KR20190142709A

KR20190142709A - 하지 보조로봇의 제어방법

Info

Publication number: KR20190142709A
Application number: KR1020180156832A
Authority: KR
Inventors: 최현진; 공경철
Original assignee: 주식회사 엔젤로보틱스
Priority date: 2018-06-18
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2019-12-27
Also published as: KR102162485B1

Abstract

본 발명은 착용자의 보행 주기에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역 및 슬관절 영역에 장착된 구동장치를 통해 정확하게 보조 토크를 제공하여 정상적인 보행 주기로 자력 보행을 가능하게 하며, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 보조력을 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법에 관한 것이다.

Description

하지 보조로봇의 제어방법{CONTROLLING METHOD OF LOWER BODY ASSISTING ROBOT}

본 발명은 하지 보조로봇의 제어방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 착용자의 보행 주기 또는 보행 패턴에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역 및 슬관절 영역에 장착된 구동장치를 통해 정확하게 보조 토크를 제공하여 정상적인 보행 주기로 자력 보행을 가능하게 하며, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 보조력을 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법에 관한 것이다.

최근 일상 생활이 불가능한 신체능력을 가진 장애인, 환자 또는 노약자 등을 위한 하지 보조로봇 또는 체력이나 신체능력을 강화하기 위한 산업용 또는 군사용 하지 보조로봇의 개발이 진행되고 있다.

장애인, 환자 또는 노약자를 위한 하지 보조로봇의 경우에는 신체 능력, 요구되는 보조력의 크기 또는 역할에 따라 완전마비 장애인용 하지 보조로봇과 노약자 또는 부분마비 환자 또는 장애인용 하지 보조로봇으로 분류될 수 있다.

전자의 경우, 사용자에게 신체 능력이 없으므로, 사용자의 하지의 움직임에 대한 동작 의도 등은 로봇의 제어변수로 큰 의의가 없으므로, 하지 보조로봇은 충분한 힘으로 사용자의 하지의 움직임을 대신하여 정확하게 보행 동작을 수행하면 된다.

따라서, 전자의 하지 보조로봇의 경우에는 요구되는 구동력의 크기가 크고 그에 따라 구동장치, 배터리 및 골격구조가 큰 경우가 많다.

그러나, 후자의 하지 보조로봇의 경우에는 사용자의 신체능력이 부족하여 이를 보조하기 위한 로봇이므로, 하지 보조로봇의 크기와 무게가 최소화되고 사용자의 동작 의도에 따라 정확한 보조력을 제공하는 것이 관건이 될 수 있다.

이러한 후자의 하지 보조로봇을 착용한 착용자가 정상인과 유사한 보행이 가능하도록 하기 위해 개인적인 보조력 튜닝이 필요하겠지만 정상 보행을 가능하게 하기 위한 보조력을 어떠한 방식으로 제공해야 하는지에 대한 일반적인 기준이 모호하다.

또한, 사용자의 움직임 또는 의도와 다른 로봇의 보조력 제공의 경우, 사용자의 불편함 또는 부상을 유발할 수 있으므로, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 정확하게 보조력을 제공할 필요가 있다.

본 발명은 착용자의 보행 주기에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역 및 슬관절 영역에 장착된 구동장치를 통해 정확하게 보조 토크를 제공하여 정상적인 보행 주기로 자력 보행을 가능하게 하며, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 보조력을 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 착용자의 보행 주기에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역 및 슬관절 영역에 장착된 고관절 구동장치 및 슬관절 구동장치를 통해 상부 프레임 및 하부 프레임를 매개로 보조 토크를 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법에 있어서,

한쪽 발이 스윙하는 구간인 유각기에서 해당 발에 장착된 상기 고관절 구동장치에 의하여 상부 프레임를 전방으로 양의 방향으로 회전시키는 고관절 보조토크와 상기 슬관절 구동장치에 의하여 하부 프레임를 상부 프레임에 대하여 후방으로 양의 방향으로 회전시키는 슬관절 보조토크는 양의 방향으로 크기가 증가 후 감소되며, 한쪽 발이 지면에 지지되는 구간인 입각기에서 상기 고관절 보조토크와 상기 슬관절 보조토크는 음의 방향으로 크기가 증가 후 감소되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법을 제공할 수 있다.

이 경우, 상기 유각기에서 상기 고관절 보조토크의 증감폭이 상기 슬관절 보조토크의 증감폭보다 클 수 있다.

그리고, 상기 유각기에서 상기 슬관절 회전각이 최대가 되는 시점 전후 구간에서 상기 고관절 보조토크가 최대가 될 수 있다.

여기서, 상기 입각기에서 상기 슬관절 보조토크의 증감폭이 상기 고관절 보조토크의 증감폭보다 클 수 있다.

그리고, 상기 하지의 보행이 유각기 또는 입각기인지 여부 보행 주기의 판단은 하지 보조로봇의 족지지부에 구비되는 족저압 센서 또는 지면반력 센서에 의여 판단될 수 있다.

여기서, 상기 고관절 구동장치 및 상기 슬관절 구동장치는 각각 탄성부재를 매개로 상부 프레임 및 하부 프레임를 회전 구동하며, 상기 상부 프레임 및 하부 프레임가 회전되어 상기 탄성부재가 변형되어 고관절 회전각과 슬관절 회전각이 변경되는 경우, 상기 고관절 구동장치 및 상기 슬관절 구동장치는 각각의 상기 탄성부재의 변형이 제거되는 방향으로 구동될 수 있다.

그리고, 상기 고관절 구동장치 및 상기 슬관절 구동장치는 각각의 상기 탄성부재의 변형이 제거되는 방향으로 구동되는 경우는 보행 주기 이외의 경우에서 발생될 수 있다.

이 경우, 상기 보행 주기 이외의 경우는 양 발의 족저압 또는 지면 반력이 동시에 미리 결정된 시간 이상 측정되어 직립 상태로 판단되는 상태 또는 족저압 또는 지면 반력의 크기에 의하여 앉아있는 상태로 판단되는 경우일 수 있다.

본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법에 의하면, 본 발명에 따른 본 발명은 착용자의 보행 주기에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역 및 슬관절 영역에 장착된 구동장치를 통해 정확하게 보조 토크를 제공하여 정상적인 보행 주기로 자력 보행을 가능하게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법에 의하면, 사용자의 능동적인 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 보조력을 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하지 보조로봇의 측면 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하지 보조로봇의 정면도를 도시한다.
도 3은 일반적인 인체의 보행 동작에서의 한쪽 하지의 고관절 회전각, 슬관절 회전각 및 지면 반력의 관계를 도시한다.
도 4는 하지 보조로봇을 착용한 착용자가 도 3에 도시된 바와 같은 보행 동작이 가능하도록 하지 보조로봇의 고관절 구동장치 및 슬관절 구동장치에서 각각 발생시키는 고관절 보조토크와 슬관절 보조토크 인가시 고관절 회전각과 슬관절 회전각에 대한 관계를 도시한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하지 보조로봇(1000)의 측면 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하지 보조로봇(1000)의 정면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 명세서에서 상기 하지 보조로봇(1000)은 장애인, 노약자 또는 환자(이하, '착용자'라 함)의 하체에 착용하여, 보행 동작을 보조하는 로봇일 수 있다. 여기서 보행 동작을 보조한다는 의미는 하체의 운동 기능이 일부 존재하는 착용자의 독립적인 보행을 가능하도록 고관절과 슬관절에 부족한 근력 등을 보전하기 위한 구동력을 제공한다는 의미이다.

부연 설명하면, 상기 하지 보조로봇(1000)은 환자, 노약자 또는 장애인 등이 착용하여 착용자의 신체가 허용하는 범위에서 정상인의 보행 동작과 유사한 보행 동작이 가능하도록 관절과 근육의 부족한 힘을 보전하는 장비를 의미한다.

그리고 보행 동작을 보조하기 위한 보조력은 대퇴를 회전시키는 고관절 영역에 제공되는 고관절 토크 및 대퇴의 하단과 연결되는 슬관절 영역에 제공되는 슬관절 토크 형태로 제공될 수 있다.

상기 하지 보조로봇(1000)은 착용자의 허리 부위에 배치되는 본체(500)와, 상기 본체(500)에서 아래로 연장되어 착용자의 각각의 다리를 지지하는 한 쌍의 다리 유닛(600l, 600r)을 포함할 수 있다.

상기 본체(500)는 각종 센서의 센서신호 또는 기입력된 프로그램 등에 기초하여 각각의 구동모터를 제어하는 제어부 및 전원 공급을 위한 배터리 등의 전원 공급부 등을 포함할 수 있다.

여기서, 각각의 상기 다리 유닛(600l, 600r)은 각각 고관절 영역과 슬관절 영역에 고관절 구동장치(100a) 및 슬관절 구동장치(100b)를 구비하고 착용자의 고관절 영역과 슬관절 영역에 독립적인 고관절 보조토크(Th) 및 슬관절 보조토크(Tk)를 제공할 수 있다.

그리고, 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 하지 보조로봇(1000)은 하지의 힘이 어느 정도 존재하는 착용자를 위한 로봇일 수 있다

그러므로, 관절 구동장치 등에 의하여 하지 보조로봇(1000)이 착용자의 움직임 또는 의도와 다른 보조력 제공의 경우, 사용자의 불편함 또는 부상을 유발할 수 있으므로, 사용자의 움직임을 허용하면서도 사용자의 동작의도를 파악하여 정확하게 보조력을 제공할 필요가 있으므로 각각의 구동장치 중 적어도 일부는 탄성부재 등을 매개로 구동력을 출력하는 탄성구동기 형태로 구성될 수 있다.

또한, 각각의 상기 관절 구동장치는 구동력을 발생시키는 구동모터와 각각의 관절 회전각을 감지할 수 있도록 엔코더가 구비되어, 하지 보조로봇의 제어부는 감지 신호를 통해 구동모터에 의하여 제공되는 보조토크 등에 의하여 보조력이 제공되는 관절의 회전 또는 관절 회전각을 판단할 수 있으며, 후술하는 저저항 구동시 구동모터의 작동과 무관하게 로봇 착용자의 능동적인 움직임에 의한 관절 회전각을 감지할 수 있다.

각각의 하지(600l, 600r)는 관절 구동장치(100a, 100b)와, 각각 관절 구동장치(100a, 100b)에 연결되어 착용자의 대퇴와 하퇴를 지지 또는 보조하는 프레임(410, 430) 그리고 하부 프레임(430)과 연결되며 착용자의 발을 지지하는 족지지부(300)를 구비할 수 있다.

상기 족지지부(300)에는 보행 주기 판단을 위하여 하지 보조로봇의 제어부로 감지신호를 전송하기 위한 족저압 또는 지면반력 센서를 구비할 수 있다. 즉, 유각기에서는 족저압 또는 지면반력이 제로가 되고 입각기에서는 양발 지면 지지여부에 따라 체중 전체가 족저압 또는 지면반력으로 변환되어 측정될 수 있다.

상기 관절 구동장치(100a, 100b)의 착용자의 고관절과 슬관절 영역에 각각 장착될 수 있다. 구체적으로, 고관절 영역에는 고관절 구동장치(100a)가 설치되고, 다리의 무릎 부위에 제2 관절 구동장치(100b)가 설치될 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 하지 보조로봇(1000)은 착용자의 고관절과 슬관절에만 관절 구동장치가 구비되는 예가 도시되었으나, 필요에 따라 발목관절에도 별도의 구동장치를 구비할 수 있다.

그리고, 각각의 프레임(410, 430)에는 착용자의 대퇴와 하퇴를 프레임(410, 430)에 고정하기 위한 착용부(420)를 구비할 수 있으며, 각각의 관절 구동장치에서 제공되는 구동력은 결국 착용부(420)를 통해 착용자의 대퇴 또는 하퇴에 전달되어 독립 보행을 보조하게 될 수 있다.

도 3은 정상적인 인체의 보행 동작에서의 한쪽 하지(600l or 600r)의 고관절 회전각(θh), 슬관절 회전각(θk) 및 지면 반력(Grf)의 관계의 예시를 도시한다. 가로축은 시간축이다.

즉, 도 3에 도시된 보행 주기 및 보행 패턴은 정상인들의 평균적인 보행 주기 및 패턴에 근거한 것으로 후술하는 바와 같이 로봇 착용자의 목표 보행 주기 또는 목표 보행 패턴의 기준으로 활용될 수 있다.

인체의 보행 주기는 족저면이 지면에 접촉되는 입각기(St)와 족저면이 지면과 분리되는 유각기(Sw)로 구성될 수 있으며, 유각기(Sw)에서 족저면에 가해지는 지면반력(Grf)은 제로가 되고 입각기(St)에서는 체중에 대응하는 지면반력이 측정된다. 물론, 양 하지의 보행 상태가 모두 입각기(St)인 경우, 입각기(St)의 상태에 따라 체중이 지면반력으로 분산될 수 있다.

또한, 상기 족지지부에 구비되는 족저압 또는 지면반력 센서는 전방 후방에 복수 개가 구비될 수 있고, 족지지부의 전방과 후방에 걸리는 족저압 또는 지면반력을 구별하여 측정할 수도 있다. 이와 같은 방법으로, 입각기 단계, 예를 들면 초기, 중기 및 말기 여부를 구분하여 식별할 수 있다.

따라서, 보행중인 인체의 어느 하나의 하지는 도 3에 도시된 바와 같이 입각기(St)와 유각기(Sw)가 번갈아 수행될 수 있다.

도 1 및 도 3을 참조하는 경우, 고관절 회전각(θh)은 수직방향을 기준으로 대퇴가 전방으로 회전되는 경우 이를 양(+)의 회전각으로 하고, 슬관절 회전각(θk)은 대퇴를 기준으로 하퇴가 후방으로 굴곡되는 경우 이를 양(+)의 회전각으로 한다. 상기 고관절 회전각(θh), 슬관절 회전각(θk)의 단위는 degree이다.

따라서, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 무릎이 펴지고 발꿈치가 지면에 닿으며 시작되는 입각기(St)의 경우 고관절 회전각(θh)은 양의 최대값 근방에서 시작되어 음의 최소값 근방까지 감소하게 된다. 그리고, 유각기(Sw)가 시작됨에 따라 고관절 회전각(θh)은 음의 최소값에서 양의 최대값까지 증가 후 그 증가폭보다 작은 감소폭을 갖도록 감소한다.

그리고, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 슬관절 회전각(θk)은 입각기(St)에서는 편차가 크지 않은 양의 범위의 값을 유지하지만 유각기(Sw)에서는 가파르게 증가후 0의 값 근방까지 다시 감소되는 패턴을 보인다.

그리고, 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 유각기(Sw)에서는 지면반력이 제거되고 입각기(St)에서는 그 진행상태에 따라 분산된 체중의 크기에 대응하는 지면 반력이 측정될 수 있다.

즉, 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시된 바와 같은 인체의 보행 주기에 따른 고관절 회전각(θh)과 슬관절 회전각(θk)은 정상 보행이 가능한 보행자들의 평균적인 회전각을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 하지 보조로봇은 전술한 바와 같이, 환자, 장애인 또는 노약자 등을 위한 로봇으로 스스로 도 3에 도시된 보행 주기에 따른 움직임이 어려운 사람들을 대상으로 하는 장치이다. 그리고, 본 발명의 하지 보조로봇의 수요자인 환자, 장애인 또는 노약자들은 각각 부상 부위 또는 근력이 부족한 근육 등이 서로 다를 수 있으므로 각각의 관절 구동장치를 통해 제공되는 보조력 또는 보조토크는 조절되어야 한다.

그러나, 일반적으로 완전 마비가 아닌 도 1 및 도 2에 도시된 하지 보조로봇을 착용하여 도 3에 도시된 보행 동작이 가능하도록 하기 위해서는 도 4에 도시된 바와 같이 관절 구동장치를 구동시켜야 함을 확인하였다.

도 4는 하지 보조로봇을 착용한 착용자가 도 3에 도시된 바와 같은 보행 동작이 가능하도록 하지 보조로봇의 고관절 구동장치(100a) 및 슬관절 구동장치(100b)에서 각각 발생시키는 고관절 보조토크(Th)와 슬관절 보조토크(Tk) 인가시 고관절 회전각(θh)과 슬관절 회전각(θk)에 대한 관계를 도시한다.

결국, 도 4(a) 및 도 4(c)는 도 3에 도시된 일반적인 보행자의 보행 패턴 및 보행 주기를 참조한 보조력이 필요한 로봇 착용자의 관절의 목표 회전각으로 볼 수 있다.

또한, 고관절 회전각(θh), 슬관절 회전각(θk)의 단위는 degree이며, 사용자에 따라 목표가 되는 고관절 회전각(θh), 슬관절 회전각(θk)의 제어변수 a, b는 2.0 이하의 양수 범위에서 결정될 수 있다.

그리고, 도 4에 도시된 그래프의 시간 축 역시 로봇 착용자의 보행 특성에 따라 보행 주기가 증가 또는 감소될 수 있음에 유의하여야 한다.

즉, 도 4(b) 및 도 4(d)는 환자, 장애인 또는 노약자가 도 1 및 도 2에 도시된 하지 보조로봇을 착용하여 도 4(a) 및 도 4(c)에 도시된 형태의 보행을 가능하게 하기 위하여 각각의 관절 구동장치에서 제공되어야 하는 보조 토크의 크기를 도시하는 것으로 이해될 수 있다.

그리고, 로봇에 제공되는 보조력의 크기는 보행자의 보행주기에 따라 결정될 수 있으며, 보행 주기의 판단은 로봇의 족지지부에 구비되는 족저압 또는 지면반력 센서에 의하여 측정되는 지면 반력 또는 족저압에 의히여 결정될 수 있다.

각각의 관절 구동장치는 양방향 구동이 가능하고, 보조 토크의 (+) 또는 (-) 방향은 보조력의 방향으로 관절 회전방향과 동일하게 정의한다.

본 발명에 따른 보조로봇의 제어방법에 의하면, 도 4(b) 및 도 4(d)에 도시된 바와 같이, 해당 발에 장착된 상기 고관절 구동장치(100a)에 의하여 상부 프레임(410)를 전방으로 회전시키는 고관절 보조토크(Th)와 상기 슬관절 구동장치(100b)에 의하여 하부 프레임(430)를 상부 프레임(410)에 대하여 후방으로 회전시키는 슬관절 보조토크(Tk)는 한쪽 발이 스윙하는 구간인 유각기(Sw)에서 양의 방향으로 크기가 증가 후 감소되며, 한쪽 발이 지면에 지지되는 구간인 입각기(St)에서 상기 고관절 보조토크(Th)와 상기 슬관절 보조토크(Tk)는 음의 방향으로 크기가 증가된 후 감소되도록 제어되어야 함을 알 수 있다.

구체적으로, 도 4(b) 및 도 4(d)에 도시된 바와 같이, 상기 유각기(Sw)에서 상기 고관절 보조토크(Th)는 폭이 크게 증가한 후 감소하는 반면 상기 슬관절 보조토크(Tk)는 보조력이 제로 근방에서 편차가 크지 않게 증가 후 감소됨을 확인할 수 있다. 즉, 특정 하지의 입각기(St)가 종료되어 유각기(Sw) 구간에는 고관절을 전체적으로 전방으로 추진해야 하므로 고관절 보조토크(Th)의 값도 크게 증가되나 고관절 보조토크(Th)는 입각기(St)가 시작되는 시점까지 빠르게 감소하게 됨을 확인할 수 있다.

그리고, 유각기(Sw) 하지의 고관절에 요구되는 고관절 보조토크(Th)는 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 크게 증가 후 감소되며, 그 크기가 최대가 되는 시점은 도 4(b) 및 도 4(c)의 회색 음영으로 표시된 부분(A 영역)에 도시된 바와 같이 상기 슬관절 회전각(θk)이 최대가 되는 시점 전후(또는 유각기 초중반부)임을 확인할 수 있다. 참고로, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 슬관절 회전각(θk) 또는 고관절 보조토크(Th)가 최대가 되는 시점은 유각기 전체 구간 전반 50% 구간(경계선은 수직 점선)에 존재할 수 있다.

즉, 하지 보조로봇을 착용한 환자 등의 고관절 보조토크(Th)는 슬관절 회전각의 최대시점 전후에 가장 크게 발생되도록 제어되는 것이 바람직하다. 반면, 이 경우 슬관절 보조토크(Tk)는 (+)방향으로 완만하게 증가 후 감소되도록 제어할 수 있다.

반면, 상기 입각기(St)에서 상기 슬관절 회전각(θk)에 도시된 바와 같이 거의 변화되지 않으나, 슬관절 보조토크(Tk)는 (-) 방향으로 크게 크기가 증가된 후 크기가 감소되도록 제어되야 함을 확인할 수 있다. 상기 보조토크(Tk)는 (-) 방향으로 크게 크기가 증가 후 감소된다는 의미는 보조토크(Tk)가 (-) 방향으로 토크의 절대적인 크가가 커진 후 감소됨을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.

즉, 도 4에서 확인되는 바와 같이, 입각기(St)에서는 고관절 보조토크(Th)는 편차(증감폭)가 크지 않도록 (-) 방향으로 크기가 증가 후 감소하도록 제공되며, 슬관절 보조토크(Tk)는 고관절 보조토크(Th)보다 편차(증감폭)가 크게 (-) 방향으로 크기가 증가 후 감소되도록 제공되도록 제어될 수 있다.

반면, 유각기(Sw)에서는 고관절 보조토크(Th)는 편차가 크게 (+) 방향으로 제공되며, 슬관절 보조토크(Tk)는 고관절 보조토크(Th)보다 편차가 작게 (+) 방향으로 제공되도록 제공되어야 함은 전술한 바와 같다.

그리고, 입각기(St)에서 제공되는 슬관절 보조토크(Tk)의 증감 패턴은 유각기(Sw)에서의 고관절 보조토크(Th)의 증감 패턴과 방향성을 제외하고 유사한 형태를 갖도록 제어되는 것이 바람직하다. 즉, 시간에 따라 최대값 또는 최소값이 명확하게 증가 후 감소되도록 제어되야 함을 확인할 수 있으며, 고관절 보조토크(Th)가 최대가 되는 시점은 슬관절 회전각(θk)이 최대가 되는 시점 근방이어야 함은 전술한 바와 같다.

마찬가지로, 입각기(St)에서 제공되는 고관절 보조토크(Th)의 증감 패턴은 유각기(Sw)에서의 슬관절 보조토크(Tk)의 방향성을 제외하고 유사한 형태를 갖도록 제어되는 것이 바람직하다. 즉, 시간에 따라 완만하게 (-) 방향으로 크기가 증가 후 감소되도록 제어되야 함을 확인할 수 있다.

그리고 도 4에 도시된 관절 구동장치에서 제공되는 보조토크의 크기 단위는 N·m이며, 착용자의 체중, 신장 또는 보조력 의존도 등에 따라 그 절대적인 크기가 달라질 수 있다. 사용자에 따라 보조토크의 크기 변수 x, y는 2.0의 양수 범위에서 결정될 수 있으며, 이 경우 크기 변수 x, y는 동일한 크기로 결정될 수도 있다.

도 4(b) 및 도 4(d)에 도시된 고관절 보조토크(Th) 및 슬관절 보조토크(Tk)는 로봇 착용자에게 정상 보행의 의사가 있음을 가정하여 착용자의 움직임을 보조하기 위하여 제공되는 것이나, 착용자의 보행 모드가 아닌 경우 또는 보조력 제공 전에 착용자의 움직임이 감지되는 경우 이는 보행 동작 이외의 움직임 의도가 있는 것으로 가정할 수 있으며, 이 경우 로봇의 기계적 저항은 사용자의 움직임을 방해하는 요소가 되어 착용자의 불편함을 느끼거나 부상이 발생될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 하지 보조로봇의 관절 구동장치는 전술한 바와 같이 탄성부재를 매개로 구동되는 탄성구동기 형태일 수 있다.

그러므로, 상기 고관절 구동장치(100a) 및 상기 슬관절 구동장치(100b)는 각각 탄성부재를 매개로 상부 프레임 및 하부 프레임을 회전 구동시키며, 상기 상부 프레임 및 하부 프레임가 회전되어 상기 탄성부재가 변형되어 고관절 회전각(θh)과 슬관절 회전각(θk)이 변경되는 경우, 상기 고관절 구동장치(100a) 및 상기 슬관절 구동장치(100b)는 각각의 상기 탄성부재의 변형이 제거되는 방향으로 구동되어 기계적 저항이 최소화된 움직임 허용이 가능할 수 있다.

이러한 저저항 구동모드는 정상 보행시에도 착용자의 움직임이 보행 주기와 다르게 식별되거나, 보행 주기 이외의 상태, 예를 들면 양발의 지면 반력 또는 족저압이 미리 결정된 시간 이상 동시에 측정되는 보행하지 않는 상태로 판단되는 상태 또는 지면 반력 또는 족저압의 크기를 고려하는 경우 의자 등에 앉아 있는 상태로 판단되는 경우 등에서 기계적 임피던스를 줄여 로봇 착용자의 움직임을 허용할 수 있고, 사용자의 움직임을 용이하게 하여 보행 동작의 시작 또는 의자에서 일어서는 동작을 편안하게 시작하게 하거나 보조력을 제공하도록 할 수도 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

1000 : 하지 보조로봇
100 : 관절 구동장치
500 : 본체
600 : 하지

Claims

착용자의 보행 주기에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역 및 슬관절 영역에 장착된 고관절 구동장치 및 슬관절 구동장치를 통해 상부 프레임 및 하부 프레임를 매개로 보조 토크를 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법에 있어서,
한쪽 발이 스윙하는 구간인 유각기에서 해당 발에 장착된 상기 고관절 구동장치에 의하여 상부 프레임를 전방으로 양의 방향으로 회전시키는 고관절 보조토크와 상기 슬관절 구동장치에 의하여 하부 프레임를 상부 프레임에 대하여 후방으로 양의 방향으로 회전시키는 슬관절 보조토크는 양의 방향으로 크기가 증가 후 감소되며, 한쪽 발이 지면에 지지되는 구간인 입각기에서 상기 고관절 보조토크와 상기 슬관절 보조토크는 음의 방향으로 크기가 증가 후 감소되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 유각기에서 상기 고관절 보조토크의 증감폭이 상기 슬관절 보조토크의 증감폭보다 큰 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 유각기에서 상기 슬관절 회전각이 최대가 되는 시점 전후 구간에서 상기 고관절 보조토크가 최대가 되는 되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
제3항에 있어서,
상기 유각기에서 상기 고관절 보조토크가 최대가 되는 시점은 유각기 유지의 50% 이내에 존재하는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 입각기에서 상기 슬관절 보조토크의 증감폭이 상기 고관절 보조토크의 증감폭보다 큰 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 하지의 보행이 유각기 또는 입각기인지 여부 보행 주기의 판단은 하지 보조로봇의 족지지부에 구비되는 족저압 센서 또는 지면반력 센서의 감지 정보에 의하여 상기 하지 보조로봇의 제어부에 의하여 판단되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 고관절 구동장치 및 상기 슬관절 구동장치는 각각 탄성부재를 매개로 상부 프레임 및 하부 프레임를 회전 구동하며, 상기 상부 프레임 및 하부 프레임가 회전되어 상기 탄성부재가 변형되어 고관절 회전각과 슬관절 회전각이 변경되는 경우, 상기 고관절 구동장치 및 상기 슬관절 구동장치는 각각의 상기 탄성부재의 변형이 제거되는 방향으로 구동되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
제7항에 있어서,
상기 고관절 구동장치 및 상기 슬관절 구동장치는 각각의 상기 탄성부재의 변형이 제거되는 방향으로 구동되는 경우는 보행 주기 이외의 경우에서 발생되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
제8항에 있어서,
상기 보행 주기 이외의 경우는 양 발의 족저압 또는 지면 반력이 동시에 미리 결정된 시간 이상 측정되어 직립 상태로 판단되는 상태 또는 족저압 또는 지면 반력의 크기에 의하여 앉아있는 상태로 판단되는 경우인 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.