KR20170027187A - 착용 로봇 및 그의 가변 임피던스 제어방법 - Google Patents

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KR20170027187A
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Abstract

본 발명은 운동 상태를 기반으로 임피던스 파라미터(강성, 댐핑 등)를 가변적으로 제어할 수 있는 착용 로봇 및 그의 가변 임피던스 제어방법에 관한 것으로, 착용 로봇 장착 상태에서 착용자의 하중, 보행 속도 및 운동 상태에 따른 사전 인체 운동을 통하여 관절 임피던스값을 산출하여 저장하는 단계; 착용 로봇의 발바닥에 부착된 센서를 착용자의 보행 상태를 판별하는 단계; 착용자 로봇의 상체 백팩부 및 발바닥에 부착된 경사 측정센서를 이용하여 로봇 자세 추정을 통한 운동상태를 판별하는 단계; 및 상기 판별된 보행 상태 및 운동 상태에 따라 상기 저장된 관절 임피던스값을 가변적으로 적용하여 관절 구동부를 구동하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

착용 로봇 및 그의 가변 임피던스 제어방법{WEARING ROBOT AND VARIABLE IMPEDANCE CONTROLLING METHOD THEREOF}
본 발명은 운동 상태를 기반으로 관절 제어용 임피던스 파라미터를 가변적으로 제어할 수 있는 착용 로봇 및 그의 가변 임피던스 제어방법에 관한 것이다.
착용 로봇이란 인간의 몸에 장착되어 착용자의 운동 의도에 따라 팔, 다리의 근력을 증폭시켜 인간의 물리적인 능력을 증대시키는 로봇을 의미한다.
상기 착용 로봇과 착용자가 일체화되어 자연스럽게 움직이고 초기 접촉시 안정적인 보행을 위해서는 사람의 보행 특성에 기반한 스프링-댐퍼 형태의 임피던스 제어가 필요하다.
그런데, 기존의 착용 로봇은 주로 재활 목적으로 실내 평지환경에서 운용되도록 개발되었기 때문에 다양한 야외 환경에 대한 임피던스 제어를 고려하지 않았다. 이러한 이유로 기존의 착용 로봇은 군용이나 재난 대응과 같이 경사나 계단 같은 실외 환경에서의 운용이 제한되었다.
따라서, 본 발명은 다양한 야외 환경에 대한 임피던스 제어를 고려하여 운용할 수 있는 착용 로봇 및 그의 가변 임피던스 제어방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 착용자의 운동 상태를 기반하여 착용 로봇의 임피던스 파라미터(강성, 댐핑 등)를 가변적으로 제어할 수 있는 착용 로봇 및 그의 가변 임피던스 제어방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 착용 로봇은, 착용자가 밟고 보행할 수 있는 발판 구조로 이루어져 발바닥 센서 및 경사 측정 센서를 포함하는 발바닥 링크부; 발바닥 링크부의 3축 회전 가능한 족 관절과 연결되어 슬관절을 연결시키는 하퇴 링크부; 하퇴 링크부의 1축 회전 가능한 슬관절과 연결되어 관절 구동부가 포함된 대퇴 링크부; 대퇴 링크부에 연결되어 배터리가 장착되는 고관절에 연결되는 백팩부; 및 발바닥 센서를 이용하여 착용자의 보행 상태를 판별하고, 착용자의 상체 및 발바닥의 경사 측정센서를 이용하여 로봇 자세 추정을 통한 운동상태를 판별하여, 상기 판별된 보행 상태 및 운동 상태에 따라 임피던스 제어 파라미터를 가변적으로 적용하여 관절 구동부를 제어하는 보행 제어부:를 포함할 수 있다.
상기 발바닥 링크부는 보행시 지면의 경사를 측정할 수 있는 센서를 포함하고, 하퇴 링크부는 족관절의 각도, 각속도 중 적어도 하나를 전기적인 신호로 변환하는 센서를 포함할 수 있다.
상기 대퇴 링크부는 슬관절의 각도, 각속도 중 적어도 하나를 전기적인 신호로 변환하는 센서와 관절 구동부의 힘/토크 정보를 측정할 수 있는 힘 센서를 포함하며, 상기 백팩부는 고관절의 각도, 각속도 중 적어도 하나를 전기적인 신호로 변환하는 센서, 관절 구동부의 힘/토크 정보를 측정할 수 있는 힘 센서 및 백팩부의 기울기를 측정할 수 있는 각 센서를 포함할 수 있다.
상기 임피던스 제어 파라미터는 착용자의 하중 및 보행 속도, 운동 상태에 따른 사전 인체 운동을 통하여 획득된 인체 관절각 및 토크 값에 의해 산출된 관절 강성값; 및 인체 관절각 속도 및 토크 값을 바탕으로 산출된 댐핑 계수를 포함할 수 있다.
상기 보행 제어부는 갑작스런 파라미터 변화에 따른 시스템 불안정성을 최소화하기 위해 쌍곡선의 파라미터 천이 가중치 함수에 따라 관절 임피던스값을 가변적으로 적용할 수 있다.
상기 보행 제어부는 임피던스 제어 파라미터를 적용할 때 착용 무게 또는 착용자의 인체 관절각 속도에 따라 제어 파라미터를 다르게 적용하여 관절 구동부의 제어 명령을 생성할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 착용 로봇의 가변 임피던스 제어방법은, 착용 로봇 장착 상태에서 착용자의 하중, 보행 속도 및 운동 상태에 따른 사전 인체 운동을 통하여 관절 임피던스값을 산출하여 저장하는 단계; 착용 로봇의 발바닥에 부착된 센서를 착용자의 보행 상태를 판별하는 단계; 착용자 로봇의 상체 백팩부 및 발바닥에 부착된 경사 측정센서를 이용하여 로봇 자세 추정을 통한 운동상태를 판별하는 단계; 및 상기 판별된 보행 상태 및 운동 상태에 따라 상기 저장된 관절 임피던스값을 가변적으로 적용하여 관절 구동부를 구동하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 관절 임피던스 값은 착용자의 하중 및 보행 속도, 운동 상태에 따른 사전 인체 운동을 통하여 획득된 인체 관절각 및 토크 값에 의해 산출된 관절 강성값; 및 인체 관절각 속도 및 토크 값을 바탕으로 산출된 댐핑 계수를 포함할 수 있다.
상기 관절 임피던스값은 갑작스런 임피던스값 변화에 따른 시스템 불안정성을 최소화하기 위해 쌍곡선의 파라미터 천이 가중치 함수에 따라 가변적으로 적용된다.
상기 관절 임피던스값을 가변적으로 적용할 때 착용자의 인체 관절각 속도 또는 착용 무게에 따라 제어 파라미터를 다르게 적용하여 관절 구동부를 구동할 수 있다.
본 발명에 따른 착용 로봇은 경사, 계단과 같은 실외 운동 환경에서도 사람의 자연스러운 보행이 가능하며, 초기 접촉시 갑작스러운 힘 전달로 인한 보행 안정성을 확보하는데 기여할 수 있다. 또한, 인체와 유사한 보행 형태를 구현함으로써 착용자의 편의성을 증대시키고 착용 후 인체의 근골격의 피해를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 착용 로봇을 장착한 입체 도면.
도 2는 보행단계 판별을 위한 발바닥 센서 및 발바닥 경사를 측정하기 위한 자세 센서의 위치를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 착용 로봇의 보행 제어 방법을 나타낸 도면.
도 4는 발바닥 상판에 부착된 발바닥 센서를 이용하여 보행단계를 판별하는 방법의 일 실시예.
도 5는 운동 상태를 판별하기 위한 기구학 기반 자세 추정의 일 예.
도 6은 본 발명에 적용되는 다양한 운동 상태에 대한 예시도.
도 7은 기구학 기반의 운동 상태 판별방법을 나타낸 순서도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 착용 로봇의 가변 임피던스 제어방법을 나타낸 순서도.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 보행 단계별 가변 임피던스 제어방법을 나타낸 예시도
도 12는 운동 상태에 따른 가변 임피던스(관절 강성값) 도출 방법을 나타낸 도면.
도 13은 본 발명에 적용되는 가중치 함수를 나타낸 그래프.
본 발명은 군용 및 재난대응용으로 사용이 가능하고 사람과 유사한 보행이 가능하도록 접촉시에 운동 상태를 기반으로 착용 로봇의 임피던스 파라미터(강성, 댐핑 등)를 가변적으로 제어하는 방안을 제안한다.
본 발명은 사람의 보행 특성으로부터 운동 상태, 운동(보행) 속도, 운반 하중에 대한 최적의 관절 임피던스(강성, 댐핑)값을 사전에 확보(저장)한 후 착용 로봇에 부착된 센서를 이용하여 사전에 정의된 운동 상태를 판별하여, 판별된 운동상태에 따라 착용 로봇을 제어한다.
사람의 보행 단계는 발바닥에 부착된 센서를 이용하여 판별하며, 운동 상태는 로봇에 부착된 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서(자세센서) 및 관절 각 센서를 이용하여 산출이 된다. 본 발명의 제어 방법을 적용하면 착용 로봇을 장착한 상태에서도 다양한 환경에서 자연스럽고 안정적인 연속 보행이 가능해진다.
본 발명에 따른 착용 로봇은 무거운 짐을 지탱하면서 착용자가 힘들이지 않고 보행할 수 있도록 돕는 역할을 수행한다.
도 1은 본 발명에 따른 착용 로봇을 장착한 입체 도면이다.
도 1에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 착용 로봇(장치)은 크게 보행 제어부(100), 배터리가 장착되는 백 팩부(110), 유압공급장치(120), 우측 다리부(130) 및 좌측 다리부(140)로 구성되어 있다.
상기 착용 로봇은 착용자가 밟고 보행할 수 있는 발판 구조로 이루어져 발바닥 센서 및 경사 측정 센서를 포함하는 발바닥 링크부, 발바닥 링크부의 3축 회전 가능한 족 관절과 연결되어 슬관절을 연결시키는 하퇴 링크부, 하퇴 링크부의 1축 회전 가능한 슬관절과 연결되어 관절 구동부가 포함된 대퇴 링크부, 대퇴 링크부에 연결되어 배터리가 장착되는 고관절에 연결되는 백팩부 및 발바닥 센서를 이용하여 착용자의 보행 상태를 판별하고, 착용자의 상체 및 발바닥의 경사 측정센서를 이용하여 로봇 자세 추정을 통한 운동상태를 판별하여, 상기 판별된 보행 상태 및 운동 상태에 따라 임피던스 제어 파라미터를 가변적으로 적용하여 관절 구동부를 제어하는 보행 제어부(100):를 포함한다.
각 다리부(130, 140)는 골반 링크부, 대퇴 링크부, 하퇴 링크부 및 발바닥 링크부가 서로 연결되어 구성된다.
상기 착용 로봇은 관절의 각도를 측정하는 관절 각 센서(고관절 피치, 슬관절 피치, 족관절 피치), 관절 구동부의 힘을 측정하는 힘 센서(고관절 구동부 힘센서, 슬관절 구동부 힘센서), 로봇의 백팩의 기울어진 상태를 측정하는 자세센서(IMU) 및 발바닥이 닿고 있는 지면의 기울어진 상태를 측정하는 자세센서(IMU)(좌, 우) 및 발바닥이 땅에 닿고 있는지를 측정하는 발바닥 센서(좌, 우)를 포함하고 있다.
도 2는 보행단계 판별을 위한 발바닥 센서 및 발바닥 경사를 측정하기 위한 자세 센서의 위치를 나타낸다.
도 2에 도시된 바와같이, 발바닥 센서는 하나 이상의 힘 센서(또는 압력센서)로 구성되어 발판 구조의 발바닥 상판의 홈을 통하여 발바닥 하판에 끼워지듯 결합되며, 발바닥 상판과 하판사이에는 유연 강판이 삽입된다. 자세센서(IMU)는 3축 수동관절로 구성된 족 관절의 마지막 구조물에 부착되어, 발바닥의 경사 정보를 측정한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 착용 로봇의 보행 제어 방법을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 보행 제어부(100)는 착용 로봇에 부착된 센서(관절 각 센서, 힘 센서, 자세센서(IMU) 및 발바닥 센서)에서 측정된 관절각(angle), 과정 구동부 힘(force) 및 발바닥의 경사/힘(IMU, GRF)를 기반으로 보행 단계 및 운동 상태를 판별하고(S10), 이를 이용하여 착용자의 운동의도를 인식하여 보행제어를 수행한다 (S11, S12). 이때, 중력보상이 보상되어 보행제어가 이루어지면 관절 구동부로부터 관절 토크(joint torque)가 발생된다(S13).
보행 제어부(100)는 착용자의 보행 단계 즉 초기 접지(IC : Initial Contact), 입각기(ST : Stance), 사전 유각기(PW : Pre-Swing), 유각기(SW : Swing)) 및 운동 상태(평지보행, 경사 상/하, 계단 상/하 등)에 따라 다른 보행제어를 수행한다.
여기서, 초기 접지는 발 뒷굽이 바닥에 접촉되어 있는 기간, 입각기는 발이 바닥에 닿아있는 기간, 사전 유각기는 유각기로의 전환을 위해 발의 발가락 들기가 일어나는 기간, 그리고 유각기는 발이 지면에서 떨어져 있는 기간을 나타낸다.
즉, 보행 제어부(100)는 4가지의 보행 단계(천이)(IC, ST, PW, SW)와 평지, 경사 상/하, 계단 상/하등에 따라 서로 다른 보행 제어를 수행한다.
도 4는 발바닥 상판에 부착된 발바닥 센서를 이용하여 보행단계를 판별하는 방법의 일 실시예이다.
도 4에 도시된 바와같이, 보행 제어부(100)는 발바닥 상판에 발바닥의 4가지 위치 즉 발가락(toe) 발바락 안쪽(inside), 발바닥 바깥쪽(outside) 및 뒷꿈치 (heel)에 대응되어 부착된 4개의 발바닥 센서로부터 검출된 힘 센서 신호(GRF: Ground Reaction Force)(지면 반발력)를 조합하여 앞에서 설명한 4개의 보행단계(IC, ST, PW, SW)를 판별한다. 보행 제어부(100)는 사전 보행 실험을 통해 4개의 보행단계를 잘 판별하기 위한 임계값(
Figure pat00001
)을 설정한 후 측정된 각 힘 센서 신호(GRF)와 해당 임계값(
Figure pat00002
)을 비교하여 아래의 표 1과 같이 각 보행단계의 On/Off를 판단한다.
상태(State) x1 x2 x3 x4
초기 접지(IC) On Off Off Off
입각기(ST) On On On On
사전 유각기(PS) Off On On On
유각기(SW) Off Off Off Off
Figure pat00003
도 5는 운동 상태를 판별하기 위한 기구학 기반 자세 추정의 일 예이다.
보행 제어부(100)는 착용 로봇에 장착되어 있는 상체의 IMU, 발바닥의 IMU 및 각 관절의 각도 센서 정보를 이용하여 기구학 해석을 통해 로봇의 자세 즉, 지면에 닿은 발에 대한 지면 접촉각 산출할 수 있다. 상기 로봇의 자세는 점프 모드, 단일 지지모드 및 더블 지지모드를 포함할 수 있다.
상기 점프 모드(Jump mode)는 양발이 땅에서 떨어진 자세로, 백 팩을 기준으로 아래와 같이 양쪽 발에 대한 기구학 해석으로 추정한다.
Figure pat00004
여기서, T는 4x4 동차변형행렬(homogeneous transformation matrix)을 나타내고,
Figure pat00005
는 각각 우측 다리의 백 팩에서 고관절까지의 각도, 고관절 각도, 슬관절 각도 및 족관절 각도를 나타낸다.
상기 단일 지지모드(Single Support mode)는 한 발만 땅에 닿은 자세로, 땅에 닿아 있는 발을 기준으로 기구학 해석으로 추정한다.
- 왼발이 땅에 닿은 경우
Figure pat00006
- 오른발이 땅에 닿은 경우
Figure pat00007
상기 더블 지지모드는 두 발이 모두 땅에 닿은 자세로, 백팩 좌표계 기준으로 뒤쪽에 있는 다리를 기준으로 단일 지지 모드와 같이 기구학 해석한다.
도 6은 본 발명에 적용되는 다양한 운동 상태에 대한 예시도이고, 도 7은 기구학 기반의 운동 상태 판별방법을 나타낸 순서도이다.
도 6에 도시된 바와같이,착용자는 착용 로봇을 입고 평지 보행, 경사 오르기, 내리기, 계단 오르기 및 계단 내리기 등을 수행할 수 있다.
보행 제어부(100)의 착용자구 보행중에 로봇 자세 추정기(미도시)는 관절각 센서 및 자세 IMU 및 발바닥 센서로부터 관절각, 발바닥의 경사/힘(IMU, GRF)을 입력받아, 위에서 설명한 기구학 관계식을 이용하여 지면에 닿은 발에 대한 지면 접촉각을 산출한다(S100).
로봇 자세 추정기는 앞선 다리(Leading leg)의 발바닥 위치가 뒤따르는 다리(Trailing leg)의 발바닥의 수직위치를 비교하여(S110), 앞선 다리가 뒤따르는 다리보다 위에 있는지 비교한다(S120). 비교 결과 앞선 다리의 위치가 뒤따르는 다리의 보다 높으면 상승 운동(계단 오르기, 경사 오르기)으로 판단하고(S130), 낮으면 하강 운동(계단 내려오기, 경사 내려오기)으로 판단한다(S140).
이어서, 각 단계(S130, S140)에서 상기 산출된 뒤따르는 다리의 지면 접촉각을 지면각의 임계값과 비교하여, 상기 뒤따르는 다리의 지면 접촉각이 지면 임계값보다 크면 경사 운동(오르기 또는 내려오기)로 판단하고, 작거나 같으면 계단 운동(오르기 내려오기)로 판단한다(S150).
또한, 상기 각 센서의 출력값에 변화가 없으면, 로봇 자세 추정기는 이전 운동이 연속된다고 판단한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 착용 로봇의 가변 임피던스 제어방법을 나타낸 순서도이다.
도 8에 도시된 바오같이, 먼저 착용 로봇을 착용한 상태에서 착용자의 하중, 보행 속도 및 운동 상태에 따른 사전 인체 운동을 통하여 관절 임피던스값(가변 임피던스 제어 파라미터)을 산출하여 메모리(미도시)에 저장한다(S200). 상기 관절 임피던스 값은 착용자의 하중 및 보행 속도, 운동 상태에 따른 사전 인체 운동을 통하여 획득된 인체 관절각 및 토크 값에 의해 산출된 관절 강성값 및 인체 관절각 속도 및 토크 값을 바탕으로 산출된 댐핑 계수를 포함한다.
이후 착용자가 실제로 착용 로붓을 착용하고 보행할 대, 보행 제어부(100)는 착용 로봇의 발바닥에 부착된 센서를 착용자의 보행 상태를 판별하고(S210), 착용자 로봇의 상체 백팩부 및 발바닥에 부착된 경사 측정센서를 이용하여 로봇 자세 추정을 통한 운동상태를 판별한다(S220).
따라서, 보행 제어부(100)는 상기 판별된 보행 상태 및 운동 상태에 따라 상기 저장된 관절 임피던스값을 가변적으로 적용하여 관절 구동부를 구동한다(S230).
상기 보행 제어부(1000부 착용로봇의 무게 또는 착용자의 인체 관절각 속도에 따라 관절 임피던스값을 다르게 적용하여 관절 구동부의 제어 명령을 생성한다. 특히 보행 제어(100)부는 판별된 운동 상태에 따라 관절 임피던스값을 적용할 때 쌍곡선의 파라미터 천이 가중치 함수에 따라 관절 임피던스값을 적용함으로써 갑작스런 파라미터 변화에 따른 시스템 불안정성을 최소화한다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 착용 로봇의 가변 임피던스 제어방법을 나타낸 예시도이다.
도 9를 참조하면, 평지보행의 경우 보행 제어부(100)는 발바닥 센서를 이용하여 보행단계를 판별하고, 판별된 결과에 따라 임피던스 파라미터(강성, 댐핑 등)를 가변적으로 제어한다. 도 8에서는 보행단계를 6단계(구간)(IC, LR, MS, TS, PS, SW)로 구분하였다.
즉, 초기 접촉(IC : Initial Contact) 단계에서는 가변 임피던스 제어를 수행하고, 단계(LR, MS, TS)를 포함하는 입각기(ST)에서는 운동 의도에 의한 액티브 제어(ex, 가상 토크 제어)를 수행하고, 사전 유각기(PS)에서는 Pre-transition을 수행하고, 유각기(SW)에서는 제로 임피던스를 통한 역구동성 제어를 수행한다.
도 10에 도시된 바와같이, 계단 보행의 경우에는 아래 수학식 1에 따라, 초기 입각기인 Weight Acceptance(WA)구간에서 가변 임피던스 제어를 수행하고, 도 11에 도시된 바와같이 경사 보행의 경우도 마찬가지로 초기 접촉(IC)구간에서 가변 임피던스 제어를 수행한다.
[수학식 1]
Figure pat00008
여기서, τ는 토크값, i는 조인트(joint), K는 관절 강성값, B는 댐핑 계수, θ는 발바닥 경사 및 모드(mode)는 운동 상태(ex, 평지, 계단 오르기/내려오기, 경사 오르기/내려오기)를 나타낸다.
도 12는 운동 상태에 따른 가변 임피던스(관절 강성값) 도출 방법을 나타내고, 도 13은 도 13은 본 발명에 적용되는 가중치 함수를 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, 하중 및 속도, 운동 상태에 따른 사전 인체 운동을 통해 인체 관절각 및 토크 값을 바탕으로 관절 강성(k)값을 산출하고, 인체 관절각 속도 및 토크 값을 바탕으로 댐핑(b)계수를 도출하여 제어 파라미터로 사용한다.
이 경우 운동 상태간 파라미터의 변화는 아래의 수학식 2와 같이 가중치 함수 W(t)를 적용하여 갑작스런 파라미터 변화에 따른 시스템 불안정성을 최소화한다.
[수학식 2]
Figure pat00009
여기서 W(t)는 시간에 따른 가중치 함수로 아래 식 및 도 13에 와 같이 쌍곡선 함수를 적용할 수 있다.
Figure pat00010
상술한 바와같이, 본 발명에 따른 착용로봇 장치는 경사, 계단과 같은 실외 운동 환경에서도 사람의 자연스러운 보행을 구현할 수 있으며, 초기 접촉시 갑작스러운 힘 전달로 인한 보행 안정성을 확보하는데 기여할 수 있다. 또한, 본 발명은 착용 로봇을 통해 인체와 유사한 보행 형태를 구현함으로써 착용자의 편의성을 증대시키고 착용 후 인체의 근골격의 피해를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
상기 설명된 실시예들의 구성과 방법은 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
100 : 보행 제어부 110 : 백팩부
120 : 유압공급 장치 130 : 우측 다리부
140 : 좌측 다리부

Claims (10)

  1. 착용자의 하체를 지지하여 보행을 도와주는 착용로봇에 있어서,
    착용자가 밟고 보행할 수 있는 발판 구조로 이루어져 발바닥 센서 및 경사 측정 센서를 포함하는 발바닥 링크부;
    발바닥 링크부의 3축 회전 가능한 족 관절과 연결되어 슬관절을 연결시키는 하퇴 링크부;
    하퇴 링크부의 1축 회전 가능한 슬관절과 연결되어 관절 구동부가 포함된 대퇴 링크부;
    대퇴 링크부에 연결되어 배터리가 장착되는 고관절에 연결되는 백팩부; 및
    발바닥 센서를 이용하여 착용자의 보행 상태를 판별하고, 착용자의 상체 및 발바닥의 경사 측정센서를 이용하여 로봇 자세 추정을 통한 운동상태를 판별하여, 상기 판별된 보행 상태 및 운동 상태에 따라 임피던스 제어 파라미터를 가변적으로 적용하여 관절 구동부를 제어하는 보행 제어부:를 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 착용 로봇.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발바닥 링크부는
    보행시 지면의 경사를 측정할 수 있는 센서를 포함하고,
    하퇴 링크부는 족관절의 각도, 각속도 중 적어도 하나를 전기적인 신호로 변환하는 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 하지 착용 로봇.
  3. 제1항에 있어서, 상기 대퇴 링크부는
    슬관절의 각도, 각속도 중 적어도 하나를 전기적인 신호로 변환하는 센서와 관절 구동부의 힘/토크 정보를 측정할 수 있는 힘 센서를 포함하며,
    상기 백팩부는 고관절의 각도, 각속도 중 적어도 하나를 전기적인 신호로 변환하는 센서, 관절 구동부의 힘/토크 정보를 측정할 수 있는 힘 센서 및 백팩부의 기울기를 측정할 수 있는 각 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 로봇.
  4. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 제어 파라미터는
    착용자의 하중 및 보행 속도, 운동 상태에 따른 사전 인체 운동을 통하여 획득된 인체 관절각 및 토크 값에 의해 산출된 관절 강성값; 및
    인체 관절각 속도 및 토크 값을 바탕으로 산출된 댐핑 계수를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 로봇.
  5. 제1항에 있어서, 상기 보행 제어부는
    갑작스런 파라미터 변화에 따른 시스템 불안정성을 최소화하기 위해 쌍곡선의 파라미터 천이 가중치 함수에 따라 관절 임피던스값을 가변적으로 적용하는 것을 특징으로 하는 착용 로봇.
  6. 제1항에 있어서, 상기 보행 제어부는
    임피던스 제어 파라미터를 적용할 때 착용 무게 또는 착용자의 인체 관절각 속도에 따라 제어 파라미터를 다르게 적용하여 관절 구동부의 제어 명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 착용 로봇.
  7. 착용 로봇 장착 상태에서 착용자의 하중, 보행 속도 및 운동 상태에 따른 사전 인체 운동을 통하여 관절 임피던스값을 산출하여 저장하는 단계;
    착용 로봇의 발바닥에 부착된 센서를 착용자의 보행 상태를 판별하는 단계;
    착용자 로봇의 상체 백팩부 및 발바닥에 부착된 경사 측정센서를 이용하여 로봇 자세 추정을 통한 운동상태를 판별하는 단계; 및
    상기 판별된 보행 상태 및 운동 상태에 따라 상기 저장된 관절 임피던스값을 가변적으로 적용하여 관절 구동부를 구동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 로봇의 가변 임피던스 제어방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 관절 임피던스 값은
    착용자의 하중 및 보행 속도, 운동 상태에 따른 사전 인체 운동을 통하여 획득된 인체 관절각 및 토크 값에 의해 산출된 관절 강성값; 및
    인체 관절각 속도 및 토크 값을 바탕으로 산출된 댐핑 계수를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용 로봇의 가변 임피던스 제어방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 관절 임피던스값은
    갑작스런 임피던스값 변화에 따른 시스템 불안정성을 최소화하기 위해 쌍곡선의 파라미터 천이 가중치 함수에 따라 가변적으로 적용되는 것을 특징으로 하는 착용 로봇의 가변 임피던스 제어방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 관절 임피던스값을 가변적으로 적용할 때 착용자의 인체 관절각 속도 또는 착용 무게에 따라 제어 파라미터를 다르게 적용하여 관절 구동부를 구동하는 것을 특징으로 하는 착용 로봇의 가변 임피던스 제어방법.
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