KR101350334B1 - 보행 의도를 감지하는 다중 센서 신호 처리 시스템, 상기 시스템을 포함하는 보행 보조 장치 및 상기 장치를 제어하는 방법 - Google Patents

보행 의도를 감지하는 다중 센서 신호 처리 시스템, 상기 시스템을 포함하는 보행 보조 장치 및 상기 장치를 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

보행 의도를 감지하는 다중 센서 신호 처리 시스템을 이용하여 사용자의 보행을 돕는 보행 보조 장치가 제공된다. 이 보행 보조 장치는, 지팡이를 통해 손바닥에 가해지는 힘을 감지하여 손바닥 센서 신호를 생성하는 손바닥 센서부와, 지면을 통해 발바닥에 가해지는 힘을 감지하여 발바닥 센서 신호를 생성하는 센서부와, 상기 손바닥 센서 신호를 이용하여 사용자의 보행 의도를 확인하고, 상기 보행 의도가 있는 것으로 확인되면, 상기 발바닥 센서 신호에 응답하여 구동 신호를 생성하는 휴대용 정보 처리부 및 상기 사용자의 왼쪽 다리에 부착된 왼쪽 모터와 상기 사용자의 오른쪽 다리에 부착된 오른쪽 모터를 포함하고, 상기 구동 신호에 응답하여 상기 왼쪽 모터와 오른쪽 모터가 구동되어, 상기 사용자의 보행을 돕는 보행 보조 기구를 포함한다. 이 보행 보조 장치에 의하면, 상기 손바닥 센서 신호에 의해 사용자의 보행 의도가 파악되고, 발바닥 센서 신호에 의해 사용자의 보행 단계가 정확하게 감지된다.

Description

보행 의도를 감지하는 다중 센서 신호 처리 시스템, 상기 시스템을 포함하는 보행 보조 장치 및 상기 장치를 제어하는 방법{MUTI-SENSOR SIGNAL DATA PROCESSING SYSTEM FOR DETECTING WALKING INTENT, WALKING SUPPORTING APPARATUS COMPRISING THE SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THE APPARATUS}
본 발명은 사용자의 보행 의도를 감지하는 다중 센서 신호 처리 시스템, 상기 시스템을 포함하는 보행 보조 장치 및 상기 장치를 제어하는 방법으로서, 구체적으로, 하반신 마비 환자들(paraplegia patients)과 같이 보행이 어려운 사용자의 보행 의도를 감지하는 다중 센서 처리 시스템, 상기 시스템을 포함하는 보행 보조 장치 및 상기 장치를 제어하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 산업기술연구회의 연구로부터 도출된 것이다. [과제관리번호: 2008-PS-1-0004, 과제명: 다중 생체/역학센서 융합기술 개발]
고령화시대가 도래함에 따라 뇌졸중, 신체 마비의 장애인 수가 증가하고 있다. 이로 인해 최근 재활 산업(rehabilitation industry) 분야에서는 장애인의 식사, 의복 탈착 등 일상생활의 자립과 보행에 대한 수요가 증가하고 있으며, 2000년 이후 장애인용 재활 로봇(rehabilitation robot) 분야에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있는 추세이다.
재활(rehabilitation) 로봇 기술 분야에서는 보행 의도와 같은 사용자 의도를 감지할 수 있는 생체 센서의 개발과 제어 기술의 확보가 필요하다. 이에 따라 다양한 생체 신호 처리 기술이 연구 개발되고 있으나, 지금까지 연구 개발된 생체 신호 처리 기술로는 사용자의 보행 의도와 보행 단계를 실시간으로 정확하게 감지하는 데 한계가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 사용자의 보행 의도와 보행 단계를 실시간으로 감지하는 다중 센서 신호 처리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 시스템을 이용하여 사용자의 보행을 돕는 보행 보조 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 보행 보조 장치의 제어 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 상기 다중 센서 신호 처리 시스템은, 왼발의 보행을 돕는 왼쪽 모터와 오른발의 보행을 돕는 오른쪽 모터를 구동시키는 다중 센서 신호 처리 시스템에 있어서, 왼쪽 손바닥에 가해지는 힘에 대응하는 제1 센서 신호, 오른쪽 손바닥에 가해지는 힘에 대응하는 제2 센서 신호, 왼쪽 발바닥에 가해지는 힘에 대응하는 제3 센서 신호 및 오른쪽 발바닥에 가해지는 힘에 대응하는 제4 센서 신호를 유선 및 무선 통신 방식 중 어느 하나의 통신 방식에 따라 수신하는 유/무선 통신부와, 상기 제1 내지 제4 센서 신호를 전달받고, 상기 제1 및 제2 센서 신호의 크기를 기설정된 임계치와 비교하여 사용자의 보행 의도를 분석하고, 분석 결과 사용자의 보행 의도가 확인되면, 상기 제3 센서 신호에 응답하여 제1 보행 의도 신호를 출력하고, 상기 제4 센서 신호에 응답하여 제2 보행 의도 신호를 출력하는 센서 정보 처리부 및 상기 왼쪽 모터를 구동시키기 위하여 상기 제1 보행 의도 신호에 응답하여 제1 구동 신호를 생성하고, 상기 오른쪽 모터를 구동시키기 위하여 상기 제2 보행 의도 신호에 응답하여 제2 구동신호를 생성하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 다른 일면에 따른 상기 시스템을 이용하여 사용자의 보행을 돕는 보행 보조 장치는, 지팡이를 통해 손바닥에 가해지는 힘을 감지하여 손바닥 센서 신호를 생성하는 손바닥 센서부와, 지면을 통해 발바닥에 가해지는 힘을 감지하여 발바닥 센서 신호를 생성하는 센서부와, 상기 손바닥 센서 신호를 이용하여 사용자의 보행 의도를 확인하고, 상기 보행 의도가 있는 것으로 확인되면, 상기 발바닥 센서 신호에 응답하여 구동 신호를 생성하는 휴대용 정보 처리부 및 상기 사용자의 왼쪽 다리에 부착된 왼쪽 모터와 상기 사용자의 오른쪽 다리에 부착된 오른쪽 모터를 포함하고, 상기 구동 신호에 응답하여 상기 왼쪽 모터와 오른쪽 모터가 구동되어, 상기 사용자의 보행을 돕는 보행 보조 기구를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일면에 따른 상기 보행 보조 장치의 제어 방법은, 지팡이를 통해 손바닥에 가해지는 힘을 감지하여 손바닥 센서 신호를 생성하고, 지면을 통해 발바닥에 가해지는 힘을 감지하여 발바닥 센서 신호를 생성하는 단계와, 상기 손바닥 센서 신호의 크기와 기 설정된 임계치를 비교하여, 사용자의 보행 의도를 판단하는 단계와, 상기 보행 의도가 있는 것으로 확인되면, 상기 발바닥 센서 신호에 응답하여 구동 신호를 생성하는 단계 및 상기 구동 신호에 응답하여 상기 사용자의 하반신에 착용된 보행 보조 장치의 모터를 구동하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 손바닥에 가해지는 힘을 감지하는 손바닥 센서부에 의해 감지된 센서 신호를 이용하여 사용자의 보행 의도가 실시간으로 감지되고, 사용자의 보행 의도가 감지되면, 발바닥에 가해지는 힘을 감지하는 발바닥 센서부에 의해 감지된 센서 신호를 이용하여 사용자의 보행 단계가 실시간으로 감지될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 센서 신호 처리 시스템의 전체 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 휴대형 정보처리부의 내부 구성의 일례를 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 정보 수집부를 보여주는 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 정보 수집부에서 수집된 제1 내지 제4 센서 신호의 파형도이다.
도 5는 도 2에 도시된 센서 정보 처리부가 정보 수집부에서 수집된 정보를 이용하여 사용자의 보행 의도를 파악하는 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 도 2에 도시된 제어부에서 보행 보조 기기를 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 각 도면을 이해함에 있어서, 동일한 부재는 가능한 한 동일한 참조부호로 도시하고자 함에 유의해야 한다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 센서 신호 처리 시스템의 전체 구성을 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 센서 신호 처리 시스템(100)은 제1 내지 제4 FSR(Force Sensing Resistor) 센서부(122, 124, 126, 128), 손목 부착부(130) 및 휴대형 정보처리부(140)를 포함하며, 도 1에는 다중 센서 신호 처리 시스템이 제어에 따라 구동되는 보행 보조 기구(110)가 나타난다.
제1 내지 제4 FSR 센서부(122, 124, 126, 128) 각각은 FSR 센서를 구비하며, 보행이 어려운 사용자의 보행 의도 및 보행 단계를 감지하기 위한 제1 내지 제4 FSR 센서부(122, 124, 126, 128)가 손바닥과 발바닥에 각각 부착된다. FSR 센서는 저항값 변동에 따라 서로 다른 크기의 전압을 출력값으로서 출력한다. 이 출력값들은 휴대형 정보처리부로 전달된다.
손목 부착부(130)는 사용자의 보행 시작을 알리는 정보와 보행 중단을 알리는 정보를 휴대형 정보처리부(140)로 전달하는 모듈로서, 사용자의 손목에 부착된다.
휴대형 정보처리부(140)는 제1 내지 제4 FSR 센서부(122, 124, 126, 128)와 손목 부착부(122)로부터 각각 전달받은 정보를 이용하여 사용자의 보행 의도 및 보행 단계를 분석한다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 2를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
상기 다중 센서 신호 처리 시스템(100)은 하반신 마비와 같은 신체 장애가 있는 사용자의 보행을 가능케 하는 상기 보행 보조 기구(110)를 구동시키기 위하여 사용자의 손과 발에 가해지는 힘을 분석하고, 분석된 결과를 이용하여 사용자들의 보행 의도 및 보행 단계를 감지한다. 여기서 '보행 의도 감지'란 용어가 기술되는데, 이 보행 의도 감지는 사용자가 보행의 시작을 원하는지 아니면 보행의 종료를 원하는지를 감지하는 것을 의미하거나 또는 왼발 및 오른발의 움직임 상태가 어떠한지를 감지하는 것을 의미한다.
상기 다중 센서 신호 처리 시스템(100)은 사용자의 보행 의도 감지를 위하여 손목 부착부(130)에서 출력되는 보행 시작 신호(WM-on) 및 보행 중단 신호(WM-off)와, 왼쪽과 오른쪽 손바닥 및 왼쪽과 오른쪽 발바닥에 각각 부착된 제1 내지 제 4 FSR 센서부(122, 124, 126, 128)에서 각각 출력되는 제1 내지 제4 센서 신호(FSR_lH, FSR_rH, FSR_lF, FSR_rF)를 분석하고, 분석된 결과에 근거하여 사용자의 보행 의도를 파악한다.
분석된 결과를 통해 사용자의 보행 의도가 파악되면, 상기 휴대형 정보처리부(140)가 보행 보조 기구(110)에 장착된 모터와 같은 동력 수단을 구동시키는 구동 신호를 생성한다. 상기 보행 보조 기구(110)에 장착된 동력 수단은 상기 생성된 구동 신호에 응답하여 사용자들의 보행을 돕기 위한 구동을 시작한다.
도 2는 도 1에 도시된 휴대형 정보처리부의 내부 구성의 일례를 보여주는 블록도로서, 도 2에서는 도 1에 도시된 다중 센서 신호 처리 시스템을 장착한 사용자를 좌측에서 바라본 도면이므로, 제2 및 제4 FSR 센서(124, 128)가 도시되지 않는다.
도 2를 참조하면, 사용자가 지팡이(112)를 사용하는 경우, 사용자가 지팡이(112)를 이용하여 지면을 짚을 때 상기 지팡이(112)의 손잡이 부분을 통해 손바닥에 가해지는 힘과 발바닥에 체중이 실리는 힘을 제1 내지 제4 FSR 센서부들(122, 124, 126, 128)이 각각 감지한다. 감지된 정보들은 유선 또는 무선 통신방식에 따라 휴대형 정보처리부(140)로 전달된다.
상기 휴대형 정보처리부(140)는 상기 감지된 정보들을 분석하여 사용자의 보행 의도 및 보행 단계를 파악하기 위하여 유/무선 통신부(142), 정보 수집부(144), 센서 정보 처리부(146), 제어부(148)를 포함한다.
상기 유/무선 통신부(142)는 상기 제1 내지 제4 FSR 센서부(122, 124, 126, 128)에서 각각 감지된 제1 내지 제4 센서 신호(FSR_lH, FSR_rH, FSR_lF, FSR_rF)와 손목 부착부(130)에서 감지된 보행 시작 신호(WM-on) 및 보행 중단 신호(WM-off)를 유선 또는 무선 통신 방식으로 실시간으로 전달받아서, 상기 정보 수집부(140)로 전달한다. 상기 유/무선 통신부(142)는 유무선 통신 방식에 따라 제1 내지 제4 FSR 센서부(122, 124, 126, 128)로부터 센싱된 센싱 신호들을 전달받아서 정보 수집부(144)에 전송한다. 여기서, 상기 유/무선 통신부(142)가 무선 통신 방식에 따라 상기 센서 정보들을 수신하는 경우, 지그비(Zigbee)와 같은 무선 통신 방식이 사용될 수 있다.
상기 정보 수집부(144)는 전달받은 상기 제1 내지 제4 센서 신호(FSR_lH, FSR_rH, FSR_lF, FSR_rF)를 실시간으로 수집하고, 수집된 신호들을 상기 센서 정보 처리부(146)로 전달한다.
상기 센서 정보 처리부(146)는 상기 정보 수집부(140)에서 실시간을 수집한 센서 신호들(FSR_lH, FSR_rH, FSR_lF, FSR_rF)을 분석하여 사용자의 손바닥과 발바닥에 가해지는 힘(또는 압력)의 크기를 계산하고, 계산 결과에 기초하여 사용자의 보행 의도 신호를 생성한다. 이때, 상기 센서 정보 처리부(146)는 상기 발바닥의 각 지점에 가해지는 힘의 위치를 확인하고, 확인된 결과에 따라 다수의 보행 의도 신호를 출력한다. 즉, 발칼 지점에 대응하는 센서 신호, 발끝 지점에 대응하는 센서 신호, 발바닥 지점에 대응하는 센서 신호 및 발뒤꿈치 지점에 대응하는 센서 신호에 따라 서로 다른 다수의 보행 의도 신호를 출력할 수 있다.
상기 제어부(148)는 상기 보행 의도 신호에 응답하여 상기 보행 보조 기구(110)를 구동시키기 위한 구동 신호를 생성하고, 상기 구동 신호를 상기 보행 보조 기구(110)로 전달한다.
보행 보조 기구(110)는 상기 구동 신호에 응답하여 모터를 구동시키고, 이에 따라 하반신 마비 환자와 같은 보행이 어려운 사용자의 보행을 돕는다. 특히, 상기 제어부(148)는 서로 다른 다수의 보행 의도 신호에 따라 서로 다른 다수의 구동 신호를 상기 보행 보조 기구(110)로 전송하여 도 4에서 설명하는 보행 단계에 따라 보행 보조 기구(110)에 포함된 모터를 구동시킨다.
도 3은 도 2에 도시된 정보 수집부를 보여주는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 휴대형 정보처리부(140)에 포함된 정보 수집부(144)는 상기 유/무선 통신부(142)를 통해 전달받은 제1 내지 제4 FSR 센서 신호(FSR_rF)와 손목 부착부(130)로부터 출력되는 정보를 수집한다. 이를 위하여 상기 정보 수집부(144)는 제1 내지 제3 정보 수집 모듈(144A, 144B, 144C)을 포함한다.
상기 제1 정보 수집 모듈(144A)은 상기 유/무선 통신부(142)를 통해 상기 손목 부착부(130)에서 생성된 보행 시작 신호(WM_on : Walking_ Mode on) 및 보행 중단 신호(WM_off : Walking_Mode off)를 포함하는 보행 신호를 전달받아서 수집한다. 상기 손목 부착부(130)는 버튼(도시되지 않음)과 같은 사용자 입력 수단을 포함하고, 사용자에 의한 상기 버튼의 누름 동작에 따라 보행 시작을 알리는 보행 시작 신호(WM_on : Walking_Mode on) 및 보행 중단을 알리는 보행 중단 신호(WM_off : Walking_Mode off)를 생성한다.
상기 제2 정보 수집 모듈(144B)은 상기 유/무선 통신부(142)를 통해 왼쪽 손바닥에 부착된 제1 FSR 센서부(122)와 오른쪽 손바닥에 부착된 제2 FSR 센서부(124)에서 각각 생성된 제1 및 제2 센서 신호(FSR_lH, FSR_rH)를 전달받고, 이를 수집한다.
상기 제3 정보 수집 모듈(144C)은 상기 유/무선 통신부(142)를 통해 왼쪽 발바닥에 부착된 제3 FSR 센서부(126)와 오른쪽 발바닥에 부착된 제4 FSR 센서부(128)에서 각각 생성된 제3 및 제4 센서 신호(FSR_lF, FSR_rF)를 전달받아서 수집한다. 상기 제3 및 제4 센서 신호(FSR_lF, FSR_rF)는 발바닥에서 측정되는 센서 정보로서, 환자가 보행 시 발을 지면에 디딜 때 발바닥에 가해지는 힘의 크기 정보를 전압값의 형태로 나타날 수 있다. 이 신호들(FSR_lF, FSR_rF)은 사용자의 보행 단계를 감지하기 위한 정보로서 이용된다.
이러한 제1 내지 제3 정보 수집 모듈(144A, 144B, 144C)은 데이터를 일시적으로 저장한 후 이를 출력하는 버퍼 또는 레지스터와 같은 디지털 전자 회로 등으로 구현될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 정보 수집부에서 수집된 제1 내지 제4 센서 신호의 파형도로서, 상기 제1 내지 제4 센서 신호를 이용하여 사용자의 보행단계를 설명하기 위한 파형도이다. 설명의 이해를 돕기 위하여, 도 3을 함께 참조한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 먼저, 사용자가 보행 중단 상태인 경우, 즉, 도 3의 제1 정보 수집 모듈(144A)이 손목 부착부(130)로부터 보행 중단 신호(WM_off)를 수집하는 경우, 사용자의 양쪽 발바닥으로부터 감지된 제3 및 제4 센서 신호(FSR_lF, FSR_rF)가 모두 수집된다.
이후, 사용자가 오른발을 사용하여 보행을 시작하는 경우, 즉, 제1 정보 수집 모듈(144A)이 보행 시작 신호(WM_on)의 수집을 시작하는 경우, 사용자의 오른쪽 발 뒤꿈치로부터 감지된 제4 센서 신호(FSR_rF)를 통해 보행의 시작이 감지된다. 즉, 오른쪽 발바닥에 부착된 제4 FSR 센서부(128)로부터의 제4 센서 신호(FSR_rF)의 수신이 중단되거나, 급격히 감소한 후(오른발이 공중에 뜬 상태), 상기 제4 센서 신호(FSR_rF)가 다시 수신될 때, 보행의 시작이 감지된다. 이때, 상기 제4 센서 신호(FSR_rF)는 오른쪽 발 뒤꿈치가 지면에 접촉할 때 감지되는 오른쪽 발 뒤꿈침 신호, 상기 오른쪽 발 뒤꿈치가 지면에 접촉한 상태에서 오른쪽 발바닥이 지면에 접촉할 때 감지되는 오른쪽 발바닥 신호, 상기 오른쪽 발뒤꿈치와 오른쪽 발바닥이 지면에 접촉한 상태에서 오른쪽 발칼이 지면에 접촉할 때 감지되는 오른쪽 발칼 신호 및 오른쪽 발끝이 지면에 접촉할 때 감지되는 오른쪽 발끝 신호를 포함한다. 마찬가지로, 왼쪽 발에 대응하는 제3 센서 신호(FSR_lF)는 왼쪽 발뒤꿈치 신호, 왼쪽 발바닥 신호, 왼쪽 발칼 신호 및 왼쪽 발끝 신호를 포함한다.
사용자의 보행 단계는 크게 8가지의 단계로서, 초기 접지기(IC : Initial Contact), 하중 반응기(LR: Loading Response), 중간 입각기(MS: Mid Stance), 말기 입각기(TS: Terminal Stance), 전 유각기(PS: Pre Swing), 초기 유각기(IS: Initial Swing), 중간 유각기(MS: Mid Swing) 및 말기 유각기(TS: Terminal Swing)로 구분되는 총 8가지의 단계를 포함한다.
상기 초기 접지기(IC)는 오른쪽 발 뒤꿈치가 지면에 닿기 시작하는 시점이다.
상기 하중 반응기(LR)에서는, 오른쪽 발바닥에 부착된 제4 FSR 센서부(128)로부터 오른쪽 발 전체 신호 즉, 상기 발뒤꿈치 신호, 상기 발바닥 신호, 상기 발칼 신호 및 상기 발끝 신호를 모두 포함하는 제4 센서 신호(FSR_rF)가 나타나기 시작한다. 이때 왼쪽 발바닥에 부착된 제3 FSR 센서부(126)로부터 수신되는 제3 센서 신호(FSR_lF) 즉, 왼쪽 발 전체 신호는 사라진다.
상기 중간 입각기(MS)에서는, 상기 오른쪽 발 전체 신호가 최대 레벨 근처까지 증가하고, 이때, 왼쪽 발 전체 신호 즉, 상기 제3 센서 신호(FSR_lF)는 사라진다.
상기 말기 입각기(TS)에서는, 상기 제4 센서 신호(FSR_rF)에 포함된 오른쪽 발뒤꿈치 신호가 사라지고, 상기 제3 센서 신호(FSR_lF)에 포함된 왼쪽 발뒤꿈치 신호가 나타난다.
상기 전 유각기(PS)에서는, 오른쪽 발끝 신호를 제외한 제4 센서 신호(FSR_rF)에 포함된 모든 신호들이 사라지고, 왼쪽 발 전체 신호 즉, 왼쪽 발뒤꿈치 신호, 왼쪽 발바닥 신호, 왼쪽 발칼 신호 및 왼쪽 발끝 신호가 모두 포함된 제3 센서 신호(FSR_lF)가 나타난다.
상기 초기 유각기(IS)에서는, 오른쪽 발 전체 신호, 즉, 제3 센서 신호(FSR_rF)에 포함된 모든 신호들이 사라지고 왼쪽 발 전체의 신호(FSR_lF)가 증가한다.
상기 중간 유각기(MS)에서는, 오른쪽 발 전체 신호(FSR_rF)는 존재하지 않으며, 제3 센서 신호(FSR_lF)에 포함된 모든 신호가 최대레벨에 도달한다.
상기 말기 유각기(TS)에서는, 제4 센서 신호(FSR_rF)에 포함된 오른쪽 발뒤꿈치 신호가 다시 나타나고, 동시에 제3 센서 신호(FSR_lF)에 포함된 왼쪽 발뒤꿈치 신호(FSR_lF)가 사라진다.
도 5는 도 2에 도시된 센서 정보 처리부가 정보 수집부에서 수집된 정보를 이용하여 사용자의 보행 의도를 파악하는 과정을 설명하기 위한 순서도이다. 설명의 이해를 돕기 위하여, 도 2가 함께 참조된다.
도 5 및 도 2를 참조하면, 먼저, 손목 부착부(130)로부터의 보행 신호가 정보 수집부(144)를 통해 센서 정보 처리부(146)에서 수신된다(S510).
상기 수신된 보행 신호가 보행 시작 신호(WM_on)이면(S520), 제1 및 제2 FSR 센서부(122, 124)로부터 제1 및 제2 센서 신호(FSR_lH, FSR_rH)가 상기 정보 수집부(144)를 통해 상기 센서 정보 처리부(146)에 수신된다(S530). 상기 센서 정보 처리부(146)는 수신된 제1 및 제2 센서 신호(FSR_lH, FSR_rH)가 상기 센서 정보 처리부(146)에 의해 분석된다.
이어, 분석 결과, 손바닥에 대응하는 상기 제1 센서 신호(FSR_lH) 또는 제2 센서 신호(FSR_rH)의 크기가 기 설정된 임계치(th)보다 큰 경우, 발바닥에 대응하는 제3 또는 제 4 센서 신호(FSR_lF, FSR_rF)가 수신되고, 수신된 제3 또는 제4 센서 신호(FSR_lF, FSR_rF)가 상기 센서 정보 처리부(146)에 의해 분석된다. 즉, 상기 제1 센서 신호(FSR_lH) 또는 제2 센서 신호(FSR_rH)가 상기 기 설정된 임계치보다 크면, 사용자가 지팡이(112)에 힘을 가했다는 것을 의미하며, 보행을 위해 제3 및 제4 센서 신호(FSR_lF, FSR_rF)의 분석이 시작된다.
만약, 사용자의 오른발이 지면에 접촉하면, 센서 정보 처리부(146)는 상기 정보 수집부(144)를 통해 수신된 신호를 분석하고, 분석결과 수신된 신호가 제3 센서 신호(FSR_lF)이면(S560), 상기 센서 정보 처리부(146)는 사용자가 왼쪽 발로 보행하고자 하는 의도로 파악하고, 파악한 결과를 보행 의도 신호로서 상기 제어부(148)로 전달한다. 여기서, 상기 보행 의도 신호는 사용자가 왼쪽 발로 보행하고자 하는 의도를 나타내는 제1 보행 의도 신호 및 상기 사용자가 오른쪽 발로 보행하고자 하는 의도를 나타내는 제2 보행 의도 신호를 포함한다. 따라서, 상기 센서 정보 처리부(146)는 수신된 신호가 제3 센서 신호(FSR_lF)이면(S570), 제1 보행 의도 신호를 제어부(148)로 출력하고, 수신된 신호가 제4 센서 신호(FSR_rF)이면(S570), 제2 보행 의도 신호를 제어부(148)로 출력한다.
이후, 상기 제어부(148)는 상기 보행 의도 신호에 응답하여 보행 보조 기기(110)에 장착된 모터를 구동시키는 구동 신호를 유무선 통신 방식에 따라 상기 보행 보조 기기(110)에 전송한다. 상기 구동 신호는 왼발 부근에 장착된 왼발 모터를 구동시키는 제1 구동 신호 및 오른발 부근에 장착된 오른발 모터를 구동시키는 제2 구동 신호를 포함한다. 즉, 상기 제어부(148)는 제1 보행 의도 신호에 응답하여 제1 구동 신호를 생성하고, 제2 보행 의도 신호에 응답하여 제2 구동 신호를 생성한다. 생성된 제1 및 제2 구동 신호는 보행 보조 기기로 전송되고, 제1 구동 신호에 응답하여 보행 보조 기기에 장착된 상기 왼발 모터가 구동되고(S580), 상기 제2 구동 신호에 응답하여 상기 오른발 모터가 구동된다(S590).
한편, 상기 센서 정보 처리부(146)가 보행 중단 신호(WM_off)를 입력받으면, 사용자가 보행 의도가 없는 것으로 분석하고, 상기 보행 중단 신호(WM_off)에 응답하여 종료 신호를 생성하여 제어부(148)로 전달한다. 제어부(148)는 상기 종료 신호에 응답하여 구동 중단 신호를 생성하여 대응하는 모터로 전송하고. 구동 중단 신호를 전송받은 모터는 구동을 중단한다.
지금까지 설명한 과정들(S510, S520, S530, S540, S550, S560, S570, S580 및 S590)은 센서 정보 처리부에 보행 중단 신호(WM_off)가 입력될 때까지 계속 반복된다.
도 6은 도 2에 도시된 제어부에서 보행 보조 기기를 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 보행 보조 기기를 제어하는 단계는 제1 내지 제4 단계를 포함한다. 상기 제1 단계(SW: SWing)는 발을 공중으로 들어올리는 단계이고, 상기 제2 단계(HS: Heel Strike)는 발 뒤꿈치가 지면에 닿는 단계이고, 상기 제3 단계(FF: Foot Flat)는 발바닥 전체가 지면에 닿는 단계이고, 상기 제4 단계(HO: Heel Off)는 발뒤꿈치가 지면에서 떨어지는 단계이다.
보행 시작 전(WM_off), 양쪽 발의 센서 신호들(FSR_lF, FSR_rF)은 발바닥의 모든 지점, 즉, 발뒤꿈치 지점, 발칼 지점, 발바닥 지점 및 발끝 지점에서 센싱된다. 따라서, 양쪽 발에 부착된 제3 및 제4 FSR 센서부(126, 128) 각각은 발뒤꿈치에 부착된 센서, 발칼에 부착된 센서, 발바닥에 부착된 센서 및 발끝에 부착된 센서를 포함한다.
보행 보조 기구(110)는 오른발을 담당하는 모터를 구동하여 고관절과 무릅관절을 굽히면서 오른발의 뒤꿈치를 들어올린다(HO). 이때 오른발 모터는 계속해서 고관절과 슬관절을 굽히면서 오른발에 대응하는 제4 센서 신호(FSR_rF)가 사라지기 전까지 오른발을 들어올린다(SW). 상기 제4 센서 신호(FSR_rF)가 사라질 때, 오른발 모터는 고관절과 슬관절을 뻗어 오른발 뒤꿈치를 지면에 닿게 하고(HS), 무게 중심을 오른쪽으로 이동시켜 오른쪽 발바닥 전체가 지면에 닿게 한다(FF). 이후, 왼발 모터의 구동에 따라 왼쪽 발의 뒤꿈치가 올라간다(HO).
왼발의 제3 센서 신호(FSR_lF)가 사라질 때까지 상기 왼발 모터가 구동하여, 왼발을 들어 올리다가(SW) 상기 제3 센서 신호(FSR_lF)가 사라지면 고관절과 슬관절을 뻗어, 다리가 지면에 닿도록 한다(HS). 동시에 무게 중심을 왼쪽으로 이동시켜 왼발 전체가 바닥면에 닿게 하고(FF), 오른발 모터를 구동하여 오른쪽 발의 뒤꿈치를 올리도록 한다(HO). 이러한 과정은 휴대용 정보 처리부(140)가 손목 부착부(130)로부터 보행 중단 신호(WM_off)를 입력받을 때까지 계속 반복된다.
상기 휴대용 정보 처리부(140)가 상기 보행 중단 신호(WM_off)를 입력받으면, 상기 휴대용 처리부에 포함된 제어부(148)는 사용자가 보행을 하는 동안(WM_on), 오른발 또는 왼발을 들어올린 후(SW), 고관절과 무릎관절이 뻗는 각의 1/2 만큼만 뻗어 바닥면에 발을 내딛게 함으로써(FF), 지지하고 있는 반대쪽 발과 동일한 지점에 위치하게 한다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 왼발의 보행을 돕는 왼쪽 모터와 오른발의 보행을 돕는 오른쪽 모터를 구동시키는 다중 센서 신호 처리 시스템에 있어서,
    왼쪽 손바닥에 가해지는 힘에 대응하는 제1 센서 신호, 오른쪽 손바닥에 가해지는 힘에 대응하는 제2 센서 신호, 왼쪽 발바닥에 가해지는 힘에 대응하는 제3 센서 신호 및 오른쪽 발바닥에 가해지는 힘에 대응하는 제4 센서 신호를 유선 및 무선 통신 방식 중 어느 하나의 통신 방식에 따라 실시간으로 수신하는 유/무선 통신부;
    상기 제1 내지 제4 센서 신호를 전달받고, 상기 제1 및 제2 센서 신호의 크기를 기설정된 임계치와 비교하여 사용자의 보행 의도를 분석하고, 분석 결과 사용자의 보행 의도가 확인되면, 상기 제3 센서 신호에 응답하여 제1 보행 의도 신호를 출력하고, 상기 제4 센서 신호에 응답하여 제2 보행 의도 신호를 출력하는 센서 정보 처리부; 및
    상기 왼쪽 모터를 구동시키기 위하여 상기 제1 보행 의도 신호에 응답하여 제1 구동 신호를 생성하고, 상기 오른쪽 모터를 구동시키기 위하여 상기 제2 보행 의도 신호에 응답하여 제2 구동신호를 생성하는 제어부
    를 포함하는 다중 센서 신호 처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 왼쪽 손바닥에 부착되어, 상기 왼쪽 손바닥에 가해지는 힘에 따라 서로 다른 크기의 전압을 상기 제1 센서 신호로서 출력하는 제1 센서부;
    상기 오른쪽 손바닥에 부착되어, 상기 오른쪽 손바닥에 가해지는 힘에 따라 서로 다른 크기의 전압을 상기 제2 센서 신호로서 출력하는 제2 센서부;
    상기 왼쪽 발바닥에 부착되어, 상기 왼쪽 발바닥에 가해지는 힘에 따라 서로 다른 크기의 전압을 상기 제3 센서 신호로서 출력하는 제3 센서부; 및
    상기 오른쪽 발바닥에 부착되어, 상기 오른쪽 발바닥에 가해지는 힘에 따라 서로 다른 크기의 전압을 상기 제4 센서 신호로서 출력하는 제4 센서부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 센서 신호 처리 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 센서부 각각은,
    상기 힘의 크기에 따라 저항값이 변동되고, 변동되는 상기 저항값에 따라 서로 다른 크기의 전압을 출력하는 FSR(Force Sensing Resister) 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 센서 신호 처리 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 센서부 각각은,
    지팡이가 상기 왼쪽 손바닥 및 상기 오른쪽 손바닥에 가해지는 힘에 따라 상기 제1 및 제2 센서 신호를 각각 출력하는 것을 특징으로 하는 다중 센서 신호 처리 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 사용자의 손목에 부착되어, 상기 사용자의 조작에 따라 보행 시작 신호 및 보행 중단 신호를 생성하여, 상기 유선 및 무선 통신방식 중 어느 하나의 통신방식에 따라 상기 유/무선 통신부로 전송하는 손목 부착부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 센서 신호 처리 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 센서 정보 처리부는,
    상기 보행 시작 신호를 입력받은 후, 상기 사용자의 보행 의도 여부를 분석하는 것을 특징으로 하는 다중 센서 신호 처리 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 센서 정보 처리부는,
    상기 보행 시작 신호를 입력받은 후, 상기 제1 및 제2 센서 신호 중 어느 하나가 상기 기설정된 임계치보다 크면, 상기 사용자가 보행 의도가 있는 것으로 분석하는 것을 특징으로 하는 다중 센서 신호 처리 시스템.
  8. 제5항에 있어서, 상기 센서 정보 처리부는,
    상기 보행 중단 신호를 입력받으면, 상기 사용자가 보행 의도가 없는 것으로 분석하는 것을 특징으로 하는 다중 센서 신호 처리 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 센서 정보 처리부는,
    상기 보행 중단 신호에 응답하여 종료 신호를 생성하고, 상기 생성된 종료 신호를 상기 왼발 모터 및 상기 오른발 모터로 전송하여, 상기 왼발 모터 및 상기 오른발 모터의 구동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 다중 센서 신호 처리 시스템.
  10. 지팡이를 통해 손바닥에 가해지는 힘을 감지하여 손바닥 센서 신호를 생성하는 손바닥 센서부와, 지면을 통해 발바닥에 가해지는 힘을 감지하여 발바닥 센서 신호를 생성하는 발바닥 센서부를 포함하는 센서부;
    상기 손바닥 센서 신호를 이용하여 사용자의 보행 의도를 확인하고, 상기 보행 의도가 있는 것으로 확인되면, 상기 발바닥 센서 신호에 응답하여 구동 신호를 생성하는 휴대용 정보 처리부; 및
    상기 사용자의 왼쪽 다리에 부착된 왼쪽 모터와 상기 사용자의 오른쪽 다리에 부착된 오른쪽 모터를 포함하고, 상기 구동 신호에 응답하여 상기 왼쪽 모터와 상기 오른쪽 모터를 구동하는 보행 보조 기구
    를 포함하는 보행 보조 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 휴대용 정보 처리부는,
    상기 손바닥 센서 신호와 상기 발바닥 센서 신호를 유선 및 무선 통신 방식 중 어느 하나의 통신 방식에 따라 전송받는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 사용자의 손목에 부착되고, 상기 사용자의 조작에 따라 보행 시작 신호 및 보행 중단 신호를 생성하여, 상기 어느 하나의 통신방식에 따라 상기 휴대용 정보 처리부로 전송하는 손목 부착부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 휴대용 정보 처리부는,
    상기 보행 시작 신호 및 보행 중단 신호, 상기 손바닥 센서 신호 및 상기 발바닥 센서 신호를 개별적으로 수집하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 휴대용 정보 처리부는,
    상기 보행 시작 신호 및 보행 중단 신호를 수집하는 제1 정보 수집 모듈;
    상기 손바닥 센서 신호를 수집하는 제2 정보 수집 모듈; 및
    상기 발바닥 센서 신호를 수집하는 제3 정보 수집 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 휴대용 정보 처리부는,
    상기 보행 시작 신호를 수신하고, 상기 손바닥 센서 신호의 크기가 기설정된 임계치보다 크면, 상기 사용자가 보행 의도가 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장치.
  16. 지팡이를 통해 손바닥에 가해지는 힘을 감지하여 손바닥 센서 신호를 생성하고, 지면을 통해 발바닥에 가해지는 힘을 감지하여 발바닥 센서 신호를 생성하는 단계;
    상기 손바닥 센서 신호의 크기와 기 설정된 임계치를 비교하여, 사용자의 보행 의도를 판단하는 단계;
    상기 보행 의도가 있는 것으로 확인되면, 상기 발바닥 센서 신호에 응답하여 구동 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 구동 신호에 응답하여 상기 사용자의 하반신에 착용된 보행 보조 장치의 모터를 구동하는 단계
    를 포함하는 보행 보조 장치의 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 발바닥 센서 신호는,
    발뒤꿈치 지점에 대응하는 발뒤꿈치 신호, 발칼 지점에 대응하는 발칼 신호, 발바닥 지점에 대응하는 발바닥 신호 및 발끝 지점에 대응하는 발끝 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장치의 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 구동 신호를 생성하는 단계는,
    상기 발뒤꿈치 신호, 발칼 신호, 상기 발바닥 신호 및 발끝 신호에 따라 서로 다른 다수의 구동 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장치의 제어 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 보행 보조 기구의 모터를 구동하는 단계는,
    상기 서로 다른 다수의 구동 신호에 대응하는 보행 단계에 따라 보행 보조 기구에 포함된 모터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장치의 제어 방법.
  20. 제16항에 있어서, 사용자의 손목에 부착된 손목 부착 모듈을 통해 보행의 시작 및 종료를 알리는 보행 시작 신호 및 보행 종료 신호를 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 보행 시작 신호가 생성된 이후, 상기 손바닥 센서 신호의 크기가 기 설정된 임계치보다 크면, 사용자가 보행 의도가 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 보조 장치의 제어 방법.
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