KR20190102485A - 로봇의족의 제어방법 및 로봇의족 제어장치 - Google Patents

로봇의족의 제어방법 및 로봇의족 제어장치 Download PDF

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황동환
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Abstract

본 발명의 일실시예는 자연스러운 보행을 구현할 수 있는 로봇의족의 제어방법 및 로봇의족 제어장치를 제공한다. 여기서, 로봇의족의 제어방법은 발바닥부와, 착용자의 다리와 연결되는 지지부와, 발바닥부 및 지지부를 연결하고 발바닥부에 토크를 전달하는 발목토크부를 가지는 로봇의족의 제어방법으로서, 프로파일 생성부가 착용자의 걸음정보를 기초로 보행 시 발목각도에 대한 발목토크부에서 출력되는 출력토크의 프로파일을 생성하는 프로파일 생성단계; 착용자가 로봇의족을 착용하여 보행 시에, 판별부가 발목토크부에서 출력되는 출력토크값 및 시간에 따른 발목각도 변화율의 천이 여부에 기초하여 보행상태를 판별하는 판별단계; 그리고 판별단계에서 판별되는 보행상태와 보행 시 발목각도에 대한 출력토크의 프로파일을 기초로, 제어부가 착용자의 보행상태에 따라 출력토크를 제어하는 제어단계를 포함한다.

Description

로봇의족의 제어방법 및 로봇의족 제어장치{METHOD OF CONTROLLING ROBOTIC ARTIFICIAL LEG AND APPARATUS FOR CONTROLLING ROBOTIC ARTIFICIAL LEG}
본 발명은 로봇의족의 제어방법 및 로봇의족 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자연스러운 보행을 구현할 수 있는 로봇의족의 제어방법 및 로봇의족 제어장치에 관한 것이다.
전 세계적으로 수십만 명의 사람들이 매년 절단 수술로 다리를 잃거나, 보행을 제약하는 다양한 다리 이상을 유발하는 사고에서 살아남아 쇠약 손실로 고통 받고 있다.
초기의 상용 의족들은 주로 미관적인 측면에서 절단된 신체 부위를 대신할 목적으로 개발되었으나, 점차 자연스러운 보행이 가능하고 사용자에게 과도한 신진대사 소모가 발생하지 않도록 하는 기능적인 측면에서도 중요한 역할을 하는 의족들이 개발되고 있다.
하지만, 자연스러운 보행을 위해서는 보행 추진력을 위한 토크를 충분히 발생시켜야 하는데, 기존의 로봇의족은 가볍지만 큰 토크 출력이 어렵다. 또한, 기존의 로봇의족은 충분한 토크는 발생시키지만 무게가 무겁다. 또한, 기존의 로봇의족은 높이가 높아 절단 길이가 높은 환자에게만 장착이 가능한 문제가 있었다.
일 예로, Ossur 사의 Proprio Foot 로봇의족은 무게가 가벼운 반면 보행 추진력을 위한 토크를 발생시키기 어렵고, 보행단계에 따라 발목의 각도를 자동으로 변환시키는 역할만을 해주었다.
다른 예로, MIT 에서 개발된 BioM 로봇의족은 충분한 토크는 발생시키지만, 무게가 약 2.3kg에 달하고 높이가 높아 최소 21.7cm(힐 높이 5cm 포함)의 절단 길이가 되어야만 장착이 가능하다.
무게가 가볍고 높이가 낮은 로봇의족은 보다 많은 절단환자를 대상으로 적용이 가능하다는 장점이 있다. 따라서, 보행 구현에 필요한 토크를 충분히 발생시키면서 다양한 신체 크기를 가지는 여러 절상 환자들이 자연스러운 보행이 가능하도록 돕기 위한 로봇의족 제어기술이 필요하다.
대한민국 등록특허공보 제0702212호(2007.03.26. 등록)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 보행상태를 판별하여 이에 맞는 토크를 제어함으로써 자연스러운 보행을 구현할 수 있는 로봇의족의 제어방법 및 로봇의족 제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 발바닥부와, 착용자의 다리와 연결되는 지지부와, 상기 발바닥부 및 상기 지지부를 연결하고 상기 발바닥부에 토크를 전달하는 발목토크부를 가지는 로봇의족의 제어방법으로서, 프로파일 생성부가 상기 착용자의 걸음정보를 기초로 보행 시 발목각도에 대한 상기 발목토크부에서 출력되는 출력토크의 프로파일을 생성하는 프로파일 생성단계; 상기 착용자가 상기 로봇의족을 착용하여 보행 시에, 판별부가 상기 발목토크부에서 출력되는 출력토크값 및 시간에 따른 발목각도 변화율의 천이 여부에 기초하여 보행상태를 판별하는 판별단계; 그리고 상기 판별단계에서 판별되는 보행상태와 상기 보행 시 발목각도에 대한 출력토크의 프로파일을 기초로, 제어부가 상기 착용자의 보행상태에 따라 상기 출력토크를 제어하는 제어단계를 포함하는 로봇의족의 제어방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 발목각도는 상기 발목토크부를 중심으로 상기 지지부와 상기 발바닥부가 이루는 수직상태를 0도로 하며, 평형상태는 외력이 가해지지 않을 때 상기 발바닥부가 상기 발목토크부를 중심으로 상기 지지부와 이루려는 발목각도이고, 상기 지지부가 상기 발목토크부를 중심으로 상기 발바닥부의 앞꿈치에서 멀어지는 방향은 상기 발목각도를 기준으로 마이너스 방향이며, 상기 보행 시 발목각도에 대한 출력토크의 프로파일은 상기 평형상태는 0도이고, 상기 발목각도는 상기 마이너스 방향으로 증가되는 제1신전상태와, 상기 평형상태는 상기 마이너스 방향으로의 최소발목각도이고, 상기 발목각도는 상기 마이너스 방향의 반대 방향인 플러스 방향으로 증가되는 굴곡상태와, 상기 평형상태는 상기 마이너스 방향으로의 최소발목각도이고, 상기 발목각도는 상기 마이너스 방향으로 증가되며, 토크보정값이 적용되는 제2신전상태와, 상기 평형상태는 0도이고, 상기 발바닥부가 지면으로부터 떨어지는 유각상태를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 판별단계는 시간변화율에 대한 상기 발목각도의 변화율의 값이 마이너스에서 플러스로 바뀌면 상기 제1신전상태에서 상기 굴곡상태로 전환되는 것으로 판별할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 판별단계는 시간변화율에 대한 상기 발목각도의 변화율의 값이 플러스에서 마이너스로 바뀌면 상기 굴곡상태에서 상기 제2신전상태로 전환되는 것으로 판별할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 판별단계는 상기 발목토크부에서 출력되는 출력토크값이 미리 설정된 한계토크보다 작아지면 상기 제2신전상태에서 상기 유각상태로 전환되는 것으로 판별할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제어단계에서, 상기 제어부는 상기 판별단계에서 판별되는 보행상태와, 해당되는 상기 보행상태에서의 상기 평형상태를 기초로 상기 발목토크부에서 출력될 출력토크값을 산출하고, 모터드라이브부를 제어하여 상기 발목토크부에 제공되는 전류값을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제어단계에서, 상기 판별단계에서 판별되는 보행상태가 상기 제2신전상태인 경우, 상기 제어부는 상기 토크보정값을 더 포함하여 계산하여 상기 발목토크부에서 출력될 출력토크값을 산출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 토크보정값은
Figure pat00001
로 계산되고, 상기 tr은 상기 토크보정값이고, 상기 Ks는 상기 발목토크부의 탄성제어상수이고, θ는 상기 발목각도이고, θmax는 상기 굴곡상태 시 최대 발목각도일 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 발바닥부와, 착용자의 다리와 연결되는 지지부와, 상기 발바닥부 및 상기 지지부를 연결하고 상기 발바닥부에 토크를 전달하는 발목토크부를 가지는 로봇의족; 상기 착용자의 걸음정보를 기초로 보행 시 발목각도에 대한 상기 발목토크부에서 출력되는 출력토크의 프로파일을 생성하는 프로파일 생성부; 상기 로봇의족이 착용자에게 착용되어 보행 시에, 상기 발목토크부에서 출력되는 출력토크값 및 시간에 따른 발목각도 변화율의 천이 여부에 기초하여 보행상태를 판별하는 판별부; 그리고 상기 판별부에 의해 판별되는 보행상태와 상기 보행 시 발목각도에 대한 출력토크의 프로파일을 기초로, 상기 착용자의 보행상태에 따라 상기 출력토크를 제어하는 제어부를 포함하는 로봇의족 제어장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제어부는 보행상태를 판별하여 이에 맞게 출력토크를 제어함으로써 보행 구현에 필요한 토크가 충분히 발생되도록 할 수 있으며, 이를 통해, 다양한 신체 크기를 가지는 여러 절상 환자들이 자연스러운 보행이 가능하도록 도울 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2신전상태에서 토크보정값이 적용됨으로써, 굴곡상태에서 제2신전상태가 연속해서 진행될 수 있기 때문에, 보다 자연스러운 보행이 구현될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의족의 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의족 제어장치를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의족의 제어방법에서 보행상태를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의족의 제어방법에서 보행 시 발목각도에 대한 출력토크의 프로파일을 나타낸 예시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의족의 제어방법을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의족 제어장치를 나타낸 구성도이다.
도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 로봇의족의 제어방법은 프로파일 생성단계(S110), 판별단계(S120) 그리고 제어단계(S130)를 포함할 수 있다.
먼저, 로봇의족(200)에 대해 설명하면, 로봇의족(200)은 발바닥부(210), 지지부(220) 및 발목토크부(230)를 가질 수 있다.
발바닥부(210)는 신체의 발바닥에 대응되는 부분일 수 있으며, 지지부(220)는 착용자의 다리와 연결될 수 있다.
발목토크부(230)는 발바닥부(210) 및 지지부(220)를 연결할 수 있으며, 신체의 발목에 대응되는 부분일 수 있다. 발목토크부(230)는 발바닥부(210)에 토크를 전달하여 발바닥부(210)가 발목토크부(230)를 중심으로 회전되도록 할 수 있다.
프로파일 생성단계(S110)는 프로파일 생성부(300)가 로봇의족(200)을 착용한 착용자의 걸음정보를 기초로 보행 시 발목각도에 대한 발목토크부(230)에서 출력되는 출력토크의 프로파일을 생성하는 단계일 수 있다.
보행 시 발목각도에 대한 출력토크의 프로파일은 착용자가 로봇의족(200)을 착용한 상태에서 보행을 하면, 보행 시 착용자 다리의 이동 궤적 및 로봇의족(200)에 가해지는 토크를 기준으로 생성될 수 있다. 따라서, 보행 시 발목각도에 대한 출력토크의 프로파일은 착용자 별로 생성될 수 있으며, 이를 통해, 해당 착용자에 적합한 프로파일이 생성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의족의 제어방법에서 보행상태를 개략적으로 나타낸 예시도인데, 이하에서는 도 3을 더 포함하여 설명한다.
도 3에서 보는 바와 같이, 보행 시 발목각도에 대한 출력토크의 프로파일은 제1신전상태(S1~S2), 굴곡상태(S2~S3), 제2신전상태(S3~S4) 및 유각상태(S4~S1)를 가질 수 있다.
제1신전상태(S1~S2)는 로봇의족(200)이 지면에 닿는 동작이 이루어지는 상태로, 구체적으로는 발바닥부(210)의 뒤꿈치가 먼저 지면(E)에 닿고 이후 발바닥부(210)가 전체적으로 지면(E)에 닿을 때까지의 상태일 수 있다.
이때, 발목토크부(230)는 스프링 및 댐퍼의 기능이 종합되어 구현되도록 작동될 수 있다.
즉, 도 3의 (a)에서 보는 바와 같이, 발목토크부(230)는 가상의 제1스프링(251)과 가상의 제1댐퍼(261)의 동작이 종합되어 구현될 수 있다.
그리고, 제1신전상태(S1~S2)에서 제1스프링(251)은 지지부(220)에는 연결되고 발바닥부(210)에는 연결되지 않은 상태일 수 있다. 따라서, 제1신전상태(S1~S2)에서 제1스프링(251)에 의한 힘은 제공되지 않을 수 있다.
반면, 발바닥부(210)의 앞꿈치가 지면(E)을 향해 회전됨에 따라 제1댐퍼(261)가 작동될 수 있다. 제1댐퍼(261)는 지지부(220)를 기준으로 발바닥부(210)의 뒤꿈치 쪽에 마련될 수 있다.
그리고 제1댐퍼(261)가 작동됨에 따라 로봇의족(200)의 작동 시에 발생될 수 있는 미세한 진동이 효과적으로 제거될 수 있다.
이에 따라, 제1신전상태(S1~S2)에서는 제어된 신전이 일어날 수 있다.
한편, 이후 사용될 주요 용어를 정의하면 다음과 같다.
발목각도는 발목토크부(230)를 중심으로 지지부(220)와 발바닥부(210)가 이루는 각도일 수 있으며, 지지부(220)와 발바닥부(210)가 수직인 상태를 0도로 한다. 즉 발목각도가 0도이면, 지지부(220)와 발바닥부(210)가 수직인 상태일 수 있다.
평형상태는 외력이 가해지지 않을 때 발바닥부(210)가 발목토크부(230)를 중심으로 지지부(220)와 이루려는 발목각도일 수 있다. 다르게 표현하면, 평형상태는 가상의 스프링이 평형을 이루는 상태일 수 있으며, 또 다르게 표현하면, 평형상태는 가상의 스프링에 외력이 가해지지 않은 상태에서의 발목각도일 수 있다.
그리고, 지지부(220)가 발목토크부(230)를 중심으로 발바닥부(210)의 앞꿈치에서 멀어지는 방향은 발목각도를 기준으로 마이너스 방향으로 정의되며, 도 3을 기준으로 했을 때, 반시계 방향이 마이너스 방향일 수 있다.
또한, 지지부(220)가 발목토크부(230)를 중심으로 발바닥부(210)의 앞꿈치에 가까워지는 방향은 발목각도를 기준으로 플러스 방향으로 정의된다. 즉, 플러스 방향은 마이너스 방향의 반대 방향이 되며, 도 3을 기준으로 했을 때, 시계 방향이 플러스 방향일 수 있다.
도 3의 (a)에서 보는 바와 같이, 제1신전상태(S1~S2)에서는, 평형상태는 0도일 수 있으며, 발목각도는 마이너스 방향으로 증가될 수 있다.
그리고, 도 3의 (b)에서 보는 바와 같이, 굴곡상태(S2~S3)는 발바닥부(210)가 지면에 닿은 상태에서 지지부(220)가 발바닥부(210)의 앞꿈치 방향으로 회전되는 상태일 수 있다.
굴곡상태(S2~S3)에서 평형상태는 마이너스 방향으로의 최소발목각도일 수 있다. 여기서, 마이너스 방향으로의 최소발목각도는 지지부(220)가 마이너스 방향으로 최대로 회전된 각도일 수 있다.
굴곡상태(S2~S3)에서 지지부(220)는 플러스 방향으로 회전될 수 있으며, 이에 따라, 발목각도는 플러스 방향으로 증가될 수 있다. 가상의 제2스프링(252)은 지지부(220)를 기준으로 발바닥부(210)의 앞꿈치 쪽에 마련될 수 있으며, 이에 따라, 굴곡상태(S2~S3)에서는 제어된 굴곡이 일어날 수 있다. 제2스프링(252)은 선형 스프링 또는 비선형 스프링일 수 있다.
또한, 도 3의 (c)에서 보는 바와 같이, 제2신전상태(S3~S4)는 발바닥부(210)가 지면에 닿은 상태에서 힘이 실리면서 발바닥부(210)가 지면(E)에서 들리기 직전까지의 상태일 수 있다. 제2신전상태(S3~S4)에서는 발바닥부(210)가 지면(E)을 차서 로봇의족이 들어올려질 수 있도록 토크보정값(tr)이 적용될 수 있다. 그리고, 동시에 가상의 제2스프링(252)의 탄성복원력이 적용될 수 있다.
이에 따라, 제2신전상태(S3~S4)에서는 힘이 실린 신전이 일어날 수 있다.
제2신전상태(S3~S4)에서 평형상태는 굴곡상태(S2~S3)에서의 평형상태와 동일할 수 있다. 즉, 제2신전상태(S3~S4)에서 평형상태는 마이너스 방향으로의 최소발목각도일 수 있다. 그리고, 발목각도는 마이너스 방향으로 증가될 수 있다.
제1신전상태(S1~S2), 굴곡상태(S2~S3) 및 제2신전상태(S3~S4)는 로봇의족(200)이 지면(E)에 닿아 디딤 동작이 이루어지는 입각기(Stance phase)일 수 있다.
그리고, 도 3의 (d)에서 보는 바와 같이, 유각상태(S4~S1)는 로봇의족(200)이 지면에서 떨어져 들어올려지는 상태일 수 있다. 유각상태(S4~S1)는 유각기(Swing Phase)일 수 있으며, 유각상태(S4~S1)에서는 발바닥부(210)의 뒤꿈치가 다시 지면에 닿을 때까지 발앞꿈치가 지면으로부터 떨어진 상태일 수 있다.
유각상태(S4~S1)에서는 가상의 제3스프링(253) 및 가상의 제2댐퍼(262)가 모두 지지부(220)를 기준으로 발바닥부(210)의 앞꿈치 쪽에 마련될 수 있다. 가상의 제3스프링(253)의 탄성복원력에 의해 발바닥부(210)는 앞꿈치가 들어 올려지도록 회전될 수 있으며, 제2댐퍼(262)의 작동에 따라 미세한 진동은 효과적으로 제거될 수 있다.
유각상태(S4~S1)에서 평형상태는 0도일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의족의 제어방법에서 보행 시 발목각도에 대한 출력토크의 프로파일을 나타낸 예시도이다. 도 4에서 X축은 발목각도(θ) 축이고, Y축은 발목토크부(230)에서 출력되는 출력토크(t) 축이다.
도 4를 참조하면, 제1신전상태(S1~S2)에서는 발목각도는 마이너스 방향으로 증가될 수 있다. 그리고, 토크는 마이너스 토크가 발생할 수 있다.
그리고, 마이너스 방향으로의 최소발목각도(θmin) 이후, 굴곡상태(S2~S3)가 되면, 발목각도가 플러스 방향으로 증가되고 동시에 토크는 플러스 토크가 발생될 수 있으며, 최대토크(tmax)까지 증가될 수 있다. 이때, 발목각도는 플러스 방향으로 증가되어 플러스 방향으로의 최대발목각도(θmax)가 될 수 있다.
이후, 제2신전상태(S3~S4)에서는 발목각도가 마이너스 방향으로 증가되고, 마이너스 토크가 발생될 수 있다.
제2신전상태(S3~S4)에서는 토크보정값(tr)이 적용될 수 있다. 이에 따라, S3 지점을 연결점으로 해서 굴곡상태(S2~S3)에서 제2신전상태(S3~S4)가 연속해서 진행될 수 있다.
그리고 제2신전상태(S3~S4)에서의 직선(L2)의 기울기는 굴곡상태(S2~S3)에서의 직선(L1)의 기울기와 다른 기울기 값을 가질 수 있다.
본 발명에서는 제2신전상태(S3~S4)에서 토크보정값(tr)이 적용됨으로써, 굴곡상태(S2~S3)에서 제2신전상태(S3~S4)가 연속해서 진행될 수 있기 때문에, 보다 자연스러운 보행이 구현될 수 있다.
판별단계(S120)는 착용자가 로봇의족(200)을 착용하여 보행 시에, 판별부(400)가 발목토크부(230)에서 출력되는 출력토크값 및 시간에 따른 발목각도 변화율의 천이 여부에 기초하여 보행상태를 판별하는 단계일 수 있다.
판별단계(S120)는 시간변화율에 대한 발목각도의 변화율의 값(dθ/dt)이 마이너스에서 플러스로 바뀌면 제1신전상태(S1~S2)에서 굴곡상태(S2~S3)로 전환되는 것으로 판별할 수 있다.
그리고, 판별단계(S120)는 시간변화율에 대한 발목각도의 변화율의 값(dθ/dt)이 플러스에서 마이너스로 바뀌면 굴곡상태(S2~S3)에서 제2신전상태(S3~S4)로 전환되는 것으로 판별할 수 있다.
또한, 판별단계(S120)는 발목토크부(230)에서 출력되는 출력토크값이 한계토크보다 작아지면 제2신전상태(S3~S4)에서 유각상태(S4~S1)로 전환되는 것으로 판별할 수 있다. 여기서, 한계토크는 미리 설정된 발목토크의 스레쉬홀드(Threshold)값일 수 있다.
유각상태(S4~S1)에서는 로봇의족(200)의 발바닥부(210)가 지면으로부터 떨어진 상태이기 때문에 출력토크가 급격하게 감소하게 되는데, 이에 따라 출력토크가 미리 설정된 한계토크보다 작아지게 되면, 판별단계(S120)는 제2신전상태(S3~S4)에서 유각상태(S4~S1)로 전환되는 것으로 판별할 수 있다.
제어단계(S130)는 판별단계(S120)에서 판별되는 보행상태와 보행 시 발목각도에 대한 출력토크의 프로파일을 기초로, 제어부가 착용자의 보행상태에 따라 출력토크를 제어하는 단계일 수 있다.
제어단계(S130)에서, 제어부(500)는 판별단계(S120)에서 판별되는 보행상태와, 해당되는 보행상태에서의 평형상태를 기초로 발목토크부에서 출력될 출력토크값을 산출하고, 모터드라이브부(600)를 제어하여 발목토크부(230)에 제공되는 전류값을 제어할 수 있다.
도 2를 참조하면, 로봇의족(200)은 발목토크센서(미도시) 및 발목각도센서(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 발목토크센서에서 센싱되는 발목토크정보(D1) 및 발목각도센서에서 센싱되는 발목각도정보(D2)는 판별부(400)로 전달될 수 있다. 이때, 판별부(400)로 전달되는 발목토크정보(D1) 및 발목각도정보(D2)는 실시간으로 센싱되는 정보일 수 있다.
판별부(400)는 발목토크정보(D1) 및 발목각도정보(D2)를 기초로, 보행상태를 판별할 수 있다. 그리고 판별부(400)는 보행상태(OP2)와 함께, 각 보행상태에 따른 평형상태(OP1)를 출력할 수 있다. 또한, 판별부(400)는 토크보정값(tr)을 출력할 수 있다.
제어부(500)는 프로파일 생성부(300)에서 생성되는 보행 시 발목각도에 대한 출력토크의 프로파일과, 판별부(400)에서 출력되는 평형상태(OP1), 보행상태(OP2) 그리고 토크보정값(tr)을 기초로 발목토크부(230)에서 출력될 출력토크값을 산출할 수 있다. 그리고, 산출된 값의 출력토크가 발목토크부(230)에서 출력될 수 있도록 모터드라이브부(600)를 제어할 수 있다.
제어부(500)는 판별되는 보행상태가 제2신전상태인 경우, 토크보정값(tr)을 더 포함하여 계산하여 출력토크값을 산출할 수 있다.
여기서, 토크보정값(tr)은 [수학식 1] 내지 [수학식 3]을 통해 [수학식 4]로 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00002
[수학식 2]
Figure pat00003
[수학식 3]
Figure pat00004
[수학식4]
Figure pat00005
여기서, t는 출력되는 출력토크, tr은 토크보정값, tmax는 굴곡상태(S2~S3) 시 최대출력토크, Ks는 발목토크부의 탄성제어상수(구체적으로 가상의 스프링의 스프링상수), θeq는 평형상태, θmax는 굴곡상태(S2~S3) 시 최대발목각도, θ는 발목각도이다.
제어부(500)는 제2신전상태(S3~S4)에서 출력토크에 토크보정값(tr)이 더해지도록 함으로써, 최대출력토크(tmax)에 해당되는 토크가 발생되도록 할 수 있다.
이처럼, 제어부(500)는 보행상태를 판별하여 이에 맞게 출력토크를 제어함으로써 보행 구현에 필요한 토크가 충분히 발생되도록 할 수 있으며, 이를 통해, 다양한 신체 크기를 가지는 여러 절상 환자들이 자연스러운 보행이 가능하도록 도울 수 있다.
더하여, 로봇의족 제어장치는 보상부(700)를 더 포함할 수 있다.
보상부(700)에는 발목토크부(230)가 가지는 마찰력 및 관성을 포함하는 동력학적 보상값이 저장될 수 있으며, 이러한 보상값은 제어부(500)로 전달될 수 있다.
보상값은 미리 계산되거나 측정되어 저장된 값이거나, 별도의 센서를 통해 발목토크부(230)에서 실시간으로 센싱되는 값일 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200: 로봇의족
210: 발바닥부
220: 지지부
230: 발목토크부
300: 프로파일 생성부
400: 판별부
500: 제어부
600: 모터드라이브부
700: 보상부

Claims (9)

  1. 발바닥부와, 착용자의 다리와 연결되는 지지부와, 상기 발바닥부 및 상기 지지부를 연결하고 상기 발바닥부에 토크를 전달하는 발목토크부를 가지는 로봇의족의 제어방법으로서,
    프로파일 생성부가 상기 착용자의 걸음정보를 기초로 보행 시 발목각도에 대한 상기 발목토크부에서 출력되는 출력토크의 프로파일을 생성하는 프로파일 생성단계;
    상기 착용자가 상기 로봇의족을 착용하여 보행 시에, 판별부가 상기 발목토크부에서 출력되는 출력토크값 및 시간에 따른 발목각도 변화율의 천이 여부에 기초하여 보행상태를 판별하는 판별단계; 그리고
    상기 판별단계에서 판별되는 보행상태와 상기 보행 시 발목각도에 대한 출력토크의 프로파일을 기초로, 제어부가 상기 착용자의 보행상태에 따라 상기 출력토크를 제어하는 제어단계를 포함하는 로봇의족의 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발목각도는 상기 발목토크부를 중심으로 상기 지지부와 상기 발바닥부가 이루는 수직상태를 0도로 하며, 평형상태는 외력이 가해지지 않을 때 상기 발바닥부가 상기 발목토크부를 중심으로 상기 지지부와 이루려는 발목각도이고,
    상기 지지부가 상기 발목토크부를 중심으로 상기 발바닥부의 앞꿈치에서 멀어지는 방향은 상기 발목각도를 기준으로 마이너스 방향이며,
    상기 보행 시 발목각도에 대한 출력토크의 프로파일은
    상기 평형상태는 0도이고, 상기 발목각도는 상기 마이너스 방향으로 증가되는 제1신전상태와,
    상기 평형상태는 상기 마이너스 방향으로의 최소발목각도이고, 상기 발목각도는 상기 마이너스 방향의 반대 방향인 플러스 방향으로 증가되는 굴곡상태와,
    상기 평형상태는 상기 마이너스 방향으로의 최소발목각도이고, 상기 발목각도는 상기 마이너스 방향으로 증가되며, 토크보정값이 적용되는 제2신전상태와,
    상기 평형상태는 0도이고, 상기 발바닥부가 지면으로부터 떨어지는 유각상태를 가지는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 판별단계는
    시간변화율에 대한 상기 발목각도의 변화율의 값이 마이너스에서 플러스로 바뀌면 상기 제1신전상태에서 상기 굴곡상태로 전환되는 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 제어방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 판별단계는
    시간변화율에 대한 상기 발목각도의 변화율의 값이 플러스에서 마이너스로 바뀌면 상기 굴곡상태에서 상기 제2신전상태로 전환되는 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 제어방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 판별단계는
    상기 발목토크부에서 출력되는 출력토크값이 미리 설정된 한계토크보다 작아지면 상기 제2신전상태에서 상기 유각상태로 전환되는 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 제어방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제어단계에서,
    상기 제어부는 상기 판별단계에서 판별되는 보행상태와, 해당되는 상기 보행상태에서의 상기 평형상태를 기초로 상기 발목토크부에서 출력될 출력토크값을 산출하고, 모터드라이브부를 제어하여 상기 발목토크부에 제공되는 전류값을 제어하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어단계에서,
    상기 판별단계에서 판별되는 보행상태가 상기 제2신전상태인 경우, 상기 제어부는 상기 토크보정값을 더 포함하여 계산하여 상기 발목토크부에서 출력될 출력토크값을 산출하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 토크보정값은
    Figure pat00006

    로 계산되고,
    상기 tr은 상기 토크보정값이고, 상기 Ks는 상기 발목토크부의 탄성제어상수이고, θ는 상기 발목각도이고, θmax는 상기 굴곡상태 시 최대 발목각도인 것을 특징으로 하는 로봇의족의 제어방법.
  9. 발바닥부와, 착용자의 다리와 연결되는 지지부와, 상기 발바닥부 및 상기 지지부를 연결하고 상기 발바닥부에 토크를 전달하는 발목토크부를 가지는 로봇의족;
    상기 착용자의 걸음정보를 기초로 보행 시 발목각도에 대한 상기 발목토크부에서 출력되는 출력토크의 프로파일을 생성하는 프로파일 생성부;
    상기 로봇의족이 착용자에게 착용되어 보행 시에, 상기 발목토크부에서 출력되는 출력토크값 및 시간에 따른 발목각도 변화율의 천이 여부에 기초하여 보행상태를 판별하는 판별부; 그리고
    상기 판별부에 의해 판별되는 보행상태와 상기 보행 시 발목각도에 대한 출력토크의 프로파일을 기초로, 상기 착용자의 보행상태에 따라 상기 출력토크를 제어하는 제어부를 포함하는 로봇의족 제어장치.
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