KR101131734B1 - 스트레치 센서를 사용한 보행 보조기 및 그 구동 방법 - Google Patents

스트레치 센서를 사용한 보행 보조기 및 그 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 스트레치 센서를 사용한 보행 보조기 및 그 구동 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 스트레치 센서를 사용한 보행 보조기는 사용자의 신체에 연결되어 상기 사용자의 움직임을 감지하는 다수의 스트레치 센서; 및 상기 사용자가 움직임에 따라 그 움직인 방향으로 각 스트레치 센서마다 작용한 힘의 크기를 산출하고, 산출된 상기 힘의 크기 기반으로 보행 방향과 보행 속도를 결정하며, 결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 바퀴의 모터를 제어하기 위한 구동 신호를 출력하는 제어기를 포함한다. 이를 통해, 본 발명은 사용자에 의한 별도의 조작없이 구동이 가능하고, 사용자가 보다 편안한 자세로 보행할 수 있다.

Description

스트레치 센서를 사용한 보행 보조기 및 그 구동 방법{working aid using stretch sensor and method for operating thereof}
본 발명은 스트레치 센서를 사용한 보행 보조기 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
최근 고령화 사회에 급속도로 진입하면서 세계적으로 노인 및 장애인을 위한 다양한 기술에 대한 사회적 요구가 증가되고 있다. 이러한 시점에 맞춰 노인 및 거동이 불편한 사람들의 외부 활동을 돕기 위한 많은 연구가 진행되고 있는데, 특히, 노령자 및 장애인을 위한 보행 보조기에 대한 다양한 기술이 급격하게 발달되고 있다.
그러나 대부분의 보행 보조기의 경우 동력이 없는 시스템으로 경사 등의 공간에서 취약성을 가지고 있다. 이에 동력형 보행 보조기에 대한 관심이 증가되고 있으나 이 역시 대대분의 경우 보행 보조기의 조정이 여의치 않다는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해, 동력형 보행 보조기에 대한 다양한 기술들이 연구되고 있는데, 예컨대, 노인들이 보행 보조기의 차량의 제어를 원활하게 수행할 수 있도록 고안된 센서를 개발하는 기술과 차량을 안정적으로 제어할 수 있는 차량 이동 기술 그리고 노인들이나 장애인들이 가지고 있는 순발력의 어려움 등을 해결하기 위한 장애물 회피 기술 등이 대표적이라 할 수 있다.
이러한 대부분의 연구들은 보행 보조기의 안정적인 구동을 기반으로 자유로운 움직임을 유도할 수 있도록 하는데 있으나, 아직까지 노인이나 장애인들의 움직임에 대한 보행 의지를 정확하게 파악하고 이를 기초로 자연스럽게 보행 보조기를 구동하기에는 많이 부족한 상황이다.
또한, 힘 센서를 이용하여 보행 의지를 판단하기 때문에 이러한 힘 센서가 장착된 손잡이나 핸들바를 조작하는 사용자의 팔 관절에 힘이 집중되어야 하는데, 보행 보조기에 팔 관절이 떨어져 있는 상태에서만 정확한 조작이 가능하기 때문에 하체에 상당한 무리가 올 수 있고 이로 인해 힘이 약한 하체의 재활치료 시에 불편함이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 스트레치 센서를 이용하여 사용자가 움직인 방향으로 작용한 힘의 크기를 감지하여 이를 기반으로 보행 방향과 보행 속도를 판단함으로써, 사용자에 의한 별도의 조작없이 구동이 가능할 수 있도록 하는 스트레치 센서를 사용한 보행 보조기 및 그 구동 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 스트레치 센서를 이용하여 사용자가 움직인 방향으로 작용한 힘의 크기를 감지하여 이를 기반으로 보행 방향과 보행 속도를 판단함으로써, 사용자가 보다 편안한 자세로 보행할 수 있도록 하는 스트레치 센서를 사용한 보행 보조기 및 그 구동 방법을 제공하는데 있다.
이를 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기는 사용자의 신체에 연결되어 상기 사용자의 움직임을 감지하는 다수의 스트레치 센서; 및 상기 사용자가 움직임에 따라 그 움직인 방향으로 각 스트레치 센서마다 작용한 힘의 크기를 산출하고, 산출된 상기 힘의 크기 기반으로 보행 방향과 보행 속도를 결정하며, 결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 바퀴의 모터를 제어하기 위한 구동 신호를 출력하는 제어기를 포함할 수 있다.
이때, 상기 다수의 스트레치 센서는 선 형태로서 일측이 사용자 신체의 동일한 영역에 연결되고 타측이 보행 보조기의 서로 다른 영역에 연결되며, 상기 사용자의 움직임에 따라 그 길이가 변경되어 상기 길이가 변경됨에 따라 자체 저항 값이 변경되는 센서를 의미할 수 있다.
이때, 상기 다수의 스트레치 센서는 서로 다른 영역에 연결되어 전류가 흐를 수 있도록 그 양쪽 끝부분에 소정 길이의 압착 단자를 각각 형성할 수 있다.
또한, 상기 다수의 스트레치 센서는 적어도 2개 이상으로 서로 병렬로 연결되되, 동일한 방향에 위치하는 어느 하나의 일측으로 전류가 입력되어 다른 하나의 일측으로 상기 전류가 출력되도록 상기 어느 하나의 타측과 상기 다른 하나의 타측이 구리판으로 서로 연결될 수 있다.
바람직하게, 상기 제어기는 상기 사용자가 움직임에 따라 변경되는 상기 다수의 스트레치 센서의 저항 값을 측정하여 측정된 상기 저항 값을 기반으로 상기 사용자가 움직인 방향으로 작용한 힘의 크기를 산출할 수 있다. 상기 제어기는 측정된 상기 힘의 크기를 기반으로 상기 보행 방향을 결정하고, 측정된 상기 힘의 크기를 Ackman 구동방식에 적용하여 상기 보행 속도를 결정하며, 결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 상기 바퀴의 모터를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하여 출력할 수 있다.
필요에 따라, 상기 제어기는 결정된 상기 보행 속도의 입력값에 대한 적분 제어를 수행하여 상기 보행 속도를 조절하고, 결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 상기 바퀴의 모터를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하여 출력할 수 있다.
본 발명의 다른 한 관점에 따른 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기는 보행 보조기의 일정 영역에 설치된 다수의 스트레치 센서를 통해 감지된 사용자의 움직임에 따라 그 움직인 방향으로 각 스트레치 센서마다 작용한 힘의 크기를 산출하는 산출부; 및 산출된 상기 힘의 크기 기반으로 보행 방향과 보행 속도를 결정하고, 결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 바퀴의 모터를 제어하기 위한 구동 신호를 출력하는 처리부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 산출부는 상기 사용자가 움직임에 따라 변경되는 상기 다수의 스트레치 센서의 저항 값을 측정하여 측정된 상기 저항 값을 기반으로 상기 사용자가 움직인 방향으로 작용한 힘의 크기를 산출할 수 있다.
바람직하게, 상기 처리부는 측정된 상기 힘의 크기를 기반으로 상기 보행 방향을 결정하고, 측정된 상기 힘의 크기를 Ackman 구동방식에 적용하여 상기 보행 속도를 결정하며, 결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 상기 바퀴의 모터를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하여 출력할 수 있다.
필요에 따라, 상기 제어기는 결정된 상기 보행 속도의 입력값에 대한 적분 제어를 수행하여 상기 보행 속도를 조절하고, 결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 상기 바퀴의 모터를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하여 출력할 수 있다.
본 발명의 또 다른 한 관점에 따른 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기의 구동 방법은 보행 보조기의 일정 영역에 설치된 다수의 스트레치 센서를 통해 감지된 사용자의 움직임에 따라 그 움직인 방향으로 각 스트레치 센서마다 작용한 힘의 크기를 산출하는 단계; 및 산출된 상기 힘의 크기 기반으로 보행 방향과 보행 속도를 결정하고, 결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 바퀴의 모터를 제어하기 위한 구동 신호를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 힘의 크기를 산출하는 단계는 상기 보행 보조기의 일정 영역에 설치되어, 사용자의 움직임에 따라 변경되는 다수의 스트레치 센서의 자체 저항 값을 측정하는 단계; 및 측정된 상기 저항 값을 기반으로 상기 사용자가 움직인 방향으로 작용한 힘의 크기를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 구동 신호를 출력하는 단계는 측정된 상기 힘의 크기를 기반으로 상기 보행 방향을 결정하는 단계; 측정된 상기 힘의 크기를 Ackman 구동방식에 적용하여 상기 보행 속도를 결정하는 단계; 및 결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 상기 구동 신호를 생성하여 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
필요에 따라, 상기 구동 신호를 생성하여 출력하는 단계는 결정된 상기 보행 속도의 입력값에 대한 적분 제어를 수행하여 상기 보행 속도를 조절하는 단계; 및 결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 상기 구동 신호를 생성하여 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 보행 보조기의 구성을 나타내는 예시도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스트레치 센서의 형태를 나타내는 예시도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 보행 보조기의 구동 방법을 나타내는 예시도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 힘의 크기를 산출하는 원리를 설명하기 위한 예시도이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스트레치 센서의 형태를 나타내는 예시도이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 무게 대비 저항 값의 관계를 설명하기 위한 예시도이고,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스트레치 센서의 구성을 나타내는 예시도이고,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제어기 내부의 일부 회로도를 나타내는 예시도이고,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 무게 대비 DSP AD의 관계를 설명하기 위한 예시도이고,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 보행 방향을 결정하는 원리를 설명하기 위한 예시도이고,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 보행 속도를 결정하는 원리를 설명하기 위한 예시도이고,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 힘 대비 속도의 관계를 설명하기 위한 예시도이고,
도 13은 도 1에 도시된 제어기(150)의 상세한 구성을 나타내는 예시도이다.
이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 스트레치 센서(stretch sensor)를 사용한 보행 보조기 및 그 구동 방법을 첨부된 도 1 내지 도 13을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 스트레치 센서를 이용하여 사용자가 움직인 방향으로 작용한 힘의 크기를 감지하고 이를 기반으로 사용자의 보행 방향과 보행 속도를 판단하여 그 판단한 결과에 따라 보행 보조기를 구동하고자 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 보행 보조기의 구성을 나타내는 예시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 보행 보조기는 사용자의 편의 및 사람이 이동하려는 의지력과 차량에 기대면서 생기는 지지력을 분리하여 처리할 수 있도록, 지지대(110), 적어도 하나의 손잡이(120), 다수의 스트레치 센서(stretch sensor)(130), 프레임부(140) 및 제어기(150) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
지지대(110)는 사용자가 보행 보조기를 사용하는 경우에 사용자의 팔꿈치를 지지할 수 있고, 그 좌우측에 적어도 하나의 손잡이(120)가 설치될 수 있다. 손잡이(120)에는 스위치가 설치되어 그 스위치의 온/오프에 따라 보행 보조기를 이동 또는 정지시킬 수 있는데, 예컨대, 사용자가 보조 보행기로 이동하고자 하는 경우에는 스위치를 온시키고, 정지고자 하는 경우에는 스위치를 오프시킬 수 있다.
다수의 스트레치 센서(130)는 사용자의 움직임을 감지할 수 있는데, 일측은 사용자의 신체에 연결되고 타측은 보행 보조기 예컨대, 지지대에 연결되어 사용자의 움직임을 감지할 수 있다. 이러한 스트레치 센서를 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스트레치 센서의 형태를 나타내는 예시도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 스트레치 센서(130)는 선 형태로서, 일측이 사용자의 신체의 동일한 영역에 연결되고 타측이 보행 보조기의 서로 다른 영역에 연결될 수 있다. 여기서는 3개의 스트레치 센서를 연결한 형태를 보여주고 있지만, 반드시 이에 한정되지는 않고 사용자의 움직임을 감지하기 위한 다양한 형태로 구성될 수 있다.
특히, 이렇게 구성된 스트레치 센서는 사용자의 움직임에 따라 그 길이가 변경되어, 그 길이가 변경됨에 따라 자체 저항 값이 변경되는 센서를 의미할 수 있다.
그리고 프레임부(140)는 지지대를 지지하면 바퀴가 구비되어 있는 몸체를 의미할 수 있다.
제어기(150)는 사용자의 보행 의지에 따라 보행 보조기의 보행 방향과 보행 속도를 제어할 수 있다. 즉, 제어기(150)는 스트레치 센서로부터 측정된 저항 값을 기반으로 사용자가 움직인 방향으로 작용한 힘의 크기를 산출함으로써, 산출된 힘의 크기를 기반으로 보행 방향을 결정하고 Ackman 구동방식에 따라 보행 속도를 결정하며, 이를 기반으로 바퀴의 모터를 제어할 수 있다.
또한, 제어기(150)는 보행 보조기의 보행 속도를 점차적으로 가감시키기 위해 보행 속도의 적분 제어를 통해 보행 보조기를 보다 안정적으로 구동할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 보행 보조기의 구동 방법을 나타내는 예시도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 사용자가 손잡이를 잡고 그 손잡이에 장착된 스위치를 온시키는 경우에, 제어기는 사용자의 움직임에 따라 변경되는 다수의 스트레치 센서의 저항 값을 측정하여 그 측정된 저항 값을 기반으로 사용자의 보행 의지를 판단할 수 있는데, 즉, 저항 값에 변화가 생기면 사용자가 보행 의지가 있음을 판단할 수 있다(S310).
제어기는 측정된 저항 값을 기반으로 사용자가 움직인 방향으로 작용한 힘의 크기를 각 스트레치 센서마다 산출할 수 있는데(S320), 이를 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 힘의 크기를 산출하는 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제어기는 3개의 스트레치 센서가 부착되어 각 스트레치 센서마다 힘의 크기 FLight, FUp, FRight를 산출하게 된다. 이러한 스트레치 센서는 응답이나 복원 특성을 향상시키기 위하여 30mm 내지 100mm 범위 이내로 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스트레치 센서의 형태를 나타내는 예시도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 예컨대, 35mm의 스트레치 센서의 양쪽 끝부분에 5mm의 압착 단자를 각각 형성함으로써, 이를 통해 전류가 흐르도록 구성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 무게 대비 저항 값의 관계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 이렇게 형성된 스트레치 센서의 특성인 무게[g] 대비 저항 값[ohm]의 변화를 측정하였는데, 스트레치 센서의 끝 부분에 분동을 50[g]씩 증가 시키면서 측정하여 약 500[ohm] ~ 2000[ohm] 사이의 값을 갖는 것을 볼 수 있다.
이때, 본 발명은 3개의 스트레치 센서를 설치하되, 하나의 방향에 적어도 2개 이상의 스트레치 센서를 병렬로 설치할 수 있는데, 이를 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스트레치 센서의 구성을 나타내는 예시도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명은 다수의 스트레치 센서(710)를 병렬로 설치하되, 스트레치 센서(710)의 압착 단자(720)를 볼트(730)를 이용하여 동일한 구리판(740)에 체결하게 된다. 한쪽의 구리판(740)은 나이론 섬유 재질의 끈으로 소정 형태의 연결 고리에 연결되어 사용자의 신체에 연결되고 다른 한쪽의 구리판(740)은 보행 보조기에 연결된다.
특히, 전압의 입력 방향 A와 출력 방향 B가 같으므로 스트레치 센서의 접점 방향도 같아 설치가 용이하게 된다. 또한 스트레치 센서를 2개를 사용함으로 힘이 분산되어 스트레치 센서의 사용시간 및 반응성이 향상되게 된다. 물론, 본 발명은 힘의 크기 및 센서 특성에 따라 스트레치 센서를 적어도 2개 이상 병렬로 설치할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제어기 내부의 일부 회로도를 나타내는 예시도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 제어기는 스트레치 센서의 저항 값의 변화를 읽어 소정의 회로를 통하여 전압 VO으로 출력하게 된다. 회로는 비반전 증폭기를 응용하고 그 증폭 비율을 조정하여 출력 전압이 변하도록 설계되었다. 즉, 입력 전압 VI는 0.3V로 정하고, 스트레치 센서의 Rst 값이 변경됨에 따라 R1과 Rst의 비율이 바뀌게 되어 출력 전압 VO가 변경되도록 하였다. 이때, 출력 전압 VO는 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
VO = VI (1 + R1/Rst), Rst = Rst1 + Rst2
[수학식 1]에 따른 스트레치 센서의 저항 값에 대한 출력 전압의 수치는 다음의 [표 1]과 같다.
Rst (Kohm) VO (V)
1 3.3
1.5 2.3
2 1.8
2.5 1.5
3 1.3
3.5 1.15
4 1.05
지금까지는 스트레치 센서의 저항 Rst 값이 어느 정도의 힘을 가지고 있는지 알 수 없었다. 따라서 분동에 대한 출력 전압 VO 값의 실험을 하여 선형화 작업을 하였다. 선형화 작업은 10회 샘플 값의 평균값을 이용하는데, 이를 도 9를 참조하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 무게 대비 DSP AD의 관계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 스트레치 센서에 가해지는 무게 G에 따른 DSP AD를 그래프로 나타내고 있는데, 여기서, DSP AD는 앞의 도 8에서의 출력 전압 VO에 대한 전압 값으로서. 출력 전압 VO에 상응하는 아날로그 데이터가 DSP(Digital Signal Processing)에 입력되어 디지털 데이터로 변환된 전압 값을 의미한다.
이때, 본 발명에 따른 DSP AD는 다음의 [수학식 2]와 같이 정의할 수 있다.
[수학식 2]
F = DSP AD = -67.168G + 51745
즉, DSP AD는 바로 스트레치 센서에 작용하는 힘의 크기 F가 된다. 특히, 좌측의 스트레치 센서에 작용하는 힘의 크기는 FLight, 중앙의 스트레치 센서에 작용하는 힘의 크기는 FUp, 및 우측의 스트레치 센서에 작용하는 힘의 크기는 FRight로 각각 정의할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 보행 방향을 결정하는 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 10에 도시한 바와 같이, 이렇게 각 스트레치 센서마다 작용하는 힘의 크기 FLight, FUp, FRight를 기반으로 보행 방향 θ을 결정할 수 있는데, (a)의 앞으로 이동하는 경우에는 좌측, 중앙, 우측의 스트레치 센서에 작용하는 힘의 크기가 존재하고, (b)의 우측으로 이동하는 경우에는 좌측과 중앙의 스트레치 센서에 작용하는 힘의 크기만 존재하며, (c)의 좌측으로 이동하는 경우에는 우측과 중앙의 스트레치 센서에 작용하는 힘의 크기만 존재하며, (d)의 뒤쪽으로 이동하는 경우에는 좌측과 우측의 스트레치 센서에 작용하는 힘의 크기만 존재하게 된다.
이를 이용하여 보행 방향 θ을 결정하는데(S330), 다음의 [수학식 3]과 같이 정의할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112010010785769-pat00001

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 보행 속도를 결정하는 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 11에 도시한 바와 같이, 사용자의 움직임에 따라 각 스트레치 센서마다 작용하는 힘의 크기를 기반으로 사용자가 움직이는 방향으로 작용하는 전체 힘의 크기 Fout를 산출할 수 있는데, 전체 힘의 크기 Fout는 다음의 [수학식 4]와 같이 정의할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112010010785769-pat00002

제어기는 이렇게 산출된 전체 힘의 크기 Fout를 기반으로 보행 보조기 전체 속도 Vc 를 결정 할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 힘 대비 속도의 관계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 12에 도시한 바와 같이, 먼저 모터 속도는 무게 또는 힘의 크기가 500g이 되면 보행보조기의 최대속도인 3.3Km/h가 되도록 선형화를 작업을 하였다.
이때, 본 발명에 따른 바퀴 속도 Vc는 다음의 [수학식 5]와 같이 정의할 수 있다.
[수학식 5]
Vc = 0.00911G - 1.2
Ackman 구동방식을 사용하여 보행 보조기의 바퀴 속도를 결정할 수 있는데(S340), 이러한 Ackman 구동 방식은 기본적인 주행은 순간 회전 중심(Instantaneous Center of Rotation: ICR)을 중심으로 하는 회전운동이며, 4개의 바퀴가 회전 중심을 기준으로 동심원을 접하고 동일한 각속도를 가지게 됨으로서 보행 보조기의 움직임이 미끄러짐없이 이동 가능하도록 하는 기법을 의미할 수 있다.
ICR을 기준으로 차량의 바퀴 속도를 다음의 [수학식 6] 내지 [수학식 8]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112010010785769-pat00003
[수학식 7]
Figure 112010010785769-pat00004
[수학식 8]
Figure 112010010785769-pat00005
여기서, ωC는 차량 중심에서의 각속도를 의미하고, ωL은 차량 좌측 바퀴의 각속도를 의미하며, ωR은 차량 우측 바퀴의 각속도를 의미할 수 있다. 또한, vc는 차량 중심에서의 속도로서 감지된 힘 센싱 데이터의 총 크기를 의미할 수 있다.
이렇게 보행 보조기의 각 바퀴 속도 즉, 보행 속도를 결정한 후에 이를 기반으로 바퀴를 구동할 수 있는데, 이는 보행 보조기의 급격한 가감속으로 인해 보행 보조기를 사용하는 대부분의 거동이 불편한 사용자들은 차량의 속도에 반응하기 힘든 상태를 초래할 수 있다. 따라서 제어기는 보행 속도의 입력값에 대한 가감속을 위해 입력값을 적분 형태로 처리할 수 있도록 입력값을 적분 제어하는데, 이를 통해 보행 속도를 조절할 수 있다(S350). 이러한 적분 제어 관계식은 다음의 [수학식 9]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112010010785769-pat00006
여기서, Ki는 적분 계수를 의미하고, vi는 현 시점에서의 목표 보행 속도를 의미하며, v(t)는 현 시점에서의 보행 속도를 의미할 수 있다.
[수학식 9]에서 본 발명은 보행 보조기의 속도에 대해 임의의 상수 Ki를 가감속시켜서 사용자가 원하는 목표 보행 속도까지 도달하도록 함으로써, 사용자가 보다 안정적으로 보행 보조기를 구동할 수 있다. 이렇게 보행 속도에 적분 제어를 수행하는 이유는 상수 Ki를 가지고 가속할 때는 서서히 가속 시키고 감속할 때는 서서히 감속하도록 해주면 보행 보조기가 부드럽게 움직일 수 있도록 하기 위함이다.
이후, 제어기는 결정된 보행 방향 및 조절된 보행 속도를 기반으로 각 바퀴의 모터를 구동하기 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하여 이를 출력할 수 있다(S360). 따라서 제어기는 PWM 신호에 따라 보행 보조기를 구동할 수 있다(S370).
도 13은 도 1에 도시된 제어기(150)의 상세한 구성을 나타내는 예시도이다.
도 13에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 제어기(150)는 다수의 스트레치 센서로부터 저항 값을 측정하기 위한 산출부(1310), 처리부(1320), 바퀴의 모터를 구동하기 위한 적어도 하나의 구동부(1330) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
산출부(1310)는 보행 보조기의 일정 영역에 설치된 다수의 스트레치 센서를 통해 사용자가 움직인 방향으로 작용한 힘의 크기를 산출할 수 있다. 즉, 산출부(1310)는 사용자가 움직임에 따라 변경되는 다수의 스트레치 센서의 저항 값을 측정하여 측정된 저항 값을 기반으로 사용자가 움직인 방향으로 작용한 힘의 크기를 산출할 수 있다.
처리부(1320)는 산출된 힘의 크기 기반으로 보행 방향과 보행 속도를 결정하고, 결정된 보행 방향과 보행 속도를 기반으로 바퀴의 모터를 제어하기 위한 구동 신호를 출력할 수 있다. 처리부(1320)는 측정된 상기 힘의 크기를 기반으로 보행 방향을 결정하고, 측정된 힘의 크기를 Ackman 구동방식에 적용하여 보행 속도를 결정하며, 결정된 보행 방향과 보행 속도를 기반으로 바퀴의 모터를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하여 이를 적어도 하나의 구동부(1330)에 출력할 수 있다.
또한, 처리부(1320)는 급격한 가감속을 방지하고자, 결정된 보행 속도의 입력값에 대한 적분 제어를 수행하여 보행 속도를 조절하고, 결정된 보행 방향과 보행 속도를 기반으로 바퀴의 모터를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하여 출력할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 스트레치 센서를 이용하여 사용자가 움직인 방향으로 작용한 힘의 크기를 감지하여 이를 기반으로 보행 방향과 보행 속도를 판단함으로써, 사용자에 의한 별도의 조작없이 구동이 가능할 수 있고, 사용자가 보다 편안한 자세로 보행할 수 있다.
본 발명에 의한, 스트레치 센서를 사용한 보행 보조기 및 그 구동 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.
110: 지지대
120: 손잡이
130: 스트레치 센서
140: 프레임부
150: 제어기

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 사용자의 신체에 연결되어 상기 사용자의 움직임을 감지하는 다수의 스트레치 센서; 및
    상기 사용자가 움직임에 따라 그 움직인 방향으로 각 스트레치 센서마다 작용한 힘의 크기를 산출하고, 산출된 상기 힘의 크기 기반으로 보행 방향과 보행 속도를 결정하며, 결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 바퀴의 모터를 제어하기 위한 구동 신호를 출력하는 제어기
    를 포함하는 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기에 있어서,
    상기 다수의 스트레치 센서는,
    선 형태로서 일측이 사용자 신체의 동일한 영역에 연결되고 타측이 보행 보조기의 서로 다른 영역에 연결되며, 상기 사용자의 움직임에 따라 그 길이가 변경되어 상기 길이가 변경됨에 따라 자체 저항 값이 변경되는 센서이고,
    서로 다른 영역에 연결되어 전류가 흐를 수 있도록 그 양쪽 끝부분에 소정 길이의 압착 단자를 각각 형성하는 것을 특징으로 하는 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기.
  4. 사용자의 신체에 연결되어 상기 사용자의 움직임을 감지하는 다수의 스트레치 센서; 및
    상기 사용자가 움직임에 따라 그 움직인 방향으로 각 스트레치 센서마다 작용한 힘의 크기를 산출하고, 산출된 상기 힘의 크기 기반으로 보행 방향과 보행 속도를 결정하며, 결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 바퀴의 모터를 제어하기 위한 구동 신호를 출력하는 제어기
    를 포함하는 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기에 있어서,
    상기 다수의 스트레치 센서는,
    선 형태로서 일측이 사용자 신체의 동일한 영역에 연결되고 타측이 보행 보조기의 서로 다른 영역에 연결되며, 상기 사용자의 움직임에 따라 그 길이가 변경되어 상기 길이가 변경됨에 따라 자체 저항 값이 변경되는 센서이고,
    적어도 2개 이상으로 서로 병렬로 연결되되, 동일한 방향에 위치하는 어느 하나의 일측으로 전류가 입력되어 다른 하나의 일측으로 상기 전류가 출력되도록 상기 어느 하나의 타측과 상기 다른 하나의 타측이 구리판으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기.
  5. 제3 항 또는 제4 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 사용자가 움직임에 따라 변경되는 상기 다수의 스트레치 센서의 저항 값을 측정하여 측정된 상기 저항 값을 기반으로 상기 사용자가 움직인 방향으로 작용한 힘의 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기.
  6. 제3 항 또는 제4 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    측정된 상기 힘의 크기를 기반으로 상기 보행 방향을 결정하고,
    측정된 상기 힘의 크기를 Ackman 구동방식에 적용하여 상기 보행 속도를 결정하며,
    결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 상기 바퀴의 모터를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하여 출력하는 것을 특징으로 하는 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    결정된 상기 보행 속도의 입력값에 대한 적분 제어를 수행하여 상기 보행 속도를 조절하고,
    결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 상기 바퀴의 모터를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하여 출력하는 것을 특징으로 하는 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기.
  8. 보행 보조기의 일정 영역에 설치된 다수의 스트레치 센서를 통해 감지된 사용자의 움직임에 따라 그 움직인 방향으로 각 스트레치 센서마다 작용한 힘의 크기를 산출하는 산출부; 및
    산출된 상기 힘의 크기 기반으로 보행 방향과 보행 속도를 결정하고, 결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 바퀴의 모터를 제어하기 위한 구동 신호를 출력하는 처리부
    를 포함하는 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기에 있어서,
    상기 처리부는,
    측정된 상기 힘의 크기를 기반으로 상기 보행 방향을 결정하고,
    측정된 상기 힘의 크기를 Ackman 구동방식에 적용하여 상기 보행 속도를 결정하며,
    결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 상기 바퀴의 모터를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하여 출력하는 것을 특징으로 하는 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 산출부는,
    상기 사용자가 움직임에 따라 변경되는 상기 다수의 스트레치 센서의 저항 값을 측정하여 측정된 상기 저항 값을 기반으로 상기 사용자가 움직인 방향으로 작용한 힘의 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기.
  10. 삭제
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    결정된 상기 보행 속도의 입력값에 대한 적분 제어를 수행하여 상기 보행 속도를 조절하고,
    결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 상기 바퀴의 모터를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하여 출력하는 것을 특징으로 하는 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기.
  12. 보행 보조기의 일정 영역에 설치된 다수의 스트레치 센서를 통해 감지된 사용자의 움직임에 따라 그 움직인 방향으로 각 스트레치 센서마다 작용한 힘의 크기를 산출하는 단계; 및
    산출된 상기 힘의 크기 기반으로 보행 방향과 보행 속도를 결정하고, 결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 바퀴의 모터를 제어하기 위한 구동 신호를 출력하는 단계
    를 포함하는 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기의 구동 방법에 있어서,
    상기 구동 신호를 출력하는 단계는,
    측정된 상기 힘의 크기를 기반으로 상기 보행 방향을 결정하는 단계;
    측정된 상기 힘의 크기를 Ackman 구동방식에 적용하여 상기 보행 속도를 결정하는 단계; 및
    결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 상기 구동 신호를 생성하여 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기의 구동 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 힘의 크기를 산출하는 단계는,
    상기 보행 보조기의 일정 영역에 설치되어, 사용자의 움직임에 따라 변경되는 다수의 스트레치 센서의 자체 저항 값을 측정하는 단계; 및
    측정된 상기 저항 값을 기반으로 상기 사용자가 움직인 방향으로 작용한 힘의 크기를 산출하는 단계를 포함하는 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기의 구동 방법.
  14. 삭제
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 구동 신호를 생성하여 출력하는 단계는,
    결정된 상기 보행 속도의 입력값에 대한 적분 제어를 수행하여 상기 보행 속도를 조절하는 단계; 및
    결정된 상기 보행 방향과 상기 보행 속도를 기반으로 상기 구동 신호를 생성하여 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레치 센서를 이용한 보행 보조기의 구동 방법.
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