인간 동작 분석을 위한 다용도 센서 시스템의 개발

Abstract

이 논문에서는 이족 보행 로봇의 동작 생성을 위한 인간 동작 분석 알고리즘과 이를 위한 센서 시스템을 제안하였다. 장비는 총 열 개의 absolute encoder 와 여덟 개의 FSR 센서, 데이터 처리를 위한 FPGA 기반의 board 그리고 link frame 으로 구성 되어 있다. 열 개의 absolute encoder 는 10 D.O.F 의 각도 정보를 측정하고, 여덟 개의 FSR 센서는 지면 반력 측정을 위해 장비의 신발 부위에 부착되었다. Link frame 은 총 12 D.O.F 로 구성되어 있고 착용자의 허리와 허벅지, 종아리 부위에 고정되며 착용자의 신체 치수에 맞게 길이 조절이 가능하다. 재질은 알루미늄으로 제작되어 무게를 최소화 하였다. 동작 분석 알고리즘은 두 개의 상위 category 와 이하 네 개의 phase 로 구성되어 있다. 상위 category 는 walking behavior 와 stand behavior 로 나누어져 있고 지면의 반력 여부와 몸체의 움직임의 여부로 구분된다. 하위 네 개의 phase 는 standing, heel lift, swing, heel strike 로 구성되어 있으며, 최소한의 구분으로 오류 없이 자세히 인간의 동작을 구분할 수 있도록 제안되었다. 또한, 이 알고리즘들은 기존의 연구들이 한 쪽 다리의 동작 연구만을 행하였는데 반해 양 쪽 다리의 동작을 동시에 분석하여 더욱 자세한 동작 분석을 실시하였다. 실험은 보행과 직립 상태에서의 다리의 스윙, 앉았다 일어서기에 대해 실시하였고 이 동작들에서 제안된 알고리즘을 검증하였다. 또한, 이족 보행 로봇 궤적 생성에 필요한 각 관절의 각 정보를 획득할 수 있었다.; In this paper, the multipurpose sensing system and fast phase analysis algorithms is proposed to estimate behaviors of human being for biped robot. The sensing system is designed lightly and simply to minimize data acquisition errors and composed of ten absolute encoders, eight FSR sensors, and FPGA based board for data processing. The eight FSR sensors are attached at four points of sole of each foot to get reaction force from ground. This reaction force information is used to recognize ground contact condition. The leg detaching structure that connects up with six light aluminum links is tuned according to the fittest condition of a subject. Thus, each link can be adjusted according to subject’s body length. The phase analysis algorithms have two major categories for analyzing walk behaviors and stand behaviors, and four subordinate phases for standing, heel lift, swing, and heel strike. This algorithm considers standing motion and two leg behaviors. Experimental implementations are performed successfully to estimate various human gaits. This acquisition data are efficient for locomotion trajectory generation of biped robots and exoskeleton systems.