KR101799058B1 - 능동형 상지 운동 보조 장치를 제어하기 위한 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 능동형 상지 운동 보조 장치의 동작을 제어하기 위한 장치에 있어서, 상기 상지 운동 보조 장치에 사용자가 상지 하박부를 안착시킨 상태에서 동작 시에 상기 상지 운동 보조 장치에 부착된 복수의 센서로부터 측정된 힘에 대한 센싱값을 입력받는 입력부와, 상기 복수의 센서 중 기 매칭된 복수의 센서 조합에 포함되는 센서 간의 센싱 값의 비율을 연산하는 연산부와, 각각의 센서 조합에 대하여 연산된 상기 센싱 값의 비율을 이용하여 사용자의 동작 의도 정보를 추출하는 동작 의도 추출부, 및 상기 추출된 동작 의도 정보에 기초하여 상기 사용자가 의도하는 동작을 보조하기 위한 외력에 대한 제어 신호를 생성하여 상기 상지 운동 보조 장치에 연결된 다관절 로봇에 전달하는 신호 생성부를 포함하는 제어 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 상지 운동 보조 장치에 구비된 다수의 센서를 조합하여 사용자 동작 의도를 파악하고 파악한 동작 의도에 대한 제어 신호를 생성하여 다관절 로봇에 전달함에 따라, 다관절 로봇이 사용자가 의도한 동작을 보조할 수 있도록 함은 물론, 사용자의 안정적인 상지 운동이 가능하게 하는 효과가 있다.

Description

능동형 상지 운동 보조 장치를 제어하기 위한 장치 및 그 방법{Apparatus for controlling active upper extremity exercise assist device and method thereof}

본 발명은 능동형 상지 운동 보조 장치를 제어하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용자의 상지가 수용되는 상지 운동 보조 장치에 구비된 복수의 센서를 통해 사용자 동작 의도를 감지하고 감지한 동작 의도에 대응하는 제어 신호를 다관절 로봇으로 전달하여 사용자가 의도하는 동작을 보조할 수 있도록 하는 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

인간의 기대수명은 매년 증가하고 있으며, 국내를 비롯한 세계의 각국은 급속하게 노령화 사회로 접어들고 있다. 전 세계적으로 노령화가 진행되고 있는 시점에서 실버산업분야는 생명지원분야, 생활활동지원분야 등으로 나뉘어 활발하게 발전해나가고 있으며, 이에 대한 필요기술인 생체기능 대행 보조기술, 치료지원기술, 자립지원기술, 생활지원용 로봇기술 등도 활발하게 연구개발되고 있다.

특히, 노령층의 경우 근력이 약해져 자력 거동이 불가하거나 곤란한 경우가 많으며 행동에 많은 제약을 받게 되는데, 실버산업분야의 일정으로 노령층의 부족한 근력을 보충 및 보조하기 위한 근력보조기구의 필요성이 대두되고 있다.

또한, 각종 질환이나 사고 등 여타의 이유로 신체의 근력이 부족한 환자의 경우에도 상기와 같은 근력보조기구의 필요성이 대두되고 있으며, 자력만으로는 자유로운 거동이 어려운 재활훈련환자 등의 경우에도 근력보조 및 근력훈련을 위한 근력보조 기구가 요구되고 있다.

상기한 이유로 종래에 제안된 기술 중에서 등록특허 제10-1237245호(2014.04.08 공고)에는 식사 보조를 위한 상지 재활 로봇이 개시된 바 있다. 하지만 상기의 종래의 기술은 식사 이외의 작업을 행할 수 없을 뿐만 아니라, 사용자의 신체에 특성(체격, 입의 위치)을 고려하지 않아 사용자에게 사용상 많은 불편을 초래한다. 또한 사용자 동작 의도를 파악하기 위해 고가의 센서와 장비를 적용해야 하므로 쉽게 적용하기 힘들다는 단점이 있다.

본 발명은 상지 운동 보조 장치에 구비된 복수의 센서를 통해 사용자 동작 의도를 감지하고 감지된 동작 의도에 대응하는 제어 신호를 생성하여 다관절 로봇에 제공할 수 있는 능동형 상지 운동 보조 장치를 제어하기 위한 장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 능동형 상지 운동 보조 장치의 동작을 제어하기 위한 장치에 있어서, 상기 상지 운동 보조 장치에 사용자가 상지 하박부를 안착시킨 상태에서 동작 시에 상기 상지 운동 보조 장치에 부착된 복수의 센서로부터 측정된 힘에 대한 센싱값을 입력받는 입력부와, 상기 복수의 센서 중 기 매칭된 복수의 센서 조합에 포함되는 센서 간의 센싱 값의 비율을 연산하는 연산부와, 각각의 센서 조합에 대하여 연산된 상기 센싱 값의 비율을 이용하여 사용자의 동작 의도 정보를 추출하는 동작 의도 추출부, 및 상기 추출된 동작 의도 정보에 기초하여 상기 사용자가 의도하는 동작을 보조하기 위한 외력에 대한 제어 신호를 생성하여 상기 상지 운동 보조 장치에 연결된 다관절 로봇에 전달하는 신호 생성부를 포함하는 제어 장치를 제공한다.

여기서, 상기 신호 생성부는, 상기 센서 조합에 의한 최대 외력을 이용하여 상기 외력의 크기를 정규화하고 상기 정규화한 외력의 크기에 대응하는 상기 제어 신호를 생성할 수 있다.

또한, 상기 신호 생성부는, 상기 사용자의 동작 의도에 대응되는 센서들의 센싱값을 이용하여 상기 외력의 크기를 연산하고, 상기 정규화된 외력의 크기가 기 설정된 임계치보다 작은 경우, 상기 추출한 동작 의도 정보를 노이즈 신호로 판단하여 제거할 수 있다.

또한, 상기 제어 장치는, x축, y축, z축에 대한 직선 운동, 하박 중심 부위의 y축 또는 z축을 기준으로 하는 회전 운동, 팔꿈치 부위의 y축 또는 z축을 기준으로 하는 회전 운동 중 적어도 하나에 대응하는 동작 의도 정보를 추출하기 위한 상기 센서 조합별 상기 비율의 기준 범위를 상기 각각의 센서 조합과 매핑하여 저장하는 저장부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 보조 장치는 상기 하박부가 안착되는 안착부, 상기 하박부의 안착 상태에서 상기 사용자가 파지하는 손잡이 및 상기 복수의 센서를 포함하고, 상기 복수의 센서는, 상기 안착부에서 상기 하박부의 좌측면과 접하는 부위에 전후로 이격 배치되며 좌측(+y)으로 작용한 힘을 감지하는 제1 및 제2 센서, 우측면과 접하는 부위에 전후로 이격 배치되며 우측(-y)으로 작용한 힘을 감지하는 제3 및 제4 센서, 하면과 접하는 부위에 전후로 이격 배치되고 하측(-z)으로 작용한 힘을 감지하는 제5 및 제6 센서, 및 상기 손잡이를 상하 및 전후로 조작 시 상하측(+z/-z) 및 전후측(+x/-x)으로 각각 작용한 힘을 감지하는 제7 및 제8 센서를 포함할 수 있다.

또한, 상기 동작 의도 추출부는, 상기 제1 및 제2 센서의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 +y 방향으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보 또는 팔꿈치 부위의 z축을 중심으로 손목을 좌측 방향으로 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하고, 상기 제3 및 제4 센서의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 -y 방향으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보 또는 팔꿈치 부위의 z축을 중심으로 손목을 우측 방향으로 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하며, 상기 제1 및 제4 센서의 센싱 값 비율 또는 상기 제2 및 제3 센서의 센싱 값 비율을 각각 이용하여 사용자가 하박 중심 부위의 z축을 중심으로 손목을 좌측 방향 또는 우측 방향으로 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출할 수 있다.

또한, 상기 동작 의도 추출부는, 상기 제5 및 제7 센서의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 하박 중심 부위의 y축을 중심으로 손목을 내리고 올리는 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하며, 상기 제5 및 제6 센서의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 -z 방향으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보 또는 팔꿈치 부위의 y축을 중심으로 손목을 내리는 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하고, 상기 제6 및 제7 센서의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 +z 방향으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보 또는 팔꿈치 부위의 y축을 중심으로 손목을 올리는 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하며, 상기 제8 센서의 센싱 값을 이용하여 사용자가 x축 방향으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보를 추출할 수 있다.

그리고, 본 발명은, 능동형 상지 운동 보조 장치의 동작을 제어하기 위한 제어 방법에 있어서, 상기 상지 운동 보조 장치에 사용자가 상지 하박부를 안착시킨 상태에서 동작 시에 상기 상지 운동 보조 장치에 부착된 복수의 센서로부터 측정된 힘에 대한 센싱값을 입력받는 단계와, 상기 복수의 센서 중 기 매칭된 복수의 센서 조합에 포함되는 센서 간의 센싱 값의 비율을 연산하는 단계와, 각각의 센서 조합에 대하여 연산된 상기 센싱 값의 비율을 이용하여 사용자의 동작 의도 정보를 추출하는 단계, 및 상기 추출된 동작 의도 정보에 기초하여 상기 사용자가 의도하는 동작을 보조하기 위한 외력에 대한 제어 신호를 생성하여 상기 상지 운동 보조 장치에 연결된 다관절 로봇에 전달하는 단계를 포함하는 제어 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 상지 운동 보조 장치에 구비된 다수의 센서를 조합하여 사용자 동작 의도를 파악하고 파악한 동작 의도에 대한 제어 신호를 생성하여 다관절 로봇에 전달함에 따라, 다관절 로봇이 사용자가 의도한 동작을 보조할 수 있도록 함은 물론, 사용자의 안정적인 상지 운동이 가능하게 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 안정된 상지 운동이 필요한 노약자, 재활환자 등이 일상 생활에 관련된 활동을 영위할 수 있게 함으로써 생활의 편의성 및 만족도를 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 상지 근력 재활 운동에도 도움을 주는 효과를 기대할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예가 적용되는 상지 운동 보조 장치의 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1을 간단히 표현한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 능동형 상지 운동 보조 장치를 제어하기 위한 제어 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 제어 장치를 이용한 제어 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 다양한 센서 조합 별로 사용자 동작 의도 추출 기준을 설명하는 도면이다.

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

본 발명은 능동형 상지 운동 보조 장치를 제어하기 위한 장치 및 그 방법으로서, 사용자의 상지 하박부가 안착되는 상지 운동 보조 장치에 포함된 복수의 센서를 통하여 사용자 동작 의도를 감지하고 감지된 동작 의도에 대응하는 제어 신호를 생성하여 다관절 로봇을 제어한다.

다관절 로봇은 상지 운동 보조 장치의 일측에 연결되어 있으며, 본 발명의 실시예에 따른 제어 장치로부터 받은 제어 신호를 기초로 사용자가 의도한 동작 방향으로 상지 운동을 안내하고 근력을 보조하면서 상지 운동을 돕는다.

상지 운동 보조 장치와 다관절 로봇은 상지 운동 시스템을 구성한다. 본 발명의 실시예에 따른 제어 장치는 상지 운동 보조 장치 및 다관절 로봇과는 별개의 장치로 구성될 수도 있고, 상지 운동 보조 장치 또는 다관절 로봇에 포함되는 형태로 일체로 구현될 수도 있다.

제어 장치는 사용자의 상지 하박부가 상지 운동 보조 장치에 안착된 상태에서 사용자의 거동이 이루어질 때 보조 장치에 장착된 복수의 센서(힘 센서)로부터 센서 값을 수집하고 수집한 센서 값을 기초로 사용자 동작 의도를 파악한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예가 적용되는 상지 운동 보조 장치의 예를 나타낸 도면이다. 도 1 및 도 2에 도시된 상지 운동 보조 장치는 사용자 동작 의도를 감지하기 위해 총 8개의 센서를 포함하는 형태이다. 물론 본 발명이 적용 가능한 상지 운동 보조 장치의 구성, 센서의 부착 위치, 개수, 형태 등은 반드시 도시된 것에 의해 한정되지 않으며 본 발명의 범주에 속하는 다양한 형태의 상지 운동 보조 장치에 적용될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상지 운동 보조 장치는 크게 안착부(11), 손잡이(13), 복수의 센서(S)를 포함한다. 안착부(11)는 커프에 해당하며 사용자의 상지 하박부가 수용되고 안착된다. 손잡이(13)는 안착부(11)에 사용자의 하박부가 안착된 상태에서 사용자가 파지하는 부분이다.

복수의 센서(S)는 사용자 동작 의도를 파악하기 위한 센서로서, 안착부(11) 주변과 손잡이(13) 부분에 각각 배치된다. 도 1 및 도 2의 경우 도면 각도 상 일부 센서만이 도시된 것으로, 각각의 배치는 도 3을 통해 상세히 확인할 수 잇다.

각 센서(S)는 힘을 센싱하기 위한 로드셀을 내부에 포함할 수 있다. 이러한 로드셀은 1축 힘 센서에 해당한다. 본 발명의 실시예는 기존과 같은 고가의 6축 힘-토크 센서를 대신하여, 단순히 저가의 1축 힘 센서들을 사용하여 이들 힘 센서 간의 센싱값 조합을 기초로 사용자 동작 의도를 파악한다. 물론 센서는 로드셀 이외에 그 밖의 다른 센싱 부재를 포함하여 구성될 수 있다.

도 1에서 안착부(11)와 외피부(12)는 서로 탄성 부재를 통해 연결될 수도 있고 사용자의 상지 동작 의도에 따라 안착부(11)가 움직임이 가능하도록 구현될 수도 있다. 외피부(12)는 하단 전후방에 각각 가이드레일 부재(15)가 결합되며 가이드레일 부재(15)는 일체로 형성될 수 있다. 브라켓 부재(16)는 전방의 가이드레일 부재(15)에 대해 슬라이딩 이동 가능하게 구성될 수 있다. 브라켓 부재(16)의 상부에는 손잡이(13)가 결합되어 있다.

피부(12)의 하단 중앙부에는 다관절 로봇(미도시)이 체결되는 체결부(17)가 형성된다. 다관절 로봇은 직교좌표계 공간상 6자유도 운동이 가능하며, 제어신호를 수신하면, 안착부(11)에 고정된 사용자의 상지를 사용자가 의도한 대로 안내하고 힘을 보조할 수 있다.

도 3은 도 1을 간단히 표현한 도면이다. 이러한 도 3을 참조하면 각 센서의 위치 개념을 상세히 확인할 수 있다. 본 실시예에는 총 8개의 센서를 포함한다.

제1 내지 제6 센서(S1~S6)는 안착부(11)(내피부에 해당)와 그 외피부(12) 사이에 배치될 수도 있고, 안착부(110)의 표면 위에 배치될 수도 있다. 그 중에서, 제1 및 제4 센서(S1~S4)는 팔의 좌측면과 우측면에 각각 대응하여 배치되고, 제5 및 제6 센서(S5,S7)는 팔의 저면에 대응하여 배치된다.

제7 및 제8 센서(S7,S8)은 손잡이(13)의 일측(ex, 하부)에 배치될 수 있다. 도 3에는 설명의 편의상 안착부(11) 외측에 제7 및 제8 센서(S7,S8)가 이격된 상태로 표시되어 있다. 제7 센서(S7)는 손잡이(13)를 파지한 사용자가 팔을 전후 방향으로 밀고 당길 때 받는 힘을, 제8 센서(S8)는 팔을 상하로 들고 내릴 때 받는 힘을 각각 감지할 수 있다. 손잡이(13)에 대한 두 센서의 결합 위치 및 구조는 다양한 실시예가 존재할 수 있으며 통상의 기술자에 의해 구현 가능한 것에 해당한다.

도 3에서 축은 안착부(11)에 높여진 팔 하박부의 전후 운동, y축은 좌우 운동, z축은 상하 운동과 관련된다. 도 3에 도시된 {C}는 사용자의 하박부 중심부 위치고, {E}는 팔꿈치 위치를 나타낸다. {C}와 {E}는 다관절 로봇의 두 운동 좌표계(하박 중심 좌표계, 팔꿈치 좌표계)를 나타낸다. 도 3은 {C},{E} 각각에 대해 +x와 +y 방향을 분리하여 도시하고 있으며, 이는 하박부 중심 부위{C} 또는 팔꿈치 부위{E}를 중심으로 하는 회전 운동의 설명을 위한 것이다. 각 센서에서 센싱 값에 해당하는 힘은 F 기호로 표시되어 있다.

도 3은 설명의 편의를 위해 두 개의 도면으로 구분하고 있다. 도 3의 (a)는 x축 방향의 운동에 관여하는 센서들(S1~S4과 S8) 위주이고, (b)는 z축 방향의 운동에 관여하는 센서들(S5~S7) 위주로 도시한 것이다.

제1 및 제2 센서(S1,S2)는 안착부(11)에 수용되는 하박부의 좌측면과 접하는 부위에 전후로 이격 배치되어, 하박부 거동시 좌측 방향(+y)으로 작용하는 힘(하중)을 감지한다. 반대로 제3 및 제4 센서(S3,S4)는 하박부의 우측면과 접하는 부위에 전후로 이격 배치되며 우측 방향(-y)으로 작용한 힘을 감지한다.

제5 및 제6 센서(S5,S6)는 하박부의 하면과 접하는 부위에 전후로 이격 배치되며, 팔 하박부 거동시 하측(-z)으로 작용한 힘을 감지한다. 제7 센서(S7)와 제8 센서(S8)는 손잡이(13)의 하측 부분에 위치하며 손잡이(13)를 잡은 상태에서 팔을 전후로 밀고 당길 때 또는 상하로 들어올리고 내릴 때 하중을 감지한다. 즉, 제7 센서(S7)는 상/하측(+z/-z)으로 각각 작용한 힘을 감지하고 제8 센서(S8)는 전/후측(+x/-x)으로 각각 작용한 힘을 감지한다.

상술한 것처럼, 제7 센서(S7)와 제8 센서(S8)의 경우, 자신이 담당하는 축 상에서 양방향(+/- 방향)의 외력 감지가 가능하도록 구성되고, 제1 내지 제6 센서(S1~S6)는 자신이 담당하는 축 상에서 +와 - 중 어느 하나의 단일 방향의 하중 감지가 가능하도록 구성될 수 있다.

이하에서는 상기의 내용을 기초로 본 발명의 실시예에 따른 능동형 상지 운동 보조 장치를 제어하기 위한 장치 및 방법을 더욱 상세히 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 능동형 상지 운동 보조 장치를 제어하기 위한 장치를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 제어 장치를 이용한 제어 방법의 흐름도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제어 장치(100)는 입력부(110), 연산부(120), 동작 의도 추출부(130), 신호 생성부(140), 저장부(150)를 포함한다.

먼저, 입력부(110)는 상지 운동 보조 장치(10)에 사용자가 상지 하박부를 안착시킨 상태에서 동작 시에, 상지 운동 보조 장치(10)에 부착된 복수의 센서(S1~S8)로부터 측정된 힘에 대한 센싱값을 입력받는다(S510).

그러면, 연산부(120)는 복수의 센서 중 기 매칭된 복수의 센서 조합에 포함되는 센서 간의 센싱 값의 비율을 연산한다(S520). 가능한 센서 조합은 추후 도 6을 통하여 상세히 설명할 것이다.

동작 의도 추출부(130)는 각각의 센서 조합에 대하여 연산된 센싱 값의 비율을 이용하여 사용자의 동작 의도 정보를 추출한다(S530).

예를 들어, 도 3의 (a)에서, 제1 및 제2 센서(S1,S2)의 센싱 값의 비율인 F1/F2 값을 기 설정된 기준 범위(α와 1 사이의 범위; α=0.7)와 비교하여, 기준 범위 이내를 만족(α≤ F1/F2 ≤1)하면, 사용자가 +y 방향(좌측)으로 직선 운동하고자 한 동작 의도 정보로 판단한다. F1/F2이 0.7과 1 사이인 것은 F1과 F2가 거의 동일하단 것이며, 상지 하박부가 좌측(+y 방향)으로 직선 운동했을 때를 의미한다. 상술의 예는 도 6에서 P_YC의 (+) 부분에 대응하는 설명이다.

또 다른 예로, 도 3의 (b)에서, 제5 및 제6 센서(S5,S6)의 센싱 값의 비율인 F6/F5 값이, 기 설정된 기준 범위(0과 β 사이의 범위; β=0.3)를 만족(O≤ F6/F5 ≤β)하면, 팔꿈치 좌표계 {E}의 y축을 중심으로 손목을 내리는 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보로 판단할 수 있다. F6/F5 값이 0.3보다 작다는 것은 F6이 F5보다 훨씬 크다는 것이며, 사용자가 팔꿈치를 기준으로 손목을 내리는 회전 운동을 할 때 팔꿈치로부터 더욱 멀리 있는 제5 센서(S5)가 제6 센서(S6)보다 힘을 더 많이 받은 것에 따르다. 이는 도 6에서 R_YE의 (+) 부분에 대응하는 설명이다.

각 센서 조합에서, 기준 범위에 사용된 임계치인 α와 β 값은 사전에 실험을 통해 각 사용자 별로 설정될 수 있다. 센서의 조합에서 센싱값을 형성하는 분자와 분모의 위치는 경우에 따라 바뀔 수 있는데, 예를 들어 두 센서의 센싱 값 중 더욱 큰 센싱 값이 자동으로 분모로 가도록 배치될 수 있다. 두 센싱 값의 비는 분모에 더 큰 값이 존재할 경우 항상 0과 1 사이를 가짐은 자명하다. 동작 의도 추출에 관한 예시는 추후 도 6을 통하여 더욱 다양하게 설명할 것이다.

다음, 신호 생성부(140)는 추출된 동작 의도 정보에 기초하여 사용자가 의도하는 동작을 보조하기 위한 외력에 대한 제어 신호를 생성하여, 상지 운동 보조 장치(10)에 연결된 다관절 로봇에 전달한다(S540).

여기서, 신호 생성부(140)는 외력의 크기를 해당 센서 조합에 의한 최대 외력을 이용하여 정규화하고, 정규화한 외력의 크기에 대응하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 이와 같이 외력을 정규화하여 제어 신호를 정해진 정규 범위 내에서 보내는 이유는 다음과 같다.

동일한 동작 의도에 대해 사용자마다 힘의 세기에 편차가 존재할 수가 있는데, 각각의 축 방향으로 측정된 물리력 크기 차가 사용자(환자) 별로 심하게 발생하면 로봇의 동특성이 물리력 크기에 따라 변화되므로 환자와 로봇 간 안전사고가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 환자의 물리력(외력 정보)이 그대로 로봇에 전달되지 않고 정규화되어 전달하는 과정을 사용한다.

정규화 과정을 예시하면 다음과 같다. 먼저, 신호 생성부(140)는 판단된 해당 동작 의도와 관련한 센서 조합의 센싱값을 이용하여 외력의 크기를 연산한다. 외력은 힘, 토크를 포괄하는 개념일 수 있다. 예를 들어, y축 방향의 직선 운동 의도에 대한 제1 및 제2 센서(S1,S2) 조합의 경우 F1과 F2를 합산한 크기를 연산한다. 그리고 연산한 외력 크기를 해당 센서 조합에 의해 가능한 외력 최대치로 나누어 정규화한다. 정규화 결과 0과 1 사이의 값을 가질 수 있다. 각 센서 별로 사용자에 의해 측정 가능한 최대 외력 치가 존재할 수 있고, 이를 기초로 사용자마다 각 동작 의도에 대응하는 센서 조합에 대한 최대 외력을 알 수 있다. 물론 환자가 발생 가능한 최대 외력 등의 정보는 저장부(150)에 미리 저장될 수 있다.

신호 생성부(140)는 만일 정규화한 외력 값이 기 설정된 임계치보다 작다면, 앞서 추출한 동작 의도 정보를 노이즈 신호로 판단하여 제거한다. 즉, 정규화한 값이 임계치 미만이면 해당 센서 조합에 의해 분류된 동작 의도는 노이즈로 판단하고 버린다. 따라서 사용자의 미세한 움직임 등으로 인한 불필요한 오동작을 방지한다.

한편, 저장부(150)는 각각의 동작 의도 판단에 필요한 각각의 센서 조합에 대응하는 기준 범위를 해당 센서 조합과 매핑하여 미리 저장하고 있다.

즉, 저장부(150)는 x축, y축, z축에 대한 직선 운동, 하박 중심 부위의 y축 또는 z축을 기준으로 하는 회전 운동, 팔꿈치 부위의 y축 또는 z축을 기준으로 하는 회전 운동 중 적어도 하나에 대응하는 동작 의도 정보를 추출하기 위한 기준 범위를 각각의 센서 조합 정보와 매핑하여 저장하고 있다. 각 센서 조합별 동작 의도와 그에 해당하는 기준 범위는 도 6의 형태로 매핑될 수 있다.

물론, 저장부(150)는 기준 범위에 사용된 임계치 α, β 값, 노이즈 판단을 위한 임계치, 최대 외력 등을 사전에 저장하고 있다. 이들 각각의 정보들은 S610 단계 이전에 미리 저장되는 것이 바람직하다.

다음은 도 3 및 도 6을 통하여 동작 의도 추출에 관한 구체적인 예시를 설명한다. 도 6은 본 발명의 실시예에서 다양한 센서 조합 별로 사용자 동작 의도 추출 기준을 설명하는 도면이다.

우선, 도 6은 여러 가지의 사용자 동작 의도를 구분하고 도시하고 있다. P는 직선 운동, R은 회전 운동을 나타낸다. R의 표시에서 아래 첨자 'C'는 하박 중심점 좌표계에서의 회전 운동을 'E'는 팔꿈치 좌표계에서의 회전 운동을 나타낸다. 이하의 예시에서 α=0.7, β=0.3인 것으로 가정한다. 물론 이는 실시예에 불과하며 두 값은 변경될 수 있고 센서 조합마다 혹은 사용자마다 상이하게 설정될 수도 있다.

도 6에서 P_YC (+)와 R_YE (+)의 경우는 앞서 대표 예시로 설명한 바 있으므로 반복 설명은 생략한다. P_YC (-)의 경우는, 제3 및 제4 센서(S3,S4)의 센싱 값의 비율이 기준 범위 이내를 만족(α≤ F3/F4 ≤1)하면, 사용자가 -y 방향(우측)으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보로 판단한다. F3/F4가 0.7과 1 사이인 것은 3과 S4에 가해진 힘 F3과 F4가 거의 동등하다는 것이고 상지 하박부가 -y 방향(우측)으로 직선 운동한 경우를 의미한다.

P_ZC(+)는 제6 및 제7 센서(S6,S7)의 센싱 값 비율이 기준 범위 이내(0≤ F6/F7 ≤β)이면, 사용자가 +z 방향(상측)으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보로 판단한다. 제7 센서(S7)는 하측뿐만 아니라 상측으로 작용한 힘도 감지 가능한데, +z 방향의 직선 운동에 따라 F7이 F6보다 크게 측정될 수 있다.

P_ZC(-)는 제5 및 제6 센서(S5,S6)의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 -z 방향(하측)으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하는 것이다. 그 비율이 기준 범위 이내(α ≤ F6/F5 ≤1)이면 즉, F6과 F5의 크기가 거의 동등하면 -z 방향(하측)의 직선 운동 의도로 판단한다.

R_YC (+) 및 R_YC (-)의 경우는, 제5 및 제7 센서(S5,S7)의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 하박 중심 좌표계 {C}의 y축을 중심으로 손목을 내리는 회전 운동 및 올리는 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 각각 추출하는 것이다.

예를 들어, R_YC (+)를 보면, 제5 및 제7 센서(S5,S7)의 센싱 값 비율이 기 설정된 기준 범위 이내(0≤ F5/F7 ≤β)이면, {C}의 y축을 중심으로 손목을 내리는 동작 의도로 판단한다. F5/F7 값이 0.3보다 작다는 것은 F7이 F5보다 많이 크다는 것이며, 사용자가 하박 중심을 기준으로 손목을 내리는 회전 운동에 따라, 하박 중심에서 더욱 먼 제7 센서(S7)가 제5 센서(S5)보다 하중을 많은 것과 관계한다.

R_YC (-)를 보면, 제5 및 제7 센서(S5,S7)의 센싱 값 비율이 또 다른 기준 범위 이내(α ≤ F5/F7 ≤1)일 때는 {C}의 y축을 중심으로 손목을 올리는 동작 의도로 판단할 수 있다. 제7 센서(S7)는 양방향 감지가 가능한데 손목을 올릴 때 상측 방향(-z)으로의 힘을 감지할 수 있다. 감지된 F7이 F5와 유사할 때 {C}를 중심으로 손목을 올리는 것으로 판단할 수 있다. R_YE (-)의 경우도 이와 유사하다. 물론, 이들 동작 의도에 대한 기준 범위와 사용된 센서 조합은 반드시 도 6에 의해 한정되지 않으며 실험 등에 의해 변경될 수 있다.

R_ZC (+)의 경우는, 제1 및 제4 센서(S1,S4)의 센싱 값 비율을 이용하여, 사용자가 하박 중심 좌표계 {C}의 z축을 중심으로 손목을 좌측 방향으로 회전 운동하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하는 것이다. R_ZC (-)는 그 반대로 제2 및 제3 센서(S2,S3)의 센싱 값 비율을 이용하여, 사용자가 {C}의 z축을 중심으로 손목을 우측 방향으로 회전 운동하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하는 것이다.

{C}를 중심으로 하는 좌측 회전 동작 시에는 F1과 F4가 거의 유사하게 측정되고, 우측 회전 동작 시에는 F2와 F3이 거의 유사하게 측정된다. 따라서, 제1 및 제4 센서(S1,S4)의 센싱 값 비율이 기준 범위 이내(α ≤ F1/F4 ≤1)이면, {C}의 z축을 중심으로 손목을 좌측 방향으로 회전 운동하는 동작 의도로 판단한다. 그 반대 동작과 관련한 제2 및 제3 센서(S2,S3)의 경우도 마찬가지 원리이다.

R_ZE (+)의 경우는, 제1 및 제2 센서(S1,S2)의 센싱 값 비율이 기준 범위 이내(0≤ F2/F1 ≤β)이면, 팔꿈치 좌표계 {E}의 z축을 중심으로 손목을 좌측 방향으로 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하는 경우이다. R_ZE (-)의 경우는 그 반대로, 제3 및 제4 센서(S3,S4)의 센싱 값 비율을 이용하여 {E}를 중심으로 우측 방향의 회전 운동에 대한 의도 정보를 추출하는 것이다. 이들은 {E}를 중심으로 하는 좌우 회전 동작 시에는 중심부로부터 더 먼 F1과 F3이 F2와 F4보다 더 크게 측정되는 것과 관계한다.

P_XC는 사용자가 x축 방향(전후 방향)으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하는 것으로, 이 경우는 단순히 제8 센서(P8)의 +x 또는 -z 방향의 센싱 값을 그대로 이용하면 된다. R_XC와 R_XE는 모두 측정 불가 항목에 해당한다.

도 6에 도시된 각각의 센서 조합과, 그에 적용되는 기준 범위, 그리고 그에 매핑된 사용자 동작 의도는 반드시 도시된 것으로 한정되지 않으며, 사용자 별로 달라지거나, 반복되는 실험에 의해서 변경될 수 있다. 물론, 상지 운동 보조 장치에 장착된 복수의 센서 중 기 매칭된 센서 조합(센서 쌍)의 센싱 값 비율을 기준 범위와 비교하는 것을 통해 사용자 동작 의도를 추출하는 구성이라면 본 발명의 기술범주 이내의 것에 해당함은 명한 것이다.

이상과 같은 본 발명은 환자가 본격적인 운동을 수행할 때 발생되는 외력 정보와 측정된 개인 파라미터(α,β 등) 간 연산을 통해 최종적으로 환자의 상지 동작 의도를 표현할 수 있는 신호를 생성할 수 있다. 또한, 다수의 직교 좌표계 공간 상에서 환자의 상지에 관련한 직선 및 회전 운동, 회전 축의 이동에 따른 추가 회전 운동을 표현할 수 있는 환자의 상지 운동 패턴을 환자의 물리력(외력)을 기반으로 분류할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따른 능동형 상지 운동 보조 장치를 제어하기 위한 장치 및 그 방법에 따르면, 상지 운동 보조 장치에 구비된 다수의 센서를 조합하여 사용자 동작 의도를 파악하고 파악한 동작 의도에 대한 제어 신호를 생성하여 다관절 로봇에 전달함에 따라, 다관절 로봇이 사용자가 의도한 동작을 보조할 수 있도록 함은 물론, 사용자의 안정적인 상지 운동이 가능하게 하는 효과가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 제어 장치 110: 입력부
120: 연산부 130: 동작 의도 추출부
140: 신호 생성부 150: 저장부

Claims (14)

1. 능동형 상지 운동 보조 장치의 동작을 제어하기 위한 장치에 있어서,
   상기 상지 운동 보조 장치에 사용자가 상지 하박부를 안착시킨 상태에서 동작 시에 상기 상지 운동 보조 장치에 부착된 복수의 센서로부터 측정된 힘에 대한 센싱값을 입력받는 입력부;
   상기 복수의 센서 중 기 매칭된 복수의 센서 조합에 포함되는 센서 간의 센싱 값의 비율을 연산하는 연산부;
   각각의 센서 조합에 대하여 연산된 상기 센싱 값의 비율을 이용하여 사용자의 동작 의도 정보를 추출하는 동작 의도 추출부;
   상기 추출된 동작 의도 정보에 기초하여 상기 사용자가 의도하는 동작을 보조하기 위한 외력에 대한 제어 신호를 생성하여 상기 상지 운동 보조 장치에 연결된 다관절 로봇에 전달하는 신호 생성부; 및
   x축, y축, z축에 대한 직선 운동, 하박 중심 부위의 y축 또는 z축을 기준으로 하는 회전 운동, 팔꿈치 부위의 y축 또는 z축을 기준으로 하는 회전 운동 중 적어도 하나에 대응하는 동작 의도 정보를 추출하기 위한 상기 센서 조합별 상기 비율의 기준 범위를 상기 각각의 센서 조합과 매핑하여 저장하는 저장부를 포함하는 제어 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 신호 생성부는,
   상기 센서 조합에 의한 최대 외력을 이용하여 상기 외력의 크기를 정규화하고 상기 정규화한 외력의 크기에 대응하는 상기 제어 신호를 생성하는 제어 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 신호 생성부는,
   상기 사용자의 동작 의도에 대응되는 센서들의 센싱값을 이용하여 상기 외력의 크기를 연산하고,
   상기 정규화한 외력의 크기가 기 설정된 임계치보다 작은 경우, 상기 추출한 동작 의도 정보를 노이즈 신호로 판단하여 제거하는 제어 장치.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 보조 장치는 상기 하박부가 안착되는 안착부, 상기 하박부의 안착 상태에서 상기 사용자가 파지하는 손잡이 및 상기 복수의 센서를 포함하고,
   상기 복수의 센서는,
   상기 안착부에서 상기 하박부의 좌측면과 접하는 부위에 전후로 이격 배치되며 좌측(+y)으로 작용한 힘을 감지하는 제1 및 제2 센서, 우측면과 접하는 부위에 전후로 이격 배치되며 우측(-y)으로 작용한 힘을 감지하는 제3 및 제4 센서, 하면과 접하는 부위에 전후로 이격 배치되고 하측(-z)으로 작용한 힘을 감지하는 제5 및 제6 센서, 및 상기 손잡이를 상하 및 전후로 조작 시 상하측(+z/-z) 및 전후측(+x/-x)으로 각각 작용한 힘을 감지하는 제7 및 제8 센서를 포함하는 제어 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 동작 의도 추출부는,
   상기 제1 및 제2 센서의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 +y 방향으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보 또는 팔꿈치 부위의 z축을 중심으로 손목을 좌측 방향으로 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하고,
   상기 제3 및 제4 센서의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 -y 방향으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보 또는 팔꿈치 부위의 z축을 중심으로 손목을 우측 방향으로 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하며,
   상기 제1 및 제4 센서의 센싱 값 비율 또는 상기 제2 및 제3 센서의 센싱 값 비율을 각각 이용하여 사용자가 하박 중심 부위의 z축을 중심으로 손목을 좌측 방향 또는 우측 방향으로 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하는 제어 장치.
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 동작 의도 추출부는,
   상기 제5 및 제7 센서의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 하박 중심 부위의 y축을 중심으로 손목을 내리고 올리는 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하며,
   상기 제5 및 제6 센서의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 -z 방향으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보 또는 팔꿈치 부위의 y축을 중심으로 손목을 내리는 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하고,
   상기 제6 및 제7 센서의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 +z 방향으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보 또는 팔꿈치 부위의 y축을 중심으로 손목을 올리는 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하며,
   상기 제8 센서의 센싱 값을 이용하여 사용자가 x축 방향으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하는 제어 장치.
8. 능동형 상지 운동 보조 장치의 동작을 제어하기 위한 제어 방법에 있어서,
   상기 상지 운동 보조 장치에 사용자가 상지 하박부를 안착시킨 상태에서 동작 시에 상기 상지 운동 보조 장치에 부착된 복수의 센서로부터 측정된 힘에 대한 센싱값을 입력받는 단계;
   상기 복수의 센서 중 기 매칭된 복수의 센서 조합에 포함되는 센서 간의 센싱 값의 비율을 연산하는 단계;
   각각의 센서 조합에 대하여 연산된 상기 센싱 값의 비율을 이용하여 사용자의 동작 의도 정보를 추출하는 단계; 및
   상기 추출된 동작 의도 정보에 기초하여 상기 사용자가 의도하는 동작을 보조하기 위한 외력에 대한 제어 신호를 생성하여 상기 상지 운동 보조 장치에 연결된 다관절 로봇에 전달하는 단계를 포함하며,
   상기 입력받는 단계 이전에, x축, y축, z축에 대한 직선 운동, 하박 중심 부위의 y축 또는 z축을 기준으로 하는 회전 운동, 팔꿈치 부위의 y축 또는 z축을 기준으로 하는 회전 운동 중 적어도 하나에 대응하는 동작 의도 정보를 추출하기 위한 상기 센서 조합별 상기 비율의 기준 범위를 상기 각각의 센서 조합과 매핑하여 저장하는 단계를 포함하는 제어 방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 제어 신호를 생성하는 단계는,
   상기 센서 조합에 의한 최대 외력을 이용하여 상기 외력의 크기를 정규화하고 상기 정규화한 외력의 크기에 대응하는 상기 제어 신호를 생성하는 제어 방법.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어 신호를 생성하는 단계는,
    상기 사용자의 동작 의도에 대응되는 센서들의 센싱값을 이용하여 상기 외력의 크기를 연산하고,
    상기 정규화한 외력의 크기가 기 설정된 임계치보다 작은 경우, 상기 추출한 동작 의도 정보를 노이즈 신호로 판단하여 제거하는 제어 방법.
11. 삭제
12. 청구항 8에 있어서,
    상기 보조 장치는 상기 하박부가 안착되는 안착부, 상기 하박부의 안착 상태에서 상기 사용자가 파지하는 손잡이 및 상기 복수의 센서를 포함하고,
    상기 복수의 센서는,
    상기 안착부에서 상기 하박부의 좌측면과 접하는 부위에 전후로 이격 배치되며 좌측(+y)으로 작용한 힘을 감지하는 제1 및 제2 센서, 우측면과 접하는 부위에 전후로 이격 배치되며 우측(-y)으로 작용한 힘을 감지하는 제3 및 제4 센서, 하면과 접하는 부위에 전후로 이격 배치되고 하측(-z)으로 작용한 힘을 감지하는 제5 및 제6 센서, 및 상기 손잡이를 상하 및 전후로 조작 시 상하측(+z/-z) 및 전후측(+x/-x)으로 각각 작용한 힘을 감지하는 제7 및 제8 센서를 포함하는 제어 방법.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 동작 의도 정보를 추출하는 단계는,
    상기 제1 및 제2 센서의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 +y 방향으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보 또는 팔꿈치 부위의 z축을 중심으로 손목을 좌측 방향으로 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하고,
    상기 제3 및 제4 센서의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 -y 방향으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보 또는 팔꿈치 부위의 z축을 중심으로 손목을 우측 방향으로 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하며,
    상기 제1 및 제4 센서의 센싱 값 비율 또는 상기 제2 및 제3 센서의 센싱 값 비율을 각각 이용하여 사용자가 하박 중심 부위의 z축을 중심으로 손목을 좌측 방향 또는 우측 방향으로 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하는 제어 방법.
14. 청구항 12에 있어서,
    상기 동작 의도 정보를 추출하는 단계는,
    상기 제5 및 제7 센서의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 하박 중심 부위의 y축을 중심으로 손목을 내리고 올리는 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하며,
    상기 제5 및 제6 센서의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 -z 방향으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보 또는 팔꿈치 부위의 y축을 중심으로 손목을 내리는 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하고,
    상기 제6 및 제7 센서의 센싱 값 비율을 이용하여 사용자가 +z 방향으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보 또는 팔꿈치 부위의 y축을 중심으로 손목을 올리는 회전 운동을 하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하며,
    상기 제8 센서의 센싱 값을 이용하여 사용자가 x축 방향으로 직선 운동하고자 하는 동작 의도 정보를 추출하는 제어 방법.

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