KR20220139908A - 외골격의 궤적 생성 및 외골격을 모션으로 설정하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각각 발을 갖는 2 개의 다리가 제공된 외골격(1)의 궤적 생성 방법에 관한 것이며, 상기 방법은:
서버(10a)의 데이터 처리 수단(11a)에 의해서 구현되는:
(a) 외골격(1)의 주어진 보행을 정의하는 적어도 하나의 n-튜플의 보행 매개변수를 획득하는 단계; 및
(b) 주기적인 기본 궤적이 순서대로 제 1 궤적 부분 및 제 2 궤적 부분을 포함하여, 제 1 궤적 부분에서 각각의 발이 순수한 회전을 수행하고 제 2 궤적 부분에서 단자 하나의 발만이 전이를 수행하도록, 상기 n-튜플의 보행 매개변수에 대해 외골격(1)의 적어도 하나의 주기적인 기본 궤적을 생성하는 단계를 포함한다.

Description

외골격의 궤적 생성 및 외골격을 모션으로 설정하는 방법

본 발명은 외골격(exoskeleton) 유형의 로봇 분야에 관한 것이다.

더 정확하게는 외골격의 궤적 생성 방법 및 외골격을 모션(motion)으로 설정하는 방법에 관한 것이다.

최근에, 하반신 마비와 같은 상당한 이동성 장애가 있는 사람들을 위해서, 외골격이라고 불리는 보행 보조 장치가 등장했으며, 이는 외골격의 움직임을 조작자 자신의 움직임과 연결하는 패스너(fastener) 시스템 덕분에 조작자(인간 사용자)가 "착용(puts on)"하는 외부 로봇 장치이다. 하지의 외골격은 보행 움직임을 재현하기 위해서, 일반적으로 적어도 무릎과 엉덩이에 여러 개의 관절을 가진다. 액츄에이터(actuator)는 이들 관절의 움직임을 가능하게 하며, 이는 차례로 조작자를 움직이게 한다. 인터페이스 시스템(interface system)은 조작자가 외골격에 명령을 내리게 하며 명령 시스템은 이들 명령을 액츄에이터에 대한 명령으로 변환한다. 센서는 또한, 장치를 보완한다.

이들 외골격은 조작자가 일어서고 걸을 수 있게 하기 때문에, 휠체어와 관련하여 진전을 이루었다. 외골격은 더 이상 휠에 의해 제한되지 않으며 이론적으로 대부분 평평하지 않은 환경에서 이동할 수 있으며: 휠은 다리와는 달리, 계단, 층계, 과도한 높이의 장애물 등과 같은 실질적인 장애물을 건너는 것을 불가능하게 만든다.

그러나 외골격의 사용 시, 이들 외골격 중 어느 것도 자율적인 인간 보행, 즉, 의인화되고 지원되지 않는 다양한 지형에서 안정적이고 실행 가능한 인간 보행을 수행하지 못한다.

대부분의 경우에, 이들 한계는 장치 자체에서 균형이나 보행 방향을 관리할 수 없기 때문에 나타난다. 이들 두 가지 과업은 일반적으로, 예를 들어 Rewalk의 특허 US7153242 호 또는 Ekso-Bionics의 출원 번호 US2016038371 호에서 제안된 것처럼, 목발 덕분에 과업을 수행하는 조작자에게 이전된다.

Rex-Bionics의 특허 EP2231096 호는 그들 자신의 안정성을 보장할 수 없는 사람을 위해서 외부 도움 없이 사용될 수 있는 유일한 외골격을 설명한다. 단락 [0122]에 설명된 제어 원리는 지지 다각형의 일부(지면과의 접촉점의 볼록한 엔벨로프)으로부터 지지 다각형의 다른 부분으로 압력 중심(시스템에 지면에 의해 가해지는 반작용력의 모멘트가 0인 물리적 지점)를 전달할 필요성을 명확하게 설명한다.

이러한 제한은 짧은 걸음(30 cm 미만이지만, 정상 보폭 범위는 50 내지 80 cm)으로 매우 느린 보행(분당 몇 미터이지만, 정상 보행은 분당 33 미터인 2 km/h를 초과)을 부과하며, 그 동안은 지지 발(foot)이 지면과 지속적으로 평평하게 접촉한다. 따라서 균일하지 않은 지형이 사실상 배제되기 때문에, 접근할 수 있는 환경의 유형이 제한된다. 유사하게, 돌과 같은 작은 장애물도 주어진 모멘트에서 그 위에 발을 올려놓으면 시스템이 균형을 잃고, 결국 넘어질 위험을 발생시킨다.

반대로, "자연적인" 인간의 보행은 도 1에서 볼 수 있듯이, 발이 지면에서, 공중에서, 또는 지면 위의 구르는 과정에서 평평할 수 있는 일련의 단계를 특징으로 한다. 발을 굴릴 수 있는 이러한 능력은 더 큰 걸음을 내딛는 것을 가능하게 하고 다양한 지형에서 안정성을 허용하기 때문에 보행에 필수적이다.

그러나 위에서 설명된 소위, 1 세대 외골격은 작동되는 발이 없거나 지지 발을 지면에 유지하지 않는다.

이러한 구름(roll)을 수행하는 것은 이족 보행 인간형 로봇이나 로봇 장치의 경우 실제로 복잡하다. 출원 WO 2015/140353 호에서 제안된 바와 같이 브레이크가 있는 발 구조가 제공되더라도, 압력 중심이 지지 다각형의 한계에 도달하면 시스템이 이러한 지점을 중심으로 구르기 시작하므로, 더 이상 정적 평형 상태가 아니다.

보행의 경우에, 발의 구름은 지지 발에서 지면과의 접촉이 부분적으로 손실되는 것을 수반하여 다음의 여러 결과가 발생한다:

- 지지 다각형(지지 표면)이 잠재적으로 한 점으로 축소되어, 지지 다각형 내부에 압력 중심을 유지하는 것이 불가능하지는 않지만 어렵다.

- 시스템이 과소작동 상태에 있게 된다. 즉, 더 이상 시스템의 모든 자유도(degree of freedom)에 걸쳐 작동할 수 없다. 그러면 모든 움직임이 더 이상 불가능하다.

그러한 상황에서, 기존 형식의 평발 보행이 예컨대, 문서 Kajita S., K. F.(2003)에 설명되어 있다. Zero-Moment Point. ICRA(pp. 1620-1626)의 미리보기 제어를 사용한 이족 보행 패턴 생성 또는 특허 Rex-Bionics의 EP2231096 호에 설명된 원리는 더 이상 작동할 수 없다.

자연스러운 아이디어는 흔들리는 다리를 앞으로 가져오고 두 번째 발을 지면에 놓아 지지 다각형으로 돌아가 균형을 잡는 것이며, 이 동안에 시스템은 지지 발 주위를 자유롭게 회전하여 다소 "떨어지는" 과정에 있다. 이는 신체가 일련의 불안정한 자세를 단지 일시적으로만(만약 "멈추면" 보폭 중간에 사람이 넘어질 것임) 거치기 때문에, 동적 보행으로 지칭된다.

이러한 동적 보행 접근 방식에서, 적어도 균형을 잠깐 재설정하는 위치로 스윙하는 발을 빠르게 가져오는 것은 복잡하다. 실제로, 이 발이 미리 계산된 시간에 구성된 궤적을 따르도록 만들어지면, 이 발은 약간의 교란(계획된 것과 약간 다를 수 있는 궤적을 수정하는 것은 불가능함)에 빠지더라도 과소 작동된 시스템의 제어불가능한 거동으로 인해 너무 일찍 또는 너무 늦게 지면에 닿을 위험이 있다. 이는 단순한 지형을 포함하여, 조작자에게 불편함을 일으키고, 조작자의 균형을 무너뜨리고, 조작자를 넘어지게 할 수 있다.

이를 위해서, 모든 1 세대 외골격(및 많은 휴머노이드 로봇(humanoid robot))은 지지 발을 평평하게 유지하여 이러한 유형의 상황을 피하려고 하며, 결과적으로 앞서 언급한 보행 속도, 걸음 길이, 허용 가능한 유형의 지형 및 보행의 일반적인 안정성에 대한 제한이 있다.

결과적으로, "가상 제약"과 "하이브리드 제로 역학"(HZD)의 원리를 조합하여 빠르고 자연스러운 보행을 가능하게 하고, 어렵고 계획되지 않은 지형에서도 넘어지거나 불균형의 위험이 없는 외골격에 대한 새로운 보행 패러다임이 출원 WO 2018/130784 호에서 제안되었다.

통상적으로, 궤적, 즉 각각의 자유도의 변화는 시간의 함수로 표현된다. 시스템의 "역학"은 다음 함수로 정의된다:

그리고 출발점은:

이며, 따라서 함수 f가:

로 작성되며, 여기서

χ는 외골격(1)의 상태 공간, U는 제어 공간, t는 시간을 나타낸다.

HZD는 반대로, 비-작동 자유도의 역학이다. 이러한 역학은 명령이 내려지지 않거나 작동하기를 원하지 않는, 즉 명령이 0인 정도에 해당하기 때문에 "0"이라고 하며, 발이 땅에 가하는 충격이 연속 단계를 교차하는 불연속적인 순간 단계를 부과하기 때문에 "하이브리드"라고 한다.

소위, "가상 제약" 방법에서, 원리는 작동 자유도의 선택을 위해서 시간이 아니라 구성에 따라서 직접적으로 변경 매개변수에 의해 구성된 궤적을 정의하는 것이며, 이러한 매개변수는 위상 변수라 불린다. 그러한 위상 변수의 예는 위에서 언급된 비-작동 자유도를 구성하는 뒤꿈치-엉덩이 축과 수직 사이의 각도이다.

단계 변수는 걸음의 "진행"을 정의할 수 있다. 더 정확하게, 각각의 단계에서 위상 변수는 초기 값이 다시 할당되기 전에 초기 값으로부터 최종 값으로 계속해서 전환되며: 이는 다음 걸음의 시작이다. 문제를 용이하게 하기 위해서, 위상 매개변수의 값이 0과 1 사이에서 정규화될 수 있다.

변경 매개변수의 각각의 값은 시스템이 강제로 따라야 하는 작동 자유도 값에 대응하며: 이는 가상 제약이라고 불리는 이러한 관계(이러한 방식으로 제어되는 작동 자유도마다 하나씩)이다.

행동하는 것이 가능하거나 원하는 자유도에 대한 이러한 궤적을 시스템이 정확히 따른다면, 다시 말해서 이들 자유도에 대한 가상 제약이 준수된다면, 시스템의 변화는 HZD와 함께 자체 역학을 따르는 비-작동 자유도의 변화에 의해 전적으로 결정된다.

따라서 가상 제약 조건의 양호한 선택은 이러한 역학이 매력적인 주기 "궤도", 즉 시스템이 자연스럽게 끌리는 안정적인 궤도를 포함할 수 있게 한다.

이러한 방법 HZD는 큰 만족을 제공하지만, 궤적 생성에 어려움이 있다(이는 또한 "평발" 방법의 경우이기도 하다). 실제로, 위에서 언급된 구름이 표시된 도 1에 도시되는 자연스러운 인간 보행과 대조적인, 발을 "거의 구르지 않는" 궤적, 즉 발이 실질적으로 수평을 유지하는 것으로 관찰된다(뒤꿈치와 발가락은 지면을 거의 치우지 않는다).

그러나 궤적을 생성하는 알고리즘은 이론적으로 인간의 자연스러운 보행과 같이 표시되는 구름 단계를 완벽하게 가능하게 하지만, 일반적으로 제약 조건 하에서 볼록하지 않고 비-선형적인 문제에 대해 최적화하는 방법을 기반으로 하기 때문에 이들은 더 "의인화 된" 궤적의 손상에 대해 더 안정적인 것으로 간주되는 "최적" 궤적을 선호하지만, 이는 외골격의 인간 작업가 주로 선호할 것이다.

따라서, 궤적의 안정성을 해치지 않으면서 궤적의 자연적 측면을 증가시키는 궤적을 생성하기 위한 새로운 해결책을 갖는 것이 바람직할 것이다.

제 1 양태에 따른 본 발명은 각각 발을 갖는 2 개의 다리가 제공된 외골격의 궤적 생성 방법에 관한 것이며, 상기 방법은:

서버의 데이터 처리 수단에 의해서 구현되는:

(a) 외골격의 주어진 보행을 정의하는 적어도 하나의 n-튜플(n-tuple)의 보행 매개변수를 획득하는 단계; 및

(b) 주기적인 기본 궤적이 순서대로 제 1 궤적 부분 및 제 2 궤적 부분을 포함하여, 제 1 궤적 부분에서 각각의 발이 순수한 회전을 수행하고 제 2 궤적 부분에서 단지 하나의 발만이 전이를 수행하도록, 상기 n-튜플의 보행 매개변수에 대해 외골격의 적어도 하나의 주기적인 기본 궤적을 생성하는 단계를 포함한다.

유리하고 비-제한적인 특징에 따라서:

상기 기본적인 주기 궤적은 상기 제 1 궤적 부분과 그 다음 제 2 궤적 부분의 시퀀스(sequence)를 주기적으로 반복한다.

제 2 궤적 부분에서 전이를 수행하는 발은 초기의 뒷발이며, 초기의 앞발은 순수한 회전을 수행한다.

상기 초기의 앞발은 제 2 궤적 부분 동안 움직이지 않는 상태로 유지된다.

제 1 궤적 부분의 끝에서 앞발은 지면에서 평평하다.

단계 (b)는 적어도 하나의 신경망을 사용하여 구현된다.

상기 외골격은 인간 조작자를 수용하고, 단계 (a)는 상기 조작자가 원하는 외골격의 n-튜플의 보행 매개변수의 시퀀스를 결정하는 단계를 포함한다.

외골격의 생성된 궤적은 상기 시퀀스의 각각의 n-튜플에 대해서 새로운 기본적인 주기 궤적 및 이러한 새로운 기본적인 주기 궤적으로의 전이를 포함한다.

제 2 양태에 따라서, 본 발명은 적어도 하나의 자유도가 데이터 처리 수단에 의해 제어되는 액츄에이터에 의해 작동되는 복수의 자유도를 갖는 외골격을 모션으로 설정 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 상기 외골격이 걷게 하는 방식으로, 제 1 양태에 따른 외골격의 궤적 생성 방법에 의해서 생성된 외골격의 궤적을 외골격의 데이터 처리 수단에 의해 실행하는 단계 (c)를 포함한다.

제 3 양태에 따라서, 본 발명은 데이터 처리 수단을 각각 포함하는 제 1 서버 및 외골격을 포함하는 시스템에 관한 것이며, 상기 데이터 처리 수단은 외골격의 궤적을 생성하기 위한 제 1 양태에 따른 방법 및/또는 외골격을 모션으로 설정하기 위한 제 2 양태에 따른 방법을 구현하도록 구성된다.

제 4 및 제 5 양태에 따라서, 본 발명은 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이며, 컴퓨터 프로그램 제품은 상기 프로그램이 컴퓨터에서 실행될 때, 외골격의 궤적을 생성하기 위한 제 1 양태에 따른 방법 및/또는 외골격을 모션으로 설정하기 위한 제 2 양태에 따른 방법을 실행하기 위한 코드 명령을 포함하며, 또한 본 발명은 컴퓨터 장비의 일부분(piece)에 의해 판독될 수 있는 저장 수단에 관한 것이며, 외골격의 궤적을 생성하기 위한 제 1 양태에 따른 방법 및/또는 외골격을 모션으로 설정하기 위한 제 2 양태에 따른 방법을 실행하기 위한 코드 명령을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 기록될 수 있다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 바람직한 실시예의 다음 설명을 읽을 때 나타날 것이다. 이러한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 주어진다.
- 도 1은 인간의 보행을 도시한다.
- 도 2는 본 발명에 따른 방법에 의해 사용된 외골격의 다이어그램이다.
- 도 3은 본 발명에 따른 방법의 구현을 위한 구성의 다이어그램이다.
- 도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에서 외골격의 발의 구름과 함께 보행 궤적의 모든 단계를 설명하는 최적화 문제의 구조를 도시하는 다이어그램이다.

구성

본 발명의 2 가지 추가적인 양태에 따르면, 다음이 제안된다:

- 외골격(1)의 궤적 생성 방법; 및

- 외골격(1)을 모션으로 설정(제 1 양태에 따른 방법 덕분에 생성된 궤적 적용)하는 방법.

도 2를 참조하면, 상기 외골격(1)은 작동 및 제어되는 이족보행 로봇 장치 유형의 관절식 기계 시스템으로, 외골격(1)의 다리에 하지가 각각 견고하게 부착된(특히 스트랩 덕분에) 조작자의 하지를 갖는 더 정확하게는 인간 조작자를 수용하는 2 개의 다리가 제공된다. 이는 또한, 다소 휴머노이드 로봇일 수도 있다. 본 명세서에서 "보행"이라는 용어는 로봇 장치(1)를 모션 상태로 설정하는 것을 의미하며, 이는 변위를 생성하는 방식으로 서 있는 위치에서 다리에 실제로 대안적인 지지를 초래한다.

외골격(1)은 각각 "작동"되거나 "비-작동"되는 복수의 자유도, 즉 (일반적으로 회전을 통해)변형 가능한 관절을 가지며, 즉 서로에 대해 이동 가능하다.

작동된 자유도는 데이터 처리 수단(11c)에 의해 제어된 액츄에이터가 제공된 관절을 나타내며, 즉 이러한 자유도는 제어되고 그에 따라 작동하는 것이 가능하다. 반대로, 미-작동 자유도는 액츄에이터가 없는 관절을 나타내며, 즉 이러한 자유도는 그 자체의 역학을 따르고 데이터 처리 수단(11)은 그에 대한 직접 제어를 갖지 않는다(그러나 다른 작동 자유도를 통한 선험적 간접 제어를 가진다). 도 1의 예에서, 뒤꿈치-지면 접촉은 시간을 지키며, 따라서 외골격(1)은 이러한 접촉점에 대해 회전이 자유롭다. 뒤꿈치-엉덩이 축과 수직선 사이의 각도는 작동되지 않은 자유도를 구성한다.

본 외골격은 자연적으로 적어도 하나, 바람직하게 복수의 작동 자유도, 및 또한 위에서 언급한 바와 같이 "과소 작동"되는 적어도 하나의 비-작동 자유도를 포함한다. 비-작동 자유도의 수는 과소작동 정도라고 불린다.

데이터 처리 수단(11c)은 지시를 처리하고 다양한 액츄에이터용으로 의도된 명령을 생성하도록 적응된 하나의 컴퓨터 장비의 일부분(전형적으로, 외골격(1)이 "원격 제어"되는 경우에 외부에 있지만, 바람직하게는 외골격(1)에 내장된 프로세서, 계속 참조)을 지정한다. 후자는 전기, 유압 등일 수 있다.

본 출원은 외골격(1)의 임의의 구성에 제한되지 않으며, 출원 WO 2015/140352 호 및 WO 2015/140353 호에 설명된 것과 같은 예가 취해질 것이다.

따라서, 바람직하게 그리고 이들 용례에 따르면, 외골격(1)은 외골격을 착용한 사람의 다리의 발을 지탱할 수 있는 지지 계획을 포함한 발 구조를 각각의 다리에 포함한다.

이러한 지지 계획은 전면 플랫폼과 후면 플랫폼을 포함함으로써, 발 피봇 연결이 전면 플랫폼을 후면 플랫폼에 연결하여 비-작동 자유도를 구성한다.

그러나 당업자는 본 방법을 임의의 다른 기계적 구성에 적응하는 방법을 알 것이다.

바람직한 실시예에 따르면, 궤적 및 보행을 생성하기 위한 본 방법은 도 3에 도시된 바와 같은 구성 내의 제 1 및 심지어 제 2 서버(10a, 10b)를 포함할 수 있다.

제 1 서버(10a)는 궤적을 생성하는 서버이고, 제 2 서버(10b)는 학습 가능 서버이다.

실제로, 외골격(1)의 궤적을 생성하는 것은 특히, 출원 FR1910649 호에서 제안된 것과 같은 "피드포워드(feedforward)" 유형의 신경망(FNN, "피드포워드 신경망")을 사용할 수 있다. 그러면 제 2 서버(10b)는 상기 신경망의 매개변수를 학습하기 위한 방법을 구현하는 서버이다. 본 방법은 신경망의 사용에 제한되지 않으며, 궤적을 전체적으로 생성하기 위한, 더 나가서는 임의의 공지된 기술을 사용하는 것이 가능하다는 점에 유의한다.

어떤 경우에, 이들 두 서버가 혼동될 수 있지만, 실제로 제 2 서버(10b)는 아주 흔히 원격 서버인 반면에 제 1 서버(10a)는 도 2에 도시된 것과 같이, 실시간 작동을 위해 외골격(1)에 내장될 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 제 1 서버(10a)는 제 2 서버(10b)로부터 검색된 매개변수를 사용하는 신경망 덕분에 외골격(1)의 궤적을 생성하는 방법을 구현하며, 외골격(1)은 현장에서 생성된 상기 궤적을 자체 모션에 설정하도록 직접 적용한다.

이들 서버(10a, 10b) 각각 하나는 전형적으로, 데이터 교환을 위해 인터넷 네트워크와 같은 확장 네트워크(20)에 연결된 하나의 컴퓨터 장비의 일부분이지만, 실제로 신경망이 학습되고 제 2 서버(10b)에 내장되면 통신은 적어도 간헐적으로 중단될 수 있다. 각각의 서버는 프로세서 유형의 데이터 처리 수단(11a, 11b) 및 적용 가능한 경우 컴퓨터 메모리, 예를 들어 하드 드라이브와 같은 데이터 저장 수단(12a, 12b)을 포함한다(특히, 제 2 서버의 데이터 처리 수단(11b)은 학습된 신경망의 단순한 사용에 비해 학습이 길고 복잡하기 때문에, 강력한 계산 능력을 가진다). 신경망에 의해 궤적을 생성하는 경우에, 학습 데이터베이스는 제 2 서버(10b)의 메모리(12b)에 저장될 수 있다.

각각 그들의 제 1 서버(10a)를 내장하는 복수의 외골격(1)(전용 외골격(1)에 대한 궤적만을 생성한다는 점에서 제한된 파워 및 크기를 가질 수 있음)이 있을 수 있거나, 더 강력한 제 1 서버(10a)에 각각 연결되고 제 2 서버(10b)와 혼동될 수 있는(그리고 모든 외골격(1)에 대한 궤적을 즉석에서 생성할 수 있는 능력을 갖는) 복수의 외골격(1)이 있을 수 있다.

발명의 원리

설명된 바와 같이, 외골격의 "궤적"이라는 용어는 통상적으로 시간 또는 위상 변수의 함수로 표현된 (특히 작동되는)각각의 자유도의 변화를 의미한다.

또한, 전이에 의해 교차되는 "기본(elementary)"으로 지칭된 주기적인 궤적의 시퀀스로 "복잡한" 궤적을 정의하는 방법이 공지되어 있다. "주기적인 궤적(periodic trajectory)"이라는 용어는 걸음의 시작(발 접촉 순간)인 외골격(1)의 초기 상태로부터 시작하여, 동일한 상태가 다음 걸음(설명된 대로 이는 임의의 평지 보행을 포함하지만, 경사로, 계단 오르기 또는 내리기 등도 포함함)의 시작 부분으로 돌아가는 그러한 방식으로 걸음의 지속기간에 걸쳐 (적용 가능하다면, 반복적으로)적용된 임의의 궤적을 의미한다. 주기적인 궤적이 "한계 주기(limit cycle)"를 형성한다라고도 한다. 따라서, 상기 주기적인 궤적은 안정한 방식으로 임의의 수의 걸음에 걸쳐 적용될 수 있다.

다시 말해서, 각각의 기본 궤도는 외골격(1)의 주어진 보행(보행 매개변수의 n-튜플(tuple)에 의해 정의되는 보행)과 연관되며, 이러한 보행을 안정적이고 실현 가능한(즉, 최적화 문제의 모든 제약조건을 준수하고 비용 함수를 가능한 최소화하는) 방식으로 유지하는 것을 가능하게 한다. 설명된 바와 같이, 상기 보행 매개변수는 걸음의 길이, 보행 빈도 및 흉부의 기울기뿐만 아니라, 계단을 지나는 경우 걸음의 높이, 곡선 이동에 대한 순간 회전 각도와 같은 보행 방식의 "특성"에 대응하며, 또한 허벅지 또는 경골의 둘레, 체중, 길이, 무게 중심의 위치(전면을 향한 오프셋의 값) 및 재활 활동의 토대에서 흉부의 측면 여유와 같은 조작자의 형태학적 특성(환자 매개변수로 지칭되는 보행 매개변수의 하위 그룹)에 대응한다.

위에서 언급한 보행의 상기 "제약조건"은 변할 수 있고 원하는 보행 유형, 예를 들어 "평발" 보행 또는 "HZD"에 의존할 수 있다. 본 방법은 원하는 임의의 보행 유형에 제한되지 않는다.

전이는 보행의 변화, 즉 상기 보행 매개변수 값의 변동(예를 들어, 걸음 길이의 증가)에 대응하며: 초기 보행 매개변수 세트 및 최종 보행 매개변수 세트, 따라서 초기 주기 궤적(초기 보행 매개변수 세트와 관련됨) 및 최종 주기 궤적(최종 보행 매개변수 세트와 관련됨)을 알면, 상기 전이는 초기 주기 궤적으로부터 최종 주기 궤적으로 전환하는 것을 가능하게 하는 궤적 단편이다. 이후에서 볼 수 있듯이, "초기" 또는 "최종" 전이가 있어야 함에 유의한다.

본 방법의 기초가 되는 독창성은 더 명확하게 의인화하는 그러한 방식으로 주기적인 기본 궤적에 두 개의 하위 부분을 부과하는 것이 가능하다는 점에 유의하는 것이다. "구름"이라고 불리는 궤적의 제 1 부분에서 두 발은 지면과 접촉하고 각각 순수한 회전 운동을 수행하며: 뒷발(적어도 "팁" - 전형적으로 발 구조의 전방 플랫폼 - 에 접촉하고 유리하게 완전히 접촉할 때, 평평한 상태일 때 처음 접촉함)은 뒤꿈치를 점진적으로 들어올리고 앞발(발뒤꿈치에서만 접촉)은 점진적으로 팁 자세(도 1의 앞에서 두 그림)를 취하며, 그런 다음 "스윙" 또는 간단히 "스텝"이라고 지칭되는 제 2 부분에서 앞발은 지면과 접촉한 상태를 유지하고 다른 발은 닿지 않은 상태를 유지하고(이를 "풋 클리어런스(foot clearance)"라고 지칭함) 병진 운동(물론 다양한 회전 포함을 포함함)을 수행하며: 다시 말해서, 이러한 처음 뒷발은 지면과의 접촉을 끊고 앞을 지나 뒤꿈치로 지면과 다시 접촉 상태로 돌아온다(도 1의 마지막 세 이미지). 이 단계에서 두 발은 제 1 부분의 시작 부분(뒷발이 앞발이 됨)의 경우와 반대로 지면에 접촉하지만, 동일한 구성에서(뒷발은 팁에서 심지어 평평하게 접촉하고, 앞발은 뒤꿈치에서만 접촉함) 걸음걸이가 취해졌으며 대칭적으로 제 1 부분과 제 2 부분 등등을 반복(궤적의 "주기적인 기본(periodic elementary)" 특성 제공)하는 것이 가능하다.

"앞"과 "뒤"의 개념은 보행 방향과 관련하여 정의되며: 항상 앞발과 뒷발이 있고 앞발과 뒷발은 각각 걸음걸이에서 반전된다.

따라서, 각각의 기본적인 주기 궤적은 제 1 부분과 제 2 부분으로 구성되며, 제 1 부분과 제 2 부분의 연결은 (각각의 주기에서 왼발과 오른발을 반전시킴으로써)반복될 수 있는 주기를 구성한다.

이들 제 1 부분과 제 2 부분의 존재는 궤적을 생성하는 동안 조건을 추가하고, 한 부분으로부터 다른 부분으로 궤적 매개변수의 연속성을 적용함으로써 부과될 수 있다. 이들 조건은 유리하게 다음과 같다:

- 제 1 부분의 경우, 각각의 발의 순수한 회전(단일 회전 축에 따른 일정한 회전), 및 바람직하게는 앞발이 제 1 부분의 끝에서 평평하며;

- 제 2 부분의 경우, 단지 (초기)뒷발의 클리어런스 및 병진운동이 지면에 다시 닿을 때까지(새로운 앞발이 되어 "초기"라는 단어로 이어짐), 이러한 시간 동안 (초기)앞발의 순수한 회전, 심지어 앞발도 움직이지 않는다.

두 부분으로 이러한 분해는 사람이 실제로 하는 것이 아니며, 두 부분은 실제 사람의 보행에 실제로 존재하지만 구별되지 않으며(앞발의 회전 부분은 병진 운동과 동시에 발생함), 이러한 "과장"은 실제로 훨씬 더 자연스러운 외골격(1)의 보행을 강제하는 것을 가능하게 함에 주목한다. 또한, 이들 조건은 매우 제한적으로 보일 수 있지만, 실제 조건에서는 안정성이 전혀 변경되지 않고 궤적 생성이 더 복잡해지지 않는 것으로 관찰된다.

알 수 있듯이, 전이, 특히 초기 및 최종 전이에서 이들 제 1 및 제 2 부분을 정의하는 것도 가능하다.

제 1 및 제 2 궤적 부분

도 4는 초기 전이, 다음 걸음 및 최종 전이의 바람직한 예를 도시한다. 제 1 부분(구름 단계)에서 시작하여 걸음걸이, 즉, 기본적인 주기 궤적이 먼저 설명되어야 한다. 도 4의 예에서, 왼발(점선 - 오른발은 실선))이 앞발이다. 당업자는 자연스럽게 그 예를 도면의 경우로 바꿀 수 있다.

따라서 이는 주기적 "순환" 궤적의 제 1 부분을 정의하는 "순환 구름(cyclic roll)"의 경우이다. 각각의 발의 움직임은 3 개의 축에 따라서 3 개의 속도로 그리고 3 개의 축에 따라서 3 개의 회전에 의해 3면체에서 정의된다. 다음과 같이 부과됨을 알 수 있다:

- 오른발(뒷발)의 경우, 연속성 및 vx=vy=vz=Ωr=Ωy=0, Ωx≠0만이 순수한 회전을 허용한다.

- 왼발(앞발)의 경우, 연속성 및 vx=vy=vz=Ωr=Ωy=0, Ωx≠0만이 순수한 회전, 및 출력 위치 p=0, 즉 발 평면("제로" 위치)을 허용한다.

- 각각의 발은 이동하는 동안 발에 대한 지면의 반작용을 나타내는 0이 아닌 수직력을 받는다.

앞발이 출력 위치에 도달하면, 제어가 주기적인 궤적의 제 2 부분에 대한 "순환 걸음"으로 이동한다. 다음과 같이 부과됨을 알 수 있다:

- 왼발(앞발)의 경우, 연속성과 v=0, 즉 순수한 회전이다.

- 오른발(뒷발)의 경우, 연속성 및 풋 클리어런스.

- 오른발은 어떤 힘도 받지 않는 그러한 방식으로 공중에 있다.

이는 "순환성"으로 끝난다. 즉, 이러한 제 2 부분의 끝에서 외골격(1)의 완전한 구성은 순환 걸음(제 1 부분)의 시작 부분에서 구성의 대칭과 동일해야 하며, 순환 구름은 왼발(LEFT)과 오른발(RF)을 반전시켜 다시 시작된다.

도 4의 경우, 이는 주어진 시작 자세(움직이지 않는 자세, 서 있는 자세 등)에서 초기 전환으로 시작되는 것으로 가정된다. 설명된 바와 같이, 기본적인 주기 궤적의 제 1 및 제 2 부분을 유추함으로써, 이러한 전이의 제 1 및 제 2 부분을 다시 갖는 것이 가능하다. 여기서는 이것이 "왼발을 뒤에 두고" 시작 구름으로 시작한다고 가정하지만, 이것은 임의의 선택이며 반대도 수행될 수 있으며, 실제로 두 발은 일반적으로 나란히 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 발의 순수한 회전을 부과하지만, 실제로는 골반만이 움직이도록 설정하여 평평할 때 움직이지 않는 상태를 유지하는 발을 갖는 것도 가능하다. 아이디어는 움직임의 역동성을 유발하는 것이다.

그런 다음, 이것은 오른 발이 움직이지 않고(또는 적어도 순수한 회전만을 수행하고) 왼발이 다시 지면에 도달할 때까지 왼발이 닿지 않는 초기 전이(시작 걸음)의 제 2 부분과 연결되며: 주기적인 궤적이 그런 다음 시작되고 더 정확하게는 제 1 부분(순환 구름)이 시작된다.

유사하게, 도 4는 주기적인 제 1 궤적 부분에 따른 최종 전이의 경우를 도시한다. 초기 전이와 대칭으로, 제 2 부분(정지 걸음)에서 시작되어 제 1 부분(정지 구름)으로 마무리된다. 정지 걸음의 부분은 고정된 왼발과 닿지 않은 오른발이 있는 주기적인 궤적의 제 2 부분과 동일하다(이것 역시 임의적이며 완전히 반대로 수행될 수 있다). 유일한 차이점은 이러한 유형의 전이에서 계산된 움직임이 일반적으로, 보행에서와 같이 넘어서지 않고 단지 앞발 수준으로만 뒷발이 가는 것을 알 수 있다는 점이다. 정지 구름의 부분에서 기껏해야 발의 회전만을 다시 갖는 것이 가능하며, 외골격(1)은 최종 자세에 도달할 때까지(예를 들어, 움직임이 없는 위치, 서기 등) 움직임이 없다.

방법

제 1 양태에 따르면, 서버(10a)의 데이터 처리 수단(11a)에 의해 구현되는 외골격(1)의 궤적을 생성하기 위한 방법이 제안된다. 외골격(1)의 궤적을 생성하기 위한 상기 방법은 외골격(1)의 주어진 보행, 심지어 (예를 들어, 외골격 조작자로부터의 새로운 명령으로 인해)점진적으로 n-튜플의 보행 매개변수의 시퀀스를 정의하는 적어도 하나의 n-튜플의 보행 매개변수를 획득하는 상기 단계 (c)로 시작한다.

주요 단계 (b)에서, 상기 방법은 설명된 바와 같이 상기 주기적인 기본 궤적이 제 1 궤적 부분과 제 2 궤적 부분을 차례로 포함하여, 제 1 궤적 부분에서 각각의 발이 순수한 회전을 수행하고, 제 2 궤적 부분에서 단지 하나의 발이 병진운동(풋 클리어런스, 다른 발은 움직이지 않아도 순수한 회전)을 수행하도록, 상기 n-튜플의 보행 매개변수에 대해 외골격(1)의 적어도 하나의 주기적인 기본 궤적을 생성하는 단계를 포함한다.

n-튜플의 시퀀스의 경우, 각각 새로운 n-튜플의 매개변수마다 새로운 주기적인 궤적이 결정되고 이러한 새로운 주기적인 궤적으로의 전이가 결정된다.

이를 위해, 궤적을 생성하는 방법은 유리하게, 외골격(1)의 n-튜플의 보행 매개변수의 결정(적용 가능한 경우, 규칙적인 방식으로 반복됨), 즉 단계 (a)의 반복을 포함한다.

실제로, 외골격(1)이 인간 조작자를 수용하는 외골격이지만, 상기 매개변수를 결정하는 것은 (게이트 속도 및/또는 방향 설정값을 포함하는 시작 요청을 직접 수신할 수 있는 일반 로봇의 경우와 반대로)상기 인간 조작자의 자세(및 가능하게는 버튼 누름)이다.

이를 위해, 조작자는 그들의 흉부의 구성(흉부의 방위)을 검출하는 것을 가능하게 하는 센서 재킷(15)을 설명된 바와 같이 제공받을 수 있다. 조작자가 그들의 흉부를 지향하는 방향은 조작자가 걷고 싶은 방향이고 속도는 조작자의 흉부를 앞으로 두는 강도(조작자가 기울어지는 정도)에 따라 주어진다. 시작 요청은 버튼(또는 특정 자세)을 누르는 조작자가 걷기 시작하려는 의도를 표시하고 따라서 데이터 처리 수단에 명령하여 상기 매개변수를 결정하는 것에 대응할 수 있다. 순간 회전 각도 또는 계단을 오르는 경우 계단 높이와 같은 특정 매개변수는 다른 센서(13, 14)에 의해 미리 결정되거나 획득될 수 있다.

궤적 자체의 생성은 임의의 공지된 기술에 제한되지 않으며, 본 발명의 목적은 제 1 및 제 2 부분을 획득하는 그러한 방식으로 생성 동안 전술한 제약조건을 적용하는 것뿐이다.

설명된 바와 같은 최적화 도구는 특히 공지되어 있으며, 특히 선택된 보행 제약조건 및 매개변수에 따라 주어진 궤적을 생성할 수 있다. 예를 들어, HZD 궤적의 경우에, 궤적 생성 문제는 소위, 직접 배열 알고리즘(문서 Omar Harib et al., Feedback Control of Exoskeleton for Paraplegics Towardly Stable Hands-free Dynamic Walking 참조)으로 바람직하게 해결될 수 있는 최적 제어 문제의 형태로 공식화된다.

또한 설명된 바와 같이, 학습 궤적 데이터베이스에서 훈련된 신경망을 대안으로 사용할 수 있다.

제 1 신경망을 사용하여 궤도의 제 1 부분을 생성하고 제 2 신경망을 사용하여 궤도의 제 2 부분을 생성하는 것을 고려할 수 있다. 따라서 궤적의 제 1 부분의 학습 기반에서 제 1 네트워크를 학습하고 궤적의 제 2 부분의 학습 기반에서 제 2 네트워크를 학습하는 것으로 충분하다.

제 2 양태에 따르면, 외골격의 궤적을 생성(단계 (a), (b))하고나서, ((c)로 표기된 단계에서)외골격(1)이 걷는 그러한 방식으로 상기 궤적을 실행하는 제 2 양태에 따른 상기 방법의 구현을 포함하는 외골격(1)을 모션으로 설정하는 방법이 제안된다.

단계 (b) 및 (c)는 외골격(1)의 궤적을 항상 실시간으로 보정하는 그러한 방식으로 반복될 수 있다.

장비 및 시스템

제 3 양태에 따르면, 본 발명은 제 1 양태 및/또는 제 2 양태에 따른 방법의 구현을 위한 시스템에 관한 것이다.

설명된 바와 같이, 이러한 시스템은 아마도 혼동될 수 있는, 제 1 서버(10a), 가능한 제 2 서버(10b) 및 외골격(1)을 포함한다.

제 1 서버(10a)는 제 1 양태에 따른 방법의 구현을 위한 데이터 처리 수단(11a)을 포함한다.

외골격(1)은 제 2 양태에 따른 방법을 구현하도록 구성된 데이터 처리 수단(11c)뿐만 아니라, 필요한 경우 데이터 저장 수단(12)(특히 제 1 서버(10a)의 것), 관성 측정 수단(14)(관성 측정 유닛), 지면(13)에 대한 발의 충격을 검출하기 위한 수단(접촉 센서 접촉 또는 가능한 압력 센서), 및/또는 센서 재킷(15)을 포함한다.

이는 제 3 측면에 따른 방법을 구현하는 체제에서 데이터 처리 수단(11c)에 의해 제어되는 액츄에이터에 의해 적어도 하나의 자유도가 작동되는 복수의 자유도를 가진다.

컴퓨터 프로그램 제품

제 4 및 제 5 양태에 따르면, 본 발명은 외골격(1)의 궤적을 생성하기 위한 제 1 양태에 따른 방법 및/또는 외골격(1)을 모션으로 설정하기 위한 제 2 양태에 따른 방법뿐만 아니라, 이러한 컴퓨터 프로그램 제품이 발견되는 일종의 컴퓨터 장비의 일부분에 의해 판독될 수 있는 저장 수단에 관한 것이다.

Claims (12)

1. 각각 발(foot)을 갖는 2 개의 다리가 제공된 외골격(exoskeleton; 1)의 궤적을 생성하는 방법으로서,
   서버(10a)의 데이터 처리 수단(11a)에 의해서 구현되는:
   (a) 외골격(1)의 주어진 보행을 정의하는 적어도 하나의 n-튜플(n-tuple)의 보행 매개변수를 획득하는 단계;
   (b) 주기적인 기본 궤적이 순서대로 제 1 궤적 부분 및 제 2 궤적 부분을 포함하여, 제 1 궤적 부분에서 각각의 발이 순수한 회전을 수행하고 제 2 궤적 부분에서 단지 하나의 발만이 전이를 수행하도록, 상기 n-튜플의 보행 매개변수에 대해 외골격(1)의 적어도 하나의 주기적인 기본 궤적을 생성하는 단계를 포함하는,
   외골격(1)의 궤적을 생성하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 기본적인 주기 궤적은 상기 제 1 궤적 부분과 그 다음 제 2 궤적 부분의 시퀀스(sequence)를 주기적으로 반복하는,
   외골격(1)의 궤적을 생성하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   제 2 궤적 부분에서, 전이를 수행하는 발은 초기의 뒷발이며, 초기의 앞발은 순수한 회전을 수행하는,
   외골격(1)의 궤적을 생성하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 초기의 앞발은 제 2 궤적 부분 동안 움직이지 않는 상태로 유지되는,
   외골격(1)의 궤적을 생성하는 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   제 1 궤적 부분의 끝에서 앞발은 지면에서 평평한,
   외골격(1)의 궤적을 생성하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   단계 (b)는 적어도 하나의 신경망을 사용하여 구현되는,
   외골격(1)의 궤적을 생성하는 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 외골격(1)은 인간 조작자를 수용하고, 단계 (a)는 상기 조작자가 원하는 외골격(1)의 n-튜플의 보행 매개변수의 시퀀스를 결정하는 단계를 포함하는,
   외골격(1)의 궤적을 생성하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   외골격(1)의 생성된 궤적은 상기 시퀀스의 각각의 n-튜플에 대해서 새로운 기본적인 주기 궤적 및 이러한 새로운 기본적인 주기 궤적으로의 전이를 포함하는,
   외골격(1)의 궤적을 생성하는 방법.
9. 적어도 하나의 자유도(degree of freedom)가 데이터 처리 수단(11c)에 의해 제어되는 액츄에이터(actuator)에 의해 작동되는 복수의 자유도를 갖는 외골격(1)을 모션(motion)으로 설정하는 방법으로서,
   상기 외골격(1)이 걷게 하는 방식으로, 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 외골격(1)의 궤적을 생성하는 방법의 수단에 의해서 생성된 외골격(1)의 궤적을 외골격(1)의 데이터 처리 수단(11c)에 의해 실행하는 단계 (c)를 포함하는,
   외골격(1)을 모션으로 설정하는 방법.
10. 데이터 처리 수단(11a, 11c)을 각각 포함하는 제 1 서버(10a) 및 외골격(1)을 포함하는 시스템으로서,
    상기 데이터 처리 수단(11a, 11c)은 외골격(1)의 궤적을 생성하기 위한 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법 및/또는 외골격(1)을 모션으로 설정하기 위한 제 9 항에 따른 방법을 구현하도록 구성되는,
    시스템.
11. 컴퓨터 프로그램 제품으로서,
    상기 프로그램이 컴퓨터에서 실행될 때, 외골격(1)의 궤적을 생성하기 위한 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법 및/또는 외골격(1)을 모션으로 설정하기 위한 제 9 항에 따른 방법을 실행하기 위한 코드 명령(code instruction)을 포함하는,
    컴퓨터 프로그램 제품.
12. 컴퓨터 장비의 일부분(piece)에 의해 판독될 수 있는 저장 수단으로서,
    외골격(1)의 궤적을 생성하기 위한 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법 및/또는 외골격(1)을 모션으로 설정하기 위한 제 9 항에 따른 방법을 실행하기 위한 코드 명령을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 기록되는,
    저장 수단.

Images