식은 별도의 가속도 센서 장착이 요구되므로 로봇의 무게 및 원가 측면에서 효율적이지 못하다.However, the wearer's motion intention torque calculated in the above-described manner may be different from the motion intention of the correct wearer because it is an independent generated torque of each joint with respect to an instantaneous wearer's motion intention. In addition, the conventional method is not efficient in terms of the weight and the cost of the robot since a separate acceleration sensor is required.

따라서, 가속도 센서와 같은 별도의 센서를 로봇에 장착하지 않고도 착용자의 동작 의도를 정확히 파악하여 착용자의 의도대로 적절하게 로봇을 제어할 수 있는 제어방법이 필요하다.Therefore, there is a need for a control method that can precisely grasp the motion intention of the wearer without disposing a separate sensor such as an acceleration sensor on the robot and control the robot appropriately according to the wearer's intention.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대해 이해 증진을 위한 것인 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.It should be understood that the foregoing description of the background art is merely for the purpose of promoting an understanding of the background of the present invention and is not to be construed as an admission that the prior art is known to those skilled in the art .

본 발명은 사람이 착용식 로봇을 착용하고 동작시에 로봇이 착용자의 정확한 동작 의도를 파악하여 적절하게 제어할 수 있도록 하는 착용식 로봇 제어 방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a wearable robot control method and system for allowing a wearer to wear a wearable robot and grasp the correct operation intention of the wearer during the operation thereof and appropriately control the wearer's operation intention.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 착용식 로봇 제어 방법은 로봇의 각 관절에서의 관절토크를 측정하고, 이를 통해 각 관절에서의 착용자가 의도하는 의도토크를 산출하는 측정단계; 각 관절에서의 의도토크를 합산하여 로봇 끝단에서의 가상의 의도힘을 도출하는 합산단계; 및 의도힘을 각 관절에서의 구동부를 제어하기 위한 제어토크로 분배하는 분배단계;로 구성된다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling a wearable robot, comprising: measuring a joint torque at each joint of a robot and calculating an intention torque of a wearer at each joint; A summation step of summing the intention torques at each joint to derive a virtual intention force at the robot end; And a distribution step of distributing the intentional force to a control torque for controlling the driving part in each joint.

관절토크는 각 관절에 마련된 토크셀을 이용하여 측정할 수 있으며, 의도토크는 관절토크값에 동역학 모델토크값을 합산하여 산출한다. 여기서 동역학 모델토크값은 중력에 의한 토크값, 원심력에 의한 토크값 및 코리올리의 힘에 의한 토크값을 합산하여 구한다.The joint torque can be measured using the torque cell provided in each joint, and the intent torque is calculated by summing up the joint torque torque and the kinetic model torque value. Here, the kinetic model torque value is obtained by summing the torque value by gravity, the torque value by centrifugal force, and the torque value by Coriolis force.

본 발명에서 로봇 끝단에서의 가상의 의도힘은 합산한 의도 토크를 이용하여 로봇 끝단의 가속도를 도출한 후 하기의 수식을 이용하여 산출한다.In the present invention, the imaginary intention force at the end of the robot is calculated by deriving the acceleration at the end of the robot using the summed intention torque and using the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
: 가상의 의도힘,
Figure pat00003
: 로봇 끝단의 위치, 속도, 가속도,
Figure pat00004
: 임피던스 모델 파라미터
Figure pat00002
: Virtual intention force,
Figure pat00003
: Position, velocity, acceleration,
Figure pat00004
: Impedance model parameters

위에서 제시한 로봇 끝단의 가속도는 하기의 수식을 이용하여 도출한다.The above-mentioned acceleration of the end of the robot is derived using the following equation.

Figure pat00005
Figure pat00005

Figure pat00006
: 로봇 끝단의 가속도, J: 자코비안 행렬, M(q): 질량 행렬, V(q): 원심력과 코리올리힘 행렬, G(q): 중력행렬,
Figure pat00007
: 의도토크,
Figure pat00008
: 로봇 관절의 각속도
Figure pat00006
G (q): Gravitational matrix, V (q), V (q): acceleration of the robot end, J: Jacobian matrix,
Figure pat00007
: Intention torque,
Figure pat00008
: Angular velocity of robot joint

제어토크는 의도힘에 자코비안 트랜스포즈(Jacobian Transpose)를 적용한 값과 로봇동작시에 발생할 수 있는 손실토크를 보상하는 제어보상토크값을 합산한 값이며, 따라서 제어보상토크값은 마찰보상토크값과 관절댐퍼토크값을 합산한 값으로 이루어질 수 있다.The control torque is a sum of a value obtained by applying a Jacobian transform to the intention force and a control compensation torque value compensating for a loss torque that can be generated in a robot operation. Therefore, the control compensation torque value is a value And the joint damper torque value.

본 발명에 따른 착용식 로봇 제어 시스템은 로봇 각 관절의 토크값을 측정하는 측정부; 로봇 각 관절의 제어토크를 적용하는 구동부; 로봇의 각 관절에서의 관절토크를 측정하고, 이를 통해 각 관절에서의 착용자가 의도하는 의도토크를 산출하며 산출한 의도토크를 합산하여 로봇 끝단에서의 가상의 의도힘을 도출하고, 의도힘을 각 관절에서의 구동부를 제어하기 위한 제어토크로 분배하는 제어부;로 구성될 수 있다.A wearable robot control system according to the present invention includes: a measurement unit for measuring a torque value of each joint of a robot; A driving unit applying a control torque of each joint of the robot; The joint torque at each joint of the robot is measured to calculate the intended intention torque of the wearer at each joint and the imaginary intention force at the end of the robot is calculated by summing the calculated intention torque, And a control unit for distributing the control torque to control the driving unit in the joint.

본 발명에 따른 착용식 로봇 제어 시스템의 의도토크는 관절토크값에 동역학 모델토크값을 합산한 값이며 동역학 모델토크값은 중력에 의한 토크값, 원심력에 의한 토크값 및 코리올리의 힘에 의한 토크값을 합산한 값이다.The intentional torque of the wearable robot control system according to the present invention is a value obtained by summing up the joint torque value and the kinetic model torque value, and the kinetic model torque value is a torque value by gravity, a torque value by centrifugal force, .

본 착용식 로봇 제어 시스템의 로봇 끝단에서의 가상의 의도힘은 합산한 의도 토크를 이용하여 로봇 끝단의 가속도를 도출한 후 하기의 수식을 이용하여 산출할 수 있다.The virtual intention force at the robot end of the wearable robot control system can be calculated using the following equation after deriving the acceleration of the robot end using the summed intention torque.

Figure pat00009
Figure pat00009

Figure pat00010
: 가상의 의도힘,
Figure pat00011
: 로봇 끝단의 위치, 속도, 가속도,
Figure pat00012
: 임피던스 모델 파라미터
Figure pat00010
: Virtual intention force,
Figure pat00011
: Position, velocity, acceleration,
Figure pat00012
: Impedance model parameters

또한 본 착용식 로봇 제어 시스템의 로봇 끝단의 가속도는 하기의 수식을 이용하여 도출할 수 있다.Also, the acceleration of the robot end of the wearable robot control system can be derived using the following equation.

Figure pat00013
Figure pat00013

Figure pat00014
: 로봇 끝단의 가속도, J: 자코비안 행렬, M(q): 질량 행렬, V(q): 원심력과 코리올리힘 항, G(q): 중력항,
Figure pat00015
: 의도토크,
Figure pat00016
: 로봇 관절의 각속도
Figure pat00014
: Acceleration of robot end, J: Jacobian matrix, M (q): mass matrix, V (q): centrifugal force and Coriolis force term, G (q)
Figure pat00015
: Intention torque,
Figure pat00016
: Angular velocity of robot joint

본 착용식 로봇 제어 시스템의 제어부에서 구동부로 분배하는 제어토크는 의도힘에 자코비안 트랜스포즈(Jacobian Transpose)를 적용한 값과 로봇동작시에 발생할 수 있는 손실토크를 보상하는 제어보상토크값을 합산하며 제어보상토크값은 마찰보상토크값과 관절댐퍼토크값을 합산할 수 있다.The control torque distributed to the driving unit from the control unit of the wearable robot control system is a sum of a value obtained by applying Jacobian Transpose to the intention force and a control compensation torque value compensating for the loss torque that may occur during the operation of the robot The control compensation torque value can add up the friction compensation torque value and the joint damper torque value.

상술한 바와 같이 착용시 로봇 제어 방법을 이용하면 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.As described above, by using the robot control method when worn, the following effects can be obtained.

첫째, 로봇이 각 관절에서 측정된 토크를 이용하여 로봇 다리 끝단의 움직임을 감지하여 정확한 착용자 동작 의도를 감지할 수 있게되는바, 착용자의 동작 의도와 로봇 움직임의 정합성이 향상된다.First, the robot senses the movement of the end of the robot leg using the torque measured at each joint, so that it is possible to accurately detect the motion intention of the wearer, thereby improving the consistency of the robot's motion with the motion intention of the wearer.

둘째, 관절에서 측정된 토크를 이용하여 별도의 장치추가 없이 본 발명의 알고리즘만으로 각 다리 끝단의 가속도, 속도, 위치 등이 산출이 가능한므로 본 발명 실시에 의한 원가상승의 우려가 없다.Second, the acceleration, speed, and position of each leg end can be calculated using only the algorithm of the present invention without adding a separate device by using the torque measured at the joint, so there is no fear of cost increase by the implementation of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 착용식 로봇 제어 방법의 순서도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 착용식 로봇 제어 시스템의 구성도
1 is a flowchart of a wearable robot control method according to an embodiment of the present invention
2 is a configuration diagram of a wearable robot control system according to an embodiment of the present invention

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 살펴본다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 의한 착용식 로봇 제어 방법은 도1에서도 볼 수 있듯이 로봇의 각 관절에서의 관절토크를 측정하고, 이를 통해 각 관절에서의 착용자가 의도하는 의도토크를 산출하는 측정단계(S100);, 각 관절에서의 의도토크를 합산하여 로봇 끝단에서의 가상의 의도힘을 도출하는 합산단계(S200); 및 의도힘을 각 관절에서의 구동부를 제어하기 위한 제어토크로 분배하는 분배단계(S300);로 구성되어 있다.As shown in FIG. 1, the method of controlling a wearable robot according to the present invention includes a measuring step (S100) of measuring joint torques at respective joints of a robot and calculating intentional torques intended by a wearer at each joint; A summing step S200 of summing the intention torques at the respective joints to derive a virtual intention force at the robot end; And a distribution step (S300) of distributing the intentional force to a control torque for controlling the driving part in each joint.

측정단계(S100)에서는 로봇의 각 관절에서의 관절토크값을 도출하게 되는데, 관절 토크 값을 도출하는 방법은 다양하게 존재한다. 그 중 가장 정확하고 직접적인 방법은 각 관절에 마련된 토크셀을 이용하여 측정하는 것이다. 따라서 본 발명에서는 토크셀을 이용하여 관절토크값을 측정하는 방법을 제안하였다.In the measuring step S100, the joint torque values at the respective joints of the robot are derived. There are various methods for deriving the joint torque values. The most accurate and direct method is to measure using the torque cells provided in each joint. Therefore, the present invention proposes a method of measuring the joint torque value using the torque cell.

이 외에도 관절에 마련된 엔코더를 이용하여 관절의 각도 및 각속도 값을 측정하여 이를 기본으로 토크값을 산출하는 방법도 이용될 수 있을 것이다. 다만, 이와 같은 방법은 측정된 각도 및 각속도값을 토크값으로 변환해줄 제어부가 별도로 필요하고 변환하는 과정에서 정확성이 떨어질 수 있는 단점이 있다.In addition, a method of calculating the torque value based on the measurement of the angle and angular velocity of the joint using the encoder provided in the joint may be used. However, such a method is disadvantageous in that the controller needs to separately convert the measured angular and angular velocity values into the torque values, and the accuracy of the conversion may deteriorate during the conversion process.

각 관절의 관절토크 값을 측정한 후에는 이를 이용하여 착용자의 의도 토크를 산출하게 된다. 착용자의 의도 토크를 산출하는 방식은 다양하게 존재할 수 있을 것이다. 앞서 설명한 관절토크값을 힘으로 변경한 후 힘값을 이용하여 의도 토크를 산출할 수도 있고, 착용자의 의도 토크를 산출하기 위한 별도의 센서를 마련하는 방법도 고려할 수 있다.After measuring the joint torque value of each joint, it is used to calculate the intention torque of the wearer. There are various ways of calculating the intention torque of the wearer. The intention torque may be calculated using the force value after changing the joint torque value described above by force or a method of providing a separate sensor for calculating the intention torque of the wearer may be considered.

본 발명에서는 앞의 방식과 차별되게 측정된 관절토크값에 동역학 모델토크값을 합산하여 착용자 동작 의도 토크를 산출하는 방법을 제시하고 있다.In the present invention, a method of calculating a wearer's intention torque by summing a kinematic model torque value to a joint torque value measured differently from the above-described method is proposed.

사람이 로봇을 착용하고 움직이는 경우 관절에서 측정될 수 있는 토크값은 크게 두 종류가 있다고 볼 수 있다. 하나는 관절에 맞닿아 있는 부위가 서로 다른 방향으로 움직이면서 관절이 뒤틀려져 발생하는 토크 값이다. 이는 착용자의 움직임에 따른 상대적인 토크값으로 볼 수 있으며, 앞서 언급한 관절토크 측정값이 이 값에 해당된다. 다른 하나는 동역학 모델토크값으로 앞서 설명한 바와 달리 사람 및 로봇에게 항상 적용되는 힘인 중력등에 의하여 발생하는 토크 값이다. 이 값은 사람이 지구에서 로봇을 착용하고 움직이는 한 항상 적용되어야 하는 값으로 앞의 토크값과 비교하자면 절대적인 토크값이라고 볼 수 있다.When a person wears a robot, there are two types of torque values that can be measured in joints. One is the torque value that occurs when the joints move in different directions and the joints are twisted. This can be regarded as a relative torque value according to the wearer's motion, and the above-mentioned joint torque measurement value corresponds to this value. The other is the torque value generated by the gravity force, which is always applied to the human being and the robot, unlike the above-mentioned dynamics model torque value. This value should always be applied as long as a person wears a robot on the earth and can be regarded as an absolute torque value when compared with the previous torque value.

따라서 본 발명에서는 착용자의 동작 의도 토크를 산출하는데 있어서 착용자의 의도를 정확하게 반영하기 위해 상기의 두 토크값을 합산하는 방식을 제시하고 있다.Therefore, in the present invention, a method of summing the two torque values to accurately reflect the wearer's intention in calculating the intention torque of the wearer is proposed.

동역학 모델토크값은 다양한 형태로 존재할 수 있으나, 일반적으로는 중력에 의한 토크값, 원심력에 의한 토크값 및 코리올리의 힘에 의한 토크값을 합산한 값으로 보며 수식으로 보자면 아래와 같다.The kinetic model torque value may exist in various forms, but generally, the torque value due to gravity, the torque value due to centrifugal force, and the torque value due to the Coriolis force are summed up.

Figure pat00017
Figure pat00017

Figure pat00018
: 동역학모델토크값, M(q): 질량행렬, q'': 관절 각가속도, V(q,q'): 원심력과 코리올리힘 행렬, G(q): 중력행렬
Figure pat00018
(Q, q '): centrifugal force and Coriolis force matrix, G (q): gravity matrix,

위의 수식에서 질량행렬은 로봇과 사람의 질량의 합을 의미하며, 질량행렬값에 관절 각가속도값을 곱하여 관절의 회전 움직임에 따른 토크값을 얻을 수 있게 된다. G(q)는 중력행렬로 지구상에 작용하는 중력을 반영하기 위한 항이다. V(q,q')값은 원심력과 코리올리힘 행렬값이다. 이 값을 동역학 모델토크값에 반영하는 이유는 아래와 같다.In the above equation, the mass matrix is the sum of the masses of the robot and the human, and the mass matrix value is multiplied by the angular velocity of the joint to obtain the torque value according to the rotational motion of the joint. G (q) is a term used to reflect the gravity acting on the earth as a gravity matrix. V (q, q ') is the centrifugal force and Coriolis force matrix value. The reasons for reflecting this value in the kinetic model torque value are as follows.

원심력은 관절이 기본적으로 회전운동을 하는바 원심력이 발생하므로 이를 반영하기 위함이다. 코리올리의 힘은 흔히 전향력이라고도 불리우는데, 회전하는 운동계에서 운동하는 물체를 관측할 때 나타나는 겉보기의 힘이다. 지구는 자전을하므로 북반구와 남반구 모두다 자전에 의한 전향력이 작용하게 된다. 물론 적도지역에서는 전향력이 거의 작용하지 않겠지만 대한민국이 위치한 북반구에서는 물체의 움직임 방향에서 오른쪽방향으로 전향력이 작용한다. 따라서 본 발명에서도 정확한 토크값 산출을 위하여 코리올리의 힘을 반영하였다.The centrifugal force is intended to reflect the centrifugal force generated by the joint rotating motion. The Coriolis force is often referred to as the turning force, which is the apparent force that appears when observing a moving object in a rotating kinetic system. As the Earth rotates, the rotating force of rotation in both the northern and southern hemispheres will act. Of course, in the northern hemisphere where the Republic of Korea is located, there is a directing force in the direction of movement of the object to the right, although the directional force will hardly act in the equatorial region. Therefore, the present invention also reflected the Coriolis force for accurate torque value calculation.

위에서 설명한 방식에 따라 측정단계(S100)를 끝마쳤다면 도1에서 볼 수 있듯이 합산단계(S200)로 넘어가게 된다. 기존 착용자의 동작 의도 토크값을 구하는 제어 방법들은 각 관절에 장착된 토크셀 측정 토크를 이용하여 착용자 동작 의도 토크를 얻고 이러한 착용자 동작 의도 토크를 이용하여 각 관절별로 제어하는 방법이 대부분이었다.If the measurement step S100 is completed according to the above-described method, the process proceeds to the summing step S200 as shown in FIG. Control methods for obtaining the intention torque value of the existing wearer are mostly the method of obtaining the wearer's intention torque using the torque cell measurement torque mounted on each joint and controlling each wearer's intention torque by each joint.

그러나 이러한 착용자의 동작 의도 토크는 순간적인 착용자의 동작 의도에 대한 각 관절의 독립적인 발생 토크이므로 정확한 착용자의 동작 의도와는 다를 수 있다. 따라서 본 발명에서는 각 관절에서 측정된 동작 의도 토크를 합산하여 종합적인 착용자의 동작 의도를 파악하는 방법을 제시하고 있는바, 본 합산단계(S200)에서는 우선적으로 측정단계(S100)에 의하여 산출된 각 관절의 의도토크를 합산한다.However, the wear intention torque of the wearer may be different from the wear intention of the wearer because it is an independent occurrence torque of each joint with respect to the intentional motion intention of the wearer. Accordingly, the present invention proposes a method of collecting the operation intention of the wearer by summing the operation intention torque measured at each joint, so that in this summation step (S200) Adds the intention torque of the joint.

합산 후에는 합산된 의도토크값을 이용하여 로봇 끝단에서의 가상의 의도힘을 구하여야 한다. 본 발명에서는 가상의 의도힘을 가상의 임피던스 모델을 통하여 구하는 방법을 제시하고 있고 그 자세한 방법은 아래와 같다.After summing, the virtual intention force at the end of the robot should be calculated using the summed intent torque value. In the present invention, a method of obtaining a virtual intention force through a virtual impedance model is presented, and detailed methods are as follows.

Figure pat00019
Figure pat00019

Figure pat00020
: 가상의 의도힘,
Figure pat00021
: 로봇 끝단의 위치, 속도, 가속도,
Figure pat00022
: 임피던스 모델 파라미터
Figure pat00020
: Virtual intention force,
Figure pat00021
: Position, velocity, acceleration,
Figure pat00022
: Impedance model parameters

상기 수식에서 임피던스 모델 파라미터는 가상의 의도힘을 산출하기 위해 로봇 제어부에 설정되는 변환계수와 동일하게 볼 수 있는바, 로봇의 종류 및 상태에 따라 다양한 값으로 존재할 수 있다. 그러나 로봇 끝단의 위치, 속도 및 가속도의 값은 로봇의 관절 움직임에 따라 정해지는 값이다. 따라서 본 수식에서 정확한 가상의 의도힘을 구하기 위해서는 결국 로봇 끝단의 위치, 속도 및 가속도의 값을 정확하게 구하는 것이 중요하다. 따라서 종래 기술은 위치, 속도 및 가속도 값을 정확하게 산출하기 위해 가속도값을 측정할 수 있는 별도의 센서를 두었다.In the above equation, the impedance model parameters may be the same as the transformation coefficients set in the robot controller for calculating the virtual intention force, and may be various values depending on the type and state of the robot. However, the position, velocity, and acceleration values of the end of the robot are determined according to the motion of the robot. Therefore, in order to obtain the accurate virtual intention force in this equation, it is important to accurately obtain the position, velocity, and acceleration of the end of the robot. Therefore, the prior art has a separate sensor capable of measuring acceleration values to accurately calculate position, velocity, and acceleration values.

그러나 본 발명에서는 별도의 가속도 센서 없이도 로봇 끝단의 가속도를 구할 수 있는 방법으로 하기의 수식을 이용하는 방식을 제안하고 있다.However, in the present invention, a method using the following formula is proposed as a method of obtaining the acceleration of the end of the robot without a separate acceleration sensor.

Figure pat00023
Figure pat00023

Figure pat00024
: 로봇 끝단의 가속도, J: 자코비안 행렬, M(q): 질량 행렬, V(q): 원심력과 코리올리힘 행렬, G(q): 중력행렬,
Figure pat00025
: 의도토크,
Figure pat00026
: 로봇 관절의 각속도
Figure pat00024
G (q): Gravitational matrix, V (q), V (q): acceleration of the robot end, J: Jacobian matrix,
Figure pat00025
: Intention torque,
Figure pat00026
: Angular velocity of robot joint

상기 수식은 위에서 설명한 동역학 모델토크값을 적용하다 보니 수식이 복잡해 졌지만 기본적으로는 F=ma에서 시작되는 식이다. 다만, 앞서 산출한 토크값을 힘의 영역으로 변환시켜야 하기 때문에 이를 위해 자코비안 행렬값이 적용되고 있는 것이다. The above equation is based on the above-described kinetic model torque value, but it is basically an equation that starts at F = ma. However, since the previously calculated torque value must be converted to the force region, the Jacobian matrix value is applied to this.

상기의 수식을 이용하여 로봇 끝단의 가속도를 구하였다면 속도와 위치는 손쉽게 구할 수 있다. 왜냐하면 가속도, 속도 및 위치는 시간영역에서 미적분을 이용하여 바로 구할 수 있기 때문이다.If the acceleration of the end of the robot is obtained by using the above equation, the velocity and the position can be easily obtained. This is because acceleration, velocity and position can be obtained directly by using calculus in the time domain.

그러므로 본 발명은 기존의 각 관절의 토크값을 독립적으로 측정하여 각 관절별로 제어하는 것과 다르게 각 관절의 토크값을 합산하여 로봇 끝단의 가속도, 속도, 위치 정보를 구하여 착용자의 종합적인 동작 의도를 파악할 수 있는바 종래기술보다 로봇 제어 정밀성이 더 향상될 수 있다.Therefore, according to the present invention, the torque value of each of the existing joints is independently measured, and the acceleration, speed, and position information of the end of the robot are obtained by summing the torque values of the respective joints, The robot control precision can be further improved as compared with the prior art.

위에서 설명한 방식으로 합산단계(S200)를 마쳤다면 도1에서 도시한 바와 같이 분배단계(S300)를 거치게 된다. 분배단계(S300)에서는 우선적으로 합산단계(S200)에서 산출된 가상의 의도힘을 다시 토크영역으로 변환하는 것이 필요하다. 이를 위해서는 의도힘에 자코비안 트랜스포즈(Jacobian Transpose)를 적용하여야 한다.If the summation step S200 is completed in the above-described manner, the distribution step S300 is performed as shown in FIG. In the distribution step S300, it is necessary to first convert the virtual intention force calculated in the summation step S200 back into the torque region. To do this, Jacobian Transpose should be applied to the intentional force.

따라서 위에서 명시한 자코비안 트랜스포즈를 통하여 각 관절의 제어트크값을 산출할 수 있는데, 이 값을 그대로 각 관절에 적용시키는 것은 바람직하지 못하다. 왜냐하면 앞서 설명한 값들은 이상적인 경우에 해당하는 수식에 의한 값이므로 실제 로봇의 움직임값과는 괴리가 발생한다. 따라서 본 발명에서는 의도힘에 자코비안 트랜스포즈를 적용한 값에 로봇동작시 발생할 수 있는 손실토크를 보상하는 제어보상토크값을 합산하여 각 관절의 제어토크값을 산출한다.Therefore, it is possible to calculate the control torque value of each joint through Jacobian transposing as described above. It is not preferable to apply this value to each joint as it is. Because the values described above are based on the ideal equation, there is a gap between the actual robot motion values. Therefore, in the present invention, the control torque values for each joint are calculated by summing the values obtained by applying the Jacobian transform to the intention force and the control compensation torque values for compensating the loss torque that may occur in the robot operation.

제어보상토크값은 착용자의 움직임 혹은 로봇의 종류에 따라 다양한 값이 존재할 수 있다. 그러나 로봇 종류나 착용자의 움직임과는 무관하게 마찰보상토크값및 관절댐퍼토크값은 언제나 각 관절의 제어토크값에 영향을 미칠 것이다. 따라서 본 발명에서는 제어보상토크값으로 마찰보상토크값과 관절댐퍼토크값을 합산하는 방식을 제안하고 있다.The control compensation torque value may have various values depending on the movement of the wearer or the type of the robot. However, the friction compensation torque value and the joint damper torque value will always affect the control torque value of each joint regardless of the type of robot or the movement of the wearer. Therefore, in the present invention, a method of summing the friction compensation torque value and the joint damper torque value with the control compensation torque value is proposed.

마찰보상토크값은 로봇의 움직임에 따라 발생할 수 있는 마찰력을 보상하기 위한 토크값이다. 마찰력은 다양한 곳에서 발생할 수 있는데 가장 대표적인 예는 착용식 보행 로봇에 있어서 발과 지면 사이에서 발생하는 마찰력이다. 이때의 마찰력값은 지면의 마찰지면계수와 로봇과 착용자의 질량값을 이용하여 구할 수 있을 것인바 이를 통해 마찰보상토크값을 산출할 수 있다. 이뿐만이 아니라, 로봇과 착용자 사이간 마찰력이 발생할 수도 있을 것이며 관절에서도 마찰력이 발생할 수 있을 것이다.The friction compensation torque value is a torque value for compensating for the frictional force that can be generated according to the motion of the robot. Frictional force can occur in various places. The most representative example is friction force generated between the foot and the ground in a wearable walking robot. In this case, the frictional force value can be obtained by using the friction coefficient of the ground surface and the mass value of the robot and the wearer. In this way, the frictional compensation torque value can be calculated. In addition to this, friction between the robot and the wearer may occur, and frictional forces may be generated in the joints.

관절댐퍼토크값은 관절에서 충격을 완화시켜주는 댐퍼에 의한 토크값을 의미한다. 로봇관절에는 움직임에 따른 충격을 완화시켜주기 위하여 댐퍼가 존재하는데 로봇의 관절의 움직임에 따라 댐퍼도 영향을 받는바 이 값을 보상시켜주기 위해 관절댐퍼토크값이 필요하다. 관절댐퍼토크값의 산출은 여러가지 방식이 존재할 수 있으나 본 발명의 경우에는 각 관절에 위치한 토크셀을 이용하여 관절댐퍼토크값을 산출하는 것이 가장 바람직할 것이다.The joint damper torque value refers to the torque value by the damper which alleviates the impact in the joint. There is a damper in the robot joint to mitigate the impact due to the motion. The damper is also affected by the movement of the joint of the robot. The joint damper torque value is needed to compensate this value. The calculation of the joint damper torque value may be performed in various ways, but in the case of the present invention, it is most preferable to calculate the joint damper torque value using the torque cell located at each joint.

본 발명에 의한 착용식 로봇 제어 시스템은 로봇 각 관절의 토크값을 측정하는 측정부(500); 로봇 각 관절의 제어토크를 적용하는 구동부(600); 로봇의 각 관절에서의 관절토크를 측정하고, 이를 통해 각 관절에서의 착용자가 의도하는 의도토크를 산출하며 산출한 의도토크를 합산하여 로봇 끝단에서의 가상의 의도힘을 도출하고, 의도힘을 각 관절에서의 구동부를 제어하기 위한 제어토크로 분배하는 제어부(400);로 구성될 수 있으며 본 구성도는 도2에서 도시하고 있다.The wearable robot control system according to the present invention includes: a measuring unit 500 for measuring a torque value of each joint of a robot; A driving unit 600 for applying a control torque of each joint of the robot; The joint torque at each joint of the robot is measured to calculate the intended intention torque of the wearer at each joint and the imaginary intention force at the end of the robot is calculated by summing the calculated intention torque, And a control unit 400 for distributing the control torque to control the driving unit in the joint, and this configuration diagram is shown in FIG.

측정부(500)는 일반적으로 각 관절에 위치하여 제어부(400)로 그 신호를 전송할 것이며 관절토크값을 직접적으로 측정할 수 있는 토크셀이나, 관절 각도 및 각속도 값을 측정하여 관절토크값 산출이 가능한 인코더가 이에 해당될 것이다. 구동부(600)는 제어부(400)에 의하여 산출된 제어토크를 관절에 적용하기 위함이며, 일반적으로 각 관절에 회전형 구동기 형태로 존재한다. The measuring unit 500 is generally located at each joint and transmits the signal to the control unit 400. The measuring unit 500 measures a torque cell capable of directly measuring a joint torque value or a joint angle and angular velocity, A possible encoder would be this. The driving unit 600 applies the control torque calculated by the control unit 400 to the joints, and generally exists in the form of a rotary actuator in each joint.

제어부는 도1에서 도시한 바와 같이 측정부(500)로부터 관절토크값을 전달받아 앞서 설명한 방식으로 제어토크로 환산하고 이 값을 구동부(600)에 전달하여 제어토크를 관절에 적용하게 한다.As shown in FIG. 1, the control unit receives the joint torque value from the measuring unit 500, converts the joint torque value into the control torque, and transmits the control torque to the driving unit 600 to apply the control torque to the joint.

위의 시스템을 통하여 로봇 제어부(400)는 각 관절에서 발생하는 독립적인 토크값을 이용하여 착용자의 동작 의도를 정확하게 산출할 수 있는바, 이전 착용식 로봇 제어 시스템보다 착용자의 동작의도와 실제 로봇 동작과의 정합성을 더욱 향상 시킬 수 있다.The robot control unit 400 can accurately calculate the motion intention of the wearer by using the independent torque value generated at each joint through the system described above, Can be further improved.

또한 본 발명에 따른 착용식 로봇 제어 시스템의 의도토크는 앞서 기재한 바와 같이 관절토크값에 동역학 모델토크값을 합산하며 동역학 모델토크값은 중력에 의한 토크값, 원심력에 의한 토크값 및 코리올리의 힘에 의한 토크값을 합산한 값으로 할 수 있다.Also, the intentional torque of the wearable robot control system according to the present invention adds the kinetic model torque value to the joint torque value as described above, and the kinetic model torque value is determined by the gravitational torque value, the centrifugal torque value, and the Coriolis force Can be set to a value obtained by summing up the torque values by the torque command value?

본 시스템에서의 로봇 끝단에서의 가상의 의도힘도 앞서 기재한 바와 같이 합산한 의도 토크를 이용하여 로봇 끝단의 가속도를 도출한 후 하기의 수식을 이용하여 산출할 수 있다.The virtual intention force at the robot end in the present system can be calculated using the following equation after deriving the acceleration of the robot end using the intention torque summed as described above.

Figure pat00027
Figure pat00027

Figure pat00028
: 가상의 의도힘,
Figure pat00029
: 로봇 끝단의 위치, 속도, 가속도,
Figure pat00030
: 임피던스 모델 파라미터
Figure pat00028
: Virtual intention force,
Figure pat00029
: Position, velocity, acceleration,
Figure pat00030
: Impedance model parameters

또한 로봇 끝단의 가속도는 하기의 수식을 이용하여 도출할 수 있다.Also, the acceleration of the robot end can be derived using the following equation.

Figure pat00031
Figure pat00031

Figure pat00032
: 로봇 끝단의 가속도, J: 자코비안 행렬, M(q): 질량 행렬, V(q): 원심력과 코리올리힘 항, G(q): 중력항,
Figure pat00033
: 의도토크,
Figure pat00034
: 로봇 관절의 각속도
Figure pat00032
: Acceleration of robot end, J: Jacobian matrix, M (q): mass matrix, V (q): centrifugal force and Coriolis force term, G (q)
Figure pat00033
: Intention torque,
Figure pat00034
: Angular velocity of robot joint

앞서 언급한 두 수식에 대한 자세한 설명은 앞서 기재하였으므로 생략하도록 한다.The above-mentioned two formulas are described in detail above, so they are omitted.

본 발명에 따른 착용식 제어 로봇 시스템의 제어토크는 의도힘에 자코비안 트랜스포즈(Jacobian Transpose)를 적용한 값과 로봇동작시에 발생할 수 있는 손실토크를 보상하는 제어보상토크값을 합산하며 제어보상토크값은 마찰보상토크값과 관절댐퍼토크값을 합산하여 산출할 수 있다.The control torque of the wearable control robot system according to the present invention is calculated by summing a value obtained by applying a Jacobian transform to the intention force and a control compensation torque value compensating for a loss torque that can be generated in the robot operation, The value can be calculated by summing up the friction compensation torque value and the joint damper torque value.

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.Although the invention has been shown and described with respect to specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be obvious to those who have knowledge of.

S100: 측정단계 S200: 합산단계
S300: 분배단계 400: 제어부
500: 측정부 600: 구동부
S100: Measurement step S200: Summing step
S300: Distribution step 400:
500: measuring unit 600:

Claims (15)

로봇의 각 관절에서의 관절토크를 측정하고, 이를 통해 각 관절에서의 착용자가 의도하는 의도토크를 산출하는 측정단계;
각 관절에서의 의도토크를 합산하여 로봇 끝단에서의 가상의 의도힘을 도출하는 합산단계; 및
의도힘을 각 관절에서의 구동부를 제어하기 위한 제어토크로 분배하는 분배단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇 제어 방법.
A measuring step of measuring a joint torque at each joint of the robot and calculating the intention torque of the wearer at each joint through the measurement;
A summation step of summing the intention torques at each joint to derive a virtual intention force at the robot end; And
And a distributing step of distributing the intentional force to a control torque for controlling the driving part in each joint.
청구항 1에 있어서,
관절토크는 각 관절에 마련된 토크셀을 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇 제어 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the joint torque is measured using a torque cell provided in each joint.
청구항 1에 있어서,
의도토크는 관절토크값에 동역학 모델토크값을 합산한 값인 것을 특징으로 하는 착용식 로봇 제어 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the intent torque is a value obtained by summing a joint torque value and a kinetic model torque value.
청구항 3에 있어서,
동역학 모델토크값은 중력에 의한 토크값, 원심력에 의한 토크값 및 코리올리의 힘에 의한 토크값을 합산한 값인 것을 특징으로 하는 착용식 로봇 제어 방법.
The method of claim 3,
Wherein the kinetic model torque value is a sum of a torque value due to gravity, a torque value due to centrifugal force, and a torque value due to a force of Coriolis force.
청구항 1에 있어서,
로봇 끝단에서의 가상의 의도힘은 합산한 의도 토크를 이용하여 로봇 끝단의 가속도를 도출한 후 하기의 수식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇 제어 방법.
Figure pat00035

Figure pat00036
: 가상의 의도힘,
Figure pat00037
: 로봇 끝단의 위치, 속도, 가속도,
Figure pat00038
: 임피던스 모델 파라미터
The method according to claim 1,
Wherein the imaginary intention force at the end of the robot is calculated using the following equation after deriving the acceleration of the end of the robot using the summed intention torque.
Figure pat00035

Figure pat00036
: Virtual intention force,
Figure pat00037
: Position, velocity, acceleration,
Figure pat00038
: Impedance model parameters
청구항 5에 있어서,
로봇 끝단의 가속도는 하기의 수식을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇 제어 방법.
Figure pat00039

Figure pat00040
: 로봇 끝단의 가속도, J: 자코비안 행렬, M(q): 질량 행렬, V(q): 원심력과 코리올리힘 항, G(q): 중력항,
Figure pat00041
: 의도토크,
Figure pat00042
: 로봇 관절의 각속도
The method of claim 5,
Wherein the acceleration of the end of the robot is derived using the following equation.
Figure pat00039

Figure pat00040
: Acceleration of robot end, J: Jacobian matrix, M (q): mass matrix, V (q): centrifugal force and Coriolis force term, G (q)
Figure pat00041
: Intention torque,
Figure pat00042
: Angular velocity of robot joint
청구항 1에 있어서,
제어토크는 의도힘에 자코비안 트랜스포즈(Jacobian Transpose)를 적용한 값과 로봇동작시에 발생할 수 있는 손실토크를 보상하는 제어보상토크값을 합산한 값인 것을 특징으로 하는 착용식 로봇 제어 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the control torque is a value obtained by summing a value obtained by applying a Jacobian transform to the intention force and a control compensation torque value compensating a loss torque that may be generated in the robot operation.
청구항 7에 있어서,
제어보상토크값은 마찰보상토크값과 관절댐퍼토크값을 합산한 값인 것을 특징으로 하는 착용식 로봇 제어 방법.
The method of claim 7,
Wherein the control compensation torque value is a sum of a friction compensation torque value and a joint damper torque value.
로봇 각 관절의 토크값을 측정하는 측정부;
로봇 각 관절의 제어토크를 적용하는 구동부;
로봇의 각 관절에서의 관절토크를 측정하고, 이를 통해 각 관절에서의 착용자가 의도하는 의도토크를 산출하며 산출한 의도토크를 합산하여 로봇 끝단에서의 가상의 의도힘을 도출하고, 의도힘을 각 관절에서의 구동부를 제어하기 위한 제어토크로 분배하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇 제어 시스템.
A measuring unit for measuring a torque value of each joint of the robot;
A driving unit applying a control torque of each joint of the robot;
The joint torque at each joint of the robot is measured to calculate the intended intention torque of the wearer at each joint and the imaginary intention force at the end of the robot is calculated by summing the calculated intention torque, And a controller for distributing the control torque to control the driving part in the joint.
청구항 9에 있어서,
의도토크는 관절토크값에 동역학 모델토크값을 합산한 값인 것을 특징으로 하는 착용식 로봇 제어 시스템.
The method of claim 9,
Wherein the intentional torque is a value obtained by summing up the joint torque value and the kinetic model torque value.
청구항 10에 있어서,
동역학 모델토크값은 중력에 의한 토크값, 원심력에 의한 토크값 및 코리올리의 힘에 의한 토크값을 합산한 값인 것을 특징으로 하는 착용식 로봇 제어 시스템.
The method of claim 10,
Wherein the kinetic model torque value is a sum of a torque value due to gravity, a torque value due to centrifugal force, and a torque value due to a force of Coriolis force.
청구항 9에 있어서,
로봇 끝단에서의 가상의 의도힘은 합산한 의도 토크를 이용하여 로봇 끝단의 가속도를 도출한 후 하기의 수식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇 제어 시스템.
Figure pat00043

Figure pat00044
: 가상의 의도힘,
Figure pat00045
: 로봇 끝단의 위치, 속도, 가속도,
Figure pat00046
: 임피던스 모델 파라미터
The method of claim 9,
Wherein the imaginary intention force at the end of the robot is calculated using the following equation after deriving the acceleration of the end of the robot using the summed intention torque.
Figure pat00043

Figure pat00044
: Virtual intention force,
Figure pat00045
: Position, velocity, acceleration,
Figure pat00046
: Impedance model parameters
청구항 12에 있어서,
로봇 끝단의 가속도는 하기의 수식을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇 제어 시스템.
Figure pat00047

Figure pat00048
: 로봇 끝단의 가속도, J: 자코비안 행렬, M(q): 질량 행렬, V(q): 원심력과 코리올리힘 항, G(q): 중력항,
Figure pat00049
: 의도토크,
Figure pat00050
: 로봇 관절의 각속도
The method of claim 12,
Wherein the acceleration of the end of the robot is derived using the following equation.
Figure pat00047

Figure pat00048
: Acceleration of robot end, J: Jacobian matrix, M (q): mass matrix, V (q): centrifugal force and Coriolis force term, G (q)
Figure pat00049
: Intention torque,
Figure pat00050
: Angular velocity of robot joint
청구항 9에 있어서,
제어토크는 의도힘에 자코비안 트랜스포즈(Jacobian Transpose)를 적용한 값과 로봇동작시에 발생할 수 있는 손실토크를 보상하는 제어보상토크값을 합산한 값인 것을 특징으로 하는 착용식 로봇 제어 시스템.
The method of claim 9,
Wherein the control torque is a sum of a value obtained by applying a Jacobian transform to the intention force and a value obtained by adding a control compensation torque value compensating for a loss torque that can be generated during operation of the robot.
청구항 14에 있어서,
제어보상토크값은 마찰보상토크값과 관절댐퍼토크값을 합산한 값인 것을 특징으로 하는 착용식 로봇 제어 시스템.
15. The method of claim 14,
Wherein the control compensation torque value is a sum of a friction compensation torque value and a joint damper torque value.
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