KR20200087499A - Simulation system of robotic artificial leg and method of controlling the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 로봇의족의 시뮬레이션 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 환자 없이도 로봇의족의 내구성을 테스트함과 동시에 정상인의 보행과 동일한 패턴으로 로봇의족의 보행 시뮬레이션을 구현할 수 있는 로봇의족의 시뮬레이션 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a simulation system of a robotic prosthesis, and in detail, a simulation system and a control system for a robotic prosthesis that can test the durability of the robotic prosthesis without a patient and implement a gait simulation of the robotic prosthesis in the same pattern as that of a normal person. It's about how.
초기의 상용 의족들은 주로 미관적인 측면에서 절단된 신체 부위를 대신할 목적으로 개발되었으나, 점차 자연스러운 보행이 가능하고 환자에게 과도한 신진대사 소모가 발생하지 않도록 하는 등의 기능적인 측면에서도 중요한 역할을 하는 의족들이 개발되고 있다.Early commercial prosthetic limbs were mainly developed to replace the amputated body part in terms of aesthetics, but the prosthetic limb that plays an important role in functional aspects such as gradually walking more naturally and preventing excessive metabolic consumption in patients. Are being developed.
일예로, 실제 발목 상태와 같이, 자연스러운 보행이 가능하도록 의족의 발목 각도를 자동으로 조정한다거나, 보행 시 신진 대사 소모를 줄일 수 있도록 의족의 발목에 임의 토크를 발생시키는 기능적인 요소가 가미된 이른바, 로봇의족이 개발되고 있다.For example, like an actual ankle condition, the ankle angle of the prosthesis is automatically adjusted to allow natural walking, or a so-called functional element that generates a random torque on the ankle of the prosthesis to reduce metabolic consumption when walking, Robotic prosthetics are being developed.
한편 환자마다 보행 습관이 다르고, 몸무게 등의 신체 특성에 따라 보행 조건에서도 큰 차이가 발생된다. 이처럼 사람마다 고유의 보행 패턴이 다르기 때문에, 의족은 기본적으로 환자의 보행 패턴을 고려한 설계가 이루어져야 한다.Meanwhile, each patient has different walking habits, and a large difference occurs in walking conditions according to body characteristics such as weight. Because each person's own walking pattern is different, the prosthesis should basically be designed in consideration of the patient's walking pattern.
특히 기능적인 요소가 추가된 로봇의족의 경우 환자의 보행 패턴에 대한 보다 정확한 분석이 먼저 이루어진 다음, 이러한 환자의 보행 패턴을 기초로 하여 로봇의족의 설계를 최적으로 세팅할 필요가 있고, 이로 인하여 실제 적용 시 해당 로봇의족의 기능을 최대로 발휘할 수 있게 된다.In particular, in the case of a robotic prosthesis with functional elements added, a more accurate analysis of the patient's gait pattern is first performed, and then it is necessary to optimally set the design of the robotic prosthesis based on the patient's gait pattern. When applied, the functions of the robot prosthesis can be maximized.
이를 위한 최근의 로봇의족은 환자가 직접 로봇의족을 착용한 상태에서 연습 보행을 수행하고, 이러한 반복된 연습 보행 중 환자가 이야기해 주는 불편사항을 기초로 하여 로봇의족의 구조적인 부분이나 설계 값을 일일이 변경해 주는 수준에 그쳤다.To this end, the recent robotic prosthesis performs a walking gait while the patient directly wears the robotic prosthesis. It was only a level that changed every day.
결국 최종 환자가 로봇의족을 직접 착용하기 전에는, 보행 습관이 다르고 신체 특성이 다른 다양한 환자마다 적합한 구조 및 성능의 로봇의족을 맞춤 설계하기에는 한계가 있었다.As a result, before the final patient directly wore the robotic prosthesis, there were limitations in custom designing the robotic prosthesis with suitable structure and performance for various patients with different gait habits and different body characteristics.
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 정상인의 보행과 동일한 패턴의 시뮬레이션 워킹 동작을 구현하여, 실제 환자가 착용하기 전에 로봇의족의 성능을 미리 평가할 수 있고, 실제 환자에게 최적의 성능을 발휘시킬 수 있는 로봇의족의 시뮬레이션 시스템 및 그 제어방법을 제공함에 있다.The object of the present invention is to solve the conventional problems, and by implementing a simulated walking operation of the same pattern as the walking of a normal person, it is possible to evaluate the performance of the robotic prosthesis before being worn by an actual patient, and optimal performance for an actual patient It is to provide a simulation system and a control method of a robotic prosthesis capable of exerting a robot.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 로봇의족의 시뮬레이션 시스템은, 정강이부재, 의족본체 및 상기 정강이부재와 상기 의족본체를 연결하며 상기 의족본체에 토크를 전달하는 관절구동부를 가지는 로봇의족과 연결되며, 상기 로봇의족의 워킹 동작을 구현하는 시뮬레이터본체; 상기 시뮬레이터본체에 의해 구현되는 상기 로봇의족의 워킹정보를 감지하는 감지유닛; 및 상기 감지유닛에 의해 감지된 상기 워킹정보가 정상인의 기준워킹정보와 일치되도록 상기 관절구동부 및 상기 시뮬레이터본체를 제어하는 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the object of the present invention described above, the simulation system of a robotic prosthesis according to the present invention has a shank member, a prosthetic body and a joint driving part connecting the prosthetic member and the prosthetic body and transmitting torque to the prosthetic body. A simulator body connected to a robotic prosthesis and implementing a walking operation of the robotic prosthesis; A sensing unit for sensing walking information of the robot prosthesis implemented by the simulator body; And it characterized in that it comprises a control unit for controlling the joint driving unit and the simulator body so that the walking information sensed by the detection unit matches the reference walking information of a normal person.
이때 상기 로봇의족의 시뮬레이션 시스템에 있어서, 상기 감지유닛은, 바닥면에 가해지는 상기 로봇의족의 시간별 하중정보를 감지하는 하중감지부; 및 적어도 상기 로봇의족의 하중이 감지되는 구간에서 상기 로봇의족의 시간별 위치정보를 감지하는 동작감지부를 포함할 수 있다.At this time, in the simulation system of the robot prosthesis, the sensing unit includes: a load sensing unit for sensing load information for each hour of the robot prosthesis applied to the floor surface; And it may include a motion detection unit for detecting the position information of the time of the robot prosthesis at least in the section where the load of the robot prosthesis is sensed.
또한 상기 로봇의족의 시뮬레이션 시스템에 있어서, 상기 하중감지부는, 상기 의족본체와 접촉하도록 바닥면에 배치되어, 상기 의족본체로부터 전달되는 하중을 감지하는 로드셀을 포함할 수 있다.In addition, in the simulation system of the robot prosthesis, the load detection unit may include a load cell that is disposed on the bottom surface to contact the prosthetic body, and senses a load transmitted from the prosthetic body.
또한 상기 로봇의족의 시뮬레이션 시스템에 있어서, 상기 동작감지부는, 워킹 동작 중인 상기 로봇의족의 이미지를 기초로 하여, 상기 로봇의족의 시간별 위치정보를 감지하는 이미지센서를 포함할 수 있다.In addition, in the simulation system of the robot prosthesis, the motion detection unit may include an image sensor that detects the position information of the robot prosthesis based on time based on the image of the robot prosthesis during the walking operation.
또한 상기 로봇의족의 시뮬레이션 시스템에 있어서, 상기 시뮬레이터본체는, 프레임; 상기 프레임에 배치되며, 상기 로봇의족을 전후방향으로 이동시키기 위한 전후이송유닛; 상기 전후이송유닛과 연결되며, 전후방향과 직교하는 좌우방향으로 배치되는 수평축을 중심으로 상기 로봇의족을 회전시키기 위한 스윙유닛; 및 상기 스윙유닛과 연결되며, 상기 로봇의족을 상하방향으로 이동시키기 위한 상하이송유닛을 포함할 수 있다.In addition, in the simulation system of the robot prosthesis, the simulator body, the frame; A front-rear transfer unit disposed on the frame and moving the robot prosthesis in the front-rear direction; A swing unit that is connected to the front-rear transfer unit and rotates the robotic limb about a horizontal axis disposed in a left-right direction orthogonal to the front-rear direction; And it is connected to the swing unit, and may include a shanghai transport unit for moving the robot limb in the vertical direction.
또한 상기 로봇의족의 시뮬레이션 시스템에 있어서, 상기 시뮬레이터본체는, 상기 프레임에 대해 전후방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 스윙유닛 및 상기 상하이송유닛이 안착되는 이동테이블; 및 상기 전후이송유닛과 상기 이동테이블을 연결하며, 상기 전후이송유닛의 구동력으로부터 상기 이동테이블을 전후방향으로 이동시키기 위한 동력전달부를 더 포함할 수도 있다.In addition, in the simulation system of the robot prosthesis, the simulator main body is installed to be movable in the front-rear direction with respect to the frame, the swing unit and the moving table is seated; And a power transmission unit for connecting the front-rear transfer unit and the moving table, and for moving the moving table in the front-rear direction from the driving force of the front-rear transfer unit.
또한 상기 로봇의족의 시뮬레이션 시스템에 있어서, 상기 시뮬레이터본체는, 상기 프레임에 전후방향으로 배치되는 가이드레일; 및 상기 이동테이블에 배치되되, 상기 가이드레일에 결합되어 상기 가이드레일을 따라 전후방향으로 이동 가능한 가이드블록을 더 포함할 수도 있다.In addition, in the simulation system of the robot prosthesis, the simulator body, a guide rail disposed in the front-rear direction on the frame; And a guide block disposed on the movable table and coupled to the guide rail and movable in the front-rear direction along the guide rail.
이 경우 상기 로봇의족의 시뮬레이션 시스템에 있어서, 상기 동력전달부는, 상기 프레임의 전후방향으로 배치되며, 상기 전후이송유닛의 출력단과 연결되어 연동하여 회전하고, 외주면에는 제1 나사가 형성되는 동력전달샤프트; 및 상기 이동테이블과 결합되며, 내주면에는 상기 제1 나사와 나사 결합되는 제2 나사가 형성된 관통공이 구비되는 동력전달이동블록을 포함한 것일 수 있다.In this case, in the simulation system of the robot prosthesis, the power transmission unit is disposed in the front-rear direction of the frame, connected to the output terminal of the front-rear transfer unit to rotate in cooperation, and a power transmission shaft having a first screw formed on the outer circumferential surface. ; And it is coupled to the movable table, the inner circumferential surface may include a power transmission movement block is provided with a through-hole formed with a second screw screwed to the first screw.
또한 상기 로봇의족의 시뮬레이션 시스템에 있어서, 상기 상하이송유닛은, 일단이 상기 스윙유닛과 연결되고 타단이 상기 정강이부재와 결합되어, 상기 로봇의족을 바닥면에 근접시키거나 이격시키는 상하구동부를 포함할 수 있다.In addition, in the simulation system of the robot prosthesis, the shanghai transport unit, one end is connected to the swing unit and the other end is coupled to the shank member, and includes an upper and lower driving unit for bringing the robot prosthesis closer to or separated from the floor surface. Can.
이 경우 상기 로봇의족의 시뮬레이션 시스템에 있어서, 상기 스윙유닛은, 상기 상하구동부의 상단부와 결합된 상태에서 상기 이동테이블 상에 회전 가능하게 지지되는 수평축; 및 상기 수평축을 회전시키는 스윙구동부를 포함한 것일 수 있다.In this case, in the simulation system of the robot prosthesis, the swing unit includes: a horizontal axis rotatably supported on the moving table in a state of being coupled with an upper end of the upper and lower driving parts; And it may include a swing drive for rotating the horizontal axis.
또한 상기 로봇의족의 시뮬레이션 시스템에 있어서, 상기 제어유닛은, 상기 로봇의족이 바닥면에 접촉 시 정상인의 체중에 상응하는 하중이 바닥면에 전달될 수 있도록, 상기 상하이송유닛을 제어하여 바닥면에 대한 상기 로봇의족의 부가 압력을 구현할 수 있다.In addition, in the simulation system of the robot prosthesis, the control unit controls the shanghai transport unit so that the load corresponding to the weight of a normal person can be transferred to the floor surface when the robot prosthetic contacts the floor surface. It is possible to implement the additional pressure of the robot prosthesis.
한편 본 발명에 따른 상기 로봇의족의 시뮬레이션 시스템을 이용한 로봇의족의 시뮬레이션 제어방법은, 정상인의 워킹 동작에 대한 기준워킹정보를 생성하는 생성단계; 상기 로봇의족 시뮬레이션 시스템을 이용하여 상기 로봇의족의 워킹 동작을 구현하는 시뮬레이션단계; 워킹 동작 중인 상기 로봇의족의 워킹정보를 감지하는 감지단계; 및 상기 워킹정보와 상기 기준워킹정보가 일치되도록 상기 로봇의족 및 시뮬레이션본체를 제어하는 제어단계를 포함할 수 있다.On the other hand, the simulation control method of the robot prosthesis using the robot prosthesis simulation system according to the present invention includes: a generating step of generating reference walking information for a normal human walking operation; A simulation step of implementing a walking operation of the robot prosthesis using the robot prosthesis simulation system; A sensing step of sensing walking information of the robot prosthesis in the walking operation; And a control step of controlling the robot prosthesis and the simulation body such that the walking information and the reference walking information are matched.
또한 상기 로봇의족의 시뮬레이션 제어방법에 있어서, 상기 감지단계는, 바닥면에 가해지는 상기 로봇의족의 시간별 하중정보를 감지하는 하중감지단계; 및 적어도 상기 로봇의족의 하중이 감지되는 구간에서 상기 로봇의족의 시간별 위치정보를 감지하는 동작감지단계를 포함할 수 있다.In addition, in the simulation control method of the robot prosthesis, the sensing step includes: a load sensing step of sensing load information for each hour of the robot prosthesis applied to the floor surface; And it may include a motion detection step of detecting the position information of the time of the robot prosthesis at least in the section where the load of the robot prosthesis is detected.
또한 상기 로봇의족의 시뮬레이션 제어방법에 있어서, 상기 제어단계에서 상기 워킹정보와 상기 기준 워킹정보가 일치하는 경우, 상기 로봇의족의 워킹 동작을 반복시킨 다음, 해당 로봇의족의 정상여부를 결정하는 검사단계를 더 포함할 수도 있다.In addition, in the simulation control method of the robot prosthesis, in the control step, when the walking information and the reference walking information are identical, the walking operation of the robot prosthesis is repeated, and then an inspection step of determining whether the robot prosthesis is normal or not. It may further include.
본 발명에 따른 로봇의족의 시뮬레이션 시스템 및 그 제어방법은 시뮬레이터본체를 이용하여 정상인의 보행과 동일한 패턴의 시뮬레이션 워킹 동작을 구현할 수 있기 때문에, 로봇의족의 실제 사용에 앞서 내구성 등의 성능 평가를 수행할 수 있고, 이로써 제품의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.Since the simulation system and control method of the robot prosthesis according to the present invention can implement a simulation walking operation of the same pattern as the walking of a normal person using the simulator body, performance evaluation such as durability can be performed before actual use of the robot prosthesis. Thereby, there is an effect that can increase the reliability of the product.
또한 본 발명은 거동이 불편한 환자가 로봇의족을 직접 착용한 상태에서 연습 보행을 수행할 필요 없이, 시뮬레이터본체를 이용하여 환자의 실제 보행과 동일한 패턴의 시뮬레이션 워킹 동작을 구현할 수 있기 때문에, 로봇의족 환자의 편의성을 제공할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention can implement a simulated walking motion of the same pattern as the actual walking of the patient using the simulator body, without the need for performing a walking gait in a state where the patient with an uncomfortable movement directly wears the robot prosthesis, the robotic prosthetic patient There is an effect that can provide the convenience of.
또한 본 발명은 시뮬레이션 과정에서 보행 패턴이 다른 환자마다 로봇의족의 설계 세팅 값을 재설정할 수 있기 때문에, 환자별로 로봇의족의 동작 조건을 최적화할 수 있고, 이로써 보행자의 자연스러운 보행이 가능하도록 의족본체의 회전각도(발목각도)를 조정한다거나 보행 시 신진 대사 소모를 줄일 수 있도록 의족본체에 임의 토크를 발생시키는 등의 로봇의족이 가지는 기능을 최대로 발휘할 수 있는 효과가 있다.In addition, since the present invention can reset the design setting values of the robot prosthesis for each patient having a different gait pattern in the simulation process, the operating condition of the robot prosthesis can be optimized for each patient, thereby enabling the pedestrian to naturally walk. It has the effect of maximizing the functions of the robotic prosthesis such as adjusting the rotation angle (ankle angle) or generating random torque in the prosthetic body to reduce metabolic consumption when walking.
또한 본 발명은 전후이송유닛, 스윙유닛 및 상하이송유닛을 가지는 시뮬레이터본체를 통하여, 다양한 종류의 의족에 대하여 호환성 있는 시뮬레이션이 가능한 효과도 있다.In addition, the present invention also has the effect of enabling a compatible simulation for various types of prostheses through a simulator body having a front-rear transfer unit, a swing unit and a shanghai transfer unit.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 시뮬레이션 시스템을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 시뮬레이션 대상인 로봇의족의 측면 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 시뮬레이션본체를 설명하기 위한 측면 예시도(a) 및 정면 예시도(b)이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 동력전달부를 설명하기 위한 이동테이블의 저면을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 시뮬레이션본체의 작동과정을 설명하기 위한 측면 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 정상인의 워킹 동작에 따른 기준워킹정보를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 로봇의족의 시간별 위치정보를 감지하는 동작감지부의 작동을 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 시뮬레이션 시스템의 제어방법을 설명하기 하기 위한 흐름도이다.1 is a perspective view for explaining a simulation system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a side view of a robot prosthesis that is a simulation object according to an embodiment of the present invention.
3 is a side view (a) and a front view (b) for explaining the simulation body according to an embodiment of the present invention.
4 is an exemplary view showing a bottom surface of a moving table for explaining a power transmission unit according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a side view for explaining the operation of the simulation body according to an embodiment of the present invention.
6 is a conceptual diagram illustrating reference walking information according to a walking operation of a normal person according to an embodiment of the present invention.
7 is a conceptual diagram for explaining the operation of the motion detection unit for sensing the position information by time of the robot prosthesis according to an embodiment of the invention.
8 is a flowchart for explaining a control method of a simulation system according to an embodiment of the present invention.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략된다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention in which the above-described problem to be solved can be realized in detail will be described with reference to the accompanying drawings. In describing the embodiments, the same name and the same code are used for the same configuration, and additional description is omitted.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 시뮬레이션 시스템을 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 시뮬레이션 대상인 로봇의족의 측면 예시도이다.1 is a perspective view for explaining a simulation system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exemplary side view of a robot prosthesis that is a simulation object according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 로봇의족 시뮬레이션 시스템은, 실제 환자가 로봇의족(100)을 직접 착용한 상태에서 보행을 구현하는 대신, 환자가 실제로 로봇의족(100)을 착용한 상태에서 구현되는 보행과 동일한 패턴의 워킹 동작을 시뮬레이션 하고, 이를 기반으로 로봇의족(100)의 내구성, 성능검사 및 환자마다의 최적의 설계를 만족시킬 수 있는 것이다.1 and 2, in the robot prosthesis simulation system according to an embodiment of the present invention, instead of implementing gait in a state where the actual patient directly wears the
이를 위한 로봇의족 시뮬레이션 시스템은, 로봇의족(100)이 결합된 시뮬레이터본체(200), 감지유닛, 제어유닛을 포함할 수 있다.The robot prosthesis simulation system for this may include a
도 2를 참조하면, 로봇의족(100)은, 환자에게 적용되고 본 발명에 의한 시뮬레이션 대상이 되는 의족부재로써, 정강이부재(110), 의족본체(130), 관절구동부(150)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the
정강이부재(110)는, 신체의 정강이에 대응되는 부분이며, 환자의 다리와 연결될 수 있다. 또한 정강이부재(110)의 상부 끝단에는 별도의 의족부재가 추가적으로 결합될 수도 있으며, 예를 들어, 신체의 정강이, 무릎관절부, 대퇴부 등에 대응되는 의족부재가 추가로 결합될 수도 있다.The
의족본체(130)는, 신체의 발에 대응되는 부분이며, 도시된 예에서는 탄성력이 부여되도록 이중의 판상 구조로 이루어져, 환자의 자연스러운 보행을 도모하고 보행 시 바닥과의 충격을 흡수할 수 있도록 할 수 있다. 이와 달리, 의족본체(130)는 다양한 모양과 다양한 재질로 이루어질 수 있으며, 그 형상이나 재질 등 구조적인 부분에 대하여 특별히 한정되지 않는다.The
또한 의족본체(130)는 실제 사용 시에는 신발이 씌워질 수 있는데, 이에 따라, 본 발명에 의한 시뮬레이션 중에도 신발이 신겨진 상태에서 시뮬레이션이 구현될 수 있다.In addition, the
관절구동부(150)는, 신체의 발목에 대응되는 부분이며, 정강이부재(110)와 의족본체(130)를 회전 가능하게 연결할 수 있다. 이러한 관절구동부(150)는 환자의 자연스러운 보행이 가능하도록 의족본체(130)의 회전각도(발목각도)를 조정한다거나, 보행 시 신진 대사 소모를 줄일 수 있도록 의족본체(130)에 임의 토크를 발생시키는 등의 기능적인 요소를 포함할 수 있다.The joint driving
일예로, 관절구동부(150)는 의족본체(130)에 토크를 전달하여 정강이부재(110)에 대해 의족본체(130)를 임의의 회전각으로 회전시킬 수도 있다. 이처럼 의족본체(130)에 토크를 전달하기 위해 관절구동부(150)는 별도의 외부 동력원과 연결될 수 있다.For example, the
또한 관절구동부(150)는 바닥으로부터 의족본체(130)에 하중이 작용하지 않을 시, 정강이부재(110)에 대해 의족본체(130)를 일정한 회전각도로 유지시킬 수 있다. 다시 말해, 관절구동부(150)는 외력이 작용하지 않을 시 의족본체(130)가 수평상태 즉, 정강이부재(110)에 대해 의족본체(130)가 직각의 회전각(90도)을 유지할 수 있다.Also, the
예를 들어, 관절구동부(150)에는 정강이부재(110)에 대해 의족본체(130)의 직각의 회전각을 유지시키기 위한 복원성의 탄성부재가 구비될 수 있다.For example, the
결국 본 발명은 로봇의족(100)에 대한 반복된 시뮬레이션 워킹 동작을 수행하여, 로봇의족(100)을 구성하는 각 구성품에 대한 내구성 등의 성능을 검사하는 것뿐만 아니라, 실제 환자가 로봇의족(100)을 착용하고 보행하는 과정에서 자연스러운 워킹 및 신진대사 소모를 줄일 수 있도록 로봇의족(100)의 관절구동부(150)에서 작용하는 복원력의 크기나 토크 값을 최적으로 설계할 수 있다.After all, the present invention performs repeated simulation walking operations on the
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 시뮬레이터본체를 설명하기 위한 측면 예시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 시뮬레이터본체를 설명하기 위한 정면 예시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 시뮬레이터본체의 작동과정을 설명하기 위한 측면 예시도이다.Figure 3 is a side view for explaining the simulator body according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a front view for explaining the simulator body according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is an embodiment of the present invention It is an exemplary side view for explaining the operation process of the simulator body.
도 1과 함께 도 3 내지 도 5를 참조하면, 시뮬레이터본체(200)는, 로봇의족(100)에 대하여 정상인의 보행과 동일한 패턴의 워킹 동작을 반복시킬 수 있는 것으로, 이를 위한 시뮬레이터본체(200)는, 프레임(210), 전후이송유닛(220), 스윙유닛(250), 상하이송유닛(260)을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 3 to 5 together with FIG. 1, the
먼저 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 시뮬레이터본체(200)는 적어도 로봇의족(100)이 바닥면에 지속적으로 접촉하는 1스텝 구간에서의 워킹 동작을 반복적으로 시뮬레이션 시킬 수 있다.First, referring to FIG. 6, the
물론 상기 시뮬레이터본체(200)는 2스텝 이상의 워킹 구간에서의 워킹 동작을 반복할 수 있는 것은 물론이며, 다만 이 경우 시뮬레이터본체(200)의 크기가 불필요하게 커질 수 있다.Of course, the
프레임(210)은, 전후이송유닛(220), 스윙유닛(250) 및 상하이송유닛(260)을 바닥면으로부터 일정높이로 지지시키며, 로봇의족(100)의 워킹 동작을 위한 공간을 제공할 수 있다.The
도 1에 표시된 211은 이동바퀴이며, 212는 높이조절수단이고, 213은 고정클램프이다. 즉, 프레임(210)은 이동바퀴(211)를 이용하여 자유롭게 이동이 가능하고, 높이조절수단(212)을 조정하여 시뮬레이터본체(200)의 높이 또는 수평상태를 미세하게 조절할 수 있으며, 고정클램프(213)를 이용하여 바닥면에 견고히 고정될 수 있다. 특히 본 발명에 의한 시뮬레이션 과정에서는 고정클램프(213)를 이용하여 바닥면에 프레임(120)을 견고히 고정시킨 상태에서 시뮬레이션을 수행할 수 있다.1, 211 is a moving wheel, 212 is a height adjustment means, and 213 is a fixed clamp. That is, the
전후이송유닛(220)은, 프레임(210)에 배치되며 로봇의족(100)을 워킹방향인 전후방향으로 이동시키기 위한 구동력을 제공하는 것으로, 전후구동부(221)를 포함할 수 있다.The front-
도 6을 참조하면, 이러한 전후이송유닛(220)은 적어도 1스텝에 해당하는 전후방향 이동 범위를 가질 수 있다.Referring to FIG. 6, the front-
상기 전후구동부(221)는 전동모터일 수 있으며, 전동모터를 일 방향으로 회전시키거나 반대 방향으로 회전시킴에 따라, 로봇의족(100)을 전방으로 이동시키거나 후방으로 이동시킬 수 있다.The front-
스윙유닛(250)은, 전후이송유닛(220)과 연결되며, 전후방향과 직교하는 좌우방향으로 배치되는 수평축(252)을 중심으로 로봇의족(100)을 회전시키기 위한 구동력을 제공하는 것으로, 스윙구동부(251)를 포함할 수 있다.The
도 5 및 도 6을 참조하면, 이러한 스윙유닛(250)은 정상인의 보행 시 다음 스텝을 위해 고관절을 중심으로 다리를 전방으로 들어올리고, 신체가 전방으로 이동됨에 따라 고관절을 중심으로 다리가 후방으로 다시 젖혀지는 과정을 구현할 수 있다. 결국 상기 수평축(252)은 정상인의 고관절과 대응되는 위치에 배치될 수 있다.Referring to FIGS. 5 and 6, when the normal person walks, the
상기 스윙구동부(251)는 전동모터일 수 있으며, 전동모터를 일 방향으로 회전시키거나 반대 방향으로 회전시킴에 따라, 상기 수평축(252)을 중심으로 로봇의족(100)을 전방 상향으로 회전시키거나 후방 상향으로 회전시킬 수 있다.The
상하이송유닛(260)은, 스윙유닛(250)과 연결되며, 로봇의족(100)을 상하방향으로 이동시키기 위한 구동력을 제공하는 것으로, 상하구동부(261)를 포함할 수 있다.The
일예로, 상기 상하구동부(261)는 일단이 스윙유닛(250)과 연결되고 타단이 정강이부재(110)에 결합되어 로봇의족(100)을 바닥면에 근접시키거나 이격시키는 것으로, 공압에 의해 작동되는 실린더일 수 있다.For example, the upper and
상기 상하구동부(261)는 실린더가 신장되거나 수축되는 것에 따라, 실린더의 출력단에 해당하는 실린더로드(262)에 결합된 로봇의족(100)을 바닥면에 근접하게 하강시키거나 바닥면으로부터 이격되게 상승시킬 수 있다.The upper and
이처럼 상하구동부(261)로서 실린더가 적용되는 경우, 실린더로드(262)와 로봇의족(100)의 정강이부재(110)는 별도의 체결부재를 이용하여 고정 결합될 수 있다.When a cylinder is applied as the
도 5 및 도 6을 참조하면, 이러한 상하이송유닛(260)을 통하여 로봇의족(100)은 1스텝 구간에서 바닥면(e)에 지속적으로 접촉될 수 있다.5 and 6, the
이상에서와 같이, 로봇의족(100)은 전후이송유닛(220), 스윙유닛(250) 및 상하이송유닛(260)의 상호 유기적인 구동을 통하여, 정상인의 1스텝에 해당하는 보행과 동일한 패턴으로 1스텝에 해당하는 로봇의족(100)의 워킹 동작을 반복할 수 있다.As described above, the
이하 실시예에 의한 시뮬레이터본체(200)를 구성하는 전후이송유닛(220), 스윙유닛(250), 상하이송유닛(260)의 결합구조에 대하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, a coupling structure of the front-
도 1, 도 3, 도 4를 참조하면, 실시예에 의한 시뮬레이터본체(200)는 이동테이블(240)을 포함할 수 있다.1, 3, and 4, the
이동테이블(240)은 프레임(210)에 대해 전후방향으로 이동 가능하게 설치되며, 스윙유닛(250) 및 상하이송유닛(260)이 안착될 수 있다.The moving table 240 is installed to be movable in the front-rear direction with respect to the
이때 전후이송유닛(220)과 상기 이동테이블(240)을 연결하여, 전후이송유닛(220)의 구동력으로부터 상기 이동테이블(240)을 전후방향으로 이동시키기 위한 동력전달부(230)를 포함할 수 있다.At this time, by connecting the front-
결국 전후이송유닛(220)과 동력전달부(230)를 매개로 연결된 이동테이블(240)은, 전후이송유닛(220)의 구동력으로부터 프레임(210) 상에서 전후방향으로 슬라이드 이동될 수 있고, 이때 이동테이블(240) 상에 안착된 스윙유닛(250)과 상하이송유닛(260)은 이동테이블(240)의 전후방향 이동과 연동될 수 있다.As a result, the moving table 240 connected via the front-
보다 상세하게, 프레임(210)의 상부에는 전후방향으로 배치되는 가이드레일(235)이 구비될 수 있고, 이동테이블(240)의 하부에는 상기 가이드레일(235)에 결합되어 상기 가이드레일(235)을 따라 전후방향으로 이동이 가능한 가이드블록(237)이 구비될 수 있다.In more detail, a
또한 상기 동력전달부(230)는 동력전달샤프트(231) 및 동력전달이동블록(233)을 포함할 수 있다.In addition, the
동력전달샤프트(231)는, 프레임(210)의 전후방향으로 배치되어 전후이송유닛(220)의 출력단(222)과 연결되어 연동하여 회전하며, 외주면에는 제1 나사가 형성될 수 있다.The
동력전달이동블록(233)은, 이동테이블(240)의 하부에 결합되며, 내주면에는 상기 제1 나사와 나사 결합되는 제2 나사가 형성된 관통공(2331)이 구비될 수 있다.The power
이로 인하여, 전후이송유닛(220)의 출력단(222)이 일 방향으로 회전하면, 출력단(222)과 연결된 동력전달샤프트(231)가 일 방향으로 회전되고, 동력전달샤프트(231)와 나사 결합되어 있는 동력전달이동블록(233)은 동력전달샤프트(231)의 길이방향(전후방향)으로 전진함에 따라 이동테이블(240)이 전방으로 이동된다. 반대로 전후이송유닛(220)의 출력단(222)이 반대 방향으로 회전하면, 출력단(222)과 연결된 동력전달샤프트(231)가 반대 방향으로 회전되고, 동력전달샤프트(231)와 나사 결합되어 있는 동력전달이동블록(233)은 동력전달샤프트(231)의 길이방향(전후방향)으로 후진함에 따라 이동테이블(240)이 후방으로 이동된다.Due to this, when the
이러한 동력전달부(230)의 작동 중, 프레임(210)과 이동테이블(240)은 가이드레일(235)과 가이드블록(237)으로 결속되어 있기 때문에, 동력손실 없이 프레임(210)에 대한 이동테이블(240)의 전후방향 이동이 안정적으로 구현될 수 있다.During the operation of the
한편 전후구동부(221)의 출력단(222)과 동력전달부(230)의 동력전달샤프트(231)는 직접 연결될 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이, 전후구동부(221)의 출력단(222)의 회전력을 가감속시키기 위한 동력전달부재(223)를 매개로 연결될 수 있다.Meanwhile, the
예를 들어, 동력전달부재(223)는 전후구동부(221)의 출력단(222)에 구비되는 구동풀리(2231), 동력전달샤프트(231)에 구비되는 피동풀리(2235), 및 상기 구동풀리(2231)와 상기 피동풀리(2235)를 연결하는 벨트(2232)로 이루어질 수 있다. 이러한 동력전달부재(223)를 통하여 전후구동부(221)의 출력단(222)의 회전력은 가감속된 상태로 동력전달샤프트(231)로 전달될 수 있다. 도시된 바와 달리, 동력전달부재(223)는 스프라켓/체인, 기어결합 등으로도 구현될 수 있다.For example, the
한편 스윙유닛(250)과 상하이송유닛(260)은 이동테이블(240) 상에 안착되어 이동테이블(240)과 함께 연동하여 전후방향으로 이동될 수 있다.Meanwhile, the
이때 상하이송유닛(260)은 일단이 스윙유닛(250)과 연결되고 타단이 정강이부재(110)에 결합되어 로봇의족(100)을 바닥면에 근접시키거나 이격시키는 상하구동부(261)를 포함할 수 있다.In this case, the
이때 상하구동부(261)의 상단부는 이동테이블(240)에 안착된 스윙유닛(250)과 연결될 수 있도록, 상기 이동테이블(240)에 형성된 관통홀(241)을 관통하여 이동테이블(240)의 상부로 노출되게 배치될 수 있다.At this time, the upper end of the
또한 스윙유닛(250)은 이동테이블(240)의 상부로 노출된 상하구동부(261)의 상단부와 결합된 상태에서 이동테이블(240) 상에 회전 가능하게 지지되는 수평축(252)과, 수평축(252)을 회전시키는 스윙구동부(251)를 포함할 수 있다.In addition, the
이때 이동테이블(240)의 상부면에는 스윙유닛(250)의 수평축(252)을 회전 가능하게 지지하기 위한 회전지지부(245)가 구비될 수 있다.At this time, a
이상과 같이, 스윙유닛(250)과 상하이송유닛(260)은 전후이송유닛(220)의 작동에 따른 이동테이블(240)의 전후방향 이동과 함께 연동하여 전후방향으로 이동될 수 있고, 상하이송유닛(260)은 스윙유닛(250)의 작동에 따른 수평축(252)의 스윙 동작과 함께 연동하여 스윙 동작이 구현될 수 있다.As described above, the
결국 상하이송유닛(260)의 출력단에 해당하는 실린더로드(262)에 결합된 로봇의족(100)은 전후방향, 스윙, 및 상하방향으로의 이동수단을 통하여, 1스텝 구간에서 요구되는 워킹 동작을 자유롭게 구현할 수 있게 된다.As a result, the
한편 감지유닛은, 시뮬레이터본체(200)에 의하여 워킹 동작되는 로봇의족(100)의 워킹정보를 감지하는 것으로, 이러한 감지유닛은 하중감지부(310) 및 동작감지부를 포함할 수 있다.Meanwhile, the sensing unit senses walking information of the
도 5 및 도 6을 참조하면, 하중감지부(310)는, 1스텝 구간에서 워킹 동작 중, 바닥면(e)에 가해지는 로봇의족(100)의 시간별 하중정보를 감지할 수 있다.Referring to FIGS. 5 and 6, the
일예로, 하중감지부(310)는 의족본체(130)와 접촉하도록 바닥면에 배치되어 의족본체(130)로부터 바닥으로 전달되는 하중을 감지할 수 있으며, 예를 들어, 로드셀(Road cell)을 포함할 수 있다.For example, the
상기 로드셀은 힘이나 하중 등의 물리량을 전기적 신호로 변환시켜 힘(하중)을 측정하는 하중감지센서의 하나로써, 미세한 힘(하중)에 대한 응답성이 우수하고, 작용하는 힘(하중)의 방향성까지 감지할 수 있다.The load cell is a load sensing sensor that measures a force (load) by converting a physical quantity such as a force or load into an electrical signal, and has excellent responsiveness to a fine force (load), and directs the force (load) to act. Can be detected.
이렇게 로드셀을 바닥면에 적용하는 경우 로봇의족(100)이 접촉되는 바닥면 영역에 대해 복수의 로드셀을 배열시켜 구성함이 바람직하다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 1스텝 구간에서 워킹 동작 시 의족본체(130)와 바닥면(e)의 접촉과정은, 뒤꿈치(Heel)와 대응하는 의족본체(130)의 후단부가 바닥면(e)과 경사각을 유지하며 먼저 접촉된다. 다음으로 발바닥과 대응하는 의족본체(130)의 저면 전체가 바닥면(e)과 접촉된다. 다음으로 의족본체(130)의 후단부는 바닥면(e)으로부터 이격되고 발끝(Toe)과 대응하는 의족본체(130)의 전단부가 바닥면(e)과 경사각을 유지하며 접촉된다.When the load cell is applied to the bottom surface in this way, it is preferable to configure a plurality of load cells with respect to the bottom surface area where the
이상과 같이 의족본체(130)와 접촉되는 바닥면에 대해 복수개로 배열된 로드셀은 1스텝 구간에서 의족본체(130)로부터 가해지는 시간별 하중 크기, 시간별 하중 분포, 시간별 하중의 방향성을 보다 정밀하게 감지할 수 있다.As described above, the load cells arranged in plural with respect to the bottom surface in contact with the
이렇게 하중감지부(310)를 통하여 감지된 로봇의족(100)의 하중정보는 제어유닛으로 전송될 수 있다.The load information of the
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 로봇의족(100)의 시간별 위치정보를 감지하는 동작감지부의 작동을 설명하기 위한 개념도로써, (a) 도면에서 (e) 도면으로 가며 로봇의족(100)의 측면 영상을 촬영한 이미지(IM)를 추출하여 보인 개념도이다.7 is a conceptual diagram for explaining the operation of the motion detection unit for sensing the position information by time of the
동작감지부는, 적어도 로봇의족(100)의 하중이 감지되는 1스텝 구간에서 워킹 동작 중인 로봇의족(100)의 시간별 위치정보를 감지할 수 있다.The motion detection unit may detect position information for each hour of the
일예로, 동작감지부는 이미지센서를 이용하여, 워킹 동작 중인 로봇의족(100)의 이미지(IM)를 기초로 하여 정강이부재(110)를 포함한 로봇의족(100)의 시간별 위치정보를 감지할 수 있다.As an example, the motion detection unit may use an image sensor to detect location information for each hour of the
이미지센서를 통하여 1스텝 구간에서 워킹 동작 중인 로봇의족(100)의 측면영상을 실시간으로 촬영하고, 이렇게 촬영된 이미지(IM)를 기초로 하여, 정강이부재(110)의 위치정보(상, 하단의 위치 및 기울기 정보) 및 의족본체(130)(전, 후단의 위치 및 기울기 정보)를 획득할 수도 있다.Position information (top, bottom) of the
다른 예로, 상기 동작감지부는 관절구동부(150)에 구비되는 엔코더(Encoder)를 이용하여, 정강이부재(110)에 대한 의족본체(130)의 회전각(A)을 측정함으로써, 정강이부재(110)에 대한 의족본체(130)의 시간별 위치정보를 감지할 수도 있다.As another example, the motion detection unit measures the rotation angle A of the
상기 엔코더는 회전운동이나 직선운동 하는 물체의 위치와 속도 정보를 전기적인 펄스신호로 변환하는 센서로써, 예를 들어, 관절구동부(150)의 회전축과 연결되는 로터리 엔코더가 적용될 수 있으며, 이로써 관절구동부(150)의 시간별 회전각(A)을 실시간으로 감지할 수도 있다.The encoder is a sensor that converts rotational or linearly moving object position and velocity information into an electrical pulse signal. For example, a rotary encoder connected to a rotation axis of the
또 다른 예로, 상기 동작감지부는 전후이송유닛(220), 스윙유닛(250) 및 상하이송유닛(260)의 출력 값을 기초로 하여, 로봇의족(100)의 시간별 위치정보를 감지할 수도 있다. 예를 들어, 전후구동부(221), 스윙구동부(251) 및 상하구동부(261)에 구비될 수 있는 엔코더에서 감지된 출력 값으로부터 로봇의족(100)의 시간별 위치정보를 실시간으로 감지할 수도 있다.As another example, the motion detection unit may detect time-based position information of the
이상과 같이 동작감지부는 이미지센서의 이미지정보를 이용하여 로봇의족(100)의 시간별 위치정보를 실시간으로 감지할 수 있다.As described above, the motion detection unit may detect the location information of the
나아가 동작감지부는 관절구동부(150)의 출력 값을 수집하여 로봇의족(100)의 시간별 위치정보를 추가로 감지하는 경우, 로봇의족(100)의 시간별 위치정보에 대한 정확도를 높일 수 있다.Furthermore, when the motion detection unit additionally senses the positional information of the
또한 동작감지부는 전후구동부(221), 스윙구동부(251) 및 상하구동부(261)의 출력 값을 수집하여 로봇의족(100)의 시간별 위치정보를 추가로 감지하는 경우, 로봇의족(100)의 시간별 위치정보에 대한 정확도를 더욱 높일 수 있다.In addition, the motion detection unit collects the output values of the front-
제어유닛은, 전술한 감지유닛에 의해 수집된 로봇의족(100)의 워킹정보가 정상인의 기준워킹정보와 일치되도록 시뮬레이터본체(200)를 제어할 수 있다.The control unit may control the
먼저 정상인의 기준워킹정보는 의족본체(130)와 대응되는 발, 관절구동부(150)와 대응되는 발목, 정강이부재(110)와 대응되는 정강이 부분에 대한 시간별 기준위치정보와, 발과 접촉되는 바닥면에 가해지는 시간별 기준하중정보를 포함할 수 있다.First, the standard walking information of the normal person is the foot corresponding to the
일예로, 발, 발목, 정강이에 각각 3D 동작 인식 센서를 장착한 상태로, 보행 중 발, 발목, 정강이의 시간별 기준위치정보를 수집할 수 있고, 본 발명의 실시예에서와 같이, 하중감지부(310)가 구비된 바닥 위를 보행하는 것으로써 바닥면에 가해지는 시간별 기준하중정보를 수집할 수 있다.For example, while the foot, ankle, and shin are equipped with 3D motion recognition sensors, it is possible to collect reference position information for each hour of the foot, ankle, and shin while walking, and as in the embodiment of the present invention, a load sensing unit By walking on the floor provided with 310, reference load information for each hour applied to the floor surface can be collected.
다른 예로, 본 발명의 실시예에서와 같이, 이미지센서를 이용하여 보행 중 발, 발목, 정강이의 이미지를 촬영하고, 촬영된 이미지를 기초로 하여, 발, 발목, 정강이의 시간별 기준위치정보를 수집할 수도 있고, 하중감지부(310)가 구비된 바닥 위를 보행하는 것으로써 바닥면에 가해지는 시간별 기준하중정보를 수집할 수 있다.As another example, as in the embodiment of the present invention, an image sensor is used to take an image of a foot, ankle, or shin while walking, and based on the captured image, reference location information for each hour of the foot, ankle, or shin is collected. Alternatively, by walking on the floor provided with the
이렇게 수집된 기준워킹정보는 제어유닛으로 전송되어 미리 저장 설정된다.The reference walking information thus collected is transmitted to the control unit and stored in advance.
이상과 같이 제어유닛은 미리 생성된 기준워킹정보를 기초로 하여, 시뮬레이터본체(200)의 작동신호를 생성하며, 이를 통해 개별 작동되는 전후이송유닛(220), 스윙유닛(250), 상하이송유닛(260)의 유기적인 동작으로부터 실제 정상인의 보행과 동일한 패턴으로 로봇의족(100)의 워킹 동작을 시뮬레이션하게 된다.As described above, the control unit generates an operation signal of the
상세하게, 제어유닛은 미리 설정된 시간별 기준위치정보 및 기준하중정보를 기초로 하여, 전후이송유닛(220), 스윙유닛(250), 상하이송유닛(260)의 작동신호를 생성하여 1스텝 구간에서 로봇의족(100)의 워킹 동작을 반복시킨다.In detail, the control unit generates operation signals of the front-
이러한 로봇의족(100)의 워킹 동작 중, 동작감지부는 로봇의족(100)의 시간별 위치정보를 계속해서 수집하여 제어유닛으로 전송하고, 이를 기초로 제어유닛은 로봇의족(100)의 시간별 위치정보가 미리 설정된 시간별 기준위치정보와 일치되도록, 전후이송유닛(220), 스윙유닛(250), 상하이송유닛(260)을 계속해서 제어한다.During the walking operation of the
이와 동시 하중감지부(310)는 로봇의족(100)의 시간별 하중정보를 계속해서 수집하여 제어유닛으로 전송하고, 이를 기초로 제어유닛은 로봇의족(100)의 시간별 하중정보가 미리 설정된 시간별 기준하중정보와 일치되도록, 전후이송유닛(220), 스윙유닛(250), 상하이송유닛(260)을 계속해서 제어한다.At the same time, the
한편 상기 로봇의족(100)의 시간별 하중정보가 미리 설정된 시간별 기준하중정보와 일치되도록 전후이송유닛(220), 스윙유닛(250), 상하이송유닛(260)을 제어할 시, 제어유닛은 로봇의족(100)이 바닥면에 접촉 시 정상인의 체중에 상응하는 하중이 바닥면에 전달될 수 있도록, 상기 상하이송유닛(260)을 제어하여 바닥면에 대한 로봇의족(100)의 부가 압력을 구현할 수 있다.On the other hand, when controlling the front-
도 6을 참조하면, 일반적으로 1스텝 구간에서 보행 중, 초기 (a) 구간에서는 왼발과 오른발이 함께 바닥면(e)과 접촉된 상태를 이루고, (b) 구간에서는 왼발은 공중에서 스윙되고 오른발만 바닥면(e)에 접촉된 상태를 이루며, (c) 구간에서는 왼발과 오른발이 함께 바닥면(e)과 접촉된 상태를 이루게 된다.Referring to FIG. 6, in general, while walking in a one-step section, in the initial (a) section, the left foot and the right foot together make contact with the floor surface (e), and in the (b) section, the left foot swings in the air and the right foot Only the bottom surface (e) forms a state of contact, and in the section (c), the left and right feet together form a state in contact with the bottom surface (e).
다시 말해, (b) 구간에서 하중은 (a), (c) 구간에서의 하중보다 큰 하중이 바닥면(e)에 작용하게 되는데, 이러한 1스텝 구간에서 변화되는 하중정보에 상응하게 제어유닛은 상하이송유닛(260)의 출력 값을 조정하며 로봇의족(100)으로부터 바닥면(e)에 가해지는 부가 압력 값을 시간별로 적절히 조정할 수 있다.In other words, the load in the section (b) is greater than the load in the sections (a) and (c), and acts on the bottom surface (e). In response to the load information changed in this one-step section, the control unit The output value of the
한편 제어유닛은 감지유닛에 의해 감지된 로봇의족(100)의 워킹정보가 정상인의 기준워킹정보와 일치되도록, 시뮬레이터본체(200)를 제어할 뿐만 아니라, 로봇의족(100)의 관절구동부(150)를 추가로 제어할 수도 있다.On the other hand, the control unit not only controls the
즉, 미리 설정된 정상인의 기준워킹정보 중, 정강이에 대해 발의 회전각도가 변화되는 경우, 제어유닛은 로봇의족(100)의 관절구동부(150)의 복원력을 조정한다거나, 추가 토크를 부여하는 등으로 관절구동부(150)를 추가적으로 제어할 수 있고, 이로써 미리 설정된 기준워킹정보와 로봇의족(100)의 워킹정보를 더욱 정확히 일치시킬 수 있다.That is, when the rotation angle of the foot changes with respect to the shank among the reference walking information of the preset normal person, the control unit adjusts the resilience of the
또한 초기 기준워킹정보를 생성하는 단계에서 정상인은 해당 로봇의족(100)을 착용하게 되는 환자와 신체 특성과 보행 패턴이 매우 흡사한 사람으로 선택될 수 있다.In addition, in the step of generating the initial reference walking information, the normal person may be selected as a person who wears the
결국 실제 환자와 유사한 신체 특성 및 보행 패턴을 만족하는 기준워킹정보를 기초로 하기 때문에, 상기한 바와 같이 제어유닛을 통하여 관절구동부(150)가 가지는 복원력 크기 또는 토크를 추가적으로 제어하여 재설정함으로써, 최종적으로 로봇의족(100)을 착용하게 될 실제 환자로 하여금 자연스러운 보행 및 신진 대사 소모를 줄일 수 있는 최적의 설계 세팅을 만족시킬 수 있다.In the end, since it is based on the reference walking information that satisfies the physical characteristics and gait pattern similar to the actual patient, by finally controlling and resetting the magnitude or torque of the
이상에서 설명된 로봇의족 시뮬레이션 시스템을 이용한 로봇의족 시뮬레이션 시스템의 제어방법을 설명하면 다음과 같다.The control method of the robot prosthesis simulation system using the robot prosthesis simulation system described above is as follows.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 시뮬레이션 시스템의 제어방법을 설명하기 하기 위한 흐름도이다.8 is a flowchart for explaining a control method of a simulation system according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 로봇의족 시뮬레이션 시스템의 제어방법은, 생성단계(S100), 시뮬레이션단계(S200), 감지단계(S300), 제어단계(S400)를 포함할 수 있다.8, the control method of the robot prosthesis simulation system according to an embodiment of the present invention may include a generation step (S100), a simulation step (S200), a detection step (S300), and a control step (S400). .
생성단계(S100)는, 정상인의 워킹 동작에 대한 기준워킹정보를 생성하는 단계로써, 상기 기준워킹정보는 의족본체(130)와 대응되는 발, 관절구동부(150)와 대응되는 발목, 정강이부재(110)와 대응되는 정강이 부분에 대한 시간별 기준위치정보와, 발과 접촉되는 바닥면에 가해지는 시간별 기준하중정보를 포함할 수 있다.The generating step (S100) is a step of generating reference walking information for a normal person's walking operation, wherein the reference walking information is the foot corresponding to the
예를 들어, 발, 발목, 정강이에 각각 3D 동작 인식 센서를 장착한 상태로, 보행 중 발, 발목, 정강이의 시간별 기준위치정보를 수집할 수 있고, 하중감지부(310)가 구비된 바닥 위를 보행하는 것으로써 바닥면에 가해지는 시간별 기준하중정보를 수집할 수 있다. 또한 다른 예로, 이미지센서를 이용하여 보행 중 발, 발목, 정강이의 이미지를 촬영하고, 촬영된 이미지를 기초로 하여, 발, 발목, 정강이의 시간별 기준위치정보를 수집할 수도 있고, 하중감지부(310)가 구비된 바닥 위를 보행하는 것으로써 바닥면에 가해지는 시간별 기준하중정보를 수집할 수 있다.For example, with the 3D motion recognition sensors attached to the feet, ankles, and shins, it is possible to collect time-based reference location information of the feet, ankles, and shins while walking, and on a floor equipped with a
이렇게 수집 생성된 기준워킹정보는 제어유닛으로 전송되어 미리 저장 설정된다.The reference walking information collected and generated is transmitted to the control unit and stored in advance.
시뮬레이션단계(S200)는, 로봇의족 시뮬레이션 시스템을 이용하여 로봇의족(100)의 워킹 동작을 구현하는 단계로써, 제어유닛은 미리 설정된 기준워킹정보와 상응하는 작동신호를 생성하여 전후이송유닛(220), 스윙유닛(250) 및 상하이송유닛(260) 중 적어도 하나를 작동시키며, 로봇의족(100)에 대해 정상인의 보행 패턴과 동일한 패턴의 시뮬레이션 워킹 동작을 수행시킨다.The simulation step (S200) is a step of realizing a walking operation of the
또한 시뮬레이션단계(S200)에서 제어유닛은 미리 설정된 기준워킹정보와 상응하는 작동신호를 생성하여 관절구동부(150)를 작동시키며, 로봇의족(100)에 대해 정상인의 발목 회전각도와 동일한 패턴의 시뮬레이션 워킹 동작을 수행시킬 수 있다.In addition, in the simulation step (S200), the control unit generates an operation signal corresponding to the preset reference walking information to operate the
감지단계(S300)는, 워킹 동작 중인 로봇의족(100)의 워킹정보를 감지하는 단계로써, 감지유닛을 이용하여 워킹 동작 중인 로봇의족(100)의 워킹정보를 수집하게 된다.The sensing step (S300) is a step of sensing the walking information of the
상기 감지단계(S300)는 하중감지부(310)를 이용하여, 바닥면에 가해지는 로봇의족(100)의 시간별 하중정보를 감지하는 하중감지단계와, 동작감지부를 이용하여, 적어도 로봇의족(100)의 하중이 감지되는 구간에서 로봇의족(100)의 시간별 위치정보를 감지하는 동작감지단계를 수행할 수 있다.In the sensing step (S300), a load sensing step of sensing load information for each hour of the
제어단계(S400)는, 감지유닛으로부터 수집된 워킹정보와 미리 설정된 기준워킹정보가 일치되도록, 제어유닛은 전후이송유닛(220), 스윙유닛(250), 상하이송유닛(260) 중 적어도 하나를 제어하며, 로봇의족(100)의 워킹 동작이 정상인의 보행 패턴과 일치되도록 지속적으로 동기화시킨다.In the control step S400, at least one of the front-
또한 제어단계(S400)에서 감지유닛으로부터 수집된 워킹정보와 미리 설정된 기준워킹정보가 일치되도록, 제어유닛은 관절구동부(150)를 제어하며, 워킹 동작 중인 의족본체(130)의 회전각도가 정상인의 발목 회전각도와 일치되도록 지속적으로 동기화시킬 수 있다.In addition, in the control step (S400), the control unit controls the
상기 제어단계(S400)를 통해 로봇의족(100)의 워킹정보와 미리 설정된 기준워킹정보가 지속적으로 일치되는 경우, 일정 시간 혹은 일정 회수만큼 로봇의족(100)의 워킹 동작을 반복하여 수행한다.(S500 반복단계)When the walking information of the
결국 미리 설정된 기준워킹정보와 로봇의족(100)의 워킹정보가 일치된 상태에서 로봇의족(100)의 워킹 동작을 반복 수행함으로써, 해당 로봇의족(100)의 내구성 및 성능의 정상여부를 확인할 수 있고, 관절구동부(150)의 복원력 크기나 토크 값이 환자에게 최적으로 맞춤 설계됨을 확인할 수 있다.(S600 검사단계)In the end, by repeating the walking operation of the
이상과 같이 본 발명의 실시예에 의한 로봇의족 시뮬레이션 시스템은, 시뮬레이터본체(200)를 이용하여 환자가 로봇의족(100)을 착용한 상태에서의 보행과 동일한 패턴의 시뮬레이션 워킹 동작을 구현할 수 있기 때문에, 로봇의족(100)의 실제 사용에 앞서 내구성 등의 성능 평가를 미리 수행할 수 있고, 이로써 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.As described above, the robot prosthesis simulation system according to the embodiment of the present invention can implement a simulation walking operation in the same pattern as walking while the patient wears the
또한 본 발명의 실시예에 의한 로봇의족 시뮬레이션 시스템은, 거동이 불편한 환자가 로봇의족(100)을 직접 착용한 상태에서 연습 보행을 수행할 필요 없이, 시뮬레이터본체(200)를 이용하여 환자의 실제 보행과 동일한 패턴의 시뮬레이션 워킹 동작을 구현할 수 있기 때문에, 로봇의족 환자의 편의성을 제공할 수 있다.In addition, the robot prosthesis simulation system according to an embodiment of the present invention does not need to perform an exercise gait in a state in which a patient with an uncomfortable movement directly wears the
또한 본 발명의 실시예에 의한 로봇의족 시뮬레이션 시스템은, 신체 특성 및 보행 패턴이 다른 환자마다 로봇의족(100)의 설계 값을 재설정할 수 있기 때문에, 환자별로 로봇의족(100)의 설계 세팅을 최적화할 수 있고, 이로써, 보행자의 자연스러운 보행이 가능하도록 의족본체(130)의 회전각도(발목각도)를 조정한다거나, 보행 시 신진 대사 소모를 줄일 수 있도록 의족본체(130)에 임의 토크를 발생시키는 등의 로봇의족(100)의 기능을 최대로 발휘할 수 있다.In addition, since the robot prosthesis simulation system according to an embodiment of the present invention can reset the design values of the
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings as described above, those skilled in the art may vary the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. It can be modified or changed.
100: 로봇의족 110: 정강이부재
130: 의족본체 150: 관절구동부
200: 시뮬레이터본체 210: 프레임
220: 전후이송유닛 230: 동력전달부
240: 이동테이블 250: 스윙유닛
260: 상하이송유닛 310: 하중감지부100: robot prosthesis 110: shin absence
130: prosthetic body 150: joint driving unit
200: simulator body 210: frame
220: forward and backward transfer unit 230: power transmission unit
240: moving table 250: swing unit
260: Shanghai transport unit 310: load detection unit
Claims (13)
상기 시뮬레이터본체에 의해 구현되는 상기 로봇의족의 워킹정보를 감지하는 감지유닛; 및
상기 감지유닛에 의해 감지된 상기 워킹정보가 정상인의 기준워킹정보와 일치되도록 상기 관절구동부 및 상기 시뮬레이터본체를 제어하는 제어유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 시뮬레이션 시스템.A simulator body connecting a shin member, a prosthetic body and the shin member and the prosthetic body and connected to a robotic limb having an articulation drive that transmits torque to the prosthetic body, and a simulator body implementing a walking operation of the robotic limb;
A sensing unit for sensing walking information of the robot prosthesis implemented by the simulator body; And
And a control unit that controls the joint driving unit and the simulator body so that the walking information sensed by the sensing unit matches the reference walking information of a normal person.
상기 감지유닛은,
바닥면에 가해지는 상기 로봇의족의 시간별 하중정보를 감지하는 하중감지부; 및
적어도 상기 로봇의족의 하중이 감지되는 구간에서 상기 로봇의족의 시간별 위치정보를 감지하는 동작감지부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 시뮬레이션 시스템.According to claim 1,
The detection unit,
A load sensing unit for sensing load information for each hour of the robot prosthesis applied to the floor surface; And
And at least a motion detection unit configured to detect location information of the robot prosthesis over time in a section in which the load of the robot prosthesis is sensed.
상기 하중감지부는,
상기 의족본체와 접촉하도록 바닥면에 배치되어, 상기 의족본체로부터 전달되는 하중을 감지하는 로드셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 시뮬레이션 시스템.According to claim 2,
The load sensing unit,
And a load cell disposed on the bottom surface to contact the prosthetic body and sensing a load transmitted from the prosthetic body.
상기 동작감지부는,
워킹 동작 중인 상기 로봇의족의 이미지를 기초로 하여, 상기 로봇의족의 시간별 위치정보를 감지하는 이미지센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 시뮬레이션 시스템.According to claim 2,
The motion detection unit,
Based on the image of the robot prosthesis in the walking operation, the robot foot simulation system comprising a sensor for detecting the location information of the time of the robot prosthesis.
상기 시뮬레이터본체는,
프레임;
상기 프레임에 배치되며, 상기 로봇의족을 전후방향으로 이동시키기 위한 전후이송유닛;
상기 전후이송유닛과 연결되며, 전후방향과 직교하는 좌우방향으로 배치되는 수평축을 중심으로 상기 로봇의족을 회전시키기 위한 스윙유닛; 및
상기 스윙유닛과 연결되며, 상기 로봇의족을 상하방향으로 이동시키기 위한 상하이송유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 시뮬레이션 시스템.According to claim 1,
The simulator body,
frame;
A front-rear transfer unit disposed on the frame and moving the robot prosthesis in the front-rear direction;
A swing unit that is connected to the front-rear transfer unit and rotates the robotic limb about a horizontal axis disposed in a left-right direction orthogonal to the front-rear direction; And
It is connected to the swing unit, the robotic limb simulation system, characterized in that it comprises a; Shanghai transport unit for moving the robot prosthesis in the vertical direction.
상기 시뮬레이터본체는,
상기 프레임에 대해 전후방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 스윙유닛 및 상기 상하이송유닛이 안착되는 이동테이블; 및
상기 전후이송유닛과 상기 이동테이블을 연결하며, 상기 전후이송유닛의 구동력으로부터 상기 이동테이블을 전후방향으로 이동시키기 위한 동력전달부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 시뮬레이션 시스템.The method of claim 5,
The simulator body,
A movable table installed to be movable in the front-rear direction relative to the frame, and on which the swing unit and the shanghai transport unit are seated; And
And a power transmission unit for connecting the front-rear transfer unit and the moving table and moving the moving table in the front-rear direction from the driving force of the front-rear transfer unit.
상기 시뮬레이터본체는,
상기 프레임에 전후방향으로 배치되는 가이드레일; 및
상기 이동테이블에 배치되되, 상기 가이드레일에 결합되어 상기 가이드레일을 따라 전후방향으로 이동 가능한 가이드블록;을 더 포함하며,
상기 동력전달부는,
상기 프레임의 전후방향으로 배치되며, 상기 전후이송유닛의 출력단과 연결되어 연동하여 회전하고, 외주면에는 제1 나사가 형성되는 동력전달샤프트; 및
상기 이동테이블과 결합되며, 내주면에는 상기 제1 나사와 나사 결합되는 제2 나사가 형성된 관통공이 구비되는 동력전달이동블록;을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 시뮬레이션 시스템.The method of claim 6,
The simulator body,
A guide rail disposed in the front-rear direction on the frame; And
It is disposed on the moving table, the guide block is coupled to the guide rail and movable in the front-rear direction along the guide rail; further includes,
The power transmission unit,
A power transmission shaft disposed in the front-rear direction of the frame, connected to an output terminal of the front-rear transfer unit to rotate in cooperation, and having a first screw formed on an outer circumferential surface; And
It is coupled to the movable table, the inner peripheral surface is a simulation system of a robotic prosthesis, characterized in that it comprises; a power transmission moving block is provided with a through-hole formed with a second screw screwed to the first screw.
상기 상하이송유닛은,
일단이 상기 스윙유닛과 연결되고 타단이 상기 정강이부재와 결합되어, 상기 로봇의족을 바닥면에 근접시키거나 이격시키는 상하구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 시뮬레이션 시스템.The method of claim 5,
The Shanghai Song Unit,
One end is connected to the swing unit and the other end is coupled to the shank member, the robot prosthesis simulation system, characterized in that it comprises; up and down driving unit to move the prosthesis to the floor or spaced apart.
상기 스윙유닛은,
상기 상하구동부의 상단부와 결합된 상태에서 상기 이동테이블 상에 회전 가능하게 지지되는 수평축; 및
상기 수평축을 회전시키는 스윙구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 시뮬레이션 시스템.The method of claim 8,
The swing unit,
A horizontal axis rotatably supported on the moving table in a state of being coupled with the upper end of the upper and lower driving parts; And
A robotic prosthesis simulation system comprising a; swing drive unit for rotating the horizontal axis.
상기 제어유닛은,
상기 로봇의족이 바닥면에 접촉 시 정상인의 체중에 상응하는 하중이 바닥면에 전달될 수 있도록, 상기 상하이송유닛을 제어하여 바닥면에 대한 상기 로봇의족의 부가 압력을 구현하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 시뮬레이션 시스템.The method of claim 5,
The control unit,
A robot characterized by implementing the additional pressure of the robot prosthesis against the floor by controlling the shanghai transport unit so that the load corresponding to the weight of a normal person can be transmitted to the floor when the robot prosthetic contacts the floor. A prosthetic simulation system.
제1항에 기재된 로봇의족 시뮬레이션 시스템을 이용하여, 상기 로봇의족의 워킹 동작을 구현하는 시뮬레이션단계;
워킹 동작 중인 상기 로봇의족의 워킹정보를 감지하는 감지단계; 및
상기 워킹정보와 상기 기준워킹정보가 일치되도록 상기 로봇의족 및 상기 시뮬레이터본체를 제어하는 제어단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 시뮬레이션 시스템의 제어방법.A generating step of generating reference walking information for a normal person's walking action;
Using the robot prosthesis simulation system according to claim 1, a simulation step of implementing the walking motion of the robot prosthesis;
A sensing step of sensing walking information of the robot prosthesis in the walking operation; And
And a control step of controlling the robot prosthesis and the simulator body so that the walking information and the reference walking information are matched.
상기 감지단계는,
바닥면에 가해지는 상기 로봇의족의 시간별 하중정보를 감지하는 하중감지단계; 및
적어도 상기 로봇의족의 하중이 감지되는 구간에서 상기 로봇의족의 시간별 위치정보를 감지하는 동작감지단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 시뮬레이션 시스템의 제어방법.The method of claim 11,
The detecting step,
A load sensing step of sensing load information for each hour of the robot prosthesis applied to the bottom surface; And
And at least a motion detection step of sensing positional information of the robot prosthesis over time in a section in which the load of the robot prosthesis is sensed.
상기 제어단계에서 상기 워킹정보와 상기 기준 워킹정보가 일치하는 경우, 상기 로봇의족의 워킹 동작을 반복시킨 다음, 해당 로봇의족의 정상여부를 결정하는 검사단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의족의 시뮬레이션 시스템의 제어방법.The method of claim 11,
If the working information and the reference walking information in the control step is the same, repeating the walking operation of the robot prosthesis, and then inspecting the robot to determine whether or not the robot prosthesis is normal. The control method of the simulation system.
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