KR20200024875A - 엑소스켈레톤을 움직이는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인간 조작자를 수용하는 엑소스켈레톤(1)을 착석 자세에서 기립 자세로(및 그 반대로) 움직이는 방법에 관한 것으로, 상기 착석 및 기립 자세는 상기 엑소스켈레톤(1)이 상기 착석 및 기립 자세에서 어떤 자유도도 비-작동되지 않는 방식으로, 데이터 처리 수단(11)에 의해 제어되는 액추에이터에 의해 각각 작동되는 복수의 자유도를 갖도록 하고, 상기 방법은 상기 데이터 처리 수단(11)에 의한 다음 단계들의 구현을 포함하는 것을 특징으로 한다:
(a) 상기 착석 자세로부터 상기 기립 자세로(및 그 반대로) 상기 엑소스켈레톤(1)의 궤적 - 상기 궤적은 시간의 함수로서 파라미터화 됨 -을 생성하는 단계;
(b) 상기 작동 자유도에 대한 가상 제약 - 상기 가상 제약은 위상 변수에 의해 파라미터화 됨- 의 세트를 상기 궤적에 적용하는 단계;
(c) 상기 엑소스켈레톤(1)이 상기 착석 자세로부터 상기 기립 자세로(및 그 반대로) 움직이도록 상기 가상 제약 세트와 연관된 상기 엑소스켈레톤(1)의 제어기 - 상기 제어기는 상기 궤적 동안 상기 가상 제약을 준수하도록 상기 액추에이터에 대한 명령을 생성할 수 있음 - 를 구동시키는 단계.

Description

엑소스켈레톤을 움직이는 방법

본 발명은 엑소스켈레톤 타입 로봇 분야에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 엑소스켈레톤을 움직이는 방법에 관한 것이다.

최근에, 하지 마비와 같은 중대한 이동성 문제가 있는 사람들을 위해, 엑소스켈레톤(exoskeletons)이라고 하는 보행 보조 디바이스가 등장했는데, 이는 엑소스켈레톤의 움직임과 자신의 움직임을 연결하는 패스너 시스템 덕분에 조작자(인간 사용자)가 "가볍게 입는(slip on)" 외부 로봇 디바이스이다. 엑소스켈레톤의 하지에는 보행 동작을 재현하기 위해 일반적으로 무릎과 엉덩이 높이에 여러 개의 조인트가 있다. 액츄에이터를 사용하면 이러한 조인트를 움직일 수 있으며, 결과적으로 조작자를 움직일 수 있게 한다. 인터페이스 시스템을 통해 조작자는 엑소스켈레톤에 명령을 내릴 수 있으며 제어 시스템은 이러한 명령을 액추에이터에 대한 명령으로 변환한다. 센서는 일반적으로 디바이스를 완성한다.

이러한 엑소스켈레톤은 휠체어에 비해 발전한 것으로, 조작자가 스스로 다시 일어서고 걸을 수 있게 하기 때문이다. 엑소스켈레톤은 더 이상 바퀴에 의해 제약되지 않으며 이론적으로 대부분의 평평하지 않은 환경으로까지 확장될 수 있다: 바퀴는 다리와 달리 계단, 층계, 지나치게 높은 장애물 등과 같은 중요한 장애물을 넘어설 수 없다.

인간 활동은 종종 착석 자세를 거치는 것을 포함한다. 식사 중에, 직장에서, 이동 중에 착석하는 것은 매우 흔한 자세다. 하반신 마비 환자의 엑소스켈레톤의 사용은 대부분의 경우 착석 자세에서도, 휠체어에서부터 엑소스켈레톤으로의 전환을 제공한다. 따라서 엑소스켈레톤 사용에 대한 관심과 심지어 사용에 대한 가능성은 일어설 수 있는 능력, 즉 착석 자세에서 기립 자세로 가는 능력에 크게 달려 있다.

특허 출원 WO2010044087, EP1260201 및 US20130150980에서, "착석(seated)" 및 "기립(standing)" 자세(position)를 정의하고, 둘 사이의 전환을 위한 알고리즘을 제공하는 것이 제안된다. 보다 구체적으로, 발 센서로 지면과의 접촉을 검출하는 것에 의해 기립이 조절되고, 엉덩이 및 무릎 시상(sagittal) 모터가 활성화된다.

그러나, 이러한 접근법은 단순하며, 편안한 움직임과 자연스러운 감각을 가능하게 하는 것과는 거리가 먼 것에 유의해야 한다. 실제로, 일어서는 움직임 자체를 수행하는 것은 네 가지 과제를 제시한다.

- 팔걸이 의자, 의자 및 앉을 수 있는 기타 지지대에는 다양한 모양, 치수가 있다. 또한, 설비 자세는 각 사용자에 따라 다를 수 있다: 즉, 한 사용자에게 실용적인 것이 다른 사용자에게는 그렇지 않을 수 있다. 마찬가지로, 기립 자세도 사용자에 따라 다를 것이다. 실제로 각각은 자신의 고유한 무게 분포와 그에 따른 특정한 균형 잡힌 자세를 가지고 있다. 더욱이, 일부 사용자는 무릎이 약간 구부러지는 등의 약간 뒤로 향하는 것을 선호할 것이다. 이상적인 기립 자세는 심지어 사용자가 기립하고 무엇을 하기를 원하는지에 따라 결정된다. 이러한 모든 것은 기립을 위한 엑소스켈레톤의 시작 및 도착 자세가 각 환자 및 각 사용 사례에 맞게 조정되어야 한다는 사실을 뒷받침한다.

- 기립 움직임을 가능하게 하려면 움직이는 동안 환자의 발이 지면에 남아있어야 한다. 따라서, 앉은 자세와 서있는 자세를 알아도, 발의 운동학적 제약을 준수하면서 하나에서 다른 하나로 가는 움직임을 발견하는 것은 사소한 것이 아니다.

- 착석 자세는 일반적으로 압력 중심이 발 뒤에 위치한 매우 접혀 있는 다리를 가진다. 따라서 움직임의 시작시에 무게 모멘트(moment)는 중요하며 편 자세가 되려면 상당한 토크가 필요하다. 시간이 지남에 따라 미리 계산된 궤적을 따르는 표준 제어기는 이러한 문제를 악화시킬 수 있다: 두 개의 조인트가 동일한 트래킹 품질을 갖지 않는 경우, 예를 들어 하나는 궤적보다 앞서고 다른 하나는 뒤에 있는 경우, 이러한 배치로 인해 움직임이 더욱 어려워질 수 있다. 이는 특히 고관절이 무릎에 비해 지나치게 빨리 펴지는 경우 그렇다 - 골반이 상당히 뒤쪽으로 보내지고 무릎에 매우 상당한 모멘트가 가해진다.

- (예를 들어 앞으로 기대거나 팔걸이 등에 기대는)환자의 신체 상부의 움직임을 다리의 움직임과 동기화하는 것이 중요하다. 환자가 엑소스켈레톤에 적응해야하는 경우 훈련 단계가 길고 번거로워진다. 엑소스켈레톤의 움직임이 환자의 신체 상단의 움직임에 적응한다는 사실은 환자에게 필요한 훈련을 줄일 수 있게 한다. 또한, 환자들은 움직임을 제어하고 그것을 수행하는 데 참여한다는 사실을 높이 평가한다.

따라서 현재의 제약에서 벗어나고, 효율적이고 보편적이며(의자와 사용자의 초기 위치에 관계없이 일어설 수 있게 함), 편안하고 자연스러운 엑소스켈레톤을 위해서 착석 자세로부터 기립 자세로의 새로운 기법을 이용 가능할 수 있는 것이 바람직할 것이다.

따라서, 본 발명은 제 1 양태에 따라, 인간 조작자를 수용하는 엑소스켈레톤을 착석 자세에서 기립 자세로 움직이는 방법에 관한 것으로서, 상기 착석 및 기립 자세는 상기 엑소스켈레톤이 상기 착석 및 기립 자세에서 어떤 자유도도 비-작동(non-actuated)되지 않는 방식으로, 데이터 처리 수단에 의해 제어되는 액추에이터에 의해 각각 작동되는(actuated) 복수의 자유도를 갖도록 하고, 상기 방법은 상기 데이터 처리 수단에 의한 다음 단계들의 구현을 포함하는 것을 특징으로 한다:

(a) 상기 착석 자세로부터 상기 기립 자세로 상기 엑소스켈레톤의 궤적 - 상기 궤적은 시간의 함수로서 파라미터화 됨 -을 생성하는 단계;

(b) 상기 작동 자유도에 대한 가상 제약 - 상기 가상 제약은 위상 변수에 의해 파라미터화 됨- 의 세트를 상기 궤적에 적용하는 단계;

(c) 상기 엑소스켈레톤이 상기 착석 자세로부터 상기 기립 자세로 움직이도록 상기 가상 제약 세트와 연관된 상기 엑소스켈레톤의 제어기 - 상기 제어기는 상기 궤적 동안 상기 가상 제약을 준수하도록 상기 액추에이터에 대한 명령을 생성할 수 있음 - 를 구동시키는 단계.

다른 바람직하고 비 제한적인 특성에 따르면:

● 단계 (a)에서 상기 엑소스켈레톤의 궤적 생성은 기립 요청이 수신될 때 구현된다;

● 기립 요청은 상기 인간 조작자의 자세에 대응한다;

● 조작자의 가슴에는 복수의 자세 센서가 장착되고, 상기 복수의 센서에 의해 측정된 상기 조작자의 가슴 자세의 함수로 상기 기립 요청이 검출됨;

● 단계 (a)는 상기 착석 위치 및/또는 상기 기립 위치의 결정을 포함한다;

● 단계 (a)는 상기 기립 요청을 수신하는 동안 상기 엑소스켈레톤에 의해 취해지는 임시 자세의 식별 및 상기 임시 자세로부터 상기 착석 자세 및 상기 기립 자세의 결정을 포함한다;

● 상기 결정된 착석 자세 및 기립 자세는 미리 결정된 제약에 대하여 허용 가능한(acceptable) 자세이다;

● 상기 미리 결정된 제약은 자세 제약 및 압력 중심(CoP)이 상기 엑소스켈레톤의 지탱 표면 내에 있는 안정 상태에 있다는 사실을 포함한다;

● 단계 (b)는 상기 위상 변수의 사전 선택을 포함한다;

● 데이터 저장 수단(12)에 저장된 데이터베이스에는

- 상기 작동 자유도에 대한 가상 제약 세트 - 상기 가상 제약은 위상 변수에 의해 파라미터화 됨 -,

- 상기 가상 제약 세트와 연관된 상기 엑소스켈레톤의 제어기;

가 쌍으로 저장되며,

단계 (b)는 선택된 위상 변수의 함수로서 제약 세트를 식별하는 단계를 포함한다.

제 2 양태에 따르면, 본 발명은 인간 조작자를 수용하는 엑소스켈레톤을 기립 자세에서 착석 자세로 움직이는 방법에 관한 것으로서, 상기 착석 및 기립 자세는 상기 엑소스켈레톤이 상기 착석 및 기립 자세에서 어떤 자유도도 비-작동되지 않는 방식으로, 데이터 처리 수단에 의해 제어되는 액추에이터에 의해 각각 작동되는 복수의 자유도를 갖도록 하고, 상기 방법은 상기 데이터 처리 수단에 의한 다음 단계들의 구현을 포함하는 것을 특징으로 한다:

(a) 상기 기립 자세로부터 상기 착석 자세로 상기 엑소스켈레톤의 궤적 - 상기 궤적은 시간의 함수로서 파라미터화 됨 -을 생성하는 단계;

(b) 상기 작동 자유도에 대한 가상 제약 - 상기 가상 제약은 위상 변수에 의해 파라미터화 됨- 의 세트를 상기 궤적에 적용하는 단계;

(c) 상기 엑소스켈레톤이 상기 기립 자세로부터 상기 착석 자세로 움직이도록 상기 가상 제약 세트와 연관된 상기 엑소스켈레톤의 제어기 - 상기 제어기는 상기 궤적 동안 상기 가상 제약을 준수하도록 상기 액추에이터에 대한 명령을 생성할 수 있음 - 를 구동시키는 단계.

제 3 양태에 따르면, 본 발명은 인간 조작자를 수용하는 엑소스켈레톤에 관한 것으로서,

- 상기 엑소스켈레톤이 상기 착석 및 기립 자세에서 어떤 자유도도 비-작동되지 않는 방식으로 데이터 처리 수단에 의해 제어되는 액추에이터에 의해 각각 작동되는 복수의 자유도를 갖도록 상기 착석 자세로부터 상기 기립 자세로 상기 엑소스켈레톤의 궤적 - 상기 궤적은 시간의 함수로서 파라미터화 됨 -을 생성하는 모듈;

- 상기 작동 자유도에 대한 가상 제약 - 상기 가상 제약은 위상 변수에 의해 파라미터화 됨- 의 세트를 상기 궤적에 적용하는 모듈;

- 상기 엑소스켈레톤이 상기 착석 자세로부터 상기 기립 자세로 움직이도록 상기 가상 제약 세트와 연관된 제어기 - 상기 제어기는 상기 궤적 동안 상기 가상 제약을 준수하도록 상기 액추에이터에 대한 명령을 생성할 수 있음 - 를 구동시키는 모듈을 구현하도록 구성된 데이터 처리 수단을 포함하는 엑소스켈레톤이다.

제 4 양태에 따르면, 본 발명은 인간 조작자를 수용하는 엑소스켈레톤에 관한 것으로서,

- 상기 엑소스켈레톤이 상기 착석 및 기립 자세에서 어떤 자유도도 비-작동되지 않는 방식으로 데이터 처리 수단에 의해 제어되는 액추에이터에 의해 각각 작동되는 복수의 자유도를 갖도록 상기 기립 자세로부터 상기 착석 자세로 상기 엑소스켈레톤의 궤적 - 상기 궤적은 시간의 함수로서 파라미터화 됨 -을 생성하는 모듈;

- 상기 작동 자유도에 대한 가상 제약 - 상기 가상 제약은 위상 변수에 의해 파라미터화 됨- 의 세트를 상기 궤적에 적용하는 모듈;

- 상기 엑소스켈레톤이 상기 기립 자세로부터 상기 착석 자세로 움직이도록 상기 가상 제약 세트와 연관된 제어기 - 상기 제어기는 상기 궤적 동안 상기 가상 제약을 준수하도록 상기 액추에이터에 대한 명령을 생성할 수 있음 - 를 구동시키는 모듈을 구현하도록 구성된 데이터 처리 수단을 포함하는 엑소스켈레톤이다.

제 5 및 제 6 양태에 따르면, 본 발명은 본 발명의 제 1 또는 제 2 양태에 따라 엑소스켈레톤을 움직이는 방법을 실행하기 위한 코드 명령을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품; 및 본 발명의 제 1 또는 제 2 양태에 따라 엑소스켈레톤을 움직이는 방법을 실행하기 위한 코드 명령을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 있는, 컴퓨터 장비에 의해 판독될 수 있는 저장 수단에 관한 것이다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 바람직한 실시예의 다음 설명을 읽으면 명확해질 것이다. 이 설명은 첨부 도면을 참조하여 제공될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 구현을 위한 엑소스켈레톤(엑소스켈레톤 유형)의 개요이다.
도 2는 위상 변수의 변화(evolution) 및 이러한 위상 변수의 함수로서 작동되는 자유도 변화의 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예를 도시한 도면이다.

아키텍쳐(Architecher)

도 1을 참조하면, 본 방법은 2 개의 다리가 구비되어, 보다 구체적으로는 (특히 스트랩 덕분에) 조작자의 다리가 엑소스켈레톤(1)의 다리와 일체형이 되도록 인간 조작자를 수용하여, 작동 및 명령되는 엑소스켈레톤(1), 즉 이족 로봇형 디바이스의 관절식 기계 시스템을 기립시키는 방법이다. 따라서 거의 인간형 로봇일 수 있다.

엑소스켈레톤(1)은 각 다리에, 발이 평평한 경우 엑소스켈레톤을 착용한 사람 다리의 발이 지지될 수 있는 지지 평면을 포함하는 발 구조를 포함한다.

여기서 "기립(stand up)"은 착석 자세로부터 기립 자세로 가기 위한 엑소스켈레톤(1)의 움직임을 의미하는 것으로 간주된다. 이 용어들은 용어 자신의 자연적 의미가 있다. 보다 구체적으로, 착석 자세는 엑소스켈레톤을 장착한 조작자가 좌석에 앉는 자세, 즉 조작자의 "뒤쪽(rear)" 레벨에서 지지되는 자세를 의미하는 것으로 간주된다. 알 수 있는 바와 같이, "허용 가능한(acceptable)" 착석 자세가 일반적으로 선택될 것이며, 특히 그 자리에서 엑소스켈레톤의 두 발은 바닥에 놓여 있고 평평하다. 기립 자세에서, 조작자는 고유하게 두 발로 있으며, 바람직하게는 펴져서 두 발 이외의 다른 지지점이 없음을 나타낸다. 착석 자세는 일반적으로 엑소스켈레톤의 두 발이 지면에 놓이고 평평한 자세를 포함한다. 착석 및 기립 자세 중 어느 한 자에서는 둘 중 다른 자세에서와 같이, 엑소스켈레톤은 안정 상태, 즉 조작자가 넘어지지 않고 정적 상태를 유지할 수 있어야 한다.

안정 상태는 바람직하게는 CoM(질량 중심)이 엑소스켈레톤(1)의 지탱 표면 내에 있는 상태를 의미하는 것으로 간주된다. CoM은 ZMP(제로 모멘트 포인트)의 정지와 일치하며 보다 구체적으로 접촉력의 모멘트가 3 개의 좌표 중 2 개의 좌표가 0 인 지점(순수하게 수직)을 지정한다.

엑소스켈레톤(1)은 복수의 자유도, 즉 서로에 대해 움직일 수 있는 변형 가능한 조인트(일반적으로 회전을 통해)를 가지며, 이들은 각각 "작동(actuated)" 또는 "비-작동(non-actuated)"이다.

작동 자유도는 데이터 처리 수단(11)에 의해 제어되는 액츄에이터가 제공되는 조인트, 즉 이러한 자유도가 제어되고 작용할 수 있는 조인트를 나타낸다. 반대로, 비-작동 자유도는 액추에이터가 제공되지 않는 조인트, 즉 이 자유도는 그 자체의 동적 특성을 따르고 데이터 처리 수단(11)은 그것을 직접 제어할 수 없다(그러나 선험적으로 다른 작동 자유도를 통해 간접 제어할 수 있음). 도 1의 예에서, 뒤꿈치-바닥 접촉은 특정 점에 접촉하고(punctual), 엑소스켈레톤(1)은 이 접촉점에 대해 자유롭게 회전한다. 뒷꿈치-엉덩이 축과 수직선 사이의 각도는 비-작동 자유도를 구성한다.

본 경우, 및 이후에, 상기 착석 및 기립 자세는 상기 엑소스켈레톤(1)이 이들 자세에서 비-작동 자유도를 갖지 않도록, 즉 시스템이 서브-작동되지 않도록 한다(서브-작동의 정도, 즉, 비-작동 자유도의 수는 0과 같으며 이는 시스템의 전개가 완전히 결정되었음을 나타낸다).

이것은 착석 및 기립 자세가 일반적으로 양 발을 바닥에 평평하게 놓아야 하는 이유를 설명한다: 뒤꿈치-지면 접촉이 특정 점에 접촉하지 않으며, 뒤꿈치-엉덩이 축과 수직선 사이의 각도는 자유 회전의 부재로 인하여 더 이상 엑소스켈레톤(1)의 비-작동 자유도를 구성하지 않는다. 그러나, 필요한 유일한 조건은 비-작동 자유도를 갖지 않는 것이므로 본 발명은 양 발이 바닥에 놓이고 평평한 착석 및 기립 자세로 제한되지 않음이 이해될 것이며, 한 발을 평평하게 놓지 않아도 완전히 작동되는 자세(특히 착석 자세)를 찾을 수 있다.

데이터 처리 수단(11)은 상이한 액츄에이터를 위해 지시를 처리하고 명령을 생성하는 데 적합한 컴퓨터 장비(일반적으로 프로세서, 엑소스켈레톤(1)이 "원격으로 제어되는" 경우에는 외부의 프로세서이나 바람직하게는 엑소스켈레톤(1)에 내장된 프로세서)를 가리킨다. 상기 액추에이터는 전기식, 유압식 등일 수 있다.

본 출원은 임의의 엑소스켈레톤 아키텍처(1)로 제한되지 않으며, WO2015140352 및 WO2015140353 출원에 기재된 바와 같은 예가 취해질 것이다.

그러나 당업자에게 본 방법을 임의의 다른 기계적 구조에 적용하는 방법이 자명할 것이다.

동역학(Dynamic)

전통적으로, 궤적, 즉 각 자유도의 전개는 시간의 함수로 표현된다. 시스템의 "동역학(Dynamic)"은 함수

와 시작점

로 기술된 함수에 의해 정의되며, 함수

는

,

는 엑소스켈레톤(1)의 상태 공간,

는 제어 공간, t는 시간을 나타낸다.

소위 "가상 제약(virtual constraints)" 방법에서, 원리는 시간이 아닌 배치에 대한 함수로서, 전개에 대한 파라미터에 의해 파라미터화 된 궤적을 작동 자유도 선택을 위해서 정의하는 것이며, 이러한 파라미터는 위상 변수로 지정된다. 이러한 위상 변수의 예가 도 1에 도시되어 있으며, 이는 뒤꿈치-엉덩이 축과 수직선 사이의 각도이며, 이는 위에서 언급된 비-작동 자유도를 구성한다.

가상 제약 방법은 공지되어 있으며, 예를 들어 FR1750217 출원에서 제시된 바와 같이 적어도 하나의 자유도가 비-작동되는 움직임, 특히 보행에 일반적으로 적용된다.

위상 변수는 이러한 경우 단계의 "진행(The progress)"을 정의할 수 있다. 보다 구체적으로, 각 단계에서, 위상 변수는 초기 값으로 재할당되기 전에 초기 값에서부터 최종값으로 연속적으로 진행한다: 이는 다음 단계의 시작이다. 작업을 용이하게 하기 위해 위상 파라미터의 값을 0과 1 사이에서 정규화 할 수 있다.

전개 파라미터의 각 값은 시스템이 따라야 하는 작동 자유도의 값에 해당한다: 가상 제약으로 알려진 것은 이러한 관계(이러한 방식으로 제어하고자 하는 각 작동 자유도당 하나씩)이다. 도 2는 조인트인 무릎에 대한 가상 제약의 동작을 보여준다.

시스템이 가능한 또는 행동하고자 하는 자유도에 대해 이러한 궤적을 정확히 따르는 경우, 즉, 이러한 자유도에 대해 가상 제약 조건을 준수하면, 시스템의 전개는 그들 자신의 동역학을 따르는 비-작동 자유도의 전개에 의해 완전히 결정된다.

이러한 동역학을 하이브리드 제로 다이나믹스(HZD) 라고 한다. 왜냐하면:

- 명령이 행동하지 안/못하는 정도(degree), 즉 명령이 0과 같아 "영점"으로 지정되기 때문이다.

- 발이 지면에 미치는 영향이 연속적인 위상과 교차하는 순간적인 불연속 위상을 강제하여 "하이브리드"로 지정되기 때문이다.

엑소스켈레톤(1)을 기립시키는 본 발명의 방법은 모든 자유도가 작동되고 움직임이 비순환적이지만(단계를 포함하지 않음) 가상 제약 방법을 예상치 못한 방식으로 사용하며, 따라서 HZD는 적용할 수 없다.

보행 움직임 중 위상 변수의 도입은 시스템의 서브-작동에 적응하는 방법이다. 기립 움직임 중에는 시스템이 완전히 작동하지만, 난점은 환자의 흉상과 엑소스켈레톤의 다른 조인트를 조정하는 것인데, 이 중 일부는 엔진 토크의 포화 상태, 사용자의 예기치 못한 움직임 또는 기타 동요로 인해 예상만큼 빨리 움직이지 않는 경우도 있다.

따라서, 출원인은 적합한 위상 변수, 및 한층 더 강력한 이유로 보행에 사용되는 것과 다른 위상 변수를 선택함으로써(보행에 적합한 위상 변수가 항상 기립에 적합한 위상 변수는 아니다: 보행 동안에 단조로운 변수가 기립하는 동안 반드시 단조로운 것이 아니다), 가상 제약 방법이 놀라운 방식으로 기립 움직임을 쉽게 동기화 할 수 있고, 따라서 조인트가 너무 빨리 구부러지지 않도록 방지하여 사용성 및 편의성이 크게 향상되어 조작자가 원하는 속도로 정확하게 작동할 수 있게 함을 알게 되었다.

사용자가 마음대로 직접 제어할 수 있는 위상 변수가 특히 주목할 만하다. 예를 들어, 무릎 위치 또는 흉부 각도가 특기될 것이다.

방법(Method)

본 방법은 상기 착석 자세로부터 상기 기립 자세까지 엑소스켈레톤(1)의 궤적을 생성하는 단계 (a)에 의해 시작되며, 상기 궤적은 시간의 함수로서 파라미터화 된다. 이 단계는 바람직하게는 기립 요청이 수신될 때 구현된다.

이와 관련하여, 단계 (a)는 바람직하게는 상기 기립 요청을 생성하기 위해 조작자의 기립 요구에 대한 검출을 포함한다.

실제로, 엑소스켈레톤(1)이 인간 조작자를 수용하는 엑소스켈레톤인 경우, (기립하라는 표준화된 요청을 직접 수신할 수 있는 일반적인 로봇의 경우와는 다르게) 조작자의 의도를 결정하는 것은 인간 조작자의 자세이다. 따라서, 의자에서의 조작자의 간단한 움직임(예를 들어, 앉은 상태에서 왼쪽을 보기 위해 도는 것)과 기립 자세로의 움직임 간의 차이를 만들 필요가 있다.

이를 위해, 조작자에게는 흉상의 형태(configuration)(와 그에 따른 방향)를 검출할 수 있게 하는 센서 조끼(10)가 제공될 수 있다. 기립 요청은 조작자의 특정 자세에 해당할 수 있으며 예를 들어 전방으로 기울이고, 착석 자세에서 기립 자세로의 움직임을 시작하려는 의도를 나타내며, 따라서 데이터 처리 수단이 단계 (a)를 구현하도록 명령한다. 이러한 시동 알고리즘은 사전 계산되고 파라미터화된 움직임 및 테스트된 업스트림에 기초할 수 있고 또는 예를 들면 지면(13)에 대한 발의 충격을 검출하기 위한 수단 및/또는 엑소스켈레톤(1)에 장착된 관성 측정 수단(14)같은 센서 참조 움직임에 기초할 수 있다. 또는, 기립 요청은 조작자가 버튼을 누르는 것에 상응할 수도 있다.

이러한 기립 요청의 수신 후, 도 3을 참조하면, 단계 (a)는 착석 자세 및/또는 기립 자세의 생성 단계 이전의 하위 단계를 포함할 수 있다. 하위 단계는 이러한 자세가 곧장 가능하기 때문에 선택 사항이다(특히, 조작자는 움직임 개시 시점에 이미 허용 가능한 착석 자세에 있을 수 있고, 목표 기립 자세가 미리 제공될 수 있다).

기립 요청을 수신하는 동안 취해진 대응하는 "임시(Temporary)" 착석 자세로부터 시작하여, 본 방법에 의해 사용될 허용 가능한 착석 자세인 "시작" 착석 자세가 바람직하게 결정된다(이로부터 기립 자세로의 움직임이 구현되며, 본 명세서의 나머지 부분에서의 "착석 자세"는 허용 가능한 착석 자세, 특히 상기 시작 착석 자세를 의미하는 것으로 간주되어야 한다).

보다 구체적으로, "허용 가능한" 착석 및 기립 자세는 설명된 바와 같이 바람직하게는 안정성 제약(지지부 위의 CoP), 관절의 진폭, 토크 등과 같은 자세 제약 및 착석 높이(착석 자세에 한함), 발의 간격, 골반의 방향 등과 같은 임시 자세에 의해 정의된 제약과 관련하여 모든 자유도가 작동되는 자세이다(일반적으로 두 발을 딛는). 반대로, 발의 간격 또는 골반의 방향과 같은 특정한 제약은 그 값이 정확한 궤적을 가능하게 하지 않으면 임시 자세에 관련하여 재정의 될 수 있음에 유의해야 한다.

허용 가능한 착석 또는 기립 자세 중 하나 또는 다른 하나에 대한 결정은 대응하는 작업을 정의하는 역 운동학에 의해 달성될 수 있다.

착석 자세 및 기립 자세는 바람직하게는 움직임 전반에 걸쳐 모든 자유도가 작동되는 것을 보장하기 위해, 예를 들어 발의 동일한 위치와 같은 자세 일관성을 공유한다(이는 움직이는 엑소스켈레톤(1)의 나머지 부분을 고유하게 나타냄).

따라서, 특히 바람직한 방식에서, 단계 (a)는 기립 요청의 수신 직후 임시 착석 자세의 식별을 포함한다. 그로부터, 허용 가능한 착석 및 기립 자세를 결정하기 위한 기초가 될 연관된 제약 조건(좌석 높이, 발 간격, 자세의 사양(specification) 등)은 조작자와 엑소스켈레톤(1)의 모델을 사용하여 계산되며, 이는 조작자 고유의 측정값(관절 중심 사이의 거리, 무게, 크기)로부터 미리 생성될 수 있다.

자세 일관성을 찾는 동안 상기 제약에 의해 착석(시작) 및 기립 자세가 결정된다. 그런 다음 이들을 연결하는 시간 함수로서의 궤적을 결정할 수 있다.

착석 및 기립 자세 사이의 단계 (a)의 궤적 결정은 다수의 공지된 방식으로, 예를 들어 2 차 역 운동학에 의해 수행될 수 있다.

하나의 자세를 다른 자세와 연결할 수 있게 하는 동역학 궤적은 상술된 잠재적 시스템 제약 - 관절 진폭, 속도, 가용 토크, 바닥에 남아있는 발 등 - 을 준수하는 모든 조인트의 시간 함수로서 특히 위치/속도/가속도에 의해 정의된다

이에 의해 단계 (a)는 간단한 방식으로 궤적을 실현 가능한 것을 보장하고 잠재적인 토크, 관절의 제약 등을 고려하는 것을 가능하게 한다.

단계 (b)에서, 시간에 따른 궤적은 가상 제약에 대해 고려된다. 보다 구체적으로, 상기 작동 자유도에 대한 가상 제약의 세트는 상기 궤적에 적용되며, 가상 제약은 위상 변수에 의해 파라미터화 된다.

이러한 단계 (b)는 상기 위상 변수의 사전 선택을 포함할 수 있다. 설명된 바와 같이, 움직임 중에 전개가 단조롭고 측정 가능한 변수가 필요하다. 조작자는 움직임의 진행을 제어하기 위해, 이러한 변수의 전개에 대해 행동할 수 있는 것이 바람직하다. 가상 제약에 대한 이러한 고려는 이미 언급된 바와 같이 관절이 너무 빨리 구부러지지 않도록 하고, 따라서 편안함이 크게 증가한다.

주어진 가상 제약 세트의 경우, "제한된(constrained)" 상태 공간은 각 점이 위상 파라미터 값(및 필요한 경우 그들의 도함수)에 의해 정의되는 동역학의 위상적인 변동이다.

가상 제약 세트는 궤적 동안 상기 가상 제약을 준수하도록 상기 액추에이터에 대한 명령을 생성할 수 있는 제어기와 연관된다.

상이한 위상 변수, 또는 단순히 다른 착석 높이 또는 기립 속도에 대응하는, 복수 세트의 제약 조건이 이용될 수 있음에 유의해야 한다.

이와 관련하여, 본 방법은 바람직하게는 데이터 저장 수단(12)(데이터 처리 수단(11)에 연결된 메모리)에 저장된 데이터베이스(제어 라이브러리라고 함)의 적어도 하나의 아래의 쌍의 사용을 제안한다:

- 상기 작동 자유도에 대한 가상 제약 세트 - 상기 가상 제약은 위상 변수에 의해 파라미터화 됨 -

- 적어도 하나의 안정된 궤적을 구현함으로써 상기 가상 제약을 준수하도록 상기 액츄에이터에 대한 명령을 생성할 수 있는 (가상 제약 세트와 연관된) 상기 엑소스켈레톤(1) 의 제어기.

당업자는 그것들을 생성하는 방법을 알 것이다. 따라서 단계 (b)는 한 쌍의 가상 제약 세트 및 제어기의 식별, 특히 선택된 위상 변수의 함수의 식별을 포함할 수 있다.

최종 단계 (c) 에서, 상기 엑소스켈레톤(1)의 상기 제어기는 엑소스켈레톤(1)이 착석 자세에서 기립 자세로 이동하도록 하는 가상 제약 세트(필요한 경우 식별됨)와 연관되어 실행된다.

보다 구체적으로, 제어기는 위상 변수의 함수로서 파라미터화 된 궤적을 적용한다: 각각의 순간에 제어기로 인해 위상 변수 및 결과로서 작동되는 각 조인트의 위치 및 속도 세트 점들이 계산된다.

임시 자세와 다른 허용 가능한 착석 자세가 결정되어야 하는 경우, 단계 (c)는 제어기를 작동시키기 전에 이러한 허용 가능한 착석 자세에 대한 고려를 포함해야 한다는 것에 유의해야 한다. 그러나 이는 일반적으로 방법을 시작할 때 엑소스켈레톤이 취하는 임시 자세에 가깝다.

실제로, 이들은 좌석 높이와 같은 공통 조건을 갖는 2 개의 착석 자세이다. 임시 자세는 종종 다리가 반 확장된 반면, 허용 가능한 착석 자세는 좌석 아래로 발이 통과하도록 다리가 더 접혀있다.

이러한 솔루션은 기립의 모든 복잡성이 업스트림에서 수행되기 때문에 특히 효율적인 것으로 입증되었다. 작동 중에, 엑소스켈레톤의 제어기는 어떤 배치이든 편안하고 자연스러운 기립 움직임을 얻기 위해 획득한 궤적을 적용하면 된다.

그로부터, 특히 출원 FR1750217에 정의된 것과 같은 이동(보행) 방법은, (보행 중의 비-작동 자유도 때문에) 이번에는 HZD 유형의 새로운 가상 제약 세트 및 제어기를 사용할 수 있다.

엑소스켈레톤(1)을 기립 자세에서 착석 자세로(즉, 기립하지 않고 착석하는) 움직이기 위한 "반대" 방법이 유사한 방식으로 구현될 수 있음에 유의해야 한다.

이 제 2 방법은 동일한 원리에 기초하고, 제 1 방법과 동일하게 착석 및 기립 자세를 반대로 하면서 데이터 처리 수단(11)에 의한 다음 단계들의 구현을 포함한다:

(a) 상기 기립 자세로부터 상기 착석 자세로 엑소스켈레톤(1)의 궤적 - 상기 궤적은 시간의 함수로서 파라미터화 됨 -을 생성하는 단계;

(b) 상기 작동 자유도에 대한 가상 제약 - 상기 가상 제약은 위상 변수에 의해 파라미터화 됨- 의 세트를 상기 궤적에 적용하는 단계;

(c) 엑소스켈레톤(1)이 상기 기립 자세로부터 상기 착석 자세로 움직이도록 상기 가상 제약 세트와 연관된 엑소스켈레톤(1)의 제어기 - 상기 제어기는 상기 궤적 동안 상기 가상 제약을 준수하도록 상기 액추에이터에 대한 명령을 생성할 수 있음 - 를 구동시키는 단계.

당업자는 허용 가능한 기립 자세 및 착석 자세를 결정하는 단계를 어떻게 바꾸는지 알 수 있을 것이며, (기립을 위한) 제 1 방법의 모든 실시예는 (착석을 위한) 제 2 방법에 적용될 수 있다.

장비 및 시스템(Equipment and system)

다른 양태에 따르면, 본 발명은 엑소스켈레톤(1), 특히 제 1 양태(기립) 및/또는 제 2 양태(착석)에 따른 방법의 구현을 위한 엑소스켈레톤 타입에 관한 것이다.

설명된 바와 같이, 엑소스켈레톤(1)은 데이터 처리 수단(11) 및 데이터 저장 수단(12)(선택적으로 외부에 있음)을 포함하고, 필요한 경우 관성 측정 수단(14)(관성 유닛) 및/또는 지면에 대한 발의 충격을 검출하기 위한 수단(13)(접촉 센서 또는 선택적으로 압력 센서)을 포함한다.

이는 데이터 처리 수단(11)에 의해 제어되는 액추에이터에 의해 작동되는 적어도 하나의 자유도를 갖는 복수의 자유도를 가지며, 특히 상기 착석 및 기립 자세에서, 어떤 자유도도 비-작동되지 않는 방식으로 복수의 자유도는 데이터 처리 수단(11)에 의해 제어되는 액추에이터에 의해 각각 작동된다.

데이터 처리 수단 (11)은 다음을 구현하도록 구성된다:

- 상기 엑소스켈레톤(1)이 상기 착석 및 기립 자세에서 어떤 자유도도 비-작동되지 않는 방식으로, 데이터 처리 수단(11)에 의해 제어되는 액추에이터에 의해 각각 작동되는 복수의 자유도를 갖도록 상기 착석 자세로부터 상기 기립 자세로(및/또는 기립 자세로부터 착석 자세로) 상기 엑소스켈레톤(1)의 궤적 - 상기 궤적은 시간의 함수로서 파라미터화 됨 -을 생성하는 모듈,

- 상기 작동 자유도에 대한 가상 제약 - 상기 가상 제약은 위상 변수에 의해 파라미터화 됨- 의 세트를 상기 궤적에 적용하는 모듈,

- 상기 엑소스켈레톤(1)이 상기 착석 자세로부터 상기 기립 자세로(및/또는 기립 자세로부터 착석 자세로) 움직이도록 상기 가상 제약 세트와 연관된 제어기 - 상기 제어기는 상기 궤적 동안 상기 가상 제약을 준수하도록 상기 액추에이터에 대한 명령을 생성할 수 있음 - 를 구동시키는 모듈

컴퓨터 프로그램 제품(Computer programme product)

제 5 및 제 6 양태에 따르면, 본 발명은 본 컴퓨터 프로그램 제품이 발견되는 컴퓨터 장비에 의해 판독될 수 있는 저장 수단(예를 들어 데이터 저장 수단(12))뿐만 아니라, 본 발명의 제 1 또는 제 2 양태에 따라 엑소스켈레톤(1)을 움직이는 방법의 (처리 수단(11)상에서의) 실행을 위한 코드 명령을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.

Claims (15)

1. 인간 조작자를 수용하는 엑소스켈레톤(1)을 착석 자세에서 기립 자세로 움직이는 방법으로서, 상기 착석 및 기립 자세는 상기 엑소스켈레톤(1)이 상기 착석 및 기립 자세에서 어떤 자유도도 비-작동(non-actuated)되지 않는 방식으로, 데이터 처리 수단(11)에 의해 제어되는 액추에이터에 의해 각각 작동되는(actuated) 복수의 자유도를 갖도록 하고, 상기 방법은 상기 데이터 처리 수단(11)에 의한 다음 단계들의 구현을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
   (a) 상기 착석 자세로부터 상기 기립 자세로 상기 엑소스켈레톤(1)의 궤적 - 상기 궤적은 시간의 함수로서 파라미터화 됨 -을 생성하는 단계;
   (b) 상기 작동 자유도에 대한 가상 제약 - 상기 가상 제약은 위상 변수에 의해 파라미터화 됨- 의 세트를 상기 궤적에 적용하는 단계;
   (c) 상기 엑소스켈레톤(1)이 상기 착석 자세로부터 상기 기립 자세로 움직이도록 상기 가상 제약 세트와 연관된 상기 엑소스켈레톤(1)의 제어기 - 상기 제어기는 상기 궤적 동안 상기 가상 제약을 준수하도록 상기 액추에이터에 대한 명령을 생성할 수 있음 - 를 구동시키는 단계.
2. 청구항 1에 있어서,
   단계 (a)에서 상기 엑소스켈레톤(1)의 궤적 생성은 기립 요청이 수신될 때 구현되는 것인 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 기립 요청은 상기 인간 조작자의 자세에 대응하는 것인 방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 조작자의 가슴에는 복수의 자세 센서가 장착되고, 상기 복수의 센서에 의해 측정된 상기 조작자의 가슴 자세의 함수로 상기 기립 요청이 검출되는 방법.
5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
   단계 (a)는 상기 착석 자세 및/또는 상기 기립 자세에 대한 결정을 포함하는 방법.
6. 청구항 5과 청구항 2 내지 4 중 어느 한 항의 조합에 있어서,
   단계 (a)는 상기 기립 요청을 수신하는 동안 상기 엑소스켈레톤(1)에 의해 취해지는 임시 자세의 식별 및 상기 임시 자세로부터 상기 착석 자세 및 상기 기립 자세의 결정을 포함하는 방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 결정된 착석 자세 및 기립 자세는 미리 결정된 제약에 대하여 허용 가능한(acceptable) 자세인 방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 미리 결정된 제약은 자세 제약 및 압력 중심(CoP)이 상기 엑소스켈레톤(1)의 지탱 표면 내에 있는 안정 상태에 있다는 사실을 포함하는 방법.
9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
   단계 (b)는 상기 위상 변수의 사전 선택을 포함하는 것인 방법.
10. 청구항 9에 있어서,
    데이터 저장 수단(12)에 저장된 데이터베이스에는
    - 상기 작동 자유도에 대한 가상 제약 세트 - 상기 가상 제약은 위상 변수에 의해 파라미터화 됨 -,
    - 상기 가상 제약 세트와 연관된 상기 엑소스켈레톤(1)의 제어기;
    가 쌍으로 저장되며,
    단계 (b)는 상기 선택된 위상 변수의 함수로서 제약 세트를 식별하는 단계를 포함하는 방법.
11. 인간 조작자를 수용하는 엑소스켈레톤(1)을 기립 자세에서 착석 자세로 움직이는 방법으로서, 상기 착석 및 기립 자세는 상기 엑소스켈레톤(1)이 상기 착석 및 기립 자세에서 어떤 자유도도 비-작동되지 않는 방식으로, 데이터 처리 수단(11)에 의해 제어되는 액추에이터에 의해 각각 작동되는 복수의 자유도를 갖도록 하고, 상기 방법은 상기 데이터 처리 수단(11)에 의한 다음 단계들의 구현을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    (a) 상기 기립 자세로부터 상기 착석 자세로 상기 엑소스켈레톤(1)의 궤적 - 상기 궤적은 시간의 함수로서 파라미터화 됨 -을 생성하는 단계;
    (b) 상기 작동 자유도에 대한 가상 제약 - 상기 가상 제약은 위상 변수에 의해 파라미터화 됨- 의 세트를 상기 궤적에 적용하는 단계;
    (c) 상기 엑소스켈레톤(1)이 상기 기립 자세로부터 상기 착석 자세로 움직이도록 상기 가상 제약 세트와 연관된 상기 엑소스켈레톤(1)의 제어기 - 상기 제어기는 상기 궤적 동안 상기 가상 제약을 준수하도록 상기 액추에이터에 대한 명령을 생성할 수 있음 - 를 구동시키는 단계.
12. 인간 조작자를 수용하는 엑소스켈레톤(1)으로서,
    - 상기 엑소스켈레톤(1)이 상기 착석 및 기립 자세에서 어떤 자유도도 비-작동되지 않는 방식으로, 데이터 처리 수단(11)에 의해 제어되는 액추에이터에 의해 각각 작동되는 복수의 자유도를 갖도록 상기 착석 자세로부터 상기 기립 자세로 상기 엑소스켈레톤(1)의 궤적 - 상기 궤적은 시간의 함수로서 파라미터화 됨 -을 생성하는 모듈;
    - 상기 작동 자유도에 대한 가상 제약 - 상기 가상 제약은 위상 변수에 의해 파라미터화 됨- 의 세트를 상기 궤적에 적용하는 모듈;
    - 상기 엑소스켈레톤(1)이 상기 착석 자세로부터 상기 기립 자세로 움직이도록 상기 가상 제약 세트와 연관된 제어기 - 상기 제어기는 상기 궤적 동안 상기 가상 제약을 준수하도록 상기 액추에이터에 대한 명령을 생성할 수 있음 - 를 구동시키는 모듈을 구현하도록 구성된 데이터 처리 수단(11)을 포함하는 엑소스켈레톤.
13. 인간 조작자를 수용하는 엑소스켈레톤(1)으로서,
    - 상기 엑소스켈레톤(1)이 상기 착석 및 기립 자세에서 어떤 자유도도 비-작동되지 않는 방식으로, 데이터 처리 수단(11)에 의해 제어되는 액추에이터에 의해 각각 작동되는 복수의 자유도를 갖도록 상기 기립 자세로부터 상기 착석 자세로 상기 엑소스켈레톤(1)의 궤적 - 상기 궤적은 시간의 함수로서 파라미터화 됨 -을 생성하는 모듈;
    - 상기 작동 자유도에 대한 가상 제약 - 상기 가상 제약은 위상 변수에 의해 파라미터화 됨- 의 세트를 상기 궤적에 적용하는 모듈;
    - 상기 엑소스켈레톤(1)이 상기 기립 자세로부터 상기 착석 자세로 움직이도록 상기 가상 제약 세트와 연관된 제어기 - 상기 제어기는 상기 궤적 동안 상기 가상 제약을 준수하도록 상기 액추에이터에 대한 명령을 생성할 수 있음 - 를 구동시키는 모듈을 구현하도록 구성된 데이터 처리 수단(11)을 포함하는 엑소스켈레톤.
14. 프로그램이 컴퓨터에서 실행될 때, 청구항 1 내지 11항 중 어느 한 항에 따라 엑소스켈레톤(1)을 움직이는 방법을 실행하기 위한 코드 명령을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품.
15. 청구항 1 내지 11항 중 어느 한 항에 따라 엑소스켈레톤(1)을 움직이는 방법을 실행하기 위한 코드 명령을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 있는, 컴퓨터 장비에 의해 판독될 수 있는 저장 수단.

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