KR101494779B1 - System and method of human gait phase classification for controlling robots - Google Patents

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김희영
왕지현
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국방과학연구소
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Abstract

Provided in the present invention is a gait phase classification system classifying a gait phase of a wearer for robots or systems similar to the same, which comprises a sensor unit sensing a ground reaction force (GRF) generated from the ground upon the gait of the wearer; and a controlling unit receiving the ground reaction force from the sensor unit and infers the gait phase state of the wearer by a supervised learning method based on the received ground reaction force to produce information of the gait phase state of the wearer by using the ground reaction force measured in the sensor unit.

Description

로봇 제어를 위한 착용자의 보행단계구분 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD OF HUMAN GAIT PHASE CLASSIFICATION FOR CONTROLLING ROBOTS}Technical Field [0001] The present invention relates to a system and a method for discriminating a walking phase of a wearer for controlling a robot,

본원발명은 착용자의 보행능력을 강화하거나 보조하는 로봇 또는 이와 유사한 시스템에 있어서, 인간의 보행단계를 구분하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for classifying human walking steps in a robot or similar system that enhances or assists a wearer ' s walking ability.

일반적으로, 하지근력증강로봇은 인간의 하체에 착용하여 보행능력을 강화하거나 보조하기 위한 장비로 재활의료, 국방 및 재난구조 등 다양한 분야에서 반복적인 동작을 통해 치료를 돕거나 고하중물을 이송하는데 도움 주기 위해 연구 및 개발 중이다. 인간의 보행능력을 지지하기 위해서는 인간의 보행동작분석을 통해 각 행위에 적절한 움직임(Motion)을 로봇의 구동기를 이용해 생성 또는 제어하게 된다.Generally, the leg-strength-strengthening robot is a device for reinforcing or assisting the walking ability by worn on the lower body of human being. It is used for various purposes such as rehabilitation medical care, defense and disaster relief. We are researching and developing to help. In order to support human walking ability, appropriate motion for each action is generated or controlled by a robot driver by analyzing human walking motion.

인간의 보행단계상태는 각 구간별로 4단계씩 총 8단계로 세분된다. 보다 구체적으로, 인간의 보행은 두 다리를 사용해 몸의 하중을 다리로 견디는 지지(support)와 다리를 내딛어 앞으로 나아가는 추진(propulsion)등 두 행위를 반복하며 이동하는 방법이다. 아래의 그림을 참조하면, 보행단계에서 지지행위는 입각구간(stance phase)으로, 추진행위는 유각구간(swing phase)으로 표현된다. 보행 중 다리가 지면에 닿을 때 지면반력(GRF,ground reaction force)이 발바닥 부위에 형성된다. 상기 지면반력이 형성되는 보행단계는 입각구간의 모든 단계와 유각구간의 사전유각 단계 등 총 5단계에서 관측된다.The state of human walking phase is divided into 8 steps in 4 steps for each section. More specifically, human walking is a method of using two legs to move the weight of the body by supporting both the legs and the propulsion. As shown in the figure below, the supporting action in the walking phase is expressed as a stance phase and the propulsion action is represented as a swing phase. A ground reaction force (GRF) is formed at the soles of the soles when the leg contacts the ground during walking. The walking step in which the ground reaction force is formed is observed in all five stages including all stages of the stomach section and pre-stomach section of the stomach section.

Figure 112014054980780-pat00001
Figure 112014054980780-pat00001

인간의 보행은 입각구간일 때와 유각구간일 때의 특성이 달라지기 때문에 상기 로봇은 제어모드를 입각제어모드와 유각제어모드로 구분하여 작동한다. 입각제어모드에서는 로봇이 착용자가 지지하는 하중을 대신 견디면서 다리의 움직임에 따라 동작해야하기 때문에 큰 구동력을 생성하면서 다리동작을 추종하도록 구성된다.Since the characteristics of human walking are different between when the human body is in the stance section and when the human body is in the stance section, the robot operates by dividing the control mode into the angular control mode and the stance control mode. In the stance control mode, the robot is designed to follow the leg motion while generating a large driving force because the robot must be able to withstand the load supported by the wearer and to operate in accordance with the movement of the leg.

반면, 유각제어모드에서는 착용자의 다리가 지면과 떨어져 있어서 큰 구동력이 필요하지 않다. 하지만 착용자의 다리가 짧은 시간 동안 크게 움직이기 때문에 이 다리동작을 빠르게 추종하도록 구성된다. On the other hand, in the ramp control mode, the wearer's leg is separated from the ground, so that a large driving force is not required. However, the wearer ' s legs are configured to quickly follow the leg motion as they move for a short time.

로봇은 상기 2개의 제어모드를 결정하기 위해 보행단계상태 정보를 이용한다. 로봇의 제어모드 전환에 필요한 보행단계상태 정보는 초기접촉, 입각, 사전유각, 유각 등 4단계가 필요하며 이들의 특징은 다음과 같다.The robot uses the walking state information to determine the two control modes. The walking state information necessary for the control mode switching of the robot requires four steps including initial contact, angle of attack, advance angle of attack, and angle of attack.

(1) 초기접촉(Initial contact):입각구간에 돌입하는 첫 단계로 착용자의 발뒤꿈치 부분에서 지면반력이 관측됨.(1) Initial contact: In the first step, the ground reaction force is observed at the heel of the wearer.

(2) 입각(Stance):초기접촉을 제외한 입각구간의 모든 단계로 발바닥에서 지면반력이 관측됨.(2) Stance: The ground reaction force is observed at the sole at all stages of the stance section excluding the initial contact.

(3) 사전유각(Pre-swing):유각구간에 돌입하는 첫 단계로 발가락끝 부분에서 지면반력이 관측됨.(3) Pre-swing: As the first step to enter the ramp, the ground reaction force is observed at the tip of the toe.

(4) 유각(Swing):사전유각을 제외한 유각구간의 모든 단계로 지면반력이 관측되지 않음.(4) Swing: Ground reaction force is not observed at all stages of the ramp section excluding the pre-ramp.

인간의 보행단계상태에 대하여 이상에서 설명한 바와 같이, 보행동작을 크게 구분하면 서 있는 상태인 입각(Stance)과 다리를 앞으로 내미는 단계인 유각(Swing)으로 나뉜다. 보행의 효과 중 입각 상태에서는 다리가 인간의 하중을 지지하게 되고, 유각 상태에서는 다리를 앞으로 이동시켜 전진하는 등 추진을 하게 된다. 이에 따라 로봇은 각 보행 행위별로 상이한 제어 명령을 수행하게 되는데 이를 판단하기 위한 보행단계구분 시스템이 필요하다.As described above with respect to the walking state of a human being, it is divided into a stance, which is a state in which the walking operation is largely divided, and a swing, which is a step of forwarding the leg forward. During the effect of walking, the legs support the load of the human being in the stance state, and when the stance is carried out, the legs are moved forward and the forward is propelled. Accordingly, the robot performs a different control command for each walking behavior, and a walking step classification system is required to determine the control command.

종래의 기술에 따른 보행단계구분 시스템은 일반적으로 로봇과 지면이 닿는 로봇 하단부 또는 로봇 착용자의 발바닥면에 센서를 설치하여 다리가 지면과 닿을 때마다 발생하는 지면반력을 통해 각 보행단계를 구분하게 된다. 또한 종래의 보행단계구분 시스템은 각 보행단계를 구분하기 위해 임의로 설정된 임계치를 기준으로 센서값을 보행상태로 직접 변환하기 때문에 관측된 센서 값에 따라 잘못된 정보를 제공할 수 있다.In the gait step classification system according to the related art, generally, a sensor is installed on the bottom of the robot or on the foot surface of the wearer of the robot, and the gait phase is divided by the ground reaction force generated when the leg contacts the ground . In addition, since the conventional walking step classification system directly converts a sensor value into a walking state based on a threshold value set arbitrarily in order to distinguish each walking step, erroneous information can be provided according to the observed sensor value.

예를 들어, 도 1은 지면반력을 측정하는 센서로부터 얻어진 데이터를 나타낸 그래프이다. 도 1을 참조하면, 상기 센서로부터 획득한 지면반력 정보는 착용자의 인체적 특징에 따라 측정 패턴 및 경향성이 달라지거나 로봇이 운용되는 실내 및 실외환경 등에 따른 잡음들이 발생하여, 센서의 켜짐과 꺼짐의 조합에 따라 단순히 역치를 활용하거나 정립된 정보를 이용하는 경우 정확한 정보를 제공하기 어려울 수 있다. 또한 상황에 적절한 역치를 결정하기 위한 임계치 최적화 문제가 뒤따른다. For example, FIG. 1 is a graph showing data obtained from a sensor measuring a ground reaction force. Referring to FIG. 1, the ground reaction force information obtained from the sensor varies depending on the human body characteristic of the wearer, and the noise and the like are generated in the indoor and outdoor environments in which the robot is operated, It may be difficult to provide accurate information if you simply use thresholds or use established information depending on the combination. There is also a threshold optimization problem to determine the appropriate threshold for the situation.

따라서, 상기 센서의 특성들을 극복하면서 착용자의 보행단계에 대한 정보를 보다 정확하게 제공하는 시스템 및 방법의 개발이 고려될 수 있다.Therefore, development of a system and method for providing more precise information on the walking step of the wearer while overcoming the characteristics of the sensor can be considered.

본 발명은 착용자 또는 환경 변화에 의한 잡음들이 포함된 지면반력 이용하면서도, 임계치 최적화 과정이 없이도 신뢰성 높은 보행단계 정보를 제공하는 보행단계구분 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a gait phase classification system and method that provides reliable gait phase information without using a threshold optimization process, while using ground reaction forces including noise due to wearer or environmental changes.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 보행단계구분 시스템은, 착용자의 보행에 따라 지면으로부터 발생되는 지면반력(GRF)을 측정하는 센서부, 및 상기 센서부에서 측정된 상기 지면반력을 이용하여 상기 착용자의 보행단계상태 정보를 생성하도록 상기 센서부로부터 상기 지면반력을 전달받고 전달받은 상기 지면반력을 기준으로 상기 착용자의 보행단계상태를 지도학습(supervised learning) 방법에 의해 유추하도록 이루어지는 제어부를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a walking step classification system including a sensor unit for measuring a ground reaction force (GRF) generated from the ground according to the wearer's walking, And a control unit for controlling the wearer so as to generate a gait step state information of the wearer using the ground reaction force measured by the gait measuring unit, And a control unit configured to infer by the method.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 지면반력을 기준으로 상기 착용자의 보행단계상태 각각에 대한 조건부 확률을 연산 및 비교하도록 이루어질 수 있다.According to an example of the present invention, the controller may be configured to calculate and compare conditional probabilities for each of the walking state states of the wearer based on the ground reaction force.

상기 제어부는, 상기 센서부로부터 전달받은 상기 지면반력에서 특징데이터를 추출하는 센서데이터 처리부, 및 상기 센서데이터 처리부로부터 전달받은 상기 특징데이터를 나이브 베이지안 기법을 이용하여 연산한 후 상기 착용자의 보행단계상태 정보를 생성하도록 이루어지는 보행단계구분 생성부를 포함할 수 있다. Wherein the control unit comprises: a sensor data processing unit for extracting feature data from the ground reaction force received from the sensor unit; and a control unit for calculating the feature data transmitted from the sensor data processing unit using a Naïve Bayesian technique, And a gait step classification generating unit configured to generate the gait information.

상기 제어부는, 상기 센서부에서 측정된 상기 지면반력을 이용하여 상기 보행단계상태 정보를 학습하도록 이루어지며, 상기 착용자의 보행단계상태 기준을 제공하도록 상기 학습으로 얻어진 파라미터를 상기 보행단계구분 생성부로 전달하는 보행구분모델 학습부를 더 포함할 수 있다.Wherein the control unit is configured to learn the walking step state information using the ground reaction force measured by the sensor unit and transmit the parameter obtained by the learning to the walking step classification generating unit so as to provide the walking step state reference of the wearer And a gait classification model learning unit.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 센서부는, 상기 착용자의 보행시, 상기 지면과 상기 착용자 사이에서 적어도 일부가 가압되도록 배치되고, 상기 착용자의 보행 변화에 따라 달라지는 압축력으로부터 상기 지면반력을 측정하는 로드셀을 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the sensor unit is disposed so that at least a part of the sensor unit is pressed between the ground and the wearer during walking of the wearer, and the ground surface reaction force is measured from a compressive force varying with the change of the wearer's gait A load cell may be included.

본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 센서부는, 상기 착용자의 보행시 상기 지면과 상기 착용자 사이에서 적어도 일부가 가압되도록 배치되며 기계적 변형에 의해 전압을 발생시키는 압전소자를 포함하고, 상기 압전소자는 상기 착용자의 보행에 따라 발생되는 전압의 변화로부터 상기 지면반력을 측정하도록 이루어질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the sensor unit includes a piezoelectric element arranged to press at least a part between the ground and the wearer on walking of the wearer, and generating a voltage by mechanical deformation, The element may be configured to measure the ground reaction force from a change in voltage generated in accordance with the wearer's walking.

또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 보행단계구분 방법을 제안한다. 상기 보행단계구분 방법은, 로봇 또는 이와 유사한 시스템을 위한 착용자의 보행단계를 구분하는 방법에 있어서, 센서부로 상기 착용자의 보행에 따라 지면으로부터 발생되는 지면반력(GRF,ground reaction force)을 측정하는 단계 및, 상기 측정한 지면반력을 이용하여 상기 착용자의 보행단계상태 정보를 생성하도록, 상기 지면반력을 기준으로 상기 착용자의 보행단계상태를 지도학습(supervised learning) 방법에 의해 유추하여 상기 착용자의 보행단계를 판별하는 단계를 포함한다.In order to realize the above-mentioned problem, the present invention proposes a gait step classification method. The gait step classification method comprises the steps of measuring a ground reaction force (GRF) generated from the ground according to the walking of the wearer with a sensor unit, And a gait step state of the wearer based on the ground reaction force is derived by a supervised learning method so as to generate gait step state information of the wearer using the measured ground reaction force, .

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 착용자의 보행단계를 판별하는 단계는, 상기 측정한 지면반력을 이용하여 상기 착용자의 보행단계상태 정보를 생성하도록 상기 측정한 지면반력을 기준으로 상기 보행단계상태 각각에 대한 조건부확률을 산출하는 단계, 및 상기 산출된 각각의 조건부 확률을 서로 비교하고 상기 조건부 확률 중 가장 큰 값을 갖는 상기 보행단계상태를 상기 착용자의 보행단계로 판별하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of discriminating the walking step of the wearer may include the step of calculating the walking step state information of the wearer using the measured ground surface reaction force, Calculating a conditional probability for each of the plurality of conditional probabilities, and comparing the calculated conditional probabilities with each other and determining the walking phase state having the largest value among the conditional probabilities as the walking phase of the wearer .

상기 센서부는 서로 다른 위치에 배치되는 복수의 측정점을 포함하고, 상기 조건부 확률을 산출하는 단계는 상기 복수의 측정점에서 측정되는 상기 지면반력을 기준으로 상기 보행단계상태 각각에 대한 조건부 확률을 산출하도록 이루어질 수 있다.Wherein the sensor unit includes a plurality of measurement points disposed at different positions and the step of calculating the conditional probability is performed to calculate a conditional probability for each of the walking step states based on the ground reaction force measured at the plurality of measurement points .

상기 조건부 확률은 나이브 베이지안 기법을 이용하는 하기의 식에 의해 이루어질 수 있다.The conditional probability can be obtained by the following equation using the Naïve Bayesian technique.

Figure 112014054980780-pat00002
Figure 112014054980780-pat00002

여기서, c는 보행단계상태, x(특징변수)는 상기 센서부에서 측정되는 상기 지면반력(

Figure 112014054980780-pat00003
)과 상기 지면반력의 변화량(
Figure 112014054980780-pat00004
)이다. 또한, p(c|x)는 사후확률, p(c)는 보행단계상태 c의 사전확률, p(xi|c)는 보행단계상태 c에 대한 각각의 특징변수 xi의 우도확률이다. 또한, 전체 특징변수 x에 대한 모집단의 확률 p(x)는 상수로 표현 가능하므로 생략한다.Here, c is the gait step state, and x (characteristic variable) is the ground reaction force
Figure 112014054980780-pat00003
) And a variation amount of the ground surface reaction force
Figure 112014054980780-pat00004
)to be. Further, p (c | x) is the posterior probability, p (c) is a priori probability of the walking phase state c, p | a (x i c) is the likelihood probability of each feature parameter x of the walking phase state c i. In addition, the probability p (x) of the population for the entire feature variable x can be represented by a constant and is omitted.

상기 조건부 확률을 산출하는 단계는, 상기 센서부로부터 전달받은 상기 지면반력에서 특징데이터를 추출하는 단계, 및 상기 특징데이터를 이용하여 상기 착용자의 보행단계상태 정보를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.The step of calculating the conditional probability may include extracting the feature data from the ground reaction force transmitted from the sensor unit, and generating the walking state information of the wearer using the feature data.

상기 특정변수(x)는 상기 특징데이터를 추출단계로부터 얻어진 상기 특징데이터일 수 있다.The specific variable x may be the feature data obtained from the extraction of the feature data.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 착용자의 보행단계로 판별하는 단계는, 상기 센서부에서 측정된 상기 지면반력을 이용하여 상기 보행단계상태 정보를 학습하도록 이루어지는 보행구분모델 학습부로부터, 상기 학습으로 얻어진 파라미터를 제공받아 상기 착용자의 보행단계를 판별하도록 이루어질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the discriminating step of the wearer is a step of discriminating the walking step from the walking segment model learning part, which is configured to learn the walking step state information using the ground reaction force measured by the sensor part, And to determine the walking step of the wearer by receiving the parameters obtained by the learning.

본 발명에 따른 로봇 제어를 위한 착용자의 보행단계구분 방법 및 그 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.A method of dividing a walking step of a wearer for controlling a robot according to the present invention and an effect of the system will be described as follows.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 지도학습분류기법의 구체적인 방법 중 하나인 나이브 베이지안 분류기법을 이용하여 로봇 착용자의 보행단계상태 각각에 대한 조건부 확률을 산출하고, 산출된 각각의 조건부 확률을 서로 비교하여, 이 중 가장 큰 확률 값을 가지는 값을 착용자의 현재 보행단계로 판별하도록 구성된다. According to at least one of the embodiments of the present invention, the conditional probability for each walking state of the robot wearer is calculated using the Naïve Bayesian classification technique, which is one of concrete methods of the map learning classification technique, and the calculated conditional probability And a value having the greatest probability value among them is discriminated as the present walking step of the wearer.

이에 따라, 보행단계구분 시 잡음이 발생하는 다양한 상황에서 별도의 임계치를 최적화하기 위한 방안을 구성하지 않고도, 확률적인 접근에 의해 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있는 장점이 있다. Accordingly, it is possible to improve reliability by a stochastic approach without constructing a method for optimizing a separate threshold value in various situations in which noises occur when the walking step is divided.

또한, 본 발명은 시스템의 목적에 의해 보행단계를 4단계로 구분할 수 있을 뿐만 아니라, 4단계 이하 또는 이상의 단계를 데이터 학습 과정을 통해 전환 가능하다.Further, according to the present invention, the walking step can be divided into four steps according to the purpose of the system, and the steps below or above the four steps can be switched through the data learning process.

도 1은 지면반력을 측정하는 인체센서로부터 얻어진 데이터를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행단계구분 시스템의 구성을 나타낸 개념도.
도 3은 도 2에 도시된 보행단계구분 시스템에 의한 보행단계구분 방법의 흐름을 나타낸 개념도.
1 is a graph showing data obtained from a human body sensor measuring a ground reaction force;
2 is a conceptual diagram illustrating a configuration of a walking stage classification system according to an embodiment of the present invention;
3 is a conceptual diagram showing a flow of a gait step classification method by the gait step classification system shown in Fig.

이하, 본 발명의 로봇 제어를 위한 착용자의 보행단계구분 방법 및 그 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of dividing a walking step of a wearer for controlling the robot according to the present invention and a system thereof will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.In the present specification, the same or similar reference numerals are given to different embodiments in the same or similar configurations. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행단계구분 시스템(100)의 구성을 나타낸 개념도이다.2 is a conceptual diagram showing a configuration of a walking stage classification system 100 according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 로봇 제어를 위한 착용자의 보행단계를 구분하는 시스템에 있어서, 보행단계구분 시스템(100)은 센서부(110) 및 제어부(120)를 포함한다.Referring to FIG. 2, in the system for classifying the walking step of the wearer for the robot control, the walking step classification system 100 includes a sensor unit 110 and a control unit 120.

센서부(110)는 상기 로봇을 착용하는 상기 착용자의 보행시에 지면으로부터 발생되는 지면반력(GRF,ground reaction force)을 측정하도록 이루어진다. 예를 들어, 센서부(110)는 로드셀(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 로드셀은, 상기 로봇을 착용한 착용자의 보행시, 상기 지면과 상기 착용자 사이에서 적어도 일부가 가압되도록 배치되고, 상기 착용자의 보행 변화에 따라 달라지는 압축력으로부터 상기 지면반력을 측정하도록 이루어질 수 있다. 또한, 상기 로드셀은 복수로 구비될 수 있다.The sensor unit 110 measures the ground reaction force (GRF) generated from the ground during walking of the wearer wearing the robot. For example, the sensor unit 110 may include a load cell (not shown). The load cell may be arranged to press at least part of the space between the ground and the wearer when the wearer walks the robot, and may measure the ground reaction force from a compressive force depending on the change of the wearer's gait. The plurality of load cells may be provided.

또한, 센서부(110)는 압전소자(미도시)를 포함할 수도 있다.In addition, the sensor unit 110 may include a piezoelectric element (not shown).

상기 압전소자는 상기 착용자의 보행시에 상기 지면과 상기 착용자 사이에 적어도 일부가 가압되도록 배치되며, 기계적 변형이 발생하면 전압을 발생시킨다. 상기 압전소자는, 상기 착용자의 보행에 따라 발생되는 상기 전압의 변화로부터 상기 지면반력을 측정하도록 이루어질 수 있다. 또한, 상기 압전소자는 복수로 구비될 수 있다.The piezoelectric element is arranged so that at least part of the piezoelectric element is pressed between the ground and the wearer during walking of the wearer, and generates a voltage when mechanical deformation occurs. The piezoelectric element may be configured to measure the ground reaction force from a change in the voltage generated in accordance with the wearer's walking. The plurality of piezoelectric elements may be provided.

제어부(120)는 센서부(110)에서 측정된 상기 지면반력을 기준으로 착용자의 보행단계상태를 지도학습(supervised learning) 방법에 의해 유추하도록 이루어진다. 여기서 상기 지도학습은 상기 지면반력 즉, 훈련 데이터(training data)로부터 하나의 연관된 결과값을 유추해내기 위한 기계 학습(machine learning)의 한 방법이다.The control unit 120 predicts the walking state of the wearer based on the ground reaction force measured by the sensor unit 110 by a supervised learning method. Here, the map learning is a method of machine learning for estimating one associated result value from the ground reaction force, that is, training data.

보다 구체적으로, 제어부(120)는 센서부(110)로부터 상기 지면반력을 전달받아, 전달받은 상기 지면반력을 기준으로 상기 착용자의 보행단계상태 각각에 대한 조건부 확률을 연산 및 비교하도록 이루어진다. 여기서 상기 조건부 확률은, 예를 들어 어떤 두 개의 상태 A와 B에 있어서 상태 A가 일어나는 것을 조건으로 하였을 때, 상태 B가 일어나는 경우에 대한 확률을 의미한다.More specifically, the control unit 120 receives the ground reaction force from the sensor unit 110, and calculates and compares conditional probabilities for each of the walking condition states of the wearer on the basis of the received ground reaction force. Here, the conditional probability means a probability of occurrence of the state B, for example, when the state A occurs in any two states A and B. [

또한, 보행단계구분 시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 센서부(110)와 제어부(120) 사이에서 데이터를 송수신시키도록, 센서부(110)와 제어부(120)를 연결하는 인터페이스부(10)를 포함할 수 있다.1, the walking step sorting system 100 includes an interface for connecting the sensor unit 110 and the control unit 120 so as to transmit and receive data between the sensor unit 110 and the control unit 120, (10). ≪ / RTI >

한편, 제어부(120)는 센서데이터 처리부(130) 및 보행단계구분 생성부(140)를 포함할 수 있다.The control unit 120 may include a sensor data processing unit 130 and a walking step classification generating unit 140.

센서데이터 처리부(130)는 센서부(110)로부터 전달받은 상기 지면반력에서 특징데이터를 추출하도록 이루어진다. 예를 들어, 상기 특징데이터는 센서부(110)에서 측정된 상기 지면반력 또는 상기 지면반력의 변화량을 포함할 수 있다.The sensor data processing unit 130 extracts the feature data from the ground reaction force transmitted from the sensor unit 110. For example, the feature data may include a change amount of the ground reaction force or the ground reaction force measured by the sensor unit 110.

보행단계구분 생성부(140)는 센서데이터 처리부(130)로부터 전달받은 상기 특징데이터를 나이브 베이지안 기법을 이용하여 연산한 후, 상기 착용자의 보행단계상태 정보를 생성하도록 이루어진다. 상기 나이브 베이지안 기법은 상기 조건부 확률의 연산을 위한 기법으로 이에 대한 설명은, 이하, 보행단계구분 방법에 대한 설명에서 하기로 한다.The gait phase classification generator 140 generates the gait phase state information of the wearer after calculating the feature data transmitted from the sensor data processor 130 using the Naïve Bayesian method. The Naïve Bayesian method is a method for calculating the conditional probability, and a description thereof will be given below with reference to a description of a walking step classification method.

또한, 제어부(120)는, 보행구분모델 학습부(150)를 더 포함할 수 있다.In addition, the control unit 120 may further include a walking segment model learning unit 150. [

보행구분모델 학습부(150)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 센서부(110)에서 측정된 상기 지면반력을 이용하여 상기 보행단계상태 정보를 학습하도록 이루어지며, 상기 착용자의 보행단계상태 기준을 제공하도록 상기 학습으로 얻어진 파라미터를 보행단계구분 생성부(140)로 전달한다. 이에 따라, 보행단계구분 생성부(140)는 학습된 데이터로 생성된 상기 파라미터를 이용하여 보다 신뢰도 높은 보행단계상태 정보를 생성할 수 있다.3, the gait classification model learning unit 150 is configured to learn the gait phase state information using the ground reaction force measured by the sensor unit 110, To the walking-phase classifying and generating unit 140, the parameters obtained by the learning. Accordingly, the gait phase classification generator 140 can generate more reliable gait phase state information using the parameters generated from the learned data.

이하, 보행단계구분 시스템(100)에 의한 보행단계구분 방법에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a gait phase separation method by the gait phase classification system 100 will be described with reference to Fig.

도 3은 도 2에 도시된 보행단계구분 시스템(100)에 의한 보행단계구분 방법의 흐름을 나타낸 개념도이다.FIG. 3 is a conceptual diagram showing a flow of a gait step classification method by the gait step classification system 100 shown in FIG.

도 3을 참조하면, 상기 보행단계구분 방법은, 센서부(110)로 상기 착용자의 보행에 따라 지면으로부터 발생되는 지면반력(GRF)을 측정하는 단계, 상기 지면반력을 기준으로 상기 착용자의 보행단계상태를 지도학습(supervised learning) 방법에 의해 유추하여 상기 착용자의 보행단계를 판별하는 단계를 포함한다.3, the gait step classification method includes the steps of measuring a ground reaction force (GRF) generated from the ground according to the walking of the wearer with the sensor unit 110, And a step of discriminating the walking step of the wearer by analogizing the state by a supervised learning method.

보다 구체적으로, 상기 착용자의 보행단계를 판별하는 단계는, 상기 측정한 지면반력을 이용하여 상기 착용자의 보행단계상태 정보를 생성하도록, 상기 측정한 지면반력을 기준으로 상기 보행단계상태 각각에 대한 조건부확률을 산출하는 단계, 및 상기 산출된 각각의 조건부 확률을 서로 비교하고, 상기 조건부 확률 중 가장 큰 값을 갖는 상기 보행단계상태를 상기 착용자의 보행단계로 판별하는 단계를 포함할 수 있다.More specifically, the step of discriminating the walking step of the wearer may further comprise the step of calculating the walking step state information of the wearer using the measured ground surface reaction force, Calculating a probability and comparing the calculated conditional probabilities with each other and discriminating the walking step state having the largest value among the conditional probabilities as the walking step of the wearer.

Figure 112014054980780-pat00005
Figure 112014054980780-pat00005

위의 그림은 보행단계상태에 따른 제어모드천이 동작을 나타낸 개념도이다. 위의 그림을 참조하면, 보행단계상태가 입각일 때는 입각제어모드로 유각일 때는 유각제어모드가 작동된다. 또한, 초기접촉 혹은 사전유각일 때는 유각제어모드에서 입각제어모드로 또는 입각제어모드에서 유각제어모드로 제어모드상태를 천이한다.The above figure is a conceptual diagram showing the control mode transition operation according to the walking state. As shown in the figure above, the ramp control mode is activated when the walking step is in the upright position and when the walking step is in the upright position. Also, in the case of the initial contact or preheating, the control mode state is transitioned from the ramp control mode to the angular control mode or from the angular control mode to the ramp control mode.

제어모드상태가 급격히 변경될 경우 제어 입력에 불연속성이 발생하여 착용자의 움직임에 저항으로 작용할 수 있어 제어모드 전환시 제어 입력의 연속성을 갖는 방안이 함께 고려될 수 있다.If the control mode state is abruptly changed, discontinuity may occur in the control input, which may act as a resistance to the movement of the wearer, so that the control input continuity may be considered.

한편, 상기 조건부 확률을 산출하는 단계는, 센서부(110)로부터 전달받은 상기 지면반력에서 특징데이터를 추출하는 단계와, 상기 특징데이터를 이용하여 상기 착용자의 보행단계상태 정보를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.The step of calculating the conditional probability may include extracting the feature data from the ground reaction force transmitted from the sensor unit 110 and generating the walking state information of the wearer using the feature data can do.

한편, 센서부(110)는 서로 다른 위치에 배치되는 복수의 측정점을 포함하고, 상기 조건부 확률을 산출하는 단계는 상기 복수의 측정점에서 측정되는 상기 지면반력을 기준으로 상기 보행단계상태 각각에 대한 조건부 확률을 산출하도록 이루어질 수 있다. 예를 들어, 아래의 그림을 참조하면, 센서부(110)는, 착용자의 발박닥 부위 중 뒤꿈치(x1), 발볼바깥(x2), 발볼안쪽(x3) 및 발가락(x4)으로 이루어지는 4개의 측정점을 갖도록 이루어질 수 있다. 이때, 상기 복수의 측정점은 반드시 4개의 측정점을 갖도록 구성되는 것에 한정되는 것은 아니며, 착용자의 지면반력을 측정하도록 하는 임의의 개수로 이루어지는 복수의 측정점으로 구성될 수 있다.The sensor unit 110 may include a plurality of measurement points disposed at different positions, and the step of calculating the conditional probability may include calculating a conditional probability for each of the walking step states on the basis of the ground reaction force measured at the plurality of measurement points Can be made to calculate the probability. For example, referring to the following figure, the sensor unit 110 detects the heel (x 1 ), the ball outside the ball (x 2 ), the ball inside the ball (x 3 ) and the toe (x 4 ) And four measurement points made up of two points. At this time, the plurality of measurement points are not necessarily limited to four measurement points, and may be constituted by a plurality of measurement points composed of an arbitrary number to measure the wearer's ground surface reaction force.

Figure 112014054980780-pat00006
Figure 112014054980780-pat00006

이하, 상기 나이브 베이지안 기법을 이용하는 조건부 확률의 연산에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the calculation of the conditional probability using the Naive Bayesian method will be described in detail.

확률적으로 보행단계상태를 구분하는 방법은 하기의 식(1)과 같이 특징변수 x가 주어졌을 때 각 보행단계상태

Figure 112014054980780-pat00007
별로 속할 조건부 확률을 각각 계산하고 그 중 가장 큰 확률 값을 나타내는 보행단계상태를 현재의 보행단계상태 Cgaitphase로 결정한다.The method of stochastic classification of the gait phase state is as follows. When the feature variable x is given as shown in the following equation (1)
Figure 112014054980780-pat00007
The conditional probabilities belonging to each one are calculated, and the state of the gait step indicating the largest probability value is determined as the current gait phase state C gaitphase .

Figure 112014054980780-pat00008
식(1)
Figure 112014054980780-pat00008
Equation (1)

상기 조건부 확률은 나이브 베이지안 기법을 이용하는 하기의 식(2)에 의해 이루어질 수 있다.The conditional probability can be obtained by the following equation (2) using the Naïve Bayesian technique.

Figure 112014054980780-pat00009
식(2)
Figure 112014054980780-pat00009
Equation (2)

여기서, c는 보행단계상태, x(특징변수)는 상기 센서부에서 측정되는 상기 지면반력(

Figure 112014054980780-pat00010
)과 상기 지면반력의 변화량(
Figure 112014054980780-pat00011
)이다. 또한, p(c|x)는 사후확률, p(c)는 보행단계상태 c의 사전확률, p(xi|c)는 보행단계상태 c에 대한 각각의 특징변수 xi의 우도확률이다.Here, c is the gait step state, and x (characteristic variable) is the ground reaction force
Figure 112014054980780-pat00010
) And a variation amount of the ground surface reaction force
Figure 112014054980780-pat00011
)to be. Further, p (c | x) is the posterior probability, p (c) is a priori probability of the walking phase state c, p | a (x i c) is the likelihood probability of each feature parameter x of the walking phase state c i.

또한, 전체 특징변수 x에 대한 모집단의 확률 p(x)는 상수로 표현 가능하므로 생략한다.In addition, the probability p (x) of the population for the entire feature variable x can be represented by a constant and is omitted.

또한, 상기 특정변수(x)는 상기 특징데이터를 추출단계로부터 얻어진 상기 특징데이터일 수 있다.Further, the specific variable x may be the feature data obtained from the extraction of the feature data.

나이브 베이지안 기법에서 특징변수 xi는 서로 조건부 독립이라고 가정한다.특징변수의 실제 모델이 종속 관계일지라도 가정에 따라 독립으로 정의한다. 또한 실제 계산된 확률이 예상보다 매우 적은 값으로 나타나는 문제가 있다.In the Naive Bayesian method, the feature variables x i are assumed to be conditionally independent of each other. In addition, there is a problem that the actual calculated probability appears to be much smaller than expected.

하지만, 확률 계산 과정이 간단해 연산 비용이 저렴한 장점이 있다. 로봇이 보행단계를 구분하는 경우에는 확률 값보다는 시스템 상에서 빠른속도로 보행단계를 구분할 수 있어야 하므로, 나이브 베이지안 기법은 계산속도 측면에서 연산 비용이 저렴하다는 장점을 갖는다.However, there is a merit that the probability calculation process is simple and the calculation cost is low. In the case where the robot distinguishes the walking step, it is necessary to be able to distinguish the walking step at a high speed on the system rather than the probability value. Therefore, the Naive Bayesian method has an advantage of low computational cost in terms of calculation speed.

각 특징변수별 우도확률 p(xi|c)은 정규분포와 커널밀도분포를 함께 사용해 구성하였다. 정규분포모델은 나이브베이지안 기법에서 주로 사용되며, 전역적인 특성을 잘 표현하기 때문에 특징 변수

Figure 112014054980780-pat00012
?의 우도함수를 나타내는데 사용할 수 있다. 또한, 커널밀도분포모델은 나이브 베이지안 기법의 변종인 플랙시블 베이지안 기법에서 처음 제시되었다. 커널밀도분포 모델은 정규분포 대비 지역적인 특성을 잘 표현하기 때문에 특징 변수
Figure 112014054980780-pat00013
의 우도함수를 나타내는데 사용할 수 있다.The likelihood probability p (x i | c) for each feature variable is constructed by using the normal distribution and the kernel density distribution together. The normal distribution model is mainly used in the Naive Bayesian method and because it expresses the global characteristics well,
Figure 112014054980780-pat00012
Can be used to represent the likelihood function of?. In addition, the kernel density distribution model was first presented in a flexible Bayesian technique, a variant of the Naive Bayesian technique. Since the kernel density distribution model expresses the regional characteristics versus the normal distribution well,
Figure 112014054980780-pat00013
Can be used to represent the likelihood function of.

이에 따른 보행단계구분을 위한 우도확률 모델은 하기의 식(3)과 같다.The likelihood probability model for the gait phase classification is shown in Equation (3) below.

Figure 112014054980780-pat00014
식(3)
Figure 112014054980780-pat00014
Equation (3)

여기서,정규분포를 갖는 확률밀도함수

Figure 112014054980780-pat00015
Figure 112014054980780-pat00016
Figure 112014054980780-pat00017
는 각 특징변수 집합 xi의 평균과 분산을 말하며, 커널밀도분포를 갖는 확률밀도함수
Figure 112014054980780-pat00018
에서 n은 특징변수 집합 내 원소의 수,
Figure 112014054980780-pat00019
은 특징변수의 원소 값
Figure 112014054980780-pat00020
,?
Figure 112014054980780-pat00021
Figure 112014054980780-pat00022
이며
Figure 112014054980780-pat00023
는 보행단계상태 c에 속하는 특징변수들의 모든 원소의 수
Figure 112014054980780-pat00024
이다.Here, a probability density function having a normal distribution
Figure 112014054980780-pat00015
of
Figure 112014054980780-pat00016
Wow
Figure 112014054980780-pat00017
Is the mean and variance of each feature set x i , and is the probability density function with kernel density distribution
Figure 112014054980780-pat00018
Where n is the number of elements in the feature variable set,
Figure 112014054980780-pat00019
Is the element value of the characteristic variable
Figure 112014054980780-pat00020
,?
Figure 112014054980780-pat00021
The
Figure 112014054980780-pat00022
And
Figure 112014054980780-pat00023
The number of all the elements of the characteristic variables belonging to the walking phase state c
Figure 112014054980780-pat00024
to be.

보행단계구분 알고리즘에서 사전확률 p(c)과 우도확률 p(x|c)의 파라메터

Figure 112014054980780-pat00025
,?
Figure 112014054980780-pat00026
,?
Figure 112014054980780-pat00027
,?
Figure 112014054980780-pat00028
는 보행단계를 미리 구분한 훈련데이터집합과 최대우도추정기법(Maximum Likelihood Estimation)과 커널밀도추정(Kernel Density Estimation)에 의해 결정된다.The parameters of the prior probability p (c) and likelihood probability p (x | c) in the walking step classification algorithm
Figure 112014054980780-pat00025
,?
Figure 112014054980780-pat00026
,?
Figure 112014054980780-pat00027
,?
Figure 112014054980780-pat00028
Is determined by the training data set which classifies the walking steps in advance and the maximum likelihood estimation method and the kernel density estimation method.

한편, 상기 착용자의 보행단계로 판별하는 단계는, 센서부(110)에서 측정된 상기 지면반력을 이용하여 상기 보행단계상태 정보를 학습하도록 이루어지는 보행구분모델 학습부(150)로부터, 상기 학습으로 얻어진 파라미터를 제공받아 상기 착용자의 보행단계를 판별하도록 이루어질 수 있다.On the other hand, the discriminating step of the wearer is a step of discriminating the wearer's walking step from the walking segment model learning unit 150 which is configured to learn the walking step state information using the ground reaction force measured by the sensor unit 110, And a step of determining a walking step of the wearer by receiving the parameter.

이상 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 시스템 및 방법에 의하면, 착용자의 보행단계상태에 대한 정보를 생성함에 있어서, 나이브 베이지안 기법을 이용하는 조건부 확률의 연산을 통하여 확률적으로 가장 유사한 상기 보행단계상태를 제공한다. 이에 따라, 서로 다른 보행 패턴을 갖는 다수의 착용자가 하나의 로봇을 착용하고 이용함으로써 발생되는 보행단계상태 구분의 오류발생을 줄일 수 있으며, 다양한 형상을 갖는 지면에서 상기 로봇이 운영되는 경우 센서부(110)에서 측정되는 데이터의 노이즈 증가에도 신뢰도 높은 보행단계상태 정보를 제공할 수 있다.According to the system and method of the present invention described with reference to FIGS. 2 and 3, in generating information on the walking state of the wearer, it is possible to calculate the most probable walking Provide step status. Accordingly, it is possible to reduce the occurrence of errors in the step-by-step state classification caused by wearing a plurality of wearers having different gait patterns by using one robot, and when the robot is operated on the ground having various shapes, 110 can be provided with reliable gait phase state information even when the noise of the measured data is increased.

한편, 본 발명의 시스템 및 방법에서는 상기 보행단계상태를 초기접촉, 입각, 사전유각 및 유각으로 이루어지는 4단계 구분방법을 기준으로 설명하였으나, 본 발명의 상기 보행단계상태는 반드시 상기 4단계 구분방법으로 한정되는 것은 아니며, 상기 지도학습(supervised learning) 방법의 학습 과정을 통해 2단계, 3단계 또는 8단계로 구분시킬 수도 있다.Meanwhile, in the system and method of the present invention, the gait step state is described based on the four-step gait method consisting of the initial gait, the gait, the preliminary gait, and the ramp. However, But may be divided into two stages, three stages or eight stages through the learning process of the supervised learning method.

다만, 본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정됨은 아니고, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다. 또한, 특허청구범위로부터 파악되는 본 발명의 권리범위와 비교하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자 수준에서 변형, 부가, 삭제, 치환 가능한 발명 등 모든 균등한 수준의 발명에 대하여는 모두 본 발명의 권리 범위에 속함은 자명하다.However, the scope of the present invention is not limited to the configuration and method of the embodiments described above, and all or some of the embodiments may be selectively combined so that various modifications may be made to the embodiments. In addition, the present invention can be applied to all equivalents of inventions, such as inventions that can be modified, added, deleted, or replaced at the level of those skilled in the art, It belongs to the scope is self-evident.

100 : 보행단계구분 시스템 110 : 센서부
120 : 제어부 130 : 센서데이터 처리부
140 : 보행단계구분 생성부 150 : 보행구분모델 학습부
100: walking step classification system 110:
120: control unit 130: sensor data processing unit
140: walking step classifying section 150: walking classifying section learning section

Claims (16)

착용자의 보행능력을 강화하거나 보조하는 로봇 또는 시스템을 착용하는 착용자의 보행단계를 구분하는 시스템에 있어서,
상기 착용자의 보행에 따라 지면으로부터 발생되는 지면반력(GRF,ground reaction force)을 측정하는 센서부; 및
상기 센서부에서 측정된 상기 지면반력을 이용하여 상기 착용자의 보행단계상태 정보를 생성하도록, 상기 센서부로부터 상기 지면반력을 전달받고, 전달받은 상기 지면반력을 기준으로 상기 착용자의 보행단계상태를 지도학습(supervised learning) 방법에 의해 유추하도록 이루어지는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 지면반력을 기준으로 상기 착용자의 보행단계상태 각각에 대하여, 나이브 베이지안 기법을 이용하는,
Figure 112014126598684-pat00035

라는 식을 따르는 조건부 확률로 연산하고, 연산에 따른 값을 비교하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 보행단계구분 시스템.
A system for classifying a walking step of a wearer wearing a robot or a system for reinforcing or assisting a walking ability of a wearer,
A sensor unit for measuring a ground reaction force (GRF) generated from the ground according to the wearer's walking; And
Receiving the ground reaction force from the sensor unit so as to generate walking condition information of the wearer using the ground reaction force measured by the sensor unit and receiving the walking reaction state of the wearer with reference to the received ground reaction force, And a control unit configured to infer by a supervised learning method,
Wherein the control unit controls the wearer using the navy Bayesian technique for each of the walking state states of the wearer based on the ground reaction force,
Figure 112014126598684-pat00035

And calculating a conditional probability according to the following equation: < EMI ID = 1.0 >
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 센서부로부터 전달받은 상기 지면반력에서 특징데이터를 추출하는 센서데이터 처리부; 및
상기 센서데이터 처리부로부터 전달받은 상기 특징데이터를 나이브 베이지안 기법을 이용하여 연산한 후, 상기 착용자의 보행단계상태 정보를 생성하도록 이루어지는 보행단계구분 생성부를 포함하는 보행단계구분 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein,
A sensor data processing unit for extracting characteristic data from the ground reaction force transmitted from the sensor unit; And
And a gait step classification section for calculating the gait step state information of the wearer after calculating the feature data transmitted from the sensor data processing section using a Naïve Bayesian method.
제3항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 센서부에서 측정된 상기 지면반력을 이용하여 상기 보행단계상태 정보를 학습하도록 이루어지며, 상기 착용자의 보행단계상태 기준을 제공하도록 상기 학습으로 얻어진 파라미터를 상기 보행단계구분 생성부로 전달하는 보행구분모델 학습부를 더 포함하는 보행단계구분 시스템.
The method of claim 3,
Wherein,
And a gait classification module that receives the gait phase state information of the wearer using the ground reaction force measured by the sensor unit and transmits the parameter obtained by the learning to the gait step classification generator, And a learning unit.
제4항에 있어서,
상기 학습부로부터 학습으로 얻어진 파라미터를 전달받도록 이루어지고, 상기 학습된 데이터로 생성된 상기 파라미터를 이용하여 보행단계상태 정보를 생성하는 보행단계구분 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행단계구분 시스템.
5. The method of claim 4,
And a walking step classifying unit configured to receive the parameters obtained by learning from the learning unit and to generate walking state information using the parameters generated from the learned data.
제1항에 있어서,
상기 센서부는,
상기 착용자의 보행시, 상기 지면과 상기 착용자 사이에서 적어도 일부가 가압되도록 배치되고, 상기 착용자의 보행 변화에 따라 달라지는 압축력으로부터 상기 지면반력을 측정하는 로드셀을 포함하는 보행단계구분 시스템.
The method according to claim 1,
The sensor unit includes:
And a load cell arranged to press at least part of the space between the ground and the wearer when walking the wearer, the load cell measuring the ground reaction force from a compressive force varying with the change of the wearer's gait.
제1항에 있어서,
상기 센서부는,
상기 착용자의 보행시, 상기 지면과 상기 착용자 사이에서 적어도 일부가 가압되도록 배치되며, 기계적 변형에 의해 전압을 발생시키는 압전소자를 포함하고,
상기 압전소자는, 상기 착용자의 보행에 따라 발생되는 전압의 변화로부터 상기 지면반력을 측정하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 보행단계구분 시스템.
The method according to claim 1,
The sensor unit includes:
And a piezoelectric element arranged to be pressed at least partly between the ground and the wearer when walking on the wearer and generating a voltage by mechanical deformation,
Wherein the piezoelectric element is configured to measure the ground reaction force from a change in voltage caused by the wearer's walking.
착용자의 보행능력을 강화하거나 보조하는 로봇 또는 시스템을 착용하는 착용자의 보행단계를 구분하는 방법에 있어서,
센서부로 상기 착용자의 보행에 따라 지면으로부터 발생되는 지면반력(GRF,ground reaction force)을 측정하는 단계; 및
상기 측정한 지면반력을 이용하여 상기 착용자의 보행단계상태 정보를 생성하도록, 상기 지면반력을 기준으로 상기 착용자의 보행단계상태를 지도학습(supervised learning) 방법에 의해 유추하여 상기 착용자의 보행단계를 판별하는 단계를 포함하고,
상기 착용자의 보행단계를 판별하는 단계는,
상기 측정한 지면반력을 이용하여 상기 착용자의 보행단계상태 정보를 생성하도록, 상기 측정한 지면반력을 기준으로 상기 보행단계상태 각각에 대하여, 나이브 베이지안 기법을 이용하는,
Figure 112014126598684-pat00036

라는 식을 따르는 조건부 확률로 산출하는 단계; 및
상기 산출된 각각의 조건부 확률을 서로 비교하고, 상기 조건부 확률 중 가장 큰 값을 갖는 상기 보행단계상태를 상기 착용자의 보행단계로 판별하는 단계를 포함하는 보행단계구분 방법.
A method for distinguishing a walking step of a wearer wearing a robot or a system that enhances or assists a wearer's walking ability,
Measuring a ground reaction force (GRF) generated from the ground according to the wearer's walking with the sensor unit; And
And a gait step state of the wearer on the basis of the ground reaction force is derived by a supervised learning method so as to generate gait step state information of the wearer using the measured ground reaction force, , ≪ / RTI >
The step of discriminating the walking step of the wearer comprises:
Using the measured knee bending method for each of the walking step states on the basis of the measured floor reaction force so as to generate the walking state information of the wearer using the measured floor reaction force,
Figure 112014126598684-pat00036

With a conditional probability following the equation: < RTI ID = 0.0 > And
Comparing the calculated conditional probabilities with each other, and discriminating the walking step state having the largest one of the conditional probabilities as the walking step of the wearer.
삭제delete 제8항에 있어서,
상기 센서부는 서로 다른 위치에 배치되는 복수의 측정점을 포함하고,
상기 조건부 확률을 산출하는 단계는 상기 복수의 측정점에서 측정되는 상기 지면반력을 기준으로 상기 보행단계상태 각각에 대한 조건부 확률을 산출하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 보행단계구분 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the sensor unit includes a plurality of measurement points disposed at different positions,
Wherein the step of calculating the conditional probability is performed to calculate a conditional probability for each of the walking step states on the basis of the ground reaction force measured at the plurality of measurement points.
제10항에 있어서,
상기 센서부는 서로 다른 위치에 배치되는 복수의 측정점을 포함하고,
상기 조건부 확률을 산출하는 단계는 상기 복수의 측정점에서 측정되는 상기 지면반력을 기준으로 상기 보행단계상태 각각에 대한 조건부 확률을 산출하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 보행단계구분 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the sensor unit includes a plurality of measurement points disposed at different positions,
Wherein the step of calculating the conditional probability is performed to calculate a conditional probability for each of the walking step states on the basis of the ground reaction force measured at the plurality of measurement points.
제8항에 있어서,
상기 조건부 확률은 나이브 베이지안 기법을 이용하는 식에서,
c는 보행단계상태, 특징변수 x는 상기 센서부에서 측정되는 상기 지면반력(
Figure 112014096723567-pat00037
)과 상기 지면반력의 변화량(
Figure 112014096723567-pat00038
)이며, p(c|x)는 사후확률, p(c)는 보행단계상태 c의 사전확률, p(xi|c)는 보행단계상태 c에 대한 각각의 특징변수 x의 우도확률인 것을 특징으로 하는 보행단계구분 방법.
9. The method of claim 8,
The above conditional probability is obtained by using the Naive Bayesian method,
c is the gait phase state, and the feature variable x is the ground reaction force
Figure 112014096723567-pat00037
) And a variation amount of the ground surface reaction force
Figure 112014096723567-pat00038
), P (c | x) is the posterior probability, p (c) is the prior probability of the walking step state c, and p (xi | c) is the likelihood probability of each feature variable x A step of discriminating a walking step.
제12항에 있어서,
상기 조건부 확률을 산출하는 단계는,
상기 센서부로부터 전달받은 상기 지면반력에서 특징데이터를 추출하는 단계; 및
상기 특징데이터를 이용하여 상기 착용자의 보행단계상태 정보를 생성하는 단계를 포함하는 보행단계구분 방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the step of calculating the conditional probability comprises:
Extracting feature data from the ground reaction force transmitted from the sensor unit; And
And generating walking state information of the wearer using the feature data.
제13항에 있어서,
상기 특징변수 x는 상기 특징데이터를 추출단계로부터 얻어진 상기 특징데이터인 것을 특징으로 하는 보행단계구분 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the feature variable x is the feature data obtained from the extracting step.
제13항에 있어서,
상기 착용자의 보행단계상태를 구분하는 방법은,
상기 특징변수 x가 주어졌을 때, 각 보행단계 상태
Figure 112014096723567-pat00039

별로 속할 조건부 확률을 각각 계산하고, 다음의 식에 따른 확률값 중 가장 큰 확률 값을 나타내는 보행단계상태를 현재의 보행단계상태로 결정하는 것을 특징으로 하는 보행단계구분 방법.
Figure 112014096723567-pat00040
14. The method of claim 13,
A method for classifying the wearer's walking state,
Given the feature variable x, each gait phase state
Figure 112014096723567-pat00039

Calculating a conditional probability to belong to each of the plurality of walking steps, and determining a walking step state indicating the largest probability value among the probability values according to the following equation as the current walking step state.
Figure 112014096723567-pat00040
제8항에 있어서,
상기 착용자의 보행단계로 판별하는 단계는,
상기 센서부에서 측정된 상기 지면반력을 이용하여 상기 보행단계상태 정보를 학습하도록 이루어지는 보행구분모델 학습부로부터, 상기 학습으로 얻어진 파라미터를 제공받아 상기 착용자의 보행단계를 판별하도록 이루어지는 보행단계구분 방법.
9. The method of claim 8,
The step of discriminating the wearer as a walking step comprises:
And a step of discriminating a walking step of the wearer by receiving a parameter obtained by the learning from a walking segment model learning unit configured to learn the walking step state information using the ground reaction force measured by the sensor unit.
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