KR20240089031A - 외골격을 이동시키기 위한 방법 - Google Patents

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KR20240089031A
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posture
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KR1020247013552A
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바이이 후인
코우리 안토니오 엘
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완더크래프트
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
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Abstract

본 발명은 인간 조작자를 수용하는 이족 보행 외골격(1)을 이동시키기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 외골격(1)의 데이터 처리 수단(11)에 의해, a) 조작자가 운동 움직임을 수행하기 위해 외골격(1)에 의해 적용될 적어도 하나의 자세 지침을 획득하는 단계; (b) 적어도 하나의 결정된 자세 지침에 기초한 계층화된 역 운동학에 의해 외골격(1)의 궤적을 결정하는 단계로서, 상기 계층화된 역 운동학은, 가장 높은 우선 순위의 작업으로서, 조작자가 운동 움직임을 수행하면서 외골격(1)의 발을 지면에 유지하는 작업을 포함하는, 계층화된 작업의 스택을 포함하는, 단계를 구현하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

외골격을 이동시키기 위한 방법
본 발명은 외골격형 로봇(exoskeleton type robot) 분야에 관한 것이다.
보다 정확하게는, 운동모드(exercise mode)라는 모드로 외골격을 움직이는 방법에 관한 것이다.
최근, 하반신 마비(paralegics)와 같은 심각한 이동성 문제가 있는 사람들을 위해 외골격(exoskeleton)이라는 보조 보행 디바이스가 등장하였으며, 이는 조작자(operator)(인간 사용자)가 외골격의 움직임을 자신의 움직임으로 링크(link)하는 부착 시스템을 사용하여 "착용(put on)"하는 외부 로봇 디바이스이다. 자신의 움직임. 하지 외골격에는 보행 동작을 재현하기 위해 일반적으로 적어도 무릎과 엉덩이에 여러 개의 관절이 있다. 액츄에이터는 이러한 관절을 움직이게 하여 조작자를 움직이게 한다. 인터페이스 시스템(interface system)을 통해 조작자는 외골격에 주문을 내릴 수 있으며 명령 시스템은 이러한 주문을 액추에이터(actuator)에 대한 명령으로 변환한다. 센서는 일반적으로 디바이스를 완성한다.
이러한 외골격은 조작자가 일어서거나 보행할 수 있게 해주기 때문에 휠체어(wheelchair)보다 한 단계 더 발전한 것이다. 외골격은 더 이상 바퀴에 의해 제한되지 않으며 이론적으로 대부분의 도시 환경에서 진화할 수 있다. 바퀴는 다리와 달리 턱(step), 계단(stair), 너무 높은 높이의 장애물 등과 같은 중요한 장애물을 극복할 수 없다.
이동성 회복 외에도, 외골격은 재활(rehabilitation), 특히 뇌졸중(stroke)과 같은 신경학적 사고 후 재활에 큰 관심을 가지고 있다.
"수직화(verticalization)"는 특히 이동성이 감소된 사람들의 재활에 중요한 운동이다. 그것은 심리적이든 육체적이든 사람에게 중요한 영향을 미친다. 이 운동을 통해, 한편으로는, 주변 사람들과 같은 수준에 서서 사회적으로 상호 작용할 수 있으며 이는 사기(자신감과 존엄성)에 매우 좋다. 반면에, 호흡, 혈액 순환 및 소화 개선에 도움이 되며 근육 수축 및 욕창(bedsore) 발생을 예방한다.
"운동(exercise)" 모드는 환자 재활을 위해 및/또는 몸에 활력을 주기 위해 관심 있는 운동 움직임(exercise movement)을 수행하기 위해 환자가 움직이지 않고 두 발이 항상 지면에 접촉되어 있는(움직이지 않는) 외골격의 작동 모드이다.
문제는 하반신 마비 환자(paralegic)가 외골격이 "따라갈" 움직임을 만들 수 없다는 것이다. 보행의 경우, 외골격은 미리 정의된 궤적을 적용할 수 있지만 이는 운동 모드에서는 센서 데이터를 기반으로 움직임을 환자가 완전히 제어해야 하기 때문에 더 이상 가능하지 않다.
하반신 마비 환자가 선 자세에서 운동을 수행할 수 있게 해주는 외골격은 단 하나가 알려져 있으며, 이는 RexBionics의 REX이다. 그러나 이는 단순한 원리에 따라 작동한다: 즉, 외골격이 주어진 자세에서 얼어붙으면 환자가 상체를 움직일 수 있지만 외골격을 제어할 가능성은 전혀 없다.
이 해법은 가능한 운동 움직임을 크게 제한하는 것으로 이해된다. REX "Rexercises" 모드에서는 상체의 공과 웨이트 트레이닝 장비를 다룰 수 있는 반면, 환자가 스쿼트를 수행하고, 물체를 잡기 위해 구부리고(bend over), 엉덩이를 움직이는 것에 유익할 것이다.
게다가, 환자를 정적인 자세로 유지하는 것은 몇 가지 문제를 야기한다:
- 외골격에 갇힌 듯한 느낌;
- 환자의 큰 움직임으로 인해 로봇이 전복되어 환자가 부상을 입을 위험;
- 낮은 고도에 있는 물체에 도달하지 못함.
반대로, 수직화를 강화하고 도달 공간을 늘리면 이 운동에서 환자에게 동기를 부여하고 움직임을 제어할 수 있다.
환자에게 안정성과 보안을 유지하면서 더욱 다양한 운동을 가능하게 하는 외골격 이동을 위한 새로운 해법을 갖는 것이 바람직할 것이다.
따라서, 본 발명은 인간 조작자를 수용하는 이족 보행 외골격(bipedal exoskeleton)을 이동시키는 방법에 관한 제 1 양태에 관한 것이며, 이 방법은 외골격의 데이터 처리 수단에 의해 다음 단계의 구현을 포함하는 것을 특징으로 한다:
a) 조작자가 운동 움직임을 수행하기 위해 외골격에 의해 적용될 적어도 하나의 자세 지침(postural instruction)을 획득하는 단계;
b) 적어도 하나의 결정된 자세 지침에 기초한 계층화된 역 운동학에 의해 외골격의 궤적을 결정하는 단계로서, 상기 계층화된 역 운동학은, 가장 높은 우선 순위의 작업으로서, 조작자가 운동 움직임을 수행하는 동안 외골격(1)의 발을 지면에 유지하는 작업을 포함하는, 계층화된 작업의 스택을 포함하는, 단계.
유리하고 제한되지 않는 특징에 따르면:
계층화된 작업의 스택은 외골격의 발을 지면에 유지하는 작업보다 우선 순위가 낮은, 외골격의 나머지 부분을 제어하는 적어도 하나의 작업을 추가로 포함한다.
외골격의 나머지 부분을 제어하는 적어도 하나의 작업은 다음에서 선택된다.
- 외골격의 질량 중심(CoM)을 제어하는 작업;
- 외골격의 골반을 제어하는 작업;
- 외골격의 자세를 제어하는 작업.
계층화된 작업 스택은 우선 순위가 감소하는 순서대로 외골격의 발을 지면에 유지하는 작업, 외골격의 우선 순위을 제어하는 작업, 외골격의 골반을 제어하는 작업, 및 외골격의 자세를 제어하는 작업을 포함한다.
외골격의 CoM 제어 작업은 유연한 역진자 모델(flexible inverted pendulum model) 기반 컨트롤러(controller)를 통한 CoM 위치 제어 및 안정화 작업이다.
단계 (b)는 상기 결정된 궤적을 구현하기 위해 외골격 위치의 진화를 각 작업에 대해 정의하는 제어 루프의 실행을 포함한다.
작업마다 독립적인 제어 루프가 있으며, 계층화된 역 운동학은 상기 제어 루프 내에서 구현된다.
외골격의 위치는 외골격의 작동 자유도에 대한 관절 위치의 벡터(vector)로 정의된다.
단계 (a)는 외골격 센서에 의해 획득된 데이터로부터 조작자에 의한 움직임 의도를 식별하는 단계; 및 상기 움직임 의도로부터 적어도 하나의 자세 지침을 결정하는 단계를 포함한다.
적어도 하나의 자세 지침은 조작자의 상기 운동 움직임 동안 외골격의 원하는 자세를 정의하는 관절 지침 및/또는 질량 중심(CoM)이다.
제 2 양태에 따르면, 본 발명은 외골격을 이동시키기 위한 제 1 양태에 따른 방법을 구현하도록 구성된 데이터 처리 수단을 포함하는 외골격에 관한 것이다.
제 3 및 제 4 양태에 따르면, 본 발명은 외골격을 이동시키기 위한 제 1 양태에 따른 방법을 실행하기 위한 코드 명령; 및 컴퓨터 프로그램 제품이 외골격을 이동시키기 위한 제 1 양태에 따른 방법을 실행하기 위한 코드 명령을 포함하는 컴퓨터 장비에 의해 판독 가능한 저장 수단(storage means)을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 바람직한 실시예에 대한 다음의 설명을 읽으면 나타날 것이다. 이 설명은 첨부된 도면을 참조하여 제공된다.
- 도 1은 본 발명에 따른 방법에 의해 사용되는 외골격의 다이어그램이다.
- 도 2는 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예를 도시하는 도면이다.
- 도 3a는 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에 사용되는 제 1 제어 루프(control loop)를 개략적으로 도시한다.
- 도 3b는 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에 사용되는 제 2 제어 루프를 개략적으로 도시한다.
아키텍처(Architecture)
본 발명은 외골격(1)을 이동시키기 위한 방법을 제안한다.
도 1을 참조하면, 상기 외골격(1)은 두 개의 다리가 제공되어 작동되고 명령되는, 이족 보행 로봇 디바이스 유형의 관절식 기계 시스템으로, 더 정확하게는 외골격 1(특히 스트랩(strap) 사용)의 한쪽 다리와 일체형으로 된 하지를 갖는 인간 조작자를 수용할 수 있다. 따라서 이는 다소 휴머노이드 로봇(humanoid robot)일 수 있다.
여기서는 조작자의 움직임(외골격이 겪는 팔과 상체의 움직임을 가장 자주 포함하는 전체적 움직임이며 본 발명의 문맥상 "운동 움직임" 이라고 함)과 외골격(1) 단독의 움직임 또는 "궤적"(따라서 다리로 제한됨) 사이에 차이가 있다. 실제로 운동을 수행하는 사람은 조작자이므로 상체를 물리적으로 움직이고, 외골격(1)은 외골격(1)의 발이 지면에 닿아 움직이지 않는 상태를 유지하는 궤적을 구현하여 반응한다.
즉, 본 운동 모드에서는, 외골격(1)의 발을 고정한 상태로 외골격(1)을 이동시킨다. 이는 운동 모드에 의해 부과된 제약인 것으로 이해된다(즉, 발을 지면에 유지하는 것은 상기 운동 모드에 있을 때 외골격(1)에 의해 부과됨).
움직임을 만들어내기 위해, "외골격(1)의 발이 지면과 접촉을 유지하는 동안"의 움직임은 실제로 서있는 자세에서 다리에 대한 대체 지지로 변환되는 "보행" 유형의 움직임과 반대되는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 일반적으로 외골격의 보행 동작은 일련의 단계로 구성되고, 각각의 단계는 발이 땅에서 떨어진 후 역할이 바뀌기(즉, 왼발과 오른발의 단계의 교대) 전 휴식을 취한다.
따라서 본 방법의 맥락에서는 발의 부동성으로 인해 외골격(1)의 움직임이 없지만 예를 들어, REX에 대한 경우와 반대로, 외골격(1)은 계속 움직이고 있고(그리고 모든 자유도는 이동 가능하고) 조작자를 돕는다. 운동 모드의 일반적인 목적은 환자가 상체를 움직일 때 수직으로 안정시키면서 환자의 도달 공간을 늘리는 것이다. 예를 들어, 사용자가 앞에 있는 지면에 있는 무언가를 집을 수 있도록 외골격(1)의 무릎이 구부러지는 것이 필수적이라는 것이 실제로 이해된다.
예를 들어 조작자가 수행하는 운동 움직임은 다음과 같을 수 있다:
- 한쪽 또는 양쪽 팔로 물건을 들어올리기/당기기/잡기/던지기;
- 무언가를 집기 위해 몸을 구부림;
- 하나 또는 그 초과의 축선에서 골반의 회전 동작을 수행. 골반의 "롤링(rolling)" 동작(종축선 회전)을 일반적으로 "흔들기(swaying)"라고 함;
- 스쿼트(squat)를 함;
- 스트레칭(stretching)을 함;
- 스포츠(라켓 스포츠(racket sport), 복싱, 농구 등)를 함;
- 등.
그러나, 본 발명의 틀 내에서는 외골격(1)의 발이 고정된 상태에서 어떠한 운동 움직임이라도 안정적으로 수행할 수 있는 방법이 있다면 제한 없이 수행될 수 있음을 이해할 것이다.
외골격(1)은 복수의 자유도, 즉 각각 "작동(actuated)" 또는 "비작동(non-actuated)"되는 서로에 대해 움직일 수 있는 변형 가능한 관절(일반적으로 회전을 통해)을 갖는다. 작동된 자유도는 데이터 처리 수단(11)에 의해 명령되는 액츄에이터(actuator)가 제공되는 관절을 지정하며, 즉 이 자유도는 제어되고 작용될 수 있다. 앞으로 살펴보겠지만, 이러한 자유도 중 일부는 "유연할 수 있다(flexible)".
데이터 처리 수단(11)은 명령을 처리하고 다른 액추에이터에 대한 명령을 생성하도록 적응된 컴퓨터 장비(일반적으로 외골격(1)이 "원격 제어(remote-controlled)"되지만 바람직하게는 외골격(1)에 내장되는 경우 외부 프로세서, 아래 참조)를 지정한다. 후자는 전기, 유압 등이 될 수 있다.
외골격(1)은 데이터 저장 수단(12), 관성 측정 수단(14)(관성 유닛), 지면(13)에 대한 발의 충격을 검출하고, 필요한 경우, 접촉력(접촉 센서 또는 가능한 압력 센서)을 추정하기 위한 수단, 및/또는 센서가 장착된 조끼(15)를 추가로 포함할 수 있다.
본 출원은 임의의 외골격 아키텍처(1)로 제한되지 않을 것이며, 그 예는 출원 WO2015140352호 및 WO2015140353호에 설명된 대로 취해질 것이다.
따라서, 바람직하게 그리고 이러한 요청에 따라, 외골격(1)은 각 다리에 외골격을 착용한 사람의 다리의 발이 지탱할 수 있는 지지 평면을 포함하는 발 구조를 포함한다.
"외골격(1)의 발이 지면과 접촉하고 있는 상태"는 이러한 구조를 발이라고 칭하는 것을 의미한다.
그러나 당업자는 본 방법을 임의의 다른 기계적 구조에 적용할 수 있으며, 외골격이 각각 발로 끝나는 두 개의 다리를 갖는 것으로 충분한다.
원칙
외골격의 "궤적(trajectory)"은 전통적으로 시간 또는 위상 변수의 함수로 표현되는 각 자유도(특히 작동되지만 작동되지 않은 자유도는 다른 자유도의 명령 알고리즘에 포함될 수 있음)의 진화를 의미한다. 본 설명의 나머지 부분에서, 외골격(1)의 "위치(position)"는 유리하게는 다리당 개수가 6개인 작동 자유도의 관절 위치, 즉 차원 12의 벡터에 의해 정의되는 위치로 이해될 것이다.
-여기서의 궤적은 고정된 발이라는 제약이 있지만 모든 자유도가 계속해서 진화하는 것으로 이해된다.
이러한 제약을 존중하기 위해, 본 발명은 "계층화된" 역 운동학("hierarchized" inverse kinematics), 즉 복수의 계층화된 작업을 가짐으로써 궤도를 결정하는 것을 제안한다.
역 운동학(흔히 IK로 약칭)은 원하는 자세를 얻기 위해 외골격(1)의 "위치"(즉, 설명된 대로 모든 관절 위치의 구성)를 계산하기 위한 해법을 지정한다. 역 운동학이라는 용어는 계산의 해상도가 일반적으로 관절 모델의 운동 방정식을 기반으로 한다는 사실을 나타낸다.
"작업(task)"은 원하는 포즈의 전부 또는 일부를 정의하는 역 운동학 목표라고 하며(따라서 원하는 포즈는 결합 해제된 복수의 작업으로 정의될 수 있음), 가장 높은 우선 순위부터 가장 낮은 우선 순위까지 계층화된 소정의 작업 수를 "스택킹(stacking)"하여 제어 법칙을 얻는 방법이 알려져 있다. 이는 문헌에서 "작업의 스택(Stack of Tasks)"에 대해 SoT라고 한다.
역 운동학의 분해능은 일반적으로 계산적 관점에서 복잡하고, 특히 효율적인 계층화된 역 운동학 알고리즘이 현재 알려져 있더라도 복수의 계층화된 작업을 포함하는 경우, 예를 들어 문서: 미국 앵커리지, 2010년 5월, 로봇공학 및 자동화에 관한 IEEE Int . 회의( ICRA'10 )에서, 빠른 계층적-역 운동학적 분해능을 위한 전용 2차 프로그램(A Dedicated Quadradic Program for Fast Hierarchical-Inverse-Kinematic Resolution)(에이. 에스칸드 (A. Escande ), 엔. 만사드 (N. Mansard) 및 P-B. 위버(Wieber))를 참조한다.
본 발명은 외골격(1)의 발을 고정적으로 유지하는 작업을 가장 높은 우선 순위의 작업(작업 0)으로서, 운동 모드에 대해 계층화된 역 운동학을 매우 교묘하게 활용한다. 보다 정확하게는, 상기 가장 높은 우선 순위의 작업은 유리하게는 위치와 회전(6D)에서, 외골격(1)의 발의 제어를 보장하고, 이 발이 움직여서는 안 된다는 지침이 있다. 가장 우선 순위가 높은 작업인 만큼 가장 강력한 제약이므로, 덜 우선 순위가 높은 작업이 완수되지 않더라도, 즉 외골격이 정확히 예상되는 자세가 없더라도, 외골격(1)의 발이 지면에 남아 있는 것이 보장된다. 따라서, 종래 기술과 같이 외골격(1) 전체를 막지 않도록 허용된다.
당연히, 계층화된 역 운동학은 다음으로부터 우선적으로 선택된, 우선 순위가 낮은, 외골격(1)의 나머지 부분, 바람직하게는 2개 또는 심지어 3개를 제어하는 적어도 하나의 다른 작업을 추가로 포함한다:
- 특히 안정화를 위해 외골격(1)의 질량 중심(CoM)을 (위치에서) 제어하는 작업;
- 움직임을 보다 의인화하기 위해 외골격(1)의 골반을 (회전에서) 제어하는 작업;
- 알고리즘이 실행 가능한 해법을 향해 더 빠르게 수렴할 수 있도록 외골격(1)의 자세를 제어하는 작업.
바람직하게는, 계층화된 역 운동학은 우선 순위가 감소하는 순서(즉, 가장 높은 우선 순위에서 가장 낮은 우선 순위로)로 계층화된 이들 4개의 작업을 포함한다:
- 작업 0 - 발을 고정한 상태로 유지하는 작업;
- 작업 1 - 외골격 1의 CoM을 제어하는 작업;
- 작업 2 - 외골격 1의 골반을 제어하는 작업;
- 작업 3 - 외골격 1의 자세를 제어하는 작업.
다음과 같은 작업 조합을 구현할 수 있다: 작업 0과 1, 작업 0과 2, 작업 0과 3, 작업 0, 1과 2, 작업 0, 1과 3, 작업 0, 2와 3, 작업 0, 1 , 2 및 3.
순서에서 외골격(1)은 무엇보다도 발을 지면에 유지하고나서 CoM을 원하는 대로 안정적인 방식으로 배치하고 마지막으로 처음 두 조건이 충족되면 골반을 원하는 대로 전체 자세를 원하는 대로 가장 잘 배치하는 것으로 이해된다.
이러한 각각의 작업에 대한 제어 루프의 예는 나중에 자세히 살펴보겠다.
방법
도 2를 참조하면, 온보드 데이터 처리 수단(11)에 의해 구현되는 상기 외골격(1)을 이동하기 위한 방법은 조작자가 운동 움직임을 수행하기 위해 외골격(1)에 의해 적용될 적어도 하나의 자세 지침을 획득하는 단계(a)로 시작된다. 자세 지침은 외골격의 원하는 자세를 정의하는 CoM 및/또는 관절 지침을 의미한다. 예를 들어, 스쿼트의 경우 무릎을 구부리라는 지침이 있다. 각각의 자세 지침은 작업의 전부 또는 일부에 관심이 있을 수 있다는 것이 이해된다. 예를 들어, CoM 지침은 CoM을 제어하는 작업에 관심이 있지만 발을 지면에 유지하는 작업에는 관심이 없다.
공지된 방식으로, 단계 (a)는 센서에 의해 획득된 데이터로부터 조작자에 의한 움직임 의도를 식별하는 단계; 및 제약을 존중하면서, 상기 움직임 의도로부터 자세 지침을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
움직임의 의도를 식별하기 위해, 설명된 바와 같이 조작자는 자신의 흉상의 구성(이의 방향) 및/또는 원격 제어를 검출할 수 있는 센서 조끼(15)를 장착할 수 있다.
질량 중심 지침은 결국 관성 측정 수단(14)을 사용하여 결정될 수 있다.
아이디어(idea)는, 선택적으로 특히 피치 각도에 대해 미리 결정된 임계값과 비교한 후에, 예를 들어 관성 측정(피치_각도(pitch_angle) 및 롤_각도(roll_angle)로 표시)으로부터 결정된 조작자 몸통의 피치 각도 및/또는 롤 각도로부터 지침을 계산하는 것이 유리하다. 임계값 미만인 경우, 외골격(1)은 "균형(balance)" 모드에 있고; 시스템의 안정성을 유지하면서 조작자의 왼쪽/오른쪽 및 앞/뒤 움직임을 지원한다.
비례 법칙이 적용될 수 있으며 CoM의 지침 ct는 다음과 같은 방식으로 계산될 수 있다: cx=Kt*피치_각도 및: cy=Kr*롤_각도.
피치 각도에 대한 동일한 임계값 위에서, 외골격은 "스쿼트" 모드에 있다: 각도가 클수록 외골격은 반 스쿼트 자세로 더 많이 위치한다: 즉, 롤에 대한 비례 법칙이 유지될 수 있지만(즉, cy=Kr*롤_각도), 유리하게는 피치 각도를 세미 스쿼트로 이어지는 자세와 링크하는 기하학적 법칙이 피치에 사용되며, 그런 다음, cx에 대한 특정 지침이 아닌, 상기 세미 스쿼트 자세를 정의하는 외골격(1)의 관절과 관련된 자세 지침이 얻어진다.
같은 방식으로, 움직임을 조작자에게 더욱 의인화하고 즐겁게 만들기 위해, 외골격은 등의 측면 굴곡 움직임을 보조하고 특히 비례 법칙: c롤 _각도_골반=Kr*롤_각도 따라 골반 자세에 대한 지침 ct를 계산할 수 있다.
자세 지침을 정의하기 위한 특정 전략에는 제한이 없으며 이러한 지침의 수와 성격은 운동 움직임마다 매우 다를 수 있다는 것이 이해될 것이다. 당업자는 자신이 선택한 자세 지침을 정의하는 방법을 알 것이며, 외골격(1)은 모든 경우에 이를 사용하는 방법을 알 것이다.
그 다음, 단계 (b)에서, 설명된 바와 같이, 결정된 자세 지침(들)에 따라 계층화된 역 운동학의 구현에 의해 발이 지면에 남아 있는 동안 외골격(1)의 궤적이 결정되고 조작자가 운동 움직임을 수행함에 따라 외골격(1)의 발을 지면에 유지시키는 작업이 가장 높은 우선 순위를 갖는다.
바람직하게는, 단계 (b)는 이전에 "유연성(flexibility)" 안정화 및 보상 알고리즘을 통해 질량 중심 명령을 질량 중심 가속도 지침으로의 변환을 추가로 포함할 수 있다.
보다 정확하게는 외골격(1)은 "강성 로봇(rigid robot)", 즉 강성 로봇 공학의 기존 방정식으로 역학이 충분히 잘 설명될 수 있는 관절형 시스템으로 간주될 수 없다:
- 외골격(1)의 조작자 자체가 잠재적으로 심각한 장애의 원인이고;
- 외골격 부분은 변형 가능하고(특히 발목 및/또는 엉덩이), 이는 특히 조작자가 옆으로 몸을 기울일 때 CoM이 일반적으로 더 멀리 떨어져 잠재적으로 안정성 영역에서 벗어날 수 있다는 사실을 초래한다.
본 방법은 상기 지침 변환을 위한 강성 로봇과 관련된 외골격(1)의 유연성 모델을 고려함으로써 이러한 어려움을 매우 영리하게 해결한다.
따라서, 외골격(1)의 CoM을 제어하는 작업은 바람직하게는 유연한 역진자 모델을 기반으로 한 컨트롤러를 통해 CoM의 위치 제어 및 안정화 작업이고, 예를 들어 문서: 휴머노이드 로봇 공학의 국제 저널(International Journal of Humanoid Robotics), World Scientific Publishing, 2015년의 관성 측정 유닛과 접촉 정보만을 이용한 인간형 유연성 변형 추정 및 안정화(Estimation and Stabilization of Humanoid Flexibility Deformation Using Only Inertial Measurement Units and Contact Information)(메디 베날레그 ( Mehdi Benallegue ), 플로랑 라미로 ( Florent Lamiraux))를 참조한다.
마지막으로, (c)단계에서는, 상기 궤적을 실행하여 운동 움직임을 수행하게 된다.
작업 제어 루프
알려진 방식으로, 상기 방법은 상기 결정된 궤적을 구현하기 위해, 즉 외골격(1)을 이동시키기 위해, 외골격(1)의 위치(즉, 관절 위치의 벡터)의 진화를 각각의 작업에 대해 정의하는 제어 루프의 실행을 포함한다. 이러한 루프를 실행하면 단계 (b)와 (c)를 실시간으로 구현할 수 있는 것으로 이해된다.
전반적으로, 작업당 하나의 루프가 있으며 계층화된 역 운동학은 실제로 상기 제어 루프 내에서 구현된다.
따라서, 예를 들어, 작업 0에는 발의 위치/방향에 대한 제어 루프가 있고, 작업 1에는 CoM 위치에 대한 제어 루프가 있으며, 작업 2에는 골반 방향에 대한 제어 루프가 있고 및/또는 작업 3의 경우 자세에 대한 제어 루프이다.
도 3a와 3b를 참조하면 두 가지 유형의 제어 루프를 가질 수 있다.
- 예를 들어, 도 3a에 예시된, 제 1 제어 루프는 외골격(1)의 발을 지면에 유지하는 작업과 외골격의 골반 제어 및 외골격 자세(1) 제어가 가능한 작업을 위한 것이고;
- 예를 들어, 도 3b에 예시된 제 2 제어 루프는 CoM 제어 작업과 관련이 있다.
주어진 작업에 대해 임의의 제어 루프가 작업과 관련하여 관심 있는 자세 지침(들)을 입력으로 취하고 역 운동학을 구현하고 적어도 하나의 컨트롤러가 사용될 수 있다는 것으로 이해되더라도 루프 각각의 일 실시예가 이제 더 자세히 설명될 것이다.
도 3a(제 1 루프)의 예에서, 작업과 관련하여 관심 있는 자세 지침은 , 특히 작업과 관련된 신체 또는 외골격(1) 부분의 파생물(속도) 및 2차 파생물(가속도)의 예상 위치/방향으로 기록된다. 예를 들어, 외골격(1)의 발을 지면에 유지하는 작업의 경우, 일정하게 유지되어야 하는 발(6D)의 위치/방향(즉, 0 도함수 및 2차 도함수)가 필요하다.
그런 다음 루프는 이러한 지침과 외골격(1)의 현재 상태의 대응하는 추정 값()(즉, 작업과 관련된 신체 또는 외골격(1) 부분의 추정 위치/방향, 예를 들어 외골격(1) 발의 추정 위치) 사이의 기록된 에러()의 계산을 포함한다.
예를 들어 비례 미분(PD)과 같은 제 1 컨트롤러는 작동 각도()적용되는(목표라고 함) 오류 및 위치/속도로부터 명령()을 계산한다.
계층화된 역 운동학은 바람직하게는 위에서 언급한 문서: 미국 앵커리지, 2010년 5월, 로봇공학 및 자동화에 관한 IEEE Int . 회의( ICRA'10 )에서, 빠른 계층적-역 운동학적 분해능을 위한 전용 2차 프로그램(A Dedicated Quadradic Program for Fast Hierarchical-Inverse- Kinematic Resolution)(에이. 에스칸드 (A. Escande ), 엔. 만사드 (N. Mansard) 및 P-B. 위버(Wieber))에 제안된 알고리즘을 적용함으로써 작업 스택(IK + SoT)에서 구현될 수 있어, 작동된 각도()의 목표 가속도를 정확하게 결정하고 하나 또는 두 개의 통합을 통해 작동된 각도()의 목표 위치/속도를 찾을 수 있다.
저수준 컨트롤러(LLC)를 사용하면 목표() 및 외골격(1) 자유도의 순간 상태()를 기반으로 외골격의 액추에이터를 제어할 수 있다.
유리하게는, 관성 측정에 기초한 변형 추정기는 예를 들어 바인(Vigne), 매튜(Matthieu) 등의 문서: " IMU를 사용한 다중 유연성을 갖춘 다리 로봇의 상태 추정: 운동학적 접근(State Estimation for a Legged Robot With Multiple Flexibilities Using IMU s: A Kinematic Approach)" IEEE 로봇공학 및 자동화 서신(IEEE Robotics and Automation Letters) 5.1 (2019): 195-202에 설명된 알고리즘을 사용하여 작동된 각도()(유연성을 고려한 값()의 수정에 해당)의 "실제" 위치/속도를 추정한다.
마지막으로, 직접 운동학을 사용하면 지침(즉, 작업에 포함된 신체 또는 외골격(1) 부분의 위치/방향)에 해당하는 추정 값()을 추론할 수 있다.
도 3b의 예에서 는 CoM 제어 작업, 즉 CoM 지침과 관련하여 관심 있는 자세 지침을 나타낸다. 아직 가속 지침이 없다는 점에 유의한다. 바람직한 모드에서는 외골격(1)의 유연성의 안정화 및 보상을 위한 알고리즘을 통해 도출되기 때문이고, 이는 유리하게는 선형-2차 유형(LQR, 선형 - 2차 조정기)의 유연한 역진자 모델을 기반으로 하는 컨트롤러이다. 출력()은 다른 작업의 과 동일한 방식의 명령이다.
제 1 루프와 동일한 방식으로, 계층화된 역 운동학은 바람직하게는 위에서 언급한 문서: 미국 앵커리지, 2010년 5월, 로봇공학 및 자동화에 관한 IEEE Int . 회의(ICRA'10)에서, 빠른 계층적-역 운동학적 분해능을 위한 전용 2차 프로그램(A Dedicated Quadradic Program for Fast Hierarchical-Inverse- Kinematic Resolution)(에이. 에스칸드 (A. Escande ), 엔. 만사드 (N. Mansard) 및 P-B. 위버 (Wieber))에 제안된 알고리즘을 적용함으로써 작업 스택(IK + SoT)에서 구현될 수 있어, 작동된 각도()의 목표 가속도를 정확하게 결정하고 하나 또는 두 개의 통합을 통해 작동된 각도()의 목표 위치/속도를 찾을 수 있다.
동일한 저수준 컨트롤러(LLC)를 사용하면 외골격(1) 자유도의 목표() 및 순간 상태()를 기반으로 외골격의 액추에이터를 제어할 수 있다.
유리하게는, 관성 측정에 기초한 변형 추정기는 예를 들어 바인(Vigne), 매튜(Matthieu) 등의 문서: " IMU를 사용한 다중 유연성을 갖춘 다리 로봇의 상태 추정: 운동학적 접근(State Estimation for a Legged Robot With Multiple Flexibilities Using IMU s: A Kinematic Approach)" IEEE 로봇공학 및 자동화 서신(IEEE Robotics and Automation Letters) 5.1 (2019): 195-202에 설명된 알고리즘을 사용하여 작동된 각도()(유연성을 고려한 값()의 수정에 해당)의 "실제" 위치/속도를 추정한다.
마지막으로, 직접 운동학을 사용하면 지침에 해당하는 추정 값()(즉, CoM의 추정 위치/속도)를 추론할 수 있다.
장비 및 시스템
제 2 양태에 따르면, 본 발명은 제 1 양태에 따른 방법을 구현하기 위한 외골격(1)에 관한 것이다.
외골격(1)은 제 1 양태에 따른 방법을 구현하도록 구성된 데이터 처리 수단(11)뿐만 아니라 필요한 경우 데이터 저장 수단(12), 관성 측정 수단(14)(관성 유닛), 지면에 대한 발의 충격을 감지하기 위한 수단(13)(접촉 센서 또는 압력 센서일 수도 있음) 및/또는 센서가 장착된 조끼(15)을 포함한다.
이는 데이터 처리 수단(11)에 의해 명령된 액츄에이터에 의해 작동되는 적어도 하나의 자유도를 포함하는 복수의 자유도를 갖는다.
컴퓨터 프로그램 제품
제 3 및 제 4 양태에 따르면, 본 발명은 외골격(1)을 이동시키는 제 1 양태에 따른 방법을 (처리 수단(11)에서) 실행하기 위한 코드 지침(code instruction)과 본 컴퓨터 프로그램 제품이 위치된 컴퓨터 장비로 판독 가능한 저장 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.

Claims (13)

  1. 인간 조작자를 수용하는 이족 보행 외골격(bipedal exoskeleton; 1)을 이동시키기 위한 방법으로서,
    상기 외골격(1)의 데이터 처리 수단(data processing means; 11)에 의해,
    a) 조작자(operator)가 운동 움직임(exercise movement)을 수행하기 위해 상기 외골격(1)에 의해 적용될 적어도 하나의 자세 지침(postural instruction)을 획득하는 단계;
    (b) 적어도 하나의 결정된 자세 지침에 기초한 계층화된 역 운동학(hierarchized inverse kinematics)에 의해 상기 외골격(1)의 궤적을 결정하는 단계로서, 상기 계층화된 역 운동학은, 가장 높은 우선 순위의 작업으로서, 상기 조작자의 운동 움직임 동안 상기 외골격(1)의 발을 지면에 유지하는 작업을 포함하는, 계층화된 작업의 스택(stack)을 포함하는, 단계를 구현하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 계층화된 작업의 스택은 상기 외골격(1)의 발을 지면에 유지하는 작업보다 우선 순위가 낮은, 상기 외골격(1)의 나머지 부분을 제어하는 적어도 하나의 작업을 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 외골격(1)의 나머지 부분을 제어하는 상기 적어도 하나의 작업은:
    - 상기 외골격(1)의 질량 중심(CoM)을 제어하는 작업;
    - 상기 외골격(1)의 골반을 제어하는 작업(1);
    - 상기 외골격(1)의 자세를 제어하는 작업으로부터 선택되는, 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 계층화된 작업의 스택은, 우선 순위가 감소하는 순서대로, 상기 외골격(1)의 발을 지면에 유지하는 작업, 상기 외골격(1)의 CoM을 제어하는 작업, 상기 외골격(1)의 골반을 제어하는 작업, 및 상기 외골격(1)의 자세를 제어하는 작업을 포함하는, 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 외골격(1)의 CoM을 제어하는 작업은 유연한 역진자 모델(flexible inverted pendulum model)을 기반으로 하는 컨트롤러(controller)를 통한 CoM 위치 제어 및 안정화 작업인, 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (b)는 상기 결정된 궤적을 구현하기 위해 상기 외골격(1)의 위치 진화를 각 작업에 대해 정의하는 제어 루프(control loop)를 실행하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    작업마다 독립적인 제어 루프가 있고, 상기 계층화된 역 운동학은 상기 제어 루프 내에서 구현되는, 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 외골격(1)의 위치는 상기 외골격(1)의 작동 자유도(actuated degrees of freedom)의 관절 위치의 벡터(vector)에 의해 정의되는, 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (a)는 상기 외골격(1)의 센서에 의해 획득된 데이터로부터, 조작자에 의한 움직임 의도를 식별하는 단계; 및 상기 움직임 의도로부터 적어도 하나의 자세 지침을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자세 지침은 상기 조작자의 상기 운동 움직임 동안 상기 외골격(1)의 원하는 자세를 정의하는 관절 지침 및/또는 질량 중심(CoM)인, 방법.
  11. 외골격(1)을 이동시키기 위한 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 구현하도록 구성된 데이터 처리 수단(11)을 포함하는, 외골격(1).
  12. 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터에서 실행될 때, 외골격(1)을 이동시키기 위한 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 코드 지침(code instruction)을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
  13. 컴퓨터 프로그램 제품이 외골격(1)을 이동시키기 위한 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 코드 지침을 포함하는 컴퓨터 장비에 의해 판독 가능한, 저장 수단(storage means).
KR1020247013552A 2021-10-06 2022-10-06 외골격을 이동시키기 위한 방법 KR20240089031A (ko)

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