KR20190002953A

KR20190002953A - 다절 링크 기구와 이를 이용한 하지 외골격 로봇 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR20190002953A
Application number: KR1020170083297A
Authority: KR
Inventors: 현동진; 하태준; 박현석
Original assignee: 현대로템 주식회사; 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-01-09
Also published as: KR102311666B1; US20190001493A1; DE102017222609A1; DE202017107583U1; US10792811B2

Abstract

구동축에 토크를 제공하는 구동장치; 상기 구동축이 일측에 마련된 제1 링크; 상기 구동축에 일단이 고정되고 상기 구동축의 회전에 의해 타단이 이동하는 구동암; 상기 구동암의 타단에 회동가능하게 일단이 연결된 제1 보조링크; 상기 제1 링크 타측의 제1 지점 및 상기 제1 보조링크의 타단에 각각 회동 가능하게 연결되는 제2 보조링크; 상기 제1 링크의 하부에 배치되며 상기 제2 보조링크와 회동 가능하게 연결되는 제2 링크; 및 상기 제1 링크 타측의 제1 지점과 이격된 제2 지점에 일단이 회동 가능하게 연결되며 타단이 상기 제2 링크에 회동 가능하게 연결된 제3 보조링크;를 포함하는 다절 링크 구조가 개시된다.

Description

다절 링크 기구와 이를 이용한 하지 외골격 로봇 및 그 제어 방법{MULTI LINK APPARATUS, LOWER-LOMB EXOSKELETON ROBOT USING THE SAME AND METHED FOR CONTROLLING THE SAME}

본 발명은 다절 링크 기구, 이를 이용한 하지 외골격 로봇 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실제 인체의 무릎의 동작 메커니즘을 모방하여 무릎 회전의 중심이 회전 각도에 따라 변경될 수 있는 다절 링크 기구, 이를 이용한 하지 외골격 로봇 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

외골격(exoskeleton) 로봇 기술은, 장애우 및 고령자의 이동성을 확보하기 위한 기술이다. 그러나, 외골격 로봇 기술은 기계적 디자인이나 작동 알고리즘에 있어서 여전히 다양한 공학적 이슈를 갖는다. 예를 들어, 외골격 로봇을 의복과 같이 착용할 수 있도록 하기 위해서는, 로봇을 구성하는 기구적인 부품들에 대한 허용 가능한 공간이나 무게가 매우 제한된다. 또한, 로봇의 전체적인 제어 샘플링 속도는 인간의 움직임을 방해하지 않고 주변 환경으로부터 작용하는 외력에 대해 적절하게 반응할 수 있을 정도로 신속하여야 한다.

현재까지는 많은 로봇 개발자들에 의해 착용식 로봇의 성능에 대해 성공적인 결과들이 도출되고 있지만, 여전히 착용식 로봇의 제어 알고리즘에 대해서는 많은 개선이 이루어져야 하는 실정이다.

특히, 외골격 로봇의 무릎 관절의 경우, 종래에는 무릎 관절에 대응되는 위치에 액추에이터와 같은 구동장치를 마련하여 고정된 하나의 회전축으로 관절 회전이 이루어지도록 구현되었다. 그러나, 실제 인체의 무릎 관절은 회전 과정에서 회전의 중심이 변화하는 다중심 회전을 형성하므로, 종래에는 외골격 로봇이 정확하게 착용자의 무릎 회전을 추종하지 못하였다.

이로 인해 종래의 외골격 로봇은 착용감이 불편하며 인체의 움직임에 신속한 반응이 이루지기 어려운 문제가 있었다.

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.

본 발명은 실제 인체의 무릎의 동작 메커니즘을 모방하여 무릎 회전의 중심이 회전 각도에 따라 변경될 수 있는 다절 링크 기구, 이를 이용한 하지 외골격 로봇 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

구동축에 토크를 제공하는 구동장치;

상기 구동축이 일측에 마련된 제1 링크;

상기 구동축에 일단이 고정되고 상기 구동축의 회전에 의해 타단이 이동하는 구동암;

상기 구동암의 타단에 회동가능하게 일단이 연결된 제1 보조링크;

상기 제1 링크 타측의 제1 지점 및 상기 제1 보조링크의 타단에 각각 회동 가능하게 연결되는 제2 보조링크;

상기 제1 링크의 하부에 배치되며 상기 제2 보조링크와 회동 가능하게 연결되는 제2 링크; 및

상기 제1 링크 타측의 제1 지점과 이격된 제2 지점에 일단이 회동 가능하게 연결되며 타단이 상기 제2 링크에 회동 가능하게 연결된 제3 보조링크;

를 포함하는 다절 링크 기구를 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 보조링크는 상기 제1 링크의 하단부가 접촉하는 접촉면을 가지며, 구동축의 회전 시 상기 제1 링크의 하단부는 상기 접촉면을 따라 슬라이딩할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 링크의 하단부는 곡면을 가지며, 상기 접촉면은 상기 제1 링크 방향으로 오목한 곡면으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 보조링크는 상기 접촉면을 형성하는 가이드부 및 상기 가이드부의 일단부에 고정된 연결부를 포함하며, 상기 연결부는 상기 제1 링크 및 상기 제1 보조링크와 각각 회동 가능하게 연결되고, 상기 가이드부의 타단은 상기 제2 링크에 회동 가능하게 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 가이드부는 상기 접촉면에 롤러 베어링을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 상기 구동암의 회전각을 검출한 값을 기반으로 상기 구동축의 토크를 결정하여 상기 구동장치를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는, 상기 구동암의 회전각을 검출하고, 사전 설정된 매핑함수 및 사전 설정된 속도비를 적용하여, 검출된 상기 구동암의 회전각에 대응되는 상기 제1 링크와 상기 제2 링크 사이의 각도인 무릎 관절각 및 무릎 관절각속도-구동암의 회전각속도의 비를 도출하고, 검출된 상기 구동암의 회전각을 미분하여 구동암의 회전각속도를 도출하며, 도출된 구동암의 회전각속도 및 무릎 관절각속도-구동암의 회전각속도의 비를 이용하여 검출된 상기 구동암의 회전각에 대응되는 무릎 관절각속도를 도출하고, 도출된 무릎 관절각 및 도출된 무릎 관절각속도를 이용하여 상기 제1 링크를 기준으로 한 제2 링크의 회전 토크인 무릎 관절 토크를 도출하며, 도출된 무릎 관절각속도-구동암의 회전각속도의 비와 도출된 무릎 관절 토크를 이용하여 상기 구동축의 토크를 결정하고 결정된 구동축의 토크를 출력하도록 상기 구동장치를 구동할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 매핑함수는,

로 사전 결정될 수 있으며(θ_a:상기 구동암의 회전각, θ_k: 상기 무릎 관절각), 상기 매핑함수의 양변을 시간에 대해 미분하고 정리함으로써

와 같이 상기 무릎 관절각속도-구동암의 회전각속도의 비가 사전에 결정될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는, 상기 구동축의 토크를,

와 같은 토크 산출식에 의해 결정하며,

상기 토크 산출식은, 상기 구동축의 에너지가 상기 제2 링크 회전의 에너지로 보존되는 것으로 가정하여,

의 에너지 보존 관계식을 설정하고(τ_k: 상기 무릎 관절 토크, τ_a: 상기 구동축의 토크,

: 상기 무릎 관절각속도,

는 상기 구동축의 각속도), 상기 에너지 보존 관계식의 양변을 상기 구동암의 각속도로 나눔으로써 결정될 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,

상기 다절 링크 기구의 제어 방법으로서,

상기 구동암의 회전각을 검출하는 단계;

사전 설정된 매핑함수 및 사전 설정된 속도비를 적용하여, 상기 검출하는 단계에서 검출된 구동암의 회전각에 대응되는 상기 제1 링크와 상기 제2 링크 사이의 각도인 무릎 관절각 및 무릎 관절각속도-구동암의 회전각속도의 비를 도출하고, 상기 검출하는 단계에서 검출된 구동암의 회전각을 미분하여 구동암의 회전각속도를 도출하는 제1 도출단계;

상기 제1 도출하는 단계에서 도출된 구동암의 회전각속도 및 무릎 관절각속도-구동암의 회전각속도의 비를 이용하여 상기 검출하는 단계에서 검출된 구동암의 회전각에 대응되는 무릎 관절각속도를 도출하는 제2 도출단계;

상기 제1 도출단계에서 도출된 무릎 관절각 및 상기 제2 도출단계에서 도출된 무릎 관절각속도를 이용하여 상기 제1 링크를 기준으로 한 제2 링크의 회전 토크인 무릎 관절 토크를 도출하는 제3 도출단계; 및

상기 제1 도출단계에서 도출된 무릎 관절각속도-구동암의 회전각속도의 비와 상기 제3 도출단계에서 도출된 무릎 관절 토크를 이용하여 상기 구동축의 토크를 결정하고 결정된 구동축의 토크를 출력하도록 상기 구동장치를 구동하는 단계;

를 포함하는 다절 링크 기구의 제어 방법을 제공한다.

상기 다절 링크 기구, 이를 이용한 하지 외골력 로봇 및 그 제어 방법에 따르면, 실제 인체와 같이 무릎 관절이 다 중심 회전을 할 수 있으므로 착용자의 다리 움직임을 매우 유사하게 추종하여 로봇과 착용자의 허벅지, 정강이 등에 인체와의 밀착을 위해 구비된 커프가 밀리는 현상 등을 제거하는 등 로봇의 착용성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 다절 링크 기구, 이를 이용한 하지 외골력 로봇 및 그 제어 방법에 따르면, 무릎의 회전 시 순간 중심이 변화함으로써, 발꿈치가 바닥에 접촉할 때 발바닥으로부터 전달되는 지면 반응 토크(Ground Reaction Torque)에 대하여 내재적으로 버틸 수 있는 안정성이 확보될 수 있다. 또한, 착용자가 발가락 끝을 지면에서 띄는 순간 지지 상태에서 스윙 상태로 변환할 때 순간 중심의 변화를 이용하여 부드러운 무릎의 굴곡을 유도할 수 있다.

또한, 상기 다절 링크 기구, 이를 이용한 하지 외골력 로봇 및 그 제어 방법에 따르면, 모터나 액추에어터와 같은 구동장치의 위치를 허벅지 링크의 상부로 이동시킴으로써 외골격 로봇 다리 자체의 관성 모멘트를 저감하여, 로봇 다리의 전체적인 대역폭을 증가시켜 고속 보행에 더욱 적합하다. 또한, 구동장치(구동축)과 무릎 관절의 토크비가 변화함에 따라 효율적으로 다리가 펴질 경우, 버틸 수 있고, 접었을 경우 빠른 스윙 모션을 가질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 하지 외골격 로봇을 전체적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 하지 외골격 로봇의 무릎 관절 부분을 더욱 상세하게 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 하지 외골격 로봇의 무릎 관절 부분을 더욱 상세하게 도시한 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 하지 외골격 로봇의 무릎 관절 부분에서 구현되는 두 개의 4절링크 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 4절링크 구조의 동작을 무릎각도에 따라 순차적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 복수의 도면을 중첩하여 도시한 도면이다.
도 7은 도 1에 도시된 하지 외골격 로봇의 구동장치에 의한 구동암의 회전각과 무릎 관절의 각도의 관계를 도시한 그래프이다.
도 8은 도 1에 도시된 하지 외골격 로봇의 구동장치에 의한 구동암의 회전각의 속도와 그에 따른 무릎 관절의 각도의 속도의 비율을 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 하지 외골격 로봇의 제어 방법을 설명하기 위한 블록도이다.

이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 다절 링크 기구와 이를 이용한 하지 외골격 로봇 및 그 제어 방법을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 하지 외골격 로봇을 전체적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 하지 외골격 로봇의 무릎 관절 부분을 더욱 상세하게 도시한 사시도이다. 또한, 도 3은 도 1에 도시된 하지 외골격 로봇의 무릎 관절 부분을 더욱 상세하게 도시한 평면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 하지 외골격 로봇(10)은 다절 링크 기구로 구현된다. 더욱 구체적으로 본 발명의 일 실시형태에 따른 하지 외골격 로봇(10)은, 허벅지(thigh) 링크(12), 구동암(13), 제1 보조링크(14), 제2 보조링크(15), 정강이(shank) 링크(16) 및 제3 보조링크(17)를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 다절 링크 기구는 후술하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 하지 외골격 로봇(10)의 구성 및 작용 효과에 대한 설명을 통해 당업자가 쉽게 이해하고 실시할 수 있을 것이다.

허벅지 링크(12)의 상부측에는 구동장치(11)가 마련될 수 있다. 구동장치(11)는 구동축(X)에 토크를 제공하는 장치로서 모터나 액추에이터 및 이에 결합된 감가속기 등을 포함하는 형태로 구현될 수 있다. 구동축(X)은 허벅지 링크(12)의 측방향으로 배치될 수 있다.

구동암(13)은 구동장치(11)에 의해 회전하는 구동축에 일단이 고정 연결되어 구동축이 회전함에 따라 그 타단이 이동하도록 구현될 수 있다. 구동축이 허벅지 링크(12)의 측방향으로 배치되고, 구동축에 구동암(13)의 일단이 연결됨에 따라 구동암(13)은 허벅지 링크의 전방에서 그 타단이 상하로 이동되는 형태로 동작할 수 있다.

제1 보조링크(14)는 구동암(13)의 타단에 일단이 회동 가능하도록 연결될 수 있다. 특히, 제1 보조링크(14)의 일단은 구동암(13)의 타단에서 자유 회동이 가능하게 연결될 수 있다.

제2 보조링크(15)는 총 세개의 접점을 가지며, 그 중 하나의 접점에서 제1 보조링크(14)와 자유 회동 가능하도록 연결되고, 나머지 둘 중 하나의 접점에서 허벅지 링크의 하부측에 자유 회동 가능하도록 연결될 수 있다.

전술한 것과 같은, 허벅지 링크(12), 구동암(13), 제1 보조링크(14) 및 제2 보조링크(15)는 상호 이웃하는 요소간 회동 가능한 연결을 형성함으로써 하나의 4절링크(Four-Bar Linkage) 구조(F1)를 형성할 수 있다.

정강이 링크(16)는 허벅지 링크(12)이 하부에 배치되며, 제2 보조링크(15)의 세 접점 중 제1 보조링크(14) 및 허벅지 링크(12)에 연결된 두 접점을 제외한 나머지 접점에 자유 회동 가능하게 연결될 수 있다.

제3 보조링크(17)는 그 일단이 허벅지 링크(12)의 하부측에 자유회동 가능하게 연결되고 타단이 정강이 링크(16)에 자유 회동 가능하게 연결될 수 있다.

전술한 것과 같은, 허벅지 링크(12), 제2 보조링크(15), 정강이 링크(16) 및 제3 보조링크(15)는 상호 이웃하는 요소간 회동 가능한 연결을 형성함으로써 또 하나의 4절링크 구조(F2)를 형성할 수 있다.

허벅지 링크(12), 구동암(13), 제1 보조링크(14) 및 제2 보조링크(15)가 구성하는 4절링크 구조를 설명의 편의상 제1 4절링크(F1)라고 하고, 허벅지 링크(12), 제2 보조링크(15), 정강이 링크(16) 및 제3 보조링크(15)가 구성하는 4절링크 구조를 제2 4절링크(F2)라고 하기로 한다.

제1 4절링크(F1)과 제2 4절링크(F2)는 허벅지 링크(12)의 하부측에서 제2 보조링크(15)에 의해 하나의 접점을 공유하게 된다. 즉, 고정된 위치의 세 개의 접점을 갖는 제2 보조링크(15)는 제1 4절링크(F1)를 구성하는 하나의 바가 되고 제2 4절링크(F2)를 구성하는 하나의 바가 되어 구동축(X)의 회전에 의한 운동이 정강이 링크(16)로 전달한다. 구동축(X)의 회전에 의한 운동이 정강이 링크(16)으로 전달되면 제2 4절링크(F4)의 구조가 변경되면서 허벅지 링크(12)와 정강이 링크(16)가 이루는 각도를 변경시킴으로써 외골격 로봇의 무릎 운동을 형성할 수 있다.

여기서, 제2 보조링크(15)는 허벅지 링크(12)의 하단부가 접촉하여 슬라이딩 되는 접촉면(S)를 갖는 가이드부(151)를 포함할 수 있다. 즉, 허벅지 링크(12)의 하단부는 곡면을 갖도록 형성되며, 가이드부(151)의 접촉면(S)은 이 곡면이 접촉하여 슬라이딩 되도록 허벅지 링크 방향으로 오목한 곡면으로 형성될 수 있다.

또한, 허벅지 링크(12)의 하단부가 접촉면(S)을 따라 슬라이딩하는 과정에서 마찰력을 감소시키고 체중 부하를 감소시키기 위해, 가이드부(151)의 접촉면(S)에는 복수의 롤러 베어링(153)이 구비될 수 있다.

가이드부(151)의 일단은 정강이 링크(16)에 직접 자유 회동 가능하도록 연결되고, 가이드부(151)의 타단에는 가이드부(151)에 고정된 결합부(152)가 형성될 수 있다. 결합부(152)는 서로 다른 두 접점에서 각각 허벅지 링크(12) 및 제1 보조링크(14)와 자유 회동 가능하도록 연결될 수 있다.

이에 더하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 하지 외골격 로봇은, 도 1에 도시한 것과 같이, 허벅지 링크(12)와 연결된 고관절 구동장치(110), 착용자의 발을 안착하고 착용자의 발이 지면 접촉 상태인지 허공에 있는 상태인지 판단하기 위해 마련되는 족부(120), 착용자의 허벅지나 정강이에 링크를 고정하기 위한 커프(131, 132) 및 구동장치(11, 110)를 제어하는 제어부(140)를 더 포함할 수 있다.

이하에서는 전술한 것과 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시형태에 따른 하지 외골격 로봇의 동작 메커니즘 및 제어 방법에 대해 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 4는 도 1에 도시된 하지 외골격 로봇의 무릎 관절 부분에서 구현되는 두 개의 4절링크 구조를 도시한 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 4절링크 구조의 동작을 무릎각도에 따라 순차적으로 도시한 도면이며, 도 6은 도 5에 도시된 복수의 도면을 중첩하여 도시한 도면이다.

도 4 내지 도 6에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 하지 외골격 로봇은 두 개의 4절링크(F1, F2)가 결합된 구조를 갖는다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 하지 외골격 로봇을 구현하는 두 개의 4절링크(F1, F2)는 실제의 인간 무릎 관절의 운동, 즉 전후방 전이(anterior/posterior translation) 및 굴신 운동(flexion-extension)이 결합된 움직임과 같은 다중심(polycentric) 운동을 구현하기 위해 채용된다.

여러 연구에 따르면, 다리가 15도 미만의 무릎 굴곡 각도(즉, 허벅지의 연장선과 정강이가 형성하는 각도)를 가질 때, 정강이가 회전하는 중심은 해부학적인 무릎 관절보다 높아지고, 그 회전의 중심이 자발적인 안정성의 영역에 남아있을 확률이 증가한다. 또한, 무릎 굴곡 각도가 15도 이상으로 높아지면 정강이가 회전하는 중심은 하강하여 뒤쪽으로 이동하여 자발적인 안정성 영역에서 벗어나게 되는 것으로 알려져 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 하지 외골격 로봇의 구조는 제1 4절링크(F1)가 구동축의 토크를 제2 4절링크(F2)로 전달하는 일종이 파워트레인(powertrain)으로 사용되며, 제2 4절링크(F2)는 다중심의 무릎 운동(즉, 정강이 회전의 중심이 변화하는 운동)을 구현하도록 마련된 것이다. 즉, 제1 4절링크(F1)는 구동장치에 의해 생성되는 구동축의 토크를 전달하는 역할을 하며, 제2 4절링크(F2)는 전달받은 구동축의 토크를 이용하여 무릎의 회전을 형성하는 역할을 한다. 여기서, 무릎의 회전은 제2 4절링크(F2)를 구성하는 정강이 링크(16)에 의해 형성된 바가 지면과

구동축에 토크를 제공하는 구동장치(모터 또는 액추에이터)를 로봇 착용자의 무릎 보다 몸통에 가깝게 배치하면 다리의 관성 모멘트를 감소시킬 수 있다. 다리의 관성 모멘트의 감소, 즉 다리의 기계적인 대역폭의 증가는 고속 다리 운동의 설계를 위한 필수적인 요건이다. 이와 같이 구동장치를 착용자의 몸체에 더 가깝게 배치하는 대신 액추에이터의 암, 즉 구동축에 연결되어 이동하는 구동암(13)과 제2 4절링크(F2)는 제1 보조링크(14)를 통해 연결함으로써 제2 4절링크(F2)로 구동장치에 의한 토크를 전달하기 위한 제1 4절링크(F1)가 제작될 수 있다. 정리하면, 제1 4절링크(F1)의 역할은 착용자의 몸통에 더욱 가깝게 액추에이터를 위치할 수 있게 하여 다리의 총 관성 모멘트를 감소시키면서 동시에 정강이 링크(16)에 액추에이터에 의한 토크를 전달하여 무릎 운동을 가능하게 하는 것이다.

제2 4절링크(F2)는 다중심(polycentric)의 무릎 구조를 구현하는 핵심 요소이다. 도 5 및 도 6에서 링크와 분리되어 도시된 점(point)는 각 무릎 각도에서 정강이 링크(16)의 회전하는 중심을 나타낸 것이다. 도 5 및 도 6에 도시된 것과 같이, 무릎 각도가 15도 이하인 경우 회전의 중심은 무릎의 위치(즉, 제1 4절링크(F1)와 제2 4절링크(F2)가 상호 연결되는 지점)보다 높은 위치에 나타나며 무릎의 각도가 15도를 초과하게 되면 회전의 중심은 제1 4절링크(F1)와 제2 4절링크(F2)가 상호 연결되는 지점보다 아래이면서 후방에 형성된다.

도 7은 도 1에 도시된 하지 외골격 로봇의 구동장치에 의한 구동암의 회전각과 무릎 관절의 각도의 관계를 도시한 그래프이고, 도 8은 도 1에 도시된 하지 외골격 로봇의 구동장치에 의한 구동암의 회전각의 속도와 그에 따른 무릎 관절의 각도의 속도의 비율을 도시한 그래프이다.

구동장치에 작동에 의한 구동암(13)의 회전각도(θ_a)에서 무릎 관절의 각도(θ_k)로 매핑하는 함수는 CAD(Computer Aided Design) 응용 프로그램 등에서 제공되는 고정점 기반 코사인 법칙을 사용하여 다음 식 1과 같이 분석적으로 도출될 수 있으며 그 관계는 도 7에 도시된다. 즉, 두 개의 4절링크(F1, F2)의 길이와 연결관계에 대한 설정이 CAD 응용 프로그램에 의해 분석되어 식 1과 같은 매핑 함수가 도출될 수 있다.

여기서, 구동암(13)의 회전각도(θ_a)는 도 4에 도시한 것과 같이 구동축(X)을 지나는 평면(P')에 대해 구동암(13)이 형성하는 각도를 의미할 수 있으며, 실제 무릎 관절의 각도(θ_k)는 평면(P)에 대하여 제2 4절링크(F2)를 구성하는 정강이 링크(16)에 의해 형성된 하부 바가 형성하는 각도를 의미할 수 있다. 이는 정각이 링크(16)와 허벅지 링크(12)가 형성하는 상대 각도, 즉 무릎 관절 각도와 일치한다. 이 두 각도는, 제1 4절링크(F1)과 제2 4절 링크(F2)가 직렬로 연결되어 있는 기구학적 관계를 나타내며, 제2 코사인 법칙을 이용하여 이 두 각도의 관계 함수를 다음의 식 1과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 구동암의 회전 각도를 아는 경우, 다음의 식 1에 의해 무릎 관절각이 도출될 수 있다.

[식 1]

상기 식 1의 매핑 함수를 시간에 대해 미분하면 다음의 식 2와 같으며, 양변을

로 나누면 각도 변화율 즉 구동암에 의한 각도의 속도와 무릎 각도의 속도의 비율을 식 3과 같이 도출할 수 있다. 속도의 비율이 도 8에 도시된다.

[식 2]

[식 3]

상기 식 2와 식 3에 의해 도 7과 도 8에 도시된 것과 같은 관계가 도시될 수 있다. 도 7 및 도 8에 나타난 바와 같이, 구동암이 형성하는 각도의 변화(즉, 속도)와 그에 따른 무릎 관절의 각도의 변화(즉, 속도) 사이의 관계는 일정하지 않고 가변적이다. 예를 들어, 완전히 확장된 무릎(도 7에서 무릎 각도가 0도인 경우)이 10도로 구부러진 경우를 가정하면, 이에 해당하는 구동암 각도를 도 8에서 찾아 그 속도비를 확인하면 무릎 각도의 변화율(즉, 속도)는 그 절대값이 더 커짐(즉, 무릎 각도의 변화가 더 커짐)을 확인할 수 있다. 이와 같은 속도 비율과 관련된 특징들은, 다리가 펴진 상태에서는 토크 증폭과 함께 하중을 지탱할 수 있으며, 굴곡된 상태에서는 빠른 스윙 동작이 가능하다는 것을 의미한다.

한편, 구동장치에서 생성된 동력이 다음의 식 4와 같이 기어 열을 통해 보존된다고 가정하면, 구동장치에 의한 토크/속도는 다음의 식 5에 나타난 것과 같이 계산될 수 있다.

[식 4]

[식 5]

식 4 및 식 5에서, τ_k는 무릎 관절의 토크이고, τ_a는 구동축의 토크이고

는 무릎 관절각속도이고,

는 구동암의 각속도이다.

도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 하지 외골격 로봇의 제어 방법을 설명하기 위한 블록도이다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 하지 외골격 로봇은 무릎 관절 자체가 모터 또는 액추에이터와 같은 구동장치로 구현되지 않고, 두 개의 4절링크(F1, F2)를 이용하여 구동 장치의 토크를 무릎으로 전달하므로 무릎 관절의 토크와 구동장치의 토크가 일치하지 않는다. 이는 이미 전술한 식 4 및 식 5에 의해 설명되었다.

따라서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 하지 외골격 로봇은 구동암의 각도(θ_a)를 검출하고(S11), 이어 전술한 식 1을 이용하여 무릎각도(θ_k)를 도출하고(S121), 구동암의 각도를 미분하여 구동암 각속도(

)를 도출하며(S122), 식 3을 이용하여 구동암 각도와 무릎 각도의 속도비(

)를 구한 후(S123), 식 2와 같이 무릎 각속도(

)를 도출한다(S124).

이어, 무릎 각도(θ_k)와 무릎 각속도(

)를 이용하여 통상의 단일 회전축을 이용한 토크 도출 알고리즘을 적용하여 무릎 토크(τ_k)를 도출하고(S14), 식 5에 도출된 무릎 토크(τ_k)를 적용하여 구동장치의 토크, 즉 구동암을 회전시키기 위한 토크(τ_a)를 도출하여 구동장치를 제어할 수 있다(S15).

예를 들어, 단계(S14)에서 적용되는 토크 도출 알고리즘은 통상의 단일 회전축을 이용한 토크 도출 알고리즘을 채용할 수 있다. 단일 회전축을 이용한 토크 도출 알고리즘은, 무릎 각도와 각속도 및 기타 센서 정보 등을 기반으로 도출된 무릎 토크를 착용자에게 부여하는 방식의 알고리즘이다. 본 발명의 일 실시형태에서, 착용자의 무릎각을 구동암의 각도로 추정하며, 또 착용자에게 부여하고자 하는 무릎의 토크를 구동기의 토크로써 구현할 수 있다. 따라서 도 9에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 제어 방식은, 단일 회전축을 이용한 토크 도출 알고리즘에서 요구될 수 있는 무릎의 각도와 각속도를 구동암의 각도와 속도로 계산하여 주는 것으로서, 단일 회전축을 이용한 토크 도출 알고리즘에서 도출된 필요 토크를 바탕으로 구동암의 토크를 결정해주는 역할을 할 수 있다. 따라서 단일 회전축을 이용한 토크 도출 알고리즘이 용이하게 단계(S14)에 적용될 수 있게 된다.

이러한, 제어 기법은 본 발명의 일 실시형태에 따른 하지 외골격 로봇에 마련된 제어부(140)에 의해 수행될 수 있다.

전술한 것과 같은 본 발명의 여러 실시형태에 따른 하지 외골력 로봇은, 실제 인체와 같이 무릎 관절이 다 중심 회전을 할 수 있으므로 착용자의 다리 움직임을 매우 유사하게 추종하여 로봇과 착용자의 허벅지, 정강이 등에 인체와의 밀착을 위해 구비된 커프가 밀리는 현상 등을 제거하는 등 로봇의 착용성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 하지 외골력 로봇은, 무릎의 회전 시 순간 중심이 변화함으로써, 발꿈치가 바닥에 접촉할 때 발바닥으로부터 전달되는 지면 반응 토크(Ground Reaction Torque)에 대하여 내재적으로 버틸 수 있는 안정성이 확보될 수 있다. 또한, 착용자가 발가락 끝을 지면에서 띄는 순간 지지 상태에서 스윙 상태로 변환할 때 순간 중심의 변화를 이용하여 부드러운 무릎의 굴곡을 유도할 수 있다.

또한, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 하지 외골력 로봇은 모터나 액추에어터와 같은 구동장치의 위치를 허벅지 링크의 상부로 이동시킴으로써 외골격 로봇 다리 자체의 관성 모멘트를 저감하여, 로봇 다리의 전체적인 대역폭을 증가시켜 고속 보행에 더욱 적합하다. 또한, 구동장치(구동축)과 무릎 관절의 토크비가 변화함에 따라 효율적으로 다리가 펴질 경우, 버틸 수 있고, 접었을 경우 빠른 스윙 모션을 가질 수 있다.

이상에서 본 발명의 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 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

11: 구동장치 12: 제1 링크(허벅지 링크)
13: 구동암 14: 제1 보조링크
15: 제2 보조링크 151: 가이드부
152: 결합부 153: 롤러 베어링
16: 정강이 링크(제2 링크) 17: 제3 보조링크
X: 구동축 S: 접촉면
F1: 제1 4절링크 F2: 제2 4절링크

Claims

구동축에 토크를 제공하는 구동장치;
상기 구동축이 일측에 마련된 제1 링크;
상기 구동축에 일단이 고정되고 상기 구동축의 회전에 의해 타단이 이동하는 구동암;
상기 구동암의 타단에 회동가능하게 일단이 연결된 제1 보조링크;
상기 제1 링크 타측의 제1 지점 및 상기 제1 보조링크의 타단에 각각 회동 가능하게 연결되는 제2 보조링크;
상기 제1 링크의 하부에 배치되며 상기 제2 보조링크와 회동 가능하게 연결되는 제2 링크; 및
상기 제1 링크 타측의 제1 지점과 이격된 제2 지점에 일단이 회동 가능하게 연결되며 타단이 상기 제2 링크에 회동 가능하게 연결된 제3 보조링크;
를 포함하는 다절 링크 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 보조링크는 상기 제1 링크의 하단부가 접촉하는 접촉면을 가지며, 구동축의 회전 시 상기 제1 링크의 하단부는 상기 접촉면을 따라 슬라이딩하는 것을 특징으로 하는 다절 링크 구조.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 링크의 하단부는 곡면을 가지며, 상기 접촉면은 상기 제1 링크 방향으로 오목한 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 다절 링크 구조.
청구항 2에 있어서,
상기 제2 보조링크는 상기 접촉면을 형성하는 가이드부 및 상기 가이드부의 일단부에 고정된 연결부를 포함하며,
상기 연결부는 상기 제1 링크 및 상기 제1 보조링크와 각각 회동 가능하게 연결되고, 상기 가이드부의 타단은 상기 제2 링크에 회동 가능하게 연결된 것을 특징으로 하는 다절 링크 구조.
청구항 4에 있어서,
상기 가이드부는 상기 접촉면에 롤러 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 다절 링크 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 구동암의 회전각을 검출한 값을 기반으로 상기 구동축의 토크를 결정하여 상기 구동장치를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다절 링크 구조.
청구항 6에 있어서, 상기 제어부는,
상기 구동암의 회전각을 검출하고,
사전 설정된 매핑함수 및 사전 설정된 속도비를 적용하여, 검출된 상기 구동암의 회전각에 대응되는 상기 제1 링크와 상기 제2 링크 사이의 각도인 무릎 관절각 및 무릎 관절각속도-구동암의 회전각속도의 비를 도출하고, 검출된 상기 구동암의 회전각을 미분하여 구동암의 회전각속도를 도출하며,
도출된 구동암의 회전각속도 및 무릎 관절각속도-구동암의 회전각속도의 비를 이용하여 검출된 상기 구동암의 회전각에 대응되는 무릎 관절각속도를 도출하고,
도출된 무릎 관절각 및 도출된 무릎 관절각속도를 이용하여 상기 제1 링크를 기준으로 한 제2 링크의 회전 토크인 무릎 관절 토크를 도출하며,
도출된 무릎 관절각속도-구동암의 회전각속도의 비와 도출된 무릎 관절 토크를 이용하여 상기 구동축의 토크를 결정하고 결정된 구동축의 토크를 출력하도록 상기 구동장치를 구동하는 것을 특징으로 하는 다절 링크 구조.
청구항 7에 있어서,
상기 매핑함수는,

로 사전 결정될 수 있으며(θ_a:상기 구동암의 회전각, θ_k: 상기 무릎 관절각), 상기 매핑함수의 양변을 시간에 대해 미분하고 정리함으로써

와 같이 상기 무릎 관절각속도-구동암의 회전각속도의 비가 사전에 결정되는 것을 특징으로 하는 다절 링크 구조.
청구항 8에 있어서, 상기 제어부는,
상기 구동축의 토크를,

와 같은 토크 산출식에 의해 결정하며,
상기 토크 산출식은, 상기 구동축의 에너지가 상기 제2 링크 회전의 에너지로 보존되는 것으로 가정하여,

의 에너지 보존 관계식을 설정하고(τ_k: 상기 무릎 관절 토크, τ_a: 상기 구동축의 토크,
: 상기 무릎 관절각속도,
는 상기 구동축의 각속도), 상기 에너지 보존 관계식의 양변을 상기 구동암의 각속도로 나눔으로써 결정된 것을 특징으로 하는 다절 링크 구조.
청구항 1의 다절 링크 구조의 제어 방법으로서,
상기 구동암의 회전각을 검출하는 단계;
사전 설정된 매핑함수 및 사전 설정된 속도비를 적용하여, 상기 검출하는 단계에서 검출된 구동암의 회전각에 대응되는 상기 제1 링크와 상기 제2 링크 사이의 각도인 무릎 관절각 및 무릎 관절각속도-구동암의 회전각속도의 비를 도출하고, 상기 검출하는 단계에서 검출된 구동암의 회전각을 미분하여 구동암의 회전각속도를 도출하는 제1 도출단계;
상기 제1 도출하는 단계에서 도출된 구동암의 회전각속도 및 무릎 관절각속도-구동암의 회전각속도의 비를 이용하여 상기 검출하는 단계에서 검출된 구동암의 회전각에 대응되는 무릎 관절각속도를 도출하는 제2 도출단계;
상기 제1 도출단계에서 도출된 무릎 관절각 및 상기 제2 도출단계에서 도출된 무릎 관절각속도를 이용하여 상기 제1 링크를 기준으로 한 제2 링크의 회전 토크인 무릎 관절 토크를 도출하는 제3 도출단계; 및
상기 제1 도출단계에서 도출된 무릎 관절각속도-구동암의 회전각속도의 비와 상기 제3 도출단계에서 도출된 무릎 관절 토크를 이용하여 상기 구동축의 토크를 결정하고 결정된 구동축의 토크를 출력하도록 상기 구동장치를 구동하는 단계;
를 포함하는 다절 링크 구조의 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 매핑함수는,

로 사전 결정될 수 있으며(θ_a: 상기 구동암의 회전각, θ_k: 상기 무릎 관절각), 상기 매핑함수의 양변을 시간에 대해 미분하고 정리함으로써

와 같이 상기 무릎 관절각속도-구동암의 회전각속도의 비가 사전에 결정되는 것을 특징으로 하는 다절 링크 구조의 제어 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 구동하는 단계에서, 상기 구동축의 토크는,

와 같은 토크 산출식에 의해 결정되며,
상기 토크 산출식은, 상기 구동축의 에너지가 상기 제2 링크 회전의 에너지로 보존되는 것으로 가정하여,

의 에너지 보존 관계식을 설정하고(τ_k: 상기 무릎 관절 토크, τ_a: 상기 구동축의 토크,
: 상기 무릎 관절각속도,
는 상기 구동축의 각속도), 상기 에너지 보존 관계식의 양변을 상기 구동암의 각속도로 나눔으로써 결정된 것을 특징으로 하는 다절 링크 구조의 제어 방법.
구동축에 토크를 제공하는 구동장치;
상기 구동축이 일측에 마련된 허벅지 링크;
상기 구동축에 일단이 고정되고 상기 구동축의 회전에 의해 타단이 이동하는 구동암;
상기 구동암의 타단에 회동가능하게 일단이 연결된 제1 보조링크;
상기 허벅지 링크 타측의 제1 지점 및 상기 제1 보조링크의 타단에 각각 회동 가능하게 연결되는 제2 보조링크;
상기 허벅지 링크의 하부에 배치되며 상기 제2 보조링크와 회동 가능하게 연결되는 정강이 링크;
상기 허벅지 링크 타측의 제1 지점과 이격된 제2 지점에 일단이 회동 가능하게 연결되며 타단이 상기 정강이 링크에 회동 가능하게 연결된 제3 보조링크; 및
상기 구동암의 회전각을 검출한 값을 기반으로 상기 구동축의 토크를 결정하여 상기 구동장치를 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 제2 보조링크는 상기 제1 링크의 하단부가 접촉하는 접촉면을 가지며, 구동축의 회전 시 상기 제1 링크의 하단부는 상기 접촉면을 따라 슬라이딩 하는 것을 특징으로 하는 하지 외골격 로봇.