KR100555990B1 - Pneumatic Distributed Control Walking Assistant Robot - Google Patents
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Abstract
공압 분산 제어형 보행 보조 로봇에 대해 개시한다. 본 발명은 사용자의 체중을 좌우 대칭으로 분산시키는 체중분산수단; 상기 분산된 하중정도를 각각 감지하는 좌측 하중감지수단 및 우측 하중감지수단; 상기 체중분산수단에 결합되어 하중정도에 대응하여 사용자의 체중을 탈부하시키는 체중탈부하수단; 및 상기 체중탈부하수단에 결합되어 사용자 이동시 좌측 하중감지수단 및 우측 하중감지수단으로부터 출력되는 각각의 신호에 대응하여 완충을 수행하는 하중완충수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 환자를 실제 걸음걸이와 비슷하게 훈련함으로써 환자의 비대칭형 걸음걸이를 보정할 수 있으므로 보다 효과적인 재활이 가능하다. 또한, 공압기와 로봇팔을 일체로 형성시켜 구조를 간단화시킴으로써 사용자에게 위압감의 요소를 제거할 수 있다. 그리고 이동이 가능하므로 재활을 비롯한 노약자 등의 이동수단으로써 충분히 활용될 수 있다. A pneumatic dispersion control type walking assistance robot is disclosed. The present invention provides weight distribution means for distributing the user's weight in symmetrical directions; A left load sensing means and a right load sensing means for sensing the distributed load degree respectively; Weight deloading means coupled to the weight distributing means to deload the user's weight in response to the degree of load; And a load buffer means coupled to the weight deloading means and configured to perform buffering in response to respective signals output from the left load sensing means and the right load sensing means when the user moves. According to the present invention, by training the patient similar to the actual gait can correct the asymmetric gait of the patient it is possible to more effective rehabilitation. In addition, by simplifying the structure by forming the pneumatic and the robot arm integrally, it is possible to remove the element of the pressure to the user. And since it is possible to move, it can be fully utilized as a means of transportation for the elderly, including rehabilitation.
공압 분산 제어, 보행 보조 로봇 Pneumatic Distributed Control, Walking Assistant Robot
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 공압 분산 제어형 보행 보조 로봇의 사시도, 1 is a perspective view of a pneumatic dispersion control type walking assistance robot according to an embodiment of the present invention,
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 공압 분산 제어형 보행 보조 로봇의 제어회로블록도, 2 is a control circuit block diagram of a pneumatic dispersion control type walking assistance robot according to an embodiment of the present invention;
도 3은 체중탈부하 전후의 상황과 링크바의 변화된 상황을 개략적으로 나타낸 도면, 3 is a view schematically showing the situation before and after weight loss and the changed state of the link bar,
도 4는 로봇과 환자와의 관계를 차량과 바퀴와의 역학관계로 비교설명한 도면, 4 is a view explaining the relationship between the robot and the patient in a dynamic relationship between the vehicle and the wheel;
도 5는 체중탈부하의 구성 및 원리를 개략적으로 나타낸 도면, 5 is a view schematically showing the configuration and principle of weight loss load,
도 6은 평면 위에서의 2자유도 로봇의 좌표계를 나타낸 도면, 6 is a view showing a coordinate system of a two degree of freedom robot on a plane;
도 7은 평면 위에서의 3자유도 로봇의 좌표계를 나타낸 도면, 7 is a view showing a coordinate system of a three degree of freedom robot on a plane;
도 8은 동일 궤적에 대한 로봇의 3자유도 움직임을 나타낸 도면, 8 is a view showing the three degrees of freedom of the robot movement on the same trajectory,
도 9는 로봇 임의의 국소점에서의 움직임을 나타낸 좌표계, 9 is a coordinate system showing the movement at any local point of the robot,
도 10은 로봇의 3자유도 움직임을 구현하는 개념을 나타낸 도면이다. 10 is a view showing a concept of implementing a three degree of freedom movement of the robot.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1 : 하우징 3 : 이동모터 1: housing 3: moving motor
5 : 바퀴 7 : 배터리 5: wheel 7: battery
9 : 공압펌프 11 : 보드 9: pneumatic pump 11: board
13 : 회전식 바퀴 15 : 수직기둥 13: rotary wheel 15: vertical column
17 : 수직모터 19 : 기어함 17: vertical motor 19: gear box
21 : 링크바 23 : 공압기 21: link bar 23: pneumatic
25 : 실린더바 27 : 체결부 25: cylinder bar 27: fastening portion
29 : 체중지지바 31 : 프레임 29: weight support bar 31: frame
33 : 착용수단 35 : 횡바 33: wearing means 35: horizontal bar
37 : 로드셀 40 : 키입력부 37: load cell 40: key input unit
42 : 초음파 센서 44 : 카메라 42: ultrasonic sensor 44: camera
46 : 마이크로 프로세서 46: microprocessor
본 발명은 공압 분산 제어형 보행 보조 로봇에 관한 것으로, 특히 실제 보행패턴에 부합하는 재활을 수행하기 위해, 좌측 및 우측 보행패턴에 따라 각각 분산된 제어를 수행하는 공압 분산 제어형 보행 보조 로봇에 관한 것이다. The present invention relates to a pneumatic distributed control type walking assistance robot, and more particularly, to a pneumatic distributed control type walking assistance robot that performs distributed control according to left and right walking patterns, respectively, in order to perform rehabilitation according to the actual walking pattern.
노약자는 근력 및 뼈의 강도의 약화로 인하여 보행에 장애가 야기되며, 치매가 있는 경우 집 근처의 근거리 지역에서도 자신의 집을 찾아가지 못하는 등의 문제점이 있다. 한편, 장애인은 각종 사고로 인한 신경계의 손상 및 장시간 골절을 치료하는 기간 동안의 근력 약화로 초기 재활시 물리 치료 등의 훈련 과정이 필요하다. 이런 재활 프로그램에서 보행을 보조하고, 훈련자의 안전을 보장하며, 실내 뿐 아니라 실외로의 단거리 이동 등이 가능한 지능형 로봇 시스템이 요구되며, 재활 훈련과정은 시간이 많이 소요되며, 훈련자의 체중을 감소시켜야 하므로 로봇 시스템의 도입이 필수적이다. Older people have difficulty in walking due to weakening of muscle strength and bone strength, and there is a problem such as not being able to find their home even in a near area near the house if there is dementia. On the other hand, disabled people need training courses such as physical therapy during initial rehabilitation due to weakening of muscle strength during the treatment of damage to the nervous system and long-term fractures caused by various accidents. In these rehabilitation programs, intelligent robotic systems are needed to assist walking, to ensure the safety of the trainees, and to move short distances to indoors as well as outdoors. The rehabilitation process is time consuming and requires the weight of the trainees to be reduced. Therefore, the introduction of the robot system is essential.
이를 위해 보행 보조형 로봇 시스템이 개발이 이루어졌으나, 이 보행 보조형 로봇 시스템은 체중탈부하 기능을 제공함에 있어, 중앙에 하나의 공압시스템을 채택하여 걸음걸이를 제어하였다. 이는 상해정도가 다른 하반신 장애인의 재활훈련에 있어, 재활 훈련후 실제 보행패턴과는 다른 형태로 재활이 되는 문제점을 가지고 있었다. 게다가 보행 보조형 로봇 시스템에서 로봇팔과 공압기의 위치관계에 의해 환자에게 위압감을 줄 뿐만 아니라, 환자의 키높이에 용이하게 적응하기 어려운 단점이 있었다. For this purpose, the walk assisted robot system was developed. However, the walk assisted robot system adopts a pneumatic system in the center to control the gait in providing weight deloading function. This is a problem of rehabilitation in the form of rehabilitation of the lower body disabled people with different injuries, different from the actual walking pattern after rehabilitation training. In addition, in the walking assisted robot system, the positional relationship between the robot arm and the pneumatic compressor not only gives the patient a sense of pressure, but also makes it difficult to easily adapt to the height of the patient.
따라서, 본 발명의 목적은 실제 보행패턴에 부합하는 재활을 수행하기 위해, 좌측 및 우측 보행패턴에 따라 각각 분산된 제어를 수행할 뿐만 아니라, 로봇팔과 공압기를 일체화시켜 시스템의 구조를 단순화시킴과 아울러 사용자 키에 용이하게 적응하며, 공간을 자유롭게 이동하는 공압 분산 제어형 보행 보조 로봇을 제공하는데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to simplify the structure of the system by integrating the robot arm and the pneumatic actuator as well as performing distributed control according to the left and right walking patterns, respectively, in order to perform rehabilitation according to the actual walking pattern. In addition, the present invention provides a pneumatic distributed control type walking assistance robot that easily adapts to a user's height and moves freely in space.
구체적으로 다음과 같은 공압 분산 제어형 보행 보조 로봇을 제공하는데 그 목적이 있다. Specifically, the object of the present invention is to provide a pneumatic dispersion control type walking aid robot.
1. 좌우측의 상해정도가 다른 하반신 장애인의 재활훈련에 있어, 재활 훈련이 실제 보행패턴과 유사하도록 좌우측 각각에 대해 분산제어 1. In rehabilitation training of the lower body with different injuries on the left and right sides, distributed control for each of the left and right sides so that the rehabilitation training is similar to the actual walking pattern
2. 공압 분산 제어형 보행 보조 로봇 설계시, 환자의 체중탈부하를 위해 로봇팔과 공압기를 일체화시켜 환자에게 사용상 위압감을 제거함과 아울러 구조를 단순화 2. In the design of the pneumatic distributed control walking assistance robot, the robot arm and the pneumatic body are integrated to reduce the weight of the patient.
3. 로봇팔과 공압기를 일체화를 통해 환자의 키에 적응하도록 로봇의 높이를 변화시키는 구조로 설계 3. Designed to change the height of the robot to adapt to the height of the patient by integrating the robot arm and the pneumatic
4. 이동수단을 구비함으로써 훈련공간을 자유롭게 이동가능하도록 이동형으로 설계 4. Designed to be mobile so that the training space can be moved freely by providing a means
5. 이동시 환자의 움직임을 파악하는 감지수단을 마련함으로써 이동의 자율성을 보장
5. Ensure autonomy of movement by providing sensing means to grasp the movement of patients during movement
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 공압 분산 제어형 보행 보조 로봇은, 사용자의 체중을 좌우 대칭으로 분산시키는 체중분산수단; 상기 분산된 하중정 도를 각각 감지하는 좌측 하중감지수단 및 우측 하중감지수단; 상기 체중분산수단에 결합되어 하중정도에 대응하여 사용자의 체중을 탈부하시키는 체중탈부하수단; 및 상기 체중탈부하수단에 결합되어 사용자 이동시 좌측 하중감지수단 및 우측 하중감지수단으로부터 출력되는 각각의 신호에 대응하여 완충을 수행하는 하중완충수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. Pneumatic dispersion control walking aid robot for achieving the above object of the present invention, the weight distribution means for distributing the user's weight symmetrically; A left load sensing means and a right load sensing means for respectively sensing the distributed load accuracy; Weight deloading means coupled to the weight distributing means to deload the user's weight in response to the degree of load; And a load buffer means coupled to the weight deloading means and configured to perform buffering in response to respective signals output from the left load sensing means and the right load sensing means when the user moves.
이 때, 본 발명은 사용자의 이동경로를 추종하기 위해 사용자 이동방향을 감지하는 방향감지수단을 더 형성시켜서 이루어진다. 상기 방향감지수단은, 사용자의 움직임을 감지하는 초음파센서 또는 카메라; 및 상기 초음파센서 또는 카메라로부터 입력된 신호분석에 대응하여 각각 제어되는 좌측 이동모터 및 우측 이동모터를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 좌측 하중감지수단 및 우측 하중감지수단으로부터 측정된 매순간의 데이터를 이용하여 하중완충수단을 통해 사용자의 탈부하 기능을 연속적으로 수행하기 위해 사용자의 회전축상에 상기 좌측 하중감지수단 및 우측 하중감지수단을 형성시키게 된다. At this time, the present invention is formed by further forming a direction detecting means for detecting the user's moving direction to follow the user's movement path. The direction detecting means may include an ultrasonic sensor or a camera for detecting a user's movement; And a left moving motor and a right moving motor respectively controlled in response to the signal analysis input from the ultrasonic sensor or the camera. Here, the left load sensing means and the right load on the rotation axis of the user to continuously perform the unloading function of the user through the load buffer means using the data of every moment measured from the left load sensing means and the right load sensing means. The sensing means is formed.
한편, 상기 체중탈부하수단은, 사용자의 체중을 탈부하시키기 위한 회전이 이루어짐과 아울러 하중발생시 역회전을 방지하는 좌측 모터 및 우측 모터; 및 좌측 모터 및 우측 모터 각각에, 일단이 기어결합되고 타단은 상기 하중완충수단에 힌지 결합되어 상기 하중완충수단을 승하강시키는 링크바를 포함하여 이루어진다. On the other hand, the weight de-loading means, the left motor and the right motor to prevent the reverse rotation when the load is made and the load is made to de-load the user's weight; And a link bar having one end gear coupled to each of the left motor and the right motor and the other end hinged to the load buffering means for lifting and lowering the load buffering means.
상기 좌측 감지수단 및 우측 감지수단은 로드셀을 이용하며, 상기 하중완충수단으로는 공압실린더를 이용한다. The left sensing means and the right sensing means use a load cell, and the load buffer means uses a pneumatic cylinder.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention.
본 발명의 도면 설명에 있어서, 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하기로 한다. 본 발명의 로봇이 좌우대칭 형태로 이루어진 점을 고려하여 해당 구성요소 명칭 앞에 “좌측” 및 “우측”이라는 용어로서 구성 및 동작상을 구분하기로 한다. In the description of the present invention, the same reference numerals will be given to components that perform the same function. In consideration of the fact that the robot of the present invention is formed in a symmetrical form, the terms “left” and “right” are distinguished in terms of configuration and operation in front of a corresponding component name.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 공압 분산 제어형 보행 보조 로봇의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 공압 분산 제어형 보행 보조 로봇은 크게, 환자의 체중을 탈부하시키기 위한 상부와, 환자의 키높이에 시스템의 높이를 변화시킬 수 있는 중간부와, 공간을 이동할 수 있도록 설계된 하부로 구성되어 있다. 1 is a perspective view of a pneumatic dispersion control type walking assistance robot according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 1, the pneumatic dispersion controlled walking aid robot of the present invention is large, the upper part for unloading the weight of the patient, the middle part that can change the height of the system to the height of the patient, and to move the space It is composed of a designed lower part.
설명의 용이함을 위해 하부에서 상부 방향으로 순차적으로 설명하기로 한다. For ease of explanation, it will be described sequentially from the bottom to the top direction.
먼저, 하부는 환자의 좌우측으로 이동수단이 마련되어 있다. 이 이동수단은 그 외부를 하우징(1)으로 커버하고 있으며, 하우징(1) 내부에는 이동모터(3)가 장착되어 있다. 이 이동모터(3)에 의해 정/역방향으로 회전하는 바퀴(5)가 체결되어 있다. 양측에 마련된 이동모터(3)의 정/역방향의 회전에 의해 직진, 회전 등 자유로운 이동이 가능하게 된다. 그리고, 환자의 전방에는, 케이스(미도시)에 수납되는 배터리(7) 및 공압펌프(9)가 마련되어 있다. 이 배터리(7) 및 공압펌프(9)는 보드(11)상에 마련되며, 보드(11)의 아래에는 회전식 바퀴(13)가 형성되어 있다. 이와 같이 하부는, 상기 이동수단에 체결된 바퀴(5)와 상기 회전식 바퀴(13)에 의해 이동을 위한 기본시스템으로 구성되어져 있다. First, the lower portion is provided with moving means to the left and right sides of the patient. The moving means covers its exterior with a
상기 이동모터(3)를 수납하는 하우징(1)의 상부에는 판형상의 수직기둥(15) 이 결합되게 되는데, 이 수직기둥(15)의 높이는 서로 다른 키높이를 갖는 다수의 환자가 이용할 수 있게 설정되는 것이 바람직하며, 대략 환자의 휠체어 높이를 반영하여 설정되는 것이 바람직하다. 이는 휠체어에서 본 발명의 공압 분산 제어형 보행 보조 로봇으로 이동을 원활하게 함과 아울러 사용상의 편리함을 제공하기 위함이다. 한편, 이 수직기둥(15)의 상부 내측에는 수직모터(17)와 기어함(19)을 장착하고 있다. 그리고, 상기 수직기둥(15)의 상부 외측에는 상기 기어함(19)의 내부에 마련되어 기어와 체결되어 회전하는 링크바(21)가 마련되어 있다. 이 링크바(21)는 일정간격을 갖고 상하로 설치되며, 이는 큰힘을 전달할 수 있도록 다수개로 구성한 것이다. 이 링크바(21)가 로봇의 로봇팔 역할을 수행하게 된다. 그리고, 이 링크바(21)의 길이는 환자의 키높이 등을 고려하여 설정된다. 즉, 환자를 세웠을 때 비교적 키가 큰 환자를 선 상태로 유지할 수 있는 길이로 설정되는 것이 바람직하다. A plate-shaped
한편, 이 링크바(21)의 단부에는 공압기(23)가 결합되는데, 이때 링크바(21)의 단부와 공압기(23)는 힌지축으로 결합되게 된다. 공압기(23) 내부에는 실린더가 마련되게 되며, 이 실린더에 연결된 실린더바(25)가 공압기(23) 상측 외부로 돌출되어 있다. 본 실시예에서는 3개의 실린더바(25)를 마련하고 있으며, 이 외부로 돌출된 실린더바(25)에 체결부(27)가 결합되어 있다. 이 체결부(27)는 상부와 결합되게 된다. 그리고 공압기(23) 측면으로 거치대(28)가 마련되어 있다. On the other hand, the end of the
상기한 바와 같이, 체결부(27)에 상부, 즉 체중지지바(29)가 결합되게 된다. 이 체중지지바(29)의 상부에는 프레임(31)이 결합되게 되며, 이 프레임(31)에 환자 가 착용하는 착용수단(33)이 매달아지게 된다. 그리고, 환자의 전후 움직임에 따라 인가되는 하중에 의해 프레임(31)에 결합된 체중지지바(29)가 틀어지는 것을 방지하기 위해 상기 프레임(31)을 연결하는 횡바(35)를 형성시키고 있다. 한편, 환자의 하중을 감지하는 로드셀(37)이 상기 착용수단(33)이 매달리는 프레임(31)과 체중지지바(29) 사이에 형성되어 있다. As described above, the upper portion, that is, the
도면상에 표현되어 있지 않지만, 본 발명에서는 환자의 이동을 감지하여 자유스러운 이동을 지원하기 위해 환자의 이동을 감지하는 센서가 마련되게 된다. 이 센서에 의해 상기 이동모터(3)의 제어가 이루어지게 된다. Although not shown in the drawings, in the present invention, a sensor for detecting the movement of the patient is provided to detect the movement of the patient to support the free movement. Control of the
여기에, 본 발명에서는 사용자의 조작을 지원하는 키입력부 등이 마련된 패널을 임의의 위치, 예를 들어 거치대(28) 위치에 설치하되, 환자의 상태를 고려하여 좌우측에 대칭으로 설치하는 것도 바람직할 것이다. 또한, 환자의 의지와 상관없이 몸이 움직여 로봇이 이동할 경우 발생할 수 있는 벽 및 임의의 물체와의 충돌을 방지하기 위해 로봇 주위에 물체를 식별하는 센서를 다수 부착하여 사고를 미리 방지하는 구성을 이룰 수도 있다. Here, in the present invention, the panel provided with a key input unit for supporting a user's operation, etc. is installed at an arbitrary position, for example, the
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 공압 분산 제어형 보행 보조 로봇의 제어회로블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명은, 전체시스템에 전원을 공급하는 배터리(7)와, 사용자 조작을 지원하는 키입력부(40)와, 환자의 움직임에 따라 발생하는 하중을 감지하는 좌측 로드셀(37) 및 우측 로드셀(37)과, 사용자의 움직임 방향을 감지하는 초음파센서(42) 및 카메라(44) 등이 제어에 관련된 입력신호를 발생시키 게 된다. 상기 입력신호에 대응하여 해당 제어신호를 발생시키는 마이크로 프로세서(46)가 상기한 키입력부(40), 로드셀(37), 초음파센서(42) 및 카메라(44) 등에 접속되어 있다. 이 마이크로 프로세서(46)는 전원공급과 동시에 공압펌프(9)를 동작시키고, 좌측 로드셀(37) 및 우측 로드셀(37)의 신호에 각각 대응하여 제어를 수행하게 되며, 초음파센서(42) 또는 카메라(44)로부터 입력된 신호를 분석하여 좌측 이동모터(3) 및 우측 이동모터(3)를 각각 제어하게 된다. 한편, 사용자에 의해 직접 입력되거나, 환자의 키와 체중과의 상관관계를 데이터베이스화한 데이터에 의해 로드셀(37)로부터 입력된 하중에 대응하여 키높이를 산출하여 자동으로 세팅되어 제어되는 수직모터(17)가 마이크로 프로세서(46)에 접속되어 있다. 2 is a control circuit block diagram of a pneumatic dispersion control type walking assistance robot according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the present invention provides a
상기와 같이 구성된 본 발명의 공압 분산 제어형 보행 보조 로봇의 제어과정에 대해 설명한다. It describes the control process of the pneumatic dispersion control type walking assistance robot of the present invention configured as described above.
키입력부(40)에 형성된 전원버튼을 누름에 따라 로봇 시스템의 구동이 이루어지고, 이 상태에서 휠체어를 탄 상태 또는 재활치료사의 도움을 받아 착용수단(33)을 착용한다. 이후, 휠체어를 제거함에 따라 환자의 체중에 관한 데이터가 로드셀(37)에서 마이크로 프로세서(46)로 전달된다. 이는 상기한 바와 같이, 체중에 연관된 키높이를 잠정적으로 결정하여 로봇팔인 링크바(21)를 들어올리는 각을 정하기 위함이다. 물론, 환자 또는 재활치료사 등의 조작에 의해 임의로 설정될 수도 있다. 즉, 사용자 조작을 지원하는 키입력부(40)를 이용하여 링크바(21)의 각도를 임의로 조절할 수도 있다. 여하튼 키높이를 고려하여 링크바(21)가 상승하 게 되면, 환자의 체중탈부하가 이루어지게 된다. 이는 도 3에 체중탈부하 전후의 상황과 링크바(21)의 변화된 상황이 개략적으로 잘 도시되어 있다. The driving of the robot system is made by pressing the power button formed in the key input unit 40, and in this state, the wearing
환자 또는 재활치료사가 키입력부(40)에 구성된 동작버튼을 누름에 따라 로드셀(37)과 초음파센서(42) 또는 카메라(44)의 감지가 이루어지게 되고, 이에 따른 좌측 공압기(23) 또는 우측 공압기(23)의 제어가 이루어지게 되거나, 좌측 이동모터(3) 또는 우측 이동모터(3)의 구동제어가 이루어지게 된다. As the patient or rehabilitation therapist presses the operation button configured in the key input unit 40, the detection of the
먼저, 환자의 체중탈부하의 과정에 대해 상세히 설명한다. First, the process of weight loss of the patient will be described in detail.
상기한 바와 같이, 본 발명은 수직모터(17)와 공압기(23)를 이용하여 체중 탈부하를 실현함과 아울러, 좌우측 하중을 각각 측정하여 탈부하 정도를 제어하기 때문에 보다 효율적인 탈부하 기능을 제공한다. As described above, the present invention realizes weight unloading by using the
이를 위해, 체중 탈부하 기능을 담당하는 시스템의 구성은 상기한 바와 같이, 수직모터(17), 공압기(23), 그리고 무게의 센싱을 위해서 마련된 로드셀(37)의 조합에 의해 이루어지게 된다. 또한, 착용수단(33)에서 가해지는 체중을 최종적으로 공압기(23)로 전달함으로써 환자의 움직임으로부터 오는 힘전달에 대해 능동적으로 반응하게 하여 사용자가 걸을 때 받는 로봇으로부터의 힘을 완충시켜 편안함을 준다. 이를 재활 로봇과 사람과의 역학관계를 도 4와 같이 모델링할 수 있다. To this end, the configuration of the system responsible for the weight deloading function is made by the combination of the
도 4는 로봇과 환자와의 관계를 차량과 바퀴와의 역학관계로 비교설명한 도 면이다. 도 4를 참조하면, 로봇과 사람이 지면에서 떨어지지 않으며, Zs와 Zu는 측정가능한 변수라 가정한다면, 다음과 같은 방정식이 성립한다. 4 is a diagram illustrating the relationship between the robot and the patient as a comparison between the vehicle and the wheels. Referring to FIG. 4, assuming that the robot and the person do not fall off the ground, and Zs and Zu are measurable variables, the following equation holds.
여기서, 는 스칼라형의 제어 입력값이다. here, Is a scalar control input.
이 방정식에서 다음과 같이 상태를 정의한다면, If we define states in this equation as
, ,
, ,
, ,
. .
상태 방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다. The state equation can be expressed as
여기서, here,
, ,
, . , .
이와 같이 상태방정식을 유도하고 이 방정식을 이용하여, 환자에게 고통을 주지 않으면서, 진동을 최소화시킬 수 있는 제어기를 설계한다. 이는 도 5에서 설명한다. In this way, we derive the state equation and use this equation to design a controller that can minimize vibration without causing pain to the patient. This is illustrated in FIG. 5.
도 5는 체중탈부하의 구성 및 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 상기한 바와 같이 시스템 구성의 단순화를 위해, 가변구조의 로봇팔 시스템으로 구성하고 있으며, 로봇의 회전축과 사람의 회전축이 동일한 선상 유지하기 위한 구조로 되어있다. 이와 더불어, 로드셀(37)로부터 측정된 매순간의 데이터를 이용하여 공압기(23)를 통해 환자의 탈부하 기능을 제공하기 위하여 로드셀(37)과 공압기(23) 역시 사람의 회전축상, 즉 사람의 양쪽 어깨 주위에 장착시킨다. 이렇게 구성된 로봇팔 구조의 체중탈부하 장치를 좌우 양쪽에 동일하게 배치함으로써 정확한 부하량의 측정 및 제어를 가능하도록 하고 있다. 기타 시스템을 구성하는데 필요한 재원들이 많지만 특히 중요한 세가지, 로드셀(37), 공압기(23), 로봇팔의 구동기인 수직모터(17)에 대해서 간단히 설명하고자 한다. 5 is a view schematically showing the configuration and principle of weight loss load. Referring to FIG. 5, in order to simplify the system configuration as described above, the robot arm system has a variable structure, and the robot's rotational axis and the human's rotational axis are in the same line structure. In addition, the
먼저 로드셀(37)을 살펴보면, 이는 처음에 로봇의 형태변화에 큰 역할을 하게되는데, 환자의 체중을 감지해 주는 부분이다. 또한, 형태 변환 후 실제 재활 훈 련에 있어서 걸을 때 발생할 수 있는 무릎에의 충격을 완충해 주는 역할을 하기 위해서 매 걸음시 로봇에 미치는 하중을 연속적으로 측정해야 한다. 따라서, 좌우에 하나씩의 로드셀(37)을 설치해야 하며, 그 하중의 변화값에 따라서 공압기의 높낮이를 변화시키게 된다. 그렇게 함으로써 환자의 무릎에 미치는 충격을 크게 줄여 재활 훈련의 효율성을 도모할 수 있다. First, look at the
본 실시예에서 사용한 로드셀(37)은 각각 100㎏까지 측정할 수 있는 로드셀(37)을 사용한다. 이는 일반적인 사람의 몸무게를 평균 70㎏이라고 하였을 경우 30%의 몸무게를 로봇이 탈부하시킨다고 하면 20㎏정도를 받쳐주어야 한다. 여기에 보행 시 발생하는 수직력은 훨씬 커지게 되어, 40∼50㎏정도를 측정할 수 있어야 한다. 여기에 로봇을 사용하는 환자가 정상적인 보행능력을 가지고 있지 못하므로, 한쪽으로 크게 치우쳐지는 걸음걸이를 연출할 수 있으며, 졸도와 같은 비상사태가 발생하게 되면 한쪽으로만 대부분의 하중이 걸릴 수 있게 되므로 안전율을 고려하여 좌우 각각 100㎏에 해당되는 로드셀(37)을 장착한다. The
다음은 수직모터(17)에 관해서 살펴보면, 본 실시예에서 사용되는 수직모터(17)는 키높이 조절을 하기 위한 구동부로서 사용되게 된다. 높낮이 조절이 되는 구조가 두 개의 링크로 이루어진 로봇팔의 구조로 제작되어 있기 때문에 600㎜ 정도의 링크에 50㎏ 정도의 수직하중이 발생하게 되는데, 이를 이겨내고 회전을 할 수 있는 수직모터(17)가 필요하게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 130W의 DC모터를 사용하고, 100:1의 기어비를 가진 기어헤드를 부착하여, 큰 토크가 발생하도록 한다. 이 또한 좌우 양쪽으로 장착되어 있으므로, 260W 의 힘으로서 사람을 들어주게 되는 것이다. 또한, 축에 큰 힘이 걸리게 되더라도, 큰 기어비의 기어헤드를 사용하였기 때문에 원하지 않은 방향으로 모터가 도는 것을 막을 수 있다. Next, referring to the
마지막으로 공압기(23)를 소개하면 다음과 같다. 이 공압기(23)는 일반적으로 공압실린더를 내장하고 있으며, 환자가 보행시에 몸이 상하로 약 5㎝정도 진동을 하게 되는데, 노약자나 장애인의 경우는 그 변화폭이 좀 더 큰 경향이 있다. 따라서, 본 실시예에서는 200㎜의 스트로크 길이를 가진 공압기를 사용하여 수직방향의 힘을 흡수하려고 하였다. 또한 사람의 중심축 상에 공압기를 장착하여 시스템의 성능을 향상시키려 하였으며, 타 과제에서 행하였던 하나의 로드셀(37) 정보를 받아서, 두 개의 공압기를 제어함에 있어 문제가 있었던 평균값 제어에서 벗어나서, 좌우측에 각각 하나씩의 공압기를 장착하여, 앞서 좌우측에 배치된 로드셀(37)의 정보를 이용하여, 공압기를 개별적으로 제어를 할 수 있게 된다. Finally, the
전체적인 동작의 시퀀스를 살펴보면 다음과 같다. 휠체어를 탄 환자가 로봇에게 다가오면 로봇에 준비되어있는 하니스를 장착한다. 사람의 키에 맞추어 로봇의 높이를 조절한다. 이 과정에서 로드셀(37)과 DC모터를 사용하게 되는데, 로봇이 탈부하시켜야 할 체중을 미리 정해 놓으면 로봇이 높이를 정해진 부하량이 될 때까지 높여간다. 이 때 본 로봇에서 사용하는 스트로크 200㎜의 공압기를 중간 높이인 100㎜를 유지해가며 원하는 높이까지 로봇이 형태를 변화시키게 된다. The overall sequence of operations is as follows. When a patient in a wheelchair approaches a robot, the harness is prepared. Adjust the height of the robot according to the height of the person. In this process, the
다음으로 환자의 이동경로 추종을 위한 전방향 이동 메커니즘에 대해 설명한다. Next, an omnidirectional movement mechanism for following a patient's movement path will be described.
환자의 이동경로를 정밀하게 추종하기 위해서는 기존의 2자유도 이동부로는 불가능하며, 좀 더 실제적으로 환자의 경로를 따라가기 위해서 이동부는 3자유도를 가지는 이동성을 보여야 한다. 환자의 보행을 살펴보면, 보행경로와 독립적인 시선을 가질 수 있다. 즉, 보행경로를 추종함과 동시에 다른 방향을 향하고 있는 동작으로, 로봇의 관점에서는 2차원 평면의 위치와 그 위치에서의 방향이 서로 독립적인 동작으로 3자유도가 된다. 환자의 일반적인 보행 패턴이 3자유도이므로 이런 환자의 보행을 돕는 로봇의 이동성도 마찬가지로 3자유도가 되어야 한다. 로봇의 이동성이 3자유도가 되기 위해서는 적어도 2개 이상의 조향가능한 구동바퀴(5)(steer-driving wheel)로 구성되어야 한다. In order to accurately follow the movement path of the patient, the existing two degree of freedom is impossible with the moving part, and in order to follow the path of the patient more practically, the moving part must show mobility having three degree of freedom. The gait of the patient may have a gaze independent of the walking path. That is, the motion is following the walking path and pointing in a different direction. From the point of view of the robot, the position of the two-dimensional plane and the direction at the position are independent of each other, resulting in three degrees of freedom. Since the general walking pattern of the patient is three degrees of freedom, the mobility of the robot that helps the patient to walk should be three degrees of freedom as well. In order for the mobility of the robot to be three degrees of freedom, it must consist of at least two steer-driving
즉, 본 발명에서는, 2차원적인 이동부의 모션으로 실제사용자의 보행 패턴을 근사적으로 추종하는 기존의 시스템과 차별적으로 3차원 모션이 가능한 전방향 휠의 구조를 채택하여, 가장 실제보행에 가까운 움직임 및 이동성을 제공한다. 이를 통해, 환자의 중심축과 구동바퀴(5)축의 일치로 로봇의 회전시 발생할 수 있는 위험성을 배제시킬 수 있다. That is, the present invention adopts the structure of the omni-directional wheel capable of three-dimensional motion differently from the existing system that approximately follows the walking pattern of the real user by the motion of the two-dimensional moving part, and moves closest to the actual walking. And mobility. Through this, it is possible to exclude the risk that may occur during the rotation of the robot by the coincidence of the axis of the patient and the drive wheel (5).
도 6은 평면 위에서의 2자유도 로봇의 좌표계를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 강성 로봇 몸체가 주어져 있을 때, 로봇 좌표계를 다음과 같이 정의할 수 있다. 어떠한 평면위의 로봇의 자세(configuration) 는 다음과 같이 표현된다. 6 is a view showing a coordinate system of a two degree of freedom robot on a plane. Referring to FIG. 6, when a rigid robot body is given, the robot coordinate system may be defined as follows. Robot configuration on any plane Is expressed as
첫 번째 요소 는 로봇의 원점 의 위치를 나타내고, 두 번째 요소인 자세 방향 는 로봇 좌표계의 축과 전역 좌표계의 축과의 차이를 나타낸다. 이 정의는 평면 위의 로봇의 3자유도 자세를 나타내는 식이다. 로봇의 동작을 표현하기 위해, 자세 는 시간에 대한 함수가 된다. First element Is the origin of the robot Position, the second element, the orientation direction Of the robot coordinate system Axis and global coordinate system Shows the difference from the axis. This definition represents the three degree of freedom pose of the robot on the plane. Posture to express robot's motion Becomes a function of time.
는 로봇의 경로 또는 로봇의 병진 성분을 나타내고, 는 로봇 동작의 회전 성분을 나타낸다. 일반적으로 로봇의 동작은 다음과 같은 세가지 변수로 표현될 수 있다. 전역 좌표계에서의 병진 성분의 속도 , 병진 성분의 방향 , 그리고 로봇의 회전 속도 이다. Represents the path of the robot or the translational component of the robot, Represents the rotational component of the robot motion. In general, the operation of the robot can be represented by the following three variables. Velocity of Translation Component in Global Coordinate System Direction of translational elements , And the rotational speed of the robot to be.
따라서, 강성 로봇 몸체의 움직임 는, 평면 위에서의 3자유도 로봇의 좌표계를 나타낸 도 7에 도시된 바와 같이, 다음과 같이 표현된다. Thus, the movement of the rigid robot body Is expressed as follows, as shown in FIG. 7 showing the coordinate system of the three degree of freedom robot on the plane.
이 식은 3자유도를 가지고 있으며, 로봇의 동작 해석에 기초가 된다. 여기서 로봇의 자세 방향 와 동작 방향 는 일반적으로 서로 독립적이다. This equation has three degrees of freedom and is the basis for the robot's motion analysis. Where the robot's posture And direction of movement Are generally independent of each other.
몇 가지의 전형적인 로봇의 동작에 대해 설명한다. Some typical robots will be described.
첫 번째는, 논홀로노믹(nonholonomic) 제한 요건을 가지는 보통의 로봇에서 보이는 동작을 나타내고 있다. 이러한 동작은 , 즉 라는 조건에 의해 특징지워지며, 항상 로봇의 자세 방향이 경로의 접선 방향과 일치해야 한다. The first shows the behavior seen in a normal robot with nonholonomic constraints. This behavior , In other words The attitude of the robot must always match the tangential direction of the path.
두 번째는, 동기 구동(Synchro-drive) 방식의 로봇에서 보이는 동작을 나타낸다. 로봇의 자세 방향이 고정되어 있어, 이며, 고정 자세 동작 (constant orientation motion)이라 불린다. 동기 구동 방식의 로봇은 모든 바퀴(5)가 같은 속도로 회전 구동하며, 또한 같은 속도로 조향 구동되므로, 전체 로봇의 자세 방향은 한쪽으로 고정되어 있으면서, 주어진 경로를 추종하게 된다. The second shows the behavior seen in a synchro-drive robot. The attitude of the robot is fixed, And is called a constant orientation motion. In the synchronous drive robot, all the
세 번째는, 위의 두가지를 결합한 형태의 동작을 보이고 있다. 각각의 바퀴(5)가 모두 조향가능한 구동 바퀴(5)로 되어 있으므로, 자세 방향의 변화를 경로에 상관없이 조절할 수 있어 3 자유도 동작을 나타낼 수 있다. Third, it shows a combination of the two above. Since each
도 8은 동일 궤적에 대한 로봇의 3자유도 움직임을 나타낸 도면이다. 8 is a diagram illustrating a three degree of freedom movement of the robot with respect to the same trajectory.
로봇 좌표계에서 표현되는 로봇의 한 점 (일반적으로 바퀴의 위치)을 생각하자. Think of a point in the robot's coordinate system, typically the wheel's position.
로봇이 3자유도 동작 를 수행하고 있는 동안 이 점 이 어떠한지를 알아보자. 를 극좌표계라고 하면, Robot moves in 3 degrees of freedom This point while doing Let's see how this works. If is called polar coordinate system,
로 표현된다. It is expressed as
현재의 로봇 자세와 동작을 전역좌표계에서 다음과 표현된다고 하자. Suppose the current robot posture and motion are expressed in the global coordinate system as follows.
그리고, 을 로봇 좌표계에서 로봇의 어떤 국소 지점이라고 하자. 그러면, 전역 좌표계에서 병진 운동의 및 성분인 와 는 다음과 같이 나타내어진다. And, Let 's be some local point of the robot in the robot coordinate system. Then, in the global coordinate system, And Ingredient Wow Is expressed as follows.
전역 좌표계에서의 의 동작 속도 은 다음과 같다. In the global coordinate system Speed of operation Is as follows.
또한, 전역 좌표계에서의 의 동작 방향 은 다음과 같다. Also, in the global coordinate system Direction of movement Is as follows.
그리고, 로봇 좌표계에서 의 동작 방향 은 다음과 같다. And in the robot coordinate system Direction of movement Is as follows.
로봇이 강성체이므로, 에서의 회전 속도 는 와 같다. Since the robot is a rigid body, Rotation speed at Is Same as
도 9는 로봇 임의의 국소점에서의 움직임을 나타낸 좌표계이다. 9 is a coordinate system showing the movement at any local point of the robot.
임의의 동작 는 어떠한 "회전 중심(center of rotation)에 대해 병진운동이 없는 순수한 회전운동으로 생각할 수 있다. 먼저 를 정의하면, Random action Can be thought of as a pure rotational motion without any translational motion for any "center of rotation. If you define
와 의 부호는 동일하여, 가 음수이면, 도 음수가 된다. 만약, 가 0 이면 이 된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 전역 좌표계에서 를 중심으로 의 방향으로 지나가는 직선 를 정의하자. 그리고 부호 있는 거리값 를 가진 동작의 회전 중심 를 취하자. 이 점은 이면, 경로 의 왼쪽에 위치하게 되고, 이면 경로 의 오른쪽에 회전 중심 가 위치한다. 만약 이면, 는 이 직선의 무한대인 곳에 위치하게 된다. Wow The signs of are the same, Is negative, Is also negative. if, Is 0 Becomes As shown in Figure 9, in the global coordinate system Around Straight line in the direction of Let's define it. And the signed distance value Rotation center of motion with Let's take it. This is If, path To the left of, Back side path Center of rotation on the right side of the Is located. if If, Is located at the infinity of this straight line.
의 방향을 가진 병진 속도 성분 와 회전 성분 의 조합으로 표현되는 로봇의 동작 는 로봇 좌표계에서 회전 중심 를 중심으로 순수한 회전 운동 와 같다. 즉, Translation rate elements with the direction of And rotational components The robot's motion represented by a combination of Center of rotation in the robot coordinate system Pure rotational movement around Same as In other words,
만약, 이면, 는 가 되고, 는 위의 무한대인 점으로 수렴한다. 전역 좌표계에서 회전 중심 는, if, If, Is Become, Is Converge to the infinity point above. Rotation center in global coordinate system Is,
와 같이 표현된다. 어떠한 동작 에 대해서는 오직 하나의 회전 중심이 존재한다. 이런 관계식으로 강성 로봇의 동작은 회전 중심 와 회전 속도 를 선택함으로 3자유도 동작이 유지된다. It is expressed as Any action There is only one center of rotation for. In this relation, the rigid robot's motion is center of rotation. And rotation speed By selecting, 3 degrees of freedom are maintained.
도 10은 로봇의 3자유도 움직임을 구현하는 개념을 나타낸 도면이다. 10 is a view showing a concept of implementing a three degree of freedom movement of the robot.
이동부의 제어에 있어서 3자유도 동작은 적어도 2개 이상의 조향가능한 구동 바퀴(5)에 의해 구현될 수 있으므로, 이동부는 조향가능한 구동 바퀴(5) 2개와 캐스터로 이루어진다. 이러한 구조를 제어하기 위해서는 적어도 동작을 인식하는 부분이 3자유도로 되어 있어야 한다. 즉, 독립된 세 가지의 값을 센싱해야 하는데, 이동부의 3자유도 동작을 센싱하기 위해서는 먼저, 이동부의 자세 방향, 진행 방향, 진행 속도 이 세 가지를 센싱해야 한다. Since the three degree of freedom operation in the control of the moving part can be implemented by at least two or more
상기한 환자의 체중탈부하 과정과 이동경로에 따른 방향제어를 동시에 수행하면서 재활환자 또는 노약자 등의 비대칭형 걸음걸이를 보정하면서 보행을 연속적으로 수행하게 된다. The patient is continuously walking while correcting the asymmetrical gait of the rehabilitation patient or the elderly, while simultaneously performing the direction control according to the weight deloading process and the movement path of the patient.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it will be apparent that many modifications are possible by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 공압 분산 제어형 보행 보조 로봇은, 환자를 실제 걸음걸이와 비슷하게 훈련함으로써 환자의 비대칭형 걸음걸이를 보정할 수 있으므로 보다 효과적인 재활이 가능하다. 또한, 공압기와 로봇팔을 일체로 형성시켜 구조를 간단화시킴으로써 사용자에게 위압감의 요소를 제거할 수 있다. 그리고 이동이 가능하므로 재활을 비롯한 노약자 등의 이동수단으로써 충분히 활용될 수 있다. As described above, the pneumatic dispersion controlled walking aid robot according to the present invention can correct the asymmetrical gait of the patient by training the patient similar to the actual gait so that more effective rehabilitation is possible. In addition, by simplifying the structure by forming the pneumatic and the robot arm integrally, it is possible to remove the element of the pressure to the user. And since it is possible to move, it can be fully utilized as a means of transportation for the elderly, including rehabilitation.
Claims (7)
Priority Applications (1)
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KR1020030076187A KR100555990B1 (en) | 2003-10-30 | 2003-10-30 | Pneumatic Distributed Control Walking Assistant Robot |
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KR1020030076187A KR100555990B1 (en) | 2003-10-30 | 2003-10-30 | Pneumatic Distributed Control Walking Assistant Robot |
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