KR102094852B1 - 토크 설정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

보행 보조 장치의 토크를 설정하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 토크를 설정하기 위해 보행 보조 장치의 회전 각도 및 회전 각속도가 측정된다. 설정되는 토크의 크기는 보행 보조 장치의 회전 각도 및 회전 각속도에 기반하여 계산될 수 있다.

Description

토크 설정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SETTING TORQUE}
아래의 실시예들은 토크를 설정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보행 보조 장치의 회전 각도 및 회전 각속도에 기반하여 토크를 설정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
로봇 기술이 발달함에 따라 기계적 도움을 통해 인간의 능력을 증강시키는 연구가 다양하게 수행되고 있다. 인간의 능력을 증강시키는 기술 중 근력을 강화시키는 연구가 많은 관심을 받고 있다. 일상 생활에서 근력을 필요로 하는 작업을 하는 사람들은 이러한 기술에 대한 기대를 가지고 있다. 근력 증강을 위한 목적 이외에도, 사람의 보행을 보조하기 위한 연구가 수행되고 있다. 하체 장애인들에게는 단순하게 육체적 치료를 받는 것 이상으로, 장비를 통해 보행 기능의 도움을 받을 수 있다는 것이 중요할 수 있다.
일 측면에 따른, 토크 설정 방법은 보행 보조 장치의 회전 각도를 측정하는 단계, 상기 보행 보조 장치의 회전 각속도를 측정하는 단계, 상기 회전 각도 및 상기 회전 각속도에 기반하여 토크를 계산하는 단계 및 상기 토크를 상기 보행 보조 장치에 설정하는 단계를 포함한다.
상기 회전 각도 및 회전 각속도는 하나 이상의 포텐셔미터(potentiometer)들에 의해 측정될 수 있다.
상기 회전 각도 및 상기 회전 각속도에 기반하여 상기 토크를 계산하는 단계는 상기 회전 각도에 대응하는 제1 값을 계산하는 단계, 상기 회전 각속도에 대응하는 제2 값을 계산하는 단계 및 상기 제1 값 및 상기 제2 값에 기반하여 상기 토크를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 값을 계산하는 단계는 미리 저장된 제1 함수를 이용하여 상기 회전 각도에 대응하는 상기 제1 값을 계산할 수 있다.
상기 제2 값을 계산하는 단계는 미리 저장된 제2 함수를 이용하여 상기 회전 각속도에 대응하는 상기 제2 값을 계산할 수 있다.
상기 제1 함수는 정규 분포(normal distribution)의 형태이고, 상기 제2 함수는 sigmoid 형태일 수 있다.
상기 회전 각도는 상기 보행 보조 장치를 착용한 사용자의 중심 축을 기준으로 상기 사용자의 다리가 회전한 각도일 수 있다.
상기 회전 각속도는 상기 회전 각도가 시간에 따라 변화하는 속도일 수 있다.
상기 토크 설정 방법은 트리거 신호(trigger signal)를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 토크를 설정하는 단계는 상기 트리거 신호가 수신된 경우에 수행될 수 있다.
상기 토크 설정 방법은 상기 트리거 신호를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 트리거 신호를 생성하는 단계는, 상기 회전 각도를 발생시키는 사용자의 제1 다리와 반대편 다리인 제2 다리가 지면에 닫는 경우 상기 트리거 신호를 생성할 수 있다.
상기 트리거 신호를 생성하는 단계는 상기 제2 다리의 발바닥에 위치한 압력 센서를 이용하여 상기 트리거 신호를 생성할 수 있다.
상기 토크를 계산하는 단계는 상기 보행 보조 장치에 설정된 제1 토크, 상기 회전 각도 및 상기 회전 각속도에 기반하여 제2 토크를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 토크를 상기 보행 보조 장치에 설정하는 단계는 상기 제2 토크를 상기 장치에 설정할 수 있다.
다른 일 측면에 따른, 토크 설정 장치는 보행 보조 장치의 회전 각도 및 회전 각속도를 측정하는 하나 이상의 센서들 및 상기 회전 각도 및 상기 회전 각속도에 기반하여 상기 보행 보조 장치에 설정할 토크를 계산하고, 상기 토크를 상기 보행 보조 장치에 설정하는 처리부를 포함한다.
상기 하나 이상의 센서들은 하나 이상의 포텐셔미터(potentiometer)들일 수 있다.
상치 처리부는 상기 회전 각도에 대응하는 제1 값을 계산하고, 상기 회전 각속도에 대응하는 제2 값을 계산하고, 상기 제1 값 및 상기 제2 값에 기반하여 상기 토크를 계산할 수 있다.
상기 처리부는 미리 저장된 제1 함수를 이용하여 상기 회전 각도에 대응하는 상기 제1 값을 계산하고, 미리 저장된 제2 함수를 이용하여 상기 회전 각속도에 대응하는 상기 제2 값을 계산할 수 있다.
상기 제1 함수는 정규 분포(normal distribution)의 형태이고, 상기 제2 함수는 sigmoid 형태일 수 있다.
상기 회전 각도는 상기 보행 보조 장치를 착용한 사용자의 중심 축을 기준으로 상기 사용자의 다리가 회전한 각도일 수 있다.
상기 토크 설정 장치는 트리거 신호(trigger signal)를 수신하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
상기 처리부는 상기 트리거 신호가 수신된 경우 상기 토크를 상기 보행 보조 장치에 설정할 수 있다.
상기 토크 설정 장치는 상기 트리거 신호를 생성하는 압력 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 압력 센서는 상기 회전 각도를 발생시키는 사용자의 제1 다리와 반대편 다리인 제2 다리가 지면에 닫는 경우 상기 트리거 신호를 생성할 수 있다.
상기 압력 센서는 상기 제2 다리의 발바닥에 위치한 압력 센서를 이용하여 상기 트리거 신호를 생성할 수 있다.
상기 처리부는 상기 장치에 설정된 제1 토크, 상기 회전 각도 및 상기 회전 각속도에 기반하여 제2 토크를 계산하고, 상기 제2 토크를 상기 장치에 설정할 수 있다.
도 1은 일 예에 따른 보행 보조 장치의 측면을 도시한다.
도 2는 일 예에 따른 보행 보조 장치를 도시한다.
도 3은 일 예에 따른 근육의 길이 및 생성되는 힘 간의 관계를 도시한다.
도 4는 일 예에 따른 근육의 수축 속도 및 생성되는 힘 간의 관계를 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 제어부의 구성도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 토크 설정 방법의 흐름도이다.
도 7은 일 예에 따른 토크를 계산하는 방법의 흐름도이다.
도 8은 일 예에 따른 회전 각도에 대응하는 제1 값을 나타내는 함수를 도시한다.
도 9는 일 예에 따른 회전 각속도에 대응하는 제2 값을 나타내는 함수를 도시한다.
도 10은 일 예에 따른 트리거 신호를 생성하고, 전송 및 수신하는 방법의 흐름도이다.
도 11은 일 예에 따른 압력 센서를 도시한다.
도 12는 일 예에 따른 토크를 계산하는 폐쇄 루프를 도시한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일 예에 따른 보행 보조 장치의 측면을 도시한다.
도 1을 참조하면, 보행 보조 장치(100)는 사용자에게 장착되어 사용자의 보행을 보조한다. 보행 보조 장치(100)는 웨어러블 장치(wearable device)일 수 있다.
도 1은 힙 타입(hip-type)의 보행 보조 장치를 도시하고 있으나, 보행 보조 장치의 타입은 힙 타입에 제한되는 것은 아니며, 보행 보조 장치는 하지 전체를 지원하는 형태 또는 하지 일부를 지원하는 타입일 수 있다. 그리고, 보행 보조 장치는 하지 일부를 지원하는 형태, 무릎까지 지원하는 형태, 발목까지 지원하는 형태 및 전신을 지원하는 형태 중 어느 하나일 수 있다.
도 1 이하를 참조하는 설명은 힙 타입에 대해 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것이 아니며 사용자의 보행을 보조하는 장치에 대해서 모두 적용될 수 있다.
일 측면에 따르면, 보행 보조 장치(100)는 구동기(110), 센서부(120), 관성 (Inertial Measurement Unit; IMU) 센서(130) 및 제어기(140)를 포함한다.
구동기(110)는 사용자의 양쪽 힙 관절을 구동시키고, 사용자의 오른쪽 및 왼쪽 힙 부분에 위치할 수 있다. 예를 들어, 구동기(110)는 회전 토크를 발생시킬 수 있는 모터를 포함할 수 있다.
센서부(120)는 보행 시 사용자의 양쪽 힙 관절 각도 정보를 측정한다. 센서부(120)에서 센싱되는 양쪽 힙 관절 각도 정보는 양쪽 힙 관절의 각도, 양쪽 힙 관절 각도의 차이 및 양쪽 힙 관절 운동 방향 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서부(120)는 구동기(110) 내에 위치할 수 있다.
일 측면에 따르면, 센서부(120)는 하나 이상의 포텐셔미터(potentiometer)들을 포함할 수 있다. 포텐셔미터는 사용자의 보행 동작에 따른 R축, L축 관절 각도 또는 R축, L축 관절 각속도 중 적어도 하나를 센싱할 수 있다.
관성 센서(130)는 사용자가 보행 시 가속도 정보와 자세 정보를 측정한다. 예를 들어, 관성 센서(130)는 사용자의 보행 동작에 따른 X축, Y축, Z축 가속도 또는 X축, Y축, Z축 각속도 중 적어도 하나를 센싱할 수 있다. 보행 보조 장치(100)는 관성 센서(130)에서 측정된 가속도 정보에 기반하여 사용자 발의 착지 시점을 검출할 수 있다.
압력 센서(도시되지 않음)는 사용자의 발바닥에 위치하여 사용자의 발의 착지 시점을 검출할 수 있다. 압력 센서에 대해서는 아래 도 11을 참조하여 상세히 설명한다.
보행 보조 장치(100)는 앞서 설명한 센서부(120) 및 관성 센서(130) 이외에, 보행 동작에 따른 사용자의 운동량 또는 생체 신호 등의 변화를 센싱할 수 있는 다른 센서(예를 들어, 근전도 센서(ElectroMyoGram sensor: EMG sensor)를 포함할 수 있다.
제어기(140)는 구동기(110)가 사용자의 보행을 돕기 위한 토크(또는, 보조력)을 출력하도록, 구동기(110)를 제어한다. 예를 들어, 힙 타입의 보행 보조 장치(110)에서, 구동기(110)는 두 개(왼쪽 힙 및 오른쪽 힙)일 수 있고, 제어기(140)는 토크가 발생하도록 구동기를 제어하는 제어 신호를 출력할 수 있다.
구동기(110)는 제어기(140)가 출력한 제어 신호에 기반하여, 토크를 발생시킬 수 있다.
토크는 외부에 의해 설정될 수도 있고, 제어기(140)에 의해 설정될 수도 있다.
도 2는 일 예에 따른 보행 보조 장치를 도시한다.
일 측면에 따르면, 보행 보조 장치(100)는 오른쪽 다리를 위한 구동부(110) 및 왼쪽 다리를 위한 구동부(110)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제어부(140)는 양쪽의 어느 하나의 구동부(110)를 제어하도록 설계될 수 있다. 제어부(140)가 어느 하나의 구동부(110)만을 제어하는 경우, 제어부(140)는 복수 개일 수 있다.
다른 예로, 제어부(140)는 양쪽의 구동부(110)들을 모두 제어하도록 설계될 수 있다.
도 2는 일 예에 따른 보행 보조 장치(100)의 정면을 도시하는 것으로 설명하였으나, 설계에 따라 도 2의 보행 보조 장치(100)의 후면을 도시하는 것으로 이해될 수도 있다.
일 측면에 따르면, 보행 보조 장치(100)의 동작 상태에 따라 구동부(110)에 미리 설정된 토크 신호가 설정될 수 있다. 구동부(110)는 설정된 토크 신호에 따라 토크를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 보행 보조 장치(100)가 동작하는 보행 주파수에 따라 토크 신호가 구동부(110)에 설정될 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 보행 보조 장치(100)는 보행 보조 장치(100)가 동작한 결과를 참조하여 토크 신호를 조정할 수 있다. 다시 말하자면, 동작 결과가 피드백될 수 있다.
예를 들어, 보행 보조 장치(100)는 양의 피드백(positive feedback)을 이용하여 토크 신호를 계산할 수 있다. 보행 보조 장치(100)는 토크 신호를 계산하기 위해 폐쇄 루프(closed loop)를 구성할 수 있다.
하기의 도 3 및 도 4는 일반적으로 알려진 근육의 생물학적 모델을 도시한다.
의학 공학에서 연구된 힐 타입(hill type) 근육 모델은 두 가지 특징이 있다.
하나는 근육에 자극 신호를 입력하면, 입력된 자극 신호가 근육이 생성하는 힘에 비례하여 증폭되는 현상을 보인다(양의 피드백).
다른 하나는 자극 신호에 의해 증폭되는 근력(힘)은 근육의 길이 및 근육의 수축 속도에 의해 일정한 관계식을 가지는 것이다.
도 3은 일 예에 따른 근육 길이 및 생성되는 힘 간의 관계를 도시한다.
도 3의 그래프는 근육이 가장 많이 수축하였을 경우 및 근육이 가장 늘어났을 경우에는 많은 힘을 가지지 못함을 나타낸다. 도 3의 그래프는 근육이 적당한 길이인 경우 근육이 가장 강한 힘을 가질 수 있음을 나타낸다.
그리고, 도 4는 일 예에 따른 근육의 수축 속도 및 생성되는 힘 간의 관계를 도시한다.
도 4의 그래프는 근육의 길이가 변화하는 속도에 따라 생성되는 힘을 나타낸다. 그래프에 따르면, 변화의 속도가 빠를수록 큰 힘을 생성하는 것을 알 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 제어부의 구성도이다.
제어부(500)는 전술된 제어부(140)에 대응할 수 있다. 제어부(500)는 토크 설정 장치로서 이해될 수 있다. 즉, 보행 보조 장치(100)는 토크 설정 장치로서 제어부(500)를 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 제어부(500)는 통신부(510), 처리부(520), 제1 센서부(530), 제2 센서부(540) 및 저장부(540)를 포함한다.
통신부(510)는 제어부(500)와 연결된 보행 보조 장치(100)의 다른 구성 요소들과 데이터를 교환할 수 있다. 예를 들어, 처리부(520)는 통신부(510)를 통해 신호를 구동부(110)로 전달할 수 있다.
제1 센서부(530)는 보행 보조 장치(100)의 회전 각도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 보행 보조 장치(100)의 회전 각도는 구동부(110)가 회전된 각도일 수 있다.
제2 센서부(540)는 보행 보조 장치(100)의 보행 보조 장치(100)의 회전 각속도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 보행 보조 장치(100)의 회전 각속도는 구동부(100)가 회전하는 각속도일 수 있다.
일 측면에 따르면, 제1 센서부(530) 및 제2 센서부(540)는 개별적인 센서들일 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 제1 센서부(530) 및 제2 센서부(540)는 하나의 센서(예를 들어, 센서부(120))에 포함될 수 있다. 하나의 센서가 제1 센서부(530) 및 제2 센서부(540)를 포함하는 경우, 하기의 제1 센서부(530) 및 제2 센서부(540)에 대한 설명은 하나의 센서에 대한 설명으로 이해될 수 있다.
저장부(550)는 토크를 계산하는 프로파일을 저장할 수 있다. 예를 들어, 측정된 회전 각도에 대응하는 제1 값을 계산하는 함수 및 측정된 회전 각속도에 대응하는 제2 값을 계산하는 함수를 저장할 수 있다.
처리부(520)는 통신부(510), 제1 센서부(530), 제2 센서부(540) 또는 저장부(550)가 제공하는 데이터를 처리할 수 있다. 처리부(520)는 제공된 데이터를 처리함으로써 토크를 발생시키는 신호(또는, 토크 신호)를 생성할 수 있다.
통신부(510), 처리부(520), 제1 센서부(530), 제2 센서부(540) 및 저장부(540)에 대해, 하기에서 도 6 내지 도 12를 참조하여 상세히 설명된다.
도 6은 일 실시예에 따른 토크 설정 방법의 흐름도이다.
일 측면에 따르면, 하기의 단계들(610 내지 640)을 참조하여 토크 신호가 생성되는 방법이 설명된다. 생성된 토크 신호가 구동부(110)에 설정됨으로써 보행 보조 장치(100)(이하, 보행 보조 장치(100)는 장치(100)으로 약술된다)가 동작할 수 있다.
단계(610)에서, 제1 센서부(530)는 장치(100)의 회전 각도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 제1 센서부(530)는 장치(100)의 구동부(110)의 회전 각도를 측정할 수 있다.
회전 각도는 장치(100)를 착용한 사용자의 중심 축을 기준으로 구동부(110)가 착용된 사용자의 다리가 회전한 각도일 수 있다. 사용자의 중심 축은 지표면과 수직할 수 있다.
일 측면에 따르면, 제어부(500)가 한쪽 다리에 위치한 구동부(110)만을 제어하는 경우, 제1 센서부(530)는 한쪽 다리에 부착된 구동부(110)의 회전 각도를 측정할 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 제어부(500)가 양쪽 다리에 위치한 두 개의 구동부(110)들을 모두 제어하는 경우, 제1 센서부(530)는 각각의 구동부(110)의 회전 각도를 측정할 수 있다.
단계(620)에서, 제2 센서부(540)는 장치(100)의 회전 각속도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 제2 센서부(540)는 장치(100)의 구동부(110)의 회전 각속도를 측정할 수 있다.
회전 각속도는 회전 각도가 시간에 따라 변화하는 속도일 수 있다.
일 측면에 따르면, 단계(610) 및 단계(620)는 병렬적으로 수행될 수 있다.
단계(630)에서, 처리부(520)는 회전 각도 및 회전 각속도에 기반하여 토크를 계산할 수 있다.
토크를 계산하는 방법에 대해, 하기에서 도 7 내지 도 9를 참조하여 상세히 설명된다.
단계(640)에서, 처리부(520)는 계산된 토크를 구동부(110)에 설정할 수 있다. 예를 들어, 처리부(520)는 계산된 토크를 나타내는 토크 신호를 구동부(110)에 설정할 수 있다.
단계(640)가 수행된 후, 단계(610) 및 단계(620)가 다시 수행될 수 있다.
일 측면에 따르면, 단계(630)가 재수행될 때, 이전 루프에서 설정된 토크가 참조되어 토크가 계산될 수 있다. 현재의 토크를 계산하기 위해 이전 루프에서 설정된 토크가 양의 피드백의 형태로 고려될 수 있다.
양의 피드백을 이용한 토크 계산 방법에 대해, 하기에서 도 12를 참조하여 상세히 설명된다.
도 7은 일 예에 따른 토크를 계산하는 방법의 흐름도이다.
전술된 단계(630)는 하기의 단계들(710 및 730)을 포함할 수 있다.
단계(710)에서, 처리부(520)는 회전 각도에 대응하는 제1 값을 계산할 수 있다.
일 측면에 따르면, 처리부(520)는 저장부(550)에 미리 저장된 제1 함수를 이용하여 회전 각도에 대응하는 제1 값을 계산할 수 있다. 제1 함수에 대해, 하기에서 도 8을 참조하여 상세히 설명된다.
단계(720)에서, 처리부(520)는 회전 각속도에 대응하는 제2 값을 계산할 수 있다.
일 측면에 따르면, 처리부(520)는 저장부(550)에 미리 저장된 제2 함수를 이용하여 회전 각속도에 대응하는 제2 값을 계산할 수 있다. 제2 함수에 대해, 하기에서 도 9를 참조하여 상세히 설명된다.
단계(730)에서, 처리부(520)는 제1 값 및 제2 값에 기반하여 토크를 계산할 수 있다.
예를 들어, 처리부(520)는 제1 값 및 제2 값을 곱한 값에 기반하여 토크를 계산할 수 있다.
도 8은 일 예에 따른 회전 각도에 대응하는 제1 값을 나타내는 함수를 도시한다.
도 8 에서, θ는 회전 각도를 의미하고, Cf(θ)는 제1 값을 의미할 수 있다.
θmin은 회전 각도의 최소 값을 의미하고, θmax는 회전 각도의 최대 값을 의미할 수 있다.
θ의 값이 0 내지 θmin를 나타내는 구간은 구동기(110)가 부착된 다리가 상체를 기준으로, 뒤에 위치하고 있는 경우를 나타낼 수 있다. θ의 값이 0 내지 θmax를 나타내는 구간은 구동기(110)가 부착된 다리가 상체를 기준으로, 앞에 위치하고 있는 경우를 나타낼 수 있다. θ의 값이 0인 경우, 다리가 상체와 일직선을 이루는 상태일 수 있다.
θmin 내지 θmax의 구간은 보행을 위한 다리의 스윙(swing) 구간일 수 있다. 회전 각도가 θmin 에서 θmax으로 변화하는 경우에는 구동기(110)가 부착된 제1 다리가 보행을 위해 걸음을 내딛는 상태일 수 있다. 반대로, 회전 각도가 θmax 에서 θmin으로 변화하는 경우에는 제2 다리가 스윙을 하는 상태이며, 제1 다리는 몸을 지지하고 있는 상태일 수 있다.
처리부(520)는 측정된 회전 각도에 대응하는 제1 값을 제1 함수를 이용하여 계산할 수 있다. 예를 들어, 제1 값은 a 내지 b의 범위 내의 값일 수 있다. a 및 b는 미리 정해진 값일 수 있다.
제1 함수에 따르면, 회전 각도가 0인 경우 가장 큰 제1 값이 계산될 수 있고, θmin 및 θmax에서 가장 작은 제1 값이 계산될 수 있다.
일 측면에 따르면, 제1 함수는 정규 분포(normal distribution)의 형태일 수 있다. 이러한 제1 함수의 특징은 실제의 근육이 근육의 길이에 따라 발휘하는 근력과 유사한 관계를 나타낼 수 있다.
도 9는 일 예에 따른 회전 각속도에 대응하는 제2 값을 나타내는 함수를 도시한다.
도 9 에서,
Figure 112015075563972-pat00001
는 회전 각속도를 의미하고,
Figure 112015075563972-pat00002
는 제2 값을 의미할 수 있다. 제2 값은 c 내지 d의 범위 내의 값일 수 있다. c 및 d는 미리 정해진 값일 수 있다.
Figure 112015075563972-pat00003
min은 회전 각속도의 최소 값을 의미하고,
Figure 112015075563972-pat00004
max는 회전 각속도의 최대 값을 의미할 수 있다.
Figure 112015075563972-pat00005
의 큰 값을 나타내는 것은 회전 각속도가 빠른 것을 의미하고,
Figure 112015075563972-pat00006
가 작은 값을 나타내는 것은 회전 각속도가 느린 것을 의미할 수 있다.
예를 들어, 구동부(110)가 부착된 제1 다리가 빠르게 움직이는 경우에는
Figure 112015075563972-pat00007
가 큰 값을 가지고, 제1 다리가 천천히 움직이는 경우에는
Figure 112015075563972-pat00008
가 작은 값을 가질 수 있다.
제2 함수에 따르면,
Figure 112015075563972-pat00009
가 커질수록 제2 값이 커지다가
Figure 112015075563972-pat00010
가 어느 이상 구간이 되면, 일정한 제2 값을 가지는 것을 알 수 있다. 제2 함수는 sigmoid 형태일 수 있다.
이러한 제2 함수의 특징은 실제의 근육이 근육 신장 속도에 따라 발휘하는 근력과 유사한 관계를 나타낼 수 있다.
토크를 계산함에 있어서 제1 함수 및 제2 함수를 이용하면, 근육의 길이의 변화 및 실제 근육의 선속도를 구동부(또는 모터)의 회전 각도 및 회전 각속도로 모사할 수 있다. 즉, 구동부(110)에 의해 사람의 관절에 회전형 근육이 장착된 것처럼 표현될 수 있다.
도 10은 일 예에 따른 트리거 신호를 생성하고, 전송 및 수신하는 방법의 흐름도이다.
일 측면에 따르면, 구동부(110)에 토크 신호가 항상 설정되지 않을 수 있다. 예를 들어, 구동부(110)는 다리가 스윙을 하는 경우에만 보조력을 제공할 수 있다. 즉, 구동부(110)는 다리가 스윙을 하지 않고, 몸을 지지하고 있는 경우에는 구동부(110)의 회전 각도에 따른 보조력을 제공하지 않을 수 있다.
다리가 몸을 지지하고 있는 경우에는 구동부(110)는 미리 설정된 토크를 제공할 수 있다.
일 측면에 따르면, 구동부(110)에 전달되는 토크 신호는 트리거 신호(trigger signal)가 수신되는 경우에만 생성될 수 있다.
하기의 단계들(1010 내지 1020)은 전술된 단계들(610 내지 640)과 병렬적으로 수행될 수 있다.
제어부(500)는 압력 센서를 더 포함할 수 있다. 압력 센서는 사용자의 발바닥의 주변에 위치할 수 있다. 압력 센서는 발바닥에 가해지는 압력을 측정할 수 있다. 압력 센서의 위치에 대해, 하기에서 도 11을 참조하여 상세히 설명된다.
단계(1010)에서, 압력 센서는 트리거 신호를 생성할 수 있다.
일 측면에 따르면, 압력 센서는 측정된 압력이 미리 설정된 임계치를 초과하는 경우 트리거 신호를 생성할 수 있다.
트리거 신호는 회전 각도를 발생시키는 사용자의 제1 다리와 반대편 다리인 제2 다리가 지면에 닫는 경우에 생성될 수 있다. 즉, 내딛는 다리(제1 다리)의 스윙이 완료된 경우, 몸을 지지하는 다리(제2 다리)의 스윙을 위하여 트리거 신호가 생성될 수 있다.
단계(1020)에서, 압력 센서는 트리거 신호를 통신부(510)로 전송할 수 있다. 통신부(510)는 압력 센서로부터 트리거 신호를 수신할 수 있다.
일 측면에 따르면, 압력 센서 및 통신부(510)는 유선 또는 무선으로 트리거 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 압력 센서 및 통신부(510)는 무선 통신을 위해 블루투스(Bluetooth)를 이용할 수 있다.
트리거 신호가 수신된 경우, 전술된 단계(640)가 수행될 수 있다.
단계(640)는 트리거 신호가 수신되었는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
단계(640)에서, 처리부(520)는 트리거 신호가 수신된 경우 토크 신호를 구동부(110)에 설정할 수 있다.
도 11은 일 예에 따른 압력 센서를 도시한다.
압력 센서는 사용자의 발바닥 부근에 위치할 수 있다. 예를 들어, 압력 센서는 발바닥의 아래에 위치할 수 있다. 다른 예로, 압력 센서는 사용자의 신발에 부착되어 발바닥에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 압력 센서는 복수 개일 수 있다. 복수 개의 압력 센서들(1110 내지 1130)은 발바닥의 각 부위에 가해지는 압력을 측정할 수 있다. 예를 들어, 발바닥의 뒤꿈치에 위치한 압력 센서(1130)가 측정한 압력이 임계치를 초과하는 경우, 트리거 신호가 생성될 수 있다.
도 12는 일 예에 따른 토크를 계산하는 폐쇄 루프를 도시한다.
도신된 폐쇄 루프는 양의 피드백을 형성할 수 있다.
토크는 하기의 [수학식 1]을 이용하여 계산될 수 있다.
Figure 112015075563972-pat00011
T는 토크, Km은 시스템에 설정된 이득, Cf(θ)는 제1 값,
Figure 112015075563972-pat00012
는 제2 값, S는 가진 신호(having signal)를 나타낸다.
가진 신호 S는 하기의 [수학식 2]를 이용하여 계산될 수 있다.
Figure 112015075563972-pat00013
Sini는 초기 가진 신호, Ks는 미리 설정된 이득일 수 있다. Ks는 시스템에 따라 조정될 수 있다.
초기 가진 신호 Sini는 트리거 신호가 수신된 경우 입력될 수 있다.
도 12의 피드백에 의한 토크는 실제의 근육처럼 구동기(110)가 동작하도록 하게 할 수 있다. 양의 피드백을 이용하여 토크를 계산하는 방법을 이용하면, 사용자의 착용감이 개선될 수 있다.
전술된 단계(630)에서, 처리부(520)는 장치에 설정된 제1 토크, 회전 각도 및 회전 각속도에 기반하여 제2 토크를 계산할 수 있다.
제1 토크는 이전 루프를 통해 계산되어 구동부(110)에 설정된 토크이고, 제2 토크는 설정될 현재의 토크일 수 있다.
단계(640)에서, 처리부(520)는 제2 토크에 대한 토크 신호를 구동부(110)에 설정할 수 있다.
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 기계어 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.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 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.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
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 기계어 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.
　이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 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.
100: 보행 보조 장치
500: 제어부
510: 통신부
520: 처리부
530: 제1 센서부
540: 제2 센서부
550: 저장부

Claims (20)

  1. 보행 보조 장치의 회전 각도를 측정하는 단계;
    상기 보행 보조 장치의 회전 각속도를 측정하는 단계;
    정규 분포(normal distribution)의 형태인 제1 함수에 상기 회전 각도를 적용하고, sigmoid 형태인 제2 함수에 상기 회전 각속도를 적용함으로써 토크를 계산하는 단계; 및
    상기 토크를 상기 보행 보조 장치에 설정하는 단계
    를 포함하는
    토크 설정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전 각도 및 회전 각속도는 하나 이상의 포텐셔미터(potentiometer)들에 의해 측정되는,
    토크 설정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전 각도 및 상기 회전 각속도에 기반하여 상기 토크를 계산하는 단계는,
    상기 회전 각도에 대응하는 제1 값을 계산하는 단계;
    상기 회전 각속도에 대응하는 제2 값을 계산하는 단계; 및
    상기 제1 값 및 상기 제2 값에 기반하여 상기 토크를 계산하는 단계
    를 포함하는,
    토크 설정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 값을 계산하는 단계는 미리 저장된 상기 제1 함수를 이용하여 상기 회전 각도에 대응하는 상기 제1 값을 계산하고,
    상기 제2 값을 계산하는 단계는 미리 저장된 상기 제2 함수를 이용하여 상기 회전 각속도에 대응하는 상기 제2 값을 계산하는,
    토크 설정 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 회전 각도는 상기 보행 보조 장치를 착용한 사용자의 중심 축을 기준으로 상기 사용자의 다리가 회전한 각도인,
    토크 설정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회전 각속도는 상기 회전 각도가 시간에 따라 변화하는 속도인,
    토크 설정 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    트리거 신호(trigger signal)를 수신하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 토크를 설정하는 단계는 상기 트리거 신호가 수신된 경우에 수행되는,
    토크 설정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 트리거 신호를 생성하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 트리거 신호를 생성하는 단계는, 상기 회전 각도를 발생시키는 사용자의 제1 다리와 반대편 다리인 제2 다리가 지면에 닫는 경우 상기 트리거 신호를 생성하는,
    토크 설정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 트리거 신호를 생성하는 단계는 상기 제2 다리의 발바닥에 위치한 압력 센서를 이용하여 상기 트리거 신호를 생성하는,
    토크 설정 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 토크를 계산하는 단계는,
    이전의 반복과 연관된 상기 토크의 설정, 상기 회전 각도 및 상기 회전 각속도에 기반하여 현재의 반복과 연관된 토크 설정을 계산하는 단계
    를 포함하고,
    상기 토크를 상기 보행 보조 장치에 설정하는 단계는,
    상기 현재의 반복과 연관된 토크 설정을 상기 보행 보조 장치에 설정하는 단계
    를 포함하는,
    토크 설정 방법.
  12. 보행 보조 장치의 회전 각도 및 회전 각속도를 측정하는 하나 이상의 센서들; 및
    정규 분포(normal distribution)의 형태인 제1 함수에 상기 회전 각도를 적용하고, sigmoid 형태인 제2 함수에 상기 회전 각속도를 적용함으로써 상기 보행 보조 장치에 설정할 토크를 계산하고, 상기 토크를 상기 보행 보조 장치에 설정하는 처리부
    를 포함하는,
    토크 설정 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상치 처리부는 상기 회전 각도에 대응하는 제1 값을 계산하고, 상기 회전 각속도에 대응하는 제2 값을 계산하고, 상기 제1 값 및 상기 제2 값에 기반하여 상기 토크를 계산하는,
    토크 설정 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 처리부는 미리 저장된 제1 함수를 이용하여 상기 회전 각도에 대응하는 상기 제1 값을 계산하고, 미리 저장된 제2 함수를 이용하여 상기 회전 각속도에 대응하는 상기 제2 값을 계산하는,
    토크 설정 장치.
  15. 삭제
  16. 제12항에 있어서,
    상기 회전 각도는 상기 보행 보조 장치를 착용한 사용자의 중심 축을 기준으로 상기 사용자의 다리가 회전한 각도인,
    토크 설정 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    트리거 신호(trigger signal)를 수신하는 통신부
    를 더 포함하고,
    상기 처리부는 상기 트리거 신호가 수신된 경우 상기 토크를 상기 보행 보조 장치에 설정하는,
    토크 설정 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 트리거 신호를 생성하는 압력 센서
    를 더 포함하고,
    상기 압력 센서는 상기 회전 각도를 발생시키는 사용자의 제1 다리와 반대편 다리인 제2 다리가 지면에 닫는 경우 상기 트리거 신호를 생성하는,
    토크 설정 장치
  19. 제18항에 있어서,
    상기 압력 센서는 상기 제2 다리의 발바닥에 위치한 압력 센서를 이용하여 상기 트리거 신호를 생성하는,
    토크 설정 장치.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 처리부는 이전의 반복과 연관된 상기 토크의 설정, 상기 회전 각도 및 상기 회전 각속도에 기반하여 현재의 반복과 연관된토크 설정을 계산하고, 상기 현재의 반복과 연관된 토크 설정을 상기 보행 보조 장치에 설정하는,
    토크 설정 장치.
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