KR20210019800A - 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법 - Google Patents

보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법 Download PDF

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KR20210019800A
KR20210019800A KR1020190098879A KR20190098879A KR20210019800A KR 20210019800 A KR20210019800 A KR 20210019800A KR 1020190098879 A KR1020190098879 A KR 1020190098879A KR 20190098879 A KR20190098879 A KR 20190098879A KR 20210019800 A KR20210019800 A KR 20210019800A
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Abstract

본 발명은 보행속도에 따라 저속보행시와 고속보행시의 제어를 이원화하여 자연스러운 보행을 하면서 고속보행시에도 역부하를 방지할 수 있는 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법은, 착용자가 착용한 착용로봇의 보행속도를 추정하는 보행속도 추정단계(S110)와, 상기 착용로봇(1)의 보행속도를 미리 정해진 제어임계값(δ)과 비교하는 보행속도 판단단계(S120)와, 상기 보행속도가 상기 제어임계값(δ) 보다 작아서 상기 착용로봇이 저속보행하는 것으로 판단되면, 상기 착용로봇(1)에 장착된 센서의 정보를 기반으로 역동역학 방법으로 착용자와 로봇사이의 상호 작용하는 힘을 최소화하여 제어하는 능동 제어단계(S130)와, 상기 보행속도가 상기 제어임계값(δ)보다 커서 상기 착용로봇이 고속보행하는 것으로 판단되면, 인체운동 데이터를 이용하여 추출된 스프링 강성과 댐핑계수를 이용하여 상기 착용로봇(1)을 제어하는 준능동 제어단계(S140)을 포함한다.

Description

보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ACTIVE OR SEMI-ACTIVE CONTROLLING OF WEARABLE ROBOT BASED ON WALKING SPEED}
본 발명은 착용자의 운동능력을 보조하는 착용로봇의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보행속도에 따라 저속보행시와 고속보행시의 제어를 이원화하여 자연스러운 보행을 하면서 고속보행시에도 역부하를 방지할 수 있는 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법에 관한 것이다.
착용 로봇은 착용자가 착용한 상태에서 고하중의 임무 부하가 가해지면, 착용자의 움직임에 따라 상기 착용로봇을 연동제어하여, 상기 착용로봇에 장착된 고출력 액츄에이터를 구동하여 상기 착용로봇을 구동시켜, 상기 착용자의 근력을 증강하거나 움직음을 보조함으로써 기동 능력을 향상시키고, 고중량물을 이동시키는 것과 같은 임무를 수행할 수 있는 로봇을 의미한다.
이러한 착용로봇은 군사용 또는 재난 대응용으로 사용될 수 있는데, 이때에는 다양한 임무수행을 위하여, 고하중물을 장착한 상태에서 고속기동 능력이 필요하다.
종래기술에 따른 착용로봇은 주로, 노약자의 거동을 지원하거나, 산업현장에서 작업자의 작업을 보조하기 위한 것으로서, 기존의 착용로봇은 재활, 노약자 및 산업노동자 지원용으로 개발되어 주로 착용자 운동의도 기반의 저속보행 제어방법이 개발되었고 고속보행에 대한 제어는 고려되지 않았다.
하지만, 저속보행 제어방법을 고속 보행에 적용하면, 짧은 시간에 착용자의 운동의도를 인식한 다음, 상기 착용로봇을 로봇을 제어해야 되기 때문에 상기 착용자의 운동의도를 감지하는데 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라, 상기 액츄에이터의 구동이 지연되어 역부하로 고속보행이 어려운 문제점이 있다.
한편, 하기의 선행기술문헌에는 '보행보조로봇 및 제어 방법'에 관한 기술이 개시되어 있다.
KR　10-2013-0029620 A
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 보행속도에 따라 저속보행시에는 운동의도 기반의 능동제어를 수행하고, 고속보행시에는 스프링-댐핑 형태의 준능동제어를 수행할 수 있는 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법은, 컴퓨터가 착용자에 의해 착용된 착용로봇의 보행속도를 추정하는 보행속도 추정과정과, 상기 컴퓨터가 상기 착용로봇의 보행속도를 미리 정해진 제어임계값과 비교하여 보행속도를 판단하는 보행속도 판단과정과, 보행속도의 판단 결과에 따라, 착용자와 상기 착용 로봇사이의 상호 작용하는 힘을 제어하는 능동 제어 또는 상기 착용 로봇을 제어하는 준능동 제어로 이원화하는 제어 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제어 과정 중 능동 제어 과정은, 상기 보행속도가 상기 제어임계값 보다 작아서 상기 착용로봇이 저속보행하는 것으로 판단되면, 상기 컴퓨터는 상기 착용로봇에 장착된 센서의 정보를 기반으로 역동역학에 의해 상기 착용자와 착용로봇사이의 상호 작용하는 힘을 미리 설정되는 값으로 최소화하여 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어 과정 중 준능동 제어과정은, 상기 보행속도가 상기 제어임계값보다 커서 상기 착용로봇이 고속보행하는 것으로 판단되면, 상기 컴퓨터는 미리 획득된 인체운동 데이터를 이용하여 추출된 스프링 강성과 댐핑계수를 이용하여 상기 착용로봇을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 보행속도 추정과정에서는, 상기 착용로봇의 백팩부에 설치된 가속도센서의 가속도를 적분하여 상기 착용로봇의 보행속도를 추정하는 것을 특징으로 한다.
상기 보행속도 추정과정에서는, 상기 착용로봇의 발바닥링크부로부터 백팩부까지 서로 인접한 링크부의 2개 링크부의 상대속도를 측정하여, 상기 백팩부의 속도를 측정하고, 이를 상기 착용로봇의 보행속도로 추정하는 것을 특징으로 한다.
상기 능동 제어과정은, 상기 착용로봇의 발바닥링크부에 설치된 보행판별센서로부터 입력되는 값에 따라 착용로봇의 보행단계를 판단하는 보행단계 판별과정과, 판별된 보행단계에 따라 역동역학 관계로부터 착용자의 운동의도를 인식하는 운동의도 인식과정과, 상기 착용자와 상기 착용로봇 간의 상호 작용력이 최소가 되도록 보행제어 명령을 생성하는 보행제어 명령 생성과정과, 상기 보행제어 명령에 중력보상을 위한 토크를 적용하여 상기 착용로봇의 각 액츄에이터로 구동명령값을 전달하는 구동 제어과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 보행단계 판별과정은, 상기 착용로봇의 발바닥지지부에 발뒤꿈치, 발끝 바깥쪽, 발끝 안쪽, 엄지발가락에 각각 설치된 4개의 보행판별센서가 각각 지면과 접촉 여부에 따라 초기 입각기(Initial Contact), 입각기(Stance), 사전 유각기(Pre-Swing) 및 유각기(Swing) 중 어느 하나로 보행단계를 판별하고, 상기 초기 입각기(Initial Contact 또는 상기 입각기(Stance)로 보행단계가 판별되면, 상기 능동 제어단계이 수행되고, 상기 사전 유각기(Pre-Swing) 또는 상기 유각기(Swing)로 보행단계가 판별되면, 상기 착용로봇을 착용하고 있는 착용자의 움직이는 힘에 의해 상기 착용로봇이 작동하는 수동 제어과정이 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 보행단계 판별과정은, 발뒤꿈치에 설치된 보행판별센서가 지면의 접촉으로 ON되면, 상기 초기 입각기로 판별하고, 발뒤꿈치, 발끝 바깥쪽, 발끝 안쪽 및 엄지발가락에 설치된 보행판별센서가 지면의 접촉으로 ON되면, 상기 입각기로 판별하며, 발끝 바깥쪽, 발끝 안쪽 및 엄지발가락에 설치된 보행판별센서가 지면의 접촉으로 ON되면, 상기 사전 유각기로 판별하고, 발끝 안쪽에 설치된 보행판별센서가 지면의 접촉으로 ON되면,상기 유각기로 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 운동의도 인식과정은, 좌측 발과 우측 발의 보행단계를 각각 판별하고, 좌우 양발이 모두 입각기이면, 하기의 식이 적용되고,
Figure pat00001
좌우 양발이 유각기인 경우 하기의 식이 적용되는 것
Figure pat00002
을 특징으로 한다.
(단, V: 바디 트위스트(body twist), q : 조인트 각(joint angle), W : 바디 렌치(body wrench), L : 토크 영향 매트릭스(torque influence matrix), M : 관성 (inertia), C: 바이어스 매트릭스(bias matrix), F : 중력(gravitational force), ㆍ: 속도)
상기 보행제어 명령 생성과정은, 상기 착용로봇에 설치된 각 액츄에이터에 설치된 힘센서로 측정한 상기 액츄에이터의 토크와 역동역학 토크를 이용하여, 상호 작용력을 추정하는 것을 특징으로 한다.
상기 준능동 제어과정에서는 하기의 식으로 상기 착용로봇의 관절을 제어하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00003
(단, k: 스프링 강성, b :댐핑값, i : joint, mode: 보행단계)
상기 능동 제어과정과 상기 준능동 제어과정의 전환시에는 갑작스런 파라미터의 변화에 따른 시스템 불안정성을 감소시키기 위해 가중치 함수를 적용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법에 따르면, 착용로봇의 보행속에 따라 제어방법을 이원화함으로써, 저속보행과 고속보행시 자연스러운 보행이 가능하고, 보행안정성을 확보할 수 있다.
또한, 고속보행시 액츄에이터의 구동이 지연되어 발생하는 역부하를 방지함으로써, 역부하에 의한 인체의 근골격의 피해를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법이 적용되는 착용로봇의 개략도.
도 2는 도 1의 착용로봇에서 발바닥링크부의 분해사시도.
도 3은 본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법에서 착용로봇의 보행속도별 기동상태를 도시한 개략도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법에 적용되는 속도센싱방식으서, 도 10a는 가속도계 기반 속도 센싱방식을 도시한 개략도이고, 도 10b는 기구학기반 속도 센싱방식을 도시한 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법을 도시한 제어개략도.
도 6은 본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법을 도시한 블록도.
도 7은 본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법에 적용되는 보행단계 판별방법을 도시한 개략도.
도 8은 본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법에서 착용자의 운동의도 추정에 적용되는 역동역학 관계식을 도시한 개념도.
도 9는 본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법에서 운동의도 기반제어방법을 도시한 제어개략도.
도 10은 본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법에서 준능동 제어상태를 도시한 개략도.
도 11은 본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법에서 준능동 제어상태에서 제어파라미터의 추출과정을 도시한 그래프.
도 12는 본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법에서 능동-준능동전환가중치 함수의 예를 도시한 그래프.
도 13은 본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법을 도시한 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법을 수행하기 위한 착용로봇(1)이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 착용로봇(1)은 백팩부(10), 골반링크부, 대퇴링크부, 슬관절부(40), 하퇴링크부(50), 족관절부(60)과 발바닥링크부(70)을 포함한다.
백팩부(10)은 착용자가 매는 형태로 착용하고, 상기 백팩부(10)의 내부에는 상기 착용로봇(1)의 작동을 제어하는 제어부(11), 상기 착용로봇(1)의 자세를 감지하는 자세센서(12), 상기 착용로봇(1)의 작동에 필요한 전원을 공급하는 배터리(13) 및 상기 착용로봇(1)의 각 액츄에이터의 작동에 소요되는 유압을 공급하는 유압공급부(14)를 포함한다.
골반링크부는 상기 백팩부(10)에 연결되고 상기 착용자의 골반을 지지하기 위한 것으로서, 대퇴링크부와 링크연결되는 고관절(21)과, 상기 고관절(21)의 각도를 조절하는 고관절 액츄에이터(23), 상기 고관절(21)의 회전각도를 측정하는 고관절 각센서(22), 상기 고관절 액츄에이터(23)에 의해 작용하는 작용력을 측정하는 고관절 액츄에이터 힘센서(24)를 포함한다.
대퇴링크부는 상기 골반링크부에 연결되어 상기 착용자의 대퇴를 지지한다. 상기 대퇴링크부는 상기 착용자의 대퇴와 고정되도록 상기 착용자의 대퇴를 파지하는 대퇴파지부와, 상기 대퇴의 운동시 길이조절되어 상기 대퇴의 근력을 보조하는 대퇴길이조절링크(32)와, 상기 대퇴길이조절링크(32)의 길이가 조절되도록 작동하는 슬관절 액츄에이터(33)와, 상기 슬관절 액츄에이터(33)의 작동시 상기 슬관절에 작용하는 작용력을 측정하는 슬관절 액츄에이터 센서(34)와, 착용자의 대퇴로부터 상기 대퇴길이조절링크(32)로 가해지는 힘을 측정하는 대퇴 HRI(Human-Robot Interaction) 센서(35)를 포함한다. 상기 HRI센서는 상기 착용자의 신체부위와 상기 착용로봇(1)이 서로 연결되는 부위에 설치되어, 상기 착용자의 각 착용부위로부터 상기 착용로봇(1)에 가해지는 힘을 측정함으로써 상기 착용자의 운동의지를 파악할 수 있도록 한다.
슬관절부(40)은 상기 대퇴링크부와 하퇴링크부(50)이 연결되는 부위가 되고, 상기 대퇴링크부와 하퇴링크부(50)의 굽힘각도를 측정하는 슬관절 각센서(41)을 포함한다.
하퇴링크부(50)은 상기 착용자의 하퇴를 지지하기 위한 것으로서, 상기 착용자의 하퇴를 파지하는 하퇴파지부와, 상기 하퇴의 운동시 길이조절되어 상기 하퇴의 근력을 보조하는 하퇴길이조절링크와, 상기 착용자의 하퇴로부터 상기 하퇴길이조절링크로 작용하는 힘을 측정하는 하퇴HRI센서를 포함한다.
족관절부(60)은 상기 하퇴링크부(50)의 하단에서 상기 하퇴링크부(50)과 발바닥링크부(70)을 연결시키는 역할을 한다. 상기 족관절부(60)에는 상기 족관절부(60)의 각도를 측정하는 족관절 각센서(61)이 설치된다.
발바닥링크부(70)은 상기 하퇴링크부(50)의 하단에 링크연결되고, 상기 착용자의 족(足)부를 지지한다.
상기 발바닥링크부(70)은 도 2에 그 구성에 더욱 상세하게 도시되어 있는데, 착용자의 족부가 위치하여 그 하중을 지지하는 발바닥지지부(71)와,
상기 발바닥지지부(71)에 설치되어 보행단계를 판단하기 위해 상기 착용자의 발바닥에 가해지는 압력을 감지하는 복수의 보행판별센서(72a)(72b)(72c)(72d)를 포함한다.
상기 골반링크부, 상기 대퇴링크부, 상기 슬관절부(40), 상기 하퇴링크부(50), 상기 족관절부(60)과 상기 발바닥링크부(70)은 상기 백팩부(10)의 좌우측에 각각 대칭되게 설치된다.
본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법은 앞서 설명한 착용로봇(1)을 이용하여 수행한다.
본 발명에 따른 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법은, 도 6 및 도 13에 도시된 바와 같이, 착용자가 착용한 착용로봇의 보행속도를 추정하는 보행속도 추정과정(S110)과, 상기 착용로봇(1)의 보행속도를 미리 정해진 제어임계값(δ)과 비교하는 보행속도 판단과정(S120)과, 상기 보행속도가 상기 제어임계값(δ) 보다 작아서 상기 착용로봇이 저속보행하는 것으로 판단되면, 상기 착용로봇(1)에 장착된 센서의 정보를 기반으로 역동역학 방법으로 착용자와 로봇사이의 상호 작용하는 힘을 최소화하여 제어하는 능동 제어과정(S130)과, 상기 보행속도가 상기 제어임계값(δ)보다 커서 상기 착용로봇이 고속보행하는 것으로 판단되면, 인체운동 데이터를 이용하여 추출된 스프링 강성과 댐핑계수를 이용하여 상기 착용로봇(1)을 제어하는 준능동 제어과정(S140)을 포함한다.
보행속도 추정과정(S110)은 착용자가 착용한 착용로봇의 보행속도를 추정한다. 도 4a 및 도 4b에는 본 발명에서 이용하고 있는 보행속도 추정방법에 대하여 도시되어 있다.
도 4a에는 상기 백팩부(10)에 장착된 가속도계를 적분하여 보행속도를 추정하는 방식에 대하여 도시되어 있다. 즉, 착용자가 상기 착용로봇(1)을 착용하여 보행중일 때, 상기 백팩부(10)의 가속도계로 측정한 상기 착용로봇(1)을 착용한 착용자의 가속도를 측정하고, 이를 적분함으로써, 상기 착용로봇(1)을 착용한 착용자의 보행속도를 추정할 수 있다.
예컨대, 초기속도(vo)로 보행중인 상기 착용로봇(1)을 착용한 착용자가 가속도 a로 보행중이면, 그 보행속도는,
Figure pat00004
로 나타낼 수 있다.
한편, 도 4b에는 지면에 닿고 있는 발을 기준으로 하여 각 관절부위에 설치된 각도센서를 이용하여 기구학 해석을 통하여 상기 백팩부(10)의 속도를 추정하는 방식이 도시되어 있다.
이를 수식으로 표현하면,
Figure pat00005
와 같다. 상기 발바닥링크부(70)로부터 I번째 위치한 링크부의 속도(
Figure pat00006
)는 그 이전 링크부의 속도에 두 링크부 사이의 각속도(
Figure pat00007
)와 그 이전 링크부의 길이의 곱을 통하여 구할 수 있고, 이를 발바닥링크부(70)에 대하여 상기 하퇴링크부(50)의 속도를 구하고, 상기 하퇴링크부(50)에 대하여 상기 대퇴링크부의 속도를 구하며, 상기 대퇴링크부에 대하여 상기 백팩부(10)의 속도를 구함으로써, 상기 백팩부(10)의 속도, 즉 상기 착용로봇(1)을 착용한 착용자의 보행속도를 계산하여 구할 수 있다.
보행속도 판단과정(S120)은 착용로봇(1)의 보행속도를 미리 정해진 제어임계값(δ)과 비교한다. 상기 착용로봇(1)의 보행속도와 상기 제어임계값(δ)의 비교결과에 따라, 능동 제어과정(S130)과 준능동 제어과정(S140) 중 어느 하나가 수행된다.
도 5에는 보행속도에 따라 능동 제어과정(S130)과 준능동 제어과정(S140)을 수행하는 것에 대한 블록도가 도시되어 있다. 상기 보행속도 판단과정(S120)에서 구한 보행속도(v)를 능동보행제어와 준능동보행제어를 구분하는 제어임계값(δ)와 비교하여, 상기 보행속도가 상기 제어임계값(δ) 이상이면(v≥δ) 준능동 제어과정(S140)을 수행하고, 상기 제어임계값(δ) 미만이면 능동 제어과정(S130)을 수행한다.
한편, 능동 제어과정(S130)은, 상기 착용로봇(1)의 보행속도가 상기 제어임계값(δ) 보다 작아서 상기 착용로봇이 저속보행하는 것으로 판단되면, 상기 착용로봇(1)에 장착된 센서의 정보를 기반으로 역동역학 방법으로 착용자와 로봇사이의 상호 작용하는 힘을 최소화하여 제어한다.
상기 능동 제어과정(S130)은, 상기 착용로봇(1)의 발바닥링크부(70)에 설치된 보행판별센서(72a)(72b)(72c)(72d)로부터 입력되는 값에 따라 착용로봇(1)의 보행단계를 판단하는 보행단계 판별과정(S131)과, 판별된 보행단계에 따라 역동역학 관계로부터 착용자의 운동의도를 인식하는 운동의도 인식과정(S132)과, 상기 착용자와 상기 착용로봇(1) 간의 상호 작용력이 최소가 되도록 보행제어 명령을 생성하는 보행제어 명령 생성과정(S133)과, 상기 보행제어 명령에 중력보상을 토크를 적용하여 상기 착용로봇의 각 액츄에이터로 구동명령값을 전달하는 구동 제어과정(S134)을 포함한다.
도 6에는 저속 보행시 적용되는 능동제어를 수행하기 위한 블록도가 도시되어 있다. 상기 착용로봇(1)의 발바닥링크부(70)에 설치된 보행판별센서(72a)(72b)(72c)(72d)로 보행단계를 판별하고(S131), 상기 보행단계에 적합한 역동역학 관계식을 적용하여 착용자의 운동의도를 인식하여(S132), 상기 착용자와 상기 착용로봇(1) 간의 상호 작용력이 최소가 되도록 보행제어 명령을 생성한다(S133). 또한, 중력보상 토크를 포함하여, 최종 구동기(착용로봇의 각 액츄에이터)의 구동명령값으로 전달한다(S134).
도 7에는 보행단계를 판별하는 과정에 대하여 도시되어 있다.
상기 착용로봇(1)의 발바닥링크부(70)에 설치된 4개의 보행판별센서(72a)(72b)(72c)(72d)를 이용하여, 착용로봇(1)의 보행단계를 판별할 수 있다(S131). 상기 착용로봇(1)의 발바닥링크부(70)에는 4개의 보행판별센서(72a)(72b)(72c)(72d)가 서로 이격되게 설치되는데, 도 7에는 발뒤꿈치(72a), 발끝 바깥쪽(72b), 발끝 안쪽(72c) 및 엄지발가락(72d)에 각각 보행판별센서(72a)(72b)(72c)(72d)가 설치된 예가 도시되어 있다. 사전에 보행단계별로 상기 4개의 보행판별센서(72a)(72b)(72c)(72d)의 출력값을 수집하고, 상기 보행판별센서(72a)(72b)(72c)(72d)의 온(ON)/오프(OFF)를 판단하는 임계값(δ)을 설정하고, 상기 보행판별센서(72a)(72b)(72c)(72d)에서 측정한 값(x)가 상기 임계값(δ)을 초과하는지를 하기식과 같이 검출한다. 상기 4개의 보행판별센서(72a)(72b)(72c)(72d)의 초과여부의 조합에 따라 보행단계를 판별한다.
Figure pat00008
따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 4개의 보행판별센서(72a)(72b)(72c)(72d)의 검출 결과의 조합을 통하여 보행의 4단계, 즉 초기 입각기(Initial Contact), 입각기(Stance), 사전 유각기(Pre-Swing) 및 유각기(Swing)로 보행단계를 구분할 수 있고, 보행단계를 판단하기 위한 조합은 다음의 표와 같다.
발뒤꿈치
(72a)		 발끝 바깥쪽
(72b)		 발끝 안쪽
(72c)		 엄지발가락
(72d)
초기입각기(Initial Contact : IC) ON OFF OFF OFF
입각기(Stance : ST) ON ON ON ON
사전 유각기(Pre-swing : PS) OFF ON ON ON
유각기(Swing : SW) OFF OFF ON OFF
여기서, 상기 초기 입각기(Initial Contact) 또는 상기 입각기(Stance)로 보행단계가 판별되면, 상기 능동 제어과정(S130)이 수행되고, 상기 사전 유각기(Pre-Swing) 또는 상기 유각기(Swing)로 보행단계가 판별되면, 상기 착용로봇(1)을 착용하고 있는 착용자의 움직이는 힘에 의해 상기 착용로봇이 작동하는 수동 제어과정이 수행된다.
운동의도 인식과정(S132)은, 판별된 보행단계에 따라 역동역학 관계로부터 착용자의 운동의도를 인식한다.
도 8에는 착용자의 운동의도를 인식하기 위해, 역동역학을 기반으로 한 역동역학 토크 계산 방법에 대한 블록도가 도시되어 있다. 좌측 발과 우측 발에 각각 장착된 상기 발바닥링크부(70)의 보행단계에 따라, 좌우 양발의 보행단계를 각각 판별하고, 이를 이용하여 각 보행단계에 적합한 역동역학식 관계식을 적용한다.
좌우 양발이 입각기인 경우, 적용되는 역동역학적 관계식은 다음과 같다.
Figure pat00009
(단, V: 바디 트위스트(body twist), q : 조인트 각(joint angle), w : 바디 렌치(body wrench), L : 토크 영향 매트릭스(torque influence matrix), M : 관성 (inertia), C: 바이어스 매트릭스(bias matrix), F : 중력(gravitational force), ㆍ: 속도, ‥: 가속도)
한편, 좌우 양발의 보행단계가 유각기라면, 하기의 역동역학적 관계식을 이용한다.
Figure pat00010
(단, V: body twist, q : joint angle, W : body wrench, L : torque influence matrix, M : inertia, C: bias matrix, F : gravitational force)
도 9은 역동역학에 기반하여 착용자의 운동의도를 인식하는 과정에 대한 블록도이다. 각 액츄에이터에 설치된 힘센서로 측정한 상기 액츄에이터의 토크와 역동역학 토크를 이용하여, 상호 작용력을 추정한다.
준능동 제어과정(S140)은, 상기 보행속도가 상기 제어임계값(δ)보다 커서 상기 착용로봇이 고속보행하는 것으로 판단되면, 인체운동 데이터를 이용하여 추출된 스프링 강성과 댐핑계수를 이용하여 상기 착용로봇(1)을 제어한다.
도 10에는 준능동 제어상태에 대하여 도시되어 있다. 준능동 제어에 필요한 스프링 강성(
Figure pat00011
) 및 댐핑값(
Figure pat00012
)은 도 11과 같은 인체운동 데이터를 기반으로 추출하여 사용할 수 있고, 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure pat00013
(단, i=조인트(joint), mode: 보행단계)
한편, 상기 착용로봇(1)이 주행중이면, 상기 착용로봇(1)의 보행속도를 지속적으로 판단하고, 상기 제어임계값(δ)을 넘거나 초과하는 경우, 상기 착용로봇(1)에 대한 제어를 전환하는데(S150), 이때 하기와 같은 가중치 함수를 적용하여(도 12 참조), 갑작스런 파라미터의 변화에 따른 시스템 불안정성을 최소화하도록 한다.
한편, 제어 전환과정(S150)에서는,
Figure pat00014
와 같이, 가중치 함수(W(t))를 적용할 수 있다.
여기서, 도 상기 가중치 합수(W(t))는,
Figure pat00015
로 정의할 수 있다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 과정들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
1 : 착용로봇 10 : 백팩부
11 : 제어부 12 : 자세센서
13 : 배터리 14 : 유압공급부
21 : 고관절 22 : 고관절 각센서
23 : 고관절 액츄에이터 24 : 고관절 액츄에이터 힘센서
32 : 대퇴길이조절링크 33 : 슬관절 액츄에이터
34 : 슬관절 액츄에이터 센서 35 : 대퇴 HRI센서
40 : 슬관절부 41 : 슬관절 각센서
50 : 하퇴링크부 60 : 족관절부
61 : 족관절 각센서 70 : 발바닥링크부
71 : 발바닥지지부 72a, 72b, 72c,72c : 보행판별센서
S110 : 보행속도 추정단계 S120 : 보행속도 판단단계
S130 : 능동 제어단계 S131 : 보행단계 판별단계
S132 : 운동의도 인식단계 S133 : 보행제어 명령 생성단계
S134 : 구동 제어단계 S140 : 준능동 제어단계
S150 : 제어 전환단계

Claims (12)

  1. 컴퓨터가 착용자에 의해 착용된 착용로봇(1)의 보행속도를 추정하는 보행속도 추정과정(S110)과,
    상기 컴퓨터가 상기 착용로봇(1)의 보행속도를 미리 정해진 제어임계값(δ)과 비교하여 보행속도를 판단하는 보행속도 판단과정(S120)과,
    보행속도의 판단 결과에 따라, 착용자와 상기 착용 로봇(1)사이의 상호 작용하는 힘을 제어하는 능동 제어 또는 상기 착용 로봇(1)을 제어하는 준능동 제어로 이원화하는 제어 과정(S120,S130)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 과정(S120,S130) 중 능동 제어 과정(S120)은, 상기 보행속도가 상기 제어임계값(δ) 보다 작아서 상기 착용로봇이 저속보행하는 것으로 판단되면, 상기 컴퓨터는 상기 착용로봇(1)에 장착된 센서의 정보를 기반으로 역동역학에 의해 상기 착용자와 착용로봇사이의 상호 작용하는 힘을 미리 설정되는 값으로 최소화하여 제어하는 것을 특징으로 하는 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 과정(S120,S130) 중 준능동 제어과정(S140)은, 상기 보행속도가 상기 제어임계값(δ)보다 커서 상기 착용로봇이 고속보행하는 것으로 판단되면, 상기 컴퓨터는 미리 획득된 인체운동 데이터를 이용하여 추출된 스프링 강성과 댐핑계수를 이용하여 상기 착용로봇(1)을 제어하는 것을 특징으로 하는 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보행속도 추정과정(S110)에서는,
    상기 착용로봇(1)의 백팩부(10)에 설치된 가속도센서의 가속도를 적분하여 상기 착용로봇(1)의 보행속도를 추정하는 것을 특징으로 하는 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보행속도 추정과정(S110)에서는,
    상기 착용로봇(1)의 발바닥링크부(70)로부터 백팩부(10)까지 서로 인접한 2개 링크부의 상대속도를 측정하여, 상기 백팩부(10)의 속도를 측정하고, 상기 백팩부(10)의 속도를 상기 착용로봇(1)의 보행속도로 추정하는 것을 특징으로 하는 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 능동 제어과정(S130)은,
    상기 착용로봇(1)의 발바닥링크부(70)에 설치된 보행판별센서(72a)(72b)(72c)(72d)로부터 입력되는 값에 따라 착용로봇(1)의 보행단계를 판단하는 보행단계 판별과정(S131)과,
    판별된 보행단계에 따라 역동역학 관계로부터 착용자의 운동의도를 인식하는 운동의도 인식과정(S132)과,
    상기 착용자와 상기 착용로봇(1) 간의 상호 작용력이 최소가 되도록 보행제어 명령을 생성하는 보행제어 명령 생성과정(S133)과,
    상기 보행제어 명령에 중력보상을 위한 토크를 적용하여 상기 착용로봇의 각 액츄에이터로 구동명령값을 전달하는 구동 제어과정(S134)을 포함하는 것을 특징으로 하는 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 보행단계 판별과정(S131)은,
    상기 착용로봇(1)의 발바닥지지부(71)에 발뒤꿈치, 발끝 바깥쪽, 발끝 안쪽, 엄지발가락에 각각 설치된 4개의 보행판별센서(72a)(72b)(72c)(72d)가 각각 지면과 접촉 여부에 따라 초기 입각기(Initial Contact), 입각기(Stance), 사전 유각기(Pre-Swing) 및 유각기(Swing) 중 어느 하나로 보행단계를 판별하고,
    상기 초기 입각기(Initial Contact) 또는 상기 입각기(Stance)로 보행단계가 판별되면, 상기 능동 제어과정(S130)이 수행되고,
    상기 사전 유각기(Pre-Swing) 또는 상기 유각기(Swing)로 보행단계가 판별되면, 상기 착용로봇(1)을 착용하고 있는 착용자의 움직이는 힘에 의해 상기 착용로봇이 작동하는 수동 제어과정이 수행되는 것을 특징으로 하는 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보행단계 판별과정(S131)은,
    발뒤꿈치에 설치된 보행판별센서(72a)가 지면의 접촉으로 온(ON)되면, 상기 초기 입각기로 판별하고,
    발뒤꿈치, 발끝 바깥쪽, 발끝 안쪽 및 엄지발가락에 설치된 보행판별센서(72a)(72b)(72c)(72d)가 지면의 접촉으로 ON되면, 상기 입각기로 판별하며,
    발끝 바깥쪽, 발끝 안쪽 및 엄지발가락에 설치된 보행판별센서(72b)(72c)(72d)가 지면의 접촉으로 ON되면, 상기 사전 유각기(Pre-Swing)로 판별하고,
    발끝 안쪽에 설치된 보행판별센서(72c)가 지면의 접촉으로 ON되면, 상기 유각기(Swing)로 판단하는 것을 특징으로 하는 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 운동의도 인식과정(S132)은,
    좌측 발과 우측 발의 보행단계를 각각 판별하고,
    좌우 양발이 모두 입각기(Stance)이면, 다음 수학식
    Figure pat00016
    (단, V: 바디 트위스트(body twist), q : 조인트 각(joint angle), W : 바디 렌치(body wrench), L : 토크 영향 매트릭스(torque influence matrix), M : 관성 (inertia), C: 바이어스 매트릭스(bias matrix), F : 중력(gravitational force), ㆍ: 속도, ‥: 가속도)이 적용되고,
    좌우 양발이 모두 유각기(Swing)인 경우 다음 수학식
    Figure pat00017
    이 적용되는 것을 특징으로 하는 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 보행제어 명령 생성과정(S133)은,
    상기 착용로봇(1)에 설치된 각 액츄에이터에 설치된 힘센서로 측정한 상기 액츄에이터의 토크와 역동역학 토크를 이용하여, 상호 작용력을 추정하는 것을 특징으로 하는 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 준능동 제어과정(S140)에서는
    다음 수학식
    Figure pat00018

    (단, k: 스프링 강성, b :댐핑값, i : 조인트(joint), mode: 보행단계)으로 상기 착용로봇(1)의 관절을 제어하는 것을 특징으로 하는 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 능동 제어과정(S130)과 상기 준능동 제어과정(S140)의 전환시(S150)에는 갑작스런 파라미터의 변화에 따른 시스템 불안정성을 감소시키기 위해 가중치 함수를 적용하는 것을 특징으로 하는 보행속도기반 착용로봇의 능동-준능동 제어 방법.
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