[go: up one dir, main page]

KR101841011B1 - 하지 보조로봇의 제어방법 - Google Patents

하지 보조로봇의 제어방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101841011B1
KR101841011B1 KR1020160157110A KR20160157110A KR101841011B1 KR 101841011 B1 KR101841011 B1 KR 101841011B1 KR 1020160157110 A KR1020160157110 A KR 1020160157110A KR 20160157110 A KR20160157110 A KR 20160157110A KR 101841011 B1 KR101841011 B1 KR 101841011B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
operation probability
robot
reaction force
leg
rotation angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020160157110A
Other languages
English (en)
Inventor
공경철
우한승
이장목
임명준
Original Assignee
대한민국
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 대한민국 filed Critical 대한민국
Priority to KR1020160157110A priority Critical patent/KR101841011B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101841011B1 publication Critical patent/KR101841011B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A61H1/0255—Both knee and hip of a patient, e.g. in supine or sitting position, the feet being moved together in a plane substantially parallel to the body-symmetrical plane
    • A61H1/0262—Walking movement; Appliances for aiding disabled persons to walk
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02—Sensing devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1633—Programme controls characterised by the control loop compliant, force, torque control, e.g. combined with position control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Pain & Pain Management (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • Rehabilitation Therapy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

본 발명은 보행 시 보행자의 주행 싸이클을 분석하여 보행자의 의도와 다른 시점에 제공되는 보조력으로 인한 불편함을 느끼지 않도록 하고 정확한 시점에 지능적으로 보조력을 제공할 수 있는 하지 부분마비 환자를 위한 착용형 하지 보조로봇의 제어방법에 관한 것이다.

Description

하지 보조로봇의 제어방법{Controlling Method Of Lower Body Assistance Robot}
본 발명은 보행시 하지 근력이 부족한 환자의 하지 부분마비 환자를 위한 착용형 하지 보조로봇의 제어방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 보행 시 보행자의 주행 싸이클을 분석하여 보행자의 의도와 다른 시점에 제공되는 보조력으로 인한 불편함을 느끼지 않도록 하고 정확한 시점에 지능적으로 보조력을 제공할 수 있는 하지 부분마비 환자를 위한 착용형 하지 보조로봇의 제어방법에 관한 것이다.
하지 부분마비 환자를 위한 착용형 하지 보조로봇은 보행자의 부족한 근력을 보조하여 보행자의 자율 보행을 가능하게 하는 착용형 로봇이다.
하지 부분마비 환자는 어느 정도의 하지 동작이 가능하다는 점에서 하지 완전마비 환자와 구별되며, 그에 따라 로봇 착용 환자에게 제공되는 보조력도 차별화되는 것이 바람직하다. 일반적으로 큰 동력을 생성을 위한 모터 등의 구동 장치는 역구동성이 보장되지 않으며, 구동 장치 외부에서 발생되는 움직임에 대해서는 큰 저항력을 갖는다.
하지 완전마비 환자를 위한 착용형 하지 보조로봇은 환자의 하지 움직임 생성이 전혀 불가능하기 때문에 저항력의 문제가 없으나, 하지 보조로봇을 착용한 환자는 움직임에 따라 구동장치의 저항력이 존재하는 경우 큰 불편함을 느끼게 된다.
구체적으로, 하지 부분마비 환자의 경우 자발적인 하지 동작이 어느 정도 가능하므로, 하지 보조로봇을 착용한 상태에서 하지 보조로봇 착용자가 구동장치의 구동력 제공상태와 다른 방향 또는 다른 크기로 움직임을 시도하는 경우, 하지 보조로봇 착용자에게 큰 저항력이 전달되어 상당한 불편함을 느끼게 된다.
따라서, 하지 부분마비 환자를 위한 하지 보조로봇은 착용자의 동작의 움직임에 따라 최적의 시점에서 보조력이 제공되도록 구동장치가 제어되는 것이 바람직하다.
하지 부분마비 환자를 위한 착용형 하지 보조로봇은 기본적으로 착용자의 보행 의도에 따라 구동 저항력이 느껴지지 않도록 제어되는 것이 바람직하지만, 구동 저항력을 제공하지 않는 것과 보행을 위한 보조력을 제공하는 것은 하지 보조로봇의 구동장치의 제어 관점에서 상충되는 것이므로, 보다 지능적으로 보조력을 제공할 필요가 있다.
이러한 지능적 보조력 제공을 위해서는 보행자의 보행시 동작의도를 정확하게 파악해야 하지만, 보행자의 동작 의도는 보행자 외에는 정확하게 알 수 없다. 최근 인간의 의도를 파악하기 위하여, 사람의 뇌파(腦波, brainwave), 뇌전도(EEG, electroencephalography) 또는 근전도(EMG, Electromyogram) 신호를 분석하여 인간의 동작 의도를 파악하는 연구가 시도되고 있으나 아직은 연구단계이며, 보다 간단하고 효율적인 방법으로 보행자의 동작 의도를 결정하여 최적의 타이밍에 하지 보조로봇을 착용한 보행자에게 지능적으로 보조력을 제공하는 기술이 요구된다.
본 발명은 보행 시 보행자의 주행 싸이클을 분석하여 보행자의 동작의도와 다른 시점에 제공되는 보조력으로 인한 불편함을 느끼지 않도록 하고 정확한 시점에 지능적으로 보조력을 제공할 수 있는 하지 부분마비 환자를 위한 착용형 하지 보조로봇의 제어방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 구동장치, 상기 구동장치에 의하여 구동되는 고관절, 상기 고관절에 일단이 연결되는 대퇴부재, 상기 대퇴부재의 타단과 연결되는 슬관절, 상기 슬관절에 일단이 연결되는 하퇴부재, 상기 하퇴부재의 타단과 연결되는 족저부재를 각각 포함하여 구성되는 한 쌍의 하지구조가 착용자의 왼쪽 하지 및 오른쪽 하지에 착용되어 독립적으로 구동 가능한 하지 부분마비 환자를 위한 착용형 하지 보조로봇의 제어방법에 있어서, 하지 보조로봇을 구성하는 관절 또는 몸체의 회전각을 측정하는 회전각 측정단계; 하지 보조로봇의 족저면의 지면반력을 측정하는 지면반력 측정단계; 상기 회전각 측정단계 및 상기 지면반력 측정단계에서 측정된 회전각 및 지면반력을 이용하여 하지 보조로봇 착용자의 특정 보행 동작의 동작확률을 결정하는 동작확률 결정단계; 및, 상기 동작확률 결정단계에서 결정된 동작확률에 따라 하지 보조로봇의 관절을 회전 구동하는 구동장치를 제어하는 구동장치 제어단계;를 포함하는 하지 보조로봇의 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 동작확률 결정단계의 동작확률은 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 스윙 동작이 시작되는 유각기 시점에 대한 0 내지 1의 범위의 확률이며, 상기 동작확률 결정단계 상기 동작확률이 1에 도달하는 경우, 상기 구동장치 제어단계는 상기 동작확률이 1에 도달하는 경우 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 스윙동작을 위한 제1(또는 제2) 고관절의 구동장치의 구동력을 발생시킬 수 있다.
그리고, 상기 지면반력 측정단계는 상기 하지구조의 족저부재의 저면의 선단 및 후단에 설치된 지면반력 센서를 통해 족저부재의 저면의 선단 및 후단의 지면반력을 각각 측정할 수 있다.
또한, 상기 회전각 측정단계는 하지 보조로봇에 구비된 G센서 및 관절에 구비된 엔코더를 통해 몸체의 기울어짐각, 고관절의 회전각 및 슬관절의 회전각을 측정할 수 있다.
여기서, 상기 동작확률 결정단계는 상기 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 스윙동작이 시작되는 시점에 대한 유각기 동작확률을 결정하기 위하여, 상기 지면반력 측정단계 및 상기 회전각 측정단계에서 측정된 지면반력 및 관절의 회전각을 이용하여, 아래의 제1 내지 제5 동작확률 판단변수(x1 내지 x5)를 추출하고, 추출된 동작확률 판단변수(x1 내지 x5) 및 각각의 동작확률 판단변수에 대한 가중치(w1 내지 w5) 곱(wixi)의 합에 대한 동작확률 결정함수(f)의 0 내지 1 사이의 아래의 출력값(y)을 동작확률로 결정할 수 있다.
- 아래 -
Figure 112016114980093-pat00001
- 아래 -
x1 : 제1(또는 제2) 고관절의 중력방향 절대 회전각(rad)
x2 : 제1(또는 제2) 슬관절의 고관절에 대한 상대 회전각(rad)
x3 : 제1 족저부재(또는 제2 족저부재)의 선단 지면반력 - 제1 족저부재(또는 제2 족저부재)의 후단 지면반력 측정값의 편차
x4 : 제1 족저부재의 선단 및 후단 지면반력의 측정값의 합 - 제2 족저부재 의 선단 및 후단 지면반력의 측정값의 합
x5 : 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 입각기 판단값(1 또는 0)
또한, 상기 동작확률 결정단계의 동작확률 결정함수(f)는 계단 함수, 부호 함수, 시그모이드 함수, 쌍곡 탄젠트 함수 중 어느 하나일 수 있다.
그리고, 상기 동작확률 결정단계의 상기 동작확률 결정함수(f)는 시그모이드 함수(
Figure 112016114980093-pat00002
)일 수 있다.
그리고, 상기 구동장치 제어단계에서 발생시키는 보조력은 상기 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 유각기 스윙 동작확률이 1에 도달한 시점부터 발생되어 미리 결정된 크기까지 증가 후 감소되어 소멸될 수 있다.
또한, 상기 가중치(w1 내지 w5)는 하지 보조로봇의 착용자의 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 유각기 스윙동작의 실제 동작의도(yd)와 임의의 가중치(w1' 내지 w5')로 계산된 임의의 동작확률(y1)를 이용하여 아래의 목적함수(J)가 최소화되도록 결정될 수 있다.
- 아래 -
Figure 112016114980093-pat00003
여기서, 상기 하지 보조로봇의 착용자의 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 유각기 스윙동작의 실제 동작의도(yd)는 하지 보조로봇을 착용한 착용자의 시험보행 중 착용자의 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 유각기 스윙 동작의도에 대한 의사표시를 수집하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 목적함수　Ｊ가 최소화되도록 상기　가중치 w1 내지 w5를　결정하는 경우, 임의의 가중치(w1' 내지 w5')의 구속조건으로 양수 또는 음수 조건을 설정할 수 있다.
본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법에 의하면, 하지 보조로봇을 착용한 환자의 뇌파(腦波, brainwave), 뇌전도(EEG, electroencephalography) 또는 근전도(EMG, Electromyogram) 등의 정보를 사용하지 않아도 착용형 로봇의 관절의 회전각, 몸체의 중력방향에 대한 회전각, 지면반력 정보 등을 사용하여 하지 보조로봇을 착용한 환자의 동작의도와 근접한 동작확률을 결정하여 사용자의 적극적 움직임에 대한 물리적 저항을 최소화하면서 사용자에게 요구되는 보조력을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 하지 보조로봇에 의하면, 복잡한 방법과 구성으로 사용자의 의도를 파악하기 위한 구성을 최소화할 수 있으므로 하지 보조로봇의 비용을 줄이고, 컨트롤러 또는 로봇의 구조를 단순화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하지 부분마비 환자를 위한 착용형 하지 보조로봇의 일예를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법의 블록선도를 도시한다.
도 3은 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 유각기 스윙동작에 대한 동작확률 결정을 위하여 시간에 따라 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)에 장착된 제1 하지구조(또는 제2 하지구조)의 센서를 통하여 수집되는 제1 내지 제5 동작확률 판단변수 값의 중첩된 그래프를 도시한다.
도 4는 본 발명의 하지 보조로봇을 착용한 환자의 스윙동작의 동작확률 결정대상인 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 시간에 따른 보행 주기에 대한 판단값과 하지 보조로봇을 착용한 착용자의 실제 측정시험을 통한 동작의도 결과의 그래프를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법을 구성하는 동작확률 결정단계를 통해 결정된 동작의도와 도 3에서 실제 동작의도를 비교한 상태의 시간축 9.7초와 9.8초 사이의 확대도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 하지 보조로봇을 착용한 환자의 보행주기 데이터 그래프, 동작확률 결정단계에서 결정된 동작확률 및 결정된 동작에 따라 구동장치를 제어하여 구동력을 제공하는 구동장치 제어단계에서 고관절에 제공되는 보조력의 크기를 시간에 따라 도시한 그래프이다.
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 하지 부분마비 환자를 위한 착용형 하지 보조로봇의 일예를 도시한다.
도 1에 도시된 하지 보조로봇(1)의 용어를 다음과 같이 정의한다. 하지 보조로봇(1)은 하지 보조로봇 착용자의 왼쪽 하지 및 오른쪽 하지에 착용이 가능한 2개의 하지구조(100, 200)를 구비하며, 각각의 하지구조는 신체의 엉덩이 관절에 대응되는 고관절(20, 30), 신체의 무릎 관절에 대응되는 슬관절(40, 50)을 구비할 수 있다. 각각의 관절에는 관절 회전을 위한 구동장치가 구비될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예는 각각의 고관절(20, 30)과 슬관절(40, 50)에 독립적인 구동장치가 구비되는 것으로 도시되었으나, 각각의 하지구조에 구비된 하나의 구동장치에 의하여 연동 구동되도록 구성될 수도 있다.
하지 부분마비 환자를 위한 착용형 하지 보조로봇은 배터리 및 컨트롤러 등을 포함하는 전장부(10)가 배낭형으로 구비될 수 있으며, 상기 전장부(10)에서 제어신호 및 전력을 연결하는 연결부(12)가 허리 영역을 감싸며 측면 방향으로 연장된다.
한 쌍의 상기 연결부(12)의 단부에는 하지 보조로봇 착용한 환자의 왼쪽 하지 및 오른쪽 하지에 착용되어 보행 동작에 따라 보조력을 제공하기 위한 제1 하지구조(100) 및 제2 하지구조(200)가 연결될 수 있다.
상기 제1 하지구조(100) 및 상기 제2 하지구조(200)에 대하여 설명한다. 상기 제1 하지구조(100) 및 상기 제2 하지구조(200)를 착용한 환자의 양 하지의 측면에는 착용자의 엉덩이 관절의 움직임에 따라 회전가능한 제1 고관절(20) 및 제2 고관절(30)이 구비된다. 상기 제1 고관절(20) 및 상기 제2 고관절(30) 주변에는 상기 제1 고관절(20) 및 상기 제2 고관절(30)을 중심으로 하는 신체의 허벅지에 대응되는 제1 대퇴부재(21) 및 제2 대퇴부재(31)의 회전 구동을 위한 구동력을 제공하는 제1 고관절 구동장치(23) 및 제2 고관절 구동장치(33)가 구비될 수 있다.
상기 제1 고관절 구동장치(23) 및 상기 제2 고관절 구동장치(33)는 상기 제1 고관절(20) 및 상기 제2 고관절(30)의 하방에 일단이 연결되는 제1 대퇴부재(21) 및 제2 대퇴부재(31)를 독립적으로 회전 구동시킬 수 있다.
착용자의 양 하지의 측면에는 착용자의 슬관절의 움직임에 대응하여 회전가능한 제1 슬관절(40) 및 제2 슬관절(50)이 구비된다.
상기 제1 슬관절(40) 및 상기 제2 슬관절(50)은 상기 제1 대퇴부재(21) 및 상기 제2 대퇴부재(31)의 타단에 연결될 수 있다.
마찬가지로, 상기 제1 슬관절(40) 및 상기 제2 슬관절(50) 주변에는 상기 제1 슬관절(40) 및 상기 제2 슬관절(50)을 중심으로 하는 신체의 종아리에 대응되는 제1 하퇴부재(41) 및 제2 하퇴부재(51)의 회전 구동을 위한 구동력을 제공하는 제1 슬관절 구동장치(43) 및 상기 제2 슬관절 구동장치(53)가 구비될 수 있다. 그리고, 상기 제1 슬관절(40) 및 상기 제2 슬관절(50)에 상기 제1 하퇴부재(41) 및 상기 제2 하퇴부재(51)의 일단이 연결되고, 상기 제1 하퇴부재(41) 및 상기 제2 하퇴부재(51)의 타단에는 착용자의 신발이 안착되는 제1 족저부재(60) 및 제2 족저부재(70)가 구비될 수 있다.
이러한 하지 보조로봇을 착용한 환자는 정상 보행에 필요한 동력을 하지 보조로봇으로부터 보조받으며, 정상인의 보행과 유사한 보행을 할 수 있게 된다.
일반적으로 사람의 보행 동작은 족저면이 땅에 접촉하는지 여부에 따라 입각기 및 유각기로 구분될 수 있다.
입각기는 지면과 족저부재의 접촉 각도 또는 보행 정도에 따라 초기 입각기 (initial contact, IC), 중기 입각기 (mid-stance, MS), 말기 입각기 (terminal stance, TS)로 구분될 수 있으므로, 하지 보조로봇을 착용한 환자의 움직임에 따라 환자의 하지는 각각 초기 입각기 (initial contact, IC), 중기 입각기 (mid-stance, MS), 말기 입각기 (terminal stance, TS), 유각기 (swing, S)를 반복하며 보행 동작을 반복하게 될 수 있다.
하지 보조로봇을 착용한 환자의 왼쪽 하지 또는 오른쪽 하지의 움직임에 따라 하지 보조로봇의 제1 하지구조(100) 및 제2 하지구조(200) 역시 입각기 및 스윙기 동작이 반복되어야 한다.
환자의 왼쪽 하지 또는 오른쪽 하지가 입각기에 있는지 또는 유각기에 있는지 여부에 따라 하지 보조로봇의 하지구조의 고관절 또는 슬관절은 보행 주기에 따른 회전력, 지지력 또는 보조력을 제공할 수 있다.
하지 보조로봇의 구동장치의 구동방법을 간단하게 설명하면, 양 하지구조 중 입각기 중인 하지구조의 고관절(20, 30)은 역방향 회전 구동력으로 보행 방향과 반대방향으로 신전 동작을 위하여 대퇴부재가 변위되도록 대퇴부재를 회전시키고, 역방향으로 회전 구동되는 대퇴부재의 타단에 연결된 슬관절(40, 50)은 지지력 제공 및 하퇴부재 굴곡 동작을 위한 정방향 회전이 수행될 수 있다. 그리고 스윙 동작을 구현하는 유각기 중인 하지구조의 고관절(20, 30)은 상기 역방향과 반대방향인 정방향으로 굴곡 동작을 위하여 대퇴부재가 스윙되도록 보조력을 제공하고, 스윙되는 대퇴부재의 타단에 연결되는 슬관절은 무저항 상태로 고관절에 가해지는 보조력에 의하여 역방향으로 신전되기 위하여 관성에 의하여 회전되어 스윙동작을 수행할 수 있다.
각각의 관절에는 각각의 관절의 회전각을 측정하기 각도센서로서의 엔코더(미도시)가 구비되고, 각각의 족저부재(60, 70)에는 지면반력 측정을 위한 반력센서(미도시)가 구비될 수 있다.
하지 보조로봇 착용자의 왼쪽 하지 또는 오른쪽 하지가 입각기인지 여부와 입각기 중 초기 입각기, 중기 입각기 또는 말기 입각기인지 여부는 입각기가 족저면의 지면 접촉을 전제로 하는 것이므로, 왼발 또는 오른발의 전단과 후단의 지면반력의 크기를 통해 판단이 가능하므로, 각각의 관절의 구동장치는 그에 따라 구동력 또는 지지력을 제공하면 된다.
그러나, 하지 보조로봇 착용자의 한쪽 하지가 유각기로 진입하는 시점은 보행 습관, 속도 또는 보폭 등의 개인적 특성 등에 의하여 관절의 각도를 측정하기 위한 엔코더 또는 반력센서에서 제공되는 정보로 이를 파악하는 것은 불가능하다.
그러나, 스윙동작이 시작되는 유각기의 시점과 관련된 정확한 동작의도를 모르는 상태에서 고관절 구동장치에 의하여 보조력을 생성하는 시점의 시간적 편차가 발생되는 경우, 사용자는 큰 불편을 느끼게 된다.
따라서 본 발명은 엔코더 또는 반력센서에 의하여 수집되는각각의 관절의 회전각도 또는 지면반력만을 이용하여, 사용자의 보행 주기 중 스윙동작의 시점과 관련된 동작의도를 반영하는 동작확률을 결정하여, 하지 보조로봇 착용자가 느끼는 저항력을 최소화할 수 있는 하지 보조로봇의 제어방법을 제공한다. 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법의 블록선도를 도시한다.
본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법은 하지 부분마비 환자를 위한 착용형 하지 보조로봇의 제어방법에 있어서, 하지 보조로봇을 구성하는 관절 또는 몸체의 회전각을 측정하는 회전각 측정단계(S100), 하지 보조로봇의 족저면의 지면반력을 측정하는 지면반력 측정단계(S200), 상기 회전각 측정단계(S100) 및 상기 지면반력 측정단계(S200)에서 측정된 회전각 및 지면반력을 이용하여 하지 보조로봇 착용자의 특정 보행 동작의 동작확률을 결정하는 동작확률 결정단계(S300), 상기 동작확률 결정단계(S300)에서 결정된 동작확률에 따라 하지 보조로봇의 관절을 회전 구동하는 구동장치를 제어하는 구동장치 제어단계(S400)를 포함하는 하지 보조로봇의 제어방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법은 관절 또는 몸체의 회전각과 지면반력 정보를 사용하여 사용자의 정확한 실제의 특정 보행 동작의도에 근접하는 동작확률을 계산하여 결정하고, 결정된 동작확률에 따라 하지 보조로봇을 제어하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 특정 보행 동작이란 전술한 바와 같이, 로봇 착용자의 정확한 동작 의도를 수집된 관절의 회전각 또는 지면반력에 의하여 즉시 판단할 수 없는 사용자의 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 스윙 동작이 수행되는 유각기의 시점에 대한 동작의도를 의미할 수 있다.
상기 동작확률 결정단계(S300)에서 결정되는 동작확률은 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 스윙 동작이 시작되는 유각기 시점에 대한 0 내지 1의 범위의 확률을 의미하며, 특정 시점에서의 계산 방식으로 결정된 왼쪽 하지 또는 오른쪽 하지의 동작확률이 1에 도달한다는 의미는 해당 시점에서 하지 보조로봇 착용자의 왼쪽 하지 또는 오른쪽 하지의 스윙 동작의 의도가 존재(또는 발생)한다는 것을 의미할 수 있다.
따라서, 상기 동작확률 결정단계(S300) 상기 동작확률이 1에 도달하는 경우, 상기 구동장치 제어단계는 상기 동작확률이 1에 도달하는 경우 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 스윙동작을 위한 제1(또는 제2) 고관절의 구동장치의 구동력을 발생시켜 보조력을 생성할 수 있다.
여기서, 왼쪽 하지 또는 오른쪽 하지의 스윙 동작이 수행되는 유각기의 동작확률의 계산을 위한 아래와 같은 동작확률 판단변수를 사용한다.
x1은 각각의 고관절의 중력방향(수직방향) 절대 회전각(rad)을 의미한다. 각각의 고관절에 구비된 엔코더 관절 자체의 회전각만을 판단할 수 있고, 몸체의 기울어짐은 판단할 수 없으므로, 고관절의 중력방향(수직방향) 절대 회전각(rad)은 고관절의 상대 회전각(rad)에서 몸체의 기울어짐각을 뺀 각을 의미한다.
x2는 제1 슬관절(40)(또는 제2 슬관절(50))의 고관절에 대한 상대 회전각은 각각의 슬관절이 각각의 대퇴부재의 하단에 위치하므로, 각각의 슬관절에서 측정되는 슬관절의 회전각은 항상 고관절에 대한 상대 회전각이다.
그리고, x3은 동작확률의 대상인 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지) 족저면의 선단과 후단의 지면반력 편차를 의미한다. 상기 지면반력은 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)이 수용되는 족저부재에 가해지는 반력으로 측정될 수 있다.
도 1의 각각의 제1 하지구조(100) 및 제2 하지구조(200)의 족저부재(60, 70)는 각각 제1 족저부재(또는 제2 족저부재) 하면을 지지하고, 각각의 족저부재의 선단과 후단에 지면반력 센서가 장착되어야 한다. 특정 족저부재의 족저면 선단과 후단에 가해지는 지면반력의 편차의 크기 변화를 통해 입각기 보행 중인 왼쪽 하지 또는 오른쪽 하지의 입각기의 단계를 판단할 수 있다. 즉, 편차가 큰 양의 값을 갖는 경우는 말기 입각기로 판단하고 큰 음의 값을 갖는 경우 초기 입각기로 판단할 수 있으며, 선단과 후단의 지면반력의 편차가 음 의 값에서 양의 값으로 변화되는 과정은 중기 입각기로 판단할 수 있으며, 선단과 후단의 지면반력이 모두 0인 경우에는 유각기로 판단할 수도 있다.
여기서, 왼쪽 하지 또는 오른쪽 하지의 유각기의 동작의도, 즉 유각기의 시점을 판단하기 위하여, 입각기의 종점을 유각기의 시점으로 가정할 수 있으나, 체중은 좌우 하지에 분산되어 보행하고, 좌우 하지의 입각기가 동시에 발생되는 경우도 존재하므로, 상기 지면반력의 편차를 체중과 비교하는 시점을 유각기의 시점으로 판단하는 방법은 사용할 수 없다.
그리고, 족저부재의 선단과 후단의 지면반력이 모두 0인 경우는 왼쪽 하지 또는 오른쪽 하지가 유각기임을 판단하는 데이터로 사용될 수 있으나, 그 유각기의 시점(시점에 대한 동작의도와 관련된 동작확률)에 대한 판단자료는 되지 못한다.
따라서, x3을 제1 족저부재(또는 제2 족저부재)의 선단 지면반력 - 제1 족저부재(또는 제2 족저부재)의 후단 지면반력의 편차로 하고, 유각기 시점을 판단하기 위한 어느 하나의 하지가 입각기 인지 여부와 입각기 진행 정도의 판단자료로 사용할 수 있다.
그리고, 동작확률 판단변수 x4는 양 하지의 선단과 후단의 지면반력의 합의 편차를 구하는 것으로, x4 동작확률 판단변수를 통해 동작확률 결정대상인 왼쪽(또는 오른쪽) 하지의 체중 집중 여부를 판단할 수 있다, x4 값이 큰 양수를 갖는 경우에는 양쪽 하지가 모두 입각기임에도 불구하고 왼쪽(또는 오른쪽) 하지가 말기 입각기에 있음을 판단할 수 있다.
또한, 동작확률 판단변수 x5는 지면반력 등을 통해 동작확률 결정대상인 왼쪽(또는 오른쪽) 하지가 입각기 인지여부를 직접적으로 판단할 수 있다. 즉, 동작확률 결정대상인 왼쪽(또는 오른쪽) 하지가 입각기가 아닌 경우에는 x5는 0의 값을 가지며, 입각기인 경우에는 1의 값을 갖도록 하여 동작확률 결정대상인 왼쪽(또는 오른쪽) 하지가 지면반력 등을 참고한 정보에 의하여 입각기인지 여부를 동작확률에 직접 반영할 수 있다.
- 아래 -
x1 : 제1(또는 제2) 고관절의 중력방향 절대 회전각(rad)
x2 : 제1(또는 제2) 슬관절의 고관절에 대한 상대 회전각(rad)
x3 : 제1 족저부재(또는 제2 족저부재)의 선단 지면반력 - 제1 족저부재(또는 제2 족저부재)의 후단 지면반력 측정값의 편차
x4 : 제1 족저부재의 선단 및 후단 지면반력의 측정값의 합 - 제2 족저부재 의 선단 및 후단 지면반력의 측정값의 합
x5 : 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 입각기 판단값(1 또는 0)
또한, 위 동작확률 판단변수(x1 내지 x5)를 사용하여 동작의도를 반영하는 동작확률을 결정함에 있어서, 각각의 동작확률 판단변수가 실제의 동작확률에 미치는 영향의 크기에 있어서 차이가 있다.
따라서, 본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법의 동작확률 결정단계(S300)는 동작확률을 결정함에 있어서, 동작확률 판단변수(x1 내지 x5)를 그대로 사용하지 않고 동작확률 판단변수에 대한 가중치(w1 내지 w5)를 사용한다. 가중치를 결정하는 구체적인 방법은 후술한다.
이와 같이 수집된 동작확률 판단변수 및 가중치를 이용하여 본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법의 상기 동작확률 결정단계(S300)는 동작확률 판단변수(x1 내지 x5) 및 각각의 동작확률 판단변수에 대한 가중치(w1 내지 w5) 곱(wixi)의 합에 대한 아래의 동작확률 결정함수(f)의 출력값(y)을 동작확률로 결정할 수 있다.
- 아래 -
Figure 112016114980093-pat00004
여기서, 상기 동작확률 결정단계(S300)의 동작확률 결정함수(f)는 인공신경망 이론에서 사용되는 계단 함수, 부호 함수, 시그모이드 함수, 쌍곡 탄젠트 함수 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 본 명세서에서 상기 상기 동작확률 결정단계(S300)의 동작확률 결정함수(f)는 시그모이드 함수(
Figure 112016114980093-pat00005
)가 사용되었다.
상기 시그모이드 함수 등의 특성은 입력값이 양의 무한대 값을 갖는 경우, 출력값이 1에 수렴하고, 입력값이 음의 무한대 값을 갖는 경우, 출력값이 0에 도달되는 특성을 갖는다.
따라서, 전술한 동작확률 판단변수(x1 내지 x5) 및 각각의 동작확률 판단변수에 대한 가중치(w1 내지 w5) 곱(wixi)의 합
Figure 112016114980093-pat00006
의 값이 양의 무한대 값을 갖는 경우, 출력값인 동작확률은 1이 되어 해당 시점에서 특정 하지의 유각기의 동작의도가 존재하는 것으로 판단하고, 음의 무한대 값을 갖는 경우, 출력값인 동작확률은 0이 되어 해당 시점에서 특정 하지의 유각기의 동작의도가 존재하지 않는 것으로 판단하여, 해당 시점에서 유각기의 스윙동작을 보조하기 위한 보조력을 생성하거나 무저항 구동이 되도록 하면 된다.
도 3은 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 유각기 스윙동작에 대한 동작확률 결정을 위하여 시간에 따라 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)에 장착된 제1 하지구조(100)(또는 제2 하지구조)의 센서를 통하여 수집되는 제1 내지 제5 동작확률 판단변수(x1 내지 x5) 값의 중첩된 그래프를 도시한다.
도 3에 도시된 그래프에서, x5는 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)가 입각기 인지 여부에 대한 판단값(0 또는 1)으로 계단함수 형태를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 1의 제1 고관절(20)(또는 제2 고관절(30))의 중력방향 절대 회전각(rad, 수직선 기준 시계방향 회전각이 양의 값)인 x1은 몸체의 기울어짐이 크지 않은 경우 보폭에 따라 + 값에서 -값으로 변화되며, 도 1의 제1 슬관절(40)(또는 제2 슬관절(50))의 고관절에 대한 상대 회전각(rad)인 x2는 입각기 직후에 크게 증가한 후 감소되는 경향을 확인할 수 있고, 도 1의 제1 족저부재(60)(또는 제2 족저부재(70))의 선단 지면반력 - 제1 족저부재(60)(또는 제2 족저부재(70))의 후단 지면반력의 편차(반력센서에서 감지된 raw data)인 x3은 입각기 시점에 제1 족저부재(60)(또는 제2 족저부재(70))의 후단이 먼저 지면과 접촉되므로 음의 값을 가지며, 입각기 종점에 제1 족저부재(60)(또는 제2 족저부재(70))의 후단은 접촉되지 않고 선단만 접촉되므로 양의 값을 가지며 증가된다.
그리고, 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)에 장착된 도 1의 제1 하지구조(100)(또는 제2 하지구조(200))를 구성하는 제1 족저부재(60)(또는 제2 족저부재(70))의 선단 및 후단 지면반력의 합 - 제2 족저부재(70)(또는 제1 족저부재(60))의 선단 및 후단 지면반력의 합인 x4는 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)가 입각기 판단값이 1인 경우, 즉 입각기 동작 중에 증가될 수 있다.
상기 x4는 특정 하지가 유각기 동작을 수행하는 경우 큰 양의 절대값을 갖도록 증가되지만 스윙동작이 수행되는 유각기는 반대로 큰 양의 절대값을 갖도록 감소됨을 확인할 수 있다.
이와 같이 수집된 동작확률 판단변수(x1 내지 x5)는 하지 보조로봇을 착용한 환자의 각각 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 유각기 시점에 대한 동작확률 결정을 위한 판단변수로 활용될 수 있다.
그러나, 각각의 동작확률 판단변수(x1 내지 x5)는 센서 등에서 수집된 값을 별도의 처리과정 없이 취합되므로, 각각의 보행 시점에서 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 유각기 시점에 관한 동작확률을 결정하기 위해, 동작확률 결정함수(f)의 입력값으로 동작확률 판단변수(x1 내지 x5) 및 각각의 동작확률 판단변수에 대한 가중치(w1 내지 w5) 곱(wixi)의 합
Figure 112016114980093-pat00007
을 사용한다.
이와 같은 가중치를 사용하는 이유는 유각기 시점에 대한 동작확률에 영향을 미치는 변수로서 하지 보조로봇에 기본적으로 설치되는 회전각 센서 또는 지면반력 센서를 통한 수집 데이터를 사용하지만, 하지 보조로봇의 종류, 구조, 센서의 종류 및 설치 위치에 따라 수집 데이터는 다양한 값을 가질 수 있고, 이를 일률적인 기준으로 동작확률 판단변수로 사용할 수 없기 때문이다.
따라서, 본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법에서 스윙동작의 동작의도를 반영하는 동작확률 계산을 위한 동작확률 판단변수 x1 내지 x5는 각각의 가중치 w1 내지 w5를 곱한 값들(wixi)의 합
Figure 112016114980093-pat00008
을 동작확률 판단함수(f)의 입력값으로 활용한다. 이하 도 4를 참조하여 동작확률 판단변수 x1 내지 x5에 대한 각각의 가중치 w1 내지 w5를 결정하는 하나의 방법에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 하지 보조로봇을 착용한 환자의 스윙동작의 동작확률 결정대상인 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 시간에 따른 보행 주기에 대한 판단값과 하지 보조로봇을 착용한 착용자의 실제 측정시험을 통한 동작의도 결과의 그래프를 도시한다.
여기서, 하지 보조로봇 착용한 환자의 스윙동작의 동작확률 결정대상인 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 보행주기는 초기 입각기(IC), 중기 입각기(MS), 말기 입각기(TS) 및 스윙기(S)로 구분될 수 있으며, 보행주기(gait phase)의 시간에 따른 판단값은 0 또는 1의 값을 갖는다. 이는 입각기(IC), 중기 입각기(MS), 말기 입각기(TS) 및 스윙기(S)의 그래프가 1에 도달하고 1로 유지되는 시간 영역이 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)기 실제 초기 입각기(IC), 중기 입각기(MS), 말기 입각기(TS) 및 스윙기(S) 동작으로 움직임을 의미한다.
그리고, 도 4에서 하지 보조로봇 착용한 환자의 실제 동작의도(S int)는 동작확률 등이 반영되지 않은 하지 보조로봇을 착용한 환자의 의사표시를 통해 특정 하지의 스윙동작의 동작의도를 수집하였다.
하지 보조로봇을 착용한 환자에게 동작의도를 수집하기 위하여 하지 보조로봇 착용자에게 스윙동작의 동작의도가 발생된 시점을 기록할 수 있는 스위치 등을 제공하거나, 구두 의사표시의 시점을 수집하는 방법으로 시간에 따른 실제 동작의도를 수집하여 기록할 수 있다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 실제 동작의도(S int)가 발생된 시점에서 스위치를 누르거나 의사표시를 하는 경우, 실제 동작의도(S int)가 펄스 형태로 먼저 1에 도달하는 것으로 표시될 수 있으며, 실제 보행주기는 실제 동작의도(S int)가 펄스 형태로 나타난 직후에 유각기(S)가 일정시간 동안 1의 값을 가지며 스윙동작이 수행됨을 확인할 수 있다.
이와 같이 수집된 유각기의 실제 동작의도(S int)를 이용하여 전술한 동작확률 판단변수의 가중치를 계산할 수 있다.
구체적인 방법은 도 4에 도시된 데이터와 최적화 기법을 이용하여 각 입력에 대한 가중치를 결정하였다. 최적화　기법을　이용하기　위해　목적함수　Ｊ를　아래와　같이　설정하였다．
- 아래 -
Figure 112016114980093-pat00009
여기서　yd는 도 3에 도시된　착용자의 실제　스윙동작의 시점에서 스윙 동작의도 값(1 또는 0)을　나타내며,　y1은　임의의　가중치(w1' 내지 w5')를 도 3에서 추출된 동작확률 판단함수(x1 내지 x5)에 적용하여 계산한 동작확률 값을 의미한다. 예를 들면, 임의의 가중치(w1' 내지 w5')는 (0, 0, 0, 0, 0)와 같이 설정될 수 있다.
여기서, 목적　함수　Ｊ가　최소화　되도록 동작확률 판단변수에 대한 각각의　가중치 w1 내지 w5를　결정하였다． 상기 목적함수　Ｊ가 최소화되도록 상기　가중치 w1 내지 w5를　결정하는 경우, 임의의 가중치(w1' 내지 w5')의 초기값은 (0, 0, 0, 0, 0)으로 설정하였으며, 구속조건으로 양수 또는 음수 조건을 설정하였다.
구체적으로, 임의의 가중치(w1' 내지 w5')에 대한 양수 또는 음수의 구속조건은 [양수, 양수, 양수, 음수, 음수]로 하였다.
이와 같은 방법으로, 도 3을 참조하여 설명된 동작확률 판단변수들을 이용한 목적함수 J를 최소화하는 가중치(w1 내지 w5)는 아래와 같이 계산되었다.
그러나, 아래와 같은 가중치 값은 로봇의 형태, 착용자의 특성 등에 따라 가변될 수 있는 값이다.
- 아래 -
Figure 112016114980093-pat00010
도 5는 본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법을 구성하는 동작확률 결정단계(S300)를 통해 결정된 동작의도와 도 3에서 실제 동작의도를 비교한 상태의 시간축 9.7초와 9.8초 사이의 확대도를 도시한다.
실제의 동작의도(S int, 녹색 실선)을 통해 위 가중치 값을 계산하여 동작확률 판단변수로 동작확률 판단함수(f)를 이용하여 동작확률(S est, 적색 점선)을 계산하였다.
결정된 동작확률(S est, 적색 점선)과 실제의 동작의도(S int, 녹색 실선) 비교결과 도 5에 도시된 바와 같이, 실제의 동작의도(S int, 녹색 실선)와 결정된 동작확률(S est, 적색 점선)는 거의 오차가 발생되지 않고, 실제의 동작의도에 근접한 동작확률이 결정된 것을 확인할 수 있다.
여기서, 실제 동작의도에 기초하여 목적 함수 J를 사용하여 목적 함수 J가 최소화되도록 가중치(w1 내지 w5)를 구하는 과정은 생략되어도 무방하다. 도 5는 계산된 동작확률과 실제 동작의도가 일치함을 확인할 수 있다는 장점이 있고, 가중치가 작게 설정되는 경우, 동작확률 결정단계(S300)에서 동작확률 결정을 위한 연산량을 줄일 수 있다는 장점이 있으나, 임의의 가중치를 경험 또는 실험치에 의한 고정값으로 하여 전술한 동작확률 결정함수(f)로 연산하여 동작확률을 결정할 수도 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 실제의 동작의도(S int, 녹색 실선)가 실제 유각기 스윙구간의 직전에 발생하고, 도 3에서 설명된 동작확률 판단변수(x1 내지 x5), 가중치(w1 내지 w5) 및 동작확률 결정함수(f)를 통해 결정된 동작확률(S est, 적색 점선) 역시 실제 유각기 스윙구간의 직전에 1의 값을 갖는 것으로 확인된다.
즉, 하지 보조로봇을 착용한 환자의 스윙동작의 실제 동작의도와 스윙동작의 계산된 동작확률이 모두 실제의 유각기 스윙동작 직전에 1에 도달하므로, 실제의 스윙동작의 동작의도가 발생되는 시점과 계산으로 예측된 스윙동작이 발생되는 시점이 모두 실제 스윙동작이 실행되는 시점 직전임을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 하지 보조로봇을 착용한 환자의 보행주기 데이터 그래프, 동작확률 결정단계(S300)에서 결정된 동작확률 및 결정된 동작에 따라 구동장치를 제어하여 구동력을 제공하는 구동장치 제어단계에서 고관절에 제공되는 보조력의 크기를 시간에 따라 도시한 그래프이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 실제 스윙동작 직전에 동작확률(S est)이 펄스 형태로 1의 값에 도달하고, 그 시점부터 해당 고관절은 서서히 보조력을 제공하고, 미리 결정된 크기에 도달하면 실제 유각기가 종료되기 전에 보조력 제공이 중단된다.
즉, 입각기가 시작되기 직전의 유각기 말기에는 고관절의 관성으로만 스윙동작이 수행될 수 있으며, 해당 하지가 유각기 동작이 시작된 후에는 해당 하지구조의 고관절은 무저항 구동이 수행되어 보조력이 불필요하다.
이와 같은 방법에 의하여, 본 발명에 따른 하지 보조로봇의 제어방법에 의하면, 하지 보조로봇을 착용한 환자의 뇌파(腦波, brainwave), 뇌전도(EEG, electroencephalography) 또는 근전도(EMG, Electromyogram) 등의 정보를 사용하지 않아도 환자의 동작의도와 근접한 동작확률을 결정하여 사용자가 느끼는 물리적 저항을 최소화하면서 사용자에게 요구되는 보조력을 제공할 수 있으므로, 하지 보조로봇의 비용을 줄이고, 컨트롤러 또는 로봇의 구성을 단순화할 수 있는 효과를 얻을 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.
1 : 하지 보조로봇
20, 30 : 고관절
40, 50 : 슬관절
60, 70 : 족저부재
100, 200 : 하지구조
S100 : 회전각 측정단계
S200 : 지면반력 측정단계
S300 : 동작확률 결정단계
S400 : 구동장치 제어단계

Claims (11)

  1. 구동장치, 상기 구동장치에 의하여 구동되는 고관절, 상기 고관절에 일단이 연결되는 대퇴부재, 상기 대퇴부재의 타단과 연결되는 슬관절, 상기 슬관절에 일단이 연결되는 하퇴부재, 상기 하퇴부재의 타단과 연결되는 족저부재를 각각 포함하여 구성되는 한 쌍의 하지구조가 착용자의 왼쪽 하지 및 오른쪽 하지에 착용되어 독립적으로 구동 가능한 하지 부분마비 환자를 위한 착용형 하지 보조로봇의 제어방법에 있어서,
    하지 보조로봇을 구성하는 관절 또는 몸체의 회전각을 측정하는 회전각 측정단계;
    하지 보조로봇의 족저면의 지면반력을 측정하는 지면반력 측정단계;
    상기 회전각 측정단계 및 상기 지면반력 측정단계에서 측정된 회전각 및 지면반력을 이용하여 하지 보조로봇 착용자의 특정 보행 동작의 동작확률을 결정하는 동작확률 결정단계; 및,
    상기 동작확률 결정단계에서 결정된 동작확률에 따라 하지 보조로봇의 관절을 회전 구동하는 구동장치를 제어하는 구동장치 제어단계;를 포함하며,
    상기 동작확률 결정단계의 동작확률은 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 스윙 동작이 시작되는 유각기 시점에 대한 0 내지 1의 범위의 확률이며,
    상기 동작확률 결정단계 상기 동작확률이 1에 도달하는 경우, 상기 구동장치 제어단계는 상기 동작확률이 1에 도달하는 경우 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 스윙동작을 위한 제1(또는 제2) 고관절의 구동장치의 구동력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지면반력 측정단계는 상기 하지구조의 족저부재의 저면의 선단 및 후단에 설치된 지면반력 센서를 통해 족저부재의 저면의 선단 및 후단의 지면반력을 각각 측정하는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전각 측정단계는 하지 보조로봇에 구비된 G센서 및 관절에 구비된 엔코더를 통해 몸체의 기울어짐각, 고관절의 회전각 및 슬관절의 회전각을 측정하는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 동작확률 결정단계는 상기 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 스윙동작이 시작되는 시점에 대한 유각기 동작확률을 결정하기 위하여, 상기 지면반력 측정단계 및 상기 회전각 측정단계에서 측정된 지면반력 및 관절의 회전각을 이용하여, 아래의 제1 내지 제5 동작확률 판단변수(x1 내지 x5)를 추출하고, 추출된 동작확률 판단변수(x1 내지 x5) 및 각각의 동작확률 판단변수에 대한 가중치(w1 내지 w5) 곱(wixi)의 합에 대한 동작확률 결정함수(f)의 0 내지 1 사이의 아래의 출력값(y)을 동작확률로 결정하는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
    - 아래 -
    Figure 112016114980093-pat00011

    - 아래 -
    x1 : 제1(또는 제2) 고관절의 중력방향 절대 회전각(rad)
    x2 : 제1(또는 제2) 슬관절의 고관절에 대한 상대 회전각(rad)
    x3 : 제1 족저부재(또는 제2 족저부재)의 선단 지면반력 - 제1 족저부재(또는 제2 족저부재)의 후단 지면반력 측정값의 편차
    x4 : 제1 족저부재의 선단 및 후단 지면반력의 측정값의 합 - 제2 족저부재 의 선단 및 후단 지면반력의 측정값의 합
    x5 : 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 입각기 판단값(1 또는 0)
  6. 제5항에 있어서,
    상기 동작확률 결정단계의 동작확률 결정함수(f)는 계단 함수, 부호 함수, 시그모이드 함수, 쌍곡 탄젠트 함수 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 동작확률 결정단계의 상기 동작확률 결정함수(f)는 시그모이드 함수(
    Figure 112016114980093-pat00012
    )인 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 구동장치 제어단계에서 발생시키는 보조력은 상기 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 유각기 스윙 동작확률이 1에 도달한 시점부터 발생되어 미리 결정된 크기까지 증가 후 감소되어 소멸되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 가중치(w1 내지 w5)는 하지 보조로봇의 착용자의 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 유각기 스윙동작의 실제 동작의도(yd)와 임의의 가중치(w1' 내지 w5')로 계산된 임의의 동작확률(y1)를 이용하여 아래의 목적함수(J)가 최소화되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
    - 아래 -
    Figure 112016114980093-pat00013
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하지 보조로봇의 착용자의 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 유각기 스윙동작의 실제 동작의도(yd)는 하지 보조로봇을 착용한 착용자의 시험보행 중 착용자의 왼쪽 하지(또는 오른쪽 하지)의 유각기 스윙 동작의도에 대한 의사표시를 수집하여 결정되는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 목적함수　Ｊ가 최소화되도록 상기　가중치 w1 내지 w5를　결정하는 경우, 임의의 가중치(w1' 내지 w5')의 구속조건으로 양수 또는 음수 조건을 설정하는 것을 특징으로 하는 하지 보조로봇의 제어방법.
KR1020160157110A 2016-11-24 2016-11-24 하지 보조로봇의 제어방법 Active KR101841011B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160157110A KR101841011B1 (ko) 2016-11-24 2016-11-24 하지 보조로봇의 제어방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160157110A KR101841011B1 (ko) 2016-11-24 2016-11-24 하지 보조로봇의 제어방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101841011B1 true KR101841011B1 (ko) 2018-03-26

Family

ID=61910782

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160157110A Active KR101841011B1 (ko) 2016-11-24 2016-11-24 하지 보조로봇의 제어방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101841011B1 (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110393657A (zh) * 2019-07-14 2019-11-01 西安萨默尔机器人科技有限公司 新型外骨骼下肢助力机器人
CN111407603A (zh) * 2019-01-04 2020-07-14 三星电子株式会社 步行辅助装置以及用于控制步行辅助装置的方法和装置
KR20200095152A (ko) * 2019-01-31 2020-08-10 국방과학연구소 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치, 이의 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체
RU204629U1 (ru) * 2020-07-29 2021-06-02 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный научный центр реабилитации инвалидов им. Г.А. Альбрехта" Министерства труда и социальной защиты Российской Федерации, ФГБУ ФНЦРИ им. Г.А. Альбрехта Минтруда России Аппарат на нижние конечности и туловище для пациентов с детским церебральным параличом
WO2024014681A1 (ko) * 2022-07-11 2024-01-18 삼성전자주식회사 착용 감지 기능을 제공하는 웨어러블 장치 및 웨어러블 장치의 동작 방법
EP4467120A4 (en) * 2022-07-11 2025-07-09 Samsung Electronics Co Ltd WEARABLE DEVICE FOR PROVIDING WEARING DETECTION FUNCTION AND METHOD OF OPERATING WEARABLE DEVICE

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101490885B1 (ko) * 2013-12-18 2015-02-06 국방과학연구소 보행의도 추정기반 착용로봇 및 그 제어방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101490885B1 (ko) * 2013-12-18 2015-02-06 국방과학연구소 보행의도 추정기반 착용로봇 및 그 제어방법

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111407603A (zh) * 2019-01-04 2020-07-14 三星电子株式会社 步行辅助装置以及用于控制步行辅助装置的方法和装置
KR20200095152A (ko) * 2019-01-31 2020-08-10 국방과학연구소 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치, 이의 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체
KR102152274B1 (ko) * 2019-01-31 2020-09-04 국방과학연구소 생체 신호를 활용한 착용 로봇 제어 장치, 이의 방법 및 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체
CN110393657A (zh) * 2019-07-14 2019-11-01 西安萨默尔机器人科技有限公司 新型外骨骼下肢助力机器人
RU204629U1 (ru) * 2020-07-29 2021-06-02 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный научный центр реабилитации инвалидов им. Г.А. Альбрехта" Министерства труда и социальной защиты Российской Федерации, ФГБУ ФНЦРИ им. Г.А. Альбрехта Минтруда России Аппарат на нижние конечности и туловище для пациентов с детским церебральным параличом
WO2024014681A1 (ko) * 2022-07-11 2024-01-18 삼성전자주식회사 착용 감지 기능을 제공하는 웨어러블 장치 및 웨어러블 장치의 동작 방법
EP4467120A4 (en) * 2022-07-11 2025-07-09 Samsung Electronics Co Ltd WEARABLE DEVICE FOR PROVIDING WEARING DETECTION FUNCTION AND METHOD OF OPERATING WEARABLE DEVICE

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101841011B1 (ko) 하지 보조로봇의 제어방법
US10434027B2 (en) Recognition method of human walking speed intention from surface electromyogram signals of plantar flexor and walking speed control method of a lower-limb exoskeleton robot
US11622905B2 (en) Proportional joint-moment control for powered exoskeletons and prostheses
CA2559856C (en) Wearable action-assist device, and method and program for controlling wearable action-assist device
US9539162B2 (en) Wearing type behavior help device, wearing type behavior help device calibration device, and calibration program
Andrade et al. Development of a “transparent operation mode” for a lower-limb exoskeleton designed for children with cerebral palsy
Lenzi et al. Powered hip exoskeletons can reduce the user's hip and ankle muscle activations during walking
JP4541867B2 (ja) 外力制御方法、外力制御システム及び外力制御プログラム
CN105796286B (zh) 使用气囊传感器的下肢外骨骼机器人控制方法
WO2018092325A1 (ja) 義足動作補助装置及び義足動作補助方法
TW201639533A (zh) 互動式外骨骼膝關節機器系統
Kawamoto et al. Development of an assist controller with robot suit HAL for hemiplegic patients using motion data on the unaffected side
CN109079763B (zh) 一种可穿戴柔性步行助力机器人控制系统及控制方法
Lenzi et al. Reducing muscle effort in walking through powered exoskeletons
KR102162485B1 (ko) 하지 보조로봇의 제어방법
CN113873975B (zh) 用于运行矫形技术装置的方法和相应的装置
Sarkisian et al. Knee exoskeleton reduces muscle effort and improves balance during sit-to-stand transitions after stroke: a case study
Lai et al. HIP-KNEE control for gait assistance with Powered Knee Orthosis
KR20200094678A (ko) 웨어러블 보행 보조 로봇 제어 장치 및 방법
Li et al. Design of a crutch-exoskeleton assisted gait for reducing upper extremity loads✰
Kagawa et al. On-line control of continuous walking of wearable robot coordinating with user's voluntary motion
Suzuki et al. Walking support by wearable system based on the spring-mass model
JP4384562B2 (ja) 歩行状態を判定する装置又は方法
KR20240077443A (ko) 전동형 고관절 보조기의 제어 방법
Hoshino et al. A gait support system for human locomotion without restriction of the lower extremities: preliminary mechanism and control design

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20161124

PA0201 Request for examination
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20180112

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20180223

GRNT Written decision to grant
PR0702 Registration of establishment of national patent

Patent event code: PR07021E01D

Comment text: Registration of Establishment of National Patent

Patent event date: 20180316

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20180316

End annual number: 20

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration