KR101268401B1 - 로봇 제어용 클러치 시스템 및 보행 보조 로봇 시스템, 보행 보조 로봇의 동작 산출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 로봇 제어용 클러치 시스템은 손으로 사용하는 보행 보조용 샤프트(shaft)의 바닥부에 설치되어 보행시 지면과의 접촉 여부를 감지하는 압력 측정부, 상기 샤프트의 몸체부에 설치되어 상기 샤프트의 3축 각속도와 가속도를 감지하는 자세 측정부 및 상기 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값으로부터 상기 바닥부의 궤적을 추정하고, 상기 추정 결과로부터 보행 보조 로봇의 다리 골격의 보폭과 높이를 제어하는 제어부를 포함함으로써, 로봇의 보폭과 다리 골격의 높이를 사용자가 소망하는 대로 제어할 수 있다.

Description

로봇 제어용 클러치 시스템 및 보행 보조 로봇 시스템, 보행 보조 로봇의 동작 산출 방법{CRUTCH SYSTEM FOR CONTROLLING ROBOT AND WALKING ASSISTANCE ROBOT SYSTEM}

본 발명은 로봇 제어용 클러치 시스템 및 보행 보조 로봇 시스템, 보행 보조 로봇의 동작 산출 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 손으로 사용하는 보행 보조용 샤프트의 움직임에 따라 보행 보조 로봇의 보폭과 다리 골격 높이를 산출하여 다리 골격을 제어할 수 있는 로봇 제어용 클러치 시스템 및 보행 보조 로봇 시스템, 보행 보조 로봇의 동작 산출 방법에 관한 것이다.

현재 급속한 인구의 노령화로 각 가정에서 설거지, 청소, 홈 케어 등 인간의 활동을 보조 또는 대체할 지능형 서비스 로봇의 요구가 증대되고 있음을 고려할 때, 서비스 로봇의 가장 훌륭한 대안이 되는 휴머노이드의 보행기술이 대단히 중요함을 알 수 있다.

따라서, 휴머노이드가 계단이나 경사면 또는 복잡한 보행 환경에서도 안정적으로 보행할 수 있게 하는 지능적 이족보행 기술의 발전이 크게 요구되고 있다.

이족 로봇의 보행에서 관절 모터의 기준궤적을 생성하는 것은 매우 중요하면서도 어려운 일이다. 이족 보행을 수행하기 위해서는 착지하는 발의 위치가 목표점에 정확히 안착해야 하며, 안정도를 위해 zero moment point(ZMP)가 지면에 접촉되어 있는 발의 convex hull 내에 존재해야 한다. 또한 로봇의 이동성을 향상시키기 위해 배터리를 장착할 경우, 각 모터에서 생성하는 토크의 합이 최소가 되어야 장시간 로봇을 운용할 수 있다.

현재까지 이족보행의 안정성에 많은 연구가 진행되고 있으며 ZMP의 보상 방식에 따라 크게 잉여 자유도에 의한 균형추의 균형운동 방법(노경곤 외, "지능 알고리즘 기반의 이족 보행로봇의 보행 구현", 제어.자동화.시스템공학 논문지 제10권 제12호, 2004)과, 보행로봇의 특정 관절을 이용한 제어방법[J. Yamaguchi 외, "Development of a biped walking robot adapting to a horizontally uneven surface,IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 1156-1163, 1994)등의 연구가 이루어져 왔다.

그리고 모터의 소비에너지를 고려한 최적의 궤적을 생성하기 위한 연구에서는 일반적으로 보행궤적을 근사화하기 위한 기저 함수의 계수들이 설계변수로 이용되었다.

Lee와 Chen은 최적 궤적을 생성하기 위해 기저 함수로 cubic B-spline을 사용하고, gradient-base 알고리즘을 이용했다.(T.T.Lee 외, "Minimum-fuel path planning of a 5-link biped robot", Proc. of the Twentieth Southeastern Sym. on System Theory, pp. 459-463, 1988)

그리고 Roussel 등은 보행 궤적을 근사화하기 위해 piecewise constant method를 사용하였다.(L. Roussel 외,"Generation of　energy optimal complete gait cycles for biped robots, Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 2036-2041, 1998.)

그리고 Westervelt와 Grizzle은 SQP 알고리즘과 cubic spline의 변수를 사용한 최적화 패키지를 사용하였다.(E. R. Westervelt 외, "Design of asymptotically stable walking for a 5-link planar biped walker via optimization", Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 3117-3122, 2002)

또한, 각 관절의 각도를 4차 다항식으로 정의하고, 에너지 소비를 최소화하는 다항식 계수값들을 유전 알고리즘으로 탐색하는 방법도 사용되었다.(최무성 외, "유전자 알고리즘을 이용한 이족 보행 로봇의 최적 설계 및 최적 보행 궤적 생성", 제어.자동화.시스템공학 논문지 제10권 제9호, 2004)

이와 같은 이족보행의 안정성 및 모터의 소비에너지를 고려한 최적의 궤적을 생성하기 위한 연구들은 2차원 모델에 대해서만 적용되는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해소하기 위하여 한국등록특허공보 제0998717호에는 인간형 로봇의 이족 보행을 위한 최적 궤적 생성을 위하여, 상기 로봇의 3차원 모델을 계산하고, 상기 로봇의 보행시 각 관절에서 발생시키는 토크를 계산하는 단계;상기 3차원 모델로부터 이족 보행시의 ZMP를 계산하는 단계; 상기 로봇의 3차원 모델에서 기하학 각도를 관절 모터 각도로 변환하는 단계; 다항 함수(polynomial function)를 이용해서 상기 로봇의 하지 관절 모터의 각 궤적 추이를 생성하는 단계; 상기 다항 함수의 계수들을 연산적 최적화 기법으로 탐색하는 단계를 포함하는 '이족 보행을 위한 인간형 로봇의 최적 궤적 생성 방법'이 개시되고 있다.

이에 따라 이족 보행시 로봇의 기구학과 동역학, ZMP를 컴퓨터로 계산할 수 있게 하며, 원하는 보폭과 보행 주기를 만족시키는 각 관절 모터의 최적 회전 궤적을 컴퓨터 최적화 기법을 이용하여 용이하게 구할 수 있다.

그러나, 앞에 개시된 논문을 포함하여 한국등록특허공보 제0998717호에서조차 사용자가 원하는 보폭과 다리 골격 높이를 도출하는 방안을 효과적으로 제시하고 못하고 있다. 단지, 사전 실험을 통해 사용자가 원하는 여러 동작을 데이터베이스화한 후 이를 이용하는 수준에 머무르고 있는 실정이다. 결과적으로 보행을 보조하는 다리 골격을 갖는 로봇, 다시 말해 보행 보조 로봇의 동작이 사용자에게 최적화되지 못하므로, 사용자는 보행 보조 로봇을 이용하더라도 보행이 불편할 수 밖에 없다. 따라서, 사용자는 샤프트(shaft), 소위 목발이나 지팡이를 부가 이용하는 것이 현실이다.

더욱이 이렇게 부가 이용되는 샤프트에 의해 보행 보조 로봇의 보폭과 다리 골격 높이가 일부 변경되는 것이 사용자의 보행에 적합할 수 있는데, 위 논문과 특허문헌에 따르면 이러한 경우의 대안을 제시하지 못하고 있다.

한국등록특허공보 제0998717호

본 발명은 손으로 사용하는 보행 보조용 샤프트의 움직임에 따라 보행 보조 로봇의 보폭과 다리 골격 높이를 산출하여 다리 골격을 제어할 수 있는 로봇 제어용 클러치 시스템 및 보행 보조 로봇 시스템, 보행 보조 로봇의 동작 산출 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 로봇 제어용 클러치 시스템은 손으로 사용하는 보행 보조용 샤프트(shaft)의 바닥부에 설치되어 보행시 지면과의 접촉 여부를 감지하는 압력 측정부, 상기 샤프트의 몸체부에 설치되어 상기 샤프트의 3축 각속도와 가속도를 감지하는 자세 측정부 및 상기 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값으로부터 상기 바닥부의 궤적을 추정하고, 상기 추정 결과로부터 보행 보조 로봇의 다리 골격의 보폭과 높이를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 로봇 제어용 클러치 시스템은 손으로 사용하는 보행 보조용 샤프트(shaft)의 바닥부에 설치되어 보행시 지면과의 접촉 여부를 감지하는 압력 측정부와, 상기 샤프트의 몸체부에 설치되어 상기 샤프트의 3축 각속도와 가속도를 감지하는 자세 측정부가 구비된 로봇 제어용 클러치 및 상기 로봇 제어용 클러치와 별개로 마련되며, 상기 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값으로부터 상기 바닥부의 궤적을 추정하고, 상기 추정 결과로부터 보행 보조 로봇의 다리 골격의 보폭과 높이를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

이때, 상기 샤프트는 손잡이부를 더 포함하고, 상기 손잡이부에 설치되어 상기 다리 골격 움직임의 완료 여부를 진동으로 표시하는 진동 표시부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 칼만 필터(Kalman Filter)를 적용하여 상기 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값을 융합하여 상기 바닥부의 궤적을 추정할 수 있다. 여기서, 상기 다리 골격의 보폭(stride lenght)과 높이(height difference)는 다음의 수학식으로부터 산출될 수 있다.

여기서,

으로

에 붙는 (x), (y), (z)는 자세 측정부를 원점으로 하는 x, y, z축을 의미하고,

이며,

은 현재 압력 감지시의

이고,

은 이전 압력 감지시의

이며,

l^b는 샤프트의 바닥에서부터 자세 측정부의 위치를 나타내는 벡터이고,

이며,

이고,

이며,

이고,

이며,

이고,

일 때,

는

를

로 대체한 값이며,

이고,

이며,

일 때,

이고,

이며,

이고,

이며,

이고,

이며,

이고,

이며,

이고,

이며,

이고,

이며,

은 코사인 매트릭스(direct-cosine matrix that transforms from the body frame b to the navigation frame n)이고,

은 위치(position in the navigation frame)이며,

은 속도(velocity in the navigation frame)이고,

은 자이로스코프의 출력(gyroscope output)이며,

은 가속도(accelerometer output)이고,

은 중력 가속도(gravitational acceleration in the navigation frame)이며,

각 기호의 상단에 붙는 '^'는 추정값을 나타내고,

는 실수 인자를 갖는 h×i 행렬을 나타내며,

는 자세 측정부의 실 속도이다.

한편, 본 발명의 보행 보조 로봇 시스템은 손으로 사용하는 보행 보조용 샤프트(shaft)의 바닥부에 설치되어 보행시 지면과의 접촉 여부를 감지하는 압력 측정부와, 상기 샤프트의 몸체부에 설치되어 상기 샤프트의 3축 각속도와 가속도를 감지하는 자세 측정부와, 상기 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값으로부터 상기 바닥부의 궤적을 추정하고, 상기 추정 결과로부터 보행 보조 로봇의 다리 골격의 보폭과 높이를 제어하는 제어부가 구비된 로봇 제어용 클러치 및 상기 제어부에 의해 제어되는 다리 골격을 갖는 보행 보조 로봇을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 보행 보조 로봇 시스템은 손으로 사용하는 보행 보조용 샤프트(shaft)의 바닥부에 설치되어 보행시 지면과의 접촉 여부를 감지하는 압력 측정부와, 상기 샤프트의 몸체부에 설치되어 상기 샤프트의 3축 각속도와 가속도를 감지하는 자세 측정부가 구비된 로봇 제어용 클러치 및 상기 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값으로부터 상기 바닥부의 궤적을 추정하고, 상기 추정 결과로부터 보행 보조 로봇의 다리 골격의 보폭과 높이를 제어하는 제어부와 상기 제어부에 의해 제어되는 다리 골격이 구비된 보행 보조 로봇을 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 보행 보조 로봇의 동작 산출 방법은 보행 보조용 샤프트(shaft)의 몸체부에 설치된 자세 측정부의 출력값과 상기 샤프트의 바닥부에 설치된 압력 측정부의 출력값을 융합한 후 칼만 필터를 이용하여 상기 자세 측정부의 자체 오차를 예측 보정하는 단계, 압력 측정부에서 상기 바닥부가 지면과 접촉된 것을 감지하면 칼만 필터를 이용하여 접촉 시점에 측정된 자세 측정부의 출력값에 포함된 자체 오차를 보정하는 단계 및 상기 보정된 자세 측정부의 출력값으로부터 보폭과 높이를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

한편, 보행 보조 로봇의 동작 산출 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체에 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램으로 기록될 수 있다.

이상에서 설명된 바와 같이 본 발명의 로봇 제어용 클러치 시스템 및 보행 보조 로봇 시스템, 보행 보조 로봇의 동작 산출 방법은 샤프트에 설치된 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값으로부터 로봇의 보폭과 다리 골격 높이를 산출할 수 있다. 사용자는 자신이 원하는 보폭과 다리 높이를 샤프트로 구현할 것이므로, 샤프트의 움직임으로부터 산출된 로봇의 보폭과 다리 골격 높이는 사용자가 원하는 보폭과 다리 높이가 된다. 따라서, 로봇의 보폭과 다리 골격의 높이를 사용자가 소망하는 대로 제어할 수 있다.

또한, 샤프트의 움직임으로부터 산출된 로봇의 보폭과 다리 골격 높이는 샤프트의 움직임에 근거하므로, 샤프트 사용시의 최적이 보폭과 다리 골격 높이를 제시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 로봇 제어용 클러치 시스템을 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 다른 로봇 제어용 클러치 시스템을 나타낸 개략도.
도 3에 본 발명의 로봇 제어용 클러치 시스템의 설정 좌표계를 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명의 보행 보조 로봇 시스템을 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명의 다른 보행 보조 로봇 시스템을 나타낸 개략도.
도 6은 본 발명의 보행 보조 로봇의 동작 산출 방법을 나타낸 흐름도.

이하, 본 발명의 로봇 제어용 클러치 시스템 및 보행 보조 로봇 시스템, 보행 보조 로봇의 동작 산출 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 로봇 제어용 클러치 시스템을 나타낸 개략도이다.

도 1에 도시된 로봇 제어용 클러치 시스템은 손으로 사용하는 보행 보조용 샤프트(shaft)의 바닥부(110)에 설치되어 보행시 지면과의 접촉 여부를 감지하는 압력 측정부(111), 상기 샤프트의 몸체부(130)에 설치되어 상기 샤프트의 3축 각속도와 가속도를 감지하는 자세 측정부(131) 및 상기 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값으로부터 상기 바닥부의 궤적을 추정하고, 상기 추정 결과로부터 보행 보조 로봇의 다리 골격의 보폭과 높이를 제어하는 제어부(141)를 포함할 수 있다.

보행 보조용 샤프트(shaft)는 다리가 불편한 사용자의 보행을 보조하기 위해 손으로 조작 가능한 소위 지팡이나 목발일 수 있다.

샤프트는 지면과 닿는 바닥부(110)와 막대 형상의 몸체부(130)로 이루어진다. 경우에 따라 몸체에 연결되는 별도의 손잡이부(150)가 마련될 수 있다.

바닥부(110)는 지면과의 견고한 접촉을 위해 고무 재질로 이루어질 수 있으며, 경우에 따라 몸체의 재질을 그대로 이용할 수 있다. 후자의 경우 바닥부와 몸체부로 일체로 이루어질 수 있다. 원래 바닥부는 지면과의 접촉을 위해 마련된 몸체부와 구분되는 탄성 부재 또는 지면과 닿는 샤프트의 밑면을 지칭한다. 다만, 본 명세서에서는 샤프트 길이 상으로 압력 측정부가 앞에서 언급한 원래 바닥부보다 상부에 설치된 경우 샤프트 밑면으로부터 압력 센서가 위치한 샤프트의 지점까지를 바닥부라 칭할 수 있다.

몸체부(130)는 지팡이와 같이 단일의 막대로 형성될 수 있으며, 목발과 같이 복수의 막대를 조합하여 형성될 수 있다. 몸체부는 샤프트에서 바닥부와 손잡이부를 제외한 모든 부분을 지칭하는 것으로 한다.

압력 측정부(111)는 샤프트의 바닥부(110)에 설치되는 FSR(Force Sensing Resistor) 등의 압력 센서로 구성되어, 압력이 인가된 경우 압력값을 출력하게 된다. 제어부는 이때의 압력값으로부터 지면과의 접촉 여부를 판단하게 된다. 압력 측정부는 바닥부에 위치하므로 압력 측정부에 압력이 인가된다면 이는 곧 샤프트가 지면과 접촉하고 있음을 의미한다. 다만, 다른 사물과의 접촉과 보행을 위한 지면 접촉을 구분하기 위하여 제어부는 설정값 이상의 압력이 감지된 경우에만 지면에 접촉한 것으로 판단할 수 있다.

자세 측정부(131)는 샤프트의 몸체부(130)에 설치되는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서 등의 관성 센서로 구성될 수 있다. 자세 측정부는 샤프트의 3축 각속도와 가속도를 감지하여 출력한다.

제어부(141)는 샤프트의 몸체부(130)에 설치될 수 있으며, 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값을 이용하여 보행 보조 로봇의 보폭과 다리 골격의 높이를 제어한다. 제어부에 대한 자세한 내용은 후술한다.

한편, 제어부의 제어 신호를 보행 보조 로봇으로 전송하기 위한 통신부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

이에 따르면, 사용자가 소망하는 보폭과 높이로 보행 보조 로봇이 움직이도록 할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 로봇 제어용 클러치 시스템을 나타낸 개략도이다.

도 2에 도시된 로봇 제어용 클러치는 손으로 사용하는 보행 보조용 샤프트(shaft)의 바닥부(210)에 설치되어 보행시 지면과의 접촉 여부를 감지하는 압력 측정부(211)와, 상기 샤프트의 몸체부(230)에 설치되어 상기 샤프트의 3축 각속도와 가속도를 감지하는 자세 측정부(231)가 구비된 로봇 제어용 클러치 및 상기 로봇 제어용 클러치와 별개로 마련되며, 상기 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값으로부터 상기 바닥부의 궤적을 추정하고, 상기 추정 결과로부터 보행 보조 로봇의 다리 골격의 보폭과 높이를 제어하는 제어부(241)를 포함할 수 있다.

이때, 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값을 제어부로 전송하기 위한 통신부(271)를 더 포함할 수 있다.

도 2의 로봇 제어용 클러치 시스템에서 샤프트, 압력 측정부(211), 자세 측정부(131)의 구성은 도 1의 로봇 제어용 클러치 시스템과 동일하며, 제어부(241)의 위치가 다르다.

이를 통해, 제어부(241)를 중앙 서버에 형성함으로써 중앙 서버에서 보행 보조 로봇의 움직임을 통제하도록 할 수 있다. 또는 제어부를 보행 보조 로봇에 형성할 수도 있다. 이에 따르면, 샤프트의 구성을 보다 간소화시킬 수 있다.

한편, 이상에서 설명된 로봇 제어용 클러치 시스템에서 샤프트는 손잡이부(150, 250)를 더 포함할 수 있으며, 손잡이부에 설치되어 다리 골격 움직임의 완료 여부를 진동으로 표시하는 진동 표시부(151, 251)를 포함할 수 있다. 보행 보조 로봇을 이용하는 사용자는 다리의 감각이 없을 수 있으므로, 로봇의 동작 여부를 확인하기가 어렵다. 진동 표시부는 로봇에서 다리 골격의 동작이 완료되었는지 여부를 촉각을 통해 인지하도록 하기 위한 것으로, 모터 등을 이용한 진동 발생기로 구성된다.

로봇 제어용 클러치 시스템에 마련되는 제어부는 칼만 필터(Kalman Filter)를 적용하여 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값을 융합하여 상기 바닥부의 궤적을 추정하고, 추정 결과로부터 보행 보조 로봇의 다리 골격의 보폭과 높이를 제어한다. 이를 위해서 제어부는 먼저 보행 보조 로봇의 다리 골격의 보폭과 높이를 산출한다.

이때 보폭과 높이는 이하의 수학식들로부터 도출될 수 있다.

이하의 수학식들에서 사용되는 인자들은 다음과 같다.

은 코사인 매트릭스(direct-cosine matrix that transforms from the body frame b to the navigation frame n)이다. 자세 측정부에서 출력되는 각속도와 가속도는 자세 측정부 자체의 축(계, frame)을 기준으로 한 값이다. 따라서, 로봇의 보폭과 다리 골격의 높이와 관련된 차원으로 자세 측정부의 출력값을 변환할 필요가 있으며, 이때의 변환에 사용되는 변환 행렬이

이다.

도 3에 본 발명의 로봇 제어용 클러치 시스템의 설정 좌표계를 나타내었다. 도 3을 참조하면 자세 측정부를 기준으로 보행 중인 사용자의 측면에서 본 면인 sagittal plane에 평행한 축을

축으로 나타내고, 사용자의 정면에서 본 면인 lateral plane에 평행한 축을

축으로 나타내고, 지면과 수직한 축을

축으로 나타내고 있다. 이와 같이 자세 측정부의 출력값을

,

,

축을 기준하여 나타내어야 하나 실제의 출력값은 자세 측정부 자체의 축을 기준으로 한 값이므로 차이가 있다. 이러한 차이를 없애기 위한 행렬이

이다. 이때,

,

,

축을 갖는 계(frame)을 네비게이션 프레임(navigation frame)이라 하기 로 한다.

은 위치(position in the navigation frame)이다. 구체적으로 네비게이션 프레임에서의 자세 측정부의 위치를 나타낸다.

은 네비게이션 프레임에서의 자세 측정부의 속도(velocity in the navigation frame)이다.

은 자이로스코프의 출력(gyroscope output)으로, 다시말해 각속도이다.

은 가속도(accelerometer output)이다.

은 중력 가속도(gravitational acceleration in the navigation frame)이다.

이때,

는 실수 인자를 갖는 h×i 행렬을 나타낸다. 따라서, 이상의 각 인자는 실수 인자를 갖는 h×i 행렬에 속한다.

이하, 각 수학식에서 각 기호의 상단에 붙는 '^'는 추정값을 나타낸다. 또한, 각 수학식은 설정 주기마다 연산이 이루어지고, 연산이 이루어지는 시간을 스텝 k라 칭하기로 한다.

초기 자세 측정부의 출력값, 즉 각속도

와 가속도

는 칼만 바이어스 추정(Kalman bias estimator)에 의해 이전 스텝의 에러값

,

으로 보상되며, 다음의 수학식 1과 같이 표현된다.

바이어스값이 교정된 각속도값은 샤프트의 지향점(orientation)을 추정하기 위해 적분되고, 가속도값은 자세 측정부의 위치를 추정하기 위해 적분되며, 수학식2와 같다.

수학식2의 첫번째 수식은 샤프트의 길이방향을 기준으로 하여 이루어지는 좌우 방향으로의 회전률이 작은 것으로 가정하였고, 추정을 위해 지수함수를 사용하였다. 이때, (x), (y), (z)는

,

,

축을 의미한다.

다음으로 칼만 필터(Kalman Filter)의 에러 추정을 통해 형성된 에러에 의해 자세(attitude), 속도(velocity), 위치(position)이 다음의 수학식3과 같이 수정된다.

여기서,

는

를

로 대체한 값이다.

위 과정을 통해 자세 측정부가 측정한 네비게이션 프레임 상에서의 샤프트 바닥의 위치를 계산할 수 있다.

클러치의 자세 측정부의 드리프트(drift) 현상과 같은 자체 오차를 보정하기 위한 압력 측정부와 자세 측정부의 융합은 이하와 같다. 우선, 자세 측정부의 에러를 표시하는 상태 벡터를 다음의 수학식4와 같이 정의한다.

칼만 필터(Kalman Filter)의 예측 단계는 다음의 수학식5와 같다.

...(2)

이때, (2)식은 예측 공분산 행렬을 계산한다. (1)식은 칼만 필터의 상태 전이 수식이며, 여기에서 F_k는 상태 전이 모델을 의미하며 다음의 수학식6과 같이 형성된다.

이때,

이다.

예측 단계 이후 압력 측정부와 자세 측정부의 융합에 의한 의사 측정값을 바탕으로 보정 단계가 수행된다. 압력 측정값이 설정값 이상인 경우 바닥부가 지면과 접촉해 있다고 판단하며, 이때의 샤프트는 이동하지 않는다고 가정하고, 샤프트의 바닥의 속도와 가속도의 의사 측정값을 구해서 보정 단계에서 사용한다.

이때,

는 자세 측정부의 실 속도이다.

수학식7의 각 값을 이용하여 보정 단계는 수학식8과 같이 표현될 수 있다.

이때,

이고,

이다.

보정 단계를 거쳐 획득된 자세 측정부의 에러에 대한 상태 모델은 수학식3의 단계를 거쳐 정확한 샤프트의 바닥 위치를 계산하며 이를 바탕으로 생성되는 샤프트 바닥의 궤적

은 다음의 수학식9를 통해 구할 수 있다.

여기서, l^b는 샤프트의 바닥에서부터 자세 측정부의 위치를 나타내는 벡터이다.

수학식9를 이용하여 샤프트 바닥의 위치 변화

는 다음의 수학식10을 통해 할 수 있다.

여기서,

은 현재 압력 감지시의

이고,

은 이전 압력 감지시의

이다.

수학식10을 통해 얻어진 샤프트 바닥의 위치 변화량을 바탕으로 수학식11과 같이 사용자가 소망하는 다리 골격의 보폭(stride lenght), 높이(height difference)를 산출한다.

여기서,

에 붙는 (x), (y), (z)는 자세 측정부를 원점으로 하는 x, y, z축(

,

,

축)을 의미한다.

제어부는 수학식11로부터 산출된 값으로 보행 보조 로봇의 다리 골격이 움직이도록 제어한다.

제어부는 압력 측정부의 출력값으로부터 샤프트가 지면과 접촉하지 않은 것으로 판단되면, 수학식1 내지 6을 반복적으로 행함으로써 자세 측정부의 자체 오차를 지속적으로 보정할 수 있다. 이를 통해 추후 샤프트가 지면과 접촉한 경우, 자체 측정부의 자체 오차가 최소화된 상태에서 수학식7 이후가 진행되도록 할 수 있다.

도 4는 본 발명의 보행 보조 로봇 시스템을 나타낸 개략도이다.

도 4에 도시된 보행 보조 로봇 시스템은 손으로 사용하는 보행 보조용 샤프트(shaft)의 바닥부(110)에 설치되어 보행시 지면과의 접촉 여부를 감지하는 압력 측정부와, 상기 샤프트의 몸체부(130)에 설치되어 상기 샤프트의 3축 각속도와 가속도를 감지하는 자세 측정부와, 상기 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값으로부터 상기 바닥부의 궤적을 추정하고, 상기 추정 결과로부터 보행 보조 로봇의 다리 골격의 보폭과 높이를 제어하는 제어부가 구비된 로봇 제어용 클러치(100) 및 상기 제어부에 의해 제어되는 다리 골격(310)을 갖는 보행 보조 로봇(300)을 포함할 수 있다.

제어부(미도시)가 샤프트의 몸체부(130)에 설치되는 구성으로 보행 보조 로봇에는 제어부가 배치되지 않아도 무방하다.

보행 보조 로봇에는 다리 골격(310)을 구동하는 골격 구동부(330)가 설비되며, 이때의 골격 구동부는 모터를 포함할 수 있다.

이와 같은 구성에 의하면, 기존의 보행 보조 로봇을 그대로 이용할 수 있다. 기존의 보행 보조 로봇에는 자체 제어부가 존재할 것이나, 로봇 제어용 클러치의 제어부로부터의 제어 신호를 바이패스하도록 함으로써 간단하게 다리 골격을 제어할 수 있다.

참고로, 로봇 제어용 클러치와 보행 보조 로봇은 유선 또는 무선으로 연결되어 제어 신호와 다리 골격의 구동 완료 신호를 주고받을 수 있도록 하는 통신부가 구비될 수 있다. 구동 완료 신호는 손잡이부(150)에 설비된 진동 표시부를 구동시켜 사용자가 다리 골격의 움직임이 완료되었음을 인지하도록 한다.

도 5는 본 발명의 다른 보행 보조 로봇 시스템을 나타낸 개략도이다.

도 5에 도시된 보행 보조 로봇 시스템은 손으로 사용하는 보행 보조용 샤프트(shaft)의 바닥부(210)에 설치되어 보행시 지면과의 접촉 여부를 감지하는 압력 측정부와, 상기 샤프트의 몸체부(230)에 설치되어 상기 샤프트의 3축 각속도와 가속도를 감지하는 자세 측정부가 구비된 로봇 제어용 클러치(200) 및 상기 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값으로부터 상기 바닥부의 궤적을 추정하고, 상기 추정 결과로부터 보행 보조 로봇의 다리 골격의 보폭과 높이를 제어하는 제어부(241)와 상기 제어부에 의해 제어되는 다리 골격(410)이 구비된 보행 보조 로봇(400)을 포함할 수 있다.

제어부(241)가 보행 보조 로봇에 포함되는 구성으로 로봇 제어용 클러치는 제어부를 구비할 필요가 없다. 따라서, 간소한 구성으로 로봇 제어용 클러치를 구성할 수 있다.

보행 보조 로봇에 제어부(241)가 설비되는데 기존의 보행 보조 로봇을 이용한다면, 소프트웨어의 변경을 통하여 제어부(241)의 기능을 수행하도록 할 수 있다.

보행 보조 로봇에는 다리 골격(410)을 구동하는 골격 구동부(430)가 구비된다.

한편, 로봇 제어용 클러치의 손잡이부(250)에는 다리 골격의 동작 완료를 진동으로 표시하는 진동 표시부가 배치될 수 있다. 이를 위해 로봇 제어용 클러치와 보행 보조 로봇에는 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값과 다리 골격의 동작 완료 신호가 전송되는 유/무선 통신 수단이 구비될 수 있다.

도 6은 본 발명의 보행 보조 로봇의 동작 산출 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 6에 도시된 보행 보조 로봇의 동작 산출 방법은 도 1 내지 도 5에 도시된 제어부의 동작으로서 설명될 수 있다. 제어부는 설정된 주기 단위로 동작할 수 있으며, 이때의 설정 주기는 15ms 내지 35ms일 수 있다.

먼저 제어부는 보행 보조용 샤프트(shaft)의 몸체부에 설치된 자세 측정부의 출력값과 상기 샤프트의 바닥부에 설치된 압력 측정부의 출력값을 융합한 후 칼만 필터를 이용하여 상기 자세 측정부의 자체 오차를 예측 보정한다(S 510). 이때의 융합 및 예측 보정은 바닥부와 지면의 접촉 여부와 상관없이 수행된다. 따라서, 압력 측정부에서 바닥부가 지면과 접촉되지 않은 것으로 감지되면 예측 보정을 반복한다.

압력 측정부에서 상기 바닥부가 지면과 접촉된 것을 감지하면(S 520) 칼만 필터를 이용하여 접촉 시점에 측정된 자세 측정부의 출력값에 포함된 자체 오차를 보정한다(S 530).

상기 보정된 자세 측정부의 출력값으로부터 보폭과 높이를 산출한다(S 540).

이상의 과정은 칼만 필터를 이용할 수 있으며, 구체적으로 수학식1 내지 11을 통하여 수행될 수 있다.

이상에 따르면, 샤프트의 움직임을 통해 사용자가 원하는 보폭과 다리 골격의 높이를 파악할 수 있으며, 이를 통해 보행 보조 로봇의 다리 골격을 사용자가 원하는 대로 구동시킬 수 있다.

특히, 칼만 필터를 이용하여 자세 측정부의 자체 오차를 보정함으로써 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 샤프트를 보행에 이용하지 않을 경우에도 자세 측정부의 자체 오차를 예측하여 보정하여 둠으로써, 지면 접촉시의 자체 오차 보정을 보다 신뢰성 있게 수행할 수 있다.

한편, 도 6에 도시된 보행 보조 로봇의 동작 산출 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체에 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램으로 기록될 수 있다.

한편, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어 로봇 제어용 클러치는 좌우 한쌍으로 구성될 수 있다. 또한, 자세 측정부를 바닥부에 설비하거나 자세 측정부의 자체 오차가 거의 없는 경우 오차 보정 과정을 생략할 수 있다.

다리 골격의 보폭 및 높이를 조절할 필요가 있는 다리를 갖는 로봇에 적용할 수 있다.

특히, 사용자가 착용 가능한 2족 보행 보조 로봇의 경우에 적용하는 것이 유리하다.

110, 210...바닥부 111, 211...압력 측정부
130, 230...몸체부 131, 231...자세 측정부
141, 241...제어부 150, 250...손잡이부
151, 251...진동 표시부 271...통신부
310, 410...다리 골격 330, 430...골격 구동부

Claims (9)

1. 손으로 사용하는 보행 보조용 샤프트(shaft)의 바닥부에 설치되어 보행시 지면과의 접촉 여부를 감지하는 압력 측정부와, 상기 샤프트의 몸체부에 설치되어 상기 샤프트의 3축 각속도와 가속도를 감지하는 자세 측정부와, 상기 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값으로부터 상기 바닥부의 궤적을 추정하고, 상기 추정 결과로부터 보행 보조 로봇의 다리 골격의 보폭과 높이를 제어하는 제어부가 구비된 로봇 제어용 클러치; 및
   상기 제어부에 의해 제어되는 다리 골격을 갖는 보행 보조 로봇;
   을 포함하는 보행 보조 로봇 시스템.
   
2. 손으로 사용하는 보행 보조용 샤프트(shaft)의 바닥부에 설치되어 보행시 지면과의 접촉 여부를 감지하는 압력 측정부와, 상기 샤프트의 몸체부에 설치되어 상기 샤프트의 3축 각속도와 가속도를 감지하는 자세 측정부가 구비된 로봇 제어용 클러치; 및
   상기 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값으로부터 상기 바닥부의 궤적을 추정하고, 상기 추정 결과로부터 보행 보조 로봇의 다리 골격의 보폭과 높이를 제어하는 제어부와 상기 제어부에 의해 제어되는 다리 골격이 구비된 보행 보조 로봇;
   을 포함하는 보행 보조 로봇 시스템.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 샤프트는 손잡이부를 더 포함하고,
   상기 손잡이부에 설치되어 상기 다리 골격 움직임의 완료 여부를 진동으로 표시하는 진동 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇 시스템.
   
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제어부는 칼만 필터(Kalman Filter)를 적용하여 상기 압력 측정부와 자세 측정부의 출력값을 융합하여 상기 바닥부의 궤적을 추정하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇 시스템.
   
5. 제 1 항 또는 제 2 항의 보행 보조 로봇 시스템을 이용한 보행 보조 로봇의 동작 제어 방법으로서,
   압력 측정부가 손으로 사용하는 보행 보조용 샤프트(shaft)의 바닥부에 설치되어 보행시 지면과의 접촉 여부를 감지하는 단계;
   자세 측정부가 상기 샤프트의 몸체부에 설치되어 상기 샤프트의 3축 각속도와 가속도를 감지하는 단계; 및,
   제어부가 상기 압력 측정부와 상기 자세 측정부의 출력값으로부터 상기 바닥부의 궤적을 추정하고, 상기 추정 결과로부터 보행 보조 로봇의 다리 골격의 보폭과 높이를 제어하는 단계;
   를 포함하는 보행 보조 로봇의 동작 제어 방법.
   
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