KR101692215B1 - 양손 지팡이를 이용한 보행 보조 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양쪽 지팡이를 이용한 보행 보조 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 보행 보조 시스템은 길이 조절 수단을 구비하는 제1 지팡이 및 제2 지팡이, 제1 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘과 제1 지팡이의 운동 상태를 측정하기 위한 제1 지팡이 센서부, 제2 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘과 제2 지팡이의 운동 상태를 측정하기 위한 제2 지팡이 센서부, 제1 지팡이 및 제2 지팡이를 양손에 각각 쥐고 보행하는 사용자의 보행 상태를 감지하기 위한 보행 센서부, 그리고 제1 지팡이와 제2 지팡이의 운동 상태, 제1 지팡이와 제2 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘, 및 사용자의 보행 상태에 따라 제1 지팡이 또는 제2 지팡이의 길이를 조절하는 제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 사용자의 보행 상태에 따라 자동으로 지팡이의 길이가 조절되어 다음 스텝에서 안정적으로 보행할 수 있도록 지원할 수 있다.

Description

양손 지팡이를 이용한 보행 보조 시스템 및 그 제어 방법{System and Method for Balancing Assistance During Gait Using Bimanual Canes}

본 발명은 보행 보조 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 길이 조절 기능을 구비한 지팡이를 이용한 보행 보조 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.

자립적 보행이 어려운 노인이나 장애인의 경우에 보행을 할 때 지팡이를 이용하여 도움을 받고 있다. 지팡이는 보행 중 안정성을 높이며 근육활동을 증대시키고 체중지지 하중을 감소시키는 기능을 한다. 의사가 가장 권유하는 보행보조기기인 지팡이는 노인들이 사용할 때 노인들이 넘어질 것에 대한 공포심을 줄여준다고 알려져 있고 하지 관절에 통증이 있는 환자에 대해 하중을 줄임으로써 통증을 감소시키고, 균형력을 잃은 환자(예, 뇌졸중, 파킨슨씨병 등)의 보행을 안정화 시키는 역할을 한다.

일반적으로 사용되고 있는 지팡이는 단순한 막대기 모양을 가지고 있다. 그런데 계단이나 경사진 곳을 올라갈 때는 지팡이의 길이가 줄어드는 것이 유리하고, 내려갈 때는 지팡이의 길이가 길어지는 것이 보행에 유리하다. 보행 상황에 따라 지팡이의 길이가 신축되는 것이 보행에 도움이 될 수 있다. 이러한 점을 고려하여 지팡이의 손잡이부에 스위치를 구비하고, 사용자가 스위치를 누르면 자동으로 길이가 신축되는 기능을 제공하는 지팡이가 한국공개특허 제2011-0030276호에 개시되었다.

도 1은 종래의 신축 기능을 제공하는 지팡이를 예시한 도면이다.

도 1을 참고하면, 고정 지팡이부(2) 및 가동 지팡이부(3)는 지팡이 본체를 구성하는 중공의 외관 및 내관에 경량이고 휨강도가 높은 카본 파이프, 두랄루민 등의 알루미늄 합금 등의 금속재료로 형성되고, 고정 지팡이부(2)의 상부에는 손잡이부(1)가 부착된다.

손잡이부(1)에는 전동모터(7), 모터 구동용의 제어회로기판(12)과 충전식 리튬이온 전지(ll) 및 스위치(6)가 내장되어 있다. 또 손잡이부(1)의 스위치(6)의 조작에 의하여 전동 모터(7)를 정역방향으로 회전 구동시킨다. 또한 손잡이부(1)의 외측 표면은 연질(軟質)의 합성 고무 또는 발포성 수지의 연질 부재에 의하여 피복되어 있다.

지팡이 본체는 큰 직경의 고정 지팡이부(2) 및 고정 지팡이부(2)에 대하여 축선방향으로 슬라이딩 가능하게 삽입되는 가동 지팡이부(3)로 구성되어 있다.

손잡이부(1)에 지지된 다조이송나사(10)의 축단에는 클러치(9)를 사이에 두고 크라운 기어 세트(8)가 부착되고, 이 크라운 기어 세트(8)는 전동모터(7)의 회전축에 부착되는 피니언 기어에 맞물린다. 그리고 전동모터(7)의 구동에 따라 다조이송나사(10)가 정역방향으로 회전되면서 지팡이의 길이를 조절하게 된다.

앞에서 설명한 한국공개특허 제2011-0030276호에 개시된 종래 신축 기능 제공 지팡이는 사용자가 스위치(6)를 조작해야만 지팡이의 길이가 신축되었으며, 사용자의 보행 상태에 따라 자동으로 지팡이의 길이가 조정되는 기능을 제공되지 못했다.

한국공개특허 제2011-0030276호

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 사용자의 보행 상태에 따라 지팡이의 유각기(스윙 상태)동안 이전 보행의 상태에 따라 자동으로 보행 안정성을 높이도록 지팡이의 길이가 조절되어 안정적으로 보행할 수 있게 지원하는 지팡이를 이용한 보행 보조 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 보행 보조 시스템은 길이 조절 수단을 구비하는 제1 지팡이 및 제2 지팡이, 상기 제1 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘과 상기 제1 지팡이의 운동 상태를 측정하기 위한 제1 지팡이 센서부, 상기 제2 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘과 상기 제2 지팡이의 운동 상태를 측정하기 위한 제2 지팡이 센서부, 상기 제1 지팡이 및 상기 제2 지팡이를 양손에 각각 쥐고 보행하는 사용자의 보행 상태를 감지하기 위한 보행 센서부, 그리고 상기 제1 지팡이와 상기 제2 지팡이의 운동 상태, 상기 제1 지팡이와 상기 제2 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘, 및 상기 사용자의 보행 상태에 따라 상기 제1 지팡이 또는 상기 제2 지팡이의 길이를 조절하는 제어부를 포함한다.

상기 제어부는, 상기 제1 지팡이를 쥔 손과 동일한 측의 발이 스윙 상태이고, 상기 제1 지팡이의 운동 상태가 비정상으로 판단되며, 상기 제2 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘이 비정상으로 판단되는 경우, 상기 제1 지팡이의 길이를 늘어나는 방향으로 조절되게 할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제1 지팡이의 방향 벡터의 기울기와 상기 제1 지팡이의 각속도가 미리 정해진 기준 이상으로 커지는 경우, 상기 제1 지팡이의 운동 상태가 비정상인 것으로 판단하고, 상기 제2 지팡이의 상단에 사용자의 손으로부터 가해지는 힘과 상기 제2 지팡이의 하단에 지면으로부터 가해지는 힘 중 적어도 하나가 미리 정해진 기준 이상으로 커지는 경우, 상기 제2 지팡이에 가해지는 힘이 비정상인 것으로 판단할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제2 지팡이의 상단에 작용하는 회전력 또는 상기 제2 지팡이의 하단에 작용하는 회전력 중 하나가 미리 정해진 기준 이상으로 커지는 경우, 상기 제2 지팡이의 길이를 늘어나는 방향으로 조절되게 할 수 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 보조 시스템의 제어 방법은, 제1 지팡이와 제2 지팡이의 운동 상태, 상기 제1 지팡이와 상기 제2 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘, 및 상기 제1 지팡이와 상기 제2 지팡이를 양 손에 쥐고 보행하는 사용자의 보행 상태를 측정하는 단계, 그리고 상기 제1 지팡이와 상기 제2 지팡이의 운동 상태, 상기 제1 지팡이와 상기 제2 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘, 및 상기 사용자의 보행 상태에 따라 상기 제1 지팡이 또는 상기 제2 지팡이의 길이를 조절하는 단계를 포함한다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 보조 시스템은, 길이 조절 수단을 구비하는 지팡이, 상기 지팡이에 가해지는 힘과 상기 지팡이의 운동 상태를 측정하기 위한 지팡이 센서부, 상기 지팡이를 휴대하는 사용자의 보행 상태를 감지하기 위한 보행 센서부, 그리고 상기 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘, 상기 지팡이의 운동 상태 및 상기 사용자의 보행 상태에 따라 상기 지팡이의 길이를 조절하는 제어부를 포함한다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 지팡이는, 지팡이 몸체부, 지팡이 몸체부의 상단에 위치하는 손잡이부, 상기 지팡이 몸체부의 길이 방향으로 움직일 수 있는 가동부, 상기 가동부를 길이 방향으로 움직이게 하는 구동부, 그리고 상기 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘과 운동 상태를 측정하는 지팡이 센서부를 포함한다.

상기 지팡이 센서부는, 상기 손잡이부에 설치되어 상기 지팡이의 상단에 사용자의 손으로부터 가해지는 힘을 측정하는 상단 힘 센서, 상기 지팡이의 하단에 설치되어 상기 지팡이에 가해지는 지면 반력을 측정하는 하단 힘 센서, 그리고 상기 지팡이 몸체부에 설치되어 상기 지팡이의 운동 상태를 측정하는 지팡이 관성 센서부를 포함한다.

상기 가동부는, 상기 지팡이 몸체부의 내부로 일부가 삽입되어 지팡이의 길이를 줄어들게 하거나, 상기 지팡이 몸체부 내에 삽입되어 있는 부위가 밖으로 인출되면서 지팡이의 길이를 늘어나게 할 수 있다.

상기 구동부는, 상기 지팡이의 운동 상태, 상기 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘, 및 상기 사용자의 보행 상태에 따라 상기 가동부를 움직이게 하여 상기 지팡이의 길이를 조절할 수 있다.

본 발명에 의하면, 사용자의 보행 상태에 따라 자동으로 지팡이의 길이가 조절되어 안정적으로 보행할 수 있도록 지원할 수 있다.

도 1은 종래의 신축 기능을 제공하는 지팡이를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 보조 시스템의 구성을 예시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지팡이의 구성을 보다 자세히 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 보조 시스템의 사용 상태를 예시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지팡이에 가해지는 힘 및 운동 상태를 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 6은 보행 중 사용자가 전도되는 경우를 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 보조 시스템의 동작을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 보조 시스템의 구성을 예시한 블록도이다.

도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 보행 보조 시스템은 보행 센서부(120), 제어부(130), 무선 통신부(140), 좌측 지팡이(110L) 및 우측 지팡이(110R)를 포함할 수 있다.

보행 센서부(120)는 사용자의 보행 상태를 측정하는 기능을 수행한다. 이를 위해 보행 센서부(120)는 신체 관성 센서부(121)와 발바닥 센서부(122)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라서 보행 센서부(120)는 발바닥 센서부(122)만을 포함할 수도 있다.

발바닥 센서부(122)는 압력 센서를 이용하여 발바닥의 앞 부분과 발 뒤꿈치 부분의 압력을 측정함으로써 사용자의 보행 상태를 측정할 수 있다. 이를 통해 사용자의 발이 지면에서 떨어진 스윙(swing) 상태인지 지면에 닿아 있는 스탠스(stance) 상태인지 구분할 수 있다. 물론 보행 주기를 보다 세분하여 측정하기 위해서, 발바닥의 앞 부분과 발 뒤꿈치 부분에 더하여 발의 중간 부분 등 보다 다양한 부분의 압력을 측정하여 이용하는 것도 가능하다.

신체 관성 센서부(121)는 관성 센서로 구현될 수 있다. 신체 관성 센서부(121)는 사용자의 몸통 중에서 가슴 부위 등에 부착될 수 있으나, 그 위치는 실시예에 따라 달라질 수 있다. 신체 관성 센서부(121)에서 측정된 값은 발바닥 센서부(122)만으로 측정하기 어려운 사용자의 몸통 보행 상태를 파악하는데 이용될 수 있다. 예컨대 사용자의 몸통의 기울기와 움직임에 따라서 발바닥 센서부(122)를 통해 얻어진 걷기, 서기, 방향 전환, 휴식 등의 보행 상태를 보정하는데 이용될 수 있다.

신체 관성 센서부(121)는 3축 가속도센서(accelerometer) 및 3축 자이로스코프(gyroscope)를 포함하는 관성 센서로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라 3축 자기장 센서(magnetometer)도 추가로 포함할 수 있다. 또한 3축 가속도센서(accelerometer), 3축 자이로스코프(gyroscope), 3축 자기장 센서(magnetometer)를 통합한 MEMS 기반의 관성 센서 모듈을 이용하여 소형화함으로써 사용자가 착용에 불편하지 않도록 할 수 있다.

제어부(130)는 본 발명에 따른 보행 보조 시스템의 전반적인 동작을 제어하는 기능을 수행한다. 특히 제어부(130)는 좌측 지팡이(110L) 및 우측 지팡이(110R)의 운동 상태, 좌측 지팡이(110L) 및 우측 지팡이(110R)에 가해지는 힘, 및 사용자의 보행 상태에 따라 좌측 지팡이(110L) 또는 우측 지팡이(110R)의 길이를 조절하는 기능을 수행한다.

무선 통신부(140)는 좌측 지팡이(110L) 및 우측 지팡이(110R)에 구비된 무선 통신 모듈(도시하지 않음)과 블루투스, 와이파이 등의 근거리 무선 통신 기능을 통해 데이터 및 신호를 교환하는 기능을 수행한다.

좌측 지팡이(110L) 및 우측 지팡이(110R)는 사용자의 양손에 각각 휴대 되어 보행을 보조하는 기능을 수행한다. 특히 제어부(130)의 제어에 따라 좌측 지팡이(110L) 및 우측 지팡이(110R)는 자동으로 그 길이가 늘어나거나 줄어들 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지팡이의 구성을 보다 자세히 나타낸 도면이다.

도 3을 참고하면, 좌측 지팡이(110L) 및 우측 지팡이(110R)는 지팡이 손잡이부(1110)가 지팡이 몸체부(1120)의 상단에 설치되어 사용자가 손으로 파지할 수 있다. 좌측 지팡이(110L) 및 우측 지팡이(110R)는 길이 조절 수단(1130), 지팡이 센서부(1140) 및 무선 통신 모듈(1150)을 포함할 수 있다.

길이 조절 수단(1130)은 구동부(1131)와 가동부(1133)를 포함할 수 있다.

가동부(1133)는 지팡이의 길이 방향으로 움직일 수 있는 구조를 가진다. 구체적으로 가동부(1133)는 구동부(1131)에 의해 지팡이 몸체부(1120)의 내부로 일부가 삽입되어 지팡이의 길이를 줄어들게 하거나, 지팡이 몸체부(1120) 내에 삽입되어 있는 부위가 밖으로 인출되면서 지팡이의 길이를 늘어나게 할 수 있다. 이와 같은 동작에 의해 지팡이의 전체 길이가 조절될 수 있다.

구동부(1131)는 전동 모터를 이용하거나 유압식 실린더를 이용하여 구현될 수 있으며, 가동부(1133)를 지팡이의 길이 방향으로 움직이게 하여 지팡이 길이를 신축시키는 기능을 수행한다. 지팡이의 길이를 조절하기 위한 수단에 대해서는 공지된 기술이 이용될 수 있다.

지팡이 센서부(1140)는 상단 힘센서(1141), 하단 힘센서(1142) 및 지팡이 관성 센서부(1143)를 포함할 수 있다.

상단 힘센서(1141)는 지팡이의 손잡이부(1110)에 위치하여 사용자가 지팡이를 쥐고 보행할 때 지팡이의 상단에 가해지는 힘을 측정할 수 있는 힘 센서(force sensor)로 구현될 수 있다.

하단 힘센서(1142)는 지팡이에 가해지는 지면 반력을 측정하는 기능을 수행하며, 이를 위해 지팡이가 지면에 닿는 하단부의 적절한 위치에 설치될 수 있다. 하단 힘센서(1142)는 가동부(1133)의 지면 방향의 단부에 설치될 수 있다.

지팡이 관성 센서부(1143)는 지팡이의 운동 상태를 측정하는 기능을 수행하며, 이를 위해 3축 가속도센서(accelerometer), 3축 자이로스코프(gyroscope), 3축 자기장 센서(magnetometer)를 통합한 MEMS 기반의 관성 센서 모듈로 구현될 수 있다.

또는 지팡이 관성 센서부(1143)는 3축 가속도센서(accelerometer) 및 3축 자이로스코프(gyroscope) 만을 포함하는 관성 측정 장치(IMU)(inertial measurement unit)와, IMU와 별도로 3축 자기장 센서(magnetometer)를 포함할 수도 있다. 지팡이 관성 센서부(1143)는 지팡이의 무게 중심 위치에 설치되는 것이 바람직하나, 반드시 그에 한정되지는 않는다. 실시예에 따라 지팡이 관성 센서부(1143)는 지팡이의 적절한 위치에 설치될 수 있다.

무선 통신 모듈(1150)은 무선 통신부(140)와 블루투스, 와이파이 등의 근거리 무선 통신 기능을 통해 데이터 및 신호를 교환하는 기능을 수행한다.

무선 통신 모듈(1150)과 무선 통신부(140)는 제어부(130)로부터 지팡이 길이를 조절하기 위한 제어신호를 구동부(1131)에 전달할 수 있다. 또한 무선 통신 모듈(1150)과 무선 통신부(140)는 상단 힘센서(1141), 하단 힘센서(1142) 및 지팡이 관성 센서부(1143) 등에서 측정된 지팡이에 가해지는 힘 및 운동 상태에 대한 데이터를 제어부(130)에 전달할 수 있다.

한편 본 발명에 따른 보행 보조 시스템은 각 구성 요소가 사용자의 몸통이나 발 부위에 떨어져 위치할 수 있고, 좌측 지팡이(110L) 및 우측 지팡이(110R)에도 서로 떨어져 위치하게 된다. 따라서 구성 요소 사이에 데이터 및 신호 전달을 케이블을 통해 교환되게 할 수도 있으나, 사용상의 편의를 위해 무선 통신을 지원하는 것이 바람직하다. 따라서 본 명세서에서 별도의 설명이 없는 경우에도 각 구성 요소는 필요한 경우 별도의 무선 통신 모듈이 장착되어 다른 구성 요소와 무선으로 데이터 및 신호를 교환할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 보조 시스템의 사용 상태를 예시한 개념도이다.

도 4를 참고하면, 사용자(100)는 좌측 지팡이(110L) 및 우측 지팡이(110R)를 자신의 좌측 손과 우측 손으로 잡고 보행을 함으로써, 부족한 다리 힘을 보완하여 보행 자세를 안정되게 할 수 있다.

사용자(100)가 착용하는 신발의 밑창 부분이나 인솔 부분에 발바닥 센서부(122)가 구비될 수 있다. 도 4에 예시한 것과 같이 발바닥 센서부(122)는 좌측 신발에 구비되는 좌측 발바닥 센서(122L)와 우측에 신발에 구비되는 우측 발바닥 센서(122R)를 포함할 수 있다.

한편 신체 관성 센서부(121)는 사용자(100)의 몸통부에 위치할 수 있는데, 사용자가 입는 재킷, 셔츠 등과 같은 의복에 부착되거나, 몸통에 채워진 벨트에 부착되어 있을 수 있다. 그 외에도 다양한 방법으로 신체 관성 센서부(121)는 사용자의 몸통에 착용될 수 있다.

제어부(130)는 신체 관성 센서부(121)와 일체로 형성되어 사용자(100)의 몸통에 착용되거나, 팔목 밴드에 부착되는 방식으로 사용자(100)에 착용될 수도 있다. 물론 그 외에도 다양한 방법으로 사용자의 몸통 외에 다양한 부위에 착용될 수도 있으며, 실시예에 따라서 지팡이(110L, 110R)에 설치될 수도 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지팡이에 가해지는 힘 및 운동 상태를 설명하기 위해 제공되는 도면이다.

도 5를 참고하면, 지팡이(110L, 110R)의 운동 상태는 xyz 로컬 좌표계에 대해서, 지팡이 가속도 벡터

(a_x, a_y, a_z), 지팡이 방향 벡터

(O_x, O_y, O_z), 지팡이 각속도 벡터

(ω_x, ω_y, ω_z)로 정의될 수 있다.

지팡이 가속도 벡터

(a_x, a_y, a_z)는 지팡이 관성 센서부(1143)의 3축 가속도센서(accelerometer)에 의해 측정될 수 있다. 지팡이 가속도 벡터

(a_x, a_y, a_z)는 중력 가속도와 지팡이에 가해진 힘에 의한 가속도의 합으로 정의할 수 있다. 지팡이 가속도 벡터

(a_x, a_y, a_z)에서 3축 자기장 센서(magnetometer)에 의해 측정된 지팡이 방향 벡터

(O_x, O_y, O_z)의 차이로 지팡이에 대한 순수 운동 성분의 가속도를 알 수 있다.

한편

(F_Hx, F_Hy, F_Hz)는 지팡이의 손잡이부(1110)에 위치한 상단 힘센서(1141)에 의해 사용자의 손에 의해 지팡이의 상단에 가해지는 힘이 측정된 값이다. 모멘트 벡터 (M_Hx, M_Hy, M_Hz)는 지팡이와 사용자의 손에 대한 접점에서의 3D 회전력으로 정의된다.

그리고

(F_gx, F_gy, F_gz)는 지팡이의 하단에 위치한 하단 힘센서(1142)에 의해 지팡이의 하단에 가해지는 지면 반력이 측정된 값이다. 모멘트 벡터 (M_gx, M_gy, M_gz)는 지팡이와 지면의 접점에서의 3D 회전력으로 정의된다.

도 6은 보행 중 사용자가 전도되는 경우를 설명하기 위해 제공되는 도면이다.

도 6을 참고하면, 보행자가 굵은 화살표로 나타낸 방향으로 보행을 하는 과정이라고 가정한다. 먼저 좌측 발자국(SL1)과 우측 발자국(SR1)으로 나타낸 것처럼 정상적으로 보행을 하고 나서, 다음 별표를 표시한 좌측 발자국(SL2)에 해당하는 보행 스텝에서 동요(perturbation)를 일으키면, 다음 우측 발의 보행 스텝이 일점 쇄선으로 나타낸 발자국보다 왼쪽으로 치우치게 되어 우측 발자국(SR2)으로 표시된 쪽으로 향하게 된다. 이러한 보행 스텝을 크로스오버(crossover)라고 하고 보행자가 전도될 가능성이 높아진다.

도 4 및 도 6을 참고하면, 사용자가 지팡이를 양손에 쥐고 보행을 하는 상황에서, 사용자의 오른쪽 발은 지면에 떨어져서 스윙 상태에서 크로스오버가 일어나고, 사용자의 왼발은 지면에 닿아있는 스탠스 상태에 있는 상태에서 지팡이(110L, 110R)에 가해지는 힘과 운동 상태에 대해 살펴본다.

사용자가 왼손으로 쥐고 있는 좌측 지팡이(110L)는 지면에 닿아 있는 스탠스 상태에 있게 되는데, 사용자의 보행 자세가 무너지면서 좌측 지팡이(110L)의 상단과 하단에 정상적인 보행 시 가해지는 힘보다 큰 힘이 가해지게 된다. 그리고 사용자의 오른 발이 스윙 상태이므로 우측 지팡이(110R)도 스윙 상태에 있게 되는데 운동 상태가 불안정하게 되면서 우측 지팡이(110R)의 오리엔테이션 벡터의 기울기가 커지고 갑작스럽게 각속도도 증가하게 된다.

이와 같이 우측 발에서 크로스오버가 일어나서 전도 위험이 있는 상황에서, 큰 팔의 동작이 있는 스윙 상태의 우측 지팡이(110R)의 길이를 다음 보행 스텝(우측 발이 지면에 닿는 스텝) 이전에 길어지게 조정하면, 더 큰 모멘트로 중심 이동이 생기기 전에 우측 지팡이(110R)가 지면에 닿을 수 있다. 이에 의해 우측 지팡이(110R)의 지면 반력으로 균형을 유지하게 함으로써 보행 상태가 안정되게 할 수 있다.

제어부(130)는 이와 같이 사용자의 보행 상태가 불안정하게 되는 경우를 판단하고, 그에 따라 지팡이(110L, 110R)의 길이를 다음 보행 스텝이 이루어지기 전에 조정함으로써 보행 스텝이 안정되게 할 수 있다.

즉 특정 발에 크로스오버가 발생하면서 사용자가 전도 가능성이 높아진 경우에는 다음 조건을 만족하게 된다. 크로스오버가 발생한 발이 스윙 상태에 있고, 크로스오버가 발생한 발과 같은 측의 지팡이의 운동 상태가 비정상으로 판단되며, 반대측 지팡이에 가해지는 힘이 비정상으로 판단된다. 이 경우 제어부(130)는 크로스오버가 발생한 발과 같은 쪽의 지팡이의 길이를 다음 보행 스텝 전에 늘어나게 제어하여 보행 상태를 안정되게 할 수 있다.

앞에서 크로스오버가 발생한 발과 같은 측의 지팡이의 운동 상태의 비정상 여부를 판단하는 것은 해당 지팡이의 방향 벡터의 기울기와 해당 지팡이의 각속도가 미리 정해진 기준 이상으로 커지는 경우 비정상인 것으로 판단할 수 있다. 여기서 미리 정해진 방향 벡터의 기울기와 각속도의 범위는 미리 설정될 수 있다.

한편 크로스오버가 발생한 발과 반대측 지팡이에 가해지는 힘의 비정상 여부를 판단하는 것은, 해당 지팡이의 상단에 가해지는 힘과 해당 지팡이의 하단에 가해지는 힘 중 적어도 하나가 미리 정해진 기준 이상으로 커지는 경우 비정상인 것으로 판단할 수 있다. 물론 상단에 가해지는 힘과 하단에 가해지는 힘이 모두 미리 정해진 기준 이상으로 커지는 경우에만 비정상인 것으로 판단하는 것도 가능하다. 여기서 미리 정해진 힘의 범위도 미리 설정될 수 있다.

지팡이(110L, 110R)의 상단에 작용하는 회전력 또는 지팡이(110L, 110R)의 하단에 작용하는 회전력 중 하나가 미리 정해진 기준 이상으로 커지는 경우에도, 지팡이(110L, 110R)의 길이를 늘어나는 방향으로 조절하여 회전력을 감소시키게 할 수도 있다.

한편 실시예에 따라서 위에서 설명한 조건 외에도 다양한 사용자의 보행 상태와 지팡이에 가해지는 힘 및 운동 상태에 따라 지팡이의 길이를 조절하여 보행 상태를 안정되게 할 수 있다.

지금까지 양 손에 지팡이(110L, 110R)를 쥐고 보행할 때에 대해서 설명하였으나, 실시예에 따라서 한 손에만 지팡이를 쥐고 보행할 때에도 보행 상태 및 지팡이의 운동 상태 및 가해지는 힘에 따라 지팡이의 길이를 조절하여 보행 상태를 안정되게 하는 것도 가능하다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 보조 시스템의 동작을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.

도 7을 참고하면, 지팡이 센서부(1140)는 사용자의 손에 쥐어진 지팡이에 가해지는 힘과 운동 상태를 측정한다(S710).

단계(S710)와 동시에 사용자에 착용된 보행 센서부(120)는 사용자의 보행 상태를 측정한다(S720). 단계(S710)와 단계(S720)는 동시에 병렬로 수행되는 것이 바람직하나 실시예에 따라서 순차적으로 이루어질 수도 있으며, 그 순서가 바뀌어서 실시될 수도 있다.

제어부(130)는 단계(S710) 및 단계(S720)에서 측정된 사용자의 보행 상태와 지팡이에 가해지는 힘과 운동 상태가 지팡이 길이 조절 조건을 만족하는지 판단한다(S730).

단계(S730)에서 지팡이 길이 조절 조건을 만족하면(S730-Y), 그에 따라 지팡이의 길이를 조절시킬 수 있다(S740). 가령 디폴트로 설정된 지팡이의 길이를 보행 상태가 안정되게 늘어나는 방향으로 조절할 수 있다. 또는 지팡이의 길이가 늘어난 상태에서 단계(S730)에서 보행 상태가 불안한 상태에서 안정한 상태로 돌아온 것으로 판단되면 지팡이의 길이를 디폴트 상태로 복귀 시키도록 조절하는 것도 가능하다.

한편 단계(S730)에서 지팡이 길이 조절 조건을 만족하지 않으면(S730-N), 지팡이의 길이를 조절하지 않고 단계(S710) 내지 단계(S730)를 사용자의 보행이 종료될 때까지 계속적으로 반복할 수 있다.

본 발명의 실시예는 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체를 포함한다. 이 매체는 앞서 설명한 지팡이를 이용한 보행 보조 시스템의 제어 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한다. 이 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 이러한 매체의 예에는 하드디스크, 플로피디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 자기-광 매체, 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 구성된 하드웨어 장치 등이 있다. 또는 이러한 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

110L: 좌측 지팡이 110R: 우측 지팡이
120: 보행 센서부 121: 신체 관성 센서부
122: 발바닥 센서부 130: 제어부
140: 무선 통신부 1110: 손잡이부
1120: 지팡이 몸체부 1130: 길이 조절 수단
1131: 구동부 1133: 가동부
1140: 지팡이 센서부 1141: 상단 센서부
1142: 하단 센서부 1143: 지팡이 관성 센서부
1150: 몸체부

Claims (11)

1. 삭제
2. 길이 조절 수단을 구비하는 제1 지팡이 및 제2 지팡이,
   상기 제1 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘과 상기 제1 지팡이의 운동 상태를 측정하기 위한 제1 지팡이 센서부,
   상기 제2 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘과 상기 제2 지팡이의 운동 상태를 측정하기 위한 제2 지팡이 센서부,
   상기 제1 지팡이 및 상기 제2 지팡이를 양손에 각각 쥐고 보행하는 사용자의 보행 상태를 감지하기 위한 보행 센서부, 그리고
   상기 제1 지팡이와 상기 제2 지팡이의 운동 상태, 상기 제1 지팡이와 상기 제2 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘, 및 상기 사용자의 보행 상태에 따라 상기 제1 지팡이 또는 상기 제2 지팡이의 길이를 조절하는 제어부
   를 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 제1 지팡이를 쥔 손과 동일한 측의 발이 스윙 상태이고, 상기 제1 지팡이의 운동 상태가 비정상으로 판단되며, 상기 제2 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘이 비정상으로 판단되는 경우, 상기 제1 지팡이의 길이를 늘어나는 방향으로 조절되게 하는 보행 보조 시스템.
3. 제 2 항에서,
   상기 제어부는,
   상기 제1 지팡이의 방향 벡터의 기울기와 상기 제1 지팡이의 각속도가 미리 정해진 기준 이상으로 커지는 경우, 상기 제1 지팡이의 운동 상태가 비정상인 것으로 판단하고,
   상기 제2 지팡이의 상단에 사용자의 손으로부터 가해지는 힘과 상기 제2 지팡이의 하단에 지면으로부터 가해지는 힘 중 적어도 하나가 미리 정해진 기준 이상으로 커지는 경우, 상기 제2 지팡이의 운동 상태가 비정상인 것으로 판단하는 보행 보조 시스템.
4. 제 3 항에서,
   상기 제어부는,
   상기 제2 지팡이의 상단에 작용하는 회전력 또는 상기 제2 지팡이의 하단에 작용하는 회전력 중 하나가 미리 정해진 기준 이상으로 커지는 경우, 상기 제2 지팡이의 길이를 늘어나는 방향으로 조절되게 하는 보행 보조 시스템.
5. 삭제
6. 제1 지팡이와 제2 지팡이의 운동 상태, 상기 제1 지팡이와 상기 제2 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘, 및 상기 제1 지팡이와 상기 제2 지팡이를 양 손에 쥐고 보행하는 사용자의 보행 상태를 측정하는 단계, 그리고
   상기 제1 지팡이와 상기 제2 지팡이의 운동 상태, 상기 제1 지팡이와 상기 제2 지팡이에 지면과 사용자의 손으로부터 가해지는 힘, 및 상기 사용자의 보행 상태에 따라 상기 제1 지팡이 또는 상기 제2 지팡이의 길이를 조절하는 단계
   를 포함하고,
   상기 제1 지팡이를 쥔 손과 동일한 측의 발이 스윙 상태이고, 상기 제1 지팡이의 운동 상태가 비정상으로 판단되며, 상기 제2 지팡이에 가해지는 힘이 비정상으로 판단되는 경우, 상기 제1 지팡이의 길이를 늘어나는 방향으로 조절되게 하는 보행 보조 시스템의 제어 방법.
7. 제 6 항에서,
   상기 제1 지팡이의 방향 벡터의 기울기와 상기 제1 지팡이의 각속도가 미리 정해진 기준 이상으로 커지는 경우, 상기 제1 지팡이의 운동 상태가 비정상인 것으로 판단하고,
   상기 제2 지팡이의 상단에 사용자의 손으로부터 가해지는 힘과 상기 제2 지팡이의 하단에 지면으로부터 가해지는 힘 중 적어도 하나가 미리 정해진 기준 이상으로 커지는 경우, 상기 제2 지팡이의 운동 상태가 비정상인 것으로 판단하는 보행 보조 시스템의 제어 방법.
8. 제 7 항에서,
   상기 제2 지팡이의 상단에 작용하는 회전력 또는 상기 제2 지팡이의 하단에 작용하는 회전력 중 하나가 미리 정해진 기준 이상으로 커지는 경우, 상기 제2 지팡이의 길이를 늘어나는 방향으로 조절되게 하는 보행 보조 시스템의 제어 방법.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제

Images