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KR102536390B1 - 무릎관절 보조 착용로봇, 그 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents

무릎관절 보조 착용로봇, 그 제어시스템 및 제어방법 Download PDF

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Publication number
KR102536390B1
KR102536390B1 KR1020210153418A KR20210153418A KR102536390B1 KR 102536390 B1 KR102536390 B1 KR 102536390B1 KR 1020210153418 A KR1020210153418 A KR 1020210153418A KR 20210153418 A KR20210153418 A KR 20210153418A KR 102536390 B1 KR102536390 B1 KR 102536390B1
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KR
South Korea
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mode
knee joint
elastic body
driving device
frame
Prior art date
Application number
KR1020210153418A
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KR20230067379A (ko
Inventor
김광태
홍만복
주상훈
우한승
신영준
김용철
Original Assignee
국방과학연구소
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.)
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Publication date
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  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

본 발명의 목적은 직렬탄성 구동방식을 적용하고, 직렬탄성 구동장치의 직렬탄성체를 이용하여 단방향으로만 힘을 인가하므로 힘 제어가 2분법적으로 구현되는 무릎관절 보조 착용로봇을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎관절 보조 착용로봇은, 정강이 체결부로 정강이에 체결되는 정강이 프레임, 및 상기 정강이 프레임과 무릎관절부로 연결되고 허벅지 체결부로 허벅지에 체결되는 허벅지 프레임을 포함하며, 상기 무릎관절부, 상기 정강이 프레임에 구비되는 관절 연결부, 상기 관절 연결부에 구비되는 탄성체 스토퍼, 상기 허벅지 프레임에 구비되는 탄성체 고정부, 상기 탄성체 고정부에 제1단으로 고정되어 제2단으로 상기 탄성체 스토퍼에 비접촉 또는 접촉되는 직렬탄성체, 및 상기 관절 연결부에 결합되고 상기 탄성체 고정부에 장착되며 상기 직렬탄성체의 상기 제2단을 고정하여, 상기 제2단의 회전량을 제어하는 구동장치를 포함한다.

Description

무릎관절 보조 착용로봇, 그 제어시스템 및 제어방법 {Knee Joint Assistive Robot, Control System and Control Method Thereof}
본 발명은 일상 또는 작업장에서 착용하는 무릎관절 보조 착용로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보행 간 무릎을 펴는 동작에서 보조력을 지원하고, 의자의 기능을 제공하는 무릎관절 보조 착용로봇과 그 제어시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
알려진 바에 따르면, 착용로봇은 착용자의 인체에 착용하는 로봇으로써 착용자의 일상 또는 작업 현장에서의 작업을 지원하는 기능을 가진다. 기존의 재활 분야에서 많은 연구개발이 진행되었으며, 근래에는 산업현장 또는 일상 보조용으로 연구개발이 활발히 진행되고 있다.
착용로봇은 모터 및 감속기 등을 포함하는 구동장치가 존재하면 능동 구동 방식이고, 구동장치가 포함되지 않아 전원 공급이 필요 없으면 수동 구동방식으로 분류될 수 있다. 능동 구동방식은 배터리 또는 상 전원을 이용하여 외부전력으로 착용자를 직접 보조할 수 있다는 강점을 가진다.
그러나 구동장치는 착용로봇에서 가장 무거운 부분 중의 하나로써 무한정 착용자의 전신 관절에 적용할 수 없다. 많은 수의 구동기를 적용할 경우, 적용되는 구동기 수량만큼 로봇 자체의 무게가 증가되고 이렇게 증가된 무게는 추가적인 보조력을 필요로 하므로 큰 구동기를 필요로 하는 악순환이 발생한다. 이와 같은 이유로 근래에는 특정 관절만 보조해 주는 방식의 착용로봇이 많이 연구 개발되고 있다.
종래의 무릎보조 착용로봇의 제어 방법은 직렬탄성 구동장치를 이용하지 않거나 이용하더라도 보행단계 판별 또는 착용자의 운동의도 인식을 통해 착용자와 동기화 되어 정해진 궤적으로 위치제어 또는 힘제어를 수행하였다.
그러나 모든 착용자에게 표준화된 제어 프로파일의 인가는 착용자와 궤적과의 괴리가 발생할 경우, 착용자에게 불편함을 유발한다. 그리고 현장 근로자를 위한 가상의 의자 기능이 없었고 쉽게 위치제어를 통해 구현한다 할지라도 별도의 알고리즘으로 동작하도록 착용자의 조작이 필요했다.
본 발명의 목적은 직렬탄성 구동방식을 적용하고, 직렬탄성 구동장치(직렬탄성체와 구동장치)의 직렬탄성체를 이용하여 단방향으로만 힘을 인가하므로 힘 제어가 2분법적으로 구현되는 무릎관절 보조 착용로봇을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 착용자가 직렬탄성체(예, 스프링)을 통해 힘을 보조 받거나 직렬탄성체가 작용하지 않아 착용자가 힘을 보조 받지 못하고, 직렬탄성체를 통해 미는 동작에서만 힘을 전달하므로 보행주기의 전체를 지원하지는 못하지만 착용자와 로봇이 동기화 되지 못하는 부분에서 불편함을 해소하며, 의자 기능을 구현하는 무릎관절 보조 착용로봇을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 무릎관절 보조 착용로봇을 제어하는 제어시스템 및 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무릎관절 보조 착용로봇은, 정강이 체결부로 정강이에 체결되는 정강이 프레임, 및 상기 정강이 프레임과 무릎관절부로 연결되고 허벅지 체결부로 허벅지에 체결되는 허벅지 프레임을 포함하며, 상기 무릎관절부, 상기 정강이 프레임에 구비되는 관절 연결부, 상기 관절 연결부에 구비되는 탄성체 스토퍼, 상기 허벅지 프레임에 구비되는 탄성체 고정부, 상기 탄성체 고정부에 제1단으로 고정되어 제2단으로 상기 탄성체 스토퍼에 비접촉 또는 접촉되는 직렬탄성체, 및 상기 관절 연결부에 결합되고 상기 탄성체 고정부에 장착되며 상기 직렬탄성체의 상기 제2단을 고정하여, 상기 제2단의 회전량을 제어하는 구동장치를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무릎관절 보조 착용로봇은, 상기 무릎관절부의 회전각(
Figure 112021129291517-pat00001
)을 감지하도록 상기 구동장치의 부하단인 상기 직렬탄성체의 상기 제2단에 구비되는 제1위치센서와 상기 관절 연결부에 구비되는 제2위치센서를 더 포함할 수 있다.
상기 구동장치는 상기 관절 연결부에 무릎관절의 선회 방향에 대응하는 원형으로 형성되고, 상기 직렬탄성체는 스프링 및 다관절 링크 중 적어도 하나로 형성되어 상기 원형의 외측에 배치되고, 상기 제2단의 홀더는 상기 원형의 외표면에 고정될 수 있다.
상기 허벅지 프레임이 향하는 기준점(
Figure 112021129291517-pat00002
)에서 반시계방향을 양의 회전각 방향으로 선정할 때, 상기 기준점에 대한 상기 정강이 프레임의 각도(
Figure 112021129291517-pat00003
), 및 상기 기준점에서 상기 직렬탄성체의 제2단으로 설정되는 기본 거리의 오프셋 각도(
Figure 112021129291517-pat00004
)가 각각 설정될 수 있다.
착용자가 무릎을 폈을 때, 상기 정강이 프레임의 각도(
Figure 112021129291517-pat00005
)는 기준점(
Figure 112021129291517-pat00006
)과 오프셋 각도(
Figure 112021129291517-pat00007
)의 합보다 클 수 있다(
Figure 112021129291517-pat00008
>
Figure 112021129291517-pat00009
+
Figure 112021129291517-pat00010
).
착용자가 무릎을 접었을 때, 상기 정강이 프레임의 각도(
Figure 112021129291517-pat00011
)는 기준점(
Figure 112021129291517-pat00012
)과 오프셋 각도(
Figure 112021129291517-pat00013
)의 합과 같을 수 있다(
Figure 112021129291517-pat00014
=
Figure 112021129291517-pat00015
+
Figure 112021129291517-pat00016
).
착용자가 무릎을 과도하게 접었을 때, 상기 정강이 프레임의 각도(
Figure 112021129291517-pat00017
)는 기준점(
Figure 112021129291517-pat00018
)과 오프셋 각도(
Figure 112021129291517-pat00019
)의 합보다 작을 수 있다(
Figure 112021129291517-pat00020
<
Figure 112021129291517-pat00021
+
Figure 112021129291517-pat00022
).
본 발명의 일 실시예에 따른 무릎관절 보조 착용로봇의 제어시스템은, 직렬탄성체의 제1단이 고정되는 허벅지 프레임이 향하는 기준점(
Figure 112021129291517-pat00023
)에서 반시계방향을 양의 회전각 방향으로 선정할 때, 상기 허벅지 프레임에 결합되는 정강이 프레임의 각도(
Figure 112021129291517-pat00024
), 및 상기 기준점에서 상기 직렬탄성체의 제2단으로 설정되는 기본 거리의 오프셋 각도(
Figure 112021129291517-pat00025
)가 각각 설정되고, 상기 관절 연결부에 결합되고 상기 허벅지 프레임에 장착되며 상기 제2단을 고정하여, 상기 제2단의 회전량의 변위를 측정하도록 상기 제2단에 제1위치센서를 구비하며 상기 관절 연결부에 제2위치센서를 구비하고 상기 제2단의 회전량을 제어하는 구동장치를 포함하는 무릎관절 보조 착용로봇; 추종모드와 보조모드를 구분 제어하는 제1모드 스위치; 상기 제1모드 스위치의 제어입력과
Figure 112021129291517-pat00026
로 의자모드의 여부를 구분 제어하는 제2모드 스위치; 및 상기 제2모드 스위치의 제어입력과 e의 신호를 받아 구동장치를 제어하는 위치제어기를 포함한다.
상기 위치제어기(
Figure 112021129291517-pat00027
)는 상기 구동장치의 출력(
Figure 112021129291517-pat00028
)를 피드백 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무릎관절 보조 착용로봇의 제어방법은, 직렬탄성체의 제1단이 고정되는 허벅지 프레임이 향하는 기준점(
Figure 112021129291517-pat00029
)에서 반시계방향을 양의 회전각 방향으로 선정할 때, 상기 허벅지 프레임에 결합되는 정강이 프레임의 각도(
Figure 112021129291517-pat00030
), 및 상기 기준점에서 상기 직렬탄성체의 제2단으로 설정되는 기본 거리의 오프셋 각도(
Figure 112021129291517-pat00031
)가 각각 설정되고, 상기 관절 연결부에 결합되고 상기 허벅지 프레임에 장착되며 상기 제2단을 고정하여, 상기 제2단의 회전량의 변위를 측정하도록 상기 제2단에 제1위치센서를 구비하며 상기 관절 연결부에 제2위치센서를 구비하고 상기 제2단의 회전량을 제어하는 구동장치를 포함하는 무릎관절 보조 착용로봇에서, 상기 직렬탄성체 및 상기 구동장치로부터 착용자에게 힘이 전달되는 않는 추종모드; 상기 직렬탄성체 및 상기 구동장치로부터 착용자에게 힘이 전달되는 보조모드; 및 상기 구동장치가 고정되어 의자 기능을 수행하는 의자모드 중 적어도 하나로 제어되며, 상기 추종모드와 상기 보조모드를 제1모드 스위치로 구분하여 제어하며, 상기 의자모드의 여부는 제2모드 스위치로 구분하여 제어한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무릎관절 보조 착용로봇의 제어방법은, 초기화 및 추종모드로 동작하는 제1단계, N초 이상 무릎관절이 k도 이내 범위를 유지 또는 의자모드 여부를 판단하는 제2단계, 상기 제2단계 조건이 만족하는 경우 상기 의자모드로 동작하는 제3-1단계, 상기 제3-1단계로 동작 중에
Figure 112021129291517-pat00032
이 고정 해제 조건인
Figure 112021129291517-pat00033
를 판단하는 제3-2단계, 상기 제3-2단계의 조건이 만족되어
Figure 112021129291517-pat00034
이 고정 해제되고 상기 의자모드가 종료되면 자동으로 상기 추종모드로 동작하는 제4-1단계, 상기 제2단계의 조건이 만족하지 않는 경우 보행단계를 판단하는 제3-3단계, 상기 제3-3단계의 조건이 보조단계인 경우 보조모드로 동작하고 제4-2단계, 및 상기 제3-3단계의 조건이 추종단계인 경우 추종모드로 동작하고 제4-3단계를 포함한다.
상기 추종모드는 제어입력(
Figure 112021129291517-pat00035
)이
Figure 112021129291517-pat00036
=
Figure 112021129291517-pat00037
이고(ε은 0에 가까운 양의 미소 변위량),
Figure 112021129291517-pat00038
인 상황에서
Figure 112021129291517-pat00039
이 되도록
Figure 112021129291517-pat00040
을 제어하여,
Figure 112021129291517-pat00041
의 환경이 되어 추종하도록 제어압력(
Figure 112021129291517-pat00042
)로 구동장치를 구동시킬 수 있다.
상기 보조모드는 제어입력(
Figure 112021129291517-pat00043
)이
Figure 112021129291517-pat00044
이고
Figure 112021129291517-pat00045
는 시간에 따라 변형이 가능한 양수로서 실제 직렬탄성체의 기본 길이가 인위적으로 압축되도록 동작하게 함),
Figure 112021129291517-pat00046
와
Figure 112021129291517-pat00047
가
Figure 112021129291517-pat00048
만큼 차이가 발생하여
Figure 112021129291517-pat00049
조건이 발생한 경우, 구동장치를 구동시켜 착용자가 무릎을 펴는 동작을 보조할 수 있다.
상기 보조모드는 제어 오차가 없을 경우
Figure 112021129291517-pat00050
이 되고,
Figure 112021129291517-pat00051
이 성립하므로 최종 출력값
Figure 112021129291517-pat00052
으로 착용자에게 인가하여 착용자가 보행간 필요한 보조력을 전달받게 할 수 있다.
상기 의자모드는 제어입력(
Figure 112021129291517-pat00053
)이 고정(locking)되어 구동장치에 직전 값을 계속 인가하는 의자기능을 하게 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 정강이 프레림과 허벅지 프레임을 무릎관절부로 연결하고, 무릎관절부에 직렬탄성체와 구동장치를 구비하여, 구동장치로 직렬탄성체의 회전량을 제어하므로 추종모드, 보조모드 및 의자모드를 구현하여 착용자에게 보행 간 무릎을 펴는 동작에서 보조력을 제공하고, 의자의 기능을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎관절 보조 착용로봇을 분해한 상태를 도시한 측면도이다.
도 2는 도 1의 무릎관절 보조 착용로봇을 인체에 착용한 상태를 도시한 측면도이다.
도 3은 도 2의 구동장치에 전원 미 인가시 기본상태에서 직렬탄성체(예, 스프링) 동작 상태를 도시한 작동 상태도이다.
도 4는 도 3에서 전달력이 작동하는 상태를 도시한 작동 상태도이다.
도 5는 도 2의 구동장치에 전원 인가시 추종모드에서 구동장치 동작 상태를 도시한 작동 상태도이다.
도 6은 도 5에서 전달력이 작동하는 상태를 도시한 작동 상태도이다.
도 7은 도 2의 구동장치에 전원 미 인가시 보조모드에서 직렬탄성체가 보조력을 제공하는 작동 상태도이다.
도 8은 도 2의 구동장치에 전원 인가시, 의자모드에서 구동장치의 동작 상태를 도시한 작동 상태도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎관절 보조 착용로봇을 제어하는 시스템의 구성도이다.
도 10은 도 9의 시스템을 통하여 무릎관절 보조 착용로봇의 제어방법을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용 이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 발명의 일 실시예는 무릎관절만 보조하는 착용형 로봇에 관한 것이다. 이 발명의 이해를 돕기 위해서는 몇 가지 선행적인 설명이 필요하다. 우선, 인체의 보행에서 각 관절들은 특정 패턴의 파형을 보인다. 물론, 보행속도에 따라 파형의 주기는 변하겠지만 일상 보행에서는 모든 형상에 큰 차이가 없다.
따라서 이와 같은 이해를 바탕으로 착용로봇이 착용자의 보행을 돕기 위해 착용자의 보행상태를 실시간으로 구분하는 연구가 진행되어 왔다. 보행상태는 입각기(stance) 및 유각기(swing) 등 과 같이 각 단계로 구분할 수도 있지만, 각 관절별로 펴는 상태 및 접는 상태로 정성적 및 정량적으로 구분할 수 있다. 선행 개발된 방법은 무릎관절의 펴는 동작과 접는 동작을 구분할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 소개되는 구동장치는 직렬탄성 구동장치를 응용하여 적용한다. 직렬탄성 구동장치(serial elastic actuator)는 구동기가 부하(load) 단에 힘을 전달하는 방식으로 구성되며, 구동기의 끝단에 위치센서를 배치시키고 구동기의 끝단과 부하 사이에 스프링을 배치한다. 그리고 부하가 위치되는 스프링의 끝단에 위치센서를 배치시켜 두 위치센서의 차이를 이용하여 스프링의 변형을 감지한다.
이 변형량에 스프링 강성값을 곱하면 부하에 작용하는 힘이 계산된다. 이 방법을 통해서 구동기, 즉 모터의 위치제어로 부하단의 힘 제어를 수행한다. 단순한 방법이지만 이 방법을 이용하지 않고, 제어시스템 이론에 등장하는 직접적인 힘 제어의 구현은 쉽지 않은 실정이다.
반면, 위치제어는 상당히 적은 노력으로 구현할 수 있다. 따라서 이 직렬탄성 구동장치를 회전형 또는 선형의 스프링을 이용해 상대적으로 쉬운 위치제어를 통해 부하에 힘을 전달하는데 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎관절 보조 착용로봇을 분해한 상태를 도시한 측면도이고, 도 2는 도 1의 무릎관절 보조 착용로봇을 인체에 착용한 상태를 도시한 측면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예의 무릎관절 보조 착용로봇은 정강이 프레임(10)과 허벅지 프레임(20) 및 무릎관절부(30)를 포함한다. 정강이 프레임(10)은 정강이 체결부(11)로 착용자의 정강이에 체결된다. 허벅지 프레임(20)은 허벅지 체결부(21)로 착용자의 허벅지에 체결된다.
무릎관절부(30)는 정강이 프레임(10)과 허벅지 프레임(20)을 관절 구조로 서로 연결하여 착용자가 무릎을 굽히거나 펴는 동작을 가능하게 하거나, 착용자가 힘을 보조 받거나, 의자 기능을 구현할 수 있도록 구성된다.
예를 들면, 무릎관절부(30)는 관절 연결부(31), 탄성체 스토퍼(32), 탄성체 고정부(33), 직렬탄성체(34) 및 구동장치(35)를 포함한다. 여기서 직렬탄성체(34) 및 구동장치(35)는 편의상 직렬탄성 구동장치(34, 35)라 한다.
관절 연결부(31)는 정강이 프레임(10)의 상단에 고정되는 구조로 구비된다. 탄성체 스토퍼(32)는 관절 연결부(31)의 하측에 고정되는 구조로 구비된다. 따라서 관절 연결부(31) 및 탄성체 스토퍼(32)는 정강이 프레임(10)에 일체로 형성된다.
도 3은 도 2의 구동장치에 전원 미 인가시 기본상태에서 직렬탄성체(예, 스프링) 동작 상태를 도시한 작동 상태도이고, 도 4는 도 3에서 전달력이 작동하는 상태를 도시한 작동 상태도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 탄성체 고정부(33)는 허벅지 프레임(20)의 하측에 고정되는 구조로 구비된다. 직렬탄성체(34)는 탄성체 고정부(33)에 제1단으로 고정되어 제2단에 구비되는 홀더(341)로 탄성체 스토퍼(32)에 비접촉 또는 접촉될 수 있다. 직렬탄성체(34)에서 제2단의 홀더(341)가 탄성체 스토퍼(32)에 접촉될 때, 직렬탄성체(34)는 보조력을 생성하게 된다.
구동장치(35)는 관절 연결부(31)에 회전 가능하게 결합되고, 탄성체 고정부(33)의 하측에 고정 구조로 장착된다. 관절 연결부(31)는 구동장치(35)에 회전 가능하게 결합되므로 구동장치(35)가 구동하지 않을 때, 구동장치(35)에 대하여 자유 회전이 가능하다.
또한 구동장치(35)는 관절 연결부(31)에 무릎관절의 선회 방향에 대응하는 원형으로 형성되고, 직렬탄성체(34)는 원형의 외표면을 따라 배치되며, 제2단의 홀더(341)는 원형의 외표면에 고정된다. 구동장치(35)의 회전에 따라 홀더(341)는 회전하고 직렬탄성체(34)는 압축 또는 인장될 수 있다. 따라서 구동장치(35)의 구동시 구동장치(35)의 회전반경 밖에 위치하는 홀더(341)는 탄성체 스토퍼(32)에 접촉될 수 있다.
탄성체 스토퍼(32)는 허벅지 프레임(20)에 고정된 구동장치(35) 직렬탄성체(34)의 제2단에 구비된 홀더(341)와 접촉하는 부분으로써 힘을 전달받는 위치가 된다. 허벅지 프레임(20)에 고정된 직렬탄성체(34)의 홀더(341)가 정강이 프레임(10)의 탄성체 스토퍼(32)에 접촉되지 않으면 일 실시예의 무릎관절 보조 착용로봇은 착용자에게 힘을 인가시킬 수 없고, 착용자의 자유로움 움직임이 구동장치(35)에 방해받지 않는다.
도 1은 구동장치(35)와 관절 연결부(31)가 하나의 회전점으로 연결되는 방식을 예시한다. 도시하지 않았으나 구동장치와 관절 연결부의 회전 연결 구성은 다관절 링크(예를 들면 4관절 링크)를 이용하여 자유로운 배치로 가능하다.
다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 구동장치(35)에 전원 미 인가시 기본상태에서 직렬탄성체(예, 스프링 및 4관절 링크를 단독 또는 연결하여 사용 가능)가 동작한다. 편의상, 스프링만 도시하고 4관절 링크를 도시 생략한다. 일 실시예의 무릎관절 보조 착용로봇은 무릎관절부(30)의 회전각(
Figure 112021129291517-pat00054
)을 감지하도록 제1위치센서(S1)와 제2위치센서(S2)를 더 포함한다.
제1위치센서(S1)는 구동장치(35)의 부하단인 직렬탄성체(34)에서 제2단의 홀더(341)에 구비되고, 제2위치센서(S2)는 관절 연결부(31)에 구비된다. 따라서 제1, 제2 위치센서(S1, S2)는 무릎관절부(30)의 회전각(
Figure 112021129291517-pat00055
)을 감지하게 된다. 편의상 홀더(341)와 제1위치센서(S1)를 병기하고, 관절 연결부(31)와 제2위치센서(S2)를 병기한다.
구동장치(35)는 허벅지 프레임(20)이 향하는 기준점(
Figure 112021129291517-pat00056
)에서 현재위치를 고정하고 있다. 기준점(
Figure 112021129291517-pat00057
)에서 반시계방향을 양의 회전각 방향으로 선정한다. 시계방향으로 선정할 수도 있다. 기준점(
Figure 112021129291517-pat00058
)에서 직렬탄성체(34)의 기본 거리를 의미하는 오프셋(offset)이 되는 오프셋 각도(
Figure 112021129291517-pat00059
)가 설정된다. 이를 고려하여 직렬탄성체(34) 제2단 홀더(341)의 위치는 기준점(
Figure 112021129291517-pat00060
)과 오프셋 각도(
Figure 112021129291517-pat00061
)의 합(
Figure 112021129291517-pat00062
+
Figure 112021129291517-pat00063
)로 표현될 수 있다. 기준점(
Figure 112021129291517-pat00064
)에 정강이 프레임(10)에 이르는 정강이 프레임(10)의 각도(
Figure 112021129291517-pat00065
)가 설정된다.
도 3 및 도 4의 좌측 도면(a)를 보면, 착용자가 무릎을 폈을 때, 기준점(θ0)에 대한 정강이 프레임(10)의 각도(
Figure 112021129291517-pat00066
)는 기준점(
Figure 112021129291517-pat00067
)과 오프셋 각도(
Figure 112021129291517-pat00068
)의 합보다 크게 된다(
Figure 112021129291517-pat00069
>
Figure 112021129291517-pat00070
+
Figure 112021129291517-pat00071
). 따라서 직렬탄성체(34)의 변형이 발생하지 않아 착용자는 무릎관절 보조 착용로봇의 영향 없이 즉, 직렬탄성체(34)의 압력없이 자유롭게 움직일 수 있다.
도 3 및 도 4의 가운데 도면(b)를 보면, 착용자가 무릎을 접었을 때, 즉 착용자에 의하여 정강이 프레임(10)이 들어 올려진 상태로 유지할 때, 기준점(
Figure 112021129291517-pat00072
)에 대한 정강이 프레임(10)의 각도(
Figure 112021129291517-pat00073
)는 기준점(
Figure 112021129291517-pat00074
)과 오프셋 각도(
Figure 112021129291517-pat00075
)의 합과 같게 된다(
Figure 112021129291517-pat00076
=
Figure 112021129291517-pat00077
+
Figure 112021129291517-pat00078
). 이 경우에도 착용자는 어떠한 저항감도 느끼지 않으며 직렬탄성체(34)도 변형되지 않는다.
도 3 및 도 4의 우측 도면(c)를 보면, 착용자가 무릎을 과도하게 접었을 때, 즉 구동장치(35)가 기본위치에 정지한 상태에서 착용자가 과도한 다리 접힘을 시도하면, 기준점(
Figure 112021129291517-pat00079
)에 대한 정강이 프레임(10)의 각도(
Figure 112021129291517-pat00080
)는 기준점(
Figure 112021129291517-pat00081
)과 오프셋 각도(
Figure 112021129291517-pat00082
)의 합보다 작아지게 된다(
Figure 112021129291517-pat00083
<
Figure 112021129291517-pat00084
+
Figure 112021129291517-pat00085
). 따라서 직렬탄성체(34)가 압축된다. 이때 직렬탄성체(34)의 전달력(
Figure 112021129291517-pat00086
)은 다음과 같다. 회전 탄성체(torsion spring)의 경우
Figure 112021129291517-pat00087
=k*(
Figure 112021129291517-pat00088
+
Figure 112021129291517-pat00089
-
Figure 112021129291517-pat00090
)로 힘을 전달하게 된다. 여기서 k는 스프링(직렬탄성체) 상수이다.
도 5는 도 2의 구동장치에 전원 인가시 추종모드에서 구동장치 동작 상태를 도시한 작동 상태도이고, 도 6은 도 5에서 전달력이 작동하는 상태를 도시한 작동 상태도이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 무릎관절 보조 착용로봇이 추종모드에서의 동작하는 상태이다. 제1위치센서(S1)는 구동장치(35)의 부하단인 직렬탄성체(34)에서 제2단의 홀더(341)에 구비되고, 제2위치센서(S2)는 관절 연결부(31)에 구비되므로 도 9와 같이 직렬 연결된 직렬탄성체(34)와 구동장치(35)를 제어할 수 있다.
도 7은 도 2의 구동장치에 전원 미 인가시 보조모드에서 직렬탄성체가 보조력을 제공하는 작동 상태도이다. 도 7을 참조하면, 무릎관절 보조 착용로봇이 보조모드에서의 동작하는 상태이다.
도 8은 도 2의 구동장치에 전원 인가시, 의자모드에서 구동장치의 동작 상태를 도시한 작동 상태도이다. 도 8을 참조하면, 무릎관절 보조 착용로봇이 추종모드에서의 동작하는 상태이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎관절 보조 착용로봇을 제어하는 시스템의 구성도이다. 도 9를 참조하면, 일 실시예의 무릎관절 보조 착용로봇 제어 시스템은 무릎관절 보조 착용로봇의 하드웨어에 소프트웨어로서 제1모드 스위치(MS1)과 제2모드 스위치(MS2)를 더 포함한다.
제1모드 스위치(MS1)는 추종모드와 보조모드를 선택하며, 제2모드 스위치(MS2)는 추종모드에서 의자모드의 여부를 결정한다. 제1, 제2모드 스위치(MS1, MS2)에 의하여 제어된 제어입력은 위치제어기(Gc(s))를 경유하여 구동장치(35, Gm(s))로 입력된다.
도 6 및 도 9를 참조하면, 추종모드에서
Figure 112021129291517-pat00091
는
Figure 112021129291517-pat00092
으로 유지된다. 여기서 ε은 0에 가까운 양의 상수 제어 마진 역할을 한다. 이를 고려하면
Figure 112021129291517-pat00093
인 상황에서 도 6과 같이
Figure 112021129291517-pat00094
이 되도록
Figure 112021129291517-pat00095
을 제어하여
Figure 112021129291517-pat00096
의 환경이 되도록 직렬탄성 구동장치(34, 35)를 구동시킨다.
Figure 112021129291517-pat00097
의 환경이 만들어지면서 착용자는 구동장치(35)로부터 힘을 전달받지 않는다. 이를 도 9에서 보면 좌측 제어 레퍼런스 입력과 같이 동작하며 추종모드에서
Figure 112021129291517-pat00098
은 구동장치(35) 레퍼런스인
Figure 112021129291517-pat00099
에 이용된다.
도 9를 참조하면, 제어 시스템의 소프트웨어에서
Figure 112021129291517-pat00100
는
Figure 112021129291517-pat00101
의 레퍼런스 신호가 되며,
Figure 112021129291517-pat00102
는 소프트웨어로 구성되는 PID 또는 PD와 같은 위치제어기가 된다. 이 위치제어기(
Figure 112021129291517-pat00103
)는
Figure 112021129291517-pat00104
이
Figure 112021129291517-pat00105
와 같아지게 하는 것을 목적으로 설계된다. 그리고
Figure 112021129291517-pat00106
는 구동장치(35)를 의미한다.
제어 시스템은 구동장치(35)의 부하단인 직렬탄성체(34)에서 제2단의 홀더(341), 부하단, 즉 기준점(
Figure 112021129291517-pat00107
)을 제1위치센서(S1)로 인식하고, 관절 연결부(31)를 제2위치센서(S2)로 인식하므로 무릎관절의 회전각(
Figure 112021129291517-pat00108
)을 인식한다.
필터(H(s))는 위치제어기(
Figure 112021129291517-pat00109
)의 구현방식에 따라 변경이 가능한 부분이며 PID(Proportional-Integral-Differential controller) 또는 PD제어기와 같은 위치제어기를 구현할 경우에는 상수 1로 단위 피드백이 적용될 수 있다.
오차(
Figure 112021129291517-pat00110
)는 0이 되도록 제어된다. 즉, ε이 0일 경우 도 6의 좌우 도면(a, b)처럼 착용자의 정강이 움직임에 따라 직렬탄성체(34)는 압축없이 직렬탄성체(34) 제2단의 홀더(341)와 탄성체 스토퍼(32)가 밀착되게 유지된다. 여기서 미소량 ε은 제어 마진으로 피드백 제어를 수행하는 사이에 순간적으로 오차(
Figure 112021129291517-pat00111
)가 0으로 수렴하지 못하고 음의 오차 e가 발생하는 경우에 대비한다. ε이 0일 경우 순간적으로 발생한 음의 오차 e는
Figure 112021129291517-pat00112
의 조건을 만족시켜 착용자가 직렬탄성 구동기(34, 35)의 압축력을 느껴 불편함을 유발할 수 있다. 즉, 제어 마진 ε은 추종모드임에도 불구하고
Figure 112021129291517-pat00113
이 발생하는 것을 방지한다. 즉,
Figure 112021129291517-pat00114
이 순간적으로 발생할 수 있는 상황에서
Figure 112021129291517-pat00115
가 적용되면,
Figure 112021129291517-pat00116
Figure 112021129291517-pat00117
이 된다. 이때 다음의
Figure 112021129291517-pat00118
의 상황에서 부등식을 정리하면 다음과 같다.
Figure 112021129291517-pat00119
->
Figure 112021129291517-pat00120
->
Figure 112021129291517-pat00121
->
Figure 112021129291517-pat00122
즉, 위의 수식과 같이 음수의 -e보다 ε이 크게 인가되면 위의 부등식은 깨지게 되고 순간적인 음의 오차에도 무릎에 인가되는 토크(
Figure 112021129291517-pat00123
)가 없어진다. 즉, 착용자는 구동장치(35)로부터 힘을 전달받지 못한다. 추종모드에서 제어입력은
Figure 112021129291517-pat00124
의 조건으로 동작했다.
다시 도 7 및 도 9를 참조하면, 구동장치(35)에 전원 미 인가시 보조모드에서 직렬탄성체(34)가 보조력을 제공하는 작동 상태이다. 보조 모드에서는 양의 미소 변위량(ε)이 아닌
Figure 112021129291517-pat00125
가 제어입력에 인가된다. 여기서
Figure 112021129291517-pat00126
는 시간에 따라 변형이 가능한 양수로서 실제 직렬탄성체(34)의 기본 길이가 인위적으로 압축되도록 동작하게 한다. 우선
Figure 112021129291517-pat00127
를 양의 상수로고 놓고 설명하면 다음과 같다.
도 7에서
Figure 112021129291517-pat00128
와
Figure 112021129291517-pat00129
가
Figure 112021129291517-pat00130
만큼 차이가 발생하여
Figure 112021129291517-pat00131
조건이 발생한 경우를 설명한다. 이 상태에서는 구동장치(35)가 무릎을 펴는 동작을 보조한다. 도 9의 좌측 제어 입력단의
Figure 112021129291517-pat00132
가 인가되는 부분을 통해 자세한 설명이 가능하다. 제어 오차가 없을 경우
Figure 112021129291517-pat00133
이 되고
Figure 112021129291517-pat00134
이 성립하게 된다. 즉, 도 9의 최종 출력값(
Figure 112021129291517-pat00135
)은
Figure 112021129291517-pat00136
로 인가된다. 즉,
Figure 112021129291517-pat00137
를 무릎 보행에서 필요한 토크로 환산하여 시간에 대한 양의 변수로 인가하면 착용자는 보행간 필요한 보조력을 전달받을 수 있다.
다시 도 8 내지 도 9를 참조하면, 구동장치에 전원 인가시, 의자모드에서 구동장치의 동작 상태이다. 제1, 제2위치센서(S1, S2)의 감지신호에 따라 착용자의 무릎 각도가 멈추어 있는 것과 같이 특정시간 동안 특정 범위 내에 존재한다면 현재의 제어입력(
Figure 112021129291517-pat00138
)이 고정되는 특징을 보인다. 예를 들어 허벅지 대비 무릎의 각도가 3초 이상 1도 이내에 유지가 되게 되면 도 10과 같이 의자모드로 동작하고 기존에 의자모드 상태에 있을 경우에도 의자모드로 동작한다.
의자모드일 경우 도 9에서 제어입력(
Figure 112021129291517-pat00139
)이 고정(locking)되어 직전 값을 계속 인가하게 된다.
Figure 112021129291517-pat00140
은 직전 값을 계속 인가함을 의미한다. 이 의자모드는 착용자가 무릎관절 보조 착용로봇을 스프링 의자처럼 앉는데 이용할 수 있도록 한다. 힘의 전달이 단방향으로만 전달되고 힘의 전달을 받지 않는 방향으로는 전달이 없기 때문에 착용자는 앉았다가 일어서면 도 10의
Figure 112021129291517-pat00141
을 만족하면 고정된 제어입력(
Figure 112021129291517-pat00142
)이 풀리게 된다. 즉 다시 추종모드가 되어 보행단계에 따라 보행보조를 받을 수 있다. 이렇게 제어입력(
Figure 112021129291517-pat00143
)고정되는 순간의 상태가 도 9의 좌측 도면(a)과 같으며 의자모드로 이용하는 예시가 도 8의 우측 도면(b)이 된다.
도 10은 도 9의 시스템을 통하여 무릎관절 보조 착용로봇의 제어방법을 도시한 순서도이다. 도 10을 참조하면, 제어방법은 의자모드, 보조모드 또는 추종모드를 선택할 수 있도록 구성된다.
도 8 및 도 10을 참조하면, 제1단계(ST1)는 전원인가 후, 무릎관절 보조 착용로봇을 초기화 및 추종모드로 동작 제어한다. 제2단계(ST2)는 의자모드 즉, N초 이상 무릎관절이 k도 이내 범위를 유지하거나 현재 의자모드 여부를 판단 제어한다.
제3-1단계(ST3-1)는 제2단계(ST2) 조건이 만족하는 경우 의자모드로 동작 제어한다. 고정되어 의자모드로 동작시 지속적으로 의자모드로 동작하게 한다. 제3-2단계(ST3-2)는 제3-1단계(ST3-1)로 동작 중에 제어입력(
Figure 112021129291517-pat00144
)이 고정 해제 조건인
Figure 112021129291517-pat00145
를 판단한다.
제4-1단계(ST4-1)는 제3-2단계(ST3-2)의 조건이 만족되어 제어입력 (
Figure 112021129291517-pat00146
)이 고정 해제되고 의자모드가 종료되면 자동으로 추종모드로 동작 제어한다.
이후 도 6과 도 10 및 도 7과 도 10을 참조하면, 제3-3단계(ST3-3)는 제2단계(ST2) 조건이 만족하지 않는 경우 보행단계 여부를 판단한다.
도 7과 도 10을 참조하면, 제4-2단계(ST4-2)는 제3-3단계(ST3-3)의 조건이 보조단계인 경우 보조모드로 동작 제어한다. 도 6과 도 10을 참조하면, 제4-3단계(ST4-3)는 제3-3단계(ST3-3)의 조건이 추종단계인 경우 추종모드로 동작 제어한다.
제5단계(ST5)는 제4-1단계(ST4-1)의 추종모드, 제4-2단계(ST4-2)의 보조모드, 또는 제4-3단계(ST4-3)의 추종모드 중 종료 명령에 따라 제어를 종료하거나 제2단계(ST2)로 제어한다.
도 6과 도 10에서, 제4-3단계(ST4-3)는 추종모드 동작 제어된다. 이때 직렬탄성 구동장치(34, 35)는 착용자에게 저항감 없도록 제어된다. 그리고 도 7과 도 10에서 제4-2단계(ST4-2)는 보조모드로 동작 제어된다. 도 7과 같이 보조모드로 작동시, 고정 또는 변화를 주는
Figure 112021129291517-pat00147
를 이용하여 착용자에게 힘을 전달한다.
보행단계에서 착용자가 N초이상 정지하게 되면 바로 의자모드로 동작하여 도 8로 동작 제어되고, 착용자가 다리를 펴는 동작을 수행하면
Figure 112021129291517-pat00148
조건이 만족하여 의자모드가 종료된다.
도 10에서 세 가지의 모드는 도 9의 제1, 제2모드 스위치로 구분하여 구현할 수 있다. 추종모드와 보조모드는 제1모드 스위치로 구분하며, 의자모드와 나머지 모드는 제2모드 스위치로 구분한다.
도 10에서 하드웨어 부분과 소프트웨어 부분으로 구분할 수 있고, 하드웨어 부분의
Figure 112021129291517-pat00149
와
Figure 112021129291517-pat00150
은 물리적인 거리 개념이며 소프트웨어 부분의
Figure 112021129291517-pat00151
와
Figure 112021129291517-pat00152
은 제1, 제2위치센서(S1, S2)로 획득한 값이다. 소프트 웨어 부분은 제어입력 (
Figure 112021129291517-pat00153
)을 세가지 모드로 구분하여 연산하는 부분과
Figure 112021129291517-pat00154
를 제어입력(
Figure 112021129291517-pat00155
)과 같이 추종하게 하는 제어기 부분으로 구분이 된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 정강이 프레임 11: 정강이 체결부
20: 허벅지 프레임 21: 허벅지 체결부
30: 무릎관절부 31: 관절 연결부
32: 탄성체 스토퍼 33: 탄성체 고정부
34: 직렬탄성체 35: 구동장치
341: 홀더 S1: 제1위치센서
S2: 제2위치센서

Claims (15)

  1. 정강이 체결부로 정강이에 체결되는 정강이 프레임; 및
    상기 정강이 프레임과 무릎관절부로 연결되고 허벅지 체결부로 허벅지에 체결되는 허벅지 프레임을 포함하며,
    상기 무릎관절부는,
    상기 정강이 프레임에 구비되는 관절 연결부,
    상기 관절 연결부에 구비되는 탄성체 스토퍼,
    상기 허벅지 프레임에 구비되는 탄성체 고정부,
    상기 탄성체 고정부에 제1단으로 고정되어 제2단으로 상기 탄성체 스토퍼에 비접촉 또는 접촉되는 직렬탄성체, 및
    상기 관절 연결부에 결합되고 상기 탄성체 고정부에 장착되며 상기 직렬탄성체의 상기 제2단을 고정하여, 상기 제2단의 회전량을 제어하는 구동장치를 포함하는, 무릎관절 보조 착용로봇.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 무릎관절부의 회전각(
    Figure 112021129291517-pat00156
    )을 감지하도록 상기 구동장치의 부하단인 상기 직렬탄성체의 상기 제2단에 구비되는 제1위치센서와 상기 관절 연결부에 구비되는 제2위치센서를 더 포함하는, 무릎관절 보조 착용로봇.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 구동장치는
    상기 관절 연결부에 무릎관절의 선회 방향에 대응하는 원형으로 형성되고,
    상기 직렬탄성체는
    스프링 및 다관절 링크 중 적어도 하나로 형성되어 상기 원형의 외측에 배치되고,
    상기 제2단의 홀더는 상기 원형의 외표면에 고정되는, 무릎관절 보조 착용로봇.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 허벅지 프레임이 향하는 기준점(
    Figure 112021129291517-pat00157
    )에서 반시계방향을 양의 회전각 방향으로 선정할 때, 상기 기준점에 대한 상기 정강이 프레임의 각도(
    Figure 112021129291517-pat00158
    ), 및 상기 기준점에서 상기 직렬탄성체의 제2단으로 설정되는 기본 거리의 오프셋 각도(
    Figure 112021129291517-pat00159
    )가 각각 설정되는, 무릎관절 보조 착용로봇.
  5. 제4항에 있어서,
    착용자가 무릎을 폈을 때,
    상기 정강이 프레임의 각도(
    Figure 112021129291517-pat00160
    )는 기준점(
    Figure 112021129291517-pat00161
    )과 오프셋 각도(
    Figure 112021129291517-pat00162
    )의 합보다 큰(
    Figure 112021129291517-pat00163
    >
    Figure 112021129291517-pat00164
    +
    Figure 112021129291517-pat00165
    ) 무릎관절 보조 착용로봇.
  6. 제4항에 있어서,
    착용자가 무릎을 접었을 때,
    상기 정강이 프레임의 각도(
    Figure 112021129291517-pat00166
    )는 기준점(
    Figure 112021129291517-pat00167
    )과 오프셋 각도(
    Figure 112021129291517-pat00168
    )의 합과 같은(
    Figure 112021129291517-pat00169
    =
    Figure 112021129291517-pat00170
    +
    Figure 112021129291517-pat00171
    ) 무릎관절 보조 착용로봇.
  7. 제4항에 있어서,
    착용자가 무릎을 과도하게 접었을 때,
    상기 정강이 프레임의 각도(
    Figure 112021129291517-pat00172
    )는 기준점(
    Figure 112021129291517-pat00173
    )과 오프셋 각도(
    Figure 112021129291517-pat00174
    )의 합보다 작은(
    Figure 112021129291517-pat00175
    <
    Figure 112021129291517-pat00176
    +
    Figure 112021129291517-pat00177
    ) 무릎관절 보조 착용로봇.
  8. 직렬탄성체의 제1단이 고정되는 허벅지 프레임이 향하는 기준점(
    Figure 112023048396188-pat00178
    )에서 반시계방향을 양의 회전각 방향으로 선정할 때, 상기 허벅지 프레임에 결합되는 정강이 프레임의 각도(
    Figure 112023048396188-pat00179
    ), 및 상기 기준점에서 상기 직렬탄성체의 제2단으로 설정되는 기본 거리의 오프셋 각도(
    Figure 112023048396188-pat00180
    )가 각각 설정되고, 상기 정강이 프레임에 구비되는 관절 연결부에 결합되고 상기 허벅지 프레임에 장착되며 상기 제2단을 고정하여, 상기 제2단의 회전량의 변위를 측정하도록 상기 제2단에 제1위치센서를 구비하며 상기 관절 연결부에 제2위치센서를 구비하고 상기 제2단의 회전량을 제어하는 구동장치를 포함하는 무릎관절 보조 착용로봇;
    추종모드와 보조모드를 구분 제어하는 제1모드 스위치;
    상기 제1모드 스위치의 제어입력과
    Figure 112023048396188-pat00181
    로 의자모드의 여부를 구분 제어하는 제2모드 스위치; 및
    상기 제2모드 스위치의 제어입력과 e의 신호를 받아 구동장치를 제어하는 위치제어기
    를 포함하는 무릎관절 보조 착용로봇의 제어시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 위치제어기(
    Figure 112021129291517-pat00182
    )는
    상기 구동장치의 출력(
    Figure 112021129291517-pat00183
    )를 피드백 적용하는, 무릎관절 보조 착용로봇의 제어시스템.
  10. 직렬탄성체의 제1단이 고정되는 허벅지 프레임이 향하는 기준점(
    Figure 112023048396188-pat00184
    )에서 반시계방향을 양의 회전각 방향으로 선정할 때, 상기 허벅지 프레임에 결합되는 정강이 프레임의 각도(
    Figure 112023048396188-pat00185
    ), 및 상기 기준점에서 상기 직렬탄성체의 제2단으로 설정되는 기본 거리의 오프셋 각도(
    Figure 112023048396188-pat00186
    )가 각각 설정되고, 상기 정강이 프레임에 구비되는 관절 연결부에 결합되고 상기 허벅지 프레임에 장착되며 상기 제2단을 고정하여, 상기 제2단의 회전량의 변위를 측정하도록 상기 제2단에 제1위치센서를 구비하며 상기 관절 연결부에 제2위치센서를 구비하고 상기 제2단의 회전량을 제어하는 구동장치를 포함하는 무릎관절 보조 착용로봇에서,
    상기 직렬탄성체 및 상기 구동장치로부터 착용자에게 힘이 전달되는 않는 추종모드;
    상기 직렬탄성체 및 상기 구동장치로부터 착용자에게 힘이 전달되는 보조모드; 및
    상기 구동장치가 고정되어 의자 기능을 수행하는 의자모드 중 적어도 하나로 제어하고,
    상기 추종모드와 상기 보조모드를 제1모드 스위치로 구분하여 제어하며,
    상기 의자모드의 여부는 제2모드 스위치로 구분하여 제어하는 무릎관절 보조 착용로봇의 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    초기화 및 추종모드로 동작하는 제1단계;
    N초 이상 무릎관절이 k도 이내 범위를 유지 또는 의자모드 여부를 판단하는 제2단계;
    상기 제2단계 조건이 만족하는 경우 상기 의자모드로 동작하는 제3-1단계;
    상기 제3-1단계로 동작 중에 제어입력(
    Figure 112021129291517-pat00187
    )이 고정 해제 조건인
    Figure 112021129291517-pat00188
    를 판단하는 제3-2단계;
    상기 제3-2단계의 조건이 만족되어 제어입력(
    Figure 112021129291517-pat00189
    )이 고정 해제되고 상기 의자모드가 종료되면 자동으로 상기 추종모드로 동작하는 제4-1단계;
    상기 제2단계의 조건이 만족하지 않는 경우 보행단계를 판단하는 제3-3단계;
    상기 제3-3단계의 조건이 보조단계인 경우 보조모드로 동작하고 제4-2단계; 및
    상기 제3-3단계의 조건이 추종단계인 경우 추종모드로 동작하고 제4-3단계
    를 더 포함하는 무릎관절 보조 착용로봇의 제어방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 추종모드는
    제어입력(
    Figure 112021129291517-pat00190
    )이
    Figure 112021129291517-pat00191
    =
    Figure 112021129291517-pat00192
    이고(ε은 0에 가까운 양의 미소 변위량),
    Figure 112021129291517-pat00193
    인 상황에서
    Figure 112021129291517-pat00194
    이 되도록
    Figure 112021129291517-pat00195
    을 제어하여,
    Figure 112021129291517-pat00196
    의 환경이 되어 추종하도록 제어압력(
    Figure 112021129291517-pat00197
    )로 구동장치를 구동시키는, 무릎관절 보조 착용로봇의 제어방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 보조모드는
    제어입력(
    Figure 112021129291517-pat00198
    )이
    Figure 112021129291517-pat00199
    이고(
    Figure 112021129291517-pat00200
    는 시간에 따라 변형이 가능한 양수로서 실제 직렬탄성체의 기본 길이가 인위적으로 압축되도록 동작하게 함),
    Figure 112021129291517-pat00201
    와
    Figure 112021129291517-pat00202
    가
    Figure 112021129291517-pat00203
    만큼 차이가 발생하여
    Figure 112021129291517-pat00204
    조건이 발생한 경우,
    구동장치를 구동시켜 착용자가 무릎을 펴는 동작을 보조하는, 무릎관절 보조 착용로봇의 제어방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 보조모드는
    제어 오차가 없을 경우
    Figure 112021129291517-pat00205
    이 되고,
    Figure 112021129291517-pat00206
    이 성립하므로 최종 출력값
    Figure 112021129291517-pat00207
    으로 착용자에게 인가하여 착용자가 보행간 필요한 보조력을 전달받게 하는, 무릎관절 보조 착용로봇의 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 의자모드는
    제어입력(
    Figure 112021129291517-pat00208
    )이 고정(locking)되어 구동장치에 직전 값을 계속 인가하는 의자기능을 하게 하는, 무릎관절 보조 착용로봇의 제어방법.
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