KR102157526B1

KR102157526B1 - 운동 보조 장치

Info

Publication number: KR102157526B1
Application number: KR1020190028891A
Authority: KR
Inventors: 김홍철; 김병운; 이상훈; 신영준; 이병주; 유재관; 차원준
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2020-09-21

Abstract

일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 사용자의 근위 부분을 지지하는 근위 지지부; 상기 근위 지지부에 대해 회전 가능하게 연결되는 허벅지 프레임; 상기 근위 지지부에 대해 상기 허벅지 프레임을 회전시키는 동력을 생성하는 고관절 액츄에이터; 상기 허벅지 프레임에 연결되고, 상기 사용자의 허벅지를 지지하는 허벅지 착용부; 및 상기 허벅지 착용부의 둘레 방향을 따라 이격 배치되고, 상기 사용자의 허벅지와 상기 허벅지 착용부 사이에 작용하는 압력을 측정 가능한 복수 개의 근경도 센서를 포함할 수 있다.

Description

운동 보조 장치{MOTION ASSIST APPARATUS}

아래의 설명은 운동 보조 장치에 관한 것이다.

고령화 사회가 심화됨에 따라 관절 문제로 고통과 불편을 호소하는 사람들이 증가하고 있으며, 관절이 불편한 노인이나 환자들의 보행을 보조하는 운동 보조 장치에 대한 관심이 높아지고 있다.

운동 보조 장치란 사용자의 신체에 장착되어 사용자의 팔 및/또는 다리의 근력을 증폭시켜 사용자의 물리적인 능력을 증대시키는 장치를 의미한다. 운동 보조 장치를 이용하여 다양한 환경에서 안정적인 보행을 위해서는 착용자의 정확한 운동 의도를 파악하는 것이 요구된다. 로봇에 장착된 물리 센서(힘 센서 또는 토크 센서)만을 이용할 경우 착용자의 근육 변화에 따른 관절 운동이 발생하고 난 뒤에 의도가 인식되기 때문에 인식 지연이 발생할 수 있다.
선행기술로는 등록특허공보 제10-1490885호, 등록특허공보 제10-1774152호, 등록특허공보 제10-0651638호, 공개특허공보 제10-2015-0085357호, 공개특허공보 제10-2016-0126335호 및 공개특허공보 제10-2017-0028101호를 참조할 수 있다.

일 실시 예의 목적은 근경도 센서를 통해 사용자의 근육의 움직임을 인식하고, 힘 센서를 통해 운동 보조 장치 및 사용자 사이의 상호 작용력을 인식함으로써, 빠르고 신뢰성 있는 운동 의도 인식이 가능한 운동 보조 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 복수 개의 근경도 센서는, 상기 사용자의 외측광근(Vastus lateralis), 대퇴직근(Rectus femoris), 내측광근(Vastus medialis) 및 중간광근(Vastus intermedius) 중 적어도 하나의 근육과 상기 허벅지 착용부 사이에 작용하는 압력을 측정 가능하다.

상기 복수 개의 근경도 센서는, 상기 사용자의 외측광근 및 허벅지 착용부 사이에 배치되는 제 1 근경도 센서; 상기 사용자의 대퇴직근 및 허벅지 착용부 사이에 배치되는 제 2 근경도 센서; 상기 사용자의 내측광근 및 허벅지 착용부 사이에 배치되는 제 3 근경도 센서; 및 상기 사용자의 중간광근 및 허벅지 착용부 사이에 배치되는 제 4 근경도 센서를 포함할 수 있다.

상기 운동 보조 장치는, 상기 복수 개의 근경도 센서에 의해 측정된 압력 정보에 기초하여 상기 사용자의 운동 의도를 결정하고, 결정된 상기 운동 의도에 기초하여 상기 고관절 액츄에이터를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 운동 보조 장치는, 상기 허벅지 프레임 및 허벅지 착용부 사이에 배치되고, 상기 사용자의 허벅지와 상기 허벅지 착용부 사이에 작용하는 힘을 측정 가능한 힘 센서를 더 포함할 수 있다.

상기 힘 센서는, 상기 허벅지 프레임의 길이 방향으로의 힘과, 상기 허벅지 프레임의 길이 방향에 대해 수직한 방향으로의 힘을 측정 가능하다.

상기 운동 보조 장치는, 상기 복수 개의 근경도 센서에 의해 측정된 압력 정보와 상기 힘 센서에 의해 측정된 힘 정보에 기초하여, 상기 사용자의 운동 의도를 결정하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 결정된 상기 운동 의도에 기초하여 상기 고관절 액츄에이터를 제어할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 복수 개의 근경도 센서에 의해 측정된 압력 정보에 제 1 가중치를 적용하고, 상기 힘 센서에 의해 측정된 힘 정보에 제 2 가중치를 적용하여, 상기 사용자의 운동 의도를 결정할 수 있다.

상기 운동 보조 장치는, 상기 허벅지 프레임에 대해 회전 가능하게 연결되는 정강이 프레임; 및 상기 허벅지 프레임에 대해 상기 정강이 프레임을 회전시키는 동력을 생성하는 무릎 관절 액츄에이터를 더 포함하고, 상기 제어부는, 결정된 상기 운동 의도에 기초하여 상기 무릎 관절 액츄에이터를 제어할 수 있다.

상기 운동 보조 장치는, 상기 정강이 프레임에 연결되고, 상기 사용자의 발을 지지하는 발 지지부; 및 상기 발 지지부에 배치되고, 압력을 측정 가능한 보행 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 보행 센서에 의해 측정된 압력 정보에 기초하여 상기 사용자의 보행 단계를 결정하고, 상기 보행 단계에 기초하여 상기 제 1 가중치 및 제 2 가중치를 결정할 수 있다.

상기 운동 보조 장치는, 상기 근위 지지부에 배치되는 제 1 관성 센서; 상기 허벅지 프레임 또는 허벅지 착용부에 배치되는 제 2 관성 센서; 및 상기 정강이 프레임 또는 상기 발 지지부에 배치되는 제 3 관성 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제 1 관성 센서, 제 2 관성 센서 및 제 3 관성 센서에서 측정된 정보에 기초하여 상기 사용자의 자세를 결정하고, 상기 자세에 기초하여 상기 제 1 가중치 및 제 2 가중치를 결정할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 근위 지지부에 대한 상기 허벅지 프레임의 회전 각도와 상기 허벅지 프레임에 대한 상기 정강이 프레임의 회전 각도에 기초하여 상기 제 1 가중치 및 제 2 가중치를 결정할 수 있다.

상기 근경도 센서는, 상기 허벅지 착용부의 내측에 부착되고, 일면에 함몰 형성되는 수용 홈을 구비하는 베이스; 상기 수용 홈에 장착되고, 압력을 측정 가능한 센싱 부재; 상기 센싱 부재가 상기 베이스로부터 이탈되는 것을 방지하도록 상기 센싱 부재의 테두리부를 커버하는 고정 부재; 및 상기 베이스에 부착되고, 상기 베이스 보다 유연한 재질을 갖는 커버를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 사용자의 근위 부분을 지지하는 근위 지지부; 상기 근위 지지부에 대해 회전 가능하게 연결되는 허벅지 프레임; 상기 근위 지지부에 대해 상기 허벅지 프레임을 회전시키는 동력을 생성하는 고관절 액츄에이터; 상기 허벅지 프레임에 연결되고, 상기 사용자의 허벅지를 지지하는 허벅지 착용부; 상기 허벅지 프레임에 대해 회전 가능하게 연결되는 정강이 프레임; 상기 허벅지 프레임에 대해 상기 정강이 프레임을 회전시키는 동력을 생성하는 무릎 관절 액츄에이터; 상기 허벅지 착용부의 둘레 방향을 따라 이격 배치되고, 상기 사용자의 허벅지와 상기 허벅지 착용부 사이에 작용하는 압력을 측정 가능한 복수 개의 근경도 센서; 상기 허벅지 착용부의 내측면에 배치되고, 상기 사용자의 허벅지와 상기 허벅지 착용부 사이에 작용하는 힘을 측정 가능한 힘 센서; 및 상기 복수 개의 근경도 센서에 의해 측정된 압력 정보에 기초하여 상기 사용자의 운동 의도를 결정하고, 결정된 상기 운동 의도에 기초하여 상기 고관절 액츄에이터 및 무릎 관절 액츄에이터를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

상기 운동 보조 장치는, 상기 정강이 프레임에 연결되고, 상기 사용자의 발을 지지하는 발 지지부; 및 상기 발 지지부에 배치되고, 압력을 측정 가능한 보행 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 보행 센서에 의해 측정된 압력 정보에 기초하여 상기 사용자의 보행 단계를 결정하고, 상기 보행 단계에 기초하여 상기 복수 개의 근경도 센서에 의해 측정된 압력 정보에 제 1 가중치를 적용하고, 상기 힘 센서에 의해 측정된 힘 정보에 제 2 가중치를 적용할 수 있다.

일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 운동 보조 장치의 착용부와 사용자의 신체 사이의 유연 타입의 공압 기반 근경도 센서를 내장하여 근육의 움직임을 인식할 수 있고, 동시에 운동 보조 장치의 허벅지 프레임 및 허벅지 착용부 사이에 구비되는 힘 센서를 통해 사용자와 운동 보조 장치 사이의 상호 작용력을 인식할 수 있다. 이에 따라, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는 빠르고 신뢰성 있는 운동 의도 인식이 가능하다.

일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 다양한 환경에서 사용자의 운동 의도를 빠르고 신뢰성 있게 인식하여 운동 보조 장치와 사용자 사이의 움직임 불일치에 따른 역부하를 줄여 사용자의 피로감을 최소화할 수 있다.

일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는 운동 의도 인식의 오류에 따른 운동 보조 장치의 오작동을 줄여 안정성을 개선하여 운동 보조 장치의 운용성을 증대시킬 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 착용한 사용자를 도시하는 정면도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 착용한 사용자를 도시하는 측면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 허벅지 착용부와 허벅지 착용부에 의해 지지되는 허벅지 부분의 근육들을 도시하는 단면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 블록도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 제어부가 사용자의 보행 단계, 자세, 허벅지 프레임 및/또는 정강이 프레임의 회전 각도에 기초하여 근경도 센서 및 힘 센서에 가중치를 반영하는 것을 시각적으로 도시한 도면들이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 근경도 센서의 사시도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 근경도 센서의 분해 사시도이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 근경도 센서의 단면도이다.

이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 착용한 사용자를 도시하는 정면도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 착용한 사용자를 도시하는 측면도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 허벅지 착용부와 허벅지 착용부에 의해 지지되는 허벅지 부분의 근육들을 도시하는 단면도이다.

도 4는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 블록도이고, 도 5는 일 실시 예에 따른 제어부가 사용자의 보행 단계, 자세, 허벅지 프레임 및/또는 정강이 프레임의 회전 각도에 기초하여 근경도 센서 및 힘 센서에 가중치를 반영하는 것을 시각적으로 도시한 도면들이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 운동 보조 장치(1)는 사용자의 운동을 보조할 수 있다. 예를 들어, 운동 보조 장치(1)는 사용자의 보행, 달리기, 계단 오르기 및/또는 쪼그려 앉았다 일어서기 등의 동작을 보조할 수 있다. 예를 들어, 운동 보조 장치(1)는 사용자로 하여금 무거운 짐을 지탱하면서 사용자가 힘들이지 않고 보행할 수 있도록 돕는 역할을 수행할 수 있다.

운동 보조 장치(1)는 사용자의 허벅지(T) 근육의 생체 신호를 즉각적으로 감지하고, 감지된 생체 신호에 기초하여 운동 의도를 미리 파악하여, 파악된 운동 의도에 기초하여 액츄에이터를 구동함으로써, 사용자의 운동 의도를 빠르고 신뢰성 있게 인식하여 운동 보조 장치와 사용자 사이의 움직임 불일치에 따른 역부하를 줄여 사용자의 피로감을 최소화할 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여, 사용자의 허벅지(T) 근육의 생체 신호를 감지하기 위한 구성인 복수 개의 근경도 센서를 제외한 구성들을 먼저 설명하고, 도 3 이하에서 근경도 센서들에 대한 설명을 후술하기로 한다.

운동 보조 장치(1)는 근위 지지부(99), 고관절 액츄에이터(93), 허벅지 프레임(94), 허벅지 착용부(90), 무릎 관절 액츄에이터(95), 정강이 프레임(96), 발 지지부(97), 발 착용부(98), 복수 개의 관성 센서(11a, 11b, 11c), 보행 센서(12), 배터리(18), 제어부(19), 복수 개의 근경도 센서(14a, 14b, 14c, 14d) 및 힘 센서(13)를 포함할 수 있다.

근위 지지부(99)는 사용자의 근위 부분을 지지할 수 있다. 근위 지지부(99)는 사용자의 몸통에 장착될 수 있다. 예를 들어, 근위 지지부(99)는 사용자의 허리에 장착되는 허리 착용부(91)와, 사용자의 등에 장착되는 등 착용부(92)를 포함할 수 있다. 근위 지지부(99)는 배터리(18) 및 제어부(19)를 수용할 수 있다.

고관절 액츄에이터(93)는 근위 지지부(99)의 양 측부에 배치될 수 있다. 고?樗? 액츄에이터(93)는 근위 지지부(99)에 대해 허벅지 프레임(94)을 회전시킬 수 있다. 고관절 액츄에이터(93)는 허벅지 프레임(94) 및 근위 지지부(99) 사이의 각도 정보를 획득하기 위한 엔코더(미도시)를 구비할 수 있다.

허벅지 프레임(94)은 근위 지지부(99)에 대해 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 허벅지 프레임(94)은 고관절 액츄에이터(93)를 통해 근위 지지부(99)에 연결될 수 있다. 허벅지 프레임(94) 및 근위 지지부(99)가 이루는 각도는 고관절 액츄에이터(93)에 의해 결정될 수 있다. 허벅지 프레임(94)은 그 길이 방향이 사용자의 허벅지(T)와 나란할 수 있다. 허벅지 프레임(94)은 사용자의 허벅지의 운동을 보조할 수 있다. 예를 들어, 운동 보조 장치(1)가 고관절 굽힘(flexion) 운동을 하려는 운동 의도를 감지할 경우, 허벅지 프레임(94)은 도 2를 기준으로 시계 방향으로 회전하여 사용자의 고관절 굽힘 운동을 보조할 수 있다.

운동 보조 장치(1)는 고관절 굽힘 운동에 대한 명령을 받고 허벅지 프레임(94)을 구동하는 것이 아니라, 후술하는 복수 개의 근경도 센서에 의해 감지되는 압력 정보를 바탕으로 자체적으로 운동 의도를 결정하고, 결정된 운동 의도에 따라 허벅지 프레임(94)을 구동하므로, 다양한 환경에서 허벅지(T)의 운동 의도를 빠르고 신뢰성 있게 인식함으로써, 운동 보조 장치와 사용자의 허벅지 사이의 움직임 불일치에 따른 역부하를 줄여 피로감을 최소화할 수 있다. 또한, 운동 보조 장치(1)는 운동 의도 인식의 오류에 따른 운동 보조 장치의 오작동을 줄여 안정성을 개선하여 운동 보조 장치의 운용성을 증대시킬 수 있다.

허벅지 착용부(90)는 허벅지 프레임(94)에 연결되고, 사용자의 허벅지(T)를 지지할 수 있다. 허벅지 착용부(90)는 허벅지(T)의 둘레를 감쌀 수 있다. 예를 들어, 허벅지 착용부(90)는 사용자의 허벅지(T)에 밀착하기 위해 길이 조절 가능할 수 있다.

무릎 관절 액츄에이터(95)는 허벅지 프레임(94)의 하단부에 배치될 수 있다. 무릎 관절 액츄에이터(95)는 허벅지 프레임(94)에 대해 정강이 프레임(96)을 회전시킬 수 있다. 무릎 관절 액츄에이터(95)는 허벅지 프레임(94) 및 정강이 프레임(96) 사이의 각도 정보를 획득하기 위한 엔코더(미도시)를 구비할 수 있다.

정강이 프레임(96)은 허벅지 프레임(94)에 대해 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 정강이 프레임(96)은 무릎 관절 액츄에이터(95)를 통해 허벅지 프레임(94)에 연결될 수 있다. 허벅지 프레임(94) 및 정강이 프레임(96)이 이루는 각도는 무릎 관절 액츄에이터(95)에 의해 결정될 수 있다. 정강이 프레임(96)은 그 길이 방향이 사용자의 정강이와 나란할 수 있다. 정강이 프레임(96)은 사용자의 정강이의 운동을 보조할 수 있다. 예를 들어, 운동 보조 장치(1)가 무릎 관절 굽힘 운동을 하려는 운동 의도를 감지할 경우, 정강이 프레임(96)은 도 2를 기준으로 반시계 방향으로 회전하여 사용자의 무릎 관절 운동을 보조할 수 있다.

운동 보조 장치(1)는 무릎 관절 굽힘 운동에 대한 명령을 받고 정강이 프레임(96)을 구동하는 것이 아니라, 후술하는 복수 개의 근경도 센서에 의해 감지되는 압력 정보를 바탕으로 자체적으로 운동 의도를 결정하고, 결정된 운동 의도에 따라 정강이 프레임(96)을 구동하므로, 다양한 환경에서 정강이의 운동 의도를 빠르고 신뢰성 있게 인식 가능하다.

발 지지부(97)는 정강이 프레임(96)에 연결되고, 사용자의 발을 지지할 수 있다. 발 지지부(97)는 그 길이 방향이 사용자의 발바닥과 나란할 수 있다.

발 착용부(98)는 발 지지부(97)에 연결되고, 사용자의 발이 발 지지부(97)로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다.

복수 개의 관성 센서(11a, 11b, 11c)는 운동 보조 장치(1)에 배치되어, 운동 보조 장치(1)의 각각의 부분이 지면과 이루는 절대 각도를 감지할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 관성 센서(11a, 11b, 11c)는 근위 지지부(99)에 배치되는 제 1 관성 센서(11a)와, 허벅지 프레임(94) 또는 허벅지 착용부(90)에 배치되는 제 2 관성 센서(11b)와, 정강이 프레임(96) 또는 발 지지부(97)에 배치되는 제 3 관성 센서(11c)를 포함할 수 있다. 도 1 및 도 2에는 제 2 관성 센서(11b)가 허벅지 착용부(90)에 배치되고, 제 3 관성 센서(11c)가 발 지지부(97)에 배치되는 것으로 도시되나, 이에 제한되지 않음을 밝혀 둔다. 예를 들어, 제 2 관성 센서(11b)는 허벅지 프레임(94)에 배치될 수도 있고, 제 3 관성 센서(11c)는 정강이 프레임(96)에 배치될 수도 있다.

보행 센서(12)는 발 지지부(97)에 배치되고, 압력을 측정 가능하다. 예를 들어, 보행 센서(12)는 발 지지부(97)의 하측부에 배치되어 발 지지부(97) 및 지면 사이에 작용하는 압력을 측정하거나, 발 지지부(97)의 상측부에 배치되어 사용자의 발바닥 및 발 지지부(97) 사이에 작용하는 압력을 측정 가능하다. 예를 들어, 보행 센서(12)는 발 지지부(97)의 길이 방향을 따라 복수 개가 구비될 수 있다. 예를 들어, 보행 센서(12)는 발 지지부(97)의 전방 단부에 배치된 제 1 보행 센서(12a)와, 발 지지부(97)의 후방 단부에 배치된 제 2 보행 센서(12b)를 포함할 수 있다.

배터리(18)는 운동 보조 장치(1)를 구성하고 전력을 소비하는 구성들에 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 배터리(18)는 제어부(19), 고관절 액츄에이터(93), 무릎 관절 액츄에이터(95) 및 각종 센서들에 전력을 공급할 수 있다.

제어부(19)는 복수 개의 근경도 센서에 의해 측정된 압력 정보에 기초하여 사용자의 운동 의도를 결정하고, 결정된 운동 의도에 기초하여 고관절 액츄에이터(93) 및/또는 무릎 관절 액츄에이터(95)를 제어할 수 있다. 여기서, "운동 의도"라고 함은, 사용자가 고관절을 굽힘 또는 신장(extension)하려는 의도, 사용자가 무릎 관절을 굽힘 또는 신장하려는 의도 등 사용자가 신체 일부를 움직이려는 의도를 의미한다.

복수 개의 근경도 센서는 허벅지 착용부(90)의 둘레 방향을 따라 이격 배치되고, 사용자의 허벅지(T)와 허벅지 착용부(90) 사이에 작용하는 압력을 측정 가능하다. 복수 개의 근경도 센서에 대한 구체적인 설명은 이하 도 3 등을 참조하여 후술하기로 한다.

힘 센서(13)는 허벅지 프레임(94) 및 허벅지 착용부(90) 사이에 배치될 수 있다. 힘 센서(13)는 사용자의 허벅지(T)와 허벅지 착용부(90) 사이에 작용하는 힘을 측정할 수 있다. 힘 센서(13)는 2축 방향의 힘을 측정 가능하다. 예를 들어, 힘 센서(13)는 허벅지 프레임(94)의 길이 방향(z축 방향)으로의 힘과, 허벅지 프레임(94)의 길이 방향에 수직한 방향(x축 방향)으로의 힘을 측정 가능하다.

복수 개의 근경도 센서(14a, 14b, 14c, 14d)는 사용자의 외측광근(Vastus lateralis, VL), 대퇴직근(Rectus femoris, RF), 내측광근(Vastus medialis, VM) 및 중간광근(Vastus intermedius, VI) 중 적어도 하나의 근육과 허벅지 착용부(90) 사이에 작용하는 압력을 측정 가능하다. 예를 들어, 복수 개의 근경도 센서(14a, 14b, 14c, 14d)는 제 1 근경도 센서(14a), 제 2 근경도 센서(14b), 제 3 근경도 센서(14c) 및 제 4 근경도 센서(14d)를 포함할 수 있다.

제 1 근경도 센서(14a)는 사용자의 외측광근(VL) 및 허벅지 착용부(90) 사이에 배치될 수 있다. 제 1 근경도 센서(14a)는 허벅지 착용부(90)의 내측면에 부착될 수 있으며, 일면이 사용자의 허벅지에 접촉할 수 있다. 제 1 근경도 센서(14a)는 사용자의 허벅지(T) 중 사용자의 외측광근(VL) 부근에 배치될 수 있다. 사용자가 어떠한 운동을 수행하고자 할 때, 외측광근(VL)은 수축하거나 팽창할 수 있다. 제 1 근경도 센서(14a)는 외측광근(VL)으로 인한 압력 변화를 측정함으로써, 외측광근(VL)의 근경도를 측정할 수 있다. 제 2 근경도 센서(14b) 내지 제 4 근경도 센서(14d)는 제 1 근경도 센서(14a)와 유사한 기능을 수행할 수 있다.

제 2 근경도 센서(14b)는 사용자의 대퇴직근(RF) 및 허벅지 착용부(90) 사이에 배치될 수 있다. 제 2 근경도 센서(14b)는 대퇴직근(RF)으로 인한 압력 변화를 측정함으로써, 대퇴직근(RF)의 근경도를 측정할 수 있다.

제 3 근경도 센서(14c)는 사용자의 내측광근(VM) 및 허벅지 착용부(90) 사이에 배치될 수 있다. 제 3 근경도 센서(14c)는 내측광근(VM)으로 인한 압력 변화를 측정함으로써, 내측광근(VM)의 근경도를 측정할 수 있다.

제 4 근경도 센서(14d)는 사용자의 중간광근(VI) 및 허벅지 착용부(90) 사이에 배치될 수 있다. 제 4 근경도 센서(14d)는 중간광근(VI)으로 인한 압력 변화를 측정함으로써, 중간광근(VI)의 근경도를 측정할 수 있다.

제어부(19)는 복수 개의 근경도 센서(14a, 14b, 14c, 14d)에 의해 측정된 압력 정보에 기초하여 사용자의 운동 의도를 결정하고, 결정된 운동 의도에 기초하여 고관절 액츄에이터(93) 및/또는 무릎 관절 액츄에이터(95)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(19)는 외측광근(VL), 대퇴직근(RF), 내측광근(VM) 및 중간광근(VI)의 근경도에 기초하여 사용자의 운동 의도를 결정하고, 결정된 운동 의도에 따른 동작을 보조하기 위한 적절한 제어 신호를 고관절 액츄에이터(93) 및/또는 무릎 관절 액츄에이터(95)로 전송할 수 있다.

제어부(19)는 복수 개의 근경도 센서(14a, 14b, 14c, 14d)에 의해 측정된 압력 정보와 함께, 힘 센서(13)에 의해 측정된 힘 정보에 기초하여, 사용자의 운동 의도를 결정할 수 있다. 제어부(19)는 복수 개의 근육의 근경도 뿐만 아니라, 허벅지 프레임(94) 및 허벅지 착용부(90) 사이에서 발생하는 상대적인 힘에 기초하여 운동 의도를 결정할 수 있으므로, 제어부(19)는 보다 정확하게 운동 의도를 결정할 수 있다.

제어부(19)는 복수 개의 근경도 센서(14a, 14b, 14c, 14d)에 의해 측정된 압력 정보와, 힘 센서(13)에 의해 측정된 힘 정보에 각각 가중치를 적용하여 운동 의도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(19)는 복수 개의 근경도 센서(14a, 14b, 14c, 14d)에 의해 측정된 압력 정보에 제 1 가중치를 적용하고, 힘 센서(13)에 의해 측정된 힘 정보에 제 2 가중치를 적용할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 자세 또는 운동 상태가 힘 센서 보다 근경도 센서에 의해 보다 더 정확하게 추종되는 경우, 제어부(19)는 제 1 가중치를 제 2 가중치 보다 크게 설정 가능하다. 예를 들어, 제어부(19)는 제 1 가중치를 1.5로 설정하고, 제 2 가중치를 0.5로 설정 가능하다. 한편, 사용자의 자세 또는 운동 상태가 근경도 센서 보다 힘 센서에 의해 보다 더 정확하게 추종되는 경우, 제어부(19)는 제 2 가중치를 제 1 가중치 보다 크게 설정 가능하다. 제어부(19)는 제 1 가중치가 적용된 압력 정보와, 제 2 가중치가 적용된 힘 정보에 기초하여, 사용자의 운동 의도를 결정할 수 있다.

제어부(19)는 보행 센서(12)에 의해 측정된 압력 정보에 기초하여 사용자의 보행 단계를 결정할 수 있다. 예를 들어, 보행 센서(12)에 의해 측정되는 압력이 설정 압력 이상일 경우, 제어부(19)는 사용자의 보행 단계가 입각기(stance phase)라고 결정할 수 있다. 또한, 보행 센서(12)에 의해 측정되는 압력이 설정 압력 미만일 경우, 제어부(19)는 사용자의 보행 단계가 유각기(swing phase)라고 결정할 수 있다. 여기서 설정 압력은 사용자의 체중에 기초한 압력일 수 있다. 제어부(19)는 결정된 보행 단계에 기초하여, 제 1 가중치 및 제 2 가중치를 결정할 수 있다.

보행 센서(12)가 복수 개의 보행 센서(12a, 12b)를 포함할 경우, 제어부(19)는 보행 단계를 보다 구체적으로 세분화하여 결정할 수 있다. 예를 들어, 제 1 보행 센서(12a)에서 설정 압력 이상의 압력이 측정되고, 제 2 보행 센서(12b)에서 설정 압력 미만의 압력이 측정될 경우, 제어부(19)는 현재 보행단계가 토 오프(toe off) 단계임을 결정할 수 있다. 또한, , 제 1 보행 센서(12a)에서 설정 압력 미만의 압력이 측정되고, 제 2 보행 센서(12b)에서 설정 압력 이상의 압력이 측정될 경우, 제어부(19)는 현재 보행단계가 힐 스트라이크(heel strike) 단계임을 결정할 수 있다.

앞서, 제어부(19)가 보행 센서(12)에 기초하여 보행 단계를 결정할 수 있다고 설명하였으나, 제어부(19)는 보행 센서(12) 없이도 보행 단계를 결정할 수도 있다. 제어부(19)는 복수 개의 근경도 센서(14a, 14b, 14c, 14d)를 이용하여 다양한 동작에 대한 동작 분류를 할 수 있다. 예를 들어, 제어부(19)는 사용자가 보행 시 발이 땅에 닿는 입각기 및 발이 땅에서 떨어지는 유각기를 인식할 수 있다. 또한, 제어부(19)는 걷기, 달리기, 계단, 경사 보행과 같은 다양한 동작에 대해서도 분류가 가능하다. 제어부(19)는 복수 개의 근경도 센서(14a, 14b, 14c, 14d)에 의해 측정되는 다량의 데이터를 기반으로 학습 알고리즘, 예를 들어, Deep learning, ANN, SVM, fuzzy 등의 알고리즘을 적용함으로써 동작 분류를 수행할 수 있다. 제어부(19)는 개개인 맞춤식으로 알고리즘을 적용할 수 있다.

복수 개의 근경도 센서(14a, 14b, 14c, 14d) 및 힘 센서(13)는 사용자의 운동 의도를 인식하는데 사용되고, 보행 센서(12)를 통해 동작(예를 들어, 평지 걷기, 달리기, 계단, 경사 보행 등)을 판별하게 된다. 제어부(19)는 복수 개의 근경도 센서(14a, 14b, 14c, 14d), 힘 센서(13) 및 보행 센서(12) 각각에 의해 측정된 정보를 융합하여 고관절 액츄에이터(93) 및/또는 무릎 관절 액츄에이터(95)를 제어하기 위한 관절토크 명령을 생성한다.

도 5는 일 실시 예에서 이용하고 있는 가중치 선정 알고리즘의 예시이다. 가중치 선정 알고리즘은 복수 개의 근경도 센서 및 힘 센서 간의 영향성 분석을 통해 선정이 가능하다. 제어부(19)는 보행 단계에 따라 복수 개의 근경도 센서 및 힘 센서 간의 가중치를 적용할 수 있다. 또한, 제어부(19)는 엔코더에 의해 감지된 관절 각도 및/또는 복수 개의 관성 센서에 의해 추정된 걷기, 달리기, 평지 보행, 계단, 경사 등의 다양한 환경에서도 유사하게 가중치를 조정함으로써, 빠르고 안정적으로 근력을 지원해주는 관절 토크 명령 값을 추출할 수 있다.

예를 들어, 제어부(19)는 제 1 관성 센서(11a), 제 2 관성 센서(11b) 및 제 3 관성 센서(11c)에서 측정된 정보에 기초하여 사용자의 자세를 결정하고, 자세에 기초하여 제 1 가중치 및 제 2 가중치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(19)는 복수 개의 관성 센서를 통해 사용자 정강이, 허벅지 및 상체가 지면에 대해 어떤 각도를 갖는지 파악하고, 이에 기초하여 사용자의 자세를 결정할 수 있다.

도 6은 일 실시 예에 따른 근경도 센서의 사시도이고, 도 7은 일 실시 예에 따른 근경도 센서의 분해 사시도이고, 도 8은 일 실시 예에 따른 근경도 센서의 단면도이다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 근경도 센서(14)는 베이스(141), 센싱 부재(142), 고정 부재(143), 커버(144) 및 마개(145)를 포함할 수 있다.

베이스(141)는 허벅지 착용부의 내측에 부착되고, 일면에 함몰 형성되는 수용 홈(141a)과, 외부로부터 근경도 센서(14) 내부로 공기를 주입하기 위한 공기 주입구(141b)를 포함할 수 있다. 공기 주입구(141b)는 외부로부터 근경도 센서(14)의 내부를 향하는 방향으로의 유동만을 허용할 수 있다. 예를 들어, 공기 주입구(141b) 부근에는 체크 밸브가 마련될 수 있다.

센싱 부재(142)는 수용 홈(141a)에 장착되고, 압력을 측정할 수 있다. 예를 들어, 근경도 센서(14) 내측의 압력이 증가할 경우, 센싱 부재(142)에서 측정되는 압력은 증가할 수 있다.

고정 부재(143)는 센싱 부재(142)가 베이스(141)로부터 이탈되는 것을 방지하도록 센싱 부재(142)의 테두리부를 커버할 수 있다. 고정 부재(143)는 테두리부가 베이스(141)에 부착되고, 중앙부에 홀을 구비할 형상을 가질 수 있다.

커버(144)는 베이스(141)에 부착되고, 베이스(141)보다 유연한 재질을 가질 수 있다. 커버(144)는 외부의 압력에 의해 변형 가능한 재질일 수 있다. 커버(144)는 예를 들어 고무 재질일 수 있다.

마개(145)는 베이스(141)의 하측면을 통해 베이스(141)에 삽입되는 방식으로, 베이스(141)의 공기 주입구(141b)를 개폐할 수 있다.

근경도 센서(14)는 근육의 강성 변화나 누름 현상에 의해 커버(144)가 압축이 되면 내부 압력의 변화를 측정할 수 있다. 근경도 센서(14)는 이를 통해 근육의 움직임을 인식할 수 있다. 근경도 센서(14)가 복수 개로 구비될 경우, 복수 개의 근경도 센서(14)는 복수의 근육의 움직임을 동시에 측정할 수 있다.

이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 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 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims

사용자의 근위 부분을 지지하는 근위 지지부;
상기 근위 지지부에 대해 회전 가능하게 연결되는 허벅지 프레임;
상기 근위 지지부에 대해 상기 허벅지 프레임을 회전시키는 동력을 생성하는 고관절 액츄에이터;
상기 허벅지 프레임에 연결되고, 상기 사용자의 허벅지를 지지하는 허벅지 착용부;
상기 허벅지 착용부의 둘레 방향을 따라 이격 배치되고, 상기 사용자의 허벅지와 상기 허벅지 착용부 사이에 작용하는 압력을 측정 가능한 복수 개의 근경도 센서;
상기 허벅지 프레임 및 허벅지 착용부 사이에 배치되고, 상기 허벅지 프레임의 길이 방향으로의 힘과, 상기 허벅지 프레임의 길이 방향에 대해 수직한 방향으로의 힘을 측정 가능한 힘 센서; 및
사용자의 자세 또는 운동 상태에 기초하여 제 1 가중치 및 제 2 가중치를 설정하고, 상기 복수 개의 근경도 센서에 의해 측정된 압력 정보에 상기 제 1 가중치를 적용하고, 상기 힘 센서에 의해 측정된 힘 정보에 제 2 가중치를 적용하여, 상기 사용자의 운동 의도를 결정하는 제어부를 포함하는 운동 보조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 근경도 센서는, 상기 사용자의 외측광근(Vastus lateralis), 대퇴직근(Rectus femoris), 내측광근(Vastus medialis) 및 중간광근(Vastus intermedius) 중 적어도 하나의 근육과 상기 허벅지 착용부 사이에 작용하는 압력을 측정 가능한 운동 보조 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 복수 개의 근경도 센서는,
상기 사용자의 외측광근 및 허벅지 착용부 사이에 배치되는 제 1 근경도 센서;
상기 사용자의 대퇴직근 및 허벅지 착용부 사이에 배치되는 제 2 근경도 센서;
상기 사용자의 내측광근 및 허벅지 착용부 사이에 배치되는 제 3 근경도 센서; 및
상기 사용자의 중간광근 및 허벅지 착용부 사이에 배치되는 제 4 근경도 센서를 포함하는 운동 보조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는, 결정된 상기 운동 의도에 기초하여 상기 고관절 액츄에이터를 제어하는 운동 보조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 복수 개의 근경도 센서에 의해 측정된 압력 정보에 제 1 가중치를 적용하고, 상기 힘 센서에 의해 측정된 힘 정보에 제 2 가중치를 적용하여, 상기 사용자의 운동 의도를 결정하는 운동 보조 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 허벅지 프레임에 대해 회전 가능하게 연결되는 정강이 프레임; 및
상기 허벅지 프레임에 대해 상기 정강이 프레임을 회전시키는 동력을 생성하는 무릎 관절 액츄에이터를 더 포함하고,
상기 제어부는, 결정된 상기 운동 의도에 기초하여 상기 무릎 관절 액츄에이터를 제어하는 운동 보조 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 정강이 프레임에 연결되고, 상기 사용자의 발을 지지하는 발 지지부; 및
상기 발 지지부에 배치되고, 압력을 측정 가능한 보행 센서를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 보행 센서에 의해 측정된 압력 정보에 기초하여 상기 사용자의 보행 단계를 결정하고, 상기 보행 단계에 기초하여 상기 제 1 가중치 및 제 2 가중치를 결정하는 운동 보조 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 근위 지지부에 배치되는 제 1 관성 센서;
상기 허벅지 프레임 또는 허벅지 착용부에 배치되는 제 2 관성 센서; 및
상기 정강이 프레임 또는 상기 발 지지부에 배치되는 제 3 관성 센서를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 제 1 관성 센서, 제 2 관성 센서 및 제 3 관성 센서에서 측정된 정보에 기초하여 상기 사용자의 자세를 결정하고, 상기 자세에 기초하여 상기 제 1 가중치 및 제 2 가중치를 결정하는 운동 보조 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 근위 지지부에 대한 상기 허벅지 프레임의 회전 각도와 상기 허벅지 프레임에 대한 상기 정강이 프레임의 회전 각도에 기초하여 상기 제 1 가중치 및 제 2 가중치를 결정하는 운동 보조 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 근경도 센서는,
상기 허벅지 착용부의 내측에 부착되고, 일면에 함몰 형성되는 수용 홈을 구비하는 베이스;
상기 수용 홈에 장착되고, 압력을 측정 가능한 센싱 부재;
상기 센싱 부재가 상기 베이스로부터 이탈되는 것을 방지하도록 상기 센싱 부재의 테두리부를 커버하는 고정 부재; 및
상기 베이스에 부착되고, 상기 베이스 보다 유연한 재질을 갖는 커버를 포함하는 운동 보조 장치.
사용자의 근위 부분을 지지하는 근위 지지부;
상기 근위 지지부에 대해 회전 가능하게 연결되는 허벅지 프레임;
상기 근위 지지부에 대해 상기 허벅지 프레임을 회전시키는 동력을 생성하는 고관절 액츄에이터;
상기 허벅지 프레임에 연결되고, 상기 사용자의 허벅지를 지지하는 허벅지 착용부;
상기 허벅지 프레임에 대해 회전 가능하게 연결되는 정강이 프레임;
상기 허벅지 프레임에 대해 상기 정강이 프레임을 회전시키는 동력을 생성하는 무릎 관절 액츄에이터;
상기 허벅지 착용부의 둘레 방향을 따라 이격 배치되고, 상기 사용자의 허벅지와 상기 허벅지 착용부 사이에 작용하는 압력을 측정 가능한 복수 개의 근경도 센서;
상기 허벅지 착용부의 내측면에 배치되고, 상기 허벅지 프레임의 길이 방향으로의 힘과, 상기 허벅지 프레임의 길이 방향에 대해 수직한 방향으로의 힘을 측정 가능한 힘 센서; 및
상기 복수 개의 근경도 센서에 의해 측정된 압력 정보에 기초하여 상기 사용자의 운동 의도를 결정하고, 결정된 상기 운동 의도에 기초하여 상기 고관절 액츄에이터 및 무릎 관절 액츄에이터를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는, 결정된 상기 운동 의도에 기초하여, 상기 복수 개의 근경도 센서에 의해 측정된 압력 정보에 제 1 가중치를 적용하고, 상기 힘 센서에 의해 측정된 힘 정보에 제 2 가중치를 적용하는 운동 보조 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 정강이 프레임에 연결되고, 상기 사용자의 발을 지지하는 발 지지부; 및
상기 발 지지부에 배치되고, 압력을 측정 가능한 보행 센서를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 보행 센서에 의해 측정된 압력 정보에 기초하여 상기 사용자의 보행 단계를 결정하고, 상기 보행 단계에 기초하여 상기 제 1 가중치 및 제 2 가중치를 결정하는 운동 보조 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 근위 지지부에 배치되는 제 1 관성 센서;
상기 허벅지 프레임 또는 허벅지 착용부에 배치되는 제 2 관성 센서; 및
상기 정강이 프레임 또는 상기 발 지지부에 배치되는 제 3 관성 센서를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 제 1 관성 센서, 제 2 관성 센서 및 제 3 관성 센서에서 측정된 정보에 기초하여 상기 사용자의 자세를 결정하고, 상기 자세에 기초하여 상기 제 1 가중치 및 제 2 가중치를 결정하는 운동 보조 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 근위 지지부에 대한 상기 허벅지 프레임의 회전 각도와 상기 허벅지 프레임에 대한 상기 정강이 프레임의 회전 각도에 기초하여 상기 제 1 가중치 및 제 2 가중치를 결정하는 운동 보조 장치.
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