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KR101321791B1 - Robot Motion Control System and Method for Active Body Rehabilitation - Google Patents

Robot Motion Control System and Method for Active Body Rehabilitation Download PDF

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KR101321791B1
KR101321791B1 KR1020120000102A KR20120000102A KR101321791B1 KR 101321791 B1 KR101321791 B1 KR 101321791B1 KR 1020120000102 A KR1020120000102 A KR 1020120000102A KR 20120000102 A KR20120000102 A KR 20120000102A KR 101321791 B1 KR101321791 B1 KR 101321791B1
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KR
South Korea
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robot module
force
robot
external force
module
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김창환
신성열
이준원
이상협
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 환자의 의지를 재활 운동에 반영할 수 있도록 하는 로봇 동작 제어 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 동작 제어 시스템은 사용자의 신체 부위에 부착되는 로봇 모듈과, 로봇 모듈의 현재 위치에서 목표 위치까지의 목표 궤적을 생성하는 목표 궤적 생성 모듈과, 목표 궤적 생성 모듈이 생성한 목표 궤적에 따라 로봇 모듈을 동작시킴으로써 사용자 신체 부위의 재활 훈련을 하도록 하는 동작 제어기를 포함하고, 동작 제어기는 목표 궤적을 기준 입력으로 하여 가상의 힘을 계산하고, 가상의 힘 값을 로봇 모듈에 부여하여 로봇 모듈의 동작이 목표 궤적을 추종하도록 제어하는 가상 힘 기반의 동작 제어기일 수 있다.The present invention relates to a robot motion control system and control method that can reflect the patient's will in the rehabilitation exercise. To this end, the robot motion control system according to an embodiment of the present invention is a robot module attached to the body part of the user, a target trajectory generation module for generating a target trajectory from the current position of the robot module to the target position, and the target trajectory generation The motion controller includes a motion controller for rehabilitation training of a user's body part by operating the robot module according to the target trajectory generated by the module, and the motion controller calculates a virtual force based on the target trajectory as a reference input, and calculates a virtual force value. It may be a virtual force-based motion controller that is applied to the robot module to control the motion of the robot module to follow the target trajectory.

Description

능동형 신체 재활을 위한 로봇 동작 제어 시스템 및 제어 방법{Robot Motion Control System and Method for Active Body Rehabilitation}Robot Motion Control System and Method for Active Body Rehabilitation

본 발명은 신체 재활 시스템의 재활 효과를 높이기 위한 로봇 동작 제어 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 환자의 의지를 재활 운동에 반영할 수 있도록 하는 외골격형 로봇의 동작 제어 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a robot motion control system and control method for enhancing the rehabilitation effect of the body rehabilitation system. More particularly, the present invention relates to a motion control system and a control method of an exoskeleton robot that can reflect the patient's will in a rehabilitation exercise.

최근 여러 나라에서 고령인구의 증가로 인하여 뇌졸중, 치매, 파킨슨병과 같은 퇴행성 질환 환자가 증가하고 있다. 특히, 대표적 노인성 뇌 질환인 뇌졸중의 후유증으로는 심각한 운동 및 인지 장애를 유발하고, 삶의 질을 심각하게 저해시키고 있다. Recently, due to the increase in the elderly population, patients with degenerative diseases such as stroke, dementia and Parkinson's disease are increasing. In particular, the sequelae of stroke, a representative senile brain disease, causes severe motor and cognitive impairment and seriously impairs the quality of life.

최근 이러한 후유증을 극복하고, 이전과 같은 건강한 삶을 영유할 수 있게 하는 새로운 재활 치료 시스템이 개발되고 있다. 하지만, 기존에 개발된 하지 운동 재활 시스템은 수동적이고, 단순 반복적인 재활 방식에서 크게 벗어나지 못하고 있다. 이와 같은 재활 방식을 환자의 재활 치료에 대한 낮은 호응도로 인해 꾸준한 재활 치료가 어렵고, 재활 훈련을 참여하고자 하는 집중도가 떨어져 재활 치료가 떨어지는 것으로 알려지고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 최근 환자의 움직이려는 의도를 재활 훈련에 반영하여 재활 효과를 높일 수 있도록 하는 재활 치료 시스템의 개발이 활발히 진행되고 있다.Recently, a new rehabilitation treatment system has been developed to overcome such sequelae and lead a healthy life as before. However, the developed lower extremity exercise rehabilitation system is not far from the passive, simple repetitive rehabilitation method. Such a rehabilitation method is known to be difficult to steadily rehabilitation treatment due to the low response to the rehabilitation treatment of patients, it is known that the rehabilitation treatment falls because the concentration to participate in rehabilitation training is dropped. In order to overcome this problem, the development of a rehabilitation treatment system has been actively developed to reflect the patient's intention to move in rehabilitation training to enhance the rehabilitation effect.

하지만, 한국등록특허 제10-0795195호의 등의 경우, 환자의 신체 부위를 계획된 경로로 움직이게 할 수만 있을 뿐, 환자의 움직임에 따른 의지를 반영하지 못한다는 한계가 있다.However, in the case of Korean Patent No. 10-0795195, there is a limitation that only the body part of the patient can be moved in a planned path, but does not reflect the will according to the movement of the patient.

한국등록특허 제10-0795195호Korea Patent Registration No. 10-0795195

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 센서를 통해 측정된 환자의 움직이려는 의도를 재활 훈련에 반영시킬 수 있는 로봇의 동작 제어 시스템 및 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems described above, and an object thereof is to provide a motion control system and a control method of a robot that can reflect the intention to move the patient's intention measured by the sensor in the rehabilitation training.

이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 동작 제어 시스템은 사용자의 신체 부위에 부착되는 로봇 모듈과, 상기 로봇 모듈의 현재 위치에서 목표 위치까지의 목표 궤적을 생성하는 목표 궤적 생성 모듈과, 상기 목표 궤적 생성 모듈이 상기 목표 궤적에 따라 상기 로봇 모듈을 동작시킴으로써 상기 사용자 신체 부위의 재활 훈련을 하도록 하는 동작 제어기를 포함하고, 상기 동작 제어기는 상기 목표 궤적을 기준 입력으로 하여 가상의 힘을 계산하고, 상기 가상의 힘 값을 상기 로봇 모듈에 부여하여 상기 로봇 모듈의 동작이 상기 목표 궤적을 추종하도록 제어하는 가상 힘 기반의 동작제어기일 수 있다.To this end, a robot motion control system according to an embodiment of the present invention includes a robot module attached to a body part of a user, a target trajectory generation module for generating a target trajectory from a current position to a target position of the robot module, and A target controller for generating a rehabilitation training of the user's body part by operating the robot module according to the target trajectory, wherein the motion controller calculates a virtual force based on the target trajectory as a reference input; And a virtual force-based motion controller which controls the motion of the robot module to follow the target trajectory by applying the virtual force value to the robot module.

이때, 상기 동작 제어기는 가상의 스프링-댐퍼 힘 값을 상기 로봇 모듈에 부여하는 가상 스프링-댐퍼 힘 제어기일 수 있으며, 상기 가상 스프링-댐퍼 힘 제어기는 상기 로봇 모듈의 관절 또는 말단부에 부착될 수 있다.In this case, the motion controller may be a virtual spring-damper force controller for applying a virtual spring-damper force value to the robot module, and the virtual spring-damper force controller may be attached to a joint or a distal end of the robot module. .

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 동작 제어 시스템은 상기 로봇 모듈에 부착되어 외력을 측정하는 힘/토크 센서를 더 포함하고, 상기 힘/토크 센서에서 외력이 측정되면, 상기 동작 제어기는 상기 측정된 외력의 값을 상기 로봇 모듈에 추가로 부여하여, 상기 로봇 모듈이 상기 외력에 순응하여 동작하도록 할 수 있다.In addition, the motion control system of the robot according to an embodiment of the present invention further includes a force / torque sensor attached to the robot module to measure external force, and when the external force is measured at the force / torque sensor, the motion controller The robot module may be additionally assigned to the robot module so that the robot module operates in compliance with the external force.

또한, 상기 동작 제어기는 상기 측정된 외력의 값에 가중치

Figure 112012000124936-pat00001
를 곱하여 상기 로봇 모듈에 추가로 부여함으로써, 상기 외력에 순응하는 정도를 조절할 수 있다.Further, the motion controller weights the value of the measured external force.
Figure 112012000124936-pat00001
By multiplying and giving the robot module further, the degree of compliance with the external force can be adjusted.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 동작 제어 방법은 사용자의 신체 부위에 부착된 로봇 모듈의 현재 위치에서 목표 위치까지의 목표 궤적을 생성하는 단계와, 상기 목표 궤적을 기준 입력으로 하여 가상의 힘을 계산하고, 상기 계산된 가상의 힘 값을 상기 로봇 모듈에 부여하여 상기 로봇 모듈이 상기 목표 궤적을 추종하도록 제어함으로써 상기 사용자의 신체 부위의 재활 훈련을 하도록 할 수 있다.In addition, the robot motion control method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of generating a target trajectory from the current position of the robot module attached to the user's body part to the target position, and virtually by using the target trajectory as a reference input By calculating the force of the, and by applying the calculated virtual force value to the robot module to control the robot module to follow the target trajectory can be rehabilitation training of the body part of the user.

이때, 상기 가상의 힘은 가상의 스프링-댐퍼 힘일 수 있다.In this case, the virtual force may be a virtual spring-damper force.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 동작 제어 방법은, 상기 로봇 모듈에 부착된 힘/토크 센서를 이용해 외력을 측정하는 단계와, 상기 힘/토크 센서에서 측정된 외력의 값을 상기 로봇 모듈에 추가로 부여하여, 상기 로봇 모듈이 상기 외력에 순응하여 동작하도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the robot motion control method according to an embodiment of the present invention, the step of measuring the external force using a force / torque sensor attached to the robot module, and the value of the external force measured by the force / torque sensor the robot In addition to the module, it may further comprise the step of controlling the robot module to operate in compliance with the external force.

이때, 상기 로봇 모듈이 상기 외력을 순응하여 동작하도록 제어하는 단계는, 상기 측정된 외력의 값에 가중치

Figure 112012000124936-pat00002
를 곱하여 상기 로봇 모듈에 추가로 부여함으로써, 상기 외력에 순응하는 정도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.In this case, controlling the robot module to operate in compliance with the external force may include a weighted value of the measured external force.
Figure 112012000124936-pat00002
By multiplying and giving additionally to the robot module, it may include adjusting the degree of compliance with the external force.

본 발명에 따른 로봇 동작 제어 시스템 및 제어 방법에 의하면, 환자에게 일방적으로 동작을 가하는 방식이 아닌, 환자의 의지에 의해 발생하는 힘을 반영하여 동작을 제어하기 때문에 환자의 집중도를 높이고, 능동적으로 재활 훈련에 참여할 수 있도록 유도해낼 수 있다.According to the robot motion control system and control method according to the present invention, the motion is controlled by reflecting the force generated by the patient's will, not the method of unilaterally applying the motion to the patient, thereby increasing the concentration of the patient and actively rehabilitation. Induce them to participate in training.

또한, 본 발명에 따른 로봇 동작 제어 시스템 및 제어 방법에 의하면, 외골격형 로봇의 동작을 제어하기 위하여 가상 동역학 모델을 사용함으로써 각 관절에 토크 또는 전류 센서를 부착시킬 필요 없이 엔코더만을 이용하여 로봇을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 중력, 마찰력 등을 포함하는 비선형 요소들을 고려하지 않아도 되기 때문에 제어 알고리즘을 단순화시킬 수 있다.In addition, according to the robot motion control system and control method according to the present invention, by using a virtual dynamic model to control the operation of the exoskeleton-type robot to control the robot using only the encoder without having to attach a torque or current sensor to each joint Not only can this be done, but it also simplifies the control algorithm because it does not have to take into account non-linear elements including gravity, friction, and the like.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 동작 제어 시스템의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 동작 제어 시스템의 동작을 설명하는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 가상 동역학 모델을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 가상 동역학 모델 시뮬레이터를 나타내는 도면이다.
도 5는 외력이 가해지지 않는 경우의 목표 보행 궤적과 로봇의 현재 궤적을 x축 방향 및 z축 방향에서 나타낸 도면이다.
도 6은 외력이 가해지지 않는 경우의 목표 보행 궤적과 로봇의 현재 궤적을 xz 평면에서 나타낸 도면이다.
도 7은 외력이 가해지는 경우의 목표 보행 궤적과 로봇의 현재 궤적을 x축 방향 및 z축 방향에서 나타낸 도면이다.
도 8은 외력이 가해지는 경우의 목표 보행 궤적과 로봇의 현재 궤적을 xz 평면에서 나타낸 도면이다.
1 is a schematic configuration diagram of a motion control system of a robot according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram illustrating the operation of the robot motion control system according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a virtual dynamics model of a robot according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a virtual dynamics model simulator of a robot according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a target walking trajectory and a current trajectory of the robot when no external force is applied in the x-axis direction and the z-axis direction.
6 is a diagram illustrating a target walking trajectory and a current trajectory of the robot when no external force is applied in the xz plane.
7 is a diagram illustrating a target walking trajectory and a current trajectory of the robot when an external force is applied in the x-axis direction and the z-axis direction.
8 is a diagram illustrating a target walking trajectory and a current trajectory of the robot when an external force is applied in the xz plane.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 그러나, 첨부도면 및 이하의 설명은 본 발명에 따른 로봇 제어 시스템 및 제어 방법의 가능한 일실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상은 아래의 내용에 의해 한정되지 아니한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the accompanying drawings and the following description are only possible embodiments of the robot control system and control method according to the present invention, and the technical idea of the present invention is not limited to the following.

대표적 노인성 뇌 질환인 뇌졸중의 후유증으로는 심각한 운동 및 인지 장애를 유발시킨다. 특히, 뇌졸중으로 인한 하반신 마비는 보행 기능을 저하시킴으로써 일상 생활에 불편함을 느끼고, 장기적으로는 몸의 자세를 틀어지게 하고 비정상적 근육발달을 초래할 수 있다. 이러한 보행 장애를 극복하기 위하여 최근 하지 운동 재활과 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. The sequelae of stroke, a representative senile brain disease, causes severe motor and cognitive impairment. In particular, lower paraplegia due to stroke may cause discomfort in daily life by deteriorating gait function, and in the long run, may cause body posture and abnormal muscle development. In order to overcome this gait disorder, recent researches related to rehabilitation of lower extremity exercise have been actively conducted.

본 발명은 이러한 신체 재활 시스템에 관한 것으로, 환자의 의지를 반영하여 능동적으로 재활 훈련을 수행시킬 수 있도록 하는 로봇의 동작 제어 시스템 및 제어 방법을 제시한다.The present invention relates to such a physical rehabilitation system, and proposes a motion control system and a control method of a robot that can actively perform rehabilitation training in consideration of the will of the patient.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 동작 제어 시스템의 개략 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 동작 제어 시스템은 목표 궤적 생성 모듈(12)과, 동작 제어기(14)와, 로봇 모듈(16)과, 힘/토크 센서(18)를 포함하여 구성된다.1 is a schematic configuration diagram of a robot motion control system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a robot motion control system according to an embodiment of the present invention includes a target trajectory generation module 12, a motion controller 14, a robot module 16, and a force / torque sensor 18. It is configured to include.

로봇 모듈(16)은 사용자(환자 등)의 팔, 다리와 같은 신체 부위에 부착되는 외골격형 로봇 플랫폼에 해당한다.The robot module 16 corresponds to an exoskeleton-type robot platform attached to a body part such as an arm or a leg of a user (patient, etc.).

목표 궤적 생성 모듈(12)은 상기 로봇 모듈(16)을 이동을 제어하기 위한 목표 궤적을 생성하는 역할을 한다. 즉, 로봇 모듈(16)의 현재 위치에서 목표 위치까지의 궤적을 생성하는 역할을 한다.The target trajectory generation module 12 generates a target trajectory for controlling the movement of the robot module 16. That is, it serves to generate a trajectory from the current position of the robot module 16 to the target position.

동작 제어기(14)는 목표 궤적 생성 모듈(12)이 생성한 목표 궤적에 따라 로봇 모듈(16)을 동작시킴으로써 환자의 신체 부위의 재활 훈련을 할 수 있도록 한다. 구체적으로, 동작 제어기(14)는 목표 궤적 생성 모듈(12)이 생성한 목표 궤적을 기준 입력으로 하여 가상의 힘을 계산하고, 계산된 가상의 힘 값을 로봇 모듈(16)에 부여하여 로봇 모듈(16)의 동작이 목표 궤적을 추종하도록 제어하는 가상 힘 기반의 동작 제어기일 수 있다.The motion controller 14 enables the rehabilitation training of the body parts of the patient by operating the robot module 16 according to the target trajectory generated by the target trajectory generation module 12. Specifically, the motion controller 14 calculates a virtual force by using the target trajectory generated by the target trajectory generation module 12 as a reference input, and gives the robot module 16 the calculated virtual force value to the robot module 16. The motion of 16 may be a virtual force based motion controller that controls the motion of following the target trajectory.

힘/토크 센서(18)는 로봇 모듈(16)에 부착되어 외력을 측정하는 역할을 한다. 이때, 외력은 환자가 로봇 모듈(16)에 가하는 외력 및 기타 외부에서 로봇 모듈(16)에 가해지는 외력을 모두 포함하는 개념이다.
The force / torque sensor 18 is attached to the robot module 16 and serves to measure external force. At this time, the external force is a concept including both the external force applied to the robot module 16 and the external force applied to the robot module 16 from the outside.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 동작 제어 시스템의 동작을 설명하는 개념도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 가상 동역학 모델을 나타내는 도면이다. 2 is a conceptual diagram illustrating the operation of the robot motion control system according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a diagram showing a virtual dynamics model of the robot according to an embodiment of the present invention.

도 2에는 본 발명의 동작 제어기(14)가 로봇 모듈(16)에 목표 관절 벡터를 생성하여 로봇 모듈(16)을 제어하는 방법이 개념적으로 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇 동작 제어 시스템은 실제 외골격형 로봇 모듈(16)과 동일한 기구학적, 동역학적 구조의 가상 동역학 모델을 제어하기 위하여 가상 스프링-댐퍼 힘을 이용한다. 도 2에서

Figure 112012000124936-pat00003
는 목표 위치 벡터,
Figure 112012000124936-pat00004
는 현재 위치 벡터,
Figure 112012000124936-pat00005
는 목표 관절 벡터,
Figure 112012000124936-pat00006
는 현재 관절 벡터,
Figure 112012000124936-pat00007
는 힘/토크 센서에서 측정한 외력,
Figure 112012000124936-pat00008
는 제어 토크를 각각 의미한다.2 conceptually illustrates how the motion controller 14 of the present invention controls the robot module 16 by generating a target joint vector in the robot module 16. As shown in FIG. 2, the robot motion control system according to the present invention uses a virtual spring-damper force to control a virtual kinematic model of the same kinematic and dynamic structure as the actual exoskeleton type robot module 16. 2,
Figure 112012000124936-pat00003
Is the target position vector,
Figure 112012000124936-pat00004
Is the current position vector,
Figure 112012000124936-pat00005
Target joint vector,
Figure 112012000124936-pat00006
Is the current joint vector,
Figure 112012000124936-pat00007
Is the external force measured by the force / torque sensor,
Figure 112012000124936-pat00008
Denotes the control torque, respectively.

도 3에는 트레드밀(35) 상의 외골격형 로봇의 가상 동역학 모델(31)과, 가상 스프링-댐퍼(33)와, 가상 동역학 모델(31)에 가해지는 외력이 표시되어 있다. 즉, 환자는 트레드밀(35)과 같은 기구 위에서 앞의 로봇 모듈(16)을 신체 부위에 부착한 후에, 로봇 모듈(16)의 동작에 따라 재활 훈련을 할 수 있게 된다. 본 발명은 이러한 재활 훈련 시 가상 동역학 모델을 이용하면서도 환자에 의해 발생한 외력에 순응할 수 있는 재활 훈련 시스템을 제안한다. 이하, 도 2 및 도 3을 기초로, 가상 동역학 모델을 이용한 동작 제어 방법을 상세히 설명하기로 한다.3 shows the external force applied to the virtual dynamics model 31, the virtual spring-damper 33, and the virtual dynamics model 31 of the exoskeleton-type robot on the treadmill 35. That is, the patient is able to rehabilitation training in accordance with the operation of the robot module 16 after attaching the robot module 16 to the body part on the instrument such as the treadmill 35. The present invention proposes a rehabilitation training system that can adapt to external forces generated by a patient while using a virtual dynamics model during such rehabilitation training. Hereinafter, an operation control method using a virtual dynamic model will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3.

외력을 고려한 가상 동역학 모델의 운동 방정식은 다음과 같이 표현될 수 있다.The equation of motion of the virtual dynamics model considering the external force can be expressed as follows.

Figure 112013041266816-pat00056
Figure 112013041266816-pat00056

이때,

Figure 112013041266816-pat00057
는 가상 동역학 모델의 관절 벡터,
Figure 112013041266816-pat00058
는 관성 메트릭스 (inertia matrix) 그리고
Figure 112013041266816-pat00059
는 원심력 및 코리올리 벡터이다.At this time,
Figure 112013041266816-pat00057
Joint vector of virtual dynamics model,
Figure 112013041266816-pat00058
Is the inertia matrix and
Figure 112013041266816-pat00059
Are centrifugal force and Coriolis vector.

여기서, 가상 동역학 모델의 운동 방정식은 사용자가 정의한 공간에서 모델링 하였기 때문에 중력 항이나 마찰력과 같은 비선형 요소들을 제외시킬 수 있다.

Figure 112013041266816-pat00060
는 제어 토크 벡터이고,
Figure 112013041266816-pat00061
는 가상 동역학 모델에 작용하는 외력을 의미한다. 수학식 (1)에서 동작을 제어하기 위한 제어 토크,
Figure 112013041266816-pat00062
는 다음과 같이 나타낼 수 있다. Here, since the equation of motion of the virtual dynamics model is modeled in the space defined by the user, nonlinear elements such as gravity terms and frictional forces can be excluded.
Figure 112013041266816-pat00060
Is the control torque vector,
Figure 112013041266816-pat00061
Is the external force acting on the virtual dynamics model. A control torque for controlling the operation in equation (1),
Figure 112013041266816-pat00062
Can be expressed as follows.

Figure 112013041266816-pat00063
Figure 112013041266816-pat00063

Figure 112013041266816-pat00064
Figure 112013041266816-pat00064

여기서

Figure 112013041266816-pat00065
Figure 112013041266816-pat00019
번째 위치에 작용하는 가상 스프링-댐퍼에 의한 힘이고 (
Figure 112013041266816-pat00020
는 예를 들어, 도3에서와 같이 고관절, 슬관절, 발목관절의 위치),
Figure 112013041266816-pat00021
는 가상 스프링-댐퍼 힘의 개수이고,
Figure 112013041266816-pat00066
Figure 112013041266816-pat00023
번째 위치의 자코비안 행렬 (Jacobian matrix) 이고,
Figure 112013041266816-pat00067
는 관절 댐핑 계수,
Figure 112013041266816-pat00068
는 로봇의 관절들의 허용 각도를 제한하기 위한 가상 반력 토크이다.
Figure 112013041266816-pat00026
Figure 112013041266816-pat00069
는 각각 가상 스프링 계수와 댐핑 계수이고,
Figure 112013041266816-pat00070
Figure 112013041266816-pat00071
는 각각
Figure 112013041266816-pat00030
번째 위치의 목표위치 벡터와 현재 위치 벡터이다.here
Figure 112013041266816-pat00065
The
Figure 112013041266816-pat00019
Force by the virtual spring-damper acting in the second position (
Figure 112013041266816-pat00020
For example, the position of the hip joint, knee joint, ankle joint as shown in Figure 3),
Figure 112013041266816-pat00021
Is the number of virtual spring-damper forces,
Figure 112013041266816-pat00066
The
Figure 112013041266816-pat00023
Is the Jacobian matrix at the first position,
Figure 112013041266816-pat00067
The joint damping coefficient,
Figure 112013041266816-pat00068
Is the virtual reaction torque to limit the allowable angle of the joints of the robot.
Figure 112013041266816-pat00026
Wow
Figure 112013041266816-pat00069
Are the virtual spring coefficients and the damping coefficients, respectively.
Figure 112013041266816-pat00070
Wow
Figure 112013041266816-pat00071
Respectively
Figure 112013041266816-pat00030
The target position vector and the current position vector of the second position.

가상 동역학 모델의 현재 위치는 가상 스프링-댐퍼 힘에 의해서 목표 위치를 따라오도록 함으로써 주어진 목표 궤적을 따르는 동작을 제어할 수 있다. 이때, ‘목표 궤적’은 하지 재활 훈련을 적용할 수 있는 정상인의 보행 궤적을 의미한다.The current position of the virtual dynamics model can follow the target position by the virtual spring-damper force to control the motion along the given target trajectory. In this case, the 'target trajectory' means a walking trajectory of a normal person to which rehabilitation training for lower limbs can be applied.

또한, 수학식 (1) 에서 환자의 의지에 의해 발생하는 힘을 동작 제어기(14)에 반영하기 위하여 힘/토크 센서(18)를 통해 측정된 외력,

Figure 112013041266816-pat00072
는 다음 식과 같이 표현할 수 있다. In addition, in order to reflect the force generated by the will of the patient in the equation (1) to the motion controller 14, the external force measured through the force / torque sensor 18,
Figure 112013041266816-pat00072
Can be expressed as

Figure 112013041266816-pat00073
Figure 112013041266816-pat00073

여기서

Figure 112013041266816-pat00074
는 j번째 위치에 부착된 힘/토크 센서(18)에서 감지된 외력이고 (j 는 예를 들어, 도3에서와 같이 허벅지와 정강이의 위치), NOS는 외골격형 로봇 모듈(31)에 부착된 힘/토크 센서(18)의 개수이고,
Figure 112013041266816-pat00075
는 j번째 위치의 자코비안 행렬 (Jacobian matrix) 이고, 가중치 값
Figure 112013041266816-pat00039
Figure 112013041266816-pat00040
는 환자의 의지에 의해 발생하는 외력의 크기를 조절하기 위한 계수이다. here
Figure 112013041266816-pat00074
Is the external force sensed by the force / torque sensor 18 attached to the j-th position (j is the thigh and shin position as shown in FIG. 3, for example), and NOS is attached to the exoskeleton-type robot module 31 Number of force / torque sensors 18,
Figure 112013041266816-pat00075
Is the Jacobian matrix at position j and the weight value
Figure 112013041266816-pat00039
Figure 112013041266816-pat00040
Is a coefficient for controlling the magnitude of external force generated by the will of the patient.

이때,

Figure 112012000124936-pat00041
으로 설정 할 경우, 환자의 의지에 의해 발생하는 외력을 동작 제어기(14)에 반영하지 않는 의미이기 때문에 동작이 외골격형 로봇 모듈(31)에 의해 환자에게 일방적으로 가해지는 위치제어 모드로 설정될 것이고,
Figure 112012000124936-pat00042
으로 설정 할 경우, 환자의 의지에 의해 발생하는 외력을 동작 제어기(14)에 100% 반영하게 된다. 따라서,
Figure 112012000124936-pat00043
를 0 과 1 사이에 적절히 설정함으로써 환자의 상태에 따라서 환자의 의지를 재활 훈련에 반영할 수 있다. At this time,
Figure 112012000124936-pat00041
If it is set to, since the external force generated by the patient's will is not reflected in the motion controller 14, the motion will be set to the position control mode in which the exoskeleton-type robot module 31 is unilaterally applied to the patient. ,
Figure 112012000124936-pat00042
If set to, the external force generated by the will of the patient is reflected 100% to the motion controller (14). therefore,
Figure 112012000124936-pat00043
By properly setting the value between 0 and 1, the patient's will can be reflected in the rehabilitation training according to the patient's condition.

수학식 (1), (2), (3), (4) 를 포함하는 가상 동역학 모델의 정동역학 방정식과 수치 적분을 풀면 현 상태에 따른 관절 가속도, 관절 속도, 관절 위치 궤적을 계산해 낼 수 있다. By solving the static dynamics equations and numerical integration of the virtual dynamics model including equations (1), (2), (3), and (4), we can calculate joint acceleration, joint velocity, and joint position trajectory according to the current state. .

도 3와 같이 가상 동역학 기반 제어기를 통해 얻은 관절 위치 궤적을 이용하여 외골격형 로봇에 부착된 각 모터를 제어함으로써 재활 훈련에 필요한 움직임을 만들어낼 수 있다. 환자의 다리가 외골격형 로봇 모듈(31)에 접촉하고 있는 상태에서 정상인의 보행 궤적을 제어기의 목표 궤적으로 입력함으로써 환자가 올바른 자세를 유지하며 재활 훈련을 수행할 수 있도록 할 수 있다. 또한, 환자에 의지에 의해 가해지는 외력을 허벅지와 정강이에 부착된 힘/토크 센서(18)에서 감지하여 로봇 모듈(31)의 동작에 반영함으로써 환자가 능동적으로 재활 훈련에 참여할 수 있도록 유도할 수 있다.
By using the joint position trajectory obtained through the virtual dynamics-based controller as shown in FIG. 3, each motor attached to the exoskeleton-type robot can be controlled to generate a movement required for rehabilitation training. By inputting the walking trajectory of a normal person as the target trajectory of the controller while the patient's leg is in contact with the exoskeleton type robot module 31, the patient may maintain a correct posture and perform rehabilitation training. In addition, the external force applied by the patient's will is detected by the force / torque sensor 18 attached to the thigh and the shin and reflected in the operation of the robot module 31 to induce the patient to actively participate in rehabilitation training. have.

위에서 설명한 동작 제어기(14)의 검증을 위하여 시뮬레이터를 통해 실험을 수행하였다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 가상 동역학 모델 시뮬레이터를 나타내는 도면이다. 본 시뮬레이터는 총 5자유도 (허리: 1자유도, 양쪽 다리: 2자유도) 로 구성되어 있으며 동역학적 요소까지 포함한다.Experiments were performed through a simulator for the verification of the motion controller 14 described above. 4 is a diagram illustrating a virtual dynamics model simulator of a robot according to an embodiment of the present invention. The simulator consists of a total of 5 degrees of freedom (waist: 1 degree of freedom, both legs: 2 degrees of freedom) and includes dynamics.

도 4에서, 로봇 모듈(41)의 무릎 관절 및 발목 관절의 목표 궤적(43, 45)이 회색 체커공 모양으로 표시되어 있고, 허벅지와 정강이에 외력 1 및 외력 2가 체커공 모양으로 표시되어 있다.In Fig. 4, the target trajectories 43 and 45 of the knee joint and the ankle joint of the robot module 41 are shown in the shape of gray checkers, and the external force 1 and the external force 2 are displayed on the thigh and the shin in the shape of the checker hole. .

여기서, 목표 궤적(43, 45)은 정상인의 보행 궤적이라고 할 수 있고, 가상 스프링-댐퍼 힘에 의하여 외골격형 로봇의 현재 위치가 목표 궤적을 따라가게 함으로써 로봇 모듈(41)의 동작을 제어한다. 외력은 환자의 의지에 의하여 발생하는 힘으로 힘/토크 센서를 통해 감지할 수 있다.Here, the target trajectories 43 and 45 may be referred to as walking trajectories of normal people, and control the operation of the robot module 41 by causing the current position of the exoskeleton-type robot to follow the target trajectory by the virtual spring-damper force. External force is a force generated by the patient's will and can be detected through a force / torque sensor.

도 4를 참조하면, 환자가 우측 다리의 경우 외력이 발생하지 않아 로봇 모듈(41)이 안내하는 위치를 추종하였지만, 왼쪽 다리의 경우 외력이 발생하여 목표 궤적(43, 45)로 추종하지 못하고, 로봇 모듈(41)의 위치가 환자의 앞쪽으로 밀려 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명은 앞에서 언급한 것처럼 가중치 값

Figure 112012000124936-pat00044
Figure 112012000124936-pat00045
를 조절함으로써 환자의 의지에 의해 발생한 외력에 순응하는 정도를 제어함으로써, 능동적인 재활 훈련을 할 수 있도록 한다.
Referring to FIG. 4, the patient follows the position guided by the robot module 41 because no external force occurs in the right leg, but the external force occurs in the left leg and cannot follow the target trajectories 43 and 45. It can be seen that the position of the robot module 41 is pushed toward the front of the patient. That is, the present invention, as mentioned earlier, the weight value
Figure 112012000124936-pat00044
Figure 112012000124936-pat00045
By controlling the degree of compliance with external forces generated by the will of the patient, active rehabilitation training can be performed.

도 5와 도 6은 가상 동역학 모델 시뮬레이터를 통해 실험한 결과를 나타내는 도면이다.5 and 6 are diagrams showing the results of the experiment through the virtual dynamics model simulator.

도 5는 외력이 가해지지 않는 경우의 목표 보행 궤적(파란색 실선)과 로봇 모듈(16)의 현재 궤적(붉은색 점선)을 x축 방향 및 z축 방향에서 나타낸 도면이며, 도 6은 외력이 가해지지 않는 경우의 목표 보행 궤적(파란색 실선)과 로봇 모듈(16)의 현재 궤적(붉은색 점선)을 xz 평면에서 나타낸 도면이다. y축 방향은 보행 궤적의 특성을 거의 나타내지 않기 때문에 제외하였다. FIG. 5 is a diagram showing the target walking trajectory (solid blue line) and the current trajectory of the robot module 16 (dotted red line) in the x-axis direction and the z-axis direction when no external force is applied, and FIG. The target walking trajectory (solid blue line) and the current trajectory (red dotted line) of the robot module 16 in the case of no support are shown in the xz plane. The y-axis direction was excluded because it showed little characteristic of the walking trajectory.

도 5의 (c)와 같이 외력이 0인 경우에는 도 5의 (a),(b) 및 도 6에 도시된 것처럼 로봇 모듈(16)의 현재 궤적이 목표 궤적을 잘 따라가는 것을 볼 수 있다.
When the external force is 0 as shown in (c) of FIG. 5, it can be seen that the current trajectory of the robot module 16 follows the target trajectory as shown in FIGS. 5 (a), (b) and 6.

반면, 도 7은 외력이 가해지는 경우의 목표 보행 궤적(파란색 실선)과 로봇 모듈(16)의 현재 궤적(붉은색 점선)을 x축 방향 및 z축 방향에서 나타낸 도면이며, 도 8은 외력이 가해지는 경우의 목표 보행 궤적(파란색 실선)과 로봇 모듈(16)의 현재 궤적(붉은색 점선)을 xz 평면에서 나타낸 도면이다.On the other hand, Figure 7 is a view showing the target walking trajectory (solid blue line) and the current trajectory (red dotted line) of the robot module 16 when the external force is applied in the x-axis direction and z-axis direction, Figure 8 is an external force The target walking trajectory (solid blue line) and the current trajectory (red dotted line) of the robot module 16 in the case of being applied are shown in the xz plane.

도 7의 (c)를 참조하면, 약 0.5~2초 및 3.5~5.1초 사이에 외력이 작용함을 할 수 있다. 도 7의 (a), (b)에서 앞의 외력이 발생하는 구간에서 로봇 모듈(16)의 현재 궤적이 목표 궤적을 크게 벗어나는 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 7C, an external force may act between about 0.5 to 2 seconds and 3.5 to 5.1 seconds. In (a) and (b) of FIG. 7, it can be seen that the current trajectory of the robot module 16 greatly deviates from the target trajectory in the section where the external force is generated.

이는 로봇 모듈(16)이 목표 궤적으로의 동작 추종 중에 외력의 발생에 따라 반응한 결과이다. 즉, 외력이 가해지지 않을 경우에는 로봇 모듈(16)의 현재 위치가 목표 궤적을 따라가다가 외력이 발생하게 되면 그에 따라 로봇 모듈(16)의 동작이 순응하는 것이다. 또한, 본 발명의 동작 제어기(14)는 로봇 모듈(16)의 움직임에 적용할 외력을 정도를 조정할 수 있기 때문에 환자의 상태에 따라 적절하게 의지를 반영할 수 있다.This is the result of the robot module 16 reacting according to the generation of external force while following the motion to the target trajectory. That is, when no external force is applied, when the current position of the robot module 16 follows the target trajectory and an external force is generated, the operation of the robot module 16 conforms accordingly. In addition, since the motion controller 14 of the present invention can adjust the degree of external force to be applied to the movement of the robot module 16, it can properly reflect the will according to the condition of the patient.

이상에서 본 발명의 일실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 특허청구범위, 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지고 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다. Although one embodiment of the present invention has been described above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made within the scope of the claims, the detailed description of the invention, and the accompanying drawings. Naturally, this also belongs to the scope of the present invention.

12: 목표 궤적 생성 모듈 14: 동작 제어기
14: 로봇 모듈 16: 로봇 모듈
18: 힘/토크 센서
12: target trajectory generation module 14: motion controller
14: robot module 16: robot module
18: Force / Torque Sensor

Claims (9)

사용자의 신체 부위에 부착되는 로봇 모듈;
상기 로봇 모듈의 현재 위치에서 목표 위치까지의 목표 궤적을 생성하는 목표 궤적 생성 모듈; 및
상기 목표 궤적 생성 모듈이 생성한 상기 목표 궤적에 따라 상기 로봇 모듈을 동작시킴으로써 상기 사용자 신체 부위의 재활 훈련을 하도록 하는 동작 제어기를 포함하고,
상기 로봇 모듈에 부착되어 외력을 측정하는 힘/토크 센서를 포함하고,
상기 동작 제어기는, 상기 목표 궤적을 기준 입력으로 하여 가상의 힘을 계산하고, 상기 가상의 힘 값을 상기 로봇 모듈에 부여하여 상기 로봇 모듈의 동작이 상기 목표 궤적을 추종하도록 제어하고,
상기 힘/토크 센서에서 외력이 측정되면, 상기 동작제어기는 상기 측정된 외력의 값을 상기 로봇 모듈에 추가로 부여하여, 상기 로봇 모듈이 상기 외력에 순응하여 동작하도록 하는 것을 특징으로 하는 로봇 동작 제어 시스템.
A robot module attached to a body part of a user;
A target trajectory generation module for generating a target trajectory from a current position of the robot module to a target position; And
And a motion controller for rehabilitation training of the user's body part by operating the robot module according to the target trajectory generated by the target trajectory generation module.
A force / torque sensor attached to the robot module to measure external force;
The motion controller is configured to calculate a virtual force by using the target trajectory as a reference input, and to control the operation of the robot module to follow the target trajectory by applying the virtual force value to the robot module.
When the external force is measured by the force / torque sensor, the motion controller additionally gives the measured value of the external force to the robot module so that the robot module operates in compliance with the external force. system.
제1항에 있어서,
상기 동작 제어기는, 가상의 스프링-댐퍼 힘 값을 상기 로봇 모듈에 부여하는 가상 스프링-댐퍼 힘 제어기인 것을 특징으로 하는 로봇 동작 제어 시스템.
The method of claim 1,
And the motion controller is a virtual spring-damper force controller that imparts a virtual spring-damper force value to the robot module.
제2항에 있어서,
상기 가상 스프링-댐퍼 힘 제어기는,
상기 로봇 모듈의 관절 또는 말단부에 부착되는 것을 특징으로 하는 로봇 동작 제어 시스템.
3. The method of claim 2,
The virtual spring-damper force controller,
Robot motion control system, characterized in that attached to the joint or the distal end of the robot module.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 동작 제어기는 상기 측정된 외력의 값에 가중치
Figure 112013041266816-pat00046
를 곱하여 상기 로봇 모듈에 추가로 부여함으로써, 상기 외력에 순응하는 정도를 조절하는 것을 특징으로 하는 로봇 동작 제어 시스템.
The method of claim 1,
The motion controller is weighted to the value of the measured external force
Figure 112013041266816-pat00046
By multiplying and giving additionally to the robot module, the robot motion control system, characterized in that to adjust the degree of compliance with the external force.
사용자의 신체 부위에 부착된 로봇 모듈의 현재 위치에서 목표 위치까지의 목표 궤적을 생성하는 단계;
상기 목표 궤적을 기준 입력으로 하여 가상의 힘을 계산하고, 상기 계산된 가상의 힘 값을 상기 로봇 모듈에 부여하여 상기 로봇 모듈이 상기 목표 궤적을 추종하도록 제어하는 단계;
상기 로봇 모듈에 부착된 힘/토크 센서를 이용해 외력을 측정하는 단계; 및
상기 힘/토크 센서에서 측정된 외력의 값을 상기 로봇 모듈에 추가로 부여하여, 상기 로봇 모듈이 상기 외력에 순응하여 동작하도록 제어하는 단계를 포함하는 로봇 동작 제어 방법.
Generating a target trajectory from the current position of the robot module attached to the body part of the user to the target position;
Calculating a virtual force by using the target trajectory as a reference input, and controlling the robot module to follow the target trajectory by applying the calculated virtual force value to the robot module;
Measuring an external force using a force / torque sensor attached to the robot module; And
And additionally applying a value of the external force measured by the force / torque sensor to the robot module to control the robot module to operate in compliance with the external force.
제6항에 있어서,
상기 가상의 힘은 가상의 스프링-댐퍼 힘인 것을 특징으로 하는 로봇 동작 제어 방법.
The method according to claim 6,
The virtual force is a virtual spring-damper force.
삭제delete 제6항에 있어서,
상기 로봇 모듈이 상기 외력에 순응하여 동작하도록 제어하는 단계는,
상기 측정된 외력의 값에 가중치
Figure 112013041266816-pat00047
를 곱하여 상기 로봇 모듈에 추가로 부여함으로써, 상기 외력에 순응하는 정도를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 동작 제어 방법.
The method according to claim 6,
Controlling the robot module to operate in compliance with the external force,
Weighted to the value of the measured external force
Figure 112013041266816-pat00047
And multiplying the robot module to further adjust the degree of compliance with the external force.
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