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KR102546547B1 - 보행 보조 방법 및 장치 - Google Patents

보행 보조 방법 및 장치 Download PDF

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KR102546547B1
KR102546547B1 KR1020180003823A KR20180003823A KR102546547B1 KR 102546547 B1 KR102546547 B1 KR 102546547B1 KR 1020180003823 A KR1020180003823 A KR 1020180003823A KR 20180003823 A KR20180003823 A KR 20180003823A KR 102546547 B1 KR102546547 B1 KR 102546547B1
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South Korea
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contact
determining
walking
state
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이주석
박영진
서기홍
임복만
장준원
최현도
형승용
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삼성전자주식회사
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Abstract

사용자의 보행을 보조하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 사용자의 보행을 보조하기 위해 압력 센서로부터 사용자의 발바닥에 가해지는 압력 값 및 가속도 센서로부터 상기 사용자의 움직임에 대한 가속도 정보가 획득되고, 획득된 압력 센서 및 가속도 정보에 기초하여 보행 위상이 결정되며, 결정된 보행 위상에 대응하는 보조 토크가 결정되고, 상기 보조 토크가 출력되도록 구동부가 제어된다.

Description

보행 보조 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ASSISTING WALKING}
아래의 실시예들은 사용자의 보행을 보조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사용자가 보행하는 경우, 보행을 보조하기 위한 보조력을 제공하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
고령화 사회로 진입하면서 노화로 인한 근력 약화 또는 관절 이상으로 보행에 불편과 고통을 호소하는 사람들이 증가하고 있고, 근력이 약화된 노인이나 근관절이 불편한 환자들이 보행을 원활하게 할 수 있는 보행 보조 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 군사용 등의 목적으로 인체의 근력을 강화시키기 위한 보행 보조 장치들이 개발되고 있다.
미국 공개번호 US 2016/00206499(공개일: 2016년 07월 21일)에는 보행 보조 방법 및 장치에 대해 개시되어 있습니다. 선행문헌의 제어 장치는 사용자의 발바닥에 작용하는 압력에 대한 정보를 나타내는 압력 데이터를 이용하여 사용자의 보행 동작을 추정하고, 사용자의 발바닥에 진동을 인가하는 진동자를 제어하여, 사용자에게 보행 동작에 따른 피드백을 제공할 수 있습니다.
일 측면에 따른, 보행 보조 장치에 의해 수행되는 보행 보조 방법은, 압력 센서로부터 사용자의 발바닥에 가해지는 압력 값을 수신하는 단계, 가속도 센서로부터 상기 사용자의 움직임에 대한 가속도 정보를 수신하는 단계, 상기 압력 값 및 상기 가속도 정보에 기초하여 상기 사용자의 보행 위상(gait phase)을 결정하는 단계, 상기 보행 위상에 대응하는 보조 토크를 결정하는 단계, 및 상기 보조 토크가 출력되도록 구동부를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 보행 위상을 결정하는 단계는, 상기 압력 값에 기초하여 상기 사용자의 발이 지면에 접촉(contact)하였는지 여부를 결정하는 단계, 및 상기 접촉 여부에 기초하여 상기 보행 위상을 결정하는 단계를 포함할 수 있다
상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계는, 현재의 시각으로부터 미리 설정된 과거의 시간 내에 접촉 상태가 변경되었는지 여부를 결정하는 단계, 상기 과거의 시간 내에 상기 접촉 상태가 변경된 경우, 현재의 접촉 상태를 유지하는 단계, 및 상기 과거의 시간 내에 상기 접촉 상태가 변경되지 않은 경우, 상기 압력 값에 기초하여 상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계는, 슈미츠 트리거 임계 값(schmitt trigger threshold)을 이용하여 상기 압력 값에 기초하여 상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계는, 상기 압력 값에 대한 제1 값을 결정하는 단계, 및 상기 제1 값 및 상기 압력 값의 이전 압력 값에 대한 제2 값에 기초하여 상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계는, 제1 압력 센서에 의해 결정된 제1 접촉 여부 및 제2 압력 센서에 의해 결정된 제2 접촉 여부에 기초하여 최종 접촉 여부를 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 압력 센서 및 상기 제2 압력 센서는 상기 발의 서로 다른 부위에 위치할 수 있다.
상기 보행 위상을 결정하는 단계는, 상기 가속도 정보에 기초하여 상기 사용자의 상태가 보행 상태인지 여부를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 사용자가 보행 상태인 경우, 상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부가 결정될 수 있다.
상기 가속도 정보에 기초하여 상기 사용자의 상태가 보행 상태인지 여부를 결정하는 단계는, 상기 가속도 정보에 기초하여 가속도의 크기를 계산하는 단계, 상기 계산된 가속도의 크기가 미리 설정된 가속도 임계 값을 초과하는 경우, 상기 사용자의 상태를 보행 상태로 결정하는 단계, 및 상기 계산된 가속도의 크기가 미리 설정된 가속도 임계 값을 초과하지 않는 경우, 상기 사용자의 상태를 서 있는 상태(stand state)로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 보행 위상을 결정하는 단계는, 미리 설정된 보행 위상들 중 상기 보행 정보에 대응하는 타겟 보행 위상을 결정하는 단계를 포함할 수 있다
상기 구동부는 상기 사용자의 발목에 위치할 수 있다.
상기 구동부를 제어하는 단계는, 상기 결정된 보조 토크에 대응하는 지지 프레임의 길이를 계산하는 단계, 및 상기 지지 프레임이 상기 계산된 길이가 되도록 상기 구동부를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 따른, 보행 보조 장치는, 사용자의 보행을 보조하기 위한 프로그램이 기록된 메모리, 및 상기 프로그램을 수행하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로그램은, 압력 센서로부터 측정된 사용자의 발바닥에 가해지는 압력 값을 수신하는 단계, 가속도 센서로부터 상기 사용자의 움직임에 대한 가속도 정보를 수신하는 단계, 상기 압력 값 및 상기 가속도 정보에 기초하여 상기 사용자의 보행 위상(gait phase)을 결정하는 단계, 상기 보행 위상에 대응하는 보조 토크를 결정하는 단계, 및 상기 보조 토크가 출력되도록 구동부를 제어하는 단계를 수행한다.
상기 보행 위상을 결정하는 단계는, 상기 압력 값에 기초하여 상기 사용자의 발이 지면에 접촉(contact)하였는지 여부를 결정하는 단계, 및 상기 접촉 여부에 기초하여 상기 보행 위상을 결정하는 단계를 포함한다.
상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계는, 현재의 시각으로부터 미리 설정된 과거의 시간 내에 접촉 상태가 변경되었는지 여부를 결정하는 단계, 상기 과거의 시간 내에 상기 접촉 상태가 변경된 경우, 현재의 접촉 상태를 유지하는 단계, 및 상기 과거의 시간 내에 상기 접촉 상태가 변경되지 않은 경우, 상기 압력 값에 기초하여 상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계는, 슈미츠 트리거 임계 값(schmitt trigger threshold)을 이용하여 상기 압력 값에 기초하여 상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계는, 상기 압력 값에 대한 제1 값을 결정하는 단계, 및 상기 제1 값 및 상기 압력 값의 이전 압력 값에 대한 제2 값에 기초하여 상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 보행 위상을 결정하는 단계는, 상기 가속도 정보에 기초하여 상기 사용자의 상태가 보행 상태인지 여부를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 사용자가 보행 상태인 경우, 상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부가 결정될 수 있다.
도 1은 일 예에 따른 보행 상태를 도시한다.
도 2는 일 예에 따른 보행 상태들 간의 천이를 도시한다.
도 3은 일 예에 따른 보행 보조 장치이다.
도 4는 다른 일 예에 따른 보행 보조 장치이다.
도 5는 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 구성도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 보행 보조 방법의 흐름도이다.
도 7은 일 예에 따른 가속도 정보에 기초하여 사용자의 상태를 결정하는 방법의 흐름도이다.
도 8은 일 예에 따른 보행 정보에 기초하여 사용자의 보행 위상을 결정하는 방법의 흐름도이다.
도 9는 일 예에 따른 노이즈에 의해 발생하는 떨림 현상을 도시한다.
도 10은 일 예에 따른 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 방법의 흐름도이다.
도 11은 일 예에 따른 슈미츠 트리거 임계 값을 이용하여 접촉 여부를 결정하는 방법이다.
도 12는 다른 일에 따른 현재의 압력 값 및 이전의 압력 값에 기초하여 접촉 여부를 결정하는 방법이다.
도 13은 일 예에 따른 지지 프레임의 길이를 조절하여 구동부를 제어하는 방법의 흐름도이다.
도 14 및 15는 일 예에 따른 힙-타입 보행 보조 장치를 도시한다.
도 16 내지 도 18은 다른 일 예에 따른 전신-타입 보행 보조 장치를 도시한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일 예에 따른 보행 상태를 도시한다.
보행(gait)에 대한 사용자의 어느 한쪽의 다리의 보행 위상(gait phase)들은 미리 정의될 수 있다. 예를 들어, 보행 위상들은 지지(stance) 및 스윙(swing)을 포함할 수 있다. 왼쪽 다리의 보행 위상들은 왼쪽 지지(left stance: LSt) 및 왼쪽 스윙(left swing: LSw)으로 구분될 수 있다. 오른쪽 다리의 보행 위상들은 오른쪽 지지(right stance: RSt) 및 오른쪽 스윙(right swing: RSw)으로 구분될 수 있다.
유한 상태 기계(Finite State Machine: FSM) 에는 보행 위상에 대해 미리 보행 싸이클(gait cycle)이 매핑(mapping)될 수 있다. 예를 들어, 지지가 시작되는 시점에는 보행 싸이클 0%가 매핑될 수 있고, 스윙이 시작되는 시점에는 보행 싸이클 60%가 매핑될 수 있고, 지지가 시작되기 직전의 시점에는 보행 싸이클 100%가 매핑될 수 있다.
일 측면에 따르면, 지지 및 스윙은 복수의 위상들로 더욱 세분화될 수 있다. 예를 들어, 지지는 초기 접촉(initial contact), 체중 부하(weight bearing), 지지 중기(middle stance), 지지 말기(terminal stance), 및 전 스윙(pre swing)으로 세분화될 수 있다. 스윙은 초기 스윙(initial swing), 중간 스윙(middle swing) 및 말기 스윙(terminal swing)으로 세분화될 수 있다. 지지 및 스윙은 실시예에 따라 다르게 세분화될 수 있고, 기재된 실시예로 한정되지 않는다.
도 2는 일 예에 따른 보행 상태들 간의 천이를 도시한다.
일반적인 보행 메카니즘(gait mechanism)에 따르면, 각각의 다리의 보행 위상들은 지지 및 스윙을 포함하고, 보행을 위해 지지 및 스윙이 번갈아 가면서 수행된다.
보행에 따른 오른쪽 다리의 변화(200)에 대한 오른쪽 보행 상태(210)는 오른쪽 지지 및 오른쪽 스윙을 포함한다. 지지는 체중 부하, 지지 중기, 및 지지 말기를 포함할 수 있으나, 개시 및 도시된 실시예에 한정되지 않는다. 오른쪽 다리의 변화(200)에 대해, 왼쪽의 다리의 변화(도시되지 않음)에 대한 왼쪽 보행 상태(220)는 왼쪽 지지 및 왼쪽 스윙을 포함한다.
정상적의 보행 상태의 천이는, 보행 시작 시의 보행 상태에 따라 다를 수 있으나, 각각의 보행 상태의 시작을 나타내는 이벤트의 발생 순서의 기준으로, 오른쪽 지지, 왼쪽 스윙, 왼쪽 지지 및 오른쪽 스윙의 순서로 보행 상태들이 천이한다. 오른쪽 스윙 이후에는 오른쪽 지지가 재 수행된다.
사용자의 노화 또는 질병에 의해 사용자의 발목의 근력이 약해지는 경우, 보행에 불편함이 발생한다. 예를 들어, 다리가 스윙을 시작할 때 발의 끝 부분이 들려야 하는데, 들리지 않는 경우 스윙하는 다리가 바닥과 부딪칠 수 있다. 다시 말하자면, 보행 위상의 진행 또는 보행 위상의 변화에 따라, 발목의 각도가 조절되어야 한다. 발목의 근력이 약해져서 스스로 발목의 각도를 조절하기 어려운 사용자에게 보행 보조 장치가 제공될 수 있다. 보행 보조 장치는 사용자의 발목 부근에 착용될 수 있고, 사용자의 보행 위상을 결정하며, 결정된 보행 위상에 대응하도록 보조 토크를 출력할 수 있다. 보조 토크에 의해 사용자의 발목 각도가 조절될 수 있다.
아래에서, 도 3 내지 도 18을 참조하여 사용자의 발목에 보조 토크를 제공함으로써 사용자의 보행을 보조하는 방법에 대해 상세히 설명된다.
도 3은 일 예에 따른 보행 보조 장치이다.
일 측면에 따르면, 보행 보조 장치(300)는 발바닥 프레임(310), 전방 압력 센서(311), 후방 압력 센서(312), 하단 체결부(320), 상단 체결부(330), 제1 지지 프레임(340) 및 제2 지지 프레임(350)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 전방 압력 센서(311)는 발바닥의 앞쪽에 배치되어 발바닥의 볼 부분에 가해지는 압력을 측정하고, 후방 압력 센서(312)는 발바닥의 뒤쪽에 배치되어 뒤꿈치에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.
제1 지지 프레임(340)은 하단 체결부(320) 및 상단 체결부(330) 간을 연결할 수 있다. 하단 체결부(320)는 발바닥 프레임(310)과 연결되어 있다. 제2 지지 프레임(350)은 발바닥 프레임(310) 및 상단 체결부(320) 간을 연결할 수 있다. 상단 체결부(320)는 사용자의 종아리 또는 정강이에 착용될 수 있다.
제1 지지 프레임(340)의 길이 및 제2 지지 프레임(350)의 길이가 조절될 수 있다. 예를 들어, 제1 지지 프레임(340)의 길이 및 제2 지지 프레임(340)의 길이는 구동부(미도시)에 의해 조절될 수 있다. 구동부는 기계적인 장치를 이용하여 제1 지지 프레임(340)의 길이 및 제2 지지 프레임(340)의 길이를 조절할 수 있다.
제1 지지 프레임(340)의 길이가 줄어들고, 제2 지지 프레임(350)의 길이가 늘어나는 경우, 사용자의 발목이 들릴 수 있다. 반대로, 제1 지지 프레임(340)의 길이가 늘어지고, 제2 지지 프레임(350)의 길이가 줄어드는 경우, 사용자의 발목이 펴질 수 있다.
보행 보조 장치(300)가 제1 지지 프레임(340) 및 제2 지지 프레임(350)을 포함하는 것으로 예시되었으나, 지지 프레임의 개수는 기재된 실시예로 한정되지 않는다. 예를 들어, 보행 보조 장치(300)는 제1 지지 프레임(340)만을 포함할 수 있고, 다른 예로, 3 개 이상의 지지 프레임들을 포함할 수도 있다.
도 4는 다른 일 예에 따른 보행 보조 장치이다.
다른 일 측면에 따르면, 보행 보조 장치(400)는 발바닥 프레임(410), 전방 압력 센서(411), 후방 압력 센서(412), 하단 체결부(420), 상단 체결부(430) 및 모터 (440)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 전방 압력 센서(411)는 발바닥의 앞쪽에 배치되어 발바닥의 볼 부분에 가해지는 압력을 측정하고, 후방 압력 센서(412)는 발바닥의 뒤쪽에 배치되어 뒤꿈치에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.
모터(440)는 하단 체결부(420) 및 상단 체결부(430)와 연결될 수 있다. 구동부(미도시)는 모터(440)가 토크를 출력할 수 있도록 제어할 수 있다. 모터(440)가 토크를 출력하는 경우, 하단 체결부(420) 및 상단 체결부(430) 간의 각도가 조절될 수 있다. 예를 들어, 하단 체결부(420) 및 상단 체결부(430) 간의 각도를 줄이는 경우, 사용자의 발목이 들릴 수 있다. 다른 예로, 하단 체결부(420) 및 상단 체결부(430) 간의 각도를 증가시키는 경우, 사용자의 발목이 펴질 수 있다.
아래에서 도 5 내지 도 18을 참조하여, 사용자의 보행을 보조하는 방법에 대해 상세히 설명된다.
도 5는 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 구성도이다.
보행 보조 장치(500)는 적어도 하나의 센서(510), 통신부(520), 프로세서(530), 메모리(540) 및 구동부(550)를 포함한다. 보행 보조 장치(500)는 도 3 및 4를 참조하여 전술된 보행 보조 장치(300) 및 보행 보조 장치(400)에 대응할 수 있다. 보행 보조 장치(500)는 발목 외골격 장치(ankle exoskeleton device)일 수 있다.
적어도 하나의 센서(510)는 압력 센서 및 IMU(Inertia measurement Unit)을 포함할 수 있다. 압력 센서는 압력 센서에 가해지는 압력의 크기를 전압의 형태로 변환하여 출력할 수 있다. IMU는 IMU의 움직임에 의해 발생하는 가속도를 측정할 수 있다. 예를 들어, IMU는 3 축에 대한 가속도를 측정할 수 있다.
통신부(520)는 센서(510), 프로세서(530) 및 메모리(540)와 연결되어 데이터를 송수신한다. 통신부(520)는 외부의 다른 장치와 연결되어 데이터를 송수신할 수 있다. 이하에서 "A"를 송수신한다라는 표현은 "A를 나타내는 정보(information) 또는 데이터"를 송수신하는 것을 나타낼 수 있다.
통신부(520)는 보행 보조 장치(500) 내의 회로망(circuitry)으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 통신부(520)는 내부 버스(internal bus) 및 외부 버스(external bus)를 포함할 수 있다. 다른 예로, 통신부(520)는 보행 보조 장치(500)와 외부의 장치를 연결하는 요소일 수 있다. 통신부(520)는 인터페이스(interface)일 수 있다. 통신부(520)는 외부의 장치로부터 데이터를 수신하여, 프로세서(530) 및 메모리(540)에 데이터를 전송할 수 있다.
프로세서(530)는 통신부(520)가 수신한 데이터 및 메모리(540)에 저장된 데이터를 처리한다. "프로세서"는 목적하는 동작들(desired operations)을 실행시키기 위한 물리적인 구조를 갖는 회로를 가지는 하드웨어로 구현된 데이터 처리 장치일 수 있다. 예를 들어, 목적하는 동작들은 프로그램에 포함된 코드(code) 또는 인스트럭션들(instructions)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하드웨어로 구현된 데이터 처리 장치는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙 처리 장치(central processing unit), 프로세서 코어(processor core), 멀티-코어 프로세서(multi-core processor), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array)를 포함할 수 있다.
프로세서(530)는 메모리(예를 들어, 메모리(540))에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드(예를 들어, 소프트웨어) 및 프로세서(530)에 의해 유발된 인스트럭션들을 실행한다.
메모리(540)는 통신부(520)가 수신한 데이터 및 프로세서(530)가 처리한 데이터를 저장한다. 예를 들어, 메모리(540)는 프로그램을 저장할 수 있다. 저장되는 프로그램은 사용자의 보행을 보조할 수 있도록 코딩되어 프로세서(220)에 의해 실행 가능한 신텍스(syntax)들의 집합일 수 있다.
일 측면에 따르면, 메모리(540)는 하나 이상의 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리 및 RAM(Random Access Memory), 플래시 메모리, 하드 디스크 드라이브 및 광학 디스크 드라이브를 포함할 수 있다.
메모리(540)는 보행 보조 장치(500)를 동작 시키는 명령어 세트(예를 들어, 소프트웨어)를 저장한다. 보행 보조 장치(500)를 동작 시키는 명령어 세트는 프로세서(530)에 의해 실행된다.
구동부(550)는 사용자의 발목의 각도를 조절하기 기계적인 장치들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 구동부(550)는 모터를 포함할 수 있고, 모터에 의해 출력되는 토크는 발목의 각도를 조절할 수 있다. 다른 예로, 구동부(550)는 지지 프레임의 길이를 조절할 수 있는 동력 변환 장치를 포함할 수 있다. 동력 변환 장치는 구동부(550)에 의해 발생하는 회전 운동을 직선 운동으로 변환할 수 있다.
센서(510), 통신부(520), 프로세서(530), 메모리(540) 및 구동부(550)에 대해, 아래에서 도 6 내지 도 18을 참조하여 상세히 설명된다.
도 6은 일 실시예에 따른 보행 보조 방법의 흐름도이다.
아래의 단계들(610 내지 650)은 도 5를 참조하여 전술된 보행 보조 장치(500)에 의해 수행된다.
단계(610)에서, 보행 보조 장치(500)는 압력 센서로부터 사용자의 발바닥에 가해지는 압력 값을 수신한다. 예를 들어, 센서(510)는 적어도 하나의 압력 센서를 포함한다. 압력 센서는 사용자의 보행에 의해 발생하는 압력 값을 측정할 수 있다.
단계(620)에서, 보행 보조 장치(500)는 가속도 센서로부터 사용자의 움직임에 대한 가속도 정보를 수신한다. 센서(510)는 가속도 센서를 포함하고, 가속도 센서는 IMU일 수 있다.
단계(630)에서, 보행 보조 장치(500)는 압력 값 및 가속도 정보에 기초하여 사용자의 보행 위상을 결정한다. 예를 들어, 보행 보조 장치(500)는 압력 값을 이용하여 사용자의 보행 위상이 지지인지 또는 스윙인지 여부를 결정한다. 사용자의 보행 위상을 결정하는 방법에 대해, 아래에서 도 7 내지 12를 참조하여 상세히 설명된다.
단계(640)에서, 보행 보조 장치(500)는 결정된 보행 위상에 대응하는 보조 토크를 결정한다. 예를 들어, 보행 보조 장치(500)는 지지 또는 스윙에 대응하는 보조 토크를 계산할 수 있다. 보행 위상에 기초하여 보행 싸이클의 정도가 결정될 수 있고, 결정된 보행 싸이클의 정도와 매칭되는 보조 토크가 계산될 수 있다. 보행 싸이클에 대한 보조 토크의 궤적이 미리 설정되어 있을 수 있다.
단계(650)에서, 보행 보조 장치(500)는 보조 토크가 출력되도록 구동부(550)를 제어한다. 구동부를 제어하는 방법에 대해, 아래에서 도 13을 참조하여 상세히 설명된다.
도 7은 일 예에 따른 가속도 정보에 기초하여 사용자의 상태를 결정하는 방법의 흐름도이다.
사용자는 제자리에 서 있는 경우 자세를 바꿀 수 있다. 자세가 바뀌는 경우, 발바닥에 가해지는 압력이 변화할 수 있다. 예를 들어, 왼쪽 다리에 중심을 주고 서 있는 경우, 오른쪽 다리의 발바닥에 가해지는 압력은 약할 수 있다.
보행 보조 장치(500)는 사용자가 보행 중인지 여부를 결정하고, 사용자의 상태가 보행 상태로 결정된 경우에만 보행 위상을 결정할 수 있다.
도 6의 단계(630)는 아래의 단계들(710, 720, 722, 724, 및 730)을 포함할 수 있다. 단계들(710, 720, 722 및 724)을 통해 가속도 정보에 기초하여 사용자의 상태가 결정된다.
단계(710)에서, 보행 보조 장치(500)는 가속도 정보에 기초하여 가속도의 크기를 계산한다. 예를 들어, 3축에 대한 가속도 값들의 놈(norm)이 계산될 수 있다.
단계(720)에서, 보행 보조 장치(500)는 가속도의 크기가 미리 설정된 가속도 임계 값을 초과하는지 여부를 결정한다.
단계(722)에서, 보행 보조 장치(500)는 가속도의 크기가 미리 설정된 가속도 임계 값을 초과하는 경우, 사용자의 상태를 보행 상태로 결정한다. 결정된 보행 상태는 미리 설정된 기간 동안 유지될 수 있다.
단계(730)에서, 보행 보조 장치(500)는 압력 값에 기초하여 보행 위상을 결정한다. 보행 위상을 결정하는 방법에 대해, 도 8 내지 도 12를 참조하여 상세히 설명된다.
단계(724)에서, 보행 보조 장치(500)는 가속도의 크기가 미리 설정된 가속도 임계 값을 초과하지 않는 경우, 사용자의 상태를 서 있는 상태로 결정한다.
사용자의 상태가 서 있는 상태로 결정된 경우, 보행 보조 장치(500)는 사용자의 서 있는 상태를 보조하기 위해 구동부(550)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 구동부(550)는 사용자의 무게 중심이 발바닥의 앞쪽에 형성되도록 발목을 제어할 수 있다.
도 8은 일 예에 따른 보행 정보에 기초하여 사용자의 보행 위상을 결정하는 방법의 흐름도이다.
도 7을 참조하여 전술된 단계(730)는 아래의 단계들(810 및 920)을 포함할 수 있다.
단계(910)에서, 보행 보조 장치(500)는 사용자의 발바닥에 위치한 압력 센서의 압력 값에 기초하여 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정한다. 예를 들어, 압력 센서의 개수가 1개이고, 압력 값이 임계 값을 초과하는 경우 발이 지면에 접촉한 것으로 결정될 수 있다. 다른 예로, 압력 센서의 개수가 복수 개인 경우, 복수 개의 압력 값들 중 적어도 하나의 압력 값이 임계 값을 초과하는 경우 발이 지면에 접촉한 것으로 결정될 수 있다.
일 측면에 따르면, 생성된 압력 값에는 노이즈가 포함될 수 있다. 노이즈는 압력 센서의 내부 회로에 의해 발생할 수 있다. 임계 값을 이용하여 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 경우, 임계 값의 부근에서 발생한 압력 값의 노이즈에 의해, 접촉 결과가 빈번하게 변경되는 현상이 발생될 수 있다. 상기의 현상은 떨림(chattering) 현상일 수 있다. 떨림 현상에 대해, 아래에서 도 9에서 상세히 설명된다.
접촉 결과가 빈번하게 변경되지 않지 않도록 발이 지면에 접촉하였는지 여부가 결정될 수 있다. 아래에서 도 10 내지 12를 참조하여 떨림 현상을 방지하기 위한 실시예들이 상세히 설명된다.
단계(820)에서, 보행 보조 장치(500)는 결정된 접촉 여부에 기초하여 보행 위상을 결정한다. 발이 지면에 접촉한 경우 보행 위상은 지지로 결정되고, 발이 지면에 접촉하지 않은 경우 보행 위상은 스윙으로 결정될 수 있다.
도 9는 일 예에 따른 노이즈에 의해 발생하는 떨림 현상을 도시한다.
도 9에 도시된 압력 값 그래프(900)는 실제의 보행 위상이 스윙, 지지, 및 스윙으로 변화하는 경우에 대한 그래프이다. 압력 값이 임계 값을 초과하지 않는 경우에는 보행 위상이 스윙으로 결정되고, 임계 값을 초과하는 경우에는 보행 위상이 지지로 결정된다. 압력 값 그래프(900)에 대응하는 접촉 여부 그래프(910)가 생성될 수 있다.
압력 값 그래프(900)에는 임계 값의 부근에서 발생하는 노이즈가 나타난다. 스윙에서 지지로 변화하는 단계에서 발생하는 노이즈에 의해 제1 떨림(911)이 나타나고, 지지에서 스윙으로 변화하는 단계에서 발생하는 노이즈에 의해 제2 떨림(912)이 나타난다.
도 10은 일 예에 따른 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 방법의 흐름도이다.
도 8을 참조하여 전술된 단계(810)는 아래의 단계들(1010 내지 1030)을 포함할 수 있다.
단계(1010)에서, 보행 보조 장치(500)는 현재의 시각으로부터 미리 설정된 과거의 시간 내에 접촉 상태가 변경되었는지 여부를 결정한다. 예를 들어, 현재의 시각으로부터 10ms(millisecond) 이내에 접촉 상태가 변경된 적이 있는지 여부가 결정될 수 있다.
미리 설정된 과거의 시간 내에 접촉 상태가 변경된 경우 단계(1020)가 수행되고, 접촉 상태가 변경되지 않은 경우 단계(1030)가 수행된다.
단계(1020)에서, 보행 보조 장치(500)는 미리 설정된 과거의 시간 내에서 결정된 접촉 상태를 현재의 접촉 상태로 결정한다. 과거의 접촉 상태를 그대로 유지함으로써 노이즈에 의해 발생하는 떨림 현상을 방지할 수 있다.
단계(1030)에서, 보행 보조 장치(500)는 압력 값에 기초하여 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정한다.
도 11은 일 예에 따른 슈미츠 트리거 임계 값을 이용하여 접촉 여부를 결정하는 방법이다.
일 측면에 따르면, 도 8을 참조하여 전술된 단계(810)는, 슈미츠 트리거 임계 값(schmitt trigger threshold)을 이용하여 압력 값에 기초하여 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 슈미츠 트리거 임계 값을 이용하여 압력 값에 기초하여 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 방법은 도 10을 참조하여 전술된 단계(1030)에서 이용될 수 있다.
접촉 여부는 접촉 여부 결정 궤적(1100)을 이용하여 결정될 수 있다. 압력 값이 증가하는 경우에는 접촉 여부가 상승 궤적(1110)을 따라서 결정될 수 있고, 압력 값이 감소하는 경우에는 접촉 여부가 하강 궤적(1120)을 따라서 결정될 수 있다. 상승 궤적(1110)의 임계 값(Ath)과 하강 궤적(1120)의 임계 값(Bth)은 서로 다를 수 있다. 접촉 여부의 빈번한 변경을 방지하기 위해 임계 값(Ath) 및 임계 값(Bth) 간에는 갭(Swid)이 존재한다.
도 12는 다른 일에 따른 현재의 압력 값 및 이전의 압력 값에 기초하여 접촉 여부를 결정하는 방법이다.
다른 일 측면에 따르면, 도 8을 참조하여 전술된 단계(810)는 아래의 단계들(1210 내지 1230)을 포함한다. 실시예에 따라 단계들(1210 내지 1230)은 도 10을 참조하여 전술된 단계(1030)에서 수행될 수 있다.
단계(1210)에서, 보행 보조 장치(500)는 압력 값에 대한 제1 값을 결정한다. 제1 값은 압력 값이 미리 설정된 임계 값을 초과하였는지 여부를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 압력 값이 미리 설정된 임계 값을 초과한 경우 제1 값은 "1"이고, 압력 값이 미리 설정된 임계 값을 초과하지 못한 경우 제1 값은 "0"일 수 있다.
단계(1220)에서, 보행 보조 장치(500)는 제1 값 및 상기의 압력 값의 이전 압력 값에 대한 제2 값에 기초하여 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정한다. 예를 들어, 제1 값 및 제2 값을 논리적 오어(OR) 연산을 수행한 결과에 기초하여 접촉 여부를 결정할 수 있다. 상기의 결과는 아래의 [수학식 1]을 통해 계산될 수 있다. Front_Contact[n]은 제1 값이고, Front_Contact[n-1]은 제2 값이며, Front_Contact_Current[n]은 논리적 오어 연산의 결과이다.
Figure 112018003516604-pat00001
[수학식 1]에서는 현재 시점을 나타내는 n, 이전 시점을 나타내는 n-1에 대한 값들이 이용되었으나, 실시예에 따라 n-2 및 n-3으로 나타나는 이전 시점들에 대한 값들이 추가적으로 이용될 수 있다. 이전 시점들의 값들을 많이 이용할수록 접촉 여부의 빈번한 변경을 방지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단계(1220)에서 결정된 Front_Contact_Current[n]의 값이 접촉 여부의 판단 결과로 이용될 수 있다. 다른 일 실시예에 따르면, Front_Contact_Current[n]가 전방 압력 센서에 대한 결과인 경우, 후방 압력 센서에 대한 결과인 Rear_Contact_Current[n]가 접촉 여부를 결정하기 위해 추가로 이용될 수 있다.
단계(1230)에서, 보행 보조 장치(500)는 제1 압력 센서에 의해 결정된 제1 접촉 여부 및 제2 압력 센서에 의해 결정된 제2 접촉 여부에 기초하여 최종 접촉 여부를 결정한다.
제1 압력 센서가 전방 압력 센서이고, 제2 압력 센서가 후방 압력 센서일 수 있다. Front_Contact_Current[n]가 제1 접촉 여부이고, Rear_Contact_Current[n]가 제2 접촉 여부이다. 최종 접촉 여부는 아래의 [수학식 2]를 이용하여 결정될 수 있다. 최종 접촉 여부인 Foot_Contact[n]는 Front_Contact_Current[n] 및 Rear_Contact_Current[n] 간의 논리적 오어 연산의 결과이다.
Figure 112018003516604-pat00002
사용자의 발바닥에 복수의 압력 센서들이 있고, 압력 센서들에 의해 측정된 압력 값들 중 어느 하나라도 임계 값을 초과하는 경우, 사용자의 발이 지면에 접촉한 것으로 결정될 수 있다.
도 13은 일 예에 따른 지지 프레임의 길이를 조절하여 구동부를 제어하는 방법의 흐름도이다.
일 측면에 따르면 도 6을 참조하여 전술된 단계(650)는 아래의 단계들(1310 및 1320)을 포함할 수 있다. 단계들(1310 및 1320)을 이용한 실시예는 도 3를 참조하여 전술된 보행 보조 장치(300)일 수 있다.
단계(1310)에서, 보행 보조 장치(500)는 계산된 관절 각도에 대응하는 지지 프레임의 길이를 계산한다. 예를 들어, 관절 각도 궤적에 대응하는 지지 프레임의 길이가 미리 저장되어 있을 수 있다.
단계(1320)에서, 보행 보조 장치(500)는 지지 프레임이 계산된 길이가 되도록 구동부(550)를 제어한다. 예를 들어, 구동부(550)는 동력 변환 장치를 이용하여 지지 프레임의 길이를 조절할 수 있다. 동력 변환 장치는 모터의 회전 운동을 직전 운동으로 변환하는 장치일 수 있다.
아래의 도 14 내지 도 15를 참조하여 도 5 내지 13을 참조하여 설명된 보행 보조 장치(500)와 추가적으로 결합될 수 있는 힙-타입(hip-type) 보행 보조 장치에 대해 설명된다. 힙-타입 보행 보조 장치는 사용자의 고관절에 보행 보조력을 제공하는 장치일 수 있다. 보행 보조 장치(500)는 유선 통신 또는 무선 통신을 통해 힙-타입 보행 보조 장치와 연결될 수 있다. 보행 보조 장치(500) 및 힙-타입 보행 보조 장치는 사용자의 움직임에 대해 결정된 보행 위상에 대한 보조 토크를 사용자에게 제공할 수 있다. 예를 들어, 보행 보조 장치(500)는 사용자의 발목 관절에 보조 토크를 제공할 수 있고, 힙-타입 보행 보조 장치는 사용자의 고관절에 보조 토크를 제공할 수 있다.
<힙-타입 보행 보조 장치의 개요>
도 14 및 15는 일 예에 따른 힙-타입 보행 보조 장치를 도시한다.
도 14를 참조하면, 힙-타입 보행 보조 장치(1400)는 사용자에게 장착되어 사용자의 보행을 보조한다. 보행 보조 장치(1400)는 웨어러블 장치(wearable device)일 수 있다.
도 14 및 15를 참조하여 설명되는 실시예들은 힙-타입에 대해 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것이 아니며 사용자의 보행을 보조하는 장치에 대해서 모두 적용될 수 있다.
일 측면에 따르면, 힙-타입 보행 보조 장치(1400)는 구동부(1410), 센서부(1420), IMU(1430) 및 제어부(1440)를 포함한다.
구동부(1410)는 사용자의 고관절에 구동력을 제공한다. 예를 들어, 구동부(1410)는 사용자의 오른쪽 힙 및/또는 왼쪽 힙 부분에 위치할 수 있다. 구동부(1410)는 회전 토크를 발생시킬 수 있는 모터를 포함할 수 있다.
센서부(1420)는 보행 시 사용자의 고관절의 각도를 측정할 수 있다. 센서부(1420)에서 센싱되는 고관절의 각도에 대한 정보는 오른쪽 고관절의 각도, 왼쪽 고관절의 각도, 양쪽 고관절 각도들 간의 차이 및 고관절 운동 방향을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서부(1420)는 구동부(1410) 내에 위치할 수 있다.
일 측면에 따르면, 센서부(1420)는 포텐셔미터를 포함할 수 있다. 포텐셔미터는 사용자의 보행 동작에 따른 오른쪽(Right: R) 축, 왼쪽(Light: L) 축 관절 각도 및 R축, L축 관절 각속도를 센싱할 수 있다.
IMU(1430)는 보행 시 가속도 정보와 자세 정보를 측정할 수 있다. 예를 들어, IMU(1430)는 사용자의 보행 동작에 따른 X축, Y축, Z축 가속도 및 X축, Y축, Z축 각속도를 각각 센싱할 수 있다.
힙-타입 보행 보조 장치(1400)는 IMU(1530)에서 측정된 가속도 정보에 기반하여 사용자의 발이 착지하는 지점을 검출할 수 있다.
힙-타입 보행 보조 장치(1400)는 앞서 설명한 센서부(1420) 및 IMU(1430) 이외에, 보행 동작에 따른 사용자의 운동량 또는 생체 신호 등의 변화를 센싱할 수 있는 다른 센서(예를 들어, 근전도 센서(ElectroMyoGram sensor: EMG sensor) 및 뇌전도 센서(ElectroEncephaloGram sensor: EEG sensor))를 포함할 수 있다.
제어부(1440)는 구동부(1410)가 사용자의 보행을 돕기 위한 보조력을 출력하도록, 구동부(1410)를 제어한다. 예를 들어, 힙-타입 보행 보조 장치(1400)에서, 구동부(1410)는 두 개(왼쪽 힙 및 오른쪽 힙)일 수 있고, 제어부(1440)는 토크가 발생하도록 구동부(1410)를 제어하는 제어 신호를 출력할 수 있다. 제어부(1440)는 통신부, 프로세서 및 메모리를 포함할 수 있다.
구동부(1410)는 제어부(1440)가 출력한 제어 신호에 기반하여, 토크를 발생시킨다. 일 측면에 따르면, 힙-타입 보행 보조 장치(1400)는 오른쪽 다리를 위한 구동부(1410) 및 왼쪽 다리를 위한 구동부(1410)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(1440)는 어느 하나의 구동부(1410)를 제어하도록 설계될 수 있다. 제어부(1440)가 어느 하나의 구동부(1410)만을 제어하는 경우, 제어부(1440)는 복수 개일 수 있다. 다른 예로, 제어부(1440)는 양쪽의 구동부(1410)들을 모두 제어하도록 설계될 수 있다.
도 14 내지 도 15를 참조하여 전술된 힙-타입 보행 보조 장치(1400)와는 달리, 보행 보조 장치(500)는 도 16 내지 도 18을 참조하여 전술되는 전신-타입 보행 보조 장치(1)에 포함될 수 있다. 전신-타입 보행 보조 장치(1)는 사용자의 고관절, 무릎 관절 및 발목 관절에 보행 보조력을 각각 제공하는 장치일 수 있다.
<전신-타입 보행 보조 장치의 개요>
도 16 내지 도 18은 다른 일 예에 따른 전신-타입 보행 보조 장치를 도시한다. 도 16은 전신-타입 보행 보조 장치(1)의 일 실시예에 대한 정면도이고, 도 17은 전신-타입 보행 보조 장치(1)의 측면도이고, 도 18은 전신-타입 보행 보조 장치(1)의 배면도이다.
일 측면에 따르면, 전신-타입 보행 보조 장치(1)는 전술된 구동부(1410), 센서부(1420), IMU(1430) 및 제어부(1440)를 포함할 수 있다.
도 16 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 전신-타입 보행 보조 장치(1)는 사용자의 왼쪽 다리 및 오른쪽 다리에 각각 착용될 수 있도록 외골격(外骨格) 구조를 가진다. 사용자는 보행 보조 장치(1)를 착용한 상태에서 폄(extension), 굽힘(flexion), 모음(adduction), 벌림(abduction) 등의 동작을 수행할 수 있다. 폄 동작은 관절을 펴는 운동이고, 구부림 동작은 관절을 구부리는 운동이다. 모음 동작은 다리를 몸의 중심축으로 가까이 하는 운동이다. 벌림 동작은 몸의 중심축에서 멀어지는 방향으로 다리를 뻗는 운동이다.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 전신-타입 보행 보조 장치(1)는 본체부(10) 및 기구부(20R, 20L, 30R, 30L, 40R, 40L)를 포함할 수 있다.
본체부(10)는 하우징(11)을 포함할 수 있다. 하우징(11)에는 각종 부품이 내장될 수 있다. 하우징(11)에 내장되는 부품으로는, 중앙 처리 장치(Central Processing Unit: CPU), 인쇄 회로 기판 및 다양한 종류의 저장 장치 및 전원을 예로 들 수 있다. 본체부(10)는 전술된 제어부(1440)를 포함할 수 있다. 제어부(1440)는 CPU 및 인쇄 회로 기판을 포함할 수 있다.
CPU는 마이크로 프로세서(micro processor)일 수 있다. 마이크로 프로세서는 실리콘 칩에 산술 논리 연산기, 레지스터, 프로그램 카운터, 명령 디코더 및/또는 제어 회로 등이 설치될 수 있다. CPU는 보행 환경에 적합한 제어 모드를 선택하고, 선택된 제어 모드에 따라 기구부(20, 30, 40)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다.
인쇄 회로 기판은 소정의 회로가 인쇄되어 있는 기판으로, 인쇄 회로 기판에는 CPU 또는/및 다양한 저장 장치가 설치될 수 있다. 인쇄 회로 기판은 하우징(11)의 내측면에 고정될 수 있다.
하우징(11)에 내장된 저장 장치는 다양한 종류를 포함할 수 있다. 저장 장치는 자기 디스크 표면을 자화시켜 데이터를 저장하는 자기 디스크 저장 장치, 다양한 종류의 메모리 반도체를 이용하여 데이터를 저장하는 반도체 메모리 장치일 수 있다.
하우징(11)에 내장된 전원은 하우징(11)에 내장된 각종 부품 또는 기구부(20, 30, 40)에 동력을 공급할 수 있다.
본체부(10)는 사용자의 허리를 지지하기 위한 허리 지지부(12)를 더 포함할 수 있다. 허리 지지부(12)는 사용자의 허리를 지지할 수 있도록 만곡된 평면판의 형상을 가질 수 있다.
본체부(10)는 사용자의 힙 부분에 하우징(11)을 고정하기 위한 고정부(11a) 및 사용자의 허리에 허리 지지부(12)를 고정하기 위한 고정부(12a)를 더 포함할 수 있다. 고정부(11a, 12a)는 탄성력을 구비한 밴드, 벨트, 끈(strap) 중 하나로 구현될 수 있다.
본체부(10)는 전술된 IMU(1430)를 포함할 수 있다. 예를 들어, IMU(1430)는 하우징(11)의 외부 또는 내부에 설치될 수 있다. IMU(1430)는 하우징(11)의 내부에 마련된 인쇄회로기판 상에 설치될 수 있다. IMU(1430)는 가속도 및 각속도를 측정할 수 있다.
기구부(20, 30, 40)는 도 16 내지 도 18에 도시된 바와 같이 제1 구조부(20), 제2 구조부(30) 및 제3 구조부(40)를 포함할 수 있다.
제1 구조부(20R, 20L)는 보행 동작에 있어서 사용자의 대퇴부 및 고관절의 움직임을 보조할 수 있다. 제1 구조부(20R, 20L)는 제1 구동부(21R, 21L), 제1 지지부(22R, 22L) 및 제1 고정부(23R, 23L)를 포함할 수 있다.
전술된 구동부(1410)는 제1 구동부(21R, 21L)를 포함할 수 있으며, 도 14 내지 도 15를 참조하여 설명된 구동부(1410)에 대한 설명은 제1 구동부(21R, 21L)에 대한 설명으로 대체될 수 있다.
제1 구동부(21R, 21L)는 제1 구조부(20R, 20L)의 고관절에 위치할 수 있으며, 소정의 방향으로 다양한 크기의 회전력을 발생시킬 수 있다. 제1 구동부(21R, 21L)에서 발생된 회전력은 제1 지지부(22R, 22L)에 인가될 수 있다. 제1 구동부(21R, 21L)는 인체의 고관절의 동작 범위 내에서 회전하도록 설정될 수 있다.
제1 구동부(21R, 21L)는 본체부(10)에서 제공되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있다. 제1 구동부(21R, 21L)는 모터, 진공 펌프(vacuum pump) 및 수압 펌프(hydraulic pump) 중 하나로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 구동부(21R, 21L)의 주변에는 관절 각도 센서가 설치될 수 있다. 관절 각도 센서는 제1 구동부(21R, 21L)가 회전 축을 중심으로 회전한 각도를 검출할 수 있다. 전술된 센서부(1420)는 관절 각도 센서를 포함할 수 있다.
제1 지지부(22R, 22L)는 제1 구동부(21R, 21L)와 물리적으로 연결된다. 제1 지지부(22R, 22L)는 제1 구동부(21R, 21L)에서 발생한 회전력에 따라 소정의 방향으로 회전될 수 있다.
제1 지지부(22R, 22L)는 다양한 형상으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 지지부(22R, 22L)는 복수의 마디가 서로 연결되어 있는 형상으로 구현될 수 있다. 이 때, 마디와 마디 사이에는 관절이 마련될 수 있으며, 제1 지지부(22R, 22L)는 이 관절에 의해 일정 범위 내에서 휘어질 수 있다. 다른 예로, 제1 지지부(22R, 22L)는 막대 형상으로 구현될 수 있다. 이 때, 제1 지지부(22R, 22L)는 일정한 범위 내에서 휘어질 수 있도록 가요성 있는 소재로 구현될 수 있다.
제1 고정부(23R, 23L)는 제1 지지부(22R, 22L)에 마련될 수 있다. 제1 고정부(23R, 23L)는 제1 지지부(22R, 22L)를 사용자의 대퇴부에 고정시키는 역할을 한다.
도 16 내지 도 18은 제1 지지부(22R, 22L)가 제1 고정부(23R, 23L)에 의해 사용자의 대퇴부의 외측에 고정되는 경우를 도시하고 있다. 제1 구동부(21R, 21L)가 구동됨에 따라 제1 지지부(22R, 22L)가 회전하게 되면, 제1 지지부(22R, 22L)가 고정된 대퇴부 역시 제1 지지부(22R, 22L)의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전한다.
제1 고정부(23R, 23L)은 탄성력을 구비한 밴드, 벨트, 끈 중 하나로 구현되거나, 금속 소재로 구현될 수도 있다. 도 16은 제1 고정부(23R, 23L)가 체인(chain)인 경우를 도시하고 있다.
제2 구조부(30R, 30L)는 보행 동작에 있어서 사용자의 하퇴부 및 무릎 관절의 움직임을 보조할 수 있다. 제2 구조부(30R, 30L)는 제2 구동부(31R, 31L), 제2 지지부(32R, 32L) 및 제2 고정부(33R, 33L)를 포함할 수 있다.
제2 구동부(31R, 31L)는 제2 구조부(30R, 30L)의 무릎 관절에 위치할 수 있으며, 소정의 방향으로 다양한 크기의 회전력을 발생시킬 수 있다. 제2 구동부(31R, 31L)에서 발생된 회전력은 제2 지지부(22R, 22L)에 인가될 수 있다. 제2 구동부(31R, 31L)는 인체의 무릎 관절의 동작 범위 내에서 회전하도록 설정될 수 있다.
전술된 구동부(1410)는 제2 구동부(31R, 31L)를 포함할 수 있다. 도 14 내지 도 15를 참조하여 설명된 고관절과 관련된 설명이 무릎 관절과 관련된 설명으로 유사하게 적용될 수 있다.
제2 구동부(31R, 31L)는 본체부(10)에서 제공되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있다. 제2 구동부(31R, 31L)는 모터, 진공 펌프 및 수압 펌프 중 하나로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 구동부(31R, 31L)의 주변에는 관절 각도 센서가 설치될 수 있다. 관절 각도 센서는 제2 구동부(31R, 31L)가 회전 축을 중심으로 회전한 각도를 검출할 수 있다. 전술된 센서부(1420)는 관절 각도 센서를 포함할 수 있다.
제2 지지부(32R, 32L)는 제2 구동부(31R, 31L)와 물리적으로 연결된다. 제2 지지부(32R, 32L)는 제2 구동부(31R, 31L)에서 발생한 회전력에 따라 소정의 방향으로 회전될 수 있다.
제2 고정부(33R, 33L)는 제2 지지부(32R, 32L)에 마련될 수 있다. 제2 고정부(33R, 33L)는 제2 지지부(32R, 32L)를 사용자의 하퇴부에 고정시키는 역할을 한다. 도 16 내지 도 18은 제2 지지부(32R, 32L)가 제2 고정부(33R, 33L)에 의해 사용자의 하퇴부의 외측에 고정되는 경우를 도시하고 있다. 제2 구동부(31R, 31L)가 구동됨에 따라 제2 지지부(22R, 22L)가 회전하게 되면, 제2 지지부(22R, 22L)가 고정된 대퇴부 역시 제2 지지부(22R, 22L)의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전한다.
제2 고정부(33R, 33L)은 탄성력을 구비한 밴드, 벨트, 끈 중 하나로 구현되거나, 금속 소재로 구현될 수 있다.
제3 구조부(40R, 40L)는 보행 동작에 있어서 사용자의 발목 관절 및 관련 근육의 움직임을 보조할 수 있다. 제3 구조부(40R, 40L)는 제3 구동부(41R, 41L), 발 받침부(42R, 42L) 및 제3 고정부(43R, 43L)를 포함할 수 있다.
전술된 구동부(1410)는 제3 구동부(41R, 41L)를 포함할 수 있다. 도 14 내지 도 15를 참조하여 설명된 고관절과 관련된 설명이 발목 관절과 관련된 설명으로 유사하게 적용될 수 있다.
제3 구동부(41R, 41L)는 제3 구조부(40R, 40L)의 발목 관절에 마련될 수 있으며, 본체부(10)에서 제공되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있다. 제3 구동부(41R, 41L)도 제1 구동부(21R, 21L) 또는 제2 구동부(31R, 31L)와 마찬가지로 모터로 구현될 수 있다.
제3 구동부(41R, 41L)의 주변에는 관절 각도 센서가 설치될 수 있다. 관절 각도 센서는 제3 구동부(41R, 41L)가 회전 축을 중심으로 회전한 각도를 검출할 수 있다. 전술된 센서부(1420)는 관절 각도 센서를 포함할 수 있다.
발 받침부(42R, 42L)는 사용자의 발바닥에 대응하는 위치에 마련되며, 제3 구동부(41R, 41L)와 물리적으로 연결된다.
발 받침부(42R, 42L)에는 사용자의 무게를 감지하기 위한 압력 센서가 설치될 수 있다. 압력 센서의 감지 결과는 사용자가 보행 보조 장치(1)를 착용하였는지 여부, 사용자가 일어섰는지 여부, 사용자의 발과 지면의 접촉 여부 등을 판단하는데 사용될 수 있다.
제3 고정부(43R, 43L)는 발 받침부(42R, 42L)에 마련될 수 있다. 제3 고정부(43R, 43L)는 사용자의 발을 발 받침부(42R, 42L)에 고정시키는 역할을 한다.
일 측면에 따르면, 제3 구조부(40R, 40L)는 도 5의 보행 보조 장치(500)일 수 있다. 예를 들어, 센서(510)는 관절 각도 센서 및 압력 센서를 포함하고, 구동부(550)는 제3 구동부(41R, 41L)일 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
500: 보행 보조 장치
510: 센서
520: 통신부
530: 프로세서
540: 메모리
550: 구동부

Claims (18)

  1. 보행 보조 장치에 의해 수행되는 보행 보조 방법에 있어서,
    압력 센서로부터 사용자의 발바닥에 가해지는 압력 값을 수신하는 단계;
    가속도 센서로부터 상기 사용자의 움직임에 대한 가속도 정보를 수신하는 단계;
    상기 압력 값 및 상기 가속도 정보에 기초하여 상기 사용자의 보행 위상(gait phase)을 결정하는 단계;
    상기 보행 위상에 대응하는 보조 토크를 결정하는 단계; 및
    상기 보조 토크가 출력되도록 구동부를 제어하는 단계
    를 포함하고,
    상기 보행 위상을 결정하는 단계는,
    현재의 시각으로부터 미리 설정된 과거의 시간 내에 접촉 상태가 변경되었는지 여부를 결정하는 단계;
    상기 과거의 시간 내에 상기 접촉 상태가 변경된 경우, 현재의 접촉 상태를 유지하는 단계;
    상기 과거의 시간 내에 상기 접촉 상태가 변경되지 않은 경우, 상기 압력 값에 기초하여 상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계; 및
    상기 접촉 여부에 기초하여 상기 보행 위상을 결정하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계는,
    상기 압력 값에 대한 제1 값을 결정하는 단계; 및
    상기 제1 값 및 상기 압력 값의 이전 압력 값에 대한 제2 값에 기초하여 상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계는,
    제1 압력 센서에 의해 결정된 제1 접촉 여부 및 제2 압력 센서에 의해 결정된 제2 접촉 여부에 기초하여 최종 접촉 여부를 결정하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 제1 압력 센서 및 상기 제2 압력 센서는 상기 발의 서로 다른 부위에 위치하는,
    보행 보조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보행 위상을 결정하는 단계는,
    상기 가속도 정보에 기초하여 상기 사용자의 상태가 보행 상태인지 여부를 결정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 사용자가 보행 상태인 경우, 상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부가 결정되는,
    보행 보조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가속도 정보에 기초하여 상기 사용자의 상태가 보행 상태인지 여부를 결정하는 단계는,
    상기 가속도 정보에 기초하여 가속도의 크기를 계산하는 단계;
    상기 계산된 가속도의 크기가 미리 설정된 가속도 임계 값을 초과하는 경우, 상기 사용자의 상태를 보행 상태로 결정하는 단계; 및
    상기 계산된 가속도의 크기가 미리 설정된 가속도 임계 값을 초과하지 않는 경우, 상기 사용자의 상태를 서 있는 상태(stand state)로 결정하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 보행 위상을 결정하는 단계는,
    미리 설정된 보행 위상들 중 상기 압력 값 및 상기 가속도 정보에 대응하는 타겟 보행 위상을 결정하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 사용자의 발목에 위치하는,
    보행 보조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 구동부를 제어하는 단계는,
    상기 결정된 보조 토크에 대응하는 지지 프레임의 길이를 계산하는 단계; 및
    상기 지지 프레임이 상기 계산된 길이가 되도록 상기 구동부를 제어하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 방법.
  12. 제1항, 제5항, 제6항, 제7항, 제8항, 제9항, 제10항 및 제11 항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 프로그램을 수록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
  13. 보행 보조 장치에 있어서,
    사용자의 보행을 보조하기 위한 프로그램이 기록된 메모리; 및
    상기 프로그램을 수행하는 프로세서
    를 포함하고,
    상기 프로그램은,
    압력 센서로부터 측정된 사용자의 발바닥에 가해지는 압력 값을 수신하는 단계;
    가속도 센서로부터 상기 사용자의 움직임에 대한 가속도 정보를 수신하는 단계;
    상기 압력 값 및 상기 가속도 정보에 기초하여 상기 사용자의 보행 위상(gait phase)을 결정하는 단계;
    상기 보행 위상에 대응하는 보조 토크를 결정하는 단계; 및
    상기 보조 토크가 출력되도록 구동부를 제어하는 단계
    를 수행하고,
    상기 보행 위상을 결정하는 단계는,
    현재의 시각으로부터 미리 설정된 과거의 시간 내에 접촉 상태가 변경되었는지 여부를 결정하는 단계;
    상기 과거의 시간 내에 상기 접촉 상태가 변경된 경우, 현재의 접촉 상태를 유지하는 단계;
    상기 과거의 시간 내에 상기 접촉 상태가 변경되지 않은 경우, 상기 압력 값에 기초하여 상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계; 및
    상기 접촉 여부에 기초하여 상기 보행 위상을 결정하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제13항에 있어서,
    상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계는,
    상기 압력 값에 대한 제1 값을 결정하는 단계; 및
    상기 제1 값 및 상기 압력 값의 이전 압력 값에 대한 제2 값에 기초하여 상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부를 결정하는 단계
    를 포함하는,
    보행 보조 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 보행 위상을 결정하는 단계는,
    상기 가속도 정보에 기초하여 상기 사용자의 상태가 보행 상태인지 여부를 결정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 사용자가 보행 상태인 경우, 상기 사용자의 발이 지면에 접촉하였는지 여부가 결정되는,
    보행 보조 장치.
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