KR20170027898A - 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

와이어 구동 방식의 관절 연동기구를 갖는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법 및 시스템이 개시된다. 상기 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법은, 로봇의 구동 와이어에 작용되는 장력을 지속적으로 측정하고, 측정된 장력 데이터를 이용하여 순간 장력 변화율을 산출하는 산출 단계; 상기 순간 장력 변화율을 기반으로 사용자 의도값을 연산하는 도출단계; 및 상기 사용자 의도값과 사전 설정된 동작의도 민감도를 비교하는 비교 결과를 기반으로 로봇 구동 여부를 판단하는 구동 판단 단계를 포함한다.

Description

착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING MOTION OF WEARABLE ROBOT}

본 발명은 와이어 구동 방식의 관절 연동기구를 갖는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법 및 시스템에 관한 것이다.

최근에는 작업자의 편의를 위한 다양한 기술이 개발 중이다. 산업 현장에는 무거운 물체를 이동시키거나 무거운 물체의 작업을 수행해야 하는 작업이 많고, 이는 사람의 힘만으로는 작업을 진행하기가 어렵다.

이러한 고하중의 물건을 취급 시 사람에 작용하는 부하를 감소시키고, 작업 편의성을 증가시킬 수 있는 기술이 개발 중이며, 최근에는 작업자가 로봇을 직접 착용하여 로봇을 조작해줌으로써 고하중의 물건을 용이하게 다룰 수 있는 착용식 로봇이 개발되고 있다.

이러한 착용식 로봇은 사용자가 가하는 조작력에 기반하여 로봇의 제어가 적절히 이루어지도록 설계되며, 이를 위해서는 로봇의 관절마다 착용자의 의도를 파악할 수 있는 토크센서나 각도센서 등을 설치하고, 그 의도에 따라 각 관절의 모터 등을 구동하여 로봇을 통해 근력을 지원받는 형식으로 이루어진다.

그러나, 로봇의 관절마다 모터를 구비할 경우 원가가 매우 높아지고 특히 모터의 무게로 인하여 로봇 자체의 무게가 증대되어 비효율적이며 제어가 어려운 문제가 발생되는바, 이러한 문제를 해소하기 위해 와이어를 이용해 로봇을 구동하는 로봇 시스템이 개발 중이다.

이렇게, 와이어를 이용해 로봇을 구동하는 로봇 시스템의 경우 관절의 의도를 파악하기 위한 센서의 수를 감소시킬 수 있는 장점이 있으며, 이러한 착용식 로봇의 제어방법을 통해 사용자의 로봇 구동 의도를 판단할 수 있는 기술이 필요하였다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

이에 본 발명은 와이어 구동방식의 관절 연동기구를 가지는 착용식 로봇에 있어서, 사용자의 로봇 구동 의도를 파악하여 구동부인 모터를 구동/정지시킬 수 있는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법 및 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

와이어 구동방식의 착용식 로봇의 구동 와이어에 작용되는 장력을 지속적으로 측정하고, 측정된 장력 데이터를 이용하여 순간 장력 변화율을 산출하는 산출 단계;

상기 순간 장력 변화율을 기반으로 사용자 의도값을 연산하는 도출단계; 및

상기 사용자 의도값과 사전 설정된 동작의도 민감도를 비교하는 비교 결과를 기반으로 로봇 구동 여부를 판단하는 구동 판단 단계;

를 포함하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 동작 의도 민감도는 구동 와이어에 작용하는 장력의 증가 시 적용되는 제1 민감도 및 장력의 감소 시 적용되는 제2 민감도를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 구동 판단 단계는, 상기 순간 장력 변화율이 양의 값인 경우 상기 사용자 의도값이 상기 제1 민감도보다 클 때 로봇을 구동하도록 결정하며, 상기 순간 장력 변화율이 음의 값인 경우 상기 사용자 의도 값이 상기 제2 민감도보다 작을 때 로봇을 구동하도록 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 상기 구동 판단 단계에서 로봇을 구동하도록 판단하여 로봇 구동이 이루어지는 중에, 상기 사용자 의도값이 상기 동작 의도 민감도 보다 큰 값에서 작은 값으로 변동되거나 보다 작은 값에서 큰 값으로 변동되는 경우, 로봇 구동을 정지하는 이상 동작 판단 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 상기 구동 판단 단계에서 로봇을 구동하도록 판단하여 로봇 구동이 이루어지는 중에, 상기 사용자 의도값이 상기 제1 민감도 보다 큰 값에서 작은 값으로 변동되거나 상기 사용자 의도값이 상기 제2 민감도 보다 작은 값에서 큰 값으로 변동되는 경우, 로봇 구동을 정지하는 이상 동작 판단 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,

와이어 구동 방식의 착용식 로봇의 와이어에 인가되는 장력을 지속적으로 검출하는 센서부; 및

상기 센서부에서 검출된 장력을 이용하여 시간에 따른 장력의 변화율을 산출하는 장력 변화율 산출부와, 상기 장력 변화율 산출부에서 산출된 순간 장력 변화율을 이용하여 사용자 의도값을 산출하는 의도값 연산부와, 상기 의도값 연산부에서 산출된 사용자 의도값과 사전 설정된 동작의도 민감도를 비교한 결과를 기반으로 로봇 구동 여부를 판단하는 구동 판단부를 갖는 제어부

를 포함하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 시스템을 제공한다.

상술한 바와 같은 과제 해결 수단을 갖는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법 및 시스템에 따르면, 착용식 로봇 사용자의 의도를 파악하기 위한 센서부가 로봇의 몸통부에 설치되어 사용자의 로봇 구동 의도를 파악할 수 있으므로 고가의 센서를 관절마다 설치하지 않음에 따라 로봇의 비용 감소를 도모할 수 있으며, 전장의 단순화 및 무게 감소를 통해 로봇을 경량화할 수 있다.

또한, 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법 및 시스템에 따르면, 순간적인 장력의 변화율을 이용하여 사용자 동작의도를 파악하므로, 로봇을 착용하는 사용자가 동작을 개시하는 즉시 사용자 의도를 파악하여 구동부를 구동할 수 있으므로 로봇 사용자의 편의를 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 로봇의 사용자 의도 판단 방법이 적용되는 와이어 구동방식의 관절 연동기구를 갖는 착용식 로봇의 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 로봇의 사용자 의도 판단 방법을 구현하기 위한 시스템을 도시한 구성도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법에 대하여 살펴본다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 로봇의 사용자 의도 판단 방법이 적용되는 와이어 구동방식의 관절 연동기구를 갖는 착용식 로봇의 예를 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시형태가 적용되는 착용식 로봇은 와이어 구동방식의 관절 기구를 통해 관절이 구동되는 로봇으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 큰 범위로 몸통부(100)와 팔(200)로 구분되고, 몸통부(100)와 팔 사이의 관절에는 드라이브 풀리(10)가 설치되며, 구동 와이어(20)가 양측의 드라이브 풀리(10)에 연결된 후 가이드 풀리(30)를 지나 밸런스 풀리(40)에 연결된다. 여기서, 밸런스 풀리(40)는 구동부(50)의 작동에 의해 상하로 슬라이딩됨으로써 상기 구동 와이어(20)의 풀어짐 또는 당겨짐에 의해 최종적으로 드라이브 풀리(10)의 회전시 로봇의 팔(200)의 위치를 제어할 수 있다.

여기서, 구동 와이어(20)는 상기 드라이브 풀리(10), 가이드 풀리(30), 밸런스 풀리(40)와 연결된 제1 와이어(22)와, 밸런스 풀리(40)와 구동부(50)를 연결하는 제2 와이어(24)로 구성될 수 있으며, 제1 와이어(22)와 제2 와이어(24)는 밸런스 풀리(40)를 통해 연결되어 구동력의 전달이 이루어지도록 한다.

아울러, 상기 제2 와이어(24)에는 구동 와이어(20)에 작용되는 장력을 측정하기 위한 센서부(60)가 설치될 수 있다. 센서부(60)는 양단에 제2 와이어(24)의 가 연결되어 제2 와이어(24)에 작용하는 장력에 의한 압축효를 검출하는 힘/토크 센서가 채용될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법의 설명 시, 구동 와이어(20)의 장력은 제2 와이어(24)에 작용되는 장력을 의미하며, 이를 토대로 본 발명에 대해서 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2에서 설명되지 않은 참조부호 '70'은 로봇의 팔(200)에 물체가 인가되는 경우 물체의 하중을 검출하는 센서인 로드셀이다.

본 발명의 일 실시형태에서는 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 와이어 구동방식의 로봇을 중심으로, 사용자의 로봇 구동 의도를 파악함을 기재하였지만, 와이어를 이용한 연동 기구는 다양한 분야에서 응용되고 있으며, 부차적인 구성에 따라 다양한 변형예가 있을 수 있다. 따라서, 본 발명은 단지 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 와이어 구동방식의 로봇에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 이해를 돕고 최적의 적용 방안에 대한 부분으로 살펴보도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법의 순서도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 로봇의 사용자 의도 판단 방법을 구현하기 위한 시스템을 도시한 구성도이다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법은, 와이어 구동방식의 착용식 로봇 제어시 사용자의 로봇 구동 의도를 파악하기 위한 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법으로서, 로봇의 구동 와이어에 작용되는 장력을 지속적으로 측정하고, 측정된 장력 데이터를 이용하여 순간 장력 변화율을 산출하는 산출 단계(S100)와, 산출 단계(S100)에서 산출된 순간 장력 변화율을 기반으로 사용자 의도값을 연산하는 도출단계(S120) 및 도출 단계(S120)에서 도출된 사용자 의도값과 사전 설정된 동작의도 민감도를 비교한 결과를 기반으로 로봇 구동 여부를 판단하는 구동 판단 단계(S140)을 포함하여 구성될 수 있다.

산출 단계(S100)에서, 센서부(60)는 와이어 구동 방식의 착용식 로봇의 와이어(20)에 인가되는 장력을 지속적으로 검출하고, 검출한 장력의 결과 데이터를 제어부(80) 내의 장력 변화율 산출부(81)로 전송할 수 있다. 장력 변화율 산출부(81)는 센서부(60)에서 입력되는 장력을 이용하여 시간에 따른 장력의 변화율을 산출할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 장력 변화율 산출부(81)는 시간 순서대로 입력된 검출 장력에 대해 미분 연산을 통해 순간 장력 변화율을 산출하거나, 매우 짧은 단위 시간로 검출된 장력의 차를 순차적으로 연산함으로써 순간 장력 변화율을 연산할 수 있다.

이어, 도출 단계(S120)에서, 의도값 연산부(82)는 장력 변화율 산출부(81)로부터 순간 장력 변화율을 입력 받고, 순간 장력 변화율을 이용하여 사용자 의도값을 산출한다. 의도값 연산부(82)는 사용자 의도값을 정확하게 산출하기 위해 다양한 방식을 적용할 수 있다. 일례로, 의도값 연산부(82)는 순간 장력 변화율에 사전 설정된 이득을 적용하여 사용자 의도값을 도출할 수 있다. 이 경우에 적용되는 이득은 와이어 구동 방식의 로봇에 적용되는 와이어의 규격이나 구동부(모터)의 규격 등에 따라 적절하게 조정될 수 있다.

이어, 구동 판단 단계(S140)에서, 구동 판단부(83)는 의도값 연산부(82)에서 도출된 사용자 의도값과 사전 설정된 동작의도 민감도를 비교한 결과를 기반으로 로봇 구동 여부를 판단할 수 있다.

구동 판단부(83)의 구동 판단에 사용되는 동작의도 민감도는 와이어 구동 방식의 로봇에 적용되는 와이어의 규격이나 구동부(모터)의 규격 등을 감안하여 이론적 연산이나 실험적 방식을 통해 사전에 설정된 값으로, 사용자 동작의도가 발생하였음을 판단하기 위한 기준값이다. 도 1 및 도 2에 도시된 예에서, 구동부(50)가 동작하지 않는 상태에서 사용자가 팔(200)을 들어올리는 경우 와이어의 장력은 감소할 수 있다. 반대로, 구동부(50)가 동작하지 않는 상태에서 사용자가 팔(200)을 내리는 경우 와이어의 장력은 증가할 수 있다. 따라서, 동작의도 민감도는 장력이 증가하는 경우(순간 장력 변화율은 양의 값)에 적용되는 제1 민감도와 장력이 감소하는 경우(순간 장력 변화율은 음의 값)에 적용되는 제2 민감도를 포함할 수 있다.

순간 장력 변화율이 양의 값을 갖는 경우, 구동 판단부(83)는 순간 장력 변화율과 제1 민감도를 비교하고 순간 장력 변화율이 제1 민감도 보다 큰 경우 사용자가 동작 의도가 있는 것으로 판단하여 구동부(50)로 해당 방향(팔(200)을 내리는 방향)으로의 구동이 이루어지도록 지시할 수 있다. 이와 반대로, 순간 장력 변화율이 음의 값을 갖는 경우, 구동 판단부(83)는 순간 장력 변화율과 제2 민감도를 비교하고 순간 장력 변화율이 제2 민감도 보다 작은 경우 사용자가 동작 의도가 있는 것으로 판단하여 구동부(50)로 해당 방향(팔(200)을 들어 올리는 방향)으로의 구동이 이루어지도록 지시할 수 있다.

이어, 구동 판단 단계(S140)에서 이루어지는 구동 판단부(83)의 판단 및 지시에 따라 구동부(50)를 구동하는 구동 단계(S160)가 수행될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시형태는, 와이어 구동방식의 착용식 로봇을 착용한 사용자의 의도를 파악하기 위한 것이며, 사용자의 의도를 파악하기 위한 센서부(60)가 로봇의 몸통부(100)에 설치되어 사용자의 로봇 구동 의도를 파악할 수 있음으로써 고가의 센서를 관절마다 설치하지 않음에 따라 로봇의 비용 감소를 도모할 수 있다.

아울러, 와이어 구동 방식의 착용식 로봇의 경우 관절을 구동시 각 관절에 각각 구동부를 설치하지 않기 때문에, 전장의 단순화 및 무게 감소를 통해 로봇을 경량화할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시형태는, 순간적인 장력의 변화율을 이용하여 사용자 동작의도를 파악하므로, 로봇을 착용하는 사용자가 동작을 개시하는 즉시 사용자 의도를 파악하여 구동부를 구동할 수 있으므로 로봇 사용자의 편의를 더욱 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시형태는 구동부의 구동 중에 이상 동작을 차단하기 위한 이상 동작 판단 단계(S180)를 더 포함할 수 있다.

이상 동작 판단 단계(S180)는 구동 단계(S160)가 실행되는 중에 장력의 순간 변화율의 변화가 발생한 경우 수행되는 단계일 수 있다.

이상 동작 판단 단계(S180)에서, 구동 판단부(83)는, 구동부(50)가 구동되는 중에, 사용자 의도값이 동작 의도 민감도 보다 큰 값에서 작은 값으로 변동되거나 보다 작은 값에서 큰 값으로 변동되는 경우 로봇 구동을 정지하도록 구동부(50)를 제어할 수 있다. 더욱 구체적으로, 구동 판단부(83)는, 사용자 의도값이 제1 민감도 보다 큰 값에서 작은 값으로 변동되거나 사용자 의도값이 제2 민감도 보다 작은 값에서 큰 값으로 변동되는 경우 로봇 구동을 정지하도록 구동부(50)를 제어할 수 있다. 즉, 장력의 순간 변화율에 따라 연산된 사용자 의도값이 사전 설정된 민감도보다 크게 동작하던 중에 민감도 보다 감소하거나, 사전 설정된 민감도 보다 작게 동작하던 중에 민감도 보다 증가하는 경우 사용자에 의해 이상동작이 발생하거나 동작을 중단하기 위한 의도가 있는 것으로 판단하여 구동부(50)의 동작을 정지시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시형태는, 와이어 구동 방식 착용 로봇의 착용자 의도 파악을 통해 구동을 개시할 수 있는 기법뿐만 아니라, 장력의 순간 변화율이 변화하는 추이에 따라 사용자의 이상 동작이나 사용자의 동작 중단 의도를 파악하여 로봇 구동을 정지할 수 있다.

본 발명은 특정한 실시형태에 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.

S100: 산출 단계 S120: 도출 단계
S140: 구동 판단 단계 S160: 구동 단계
S180: 이상동작 판단 단계

Claims (10)

1. 와이어 구동방식의 착용식 로봇 제어시 사용자의 로봇 구동 의도를 파악하기 위한 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법에 있어서,
   로봇의 구동 와이어에 작용되는 장력을 지속적으로 측정하고, 측정된 장력 데이터를 이용하여 순간 장력 변화율을 산출하는 산출 단계;
   상기 순간 장력 변화율을 기반으로 사용자 의도값을 연산하는 도출단계; 및
   상기 사용자 의도값과 사전 설정된 동작의도 민감도를 비교하는 비교 결과를 기반으로 로봇 구동 여부를 판단하는 구동 판단 단계;
   를 포함하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 동작 의도 민감도는 구동 와이어에 작용하는 장력의 증가 시 적용되는 제1 민감도 및 장력의 감소 시 적용되는 제2 민감도를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 구동 판단 단계는,
   상기 순간 장력 변화율이 양의 값인 경우 상기 사용자 의도값이 상기 제1 민감도보다 클 때 로봇을 구동하도록 결정하며, 상기 순간 장력 변화율이 음의 값인 경우 상기 사용자 의도 값이 상기 제2 민감도보다 작을 때 로봇을 구동하도록 결정하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 구동 판단 단계에서 로봇을 구동하도록 판단하여 로봇 구동이 이루어지는 중에, 상기 사용자 의도값이 상기 동작 의도 민감도 보다 큰 값에서 작은 값으로 변동되거나 보다 작은 값에서 큰 값으로 변동되는 경우, 로봇 구동을 정지하는 이상 동작 판단 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법.
5. 제2항에 있어서,
   상기 구동 판단 단계에서 로봇을 구동하도록 판단하여 로봇 구동이 이루어지는 중에, 상기 사용자 의도값이 상기 제1 민감도 보다 큰 값에서 작은 값으로 변동되거나 상기 사용자 의도값이 상기 제2 민감도 보다 작은 값에서 큰 값 으로 변동되는 경우, 로봇 구동을 정지하는 이상 동작 판단 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 방법.
6. 와이어 구동 방식의 착용식 로봇의 와이어에 인가되는 장력을 지속적으로 검출하는 센서부; 및
   상기 센서부에서 검출된 장력을 이용하여 시간에 따른 장력의 변화율을 산출하는 장력 변화율 산출부와, 상기 장력 변화율 산출부에서 산출된 순간 장력 변화율을 이용하여 사용자 의도값을 산출하는 의도값 연산부와, 상기 의도값 연산부에서 산출된 사용자 의도값과 사전 설정된 동작의도 민감도를 비교한 결과를 기반으로 로봇 구동 여부를 판단하는 구동 판단부를 갖는 제어부
   를 포함하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 시스템.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 동작 의도 민감도는 구동 와이어에 작용하는 장력의 증가 시 적용되는 제1 민감도 및 장력의 감소 시 적용되는 제2 민감도를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 시스템.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 구동 판단부는, 상기 순간 장력 변화율이 양의 값인 경우 상기 사용자 의도값이 상기 제1 민감도보다 클 때 로봇을 구동하도록 결정하며, 상기 순간 장력 변화율이 음의 값인 경우 상기 사용자 의도 값이 상기 제2 민감도보다 작을 때 로봇을 구동하도록 결정하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 시스템.
9. 청구항 6에 있어서,
   상기 구동 판단부는, 상기 로봇을 구동하도록 판단하여 로봇 구동이 이루어지는 중에, 상기 사용자 의도값이 상기 동작 의도 민감도 보다 큰 값에서 작은 값으로 변동되거나 보다 작은 값에서 큰 값으로 변동되는 경우, 로봇 구동을 정지하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 시스템.
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 구동 판단부는, 로봇을 구동하도록 판단하여 로봇 구동이 이루어지는 중에, 상기 사용자 의도값이 상기 제1 민감도 보다 큰 값에서 작은 값으로 변동되거나 상기 사용자 의도값이 상기 제2 민감도 보다 작은 값에서 큰 값 으로 변동되는 경우, 로봇 구동을 정지하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 사용자 의도 판단 시스템.

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