KR20230045585A - 하지 보조로봇의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 착용자의 슬관절 각도에 대응하여 하지 보조로봇에 장착된 구동장치를 통해 착용자의 슬관절 영역에 요구되는 보조력의 크기를 감지하여, 그 크기에 맞는 보조력을 능동적으로 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법에 관한 것이다.

Description

하지 보조로봇의 제어방법{Controlling Method Of Lower Body Assisting Robot}

본 발명은 하지 보조로봇의 제어방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 착용자의 슬관절 각도에 대응하여 하지 보조로봇에 장착된 구동장치를 통해 착용자의 슬관절 영역에 요구되는 보조력의 크기를 감지하여, 그 크기에 맞는 보조력을 능동적으로 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법에 관한 것이다.

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

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

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

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

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

특히, 착용자의 하지 근력이 부족한 경우 기립 자세를 유지하거나 입각기에서 유각기로 보행이 전환되는 시점 또는 유각기에서 입각기로 보행이 전환되는 시점에서 특히 자연스러운 보행에 어려움이 있으므로, 이러한 착용자가 정상인과 유사한 보행이 가능하도록 하기 위해 적절한 보행주기 시점에서 하지로 충분한 보조력을 제공해야 한다.

종래 소개된 기술들은 미리 결정된 보행 시점에서 기설정된 크기를 갖는 보조 토크를 일방적으로 제공하고, 이에 따라 착용자의 보행주기와 무관하게 슬관절 영역에 불필요하거나 과도한 보조력이 제공되어 보행시 불편함을 느낄 수 있다.

따라서, 하지 근력이 부족한 착용자가 보행시 슬관절 영역에 충분한 보조력이 요구되는 보행 구간 또는 유각기와 입각기가 변경되는 시점을 능동적으로 파악하여 착용자에게 보조력을 능동적으로 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법이 요구된다.

본 발명은 착용자의 슬관절 각도에 대응하여 하지 보조로봇에 장착된 구동장치를 통해 착용자의 슬관절 영역에 요구되는 보조력의 크기를 감지하여, 그 크기에 맞는 보조력을 능동적으로 제공할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 착용자의 보행 주기에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역에 구비되는 고관절 구동장치, 슬관절 영역에 장착되는 슬관절 구동장치 및 상기 고관절 구동장치와 상기 슬관절 구동장치를 제어하는 제어부를 포함하여, 착용자의 대퇴와 하퇴에 장착된 상부 프레임과 하부 프레임을 통해 착용자의 고관절과 슬관절에 보조토크를 제공하는 하지 보조로봇의 제어방법에 있어서, 상기 슬관절 구동장치는 착용자의 대퇴를 지지하는 상부 프레임과 착용자의 하퇴를 지지하는 하부 프레임을 연결하며, 착용자의 슬관절 영역에 장착되어 슬관절을 굴곡하는 양의 방향 또는 슬관절을 신전하는 음의 방향으로 보조토크를 제공하며, 상기 제어부는 상기 슬관절 구동장치에 구비된 엔코더를 통해 어느 하나의 하지를 지지하는 상기 상부 프레임에 대한 상기 하부 프레임의 굴곡 각도인 슬관절 회전각을 측정하고, 상기 슬관절 회전각이 입각기가 종료시점에서 슬관절이 신전되어 최소화된 시점부터 상기 슬관절 구동장치가 양의 방향으로 점진적 증가 또는 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 크기의 출력으로 유지되는 슬관절 보조토크를 제공하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법을 제공할 수 있다.

이 경우, 상기 미리 결정된 크기의 출력은 상기 슬관절 구동기의 최대 출력일 수 있다.

이 경우, 상기 제어부는 특정 하지의 입각기 종료 과정에서 슬관절이 전개되어 슬관절 회전각이 최소화된 시점부터 상기 슬관절 구동기에 의한 슬관절 보조토크가 슬관절이 굴곡되는 양의 방향으로 점진적 증가 후 미리 결정된 시간 동안 최대 출력으로 유지된 후 감소되도록 슬관절 구동기를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 슬관절 회전각이 최대가 된 후 감소되기 전에 상기 슬관절 보조토크가 먼저 감소되도록 상기 슬관절 구동기를 제어할 수 있다.

이 경우, 상기 제어부는 상기 유각기가 종료되기 전 슬관절 보조토크의 크기가 제로에 수렴되도록 슬관절 구동기를 제어할 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 착용자의 보행 주기에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역에 구비되는 고관절 구동장치, 슬관절 영역에 장착되는 슬관절 구동장치 및 상기 고관절 구동장치와 상기 슬관절 구동장치를 제어하는 제어부를 포함하여, 착용자의 대퇴와 하퇴에 장착된 상부 프레임과 하부 프레임을 통해 착용자의 고관절과 슬관절에 보조토크를 제공하는 하지 보조로봇의 제어방법에 있어서, 상기 슬관절 구동장치는 착용자의 대퇴를 지지하는 상부 프레임과 착용자의 하퇴를 지지하는 하부 프레임을 연결하며, 착용자의 슬관절 영역에 장착되어 슬관절을 굴곡하는 양의 방향 또는 슬관절을 신전하는 음의 방향으로 보조토크를 제공하며, 상기 제어부는 상기 슬관절 구동장치에 구비된 엔코더를 통해 어느 하나의 하지를 지지하는 상기 상부 프레임에 대한 상기 하부 프레임의 굴곡 각도인 슬관절 회전각을 측정하고, 상기 제어부는 어느 하나의 하지가 유각기에서 입각기로 전환시점에 슬관절 보조토크의 크기가 슬관절이 신전되는 음의 방향으로 적어도 하나의 계단형으로 증가되도록 슬관절 구동기를 제어할 수 있다.

본 발명은 착용자의 슬관절 각도에 대응하여 하지 보조로봇에 장착된 구동장치를 통해 착용자의 슬관절 영역에 요구되는 보조력의 크기를 감지하여, 그 크기에 맞는 보조력을 능동적으로 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법에 의하면, 보행 주기 중 입각기 에서 유각기로 또는 유각기에서 입각기로 전환되는 보행 동작에서 착용자의 슬관절 영역에 슬관절 회전각에 대응하여 적절한 크기의 보조력을 제공하여 자연스러운 유각기 보행일 가능하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하지 보조로봇의 측면 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하지 보조로봇의 정면도를 도시한다.
도 3은 종래 기술에 따른 하지 보조로봇의 제어방법을 적용하여 착용자의 보행 동작에서 하지 보조로봇의 고관절 구동장치 및 슬관절 구동장치에서 각각 발생시키는 고관절 보조토크와 슬관절 보조토크 인가시 고관절 회전각과 슬관절 회전각에 대한 관계를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법을 적용하여 착용자의 보행 동작에서 하지 보조로봇의 고관절 구동장치 및 슬관절 구동장치에서 각각 발생시키는 고관절 보조토크와 슬관절 보조토크 인가시 고관절 회전각과 슬관절 회전각에 대한 관계를 도시한다.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

또한, 하지 보조로봇(1000)의 구동장치 중 슬관절 구동장치(100b)는 구동력을 발생시키는 구동모터와 각각의 슬관절 회전각을 감지할 수 있도록 엔코더가 구비되어 하지 보조로봇의 제어부는 감지 신호를 통해 구동모터에 의하여 제공되는 보조토크 등에 의하여 보조력이 제공되는 슬관절의 회전 또는 슬관절 회전각을 판단할 수 있다.

본 발명은 상기 하지 보조로봇에 구비된 엔코더를 통해 감지된 착용자의 슬관절 회전각에 대응하여 보행 주기 중 착용자의 슬관절 영역에 충분한 보조력이 필요한 구간에서 상기 하지 보조로봇(1000)에 장착된 슬관절 구동장치(100b)를 통해 슬관절 영역에 보조토크를 능동적으로 제공할 수 있도록 구성된다. 구체적으로, 상기 슬관절 구동장치는 착용자의 대퇴를 지지하는 상부 프레임과 착용자의 하퇴를 지지하는 하부 프레임을 연결하며, 착용자의 슬관절 영역에 장착되어 슬관절을 굴곡하는 양의 방향 또는 슬관절을 신전하는 음의 방향으로 보조토크를 제공할 수 있도록 구성될 수 있다.

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

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

도 3은 종래 기술에 따른 하지 보조로봇의 제어방법을 적용하여 착용자의 보행 동작에서 하지 보조로봇(1000)의 고관절 구동장치(100a) 및 슬관절 구동장치(100b)에서 각각 발생시키는 고관절 보조토크(Th)와 슬관절 보조토크(Tk) 인가시 고관절 회전각(θh)과 슬관절 회전각(θ에 대한 관계를 도시한다. 가로축은 시간축이다.

도 1을 참조하여, 고관절 회전각(θh)은 지면에 대한 상체의 기울기선을 기준으로 대퇴가 전방으로 회전되는 경우 이를 양(+)의 회전각으로 하고, 슬관절 회전각(θ은 대퇴를 기준으로 하퇴가 후방으로 굴곡되는 경우 이를 양(+)의 회전각으로 한다. 상기 고관절 회전각(θh)상기 슬관절 회전각(θk)의 단위는 degree(°)이다.

그리고, 하지 보조로봇(1000)의 각각의 관절 구동장치에서 제공되는 보조토크의 크기 단위는 N·m이며, 착용자의 체중, 신장 또는 보조력 의존도 등에 따라 그 절대적인 크기가 상이할 수 있다.

인체의 보행 주기는 족저면이 지면에 접촉되는 입각기(St)와 족저면이 지면과 분리되는 유각기(Sw)로 구성될 수 있고, 보행중인 착용자의 어느 하나의 하지는 입각기(St)와 유각기(Sw)가 번갈아 수행될 수 있다.

한편, 하지 보조로봇(1000)은 하지 근력이 부족한 착용자의 보행을 효과적으로 보조하기 위하여 입각기(St)에서 착용자의 슬관절을 신전시키기 위한 보조력 제공이 요구되는 반면, 유각기(Sw)에서 착용자의 슬관절을 굴곡시키기 위한 보조력 제공이 요구된다.

이에 따라, 하지 보행로봇(1000)은 입각기(St)에서 착용자의 슬관절 각도를 증가하는 방향으로 보조토크를 제공하여 착용자의 체중에 대응하는 지면 반력을 상쇄하여 입각기(St) 동안 착용자가 하지에 큰 부담을 느끼지 않도록 구성해야 하고, 유각기(Sw)에서는 슬관절 각도를 감소시키는 방향으로 보조토크를 제공하여 스윙(swing) 동작 시 요구되는 힘을 경감시킬 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 하지 보조로봇의 제어방법은 착용자의 보행주기 동안 상기 슬관절 구동장치(100b)에서 인가되는 슬관절 보조토크(Tk)의 크기 및 슬관절 보조토크(Tk)가 제공되는 시점이 미리 설정되어 제어 프로그램에 입력되므로, 이에 따라 착용자의 슬관절 회전각과 관계없이 착용자의 보행주기에 따라 기설정된 크기를 갖는 슬관절 보조토크(Tk)가 일방적으로 제공되었다.

도 3을 참조하면, 유각기(Sw)에서 착용자의 보행 주기에서 슬관절 보조토크(Tk)가 최대가 되는 시점 및 슬관절 회전각(θ이 최대가 되는 시점을 음영으로 표시된 부분(A' 영역)으로 나타냈다. 상기 각각의 A' 영역에서 슬관절 보조토크(Tk)의 최대가 되는 시점은 유각기(Sw) 구간별로 규칙적으로 발생함에 반해 슬관절 회전각(θ이 최대가 되는 시점은 제각각 다르게 나타나는 것을 확인하였고, 이를 통해 종래 제어방법으로는 유각기 중 슬관절 굴곡동작이 가장 필요한 구간에서 충분한 보조력을 제공받을 수 없다.

또한, 제1 영역(A'(1)), 제3 영역(A'(3)) 및 제4 영역(A'(4))에서 슬관절 회전각(θ의 최대값은 약 90 degree(°) 이상으로 측정된 반면, 제2 영역(A'(2))에서 슬관절 회전각(θ의 최대값은 약 60°로 측정되었다. 이를 통해, 종래 제어방법은 슬관절 보조토크(Tk)가 일정한 크기로 제공됨에도 불구하고 각각의 A' 영역에서 슬관절 회전각(θ의 최댓값 간의 편차가 크게 나타나 유각기(Sw)에서 착용자의 슬관절 영역에 적절한 보조력을 제공할 수 없다.

또한, 제4 영역(A'(4))에서는 슬관절 회전각(θ이 최대가 되는 시점이 슬관절 보조토크(Tk)가 최대가 되는 시점보다 미세하게 선행하는 것으로 나타났다. 즉, 종래와 같이 착용자의 보행주기별 미리 정해진 크기의 보조토크를 제공하는 방법으로는 슬관절에 보조력이 가장 필요한 순간 이후에 불필요한 보조력이 제공되는 현상이 일어나 착용자의 슬관절을 적절하게 보조한다고 볼 수 없다.

도 4는 본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법을 적용하여 착용자의 보행 동작에서 하지 보조로봇(1000)의 고관절 구동장치(100(a)) 및 슬관절 구동장치(100(b))에서 각각 발생시키는 고관절 보조토크(Th)와 슬관절 보조토크(Tk) 인가시 고관절 회전각과 슬관절 회전각에 대한 관계를 도시한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하지 보조로봇(1000)의 제어방법은 착용자의 보행주기별 미리 설정된 크기를 갖는 보조력을 제공하는 것이 아니라, 보행 중인 착용자의 어느 하나의 하지의 슬관절 각도에 대응하여 하지 보조로봇(1000)의 하부 프레임(430)을 상부 프레임(410)에 대하여 후방으로 양(+)의 방향 또는 음(-)의 방향으로 회전시키는 슬관절 보조토크(Tk)가 능동적으로 제공되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법은 슬관절 각도는 슬관절 구동기에 구비된 엔코더를 통해 센싱될 수 있으며, 하지 보조로봇의 제어부는 슬관절 구동기의 제어신호로서 슬관절 회전각을 변수로 사용함을 의미한다.

그리고, 상기 하지 보조로봇의 제어방법은 착용자 고관절로 보조력을 제공하기 위하여, 어느 하나의 하지가 스윙하는 구간인 유각기(Sw)에서 해당 발에 장착된 상기 고관절 구동장치(100(a))에 의하여 상부 프레임(410)을 전방으로 양의 방향으로 회전시키는 고관절 보조토크(Th)는 양(+)의 방향으로 크기가 증가 후 감소되며, 어느 하나의 하지가 지면에 지지되는 구간인 입각기(St)에서 상기 고관절 보조토크(Th)는 음(-)의 방향으로 크기가 증가 후 감소될 수 있다.

본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법은 보행하는 착용자의 슬관절 각도에 따라 입각기(St) 및 유각기(Sw) 보행 구간에 적합한 슬관절 보조토크(Tk)를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법은 유각기(Sw)에서 하부 프레임(430)을 상부 프레임(410)에 대하여 후방으로 양(+)의 방향으로 회전시킴에 따라 착용자의 슬관절 영역을 굴곡시키는 방향으로 보조력을 제공하기 위한 양(+)의 슬관절 보조토크(Tk)를 제공할 수 있고, 입각기(St)에서 하부 프레임(430)을 상부 프레임(410)에 대하여 전방으로 음(-)의 방향으로 회전시킴에 따라 착용자의 슬관절 영역을 신전시키는 방향으로 보조력을 제공하기 위한 음(-)의 방향 슬관절 보조토크(Tk)를 제공할 수 있다.

그리고, 입각기(St) 말기에서 상기 슬관절 구동장치(100a)는 착용자의 슬관절 영역을 신전시키는 방향인 음(-)의 방향 슬관절 보조토크(Tk)의 크기를 감소시킴으로써 유각기(Sw) 진입시 자연스러운 보행이 가능하도록 한다. 여기서, 상기 음(-)의 방향 슬관절 보조토크(Tk)의 크기가 감소한다는 의미는 슬관절 보조토크(Tk)의 절대적인 크기가 감소됨을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 입각기(St)에서 상기 슬관절 구동장치(100a)는 착용자의 슬관절을 신전시키는 방향인 음(-)의 방향 슬관절 보조토크(Tk)를 제공하되, 상기 슬관절 보조토크(Tk)는 종래와 같이 일정한 크기의 보조력을 제공하는 것이 아닌 착용자 슬관절의 각도 변화에 대응하여 음(-)의 방향 슬관절 보조토크(Tk)의 크기를 제어하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 도 3을 참조하면, 종래 하지 보조장치의 제어방법에 따르면 입각기(St) 구간에서 미리 결정된 크기의 슬관절 보조토크(Tk)는 슬관절 회전각과 상관없이 일정하게 음(-)의 방향으로 크기가 증가된 후 감소하는 경향을 나타내는 반면, 본 발명에 따른 하지 보조장치 제어방법은 입각기(St) 구간에서 착용자의 슬관절 각도 변화에 따라 슬관절 보조토크(Tk)의 크기가 적절하게 제어되므로 입각기(St) 구간에서 슬관절 보조토크(Tk) 개형이 불규칙하게 나타날 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 유각기(Sw)에서 슬관절 보조토크(Tk)가 최대가 되는 시점 및 슬관절 회전각(θ이 최대가 되는 시점을 적색 음영으로 표시된 부분(A 영역)으로 나타냈다. 상기 각각의 A 영역에서 슬관절 보조토크(Tk)는 슬관절 각도에 따라 적절한 크기의 보조력을 제공함과 동시에, 유각기(Sw)에서 상기 슬관절 구동장치(100b)에서 제공되는 슬관절 보조토크(Tk)에 의해 슬관절 회전각(θk)이 최대가 되는 시점은 유각기(Sw) 보행구간의 60 내지 80% 구간일 수 있다.

그리고, 상기 A 영역에서 양(+)의 방향 슬관절 보조토크(Tk)가 최대가 되는 시점이 슬관절 회전각이 최대가 되는 시점보다 선행하며, 입각기(St) 말기를 지나 유각기(Sw)에 진입하는 시점에서 슬관절 보조토크(Tk)가 음(-)에서 양(+)으로 빠르게 전환되어 유각기(Sw)에서 스윙 동작시 큰 보조력을 제공할 수 있다.

구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제어부는 상기 슬관절 구동장치에 구비된 엔코더를 통해 어느 하나의 하지를 지지하는 상기 상부 프레임에 대한 상기 하부 프레임의 굴곡 각도인 슬관절 회전각(θk)을 측정하고, 상기 슬관절 회전각(θk)이 입각기(St)가 종료시점에서 슬관절이 신전되어 최소화된 시점부터 상기 슬관절 구동장치가 양의 방향으로 점진적 증가 또는 미리 결정된 시간 동안 최대 출력으로 유지되는 슬관절 보조토크(Tk)를 제공하도록 제어할 수 있다.

즉, 엔코더로 슬관절 회전각(θk)을 지속적으로 측정하되 슬관절의 회전방향을 고려하여 슬관절 구동기에서 슬관절 보조토크(Tk)를 능동적으로 제공하는 방법을 사용할 수 있다.

구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제어부는 특정 하지의 입각기(St) 종료 과정에서 슬관절이 전개되어 각각의 유각기(Sw) 시점에서 슬관절 회전각(θk)이 최소화된 시점(10도 이하)부터 상기 슬관절 구동기에 의한 슬관절 보조토크(Tk)가 슬관절이 굴곡되는 양의 방향으로 점진적 증가 후 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 출력으로 유지된 후 감소되도록 슬관절 구동기를 제어할 수 있다. 여기서, 상기 미리 결정된 출력은 구동기의 최대 출력일 수 있고, 그러면 구동기를 더욱 컴팩트한 제품을 선택할 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 슬관절 회전각(θk)이 최대가 된 후 감소되기 전에 상기 슬관절 보조토크(Tk)가 먼저 감소(A(1) 또는 A(3) 영역 참조)되도록 상기 슬관절 구동기를 제어할 수도 있다.

즉, 슬관절 회전각(θk)을 모니터링하되 그 변화 방향으로 선행하여 슬관절 구동기를 구동하여 슬관절 신전 동작에 필요한 슬관절 보조토크(Tk)를 제공할 수 있다.

그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제어부는 상기 유각기(Sw)가 종료되기 전 슬관절 보조토크(Tk)의 크기가 거의 제거되도록 슬관절 구동기를 제어할 수 있다. 유각기가 종료되기 전에 이미 슬관절 보조토크는 제거되어 슬관절 회전각이 변화되지 않도록 유지할 수 있다.

즉 어느 하나의 하지의 유각기(Sw) 보행 동안 슬관절 회전각(θk)은 최소값(10도 이하)으로 시작하여 최대값까지 증가한 후 다시 입각기(St)가 시작되는 시점에서 상기 최소값보다는 크지만 충분히 작은 크기(약 15도 내지 30도 범위)로 감소될 수 있다.

그리고, 각각의 입각기(St)에서 슬관절 회전각(θk)은 초반 증가 후 상기 최소값까지 감소하는 패턴을 보이며, 이 경우 슬관절 구동기에서 제공되는 슬관절 보조토크의 크기 역시 슬관절 회전각(θk)의 변화와 반대 방향으로 변화될 수 있다.

즉, 입각기에서 슬관절 회전각이 감소하면 음의 방향 슬관절 보조토크의 크기 역시 감소하는 방향, 그래프 상에서는 반대방향으로 변화될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제어부는 유각기(Sw)에서 입각기(St)로 전환시점에 슬관절 보조토크(Tk)의 크기가 슬관절이 신전되는 음의 방향으로 적어도 1회 대략적으로 계단형으로 증가되도록 슬관절 구동기를 제어하여, 슬관절 보조토크(Tk)가 대부분 제거된 상태에서 입각기(St) 진입시 슬관절의 지지력 보강을 위히여 가파른 기울기 또는 계단형으로 슬관절 보조토크(Tk)를 제공할 수 있다. 이 경우에도 상기 제어부는 상기 슬관절 회전각(θk)의 모니터링 정보에 따라 입각기(St) 진입 시점에 능동적인 보조토크를 제공할 수 있다.

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

Claims (6)

1. 착용자의 보행 주기에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역에 구비되는 고관절 구동장치, 슬관절 영역에 장착되는 슬관절 구동장치 및 상기 고관절 구동장치와 상기 슬관절 구동장치를 제어하는 제어부를 포함하여, 착용자의 대퇴와 하퇴에 장착된 상부 프레임과 하부 프레임을 통해 착용자의 고관절과 슬관절에 보조토크를 제공하는 하지 보조로봇의 제어방법에 있어서,
   상기 슬관절 구동장치는 착용자의 대퇴를 지지하는 상부 프레임과 착용자의 하퇴를 지지하는 하부 프레임을 연결하며, 착용자의 슬관절 영역에 장착되어 슬관절을 굴곡하는 양의 방향 또는 슬관절을 신전하는 음의 방향으로 보조토크를 제공하며,
   상기 제어부는 상기 슬관절 구동장치에 구비된 엔코더를 통해 어느 하나의 하지를 지지하는 상기 상부 프레임에 대한 상기 하부 프레임의 굴곡 각도인 슬관절 회전각을 측정하고, 상기 슬관절 회전각이 입각기(St)가 종료시점에서 슬관절이 신전되어 최소화된 시점부터 상기 슬관절 구동장치가 양의 방향으로 점진적 증가 또는 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 크기의 출력으로 유지되는 슬관절 보조토크를 제공하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 미리 결정된 크기의 출력은 상기 슬관절 구동기의 최대 출력인 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제어부는 특정 하지의 입각기 종료 과정에서 슬관절이 전개되어 슬관절 회전각이 최소화된 시점부터 상기 슬관절 구동기에 의한 슬관절 보조토크가 슬관절이 굴곡되는 양의 방향으로 점진적 증가 후 미리 결정된 시간 동안 최대 출력으로 유지된 후 감소되도록 슬관절 구동기를 제어하는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 슬관절 회전각이 최대가 된 후 감소되기 전에 상기 슬관절 보조토크가 먼저 감소되도록 상기 슬관절 구동기를 제어하는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 유각기가 종료되기 전 슬관절 보조토크의 크기가 제로에 수렴되도록 슬관절 구동기를 제어하는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
6. 착용자의 보행 주기에 따라 하지 보조로봇의 고관절 영역에 구비되는 고관절 구동장치, 슬관절 영역에 장착되는 슬관절 구동장치 및 상기 고관절 구동장치와 상기 슬관절 구동장치를 제어하는 제어부를 포함하여, 착용자의 대퇴와 하퇴에 장착된 상부 프레임과 하부 프레임을 통해 착용자의 고관절과 슬관절에 보조토크를 제공하는 하지 보조로봇의 제어방법에 있어서,
   상기 슬관절 구동장치는 착용자의 대퇴를 지지하는 상부 프레임과 착용자의 하퇴를 지지하는 하부 프레임을 연결하며, 착용자의 슬관절 영역에 장착되어 슬관절을 굴곡하는 양의 방향 또는 슬관절을 신전하는 음의 방향으로 보조토크를 제공하며,
   상기 제어부는 상기 슬관절 구동장치에 구비된 엔코더를 통해 어느 하나의 하지를 지지하는 상기 상부 프레임에 대한 상기 하부 프레임의 굴곡 각도인 슬관절 회전각을 측정하고,
   상기 제어부는 어느 하나의 하지가 유각기에서 입각기로 전환시점에 슬관절 보조토크의 크기가 슬관절이 신전되는 음의 방향으로 적어도 하나의 계단형 형태를 갖도록 증가되도록 슬관절 구동기를 제어하는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
   
   

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