WO2015099292A1 - 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템 및 제어방법 - Google Patents

슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템 및 제어방법 Download PDF

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WO2015099292A1
WO2015099292A1 PCT/KR2014/011114 KR2014011114W WO2015099292A1 WO 2015099292 A1 WO2015099292 A1 WO 2015099292A1 KR 2014011114 W KR2014011114 W KR 2014011114W WO 2015099292 A1 WO2015099292 A1 WO 2015099292A1
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pressure
walking
foot
joint angle
angle
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이응혁
엄수홍
장문석
이원영
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한국산업기술대학교산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a joint angle control system and a control method of a knee-type walking training robot, and more particularly, to estimate the gait phase of a walking rehabilitation robot and to actively respond to the walking-type walking training robot based on the gait phase. It relates to a joint angle control system and a control method.
  • the elderly population is rapidly increasing as the life span of human beings is extended due to the improvement of diet and medical technology.
  • the older people exercise regularly, the more important they are to maintain a healthy life for the rest of their lives. If you're free to go, you can go to the nearby spring ground every morning or walk around the village regularly to get some light exercise. However, for older people or those with disabilities who are uncomfortable with mobility, exercising outdoors is dangerous and difficult.
  • Abnormal walking of the elderly is a major factor that impedes ADL (Activities of Daily Living), and also acts as a cause of falls and becomes passive in social participation due to anxiety of movement. Therefore, in order to improve the quality of life (QOL) of the elderly, it is necessary to walk rehabilitation of the elderly.
  • ADL Actively of Daily Living
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 10-0623417 (registered on September 6, 2006)
  • Patent Document 1 includes a plurality of legs installed at both front and rear sides, and the rear of the legs while being bent in an open channel shape to form upper ends of the legs.
  • a lower body having a horizontal frame for connecting;
  • An upper body having a plurality of connection frames connecting fronts of the vertical frames corresponding to each other at left and right sides and having at least one pair disposed at left and right sides and detachably coupled at both ends of the horizontal frame and arranged at a height;
  • a safety stopper connected to the upper body to be worn by a pedestrian, wherein the safety stopper is disclosed for a walking aid for elderly and rehabilitation patients detachably connected to the upper body by at least four fasteners.
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 2012-0064571 (published on June 19, 2012) discloses a sensor unit for detecting an input EMG signal and analyzing the detected EMG signal, and muscle contraction through the analyzed EMG signal.
  • a gait assist robot control apparatus including a signal generator configured to generate a gait signal according to a degree of change, and a controller to control a gait assist robot using the generated gait signal.
  • the joint angle estimation of the knee joint uses a method using a pressure sensor (FSR: Force Sensing Resistor) at the plantar part, a method using an angle or angular velocity sensor (tilt, acceleration or gyro sensor, etc.), vision system
  • FSR Force Sensing Resistor
  • tilt tilt, acceleration or gyro sensor, etc.
  • vision system Although the method used is proposed, it is difficult to estimate the step of walking in time series.
  • An object of the present invention is to solve the problems described above, to provide a joint angle control system and control method of the knee-type walking training robot that can estimate the joint angle by using a pressure sensor in the leg to be estimated. .
  • Another object of the present invention is to time-series the data of the five pressure sensors and based on this, the movement time of walking, the length of the sole touching the ground, and the estimated value is used to estimate the angle of the sole with the ground It is to provide a joint angle control system and a control method of a knee-type walking training robot that uses the robot's control variables by inferring the joint angle of the knee when walking.
  • the joint angle control system of the walking training robot is a system for controlling the joint angle of the knee-type walking training robot, and a pressure measuring device for measuring the pressure of the sole of a pedestrian using a pressure sensor; And a joint angle estimating device for estimating the joint angle of the knee joint by extracting the moving time of the walking and the length of the foot touching the ground based on the pressure of the sole measured by the pressure measuring device.
  • the pressure measuring device transmits each pressure value measured by the pressure measuring part provided in correspondence with the sole and the pressure measuring part to the joint angle estimating device. It characterized in that it comprises a transmission unit.
  • the joint angle estimating apparatus receives a pressure value transmitted from the transmitter, and estimates the step of walking with respect to the pressure value received from the receiver. And a joint angle estimator for estimating a joint angle of the knee joint when the foot extract is estimated by an angle formed by the sole of the ground according to the extracted value extracted by the pressure extractor.
  • the pressure extraction unit is characterized in that to extract the pressure in time series according to the step of walking.
  • the pressure measuring unit includes a plurality of pressure sensors sequentially disposed toward the big toe on the heel in response to the movement of the foot pressure during walking. .
  • the joint angle control method of the walking training robot according to the present invention to achieve the above object is a method of controlling the joint angle of the knee-type walking training robot, (a) by applying a plurality of pressure sensors to the pressure of the foot during walking Sensing (b) transmitting the pressure value detected in step (a) to a pressure extractor, (c) extracting a walking speed and a guarantee at the pressure extractor, (d) said step (c) Inferring the angle between the sole of the foot and the ground according to the extraction value extracted from the step (e) when walking inferred in the step (d), controlling the joint angle of the walking training robot according to the joint angle of the knee joint. Characterized in that.
  • the step (c) is time-series by a plurality of pressure sensors sequentially disposed toward the big toe on the heel in response to the movement of the foot pressure during walking. It is characterized in that the extraction.
  • step (c) is
  • Fi time is an FSR sensor exceeding a time threshold
  • Timer max is a timer period
  • FSR threshold is a value defined as '1' if the measured value exceeds the threshold
  • Dtime is a sensor measurement period.
  • the joint angle of the knee joint in the step (e) is set to the angle of the knee joint ⁇ Foot angle ⁇ 1.5, Foot angle is the angle between the foot and the ground It features.
  • the angle Foot angle between the foot and the ground is
  • Foot angle tan -1 (S1_MD / (Foot_length ⁇ ⁇ ))
  • S1_MD is the moving distance of the pressure sensor S1
  • Foot_length is the foot length of the pedestrian in cm
  • ⁇ is the position constant of each pressure sensor (S1: 0, S2: 0.4, S3: 0.7, S4: 0.8, S5: 1).
  • the joint angle control system and control method of the knee-type walking training robot according to the present invention, by implementing a device for measuring the pressure of the foot to estimate the walking step and qualitatively correlate the step of walking and the knee joint Through the analysis, the effect of the joint angle of the knee-type walking training robot can be easily controlled.
  • the joint angle control system and control method of the knee-type walking training robot according to the present invention, by controlling the joint angle of the walking training robot, the effect can be easily applied to the walking of the walking rehabilitation.
  • FIG. 1 is a block diagram of a joint angle control system of a knee-type walking training robot according to the present invention
  • FIG. 3 is a layout view of a pressure sensor applied for controlling the joint angle of the knee-type walking training robot according to the present invention
  • FIG. 4 is a flow chart for explaining a joint angle control method of a knee-type walking training robot according to the present invention
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a state in which human walking is classified step by step
  • FIG. 6 is a view of analyzing a frame by taking a plurality of ordinary people walking with a video
  • FIG. 8 is a diagram showing a walking pattern by a foot
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a device for estimating a walking step by mounting the pressure sensor shown in FIG. 3 to a shoe insole,
  • 11 is a view for explaining the support pattern of the foot
  • Human walking is largely divided into a stance phase and a swing phase.
  • the standing section takes up 60% of the walking phase and is the section where the feet touch the ground. Slings occupy 40% of the walking phase, where the foot falls off the ground, swings, and the foot rests on the ground.
  • the step of walking can be easily estimated in time series according to the arrangement of the pressure sensor, the division of the walking step is applied to the method using a pressure sensor (foot pressure).
  • FIG. 1 is a block diagram of a joint angle control system of a knee-type walking training robot according to the present invention
  • Figure 2 is a view for explaining the steps of walking
  • Figure 3 is a joint angle of the knee-type walking training robot according to the present invention
  • the joint angle control system of the walking training robot is a system for controlling the joint angle of the knee-type walking training robot, a pressure measurement for measuring the pressure of the sole of the pedestrian using a pressure sensor
  • the apparatus 100 and the joint angle estimating apparatus 200 for estimating the joint angle of the knee joint by extracting the moving time of the walking and the length of the sole touching the ground based on the pressure of the sole measured by the pressure measuring apparatus 100 Include.
  • the pressure measuring device 100 transmits the pressure measuring unit 110 provided in correspondence with the sole and the pressure values measured by the pressure measuring unit 110 to the joint angle estimating apparatus 200. ).
  • the pressure measuring unit 110 includes five pressure sensors S1, S2, S3, S4, and S5 sequentially disposed from the heel to the big toe in response to the movement of the foot pressure during walking. Include.
  • Such sequentially arranged pressure sensors may provide, for example, a capacitive pressure sensor using conductive fibers in the form of an insole of a shoe.
  • the pressure sensors S1, S2, S3, S4, and S5 are sensors in which a resistance value changes according to a change amount of force applied to the sensor. Therefore, it is possible to sequentially estimate each walking step by properly placing each sensor.
  • the step of walking is shown in FIG. 2. Normally, the time when the foot touches the ground is called the stance and the foot pressure is moved sequentially from the foot strike of the foot to the forefoot strike.
  • five pressure sensors S1, S2, S3, S4, and S5 are arranged as shown in FIG. 3 based on the foot pressure distribution.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the number of pressure sensors may be increased. It may be.
  • the transmitter 120 is electrically connected to the five pressure sensors S1, S2, S3, S4, and S5, respectively, and transmits the detected pressure values to the joint angle estimator 200 by wire or wirelessly.
  • Such a transmission unit 120 may be provided on the side portion of the shoe worn by the pedestrian so as not to receive the foot pressure of the pedestrian.
  • the joint angle estimating apparatus 200 adjusts the joint angle of the knee joint according to the receiver 210 receiving the pressure value transmitted from the transmitter and the pressure value received from the receiver 210. And joint angle estimating means 220 for estimating.
  • the joint angle estimating means 220 has a sole based on the extraction value extracted by the pressure extractor 221 and the pressure extractor 221 for estimating the step of walking with respect to the pressure value received by the receiver 210. It includes a joint angle estimator 222 for estimating the joint angle of the knee joint when estimating the angle with the ground.
  • the pressure extracting unit 221 estimates the walking step by measuring the values of the five pressure sensors S1, S2, S3, S4, and S5 as shown in FIG. 3 according to the step of walking.
  • Figure 4 is a flow chart for explaining the joint angle control method of the knee-type walking training robot according to the present invention
  • Figure 5 is a view showing a state in which the human walking step by step
  • Figure 6 is a video of a number of common walking
  • Figure 7 is a drawing analyzed by frame
  • Figure 7 is a view for explaining the relationship between the angle of the sole and the knee joint with the ground
  • Figure 8 is a diagram showing the form of walking by the limbs
  • Figure 9 is in Figure 3 It is a block diagram of a device for estimating the walking step by mounting the illustrated pressure sensor on the shoe insole.
  • five pressure sensors S1, S2, S3, S4, S5 are provided in a shoe insole having the function of a flexible substrate.
  • the five pressure sensors S1, S2, S3, S4 and S5 detect the pressure of the sole during walking (S10).
  • the five pressure sensors S1, S2, S3, S4, and S5 are electrically connected to the transmitter 120, respectively, and the transmitter 120 is equipped with five pressure sensors S1, S2, S3, S4, and S5.
  • step S20 the detected pressure values are transmitted to the receiver 120.
  • the step of estimating the walking step by measuring the values of the five pressure sensors (S1, S2, S3, S4, S5) by time division in order to detect the pressure change time of the foot pressure (S30).
  • S1, S2, S3, S4, S5 the pressure change time of the foot pressure
  • Fi time is an FSR sensor exceeding a time threshold
  • Timer max is a timer period
  • FSR threshold is a value defined as '1' when the measured value exceeds the threshold
  • Dtime is a sensor measurement period.
  • the standing phase of human walking can be seen in four stages when compared to an animal, and as shown in FIG. 5, it is divided into 'calcaneograde' ⁇ 'plantugrade' ⁇ 'digigrade' ⁇ 'unguligrade' in Latin.
  • the human skeletal structure is not kinematically perfect, so it compensates for the muscle unstable skeletal structure. For this reason, in the present invention, qualitative analysis was performed prior to quantitative analysis of the correlation between the walking stage and the knee joint.
  • qualitative analysis as shown in FIG. 6, a plurality of common walks were taken as a video, and a result was obtained by combining the analysis method for each frame and the human walking analyzed by 'Perry'.
  • the present invention is to provide a method for controlling the angle of the knee joint based on the information of the stance of walking.
  • W_S Foot_length / (F5 time -F1 time )
  • W_S is a walking speed
  • F5 time is the time when the pressure sensor S5 is in contact with the ground in FIGS. 3 and 7
  • F1 time is the time when the pressure sensor S1 is in contact with the ground in FIGS. 3 and 7
  • Foot_length is the foot length of the pedestrian in cm.
  • S1_MD is the moving distance of the pressure sensor S1
  • W_S is the walking speed
  • F? ' time is a time at which the pressure sensors S2 to S5 are separated from the ground in FIGS. 3 and 7
  • F1 ' time is a time at which the pressure sensor S1 is separated from the ground in FIGS. 3 and 7.
  • Foot angle tan -1 (S1_MD / (Foot_length ⁇ ⁇ ))
  • Foot angle is the angle between the foot and the ground
  • S1_MD is the moving distance of the pressure sensor S1
  • Foot_length is the foot length (unit: cm) of the pedestrian
  • ⁇ is the position constant of each pressure sensor (S1: 0, S2: 0.4, S3: 0.7, S4: 0.8, S5: 1).
  • Equations 2 to 5 the precondition is that the ankle and the foot are vertical 90 degrees.
  • the reason why the method of controlling the angle of the knee joint according to the present invention is possible is to measure the time of pressure change of the pressure sensors S1 and S5 shown in FIG. 3 while walking from 'calcaneograde' to 'plantugrade'.
  • the distance of the walking can be known from the length of the foot, so the speed of walking can be estimated.
  • the angle between the sole and the ground is inferred according to the estimated walking speed (S40).
  • step S40 The angle inferred in step S40 is substituted into Equation 5 to estimate the angle of the knee joint.
  • the robot flexibly moving to the ankle is able to walk normally through walking training. That is, according to the present invention can control the joint angle of the walking training robot (S50).
  • FIG. 10 is a graph illustrating a measurement state of a pressure sensor measured according to the present invention
  • FIG. 11 is a view for explaining a support pattern of a foot
  • FIG. 12 is a graph showing an angle of a knee joint measured according to the present invention.
  • the experimental method reproduced the pressure sensor arrangement as shown in FIG. 3 on the shoe insole to estimate the step of walking.
  • an inertial sensor capable of measuring an angle at the knee. The comparison was verified by attaching.
  • FIG. 10 is a walking step graph actually measured. As shown in FIG. 11, the pressure of the foot of the human body that 'perry' previously studied is different depending on the curvature of the sole. Therefore, when comparing FIG. 10 and FIG. 11, it is judged that the foot pressure measured by this invention was measured correctly.
  • the inertial sensor was attached to the knee as shown in (b) of FIG. 9 to measure the joint angle.
  • the agreement between the measurement result and the joint angle estimation proposed in the present invention is shown in Table 1 below.
  • the present invention proposed a method for estimating the joint angle for controlling the joint angle of the knee robot based on the step of walking.
  • a device to measure the pressure of the foot to estimate the walking level and to qualitatively analyze the correlation between the walking level and the knee joint.
  • the angle between the sole of the foot and the ground was about twice that of the joint angle of the knee joint.
  • This hypothesis was verified by experiment and showed ⁇ 89% agreement with actual joint angle. This figure proves that the method proposed in the present invention can be regarded as a meaningful method.

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Abstract

보행 재활자의 보행 단계를 추정하고 이를 바탕으로 보행 단계에 따라 능동적으로 대응하는 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 압력센서를 이용하여 보행자의 발바닥의 압력을 측정하는 압력 측정장치 및 상기 압력 측정장치에서 측정한 발바닥의 압력을 기초로 보행의 이동시간과 발바닥이 지면에 닿는 길이를 추출하여 슬관절의 관절각을 추정하는 관절각 추정장치를 포함하는 구성을 마련하여, 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각을 용이하게 제어할 수 있다.

Description

슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템 및 제어방법
본 발명은 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 특히 보행 재활자의 보행 단계(gait phase)를 추정하고 이를 바탕으로 보행 단계에 따라 능동적으로 대응하는 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
최근 식생활의 개선 및 의료기술의 발달로 인간의 수명이 늘어나면서 노령인구가 급격히 증가하고 있다. 노인일수록 매일 규칙적으로 운동하는 것이 남은 생애동안 건강한 삶을 유지하기 위해 무엇보다도 중요하다. 거동이 자유로운 노인의 경우, 매일 새벽에 가까운 약수터에 가거나 동네 어귀를 거닐면서 규칙적으로 가벼운 운동을 할 수 있다. 그러나, 고령이거나 질환을 가져 거동이 불편한 노인의 경우, 야외에서 운동을 하는 것은 위험하고 어려운 일이다.
또한, 각종 산업재해나 교통사고, 중풍 등의 질환으로 신체를 잘 움직이지 못하는 재활환자에게는 가정에서라도 매일 정해진 시간 동안 규칙적으로 재활운동을 하는 것이 이전의 건강한 몸 상태로 돌아갈 수 있게 하는 최선의 방법이다. 몸체를 고정하여 직립보행운동을 하게 하는 로봇형 보행운동기구가 출시되어 있지만, 고가이다 보니 구입하기가 어렵다. 또한, 노약자나 재활환자 등이 손쉽게 몸체를 고정하여 안전하게 보행 및 주행 운동을 할 수 있도록 이루어진 운동기구가 필요하다.
고령자는 신체기능의 노화로 인하여 젊은 사람에 비해 기능적 차이가 발생한다. 기능적 차이는 신체 반응시간, 지연, 인지 기능의 감퇴, 평형감각 감소 등이 있다. 이러한 원인으로 고령자의 보행은 속도와 보장(step length), 보행 빈도, 관절 가동범위 및 각속도의 감소, 평형 감각 등이 제한적이게 된다.
고령자의 비정상적인 보행은 ADL(Activities of Daily Living)을 방해하는 큰 요인이며, 또한 낙상의 원인으로 작용하게 되어 이동의 불안함으로 사회참여에 수동적이게 된다. 그렇기 때문에 고령자의 QOL(quality of life)을 향상시키기 위해서는 고령자의 보행 재활이 필요하다.
고령자의 보행기능을 재생하기 위해서는 운동을 통해 근력을 유지 및 증대시켜야 한다. 이를 위해 보행자의 보행의 특성을 파악하여 적합한 재활프로그램을 만들고, 이를 통한 체계적이고 반복적인 재활훈련을 수행하여야 한다. 재활훈련을 수행하기 위해 고령자가 의지할 수 있는 보조기구를 많이 활용하고 있다. 보조기구는 반복 작업을 쉽게 구현할 수 있고, 환자의 자세를 대신 지탱하여 출 수 있어 안전성을 높이고 훈련 효과를 높일 수 있다. 실제로 보조기구를 이용한 재활은 상완 재활 치료와 신경 재활치료에서 효과를 보고 있는 사례가 증가하고 있어, 재활의학계에서는 보조 기구를 이용한 치료에 많은 관심을 보이고 있다.
이러한 기술의 일 예가 하기 특허문헌 및 비특허문헌 등에 개시되어 있다.
예를 들어, 특허문헌 1(대한민국 등록특허공보 제10-0623417호(2006.09.06 등록))에는 좌우 양측 전후방에 설치되는 복수 개의 다리와, 후방이 개방된 채널형으로 굴곡되면서 상기 다리들의 상단을 연결하는 수평프레임을 가진 하부 몸체; 상기 수평프레임의 양단부에 하단이 착탈 및 높이조절가능하게 결합되고 좌우로 적어도 한 쌍이 배치되는 수직프레임, 좌우로 서로 대응하는 상기 수직프레임들의 전방을 연결하는 복수개의 연결프레임을 가진 상부 몸체; 및 보행자가 착용하도록 상기 상부 몸체에 연결되는 안전고정구를 포함하고, 상기 안전고정구는 4개 이상의 고정대에 의해 상기 상부 몸체에 착탈 가능하게 연결되는 노인 및 재활환자의 보행보조장치에 대해 개시되어 있다.
또 하기 특허문헌 2(대한민국 공개특허공보 제2012-0064571호(2012.06.19 공개))에는 입력되는 근전도 신호를 감지하고, 감지된 근전도 신호를 분석하는 센서부, 상기 분석된 근전도 신호를 통해서 근육 수축의 변화 정도에 따라 보행신호를 생성하는 신호 생성부, 상기 생성된 보행신호를 이용하여 보행보조로봇을 제어하는 제어부를 포함하는 보행보조로봇 제어 장치에 대해 개시되어 있다.
또한 로봇을 이용한 재활은 상완 재활 치료와 신경 재활치료에서 효과적인 사례가 증가 하고 있어, 재활 의학계에서는 로봇을 이용한 치료에 많은 관심을 보이고 있다. 예를 들어 하기 비특허문헌 1(J. Perry and J. Burnfield, Gait Analysis: Normal and Pathological Function, 2nd Edition, SLACK Incorporated, 2010.)에는 로봇을 활용한 보행 재활로서 사용자의 보행에 맞게 작동하도록 제어기를 설계하는 기술에 대해 개시되어 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 기술에서는 보행자의 보폭을 정확하게 추정하는 것이 어려워, 보행자의 보행에 맞게 보행보조기를 구동시키는 것이 불가능한 단점이 있었다. 즉, 보행 재활은 보행자의 보행에 맞게 작동하도록 하는 것이 중요한 데, 종래기술은 보행보조기를 보행자의 보행에 맞게 제어하는 것이 불가능하다는 단점이 있다.
또한, 종래 기술에 의한 슬관절의 관절각 추정은 족저부에 압력센서(FSR : Force Sensing Resistor)를 활용한 방법, 각도 또는 각속도 센서(기울기, 가속도 또는 자이로 센서 등)를 활용한 방법, 비젼 시스템을 활용한 방법 등이 제시되었지만, 보행의 단계를 시계열적으로 추정하는 것이 곤란하다는 단점이 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 추정대상 다리에서 압력센서를 활용하여 관절각을 추정할 수 있는 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템 및 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 5개의 압력센서의 데이터를 시계열적으로 나열하고 이를 바탕으로 보행의 이동시간, 발바닥이 지면에 닿는 길이 추정하고, 추정된 값은 발바닥이 지면과 이루는 각도를 추정하는데 사용되어 보행 시, 슬관절의 관절각을 유추하여 로봇의 제어변수로 사용하는 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템 및 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템은 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각을 제어하는 시스템으로서, 압력센서를 이용하여 보행자의 발바닥의 압력을 측정하는 압력 측정장치 및 상기 압력 측정장치에서 측정한 발바닥의 압력을 기초로 보행의 이동시간과 발바닥이 지면에 닿는 길이를 추출하여 슬관절의 관절각을 추정하는 관절각 추정장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템에 있어서, 상기 압력 측정장치는 발바닥에 대응하여 마련된 압력 측정부 및 상기 압력 측정부에서 측정된 각각의 압력 값을 상기 관절각 추정장치로 전송하는 전송부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템에 있어서, 상기 관절각 추정장치는 상기 전송부에서 전송된 압력 값을 수신하는 수신부, 상기 수신부에서 수신된 압력 값에 대해 보행의 단계를 추정하는 압력 추출부, 상기 압력 추출부에서 추출된 추출 값에 따라 발바닥이 지면과 이루는 각도를 추정하여 보행 시, 슬관절의 관절각을 추정하는 관절각 추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템에 있어서, 상기 압력 추출부는 보행의 단계에 따라 시계열적으로 압력을 추출하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템에 있어서, 상기 압력 측정부는 보행시 족압의 이동에 대응하여 발뒤꿈치에서 엄지 발가락을 향해 순차적으로 배치된 다수의 압력 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 보행훈련로봇의 관절각 제어방법은 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각을 제어하는 방법으로서, (a) 다수의 압력 센서를 적용하여 보행 중에 발바닥의 압력을 감지하는 단계, (b) 상기 단계 (a)에서 감지된 압력 값을 압력 추출부로 전송하는 단계, (c) 상기 압력 추출부에서 보행 속도 및 보장을 추출하는 단계, (d) 상기 단계 (c)에서 추출된 추출값에 따라 발바닥과 지면과의 각도를 유추하는 단계, (e) 상기 단계 (d)에서 유추된 보행 시, 슬관절의 관절각에 따라 보행훈련로봇의 관절각을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 보행훈련로봇의 관절각 제어방법에 있어서, 상기 단계 (c)는 보행시 족압의 이동에 대응하여 발뒤꿈치에서 엄지 발가락을 향해 순차적으로 배치된 다수의 압력 센서에 의해 시계열적으로 추출되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 보행훈련로봇의 관절각 제어방법에 있어서, 상기 단계 (c)는
[식 1]
Figure PCTKR2014011114-appb-I000001
여기서, Fitime는 시간 임계치를 초과하는 FSR 센서이고, Timermax는 타이머 주기, FSRthreshold는 측정값이 임계치를 초과하면 '1'로 정의한 값, Dtime은 센서 측정 주기인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 보행훈련로봇의 관절각 제어방법에 있어서, 상기 단계 (e)에서 슬관절의 관절각은 슬관절의 각도 ≒ Footangle × 1.5로 설정되며, Footangle는 발과 지면 사이의 각도인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 보행훈련로봇의 관절각 제어방법에 있어서, 상기 발과 지면 사이의 각도 Footangle는
Footangle = tan-1(S1_MD/(Foot_length × α))
에 의해 설정되며, S1_MD는 압력 센서 S1의 이동거리이고, Foot_length는 보행자의 발 길이(단위 : ㎝)이며, α는 각각의 압력 센서의 위치 상수(S1: 0, S2: 0.4, S3: 0.7, S4: 0.8, S5: 1)인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템 및 제어방법에 의하면, 발의 압력을 측정하는 장치를 구현하여 보행단계를 추정하고 보행의 단계와 슬관절의 상관관계를 정성적으로 분석을 통해 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각을 용이하게 제어할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템 및 제어방법에 의하면, 보행훈련로봇의 관절각을 제어하는 것에 의해 보행 재활자의 보행에 용이하게 적용할 수 있다는 효과도 얻어진다.
도 1은 본 발명에 따른 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템의 블록도,
도 2는 보행의 단계를 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어를 위해 적용된 압력 센서의 배치도,
도 4는 본 발명에 따른 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 5는 인간의 보행을 단계적으로 구분한 상태를 나타내는 도면,
도 6은 다수의 일반인 보행을 동영상으로 찍어 프레임별로 분석한 도면,
도 7은 발바닥이 지면과 이루는 각도와 슬관절의 각도의 관계를 설명하기 위한 도면,
도 8은 의족에 의한 보행 형태를 나타내는 도면,
도 9는 도 3에 도시된 압력 센서를 신발 깔창에 장착하여 보행단계를 추정하기 위한 장치의 구성도,
도 10은 본 발명에 따라 측정된 압력센서의 측정 상태를 나타내는 그래프,
도 11은 발의 지지패턴을 설명하기 위한 도면,
도 12는 본 발명에 따라 측정된 슬관절의 각도를 나타내는 그래프.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
인간의 보행은 크게 입각기(stance phase)와 유각기(swing phase)로 나뉜다. 입각기는 보행단계 중 60%를 차지하며 발이 지면에 닿아 있는 구간이다. 유각기는 보행단계 중 40%를 차지하며 발이 지면에서 떨어져 나가 스윙하고 다시 발이 지면에 붙는 구간이다.
본 발명에서는 압력센서의 배치에 따라 보행의 단계를 시계열적으로 쉽게 추정 가능하므로, 보행단계의 구분은 압력센서(족압)를 이용한 방법을 적용하였다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템의 블록도 이고, 도 2는 보행의 단계를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어를 위해 적용된 압력 센서의 배치도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템은 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각을 제어하는 시스템으로서, 압력센서를 이용하여 보행자의 발바닥의 압력을 측정하는 압력 측정장치(100) 및 상기 압력 측정장치(100)에서 측정한 발바닥의 압력을 기초로 보행의 이동시간과 발바닥이 지면에 닿는 길이를 추출하여 슬관절의 관절각을 추정하는 관절각 추정장치(200)를 포함한다.
상기 압력 측정장치(100)는 발바닥에 대응하여 마련된 압력 측정부(110) 및 상기 압력 측정부(110)에서 측정된 각각의 압력 값을 상기 관절각 추정장치(200)로 전송하는 전송부(120)를 포함한다.
상기 압력 측정부(110)는 도 3에 도시된 바와 같이, 보행시 족압의 이동에 대응하여 발뒤꿈치부터 엄지 발가락으로 순차적으로 배치된 5개의 압력 센서(S1,S2,S3,S4,S5)를 포함한다.
이와 같은 순차적으로 배치된 압력 센서(S1,S2,S3,S4,S5)는 예를 들어 전도성 섬유를 이용한 전기 용량성 압력 센서를 신발의 깔창형태로 마련할 수 있다.
상기 압력 센서(S1,S2,S3,S4,S5)는 센서에 가해지는 힘의 변화량에 따라 저항값이 변하는 센서이다. 따라서 각각의 센서를 적절하게 배치하여 보행단계의 순차적인 추정이 가능하다. 보행의 단계는 도 2와 같다. 통상 발이 지면에 닿는 시기는 입각기라 지칭하며 발의 뒷발 착지(Heel Strike)부터 앞발 착지(Forefoot Strike)로 순차적으로 족압이 이동되기 때문에 순차적인 추정이 가능하다.
따라서, 본 발명에서는 족압 분포를 바탕으로 하여 5개의 압력 센서(S1,S2,S3,S4,S5)를 도 3에 도시한 바와 같이 배치한 것이다.
또한 도 3에 도시된 압력 센서의 구성의 일 예로서, 5개의 압력 센서를 마련한 것으로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 족압이 이동에 대해 보다 정밀하게 측정을 하기 위해서는 압력 센서의 수를 증가할 수도 있다.
상기 전송부(120)는 상기 5개의 압력 센서(S1,S2,S3,S4,S5)와 각각 전기적으로 연결되며, 유선 또는 무선으로 상기 관절각 추정장치(200)로 감지된 압력값을 전송한다. 이와 같은 전송부(120)는 보행자의 족압을 받지 않도록 보행자가 착용하는 신발의 측면 부분 등에 마련할 수 있다.
상기 관절각 추정장치(200)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 전송부에서 전송된 압력 값을 수신하는 수신부(210)와 상기 수신부(210)에서 수신된 압력 값에 따라 슬관절의 관절각을 추정하는 관절각 추정수단(220)을 포함한다.
상기 관절각 추정수단(220)은 상기 수신부(210)에서 수신된 압력 값에 대해 보행의 단계를 추정하는 압력 추출부(221) 및 상기 압력 추출부(221)에서 추출된 추출 값에 따라 발바닥이 지면과 이루는 각도를 추정하여 보행 시, 슬관절의 관절각을 추정하는 관절각 추정부(222)를 포함한다.
상기 압력 추출부(221)는 보행의 단계에 따라 도 3에 도시된 바와 같은 5개의 압력 센서(S1,S2,S3,S4,S5)의 값을 시분할로 측정하여 보행단계를 추정한다.
다음에 본 발명에 따른 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각을 제어하는 방법에 대해 도 4 내지 도 9에 따라 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 5는 인간의 보행을 단계적으로 구분한 상태를 나타내는 도면이고, 도 6은 다수의 일반인 보행을 동영상으로 찍어 프레임별로 분석한 도면이고, 도 7은 발바닥이 지면과 이루는 각도와 슬관절의 각도의 관계를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 의족에 의한 보행 형태를 나타내는 도면이며, 도 9는 도 3에 도시된 압력 센서를 신발 깔창에 장착하여 보행단계를 추정하기 위한 장치의 구성도이다.
먼저, 도 3 및 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 예를 들어 5개의 압력 센서(S1,S2,S3,S4,S5)가 유연한 기판의 기능을 구비한 신발 깔창에 마련된다. 이 5개의 압력 센서(S1,S2,S3,S4,S5)에 의해 보행 중에 발바닥의 압력이 감지된다(S10). 상기 5개의 압력 센서(S1,S2,S3,S4,S5)는 각각 전송부(120)와 전기적으로 연결되며, 상기 전송부(120)는 5개의 압력 센서(S1,S2,S3,S4,S5)에서 각각 감지된 압력 값을 수신부(120)로 전송한다(S20).
본 발명에서는 족압의 압력 변화 시간 검출을 위해 5개의 압력센서(S1,S2,S3,S4,S5)의 값을 시분할로 측정하여 보행단계를 추정하였다(S30). 보행 속도(walking velocity) 및 보장(step length)의 추정 방법은 하기 수학식 1과 같다.
이 같은 방법으로 5개의 압력 센서(S1,S2,S3,S4,S5)의 각각의 압력변화시간을 측정하면, 보행의 단계를 추정가능하며 발이 지면에 닿아 있는 시간(t)과 발의 길이(length)를 알기 때문에 보행 속도 및 보장(step length)에 대한 추정이 가능하다.
[ 수학식 1 ]
Figure PCTKR2014011114-appb-I000002
여기서, Fitime는 시간 임계치를 초과하는 FSR 센서이고, Timermax는 타이머 주기, FSRthreshold는 측정값이 임계치를 초과하면 '1'로 정의한 값, Dtime은 센서 측정 주기이다.
다음에 상술한 바와 같이 추정된 보행단계를 바탕으로 슬관절형 보행보조로봇의 관절각 제어 방법에 대해 설명한다.
인간의 보행 중 입각기는 동물에 빗대어 볼 때 4단계로 볼 수 있으며 도 5에 도시된 바와 같이, 라틴어로 'calcaneograde'→'plantugrade'→'digigrade'→'unguligrade'으로 구분된다.
인간의 골격구조는 기구학적으로 완전하지 못하기 때문에 근육으로 불안정한 골격구조를 보완한다. 이러한 이유로 본 발명에서는 보행의 단계와 슬관절의 상관관계를 정량적 해석에 앞서 정성적 해석을 실시하였다. 정성적 해석은 도 6과 같이 다수의 일반인 보행을 동영상으로 찍어 프레임별 분석 방법과 'Perry'가 분석한 인간의 보행을 결합하여 결과를 도출하였다.
도출결과 입각기 중 'digigrade'의 단계가 시작될 때, 발바닥이 지면과 이루는 각도는 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 슬관절의 각도에 약 2배임을 알 수 있었다.
따라서 본 발명은 보행의 입각기의 정보를 바탕으로 슬관절의 각도를 제어하는 방법을 마련한 것이다.
이러한 방법은 식 2 내지 식 5에 의해 나타낸다.
[ 수학식 2 ]
W_S = Foot_length/(F5time - F1time)
여기서, 상기 W_S는 보행 속도이고, 상기 F5time은 도 3 및 도 7에서 압력 센서 S5가 지면에 접촉되는 시간이고, F1time은 도 3 및 도 7에서 압력 센서 S1가 지면에 접촉되는 시간이며, Foot_length는 보행자의 발 길이(단위 : ㎝)이다.
[ 수학식 3 ]
S1_MD = W_S × (F?'time - F1'time)
여기서, S1_MD은 압력 센서 S1의 이동거리이고, W_S는 보행 속도이고, F?'time는 도 3 및 도 7에서 압력 센서 S2~S5가 지면에서 이탈되는 시간이며, F1'time는 도 3 및 도 7에서 압력 센서 S1가 지면에서 이탈되는 시간이다.
[ 수학식 4 ]
Footangle = tan-1(S1_MD/(Foot_length × α))
여기서, Footangle는 발과 지면 사이의 각도이고, S1_MD는 압력 센서 S1의 이동거리이고, Foot_length는 보행자의 발 길이(단위 : ㎝)이며, α는 각각의 압력 센서의 위치 상수(S1: 0, S2: 0.4, S3: 0.7, S4: 0.8, S5: 1)이다.
[ 수학식 5 ]
슬관절의 각도 ≒ Footangle × 1.5
상기 수학식 2 내지 5에서 전제조건은 발목과 발은 수직 90°이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 슬관절의 각도를 제어하는 방법이 가능한 이유는 'calcaneograde'→'plantugrade'으로 보행이 진행되면서 도 3에 도시된 압력 센서 S1와 S5의 압력변화의 시간을 측정하여 측정자의 발 길이를 통해 이동거리를 알 수 있기 때문에 보행의 속도를 추측할 수 있다. 또, 'plantugrade'→'digigrade'으로 진행됨에 따라 발바닥이 지면과 떨어진 시간을 측정 가능하기 때문에 추측된 보행 속도와의 상관관계에 따라 발바닥과 지면과의 각도를 유추한다(S40).
상기 단계 S40에서 유추된 각도는 슬관절의 각도 추정을 위해 수학식 5에 대입한다.
유추된 관절각을 바탕으로 보행을 하면 발목과 발이 항시 90°라는 전제조건이 있기 때문에 도 8에 도시된 바와 같이, 하지 절단환자가 의족을 차고 걷는 것과 유사한 보행형태가 보일 것으로 예상된다.
따라서, 보행훈련로봇이 발목으로 유연하게 이동하는 것에 의해 보행 훈련을 통해 정상 보행이 가능하게 된다. 즉 본 발명에 따라 보행훈련로봇의 관절각을 제어할 수 있다(S50).
본 발명을 구현하기 위해서 다음과 같이 실험을 하였다.
이와 같은 실험에 대해서는 도 9 내지 도 12에 따라 설명한다.
도 10은 본 발명에 따라 측정된 압력센서의 측정 상태를 나타내는 그래프이고, 도 11은 발의 지지패턴을 설명하기 위한 도면이며, 도 12는 본 발명에 따라 측정된 슬관절의 각도를 나타내는 그래프이다.
실험 방법은 도 3에 도시된 바와 같은 압력 센서 배치를 신발 깔창에 재현하여 보행의 단계를 추정하였다. 또한 수학식 2-5를 통하여 추정한 슬관절 로봇의 관절각도가 실제 슬관절의 각도와 어느 정도 일치하는지를 검증하기 위해 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 무릎에 각도를 측정할 수 있는 관성 센서를 부착하여 비교 검증 하였다.
도 9의 (a)는 도 3을 바탕으로 신발 깔창에 재현한 압력 측정장치이다.
도 10은 실제 측정한 보행단계 그래프이다. 'perry'가 선행 연구한 인간의 족압은 도 11에 도시된 바와 같이, 발바닥의 굴곡에 따라 압력의 크기가 다르게 나타난다. 그렇기 때문에 도 10과 도 11을 비교해보면 본 발명에서 측정한 족압은 바르게 측정되었다고 판단된다.
본 발명에 따른 슬관절 로봇의 관절각과 실제 슬관절 관절각의 일치율을 확인하였다.
슬관절의 관절각을 측정하기 위해 도 9의 (b)와 같이 무릎에 관성센서를 부착하여 관절각을 측정하였다. 측정결과와 본 발명에서 제안한 관절각 추정과의 일치율은 하기 표 1과 같다.
표 1
Figure PCTKR2014011114-appb-T000001
도 9의 (b)와 같은 관성센서로 측정한 관절각과 본 발명에 따라 추정한 관절각과의 오차는 ±2.80°이고, 일치율은 89%을 보였다. 이와 같은 오차는 사람마다 보행패턴이 조금씩 다르기 때문에 제본 발명에 따른 방법이 의미 있는 방법임을 알 수 있다.
본 발명은 보행의 단계를 바탕으로 슬관절 로봇의 관절각 제어를 위해 관절각 추정하는 방법을 제안하였다. 이를 위해 발의 압력을 측정하는 장치를 구현하여 보행단계를 추정하고 보행의 단계와 슬관절의 상관관계를 정성적으로 분석하였다. 그 결과 plantugrade>digigrade 구간에서 발바닥과 지면과의 각도가 슬관절의 관절각에 비해 약 2배임을 확인하였다. 이러한 가정은 실험을 통해 검증하였으며 실제 관절각 대비 ±89% 일치율을 보였다. 이 수치는 본 발명에서 제안한 방법이 의미 있는 방법이라고 볼 수 있는 것을 증명한다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 따른 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템 및 제어방법을 사용하는 것에 의해 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각을 용이하게 제어할 수 있다.

Claims (10)

  1. 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각을 제어하는 시스템으로서,
    압력센서를 이용하여 보행자의 발바닥의 압력을 측정하는 압력 측정장치 및
    상기 압력 측정장치에서 측정한 발바닥의 압력을 기초로 보행의 이동시간과 발바닥이 지면에 닿는 길이를 추출하여 슬관절의 관절각을 추정하는 관절각 추정장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력 측정장치는 발바닥에 대응하여 마련된 압력 측정부 및
    상기 압력 측정부에서 측정된 각각의 압력 값을 상기 관절각 추정장치로 전송하는 전송부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 관절각 추정장치는 상기 전송부에서 전송된 압력 값을 수신하는 수신부,
    상기 수신부에서 수신된 압력 값에 대해 보행의 단계를 추정하는 압력 추출부,
    상기 압력 추출부에서 추출된 추출 값에 따라 발바닥이 지면과 이루는 각도를 추정하여 보행 시, 슬관절의 관절각을 추정하는 관절각 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압력 추출부는 보행의 단계에 따라 시계열적으로 압력을 추출하는 것을 특징으로 하는 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 압력 측정부는 보행시 족압의 이동에 대응하여 발뒤꿈치에서 엄지 발가락을 향해 순차적으로 배치된 다수의 압력 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행훈련로봇의 관절각 제어 시스템.
  6. 슬관절형 보행훈련로봇의 관절각을 제어하는 방법으로서,
    (a) 다수의 압력 센서를 적용하여 보행 중에 발바닥의 압력을 감지하는 단계,
    (b) 상기 단계 (a)에서 감지된 압력 값을 압력 추출부로 전송하는 단계,
    (c) 상기 압력 추출부에서 보행 속도 및 보장을 추출하는 단계,
    (d) 상기 단계 (c)에서 추출된 추출값에 따라 발바닥과 지면과의 각도를 유추하는 단계,
    (e) 상기 단계 (d)에서 유추된 보행 시, 슬관절의 관절각에 따라 보행훈련로봇의 관절각을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행훈련로봇의 관절각 제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단계 (c)는 보행시 족압의 이동에 대응하여 발뒤꿈치에서 엄지 발가락을 향해 순차적으로 배치된 다수의 압력 센서에 의해 시계열적으로 추출되는 것을 특징으로 하는 보행훈련로봇의 관절각 제어방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 단계 (c)는 하기 식 1에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 보행훈련로봇의 관절각 제어방법.
    [식 1]
    Figure PCTKR2014011114-appb-I000003
    여기서, Fitime는 시간 임계치를 초과하는 FSR 센서이고, Timermax는 타이머 주기, FSRthreshold는 측정값이 임계치를 초과하면 '1'로 정의한 값, Dtime은 센서 측정 주기이다.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 단계 (e)에서 슬관절의 관절각은
    슬관절의 각도 ≒ Footangle × 1.5
    로 설정되며, Footangle는 발과 지면 사이의 각도인 것을 특징으로 하는 보행훈련로봇의 관절각 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 발과 지면 사이의 각도 Footangle는
    Footangle = tan-1(S1_MD/(Foot_length × α))
    에 의해 설정되며, S1_MD는 압력 센서 S1의 이동거리이고, Foot_length는 보행자의 발 길이(단위 : ㎝)이며, α는 각각의 압력 센서의 위치 상수(S1: 0, S2: 0.4, S3: 0.7, S4: 0.8, S5: 1)인 것을 특징으로 하는 보행훈련로봇의 관절각 제어방법.
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