KR102085372B1 - Method and apparatus for estimating walking state - Google Patents

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Abstract

보행 상태 추정 방법 및 장치가 개시된다. 개시된 보행 상태 추정 방법은 사용자의 의족 또는 다리에 부착된 센서를 통해, 상기 사용자의 슬관절의 각도 값을 획득하는 단계; 상기 슬관절의 각도 값에 기초하여 상기 슬관절에 대한 극점 변화 패턴을 결정하는 단계; 및 상기 극점 변화 패턴 및 상태 머신을 이용하여, 상기 사용자의 보행 단계를 추정하는 단계를 포함한다.Disclosed is a walking state estimation method and apparatus. The disclosed walking state estimation method includes: obtaining an angle value of the knee joint of the user through a sensor attached to the foot or leg of the user; Determining a pole change pattern for the knee joint based on the angle value of the knee joint; And estimating the walking step of the user using the pole change pattern and the state machine.

Description

보행 상태 추정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ESTIMATING WALKING STATE}METHOOD AND APPARATUS FOR ESTIMATING WALKING STATE}

아래의 설명은 보행 상태 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.The following description relates to a walking state estimation method and apparatus.

의족은 선천적인 원인 또는 후천적인 사고로 인하여 다리를 절단한 사람들이 사용하는 보조기구이다. 의족은 절단 부위에 따라 대퇴의족과 하퇴의족으로 구분 된다. 대퇴의족은 무릎이하 절단자들이 사용하는 의족이고, 하퇴의족은 발목이하 절단자들이 사용하는 의족이다. 이러한 절단 위치상 이유로 하퇴의족 사용자들이 대퇴의족 절단자 들보다 보편적으로 보조기구를 활용한 보행에 큰 불편함이 없다. 그러나 대퇴의족 착용자들의 경우 의족에 적응하면 평지 보행에 있어 큰 어려움을 느끼지 못하지만 경사도가 높은 경사로 또는 계단 보행 같은 보행 환경에서 보행에 불편함을 호소한다.The prosthesis is an assistive device used by people whose legs have been cut off due to a congenital cause or an acquired accident. The prosthesis is divided into femoral limb and lower limb according to the cut site. Femoral prosthesis is the leg used by sub-knee cuttings, and lower leg prosthesis is the prosthesis used by sub-elevation. Due to this cutting position, users of lower limb prostheses do not have much inconvenience in walking with assistive devices. However, in the case of thigh-foot wearers, adapting to the foot does not feel much difficulty in walking on the flat, but complains of inconvenience in walking in a walking environment such as a high slope or stairs.

이러한 문제점을 해결하고자 현재의 대퇴의족 연구 트렌드는 수동적인 대퇴의족에서 지능형 대퇴의족으로 연구 발전 되고 있다. 수동형 대퇴의족은 머신적 연속동작으로 슬관절을 굽힙과 신전을 재현하는 것이고, 지능형 대퇴의족은 엑추에이터를 제어하여 슬관절의 굽힙과 신전을 원하는 관절 각도로 재현하는 의족이다.In order to solve this problem, the current femoral leg research trend is being developed from passive femoral leg to intelligent femoral leg. Passive femoral limbs are flexion and extension of the knee joint by mechanical continuous motion, and intelligent femoral limbs control the actuator to reproduce the flexion and extension of the knee joint at the desired joint angle.

이러한 지능형 의족의 관절각을 보행 환경에 따라 변화 시켜 주기 위해서 과거에는 리모컨으로 모드를 변경하였다. 하지만 최근의 연구 트렌드는 의족의 탑제된 센서로 능동적으로 보행환경을 추정하여 보행 환경에 맞는 보행 궤적으로 슬관절을 운동 시켜주는 형태이다. 그러나 이러한 연구 형태의 단점은 해당 보행 환경에 대퇴의족이 진입을 해야만 보행 환경 추정의 가능하기 때문에 보행 환경 대응이 늦다.  In order to change the joint angle of intelligent limb according to the walking environment, the mode was changed with the remote controller in the past. However, the recent research trend is the type of sensor that is equipped with a prosthetic foot and actively estimates the walking environment, and moves the knee joint to the walking trajectory corresponding to the walking environment. However, the drawback of this type of research is that it is slow to respond to the pedestrian environment because it is possible to estimate the pedestrian environment only when the thigh prosthesis enters the pedestrian environment.

본 발명은 지능형 대퇴의족이 평지보행 환경과 경사로 보행환경을 능동적으로 파악하여 보행모드를 자율적으로 변경하기 위한 방법 및 장치를 제공할 수 있다.The present invention can provide a method and apparatus for intelligently changing the walking mode autonomously by actively grasping the flat walking environment and the ramp walking environment.

본 발명은 의족에 탑재 또는 부착된 관성센서 모듈과 대퇴의족과 인공 발을 체결하는 체결부에 스트레인게이지로부터 발생되는 데이터를 이용할 수 있다. 본 발명은 스트레인게이지로 추정된 지면반발력을 평지와 경사로에 따라 분류하여 일정 임계값을 기준으로 분류하고, 관성센서로 보행 진행에 따른 슬관절의 각도 값을 바탕으로 보행단계를 세분화하고 평지와 경사로에서 각기 다른 특징으로 도출되는 보행 단계의 특징을 바탕으로 보행 환경을 검출할 수 있다.The present invention can use the data generated from the strain gauge in the inertial sensor module mounted on or attached to the foot and the fastening portion for fastening the artificial foot with the thigh foot. The present invention classifies the ground repulsion force estimated by the strain gauge according to the level and the slope, and classifies it based on a predetermined threshold value, and subdivides the walking step based on the angle value of the knee joint according to the progression of walking with the inertial sensor. The walking environment can be detected based on the characteristics of the walking step derived from the different characteristics.

일실시예에 따른 보행 상태 추정 방법은 사용자의 의족 또는 다리에 부착된 센서를 통해, 상기 사용자의 슬관절의 각도 값을 획득하는 단계; 상기 슬관절의 각도 값에 기초하여 상기 슬관절에 대한 극점 변화 패턴을 결정하는 단계; 및 상기 극점 변화 패턴 및 상태 머신을 이용하여, 상기 사용자의 보행 단계를 추정하는 단계를 포함한다.According to one or more exemplary embodiments, a method of estimating a walking state may include obtaining an angle value of a knee joint of a user through a sensor attached to a foot or leg of a user; Determining a pole change pattern for the knee joint based on the angle value of the knee joint; And estimating the walking step of the user using the pole change pattern and the state machine.

일실시예에 따른 보행 상태 추정 방법에서 상기 사용자의 보행 단계를 추정하는 단계는 한 보행에서 4개의 극점이 존재하는 특성; 상기 극점 변화 패턴이 주기성을 가지는 특성; 및 상기 보행 단계의 현재 단계가 이전 단계 및 이후 단계 중 적어도 하나의 단계와 연관성을 가지는 특성 중 적어도 하나의 특성에 기반하여, 상기 사용자의 보행 단계를 추정할 수 있다.In the method for estimating walking state according to an embodiment, estimating a walking step of the user may include: a characteristic in which four poles exist in one walking; A characteristic in which the pole change pattern has periodicity; And a walking step of the user, based on at least one property of the current step of the walking step being associated with at least one of a previous step and a subsequent step.

일실시예에 따른 보행 상태 추정 방법에서 상기 보행 단계는 상기 극점 변화 패턴에 포함된 최대 굴곡과 최대 신전에 기반하여 구분될 수 있다.In the walking state estimating method according to an embodiment, the walking step may be divided based on the maximum bending and the maximum extension included in the pole change pattern.

일실시예에 따른 보행 상태 추정 방법은 상기 보행 단계에 기초하여 상기 사용자의 보행 환경을 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.The walking state estimation method may further include estimating a walking environment of the user based on the walking step.

일실시예에 따른 보행 상태 추정 방법에서 상기 보행 환경을 추정하는 단계는 상기 추정된 보행 단계에서 발생된 극점의 특징에 기반하여, 상기 보행 환경을 평지, 경사로 상행 및 경사로 하행 중 어느 하나로 추정할 수 있다.The estimating of the walking environment in the walking state estimating method according to an embodiment may estimate the walking environment as one of flat, ramp up, and ramp down based on the characteristics of the pole generated in the estimated walking step. have.

일실시예에 따른 보행 상태 추정 방법에서 상기 극점 변화 패턴은 상기 사용자의 보행 단계 및 보행 환경 중 적어도 하나에 따른 특성을 가질 수 있다.In the method for estimating a walking state according to an embodiment, the pole change pattern may have a characteristic according to at least one of a walking step and a walking environment of the user.

일실시예에 따른 보행 상태 추정 방법에서 상기 보행 단계는 초기접지기, 중간입각기, 말기입각기, 중간유각기를 포함할 수 있다.In the walking state estimating method according to an embodiment, the walking step may include an initial folding device, an intermediate standing device, a late standing device, and an intermediate embossing device.

일실시예에 따른 보행 상태 추정 장치는 프로세서; 및 상기 프로세서에 의해 실행 가능한 적어도 하나의 명령어를 포함하는 메모리를 포함하고, 상기 적어도 하나의 명령어가 상기 프로세서에서 실행되면, 상기 프로세서는 사용자의 의족 또는 다리에 부착된 센서를 통해, 상기 사용자의 슬관절의 각도 값을 획득하고, 상기 슬관절의 각도 값에 기초하여 상기 슬관절에 대한 극점 변화 패턴을 결정하며, 상기 극점 변화 패턴 및 상태 머신을 이용하여, 상기 사용자의 보행 단계를 추정한다.In one embodiment, an apparatus for estimating walking state may include a processor; And a memory including at least one instruction executable by the processor, wherein when the at least one instruction is executed in the processor, the processor uses a sensor attached to a foot or leg of the user to monitor the knee joint of the user. Obtain an angular value of, determine a pole change pattern for the knee joint based on the angular value of the knee joint, and estimate the gait step of the user using the pole change pattern and a state machine.

일실시예에 따르면, 지능형 대퇴의족이 평지보행 환경과 경사로 보행환경을 능동적으로 파악하여 보행모드를 자율적으로 변경하기 위한 방법 및 장치를 제공할 수 있다.According to an embodiment, the intelligent femoral limb may provide a method and apparatus for autonomously changing a walking mode by actively identifying a flat walking environment and a ramp walking environment.

일실시예에 따르면, 의족에 탑재 또는 부착된 관성센서 모듈과 대퇴의족과 인공 발을 체결하는 체결부에 스트레인게이지로부터 발생되는 데이터를 이용할 수 있다. 일실시예에 따르면, 스트레인게이지로 추정된 지면반발력을 평지와 경사로에 따라 분류하여 일정 임계값을 기준으로 분류하고, 관성센서로 보행 진행에 따른 슬관절의 각도 값을 바탕으로 보행단계를 세분화하고 평지와 경사로에서 각기 다른 특징으로 도출되는 보행 단계의 특징을 바탕으로 보행 환경을 검출할 수 있다.According to an embodiment, the data generated from the strain gauge may be used for the inertial sensor module mounted on or attached to the foot and the fastening part for fastening the artificial foot with the thigh foot. According to an embodiment, the ground repulsion force estimated by the strain gauge is classified according to a flat surface and a slope, and classified based on a predetermined threshold value, and the walking step is subdivided based on the angle value of the knee joint according to the progress of walking with the inertial sensor. The walking environment can be detected based on the characteristics of the walking step, which are derived from the different characteristics of the and ramps.

도 1은 일실시예에 따른 보행 상태 추정 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 일실시예에 따라 슬관절의 각도에 따른 보행 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따라 평지 보행 궤적을 나타낸 도면이다.
도 4는 일실시예에 따라 경사로 상행 보행 궤적을 나타낸 도면이다.
도 5는 일실시예에 따라 경사로 하행 보행 궤적을 나타낸 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 극점을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일실시예에 따라 보행 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 보행 상태 추정 시스템을 나타낸 도면이다.
도 9는 다른 일실시예에 따른 보행 상태 추정 시스템을 나타낸 도면이다.
도 10은 일실시예에 따른 보행 상태 추정 장치를 나타낸 도면이다.
1 is a diagram illustrating a walking state estimating method according to at least one example embodiment.
2 is a view for explaining a walking step according to the angle of the knee joint according to an embodiment.
3 is a diagram illustrating a flat walking trajectory according to an exemplary embodiment.
4 is a diagram illustrating an uphill walking trajectory according to an exemplary embodiment.
5 is a diagram illustrating a downhill walking trajectory according to an exemplary embodiment.
6 is a diagram for describing a pole, according to an exemplary embodiment.
7 is a diagram for describing a walking step, according to an exemplary embodiment.
8 is a diagram illustrating a walking state estimation system, according to an exemplary embodiment.
9 is a diagram illustrating a walking state estimation system according to another exemplary embodiment.
10 is a diagram illustrating a walking state estimation apparatus, according to an exemplary embodiment.

실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments are disclosed for purposes of illustration only, and may be practiced in various forms. Accordingly, the embodiments are not limited to the specific disclosure, and the scope of the present specification includes changes, equivalents, or substitutes included in the technical idea.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but such terms should be interpreted only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being "connected" to another component, it should be understood that there may be a direct connection or connection to that other component, but there may be other components in between.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, the terms "comprise" or "have" are intended to designate that the described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof exists, but includes one or more other features or numbers, It should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, actions, components, parts or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and, unless expressly defined herein, are not construed in ideal or excessively formal meanings. Do not.

하기에서 설명될 실시예들은 전압을 제어하는데 사용될 수 있다. 이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Embodiments to be described below can be used to control the voltage. Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

도 1은 일실시예에 따른 보행 상태 추정 방법을 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a walking state estimating method according to at least one example embodiment.

일실시예에 따라 슬관절 변화에 기반하여 보행 단계가 추정될 수 있고, 추정된 보행 단계에 기반하여 지능형 대퇴의족의 보행 환경이 추정될 수 있다. 슬관절 변화 추정에 신체에 용이하게 부착될 수 있는 관성센서가 이용될 수 있다. 보행에서 슬관절의 변화에 4개의 극점이 존재한다. 이러한 극점 변화 패턴은 동일한 보행 환경에서는 재현성을 보이며, 각기 다른 상황의 보행 환경에선 다른 패턴을 보이는 특성을 가진다. 이러한 극점 변화 패턴은 보행에서 주기성을 갖고 나타날 수 있다. 극점 변화 패턴을 단계적으로 세분화하면, 현재 단계는 이전/이후 단계와 서로 연관성을 가지는 특성이 있다. 이러한 극점 변화 패턴의 특성을 이용하여 보행 환경을 추정하기 위하여, 우선적으로 보행 단계가 추정될 수 있다. 다시 말해, 슬관절의 각도 변화에 따른 극점 변화 패턴과 상태 머신(state machine)을 이용하여 보행 단계가 추정될 수 있으며, 이를 바탕으로 보행 환경도 추정될 수 있다.According to an embodiment, the gait stage may be estimated based on the change of the knee joint, and the walking environment of the intelligent thigh leg may be estimated based on the estimated gait stage. An inertial sensor that can be easily attached to the body may be used for estimating knee change. There are four poles in the knee joint change in gait. These pole change patterns show reproducibility in the same walking environment, and have different patterns in walking environments of different situations. This pole change pattern may appear with periodicity in walking. When the pole change pattern is subdivided in stages, the current stage has a characteristic of being correlated with the previous and subsequent stages. In order to estimate the walking environment using the characteristics of the pole change pattern, the walking step may be estimated first. In other words, the gait step may be estimated using a pole change pattern and a state machine according to the angle change of the knee joint, and the walking environment may also be estimated based on this.

일실시예에 따른 본 명세서에서는 건측의 정보를 이용하여 대퇴의족이 변화된 보행 환경에 진입하기 전에 보행 환경을 미리 추정하여 보행을 보다 유연하게 지원 가능한 보행 상태 추정 방법 및 장치가 설명된다. 건측에서 보행 정보를 획득하기 위해서 체압 깔창, 관성 센서 등 다양한 센서가 제한 없이 활용될 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, a method and an apparatus for estimating a walking state that can more flexibly support walking by estimating the walking environment before entering the changed walking environment using the healthy side information are described. Various sensors, such as body pressure insoles and inertial sensors, may be used without limitation to obtain walking information on the healthy side.

인간의 보행은 일반적으로 보행 환경에 따라 슬관절의 보행 궤적이 달라지는 특성을 갖는다. 다만, 다른 보행 궤적을 갖더라도, 해당 보행 환경에 따른 보행 궤적이 일정하게 재현되는 특징이 있다. 이는 슬관절의 굽힘과 신전에서 비롯되는 관절각도 변화 시점일 수 있다. 이 시점은 각도변화 부호가 음에서 양으로, 양에서 음으로 변화되는 것을 의미할 수 있다. 이같이 변화하는 포인트를 극점이라 지칭할 수 있다. 일반적인 보행에서 이상적인 슬관절의 궤적은 한 보행에 4개의 극점이 존재할 수 있다고, 이러한 특징을 바탕으로 보행 단계가 추정될 수 있다. 각 극점은 이전/이후 궤적의 변화에 연관성을 가질 수 있다. 이러한 특성들에 기반한 상태 머신과 극점에 기반하여 보행 단계가 추정될 수 있다.Human walking generally has the characteristic that the walking trajectory of the knee joint varies according to the walking environment. However, even though the walking trajectory has a different walking trajectory, the walking trajectory according to the walking environment is constantly reproduced. This may be the point of change of the joint angle resulting from bending and extension of the knee joint. This point may mean that the angle change sign is changed from negative to positive and positive to negative. This changing point may be referred to as a pole. In general gait, the ideal knee joint trajectory may have four poles in one gait, and the gait step may be estimated based on this characteristic. Each pole may be associated with a change in the before / after trajectory. The walking step can be estimated based on state machines and poles based on these characteristics.

도 1을 참조하면, 일실시예에 따라 보행 상태 추정 장치의 프로세서에 의해 수행되는 보행 상태 추정 방법이 도시된다. 여기서, 보행 상태는 보행 단계 또는 보행 환경을 의미할 수 있다.Referring to FIG. 1, a walking state estimation method performed by a processor of a walking state estimation apparatus according to an embodiment is illustrated. Here, the walking state may mean a walking step or a walking environment.

단계(110)에서, 보행 상태 추정 장치는 사용자의 의족 또는 다리에 부착된 센서를 통해, 상기 사용자의 슬관절의 각도 값을 획득한다.In operation 110, the walking state estimating apparatus obtains an angle value of the knee joint of the user through a sensor attached to the foot or leg of the user.

예를 들어, 센서는 관성 센서를 포함할 수 있다. 관성센서는 3축 가속도계와 3축 자이로 센서로 구성될 수 있으며, 각축의 선형가속도와 최전 각속도를 측정할 수 있다. 이를 이용하여 위치, 속도, 자세 등이 추정될 수 있다. 관성 센서는 무릎을 기준으로 약 5cm 위에 대퇴부와 무릎을 기준으로 약 5cm 아래에 하퇴부에 부착하여 두 관성센서 각의 차이를 이용하여 무릎 각도를 추정하여 보행 중 가장 큰 운동이 일어나는 관상면(Sagittal Plane)상 나타나는 무릎 각이 측정될 수 있다. 실시예에 따라 오동작을 줄이기 위해서는 관성 센서 데이터와 미분데이터에 저주파필터가 적용될 수도 있다.For example, the sensor may comprise an inertial sensor. The inertial sensor can be composed of three-axis accelerometer and three-axis gyro sensor, and it can measure linear acceleration and angular velocity of each axis. Using this, position, velocity, posture, etc. can be estimated. The inertial sensor is attached to the thigh about 5cm above the knee and about 5cm below the knee, and the knee plane is estimated using the difference between the two inertial sensor angles. The knee angle appearing in Fig. 1 can be measured. In some embodiments, a low frequency filter may be applied to the inertial sensor data and the differential data to reduce malfunction.

단계(120)에서, 보행 상태 추정 장치는 상기 슬관절의 각도 값에 기초하여 상기 슬관절에 대한 극점 변화 패턴을 결정한다. 일실시예에 따른 극점 변화 패턴은 상기 사용자의 보행 단계 및 보행 환경 중 적어도 하나에 따른 특성을 가질 수 있다.In operation 120, the walking state estimating apparatus determines a pole change pattern for the knee joint based on the angle value of the knee joint. The pole change pattern according to an embodiment may have characteristics according to at least one of a walking step and a walking environment of the user.

단계(130)에서, 보행 상태 추정 장치는 상기 극점 변화 패턴 및 상태 머신을 이용하여, 상기 사용자의 보행 단계를 추정한다. 일실시예에 따라 보행 상태 추정 장치는 한 보행에서 4개의 극점이 존재하는 특성, 상기 극점 변화 패턴이 주기성을 가지는 특성 및 상기 보행 단계의 현재 단계가 이전 단계 및 이후 단계 중 적어도 하나의 단계와 연관성을 가지는 특성 중 적어도 하나의 특성에 기반하여, 상기 사용자의 보행 단계를 추정할 수 있다. 보행 단계는 상기 극점 변화 패턴에 포함된 최대 굴곡과 최대 신전에 기반하여 구분될 수 있다. 보행 단계는 초기접지기, 중간입각기, 말기입각기, 중간유각기로 구분될 수 있다.In step 130, the walking state estimating apparatus estimates the walking step of the user by using the pole change pattern and the state machine. According to an exemplary embodiment, an apparatus for estimating a walking state includes a characteristic in which four poles exist in one walk, a characteristic in which the pole change pattern is periodic, and a current step of the walking step is associated with at least one of a previous step and a subsequent step. The gait step of the user may be estimated based on at least one of the characteristics having a. The walking step may be classified based on the maximum bending and the maximum extension included in the pole change pattern. The walking stage may be classified into an initial folding stage, an intermediate standing stage, a late standing stage, and an intermediate stage stage.

일실시예에 따른 표 1은 보행 단계 추정 조건일 수 있다. S1은 초기 접지기에서 중간 입각기, S2는 중간입각기에서 말기입각기, S3는 말기입각기에서 중각유각기, S4는 중각 유각기에서 초기접지기를 나타낼 수 있다.

Figure 112017129072193-pat00001
는 현재 슬관절 각도,
Figure 112017129072193-pat00002
는 입각기와 유각기를 구분하기 위한 기준각,
Figure 112017129072193-pat00003
는 Si 보행단계에서 Sj로 변한 시점의 슬관절 각도를 나타낼 수 있다.Table 1 according to an embodiment may be a walking step estimation condition. S1 may represent an initial stator in the initial grounder, S2 may represent a terminal stancer in the intermediate stance, S3 may be a center stir in the late stance, and S4 may represent an initial ground in the middle stancer.
Figure 112017129072193-pat00001
Is the current knee angle,
Figure 112017129072193-pat00002
Is the reference angle for distinguishing the standing and staging periods,
Figure 112017129072193-pat00003
May represent the knee angle at the point of time changed to S j in the walking step S i .

Figure 112017129072193-pat00004
Figure 112017129072193-pat00004

단계(140)에서, 보행 상태 추정 장치는 상기 보행 단계에 기초하여 상기 사용자의 보행 환경을 추정할 수 있다. 일실시예에 따른 보행 상태 추정 장치는 추정된 보행 단계에서 발생된 극점의 특징에 기반하여, 상기 보행 환경을 평지, 경사로 상행 및 경사로 하행 중 어느 하나로 추정할 수 있다.In operation 140, the walking state estimating apparatus may estimate the walking environment of the user based on the walking step. According to an exemplary embodiment, an apparatus for estimating walking state may estimate the walking environment as one of flat, ramp up, and ramp down based on the characteristics of the pole generated in the estimated walking step.

일실시예에 따른 보행 상태 추정 장치는 일반적인 보행단계에서 이상적인 데이터는 한 스텝에 4개의 극점이 존재하는 특성, 보행 단계와 보행환경에 따라 특징점이 존재하며 각각의 극점은 서로 연관성을 가지는 특성을 이용할 수 있다. 다시 말해, 보행 상태 추정 장치는 슬관절 각도의 극점, 슬관절 각도, 이전 극점에서의 슬관절 각도, 상태 머신을 이용하여 보행 단계를 추정하고, 나아가 보행 환경을 추정할 수 있다.According to an exemplary embodiment, an apparatus for estimating walking state uses characteristics in which four poles exist in one step, characteristic points according to a walking step and a walking environment, and each pole has an associated characteristic. Can be. In other words, the walking state estimating apparatus may estimate the walking step by using the pole of the knee angle, the knee angle, the knee angle at the previous pole, the state machine, and further estimate the walking environment.

도 2는 일실시예에 따라 슬관절의 각도에 따른 보행 단계를 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining a walking step according to the angle of the knee joint according to an embodiment.

일실시예에 따라 보행 단계는 슬관절 각도 변화에 따른 특징인 굴곡과 신전에 따라 4단계로 구분될 수 있다.According to an embodiment, the gait step may be divided into four steps according to flexion and extension, which are characteristics of the knee joint.

앞서 기술한 인간의 보행은 각기 다른 동작이 아니라 하나의 유기적인 동작으로 구성될 수 있다. 보행을 진행하는 발이 지면에 닿아 체중부하를 옮기며 전진을 위해 다음발로 체중을 이동하면서, 반대 발을 떼어 앞으로 다시 가져가는 형태로 끊김 없이 물 흐르듯이 진행될 수 있다. 이는 과거의 입력과 출력이 출력에 계속 영향을 미치는 순차적인 로직(logic)으로 볼 수 있으며, 이 같은 특징은 유한 상태 머신(finite state machine)와 유사할 수 있다. 이를 통해, 슬관절 변화에 따른 보행 단계는 유한 상태 머신에 기반하여 추정될 수 있다.The human walking described above may be composed of one organic motion, not different motions. The walking foot can reach the ground, transfer weight, move the weight to the next foot to move forward, and take off the opposite foot and bring it back to the front. This can be seen as a sequential logic in which past inputs and outputs continue to affect the output, a feature similar to a finite state machine. Through this, the walking step according to the change of the knee joint can be estimated based on the finite state machine.

일실시예에 따른 보행 주기는 크게 입각기(Stance)와 유각기(Swing)로 구분될 수 있으며, 예를 들어, 한 보행 주기에서 입각기와 유각기는 60% 대 40%의 비율을 가질 수 있다. 입각기는 발이 땅에 닿아있는 전체의 시간을 나타내는데, 초기접지기(I.C, Initial Contact), 부하반응기(L.R, Loding Response), 중간입각기(M.St, Mid Stance), 말기입각기(T.St, Terminal Stance), 전유각기(P.S, Pre-Swing)로 5단계로 구분될 수 있다. 입각기는 신체가 앞으로 나아가기 위해 발이 공중에 떠있는 시간을 나타내며, 초기유각기(I.Sw, Initial Swing), 중간유각기(M.Sw, Mid Swing), 말기유각기(T.Sw, Terminal Swing)으로 3단계로 구분될 수 있다.According to an exemplary embodiment, a walking cycle may be largely divided into a stance and a swing stage. For example, in one walking cycle, the staging and staging vessels may have a ratio of 60% to 40%. . The stance represents the total time the foot is in contact with the ground: initial contact (IC), load response (LR), mid stance (M.St), mid stance (T.St) , Terminal stance), and pre-swing (PS) can be divided into five stages. Standing is the time when the foot is floating in the air for the body to move forward. The initial stinger (I.Sw, Initial Swing), the middle stinger (M.Sw, Mid Swing), and the final stinger (T.Sw, Terminal) Swing) can be divided into three stages.

보행 주기 동안 무릎 각도(즉, 슬관절 각도)는 도 2와 같이 굴곡과 신전이 2차례씩 발생하며, 예를 들어, 보행 주기 중 0-15%에서 굴곡이 18도까지, 15-40%에서는 신전이 5도까지, 40-70%에서는 굴곡이 65도, 70-97%에서 신전이 2도 까지 발생할 수 있다. 도 2의 최대 신전, 최대 굴곡에서의 보행단계는 각각

Figure 112017129072193-pat00005
초기접지기,
Figure 112017129072193-pat00006
중간입각기,
Figure 112017129072193-pat00007
말기입각기,
Figure 112017129072193-pat00008
중간유각기로 구분이 될 수 있다. 일실시예에 따른 보행 주기에서 입각기는 초기접지기, 중간입각기, 말기입각기의 3단계로 구성되고, 유각기는 중간입각기로 1단계로 구성될 수 있다.During the walking cycle, the knee angle (ie, knee joint angle) occurs twice in flexion and extension, as shown in FIG. 2. Up to 5 degrees, flexion can occur at 40-70% to 65 degrees, and at 70-97% to 2 degrees of extension. The walking steps at the maximum extension and the maximum bending of FIG. 2 are respectively
Figure 112017129072193-pat00005
Early Folding,
Figure 112017129072193-pat00006
Middle Position,
Figure 112017129072193-pat00007
Horse,
Figure 112017129072193-pat00008
It can be classified as a middle basin. In the walking cycle according to an embodiment, the standing unit may be composed of three stages of initial folding, middle standing, and final standing, and the rising stage may be configured in one step as an intermediate standing.

일실시예에 따른 극점은 미분 가능한 범위에서 미분계수가 0이 되는 포인트를 의미할 수 있다. 기울기의 변화가 증가에서 감소로 변하거나 감소에서 증가로 변하는 경우에 극점이 검출될 수 있다. 보행 단계에서 최대 굴곡과 최대 신전은 보행 단계를 구분하거나 보행 환경을 구분하기 위한 효과적인 요소일 수 있다. 최대 굴곡과 최대 신전은 극점검출기를 통해 효과적으로 검출될 수 있다.According to an embodiment, the pole may mean a point where the derivative is zero in the range of possible derivatives. The pole can be detected when the change in slope changes from increasing to decreasing or from decreasing to increasing. In the walking phase, the maximum flexion and the maximum temple may be effective elements for distinguishing the walking phase or the walking environment. Maximum flexion and maximum extension can be effectively detected through the pole detector.

일실시예에 따른 유한 상태 머신은 존재 가능한 상태의 수가 유한한 머신을 나타내며, 유한개의 상태와 이런 상태들 간의 변환으로 구성된 계산 모델일 수 있다. 유한 상태 머신은 머신의 상태를 특정 상태로 규정하기 위해 사용될 수 있다. 유한 상태 머신은 현재 데이터 값만으로 상태를 구분하기 어려운 경우, 현재 상태와 이전 상태의 데이터에 기반하여 상태를 결정할 수 있다. 보행의 경우, 현재 무릎 각도만으로는 보행 단계 파악이 어렵고, 정상적인 보행의 경우 순차적인 움직임이 발생하기 때문에, 유한 상태 머신을 이용함으로써 보행 단계가 효과적으로 검출될 수 있다.A finite state machine according to one embodiment represents a machine with a finite number of states that can exist, and can be a computational model consisting of finite states and transformations between these states. Finite state machines can be used to define the state of a machine to a particular state. The finite state machine can determine the state based on the data of the current state and the previous state when it is difficult to distinguish the states by the current data value alone. In the case of walking, it is difficult to grasp the walking stage only by the current knee angle, and since the sequential movement occurs in the case of normal walking, the walking stage can be effectively detected by using a finite state machine.

예시적으로 도 2를 참조하면, 보행에 따른 무릎 각도의 변화는 초기접지기에서 최대 신전이 되고, 이 때 무릎 각도는 약 5도 정도일 수 있다. 초기 접기지 이후 중간입각기에는 작은 굴곡이 발생하며, 이 때 무릎 각도는 약 18도 정도일 수 있다. 중간입각기에서 말기입각기에는 다시 최대 신전이 되며, 이 때 무릎 각도는 약 5도 정도이다. 이후 말기입각기에서 중간유각기까지는 보행 주기 동안 최대의 신전이 발생하며, 이 때 무릎 각도는 약 65도 정도일 수 있다. 이후 다시 초기접지기로 넘어가며 최대 신전이 발생될 수 있다. 이러한 보행의 특징은 보행 단계를 구분하기 위한 중요한 요소일 수 있다.For example, referring to FIG. 2, the change in the knee angle according to walking becomes the maximum extension at the initial folding, and the knee angle may be about 5 degrees. After the initial folding of paper, a small bend occurs in the middle standing, and the knee angle may be about 18 degrees. In the midposition, the end position is the maximum extension again, the knee angle is about 5 degrees. Thereafter, the maximum extension occurs during the walking period from the late standing angle to the middle stipple, and the knee angle may be about 65 degrees. Afterwards, it may return to the initial grounding and the maximum extension may occur. Such walking characteristics may be an important factor for distinguishing walking steps.

5도 범위에서 초기접지기와 말기입각기가 발생하고 보행자나 보행 환경에 따라 최대 신전과 최대 굴곡의 값이 달라지기 때문에, 일반적으로 사용되는 임계치를 이용해서는 검출되기 어렵다. 때문에 본 명세서에서는 최대 신전과 최대 굴곡 점에서 극점 검출을 하고 극점이 검출된 점을 상태 변환 계산 모델로 구성한 유한 상태 머신을 이용하는 방법이 이용될 수 있다.It is difficult to detect using the commonly used threshold values because the initial grounding and the late standing angle occur in the 5 degree range, and the maximum extension and the maximum bending value vary according to the pedestrian or walking environment. Therefore, in the present specification, a method of using a finite state machine in which pole detection is performed at a maximum extension point and a maximum bending point and a pole detected point is configured by a state transformation calculation model may be used.

도 3은 일실시예에 따라 평지 보행 궤적을 나타낸 도면이다.3 is a diagram illustrating a flat walking trajectory according to an exemplary embodiment.

도 3을 참조하면, 일실시예에 따른 평지에서의 보행 궤적이 도시된다.Referring to FIG. 3, a walking trajectory on a flat surface is shown according to an embodiment.

도 3에 도시된 그래프는 시간단위 보행 데이터를 정규화하여 보행의 주기의 백분율로 표현된 것일 수 있다. 즉, x축은 보행의 입각기와 유각기 동안 슬관절이 변화한 궤적을 전체 구간중의 비율로 표현한 것이다. y축은 슬관절의 굴곡과 신전의 각도를 도(Degree) 단위로 나타낸다. 도 4 및 도 5에도 동일한 기준으로 그래프가 도시될 수 있다.The graph shown in FIG. 3 may be expressed as a percentage of the period of walking by normalizing the time-based walking data. In other words, the x-axis represents the trajectory of the knee joint change during the standing and walking phases of the gait as the ratio of the entire section. The y-axis represents the angle of flexion and extension of the knee joint in degrees. 4 and 5, the graph may be shown on the same basis.

도 3에서 도시된

Figure 112017129072193-pat00009
내지
Figure 112017129072193-pat00010
구간은 슬관절의 최대 굴곡 및 최대 신전을 의미하며, 일실시예에 따른 보행 단계를 8단계로 구분하면,
Figure 112017129072193-pat00011
~
Figure 112017129072193-pat00012
구간은 초기 접지기부터 부하반응기,
Figure 112017129072193-pat00013
~
Figure 112017129072193-pat00014
구간은 중간입각기부터 말기입각기 초기까지,
Figure 112017129072193-pat00015
~
Figure 112017129072193-pat00016
구간은 말기입각기 중기부터 초기유각기까지,
Figure 112017129072193-pat00017
~
Figure 112017129072193-pat00018
구간은 중간유각기부터 말기유각기까지를 나타낼 수 있다. 해당 구간이 슬관절의 운동 방향의 전환 시점이기 때문에, 보행 궤적에서 굴곡으로부터 신전으로 변화 구간이 정의될 수 있다.Shown in FIG. 3
Figure 112017129072193-pat00009
To
Figure 112017129072193-pat00010
The interval means the maximum flexion and the maximum extension of the knee joint, and if the walking step according to one embodiment divided into eight steps,
Figure 112017129072193-pat00011
To
Figure 112017129072193-pat00012
The interval is from the initial grounder to the load reactor,
Figure 112017129072193-pat00013
To
Figure 112017129072193-pat00014
The interval is from the middle stand to the beginning of the late stand,
Figure 112017129072193-pat00015
To
Figure 112017129072193-pat00016
The interval is from the late stages to the early stages,
Figure 112017129072193-pat00017
To
Figure 112017129072193-pat00018
The interval may represent the middle basin to the final basin. Since the corresponding section is a transition point of the direction of movement of the knee joint, a section of change from bending to temple in the walking trajectory may be defined.

도 4는 일실시예에 따라 경사로 상행 보행 궤적을 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating an uphill walking trajectory according to an exemplary embodiment.

도 4를 참조하면, 일실시예에 따른 오르막에서의 보행 궤적이 도시된다.Referring to FIG. 4, a walking trajectory on an uphill road is illustrated, according to an exemplary embodiment.

도 4에 나타난 특징점은 지면의 각도에 따라서 신체 중앙을 기준으로 앞발과 뒷발의 높이의 차이에 따른 것으로, 앞발이 신체 중앙을 기준으로 높고 뒷발이 낮은 특징에 따를 수 있다. 오르막의 경우, 초기접지기 시 앞쪽 지면은 평지에 비해 높은 위치에 있게 됨에 따라, 평지의 경우에 비해 높은 위치에서 발이 지면에 닿게 된다. 말기입각기 시 뒤쪽 지면이 평지의 경우에 비해 낮은 위치에 있게 되므로, 앞으로 나아가는 힘을 전달하기 위해서는 최대 신전이 되어야 할 필요가 있다. 이러한 특성들로 인해 도 4의 보행 궤적이 나타날 수 있다.4 is based on the difference in the height of the forefoot and the back foot relative to the center of the body according to the angle of the ground, the forefoot may be based on the high and the rear foot relative to the center of the body. In the case of an uphill climb, the front ground is at a higher position than the flat ground during the initial folding, so that the foot touches the ground at a higher position than the flat ground. In the late stage, the rear ground is lower than in the case of flat, so it needs to be the maximum temple to transmit the force forward. Due to these characteristics, the walking trajectory of FIG. 4 may appear.

도 4에 따르면, 평지 보행과 비교했을 때 경사로 상행 보행에서 발생하는 슬관절의 변화의 경우,

Figure 112017129072193-pat00019
번 위치인 말기유각기로부터 초기접지기까지 신전이 작게 발생했으며
Figure 112017129072193-pat00020
번 위치인 중간입각기에서 굴곡이 더 높게 발생할 수 있다. 그리고,
Figure 112017129072193-pat00021
번과
Figure 112017129072193-pat00022
번 위치에서는 평지의 보행 궤적과 큰 차이점이 나타나지 않는다. According to FIG. 4, in the case of a change in the knee joint occurring in an uphill walk in comparison with the flat walk,
Figure 112017129072193-pat00019
From the late stage basin to the initial fold,
Figure 112017129072193-pat00020
Higher bends may occur in the middle position, in position. And,
Figure 112017129072193-pat00021
Burn
Figure 112017129072193-pat00022
In position 1, there is no significant difference with the walking trajectory of the plain.

앞서 설명한 것처럼, 보행 진행 방향의 노면이 이전 보행 노면보다 높은 곳에 위치하기 때문에 발을 접지시키기 위해 고관절의 각도가 높아지면서 발의 입사각을 경사도와 맞추기 위해 슬관절이 유각기에서 완전히 신전되지 못하기 때문에 이와 같은 특징이 나타날 수 있다.As described above, the road surface in the direction of walking is located higher than the previous road surface, because the angle of the hip joint is increased to ground the foot, and the knee joint is not fully extended in the stilts to match the inclination angle of the foot. Features may appear.

도 5는 일실시예에 따라 경사로 하행 보행 궤적을 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating a downhill walking trajectory according to an exemplary embodiment.

도 5를 참조하면, 일실시예에 따른 내리막에서의 보행 궤적이 도시된다.Referring to FIG. 5, the walking trajectory at the downhill according to an embodiment is illustrated.

도 5에 나타난 특징점은 오르막의 경우와 동일하게 지면의 각도에 따라서 신체 중앙을 기준으로 앞발과 뒷발의 높이의 차이에 따를 수 있으나, 구체적인 양상이 다를 수 있다. 예를 들어, 내리막의 경우 내리막의 경우 앞발이 신체 중앙을 기준으로 낮고 뒷발이 높은 특징에 따를 수 있다. 초기접지기 시 앞쪽 지면은 평지에 비해 낮은 위치에 있게 됨에 따라 최대 신전이 이루어지며, 평지에 비해 낮은 위치에서 발이 지면에 닿게 된다. 말기입각기 시 뒤쪽 지면은 평지에 비해 높은 위치에 있게 된다. 내리막이므로 앞으로 나아가는 힘을 전달하기 위해서 최대 신전될 필요는 없으며, 최대 신전이 되어 앞으로 넘어지는 것을 방지하기 위해 평지에 비교해서 무릎 각이 커질 수 있다. 이러한 특성들로 인해 도 5의 보행 궤적이 나타날 수 있다.The feature points shown in FIG. 5 may be based on the difference in the height of the forefoot and the back foot with respect to the center of the body according to the angle of the ground as in the case of the uphill, but the specific aspects may be different. For example, in the case of downhill, the downhill may be based on the characteristics of the lower paw and the higher hind foot based on the center of the body. During the initial folding, the front ground is located at a lower position than the flat ground, so the maximum extension is achieved, and the foot touches the ground at a lower position than the flat ground. In late standing, the back ground is at a higher position relative to the flat land. Because it is downhill, it does not need to be fully extended to transmit the force forward, and the knee angle can be increased compared to the flat to prevent it from falling forward by becoming the maximum extension. Due to these characteristics, the walking trajectory of FIG. 5 may appear.

도 5에 따르면, 경사로 하행 보행은 평지 보행과 비교했을 때

Figure 112017129072193-pat00023
번 위치에서는 큰 차이가 없으나,
Figure 112017129072193-pat00024
번 위치인 중간 입각기에서 굴곡이 더 높은 위치에서 발생되며,
Figure 112017129072193-pat00025
번 위치에서는 신전이 작게 발생되며,
Figure 112017129072193-pat00026
번 위치에서는 평지 보행 궤적보다 슬관절의 굴곡이 일부 높게 발생될 수 있다.According to FIG. 5, the ramp downhill walking is compared with flat walking
Figure 112017129072193-pat00023
There is no big difference in position 1,
Figure 112017129072193-pat00024
In the middle standing position, the bend occurs at the higher position,
Figure 112017129072193-pat00025
In the second position, the temple is small,
Figure 112017129072193-pat00026
In position 1, the knee flexion may occur higher than the flat walking trajectory.

앞서 설명한 것처럼, 경사로 하행 보행에서 평지와 같은 초기접지기에 신전을 하게 되면 신체의 중심이 경사로 아래 방향으로 치우치게 되는 것을 방지하기 위해, 신체의 체중심을 지면의 수직보다 뒤쪽으로 이동하고자 중간입각기에서 신전을 작게 하게 됨에 따라 이와 같은 특징이 나타날 수 있다. 또한, 중간유각기에서 무릎 각도가 일부 증가하는 특징이 있다. 이는 발이 신체의 중심보다 더 높은 곳에 있기 때문에 보행이 유각기 때 발이 지면에 닿지 않기 위하여 다리의 높이를 무릎의 굴곡을 통하여 조절하기 때문일 수 있다.As mentioned earlier, when the temple is placed on an initial fold, such as a plain, on a sloped downhill walk, the temple is moved from the middle position to move the body's weight back to the back of the ground to prevent the center of the body from shifting down the slope. This characteristic may appear as the value of M is reduced. In addition, there is a feature that the knee angle is partially increased in the midglow. This may be because the foot is higher than the center of the body and the height of the leg is adjusted through the flexion of the knee so that the foot does not touch the ground when the gait is in swing.

도 3 내지 도 5를 통해 평지, 경사로 하행, 경사로 상행의 경우를 종합해보면, 각 보행 환경에서 보행의 한 주기에서 굴곡과 신전이 두 차례씩 반복되는 점이 동일할 수 있다. 따라서, 각 보행 상황에서의 보행은 연속적인 시퀀스를 가질 수 있다. 다만, 각 보행 환경에서 굴곡과 신전의 형태는 다르다.3 to 5, the flat, the slope down, and the case of the slope up as a whole, it may be the same point that the bending and extension is repeated twice in one cycle of walking in each walking environment. Thus, walking in each walking situation may have a continuous sequence. However, the shape of flexion and temple are different in each walking environment.

따라서, 각 보행 환경의 슬관절 변화 시점

Figure 112017129072193-pat00027
,
Figure 112017129072193-pat00028
,
Figure 112017129072193-pat00029
,
Figure 112017129072193-pat00030
의 구간에서 평지를 기준으로 경사로 상행, 경사로 하행에서 유의미한 변화가 나타날 수 있으며, 이를 이용하여 보행 단계뿐만 아니라 보행 환경이 추정될 수 있다.Therefore, the point of change of the knee joint in each walking environment
Figure 112017129072193-pat00027
,
Figure 112017129072193-pat00028
,
Figure 112017129072193-pat00029
,
Figure 112017129072193-pat00030
Significant changes may occur in ascending and descending slopes on the basis of flats in the interval of, and the walking environment as well as the walking phase may be estimated using this.

도 6은 일실시예에 따른 극점을 설명하기 위한 도면이다.6 is a diagram for describing a pole, according to an exemplary embodiment.

도 6을 참조하면, 일실시예에 따른 극대점 및 극소점이 도시된다.Referring to FIG. 6, a maximum point and a minimum point are shown according to an embodiment.

일실시예에 따른 슬관절의 굴곡과 신전의 변화 시점은 2차 평면에서 극점에 해당될 수 있다. 여기서, 극점이란 미분이 가능한 범위에서 미분계수가 '0'이 되는 포인트를 의미하며, 2차 평면에서 그래프의 기울기가 0이 되는 곳을 의미하기도 한다. 디지털 시스템의 경우, 실제로 미분 값이 '0'이 되는 점을 검출하기는 쉽지 않을 수 있기 때문에, 미분 값의 부호가 양에서 음으로, 또는 음에서 양으로 변하는 구간을 검출함으로써, 극점이 검출될 수 있다.According to one embodiment, the bending point and the change point of the extension of the knee joint may correspond to poles in the second plane. Here, the pole means a point where the derivative coefficient becomes '0' in the range where the derivative is possible, and also means a place where the slope of the graph becomes zero in the second plane. In the case of a digital system, it may not be easy to detect the point where the derivative value becomes '0', so that the pole can be detected by detecting a section in which the sign of the derivative value changes from positive to negative or from negative to positive. Can be.

극점은 세부적으로 극대점과 극소점으로 구분될 수 있으며, 극대점의 경우 미분 값의 부호가 양에서 음으로 변하는 점을 나타낸다. 극소점은 미분 값의 부호가 음에서 약으로 변하는 점을 나타낸다. 다시 말해, 극대점은 굴곡에서 신전으로 변하는 점이며, 극소점은 신전에서 굴곡으로 변하는 점일 수 있다. 따라서, 보행의 굴곡과 신전에 기초하여 보행 단계가 검출될 수 있다.The pole can be divided into the maximum and the minimum in detail. In the case of the maximum, the sign of the derivative value changes from positive to negative. The minima point indicates that the sign of the derivative value changes from negative to weak. In other words, the maximum point may be a point that changes from a flexion to a temple, and the minimum point may be a point that changes from a temple to a flexion. Therefore, the walking step can be detected based on the bending and extension of the walking.

이러한 굴곡과 신전은 임계값에 기초하여 검출될 수도 있다. 그러나, 임계값을 사용하여 보행 단계을 검출하는 방법의 경우, 특정 범위의 유의미한 다른 보행 단계의 발생을 검출할 수 없다. 또한, 다수의 임계값을 사용하는 방법도 있지만, 임계값이 중첩되는 경우 특정 단계를 검출하지 못할 수도 있다. 따라서, 보행의 경우 특정 범위에서 다른 단계가 이루어지므로, 보행 단계는 극점 검출에 기반하여 수행될 필요가 있다.Such flexion and extension may be detected based on the threshold. However, in the case of a method of detecting a walking step using a threshold value, it is not possible to detect the occurrence of a specific range of meaningful other walking steps. There is also a method of using multiple thresholds, but it may not be possible to detect a particular step if the thresholds overlap. Therefore, in the case of walking, since different steps are made in a specific range, the walking step needs to be performed based on pole detection.

도 7은 일실시예에 따라 보행 단계를 설명하기 위한 도면이다.7 is a diagram for describing a walking step, according to an exemplary embodiment.

도 7을 참조하면, 일실시예에 따른 4가지 보행 단계들이 도시된다.Referring to FIG. 7, four walking steps are shown, according to one embodiment.

일실시예에 따른 정상적인 보행은 일정한 패턴을 가지며, 이러한 일정한 패턴을 벗어나면 보행 이상 또는 병적인 보행으로 볼 수 있다. 따라서, 순차적으로 발생하는 보행이어야 정상 보행으로 볼 수 있다.The normal gait according to an embodiment has a certain pattern, and if it deviates from the regular pattern, it may be regarded as an abnormal gait or a pathological gait. Therefore, walking can occur in order to be seen as normal walking.

이러한 특성에 기반하여, 보행 단계 검출에 이용되는 특징점이 무릎 각도의 극대점과 극소점에 해당될 수 있다. 다시 말해, 극대점과 극소점에 기초하여 보행 단계가 검출될 수 있다. 한 보행주기 동안 무릎 각도에 대한 극소점과 극대점은 2차례씩 발생될 수 있다. 첫 번째 극소점과 두 번째 극소점은 서로 다른 보행 단계로 구분되며, 첫 번째 극대점과 두 번째 극대점도 서로 다른 보행 단계로 구분될 수 있다. 따라서, 보행 단계는 유한 상태 머신의 상태 전이도에 기초하여 구분될 수 있다. 상태 전이도는 보행 분석을 통하여 도출된 특징점을 바탕으로 도 7과 같이 구성될 수 있다.Based on this characteristic, the feature points used for the gait step detection may correspond to the maximum and minimum points of the knee angle. In other words, the walking step can be detected based on the maximum and minimum points. During one walking cycle, the minimum and maximum points for the knee angle may occur twice. The first minima and the second minima are divided into different walking stages, and the first and second minima may also be classified into different walking stages. Thus, the walking steps can be divided based on the state transition diagram of the finite state machine. The state transition diagram may be configured as shown in FIG. 7 based on the feature points derived through the gait analysis.

도 8은 일실시예에 따른 보행 상태 추정 시스템을 나타낸 도면이다.8 is a diagram illustrating a walking state estimation system, according to an exemplary embodiment.

도 8을 참조하면, 일실시예에 따라 보행 단계를 추정하는 보행 상태 추정 시스템이 도시된다.Referring to FIG. 8, a walking state estimation system for estimating a walking step according to an embodiment is shown.

일실시예에 따른 보행 상태 추정 시스템은 슬관절 각도와 극점(극대점, 극소점)을 파라미터로 하여 특이점을 검출함으로써, 보행 단계를 추정할 수 있다. 이 때, 높은 신뢰성을 위해 센서의 성능이나 주파수 특성에 따라 잡음을 제거하기 위한 지수가중 필터와 상태 머신이 이용될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the walking state estimation system may estimate a walking step by detecting a singular point using a knee angle and a pole (maximum point, minimum point) as parameters. In this case, an exponentially weighted filter and a state machine may be used to remove noise depending on the performance or frequency characteristics of the sensor for high reliability.

지능형 의족에서의 슬관절 각도는 관성 센서로 측정되며, 관성 센서로 측정된 현재 슬관절 각도는

Figure 112017129072193-pat00031
로 정의될 수 있다. The knee angle in the intelligent prosthesis is measured by the inertial sensor, and the current knee angle measured by the inertial sensor is
Figure 112017129072193-pat00031
It can be defined as.

보행은 지면에 닿고 떨어지기를 반복하며, 이는 관성센서에 노이즈로 작용할 수 있다. 이러한 노이즈는 순간적인 충격이기 때문에 고주파 노이즈로 판단하며 이를 제거하기 위하여 저주파통과필터가 요구될 수 있다. 저주파통과필터는 지수가중이동평균필터(EWMA: exponentially weighted moving average) 등 다양한 필터가 적용될 수 있다.Gait repeatedly touches and falls off the ground, which can act as noise to the inertial sensors. Since such noise is a momentary impact, it is determined to be a high frequency noise and a low pass filter may be required to remove the noise. The low pass filter may be applied with various filters such as an exponentially weighted moving average (EWMA).

지수가중이동평균필터는 1차 저주파 필터로 아래의 수학식 1과 같이 표현된다. The exponentially weighted moving average filter is a first-order low-frequency filter, which is expressed by Equation 1 below.

Figure 112017129072193-pat00032
Figure 112017129072193-pat00032

여기서

Figure 112017129072193-pat00033
는 가중치이며 0<
Figure 112017129072193-pat00034
<1인 상수이다. 이는 평균필터와 유사하지만 평균필터에서는 가중치를 지정할 수 없고, 데이터 개수에 따라 자동으로 결정되는 단점이 있기 때문에 다를 수 있다. 또한, 최신 데이터에 더 높은 가중치가 부여되기 때문에 실제 데이터의 민감도가 낮을 수 있다.here
Figure 112017129072193-pat00033
Is a weight and 0 <
Figure 112017129072193-pat00034
Is a constant of <1. This is similar to the average filter, but the average filter can not be assigned a weight, it may be different because there is a disadvantage that is automatically determined according to the number of data. In addition, since the higher weight is given to the latest data, the sensitivity of the actual data may be low.

따라서,

Figure 112017129072193-pat00035
에 수학식 1의 1차 저주파 통과 필터를 거친 신호를
Figure 112017129072193-pat00036
로 정한다.therefore,
Figure 112017129072193-pat00035
The signal passed through the first order low pass filter
Figure 112017129072193-pat00036
Decide on

극점을 검출하기 위해서는 보행 각도를 미분해야 하며, 미분은 수학식 2와 같이 수행하며 미분된 보행 각도는

Figure 112017129072193-pat00037
라고 정한다. 여기서
Figure 112017129072193-pat00038
은 관성데이터로 데이터를 취득하는 시간이다.In order to detect the pole, the walking angle must be differentiated, and the derivative is performed as shown in Equation 2, and the differential walking angle is
Figure 112017129072193-pat00037
It is decided. here
Figure 112017129072193-pat00038
Is the time for acquiring data as inertia data.

Figure 112017129072193-pat00039
Figure 112017129072193-pat00039

이렇게 검출된 극점은 극대값인지 극소값인지의 판별이 필요할 수 있다. 극점은 미분 값이 '0'인 경우이지만, 디지털시스템의 경우 그런 상황이 드물게 나타나기 때문에 수학식 3과 같은 판별식으로 판단될 수 있다.It may be necessary to determine whether the detected pole is a local maximum or local minimum. The pole is a case where the derivative value is '0', but in the case of a digital system, such a situation rarely appears, and thus it may be determined by the discriminant equation (3).

Figure 112017129072193-pat00040
Figure 112017129072193-pat00040

여기서, LocalMax은 극대점이며 신전에서 굴곡이 되는 최대점, LocalMin은 극소점이며 굴곡에서 신전이 되는 최소점이다.

Figure 112017129072193-pat00041
Figure 112017129072193-pat00042
를 미분한 미분 값이다.Here, LocalMax is the maximum point and the maximum point to bend in the temple, LocalMin is the minimum point and the minimum point to the temple in the bend.
Figure 112017129072193-pat00041
Is
Figure 112017129072193-pat00042
Is the derivative value of the derivative.

따라서 수학식 3을 바탕으로 슬관절의 보행 궤적에서 극소값과 극대값을 검출이 가능하며, 현재 상태의 극점에서 도 7의 상태 머신에 적용을 하면 아래의 표 2과 같은 극점기준으로 보행단계를 검출하는 조건이 도출될 수 있다. S1는 초기접지기 이후 나타나는 극소점, S2는 중간입각기 이후 나타나는 극대점, S3는 말기입각기 이후 나타나는 극소점, S4는 중간유각기 이후 나타나는 극대점일 수 있다. 따라서, S1의 검출 조건은 현재 보행 궤적은 입각기 상태의 극소점이고, 이전 보행단계가 S4일 수 있다. S2의 검출 조건은 현재 보행 궤적은 입각기 상태의 극대점이고, 이전 보행단계가 S1일 수 있다. S3의 검출 조건은 현재 보행 궤적은 입각기 상태의 극소점이고, 이전 보행단계가 S2일 수 있다. S4의 검출 조건은 현재 보행 궤적은 유각기 상태의 극대점이고, 이전 보행단계가 S3일 수 있다. 현재 보행궤적에서 입각기와 유각기 상태는

Figure 112017129072193-pat00043
값으로 판별되며, 이 값은 이전 보행주기에서 입각기 동안의 극대값으로 결정될 수 있다. 정상적인 보행은 순차적인 보행 패턴을 가지기 때문에, 이와 같은 검출조건이 설정될 수 있다.Therefore, the minimum value and the maximum value can be detected from the walking trajectory of the knee joint based on Equation 3, and when applied to the state machine of FIG. This can be derived. S1 may be a minimum point appearing after the initial folding, S2 may be a maximum point appearing after the intermediate stance, S3 may be a minimum point appearing after the late stance, and S4 may be a maximum point appearing after the intermediate stance. Therefore, the detection condition of S1 is that the current walking trajectory is the minimum point of the standing state, and the previous walking step may be S4. The detection condition of S2 is that the current walking trajectory is the maximum point of the standing state, and the previous walking step may be S1. The detection condition of S3 is that the current walking trajectory is the minimum point of the standing state, and the previous walking step may be S2. The detection condition of S4 is that the current walking trajectory is the maximum point of the stipple phase, and the previous walking step may be S3. In the current walking trajectory,
Figure 112017129072193-pat00043
Determined by the value, this value may be determined as the maximum value during the standing period in the previous walking cycle. Since the normal walking has a sequential walking pattern, such a detection condition can be set.

아래 표 2은 극점 기준 보행단계 검출조건을 나타낸다.Table 2 below shows pole-based walking step detection conditions.

Figure 112017129072193-pat00044
Figure 112017129072193-pat00044

S1 단계는 극소점에서 시작하여 극대점에서 끝나며, 무릎 각도는 주로 40도 이하에서 발생할 수 있다. 이전 보행단계와의 연속성에 의해, 이전 단계는 S4일 수 있다. 따라서 검출 수학식은 다음과 같다.The S1 phase begins at the minimum and ends at the maximum, and knee angles can occur mainly below 40 degrees. By continuity with the previous walking step, the previous step may be S4. Therefore, the detection equation is as follows.

Figure 112017129072193-pat00045
Figure 112017129072193-pat00045

여기서, State(n-1)은 이전 단계를 의미하며,

Figure 112017129072193-pat00046
는 현재 무릎 각도를 의미한다.
Figure 112017129072193-pat00047
는 극대, 극소를 판별하는 조건식일 수 있다.Here, State (n-1) means the previous step,
Figure 112017129072193-pat00046
Means current knee angle.
Figure 112017129072193-pat00047
May be a conditional expression for determining the maximum and the minimum.

S2 단계는 극대점에서 시작하여 극소점에서 끝나며, 무릎 각도는 평균 40도 이하에서 발생할 수 있다. 이전 보행단계와의 연속성에 의해, 이전 단계는 S1일 수 있다. 따라서 검출 수학식은 다음과 같다.The S2 phase begins at the maximum and ends at the minimum and knee angles can occur below 40 degrees on average. By the continuity with the previous walking step, the previous step may be S1. Therefore, the detection equation is as follows.

Figure 112017129072193-pat00048
Figure 112017129072193-pat00048

S3 단계는 극소점에서 시작하여 극대점에서 끝나며, 무릎 각도의 경우 그 정도가 평균 40도 이하에서 발생할 수 있다. 이전 보행단계와의 연속성에 의해, 이전 단계는 S2이다. 따라서 검출 식은 다음과 같다.The S3 phase starts at the minimum and ends at the maximum, which can occur at an average of 40 degrees or less for the knee angle. By continuity with the previous walking step, the previous step is S2. Therefore, the detection equation is as follows.

Figure 112017129072193-pat00049
Figure 112017129072193-pat00049

S4 단계는 극대점에서 시작되어 극소점에서 끝나며, 무릎 각도의 경우 그 정도가 평균 40도 이상에서 시작될 수 있다. 이전 보행단계와의 연속성에 의해, 이전 단계는 S3일 수 있다. 따라서 검출 식은 다음과 같다.The S4 phase begins at the maximum and ends at the minimum, and in the case of knee angles, it can begin at an average of 40 degrees or more. By the continuity with the previous walking step, the previous step may be S3. Therefore, the detection equation is as follows.

Figure 112017129072193-pat00050
Figure 112017129072193-pat00050

실제 보행단계 판별 시스템에서는 잡음 요소는 시스템의 오동작과 오검출을 유발하는 무시할 수 없는 요소이다. 해당 시스템에서 발생하는 잡음요소로는 가속도 센서와 자이로 센서에서 전기적으로 발생하는 잡음, 보행 시 입각기 시작기인 초기 접지기에서 발생되는 충격으로 인하여 관성 측정 장치에 유입되는 노이즈, 관성측정 장치 케이스와 내부 모듈의 이격의 의한 흔들림 등이 있으며 주로 고주파수의 잡음이 발생한다. 이러한 고주파 잡음은 보행단계 판별의 신뢰성의 저하를 가져올 수 있다. In an actual walking step determination system, the noise factor is a non-negligible factor that causes system malfunction and detection. Noise components generated in the system include noise generated by the acceleration sensor and gyro sensor, noise introduced into the inertial measurement device due to the impact generated from the initial grounder, which is the starting point of the stance during walking, the inertial measurement device case and the internal module. There is a shaking due to the separation of high frequency noise. Such high frequency noise may cause a decrease in the reliability of the walking step determination.

일실시예에 따라 보행 상태 추정 시스템은 무릎 각도 추정 단계와 미분 필터에 저주파 통과 필터를 적용하여 정확성을 향상시킬 수 있다.According to an embodiment, the walking state estimation system may improve accuracy by applying a low pass filter to the knee angle estimating step and the derivative filter.

도 9는 다른 일실시예에 따른 보행 상태 추정 시스템을 나타낸 도면이다.9 is a diagram illustrating a walking state estimation system according to another exemplary embodiment.

도 9를 참조하면, 일실시예에 따라 보행 환경을 추정하는 보행 상태 추정 시스템이 도시된다.Referring to FIG. 9, a walking state estimation system for estimating a walking environment according to an embodiment is illustrated.

보행 중에는 체중수용(weight acceptance), 단하지 지지(single limb support), 하지의 전진(limb advancement)이 수행되며, 보행 환경에 따라 보행 단계에서 요구되는 보행 궤적이 해당 보행 환경에 적응하기 위하여 달라질 수 있다. 따라서, 보행 환경을 검출하기 위해서는 보행 환경에 따라 발생하는 보행 단계의 특이점을 이용할 필요가 있다.During walking, weight acceptance, single limb support, and limb advancement are performed, and the walking trajectory required at the walking stage may vary depending on the walking environment. have. Therefore, in order to detect a walking environment, it is necessary to use the singularity of the walking step which arises according to a walking environment.

도 8에서는 관절 각도 변화에 기반하여 보행 단계가 4단계 즉, 초기접지기, 중간입각기, 말기입각기, 중간유각기 중 어느 하나로 추정되었다. 각 보행 단계별 보행 환경에 따른 특징은 다음과 같을 수 있다.In FIG. 8, the walking stage was estimated as one of four stages, namely, initial folding, middle standing, terminal standing, and middle recess based on the change in the joint angle. The characteristics of the walking environment for each walking step may be as follows.

초기 접지기에는 발이 몸보다 앞에 있으며, 발이 지면에 닿는 순간 동작이 발생할 수 있다. 이 때, 슬관절의 각도는 경사로 상행의 보행 환경에서 경사도에 따라 달라질 수 있다. 이는 경사로 상행 보행의 경우 발이 높은 곳으로 디디기 위해 S1의 극소값이 평지보행 및 경사로 하행 보다 높게 일어나기 때문일 수 있다.In an early grounder, your feet are in front of you, and movement can occur the moment your feet touch the ground. At this time, the angle of the knee joint may vary depending on the inclination in the walking environment up the ramp. This may be because the minimum value of S1 occurs higher than the flat walking and the ramp down in order to walk up the slope.

전유각기는 입각기의 마지막 주기로 지지하던 무게 중심점을 반대 측 하지로 넘겨주는 현상이 일어나며, 유각기를 준비하는 시기로 발이 몸보다 뒤에 있는 동작이 발생할 수 있다. 이 때, 무릎의 각도는 보행한 후의 환경인 경사도에 따라 달라질 수 있다. 해당 단계에서 보행 환경에 따라 큰 차이를 보이는 환경은 경사로 하행의 경우일 수 있다. 경사로 하행의 경우, S3에서 무릎 신전 정도가 작으며, S4에서 굴곡된 정도가 커질 수 있다. 이는 경사로 하행 보행 환경의 경우 발이 뒤에 있을 때 더 높은 곳에 있기 때문일 수 있다.The pentagram passes over the center of gravity, which was supported by the last period of the stand, to the lower limb, and the foot may be behind the body in preparation for the pentagram. At this time, the angle of the knee may vary depending on the inclination which is the environment after walking. The environment that shows a large difference depending on the walking environment at this stage may be a case of descending the ramp. In the case of descending the ramp, the degree of knee extension is small at S3, and the degree of bending at S4 may be increased. This may be because in a ramp downhill walking environment, the foot is higher when the foot is behind.

따라서, 보행 환경의 경사에 따른 특징이 존재함에 따라, 추정된 보행 단계를 기반으로 각 단계에서 발생하는 극대점과 극소점을 이용하여 보행 환경이 추정될 수 있다.Therefore, as there is a characteristic according to the inclination of the walking environment, the walking environment may be estimated using the maximum and minimum points generated at each step based on the estimated walking step.

앞서 기술한 경사에 따른 초기접지기와 전 유각기에서의 극점의 변화가 이용될 수 있다. 각 보행 환경에서의 극점 변화 차이를 정리하면 다음과 같다. 경사로 상행의 경우, 초기 접지기시 평지와 경사로 하행의 슬관절 각도보다 극소점이 높게 나타나고, 경사로 하행의 경우 전 유각기에서 평지와 경사로 상행의 슬관절 각도보다 극대 값이 높게 나타나는 특징이 있다.The change of poles at the initial grounding and the entire stator according to the slope described above can be used. The differences in pole changes in each walking environment are summarized as follows. In the case of ascending upward, the minimum point is higher than the knee joint angle between the flat and the downward slope at the initial folding period, and in the case of the downward slope, the maximum value is higher than the angle of the knee joint between the flat and the upward slope at all stages.

따라서, 보행 환경을 검출하는 조건은 초기접지기가 시작될 때 무릎 각

Figure 112017129072193-pat00051
과 전유각기가 시작될 때 무릎 각
Figure 112017129072193-pat00052
의 차이를 이용하며 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.Therefore, the condition for detecting the walking environment is the knee angle when the initial folding is started.
Figure 112017129072193-pat00051
Knee angle when and full breastplate starts
Figure 112017129072193-pat00052
Using the difference of can be expressed as Equation 8.

Figure 112017129072193-pat00053
Figure 112017129072193-pat00053

이와 같이 수학식 8이 간단한 이유는 평지와 경사로 상행과 하행에서의 보행 특성에서 비롯된 것으로, 오르막의 경우

Figure 112017129072193-pat00054
값이 양의 방향으로 커지는 경향을 보이며, 내리막의 경우
Figure 112017129072193-pat00055
값이 음의 방향으로 커지는 특징이 있다. 이러한 특징을 바탕으로 표 3와 같은 검출 조건이 결정될 수 있다. 여기서,
Figure 112017129072193-pat00056
는 개인별 차이가 있을 수 있기 때문에 평지보행을 통하여 도출된 값이 적용될 수 있다. 일반적으로 평지 보행에서 첫 번째 신전 시작점은 평균 약 2~5도 정도 이내이며, 두 번째 신전 시작점은 평균 3~7도일 수 있다. 따라서 두 지점의 차이가 작게는 1도 크게는 5도 정도 차이를 보이므로, 일반적으로
Figure 112017129072193-pat00057
=5도로 정의될 수 있다. 이 때, 건측의 운동정보를 추정하는 관성 센서의 측정 오차 및 부하반응기에서 개인별 특성을 더 고려하게 되면,
Figure 112017129072193-pat00058
의 값은 7~10도 정도로 설정될 수 있으며, 이를 임계값으로 설정될 수 있다.The reason why Equation 8 is simple is derived from the walking characteristics in the ascending and descending flat and ramps.
Figure 112017129072193-pat00054
Value tends to increase in the positive direction,
Figure 112017129072193-pat00055
The characteristic is that the value increases in the negative direction. Based on these characteristics, detection conditions as shown in Table 3 may be determined. here,
Figure 112017129072193-pat00056
The value derived through the flat walking can be applied because there may be individual differences. In general, the first temple starting point is about 2-5 degrees on average, and the second temple starting point may be 3-7 degrees on average. Therefore, the difference between the two points is as small as 1 degree and as large as 5 degrees.
Figure 112017129072193-pat00057
Can be defined as = 5 degrees. At this time, when considering the measurement error of the inertial sensor for estimating the motion information of the healthy side and the individual characteristics in the load reactor,
Figure 112017129072193-pat00058
The value of may be set to about 7 ~ 10 degrees, it may be set as a threshold.

표 3는 보행 환경 검출 조건이 나타낸다.Table 3 shows the walking environment detection conditions.

Figure 112017129072193-pat00059
Figure 112017129072193-pat00059

그러나 이러한 보행 환경 추정은 보행자마다 다를 수 있기 때문에, 임계값의 튜닝이 요구될 수 있다. 따라서 해당 방법과 더불어 사용 가능한 조건 기반의 보행환경 추정 방법이 제안될 수 있다. 추가적인 방법은 극점 기준으로 이전 단계와 다음 단계의 보행 양상에 따른 판별방법으로 수학적으로 정립되지 않는 언어적 분류일 수 있다. 표 4은 이러한 각 보행 환경별 검출 조건을 나타낸다.However, since the walking environment estimation may be different for each pedestrian, tuning of the threshold may be required. Therefore, in addition to the relevant methods, a condition-based pedestrian environment estimation method can be proposed. The additional method may be a linguistic classification that is not mathematically established as a discrimination method according to the walking pattern of the previous step and the next step based on the pole point. Table 4 shows detection conditions for each of these walking environments.

Figure 112017129072193-pat00060
Figure 112017129072193-pat00060

검출 조건에서 공통된 사항은 평지, 경사로 상행, 경사로 하행의 보행 단계에서 S2는 S1보다 크다는 점일 수 있다. 그리고 경사로 상행과 경사로 하행의 환경은 S1와 S3의 크기에 기반하여 구별될 수 있다. 또한 추가적으로 S1의 크기를 S4와 비교함으로써, 각 보행환경의 검출 정확도가 보장될 수 있다. 이러한 조건을 바탕으로 정리하면 표 5와 같은 규칙이 도출될 수 있다.What is common in the detection conditions may be that S2 is larger than S1 in the walking steps of the flat, the ramp up and the ramp down. And the uphill and downhill environment can be distinguished based on the size of S1 and S3. In addition, by comparing the size of S1 with S4, the detection accuracy of each walking environment can be ensured. Based on these conditions, the rules shown in Table 5 can be derived.

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이와 같은 보행 환경 판별 규칙은 보행 주기 특징에 기반하여 도출될 수 있다. 이는 보행이 주기성을 가지고, 유사 패턴이 재현되기 때문일 수 있다. 표 4에서 S4의 20% 값을 검출 조건에 적용한 이유는 도 3 내지 도 5에서 나타난 바와 같이 평지 보행에서 S1과 S3는 각도 차이가 근소한 차이로 도출되는 특징을 보조적으로 보완하여 인식률을 높이기 위함이다. 또한, 경사로 오르막과 내리막에서 S1를 기준으로 보면 경사로 오르막은 S1이 S3보다 높은 각도를 가지며, 경사로 내리막에서는 S3를 기준으로 S1이 낮은 각도를 보이는 특징을 검출하기 위함일 수 있다. 검출 조건에 S4의 값에 백분율을 적용한 이유는 도 3 내지 도 5에서 나타난 바와 같이 S4가 평지와 경사로 오르막에서 큰 변화 없이 유사한 각도를 보이는 반면, 경사로 내리막에서는 경사도 증가에 따라 S4의 각도 값이 상승한 점에 기인할 수 있다. 따라서, S4의 각도는 항시 고정 각도가 아니기 때문에 S4의 20%에 해당되는 구간이라고 설정되었으며, 백분율의 비중인 20은 도 3 내지 도 5에서 나타난 바와 같이 해당 구간에서 규칙 조건들이 에러 없이 모두 만족된 점에 기인할 수 있다. 따라서, 해당 값은 향후 사용자에 따라 변경될 수 있다. 만약 S4의 값을 사용하지 않고, 퍼지화와 같이 소속 값들로 범위를 한정한다면 경사도가 높아짐에 따른 소속 값 범위를 바꿔줘야 하는 문제가 발생될 수도 있으나, 상기 제기한 방법과 같이 수행한다면 실제 변화되는 주체의 값을 바탕으로 검출 조건 값이 유동적으로 가변될 수 있기 때문이다.Such a walking environment determination rule may be derived based on the walking cycle characteristics. This may be because walking is periodic and similar patterns are reproduced. In Table 4, the reason why the value of 20% of S4 is applied to the detection condition is to increase recognition rate by supplementing the feature that the angle difference is derived from the slight difference as shown in FIGS. . In addition, when the slope is uphill and downhill based on S1, the slope uphill may be a feature in which S1 has a higher angle than S3, and in the downhill slope, S1 has a lower angle based on S3. The reason why the percentage is applied to the value of S4 in the detection condition is that as shown in FIGS. 3 to 5, S4 shows a similar angle with no significant change in the flat and the slope uphill, while in the downhill slope, the angle value of S4 increases as the slope increases. It may be due to the point. Therefore, since the angle of S4 is not always a fixed angle, it is set as a section corresponding to 20% of S4, and 20, which is a percentage of percentage, satisfies all of the rule conditions without errors as shown in FIGS. 3 to 5. It may be due to the point. Therefore, the value may change according to the user in the future. If you do not use the value of S4 and limit the range to belonging values such as fuzzy, there may be a problem that you need to change the belonging value range as the inclination increases. This is because the detection condition value can be flexibly changed based on the value of.

도 10은 일실시예에 따른 보행 상태 추정 장치를 나타낸 도면이다.10 is a diagram illustrating a walking state estimation apparatus, according to an exemplary embodiment.

도 10을 참조하면, 일실시예에 따른 보행 상태 추정 장치(1000)는 메모리(1010) 및 프로세서(1020)를 포함한다. 메모리(1010) 및 프로세서(1020)는 버스(bus)(1030)를 통하여 서로 통신할 수 있다.Referring to FIG. 10, the walking state estimating apparatus 1000 according to an embodiment includes a memory 1010 and a processor 1020. The memory 1010 and the processor 1020 may communicate with each other via a bus 1030.

메모리(1010)는 컴퓨터에서 읽을 수 있는 명령어를 포함할 수 있다. 프로세서(1020)는 메모리(1010)에 저장된 명령어가 프로세서(1020)에서 실행됨에 따라 앞서 언급된 동작들을 수행할 수 있다. 메모리(1010)는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리일 수 있다.The memory 1010 may include instructions that can be read by a computer. The processor 1020 may perform the aforementioned operations as an instruction stored in the memory 1010 is executed in the processor 1020. The memory 1010 may be a volatile memory or a nonvolatile memory.

프로세서(1020)는 명령어들, 혹은 프로그램들을 실행하거나, 번호판 인식 장치(1200)를 제어하는 장치일 수 있다. 프로세서(1020)는 상술된 동작들을 처리할 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 생략한다.The processor 1020 may be a device that executes instructions or programs or controls the license plate recognition apparatus 1200. The processor 1020 may process the above-described operations, and thus a detailed description thereof will be omitted.

이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The embodiments described above may be implemented as hardware components, software components, and / or combinations of hardware components and software components. For example, the devices, methods, and components described in the embodiments may include, for example, processors, controllers, arithmetic logic units (ALUs), digital signal processors, microcomputers, field programmable gates (FPGAs). It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as an array, a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software. For convenience of explanation, one processing device may be described as being used, but one of ordinary skill in the art will appreciate that the processing device includes a plurality of processing elements and / or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it may include. For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. In addition, other processing configurations are possible, such as parallel processors.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 머신, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the above, and may configure the processing device to operate as desired, or process independently or collectively. You can command the device. Software and / or data may be any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device in order to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. Or may be embodied permanently or temporarily in a signal wave to be transmitted. The software may be distributed over networked computer systems so that they may be stored or executed in a distributed manner. The software and data may be stored on one or more computer readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 머신어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to the embodiment may be embodied in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded in a computer readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the embodiments, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks, such as floppy disks. Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art may apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques may be performed in a different order than the described method, and / or components of the described systems, structures, devices, circuits, etc. may be combined or combined in a different form than the described method, or other components. Or, even if replaced or substituted by equivalents, an appropriate result can be achieved.

Claims (5)

사용자의 의족 또는 다리에 부착된 센서를 통해, 상기 사용자의 슬관절의 각도 값을 획득하는 단계;
상기 슬관절의 각도 값에 기초하여 상기 슬관절에 대한 극점 변화 패턴을 결정하는 단계; 및
상기 극점 변화 패턴 및 상태 머신을 이용하여, 상기 사용자의 보행 단계를 추정하는 단계
를 포함하고,
상기 사용자의 보행 단계를 추정하는 단계는
한 보행에서 4개의 극점이 존재하는 특성;
상기 극점 변화 패턴이 주기성을 가지는 특성; 및
상기 보행 단계의 현재 단계가 이전 단계 및 이후 단계 중 적어도 하나의 단계와 연관성을 가지는 특성
중 적어도 하나의 특성에 기반하여, 상기 사용자의 보행 단계를 추정하는 보행 상태 추정 방법.
Obtaining an angle value of the knee joint of the user through a sensor attached to the foot or leg of the user;
Determining a pole change pattern for the knee joint based on the angle value of the knee joint; And
Estimating the walking step of the user using the pole change pattern and the state machine
Including,
Estimating the walking step of the user
The presence of four poles in one walk;
A characteristic in which the pole change pattern has periodicity; And
A characteristic in which the current step of the walking step is associated with at least one of a previous step and a subsequent step
A walk state estimation method for estimating a walking step of the user based on at least one of the characteristics.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 보행 단계는 상기 극점 변화 패턴에 포함된 최대 굴곡과 최대 신전에 기반하여 구분되는, 보행 상태 추정 방법.
The method of claim 1,
The gait step is divided based on the maximum bending and the maximum extension included in the pole change pattern, walking state estimation method.
제1항에 있어서,
상기 보행 단계에 기초하여 상기 사용자의 보행 환경을 추정하는 단계
를 더 포함하는, 보행 상태 추정 방법.
The method of claim 1,
Estimating a walking environment of the user based on the walking step
Further comprising a walking state estimation method.
제4항에 있어서,
상기 보행 환경을 추정하는 단계는
상기 추정된 보행 단계에서 발생된 극점의 특징에 기반하여, 상기 보행 환경을 평지, 경사로 상행 및 경사로 하행 중 어느 하나로 추정하는, 보행 상태 추정 방법.
The method of claim 4, wherein
Estimating the walking environment
Based on the characteristics of the pole generated in the estimated walking step, the walking condition estimation method for estimating the walking environment to any one of flat, ramp up and ramp down.
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