KR102186859B1 - 보행 보조 기구 및 보행 보조 기구의 제어 방법 - Google Patents

보행 보조 기구 및 보행 보조 기구의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

발의 힘/토크 센서(F/T sensor) 없이 특정 관절의 모션만을 측정해 보행 주기를 산출하는 보행 보조 기구 및 보행 보조 기구의 제어 방법에 관한 것으로, 서로 다른 지지 프레임이 결합되는 힌지의 모션을 측정하는 단계, 상기 측정된 모션에 대응하는 기준궤적과 상기 기준궤적을 변조한 변조궤적들을 중첩하는 단계, 상기 중첩된 중첩궤적을 상기 측정된 모션에 상응하도록 보정하는 단계, 상기 보정된 보정궤적의 위상에 해당되는 보조 토크를 결정하는 단계 및 상기 결정된 보조 토크를 상기 지지 프레임에 제공하는 단계를포함할 수 있다.

Description

보행 보조 기구 및 보행 보조 기구의 제어 방법 {a walking assist device and a method for controlling the the walking assist device}
착용자의 신체에 부착되어 보행에 필요한 힘을 제공하거나 착용자의 근육에 운동효과를 주는 보행 보조 기구 및 보행 보조 기구의 제어 방법에 관한 것이다.
인체를 보조하기 위한 인체 보조 장치의 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다. 인체 보조 장치는 군사, 산업, 재활, 복지 등의 다양한 목적으로 사용되고 있다.
특히, 보행 보조 장치는 물리 치료 또는 재활 훈련의 목적으로 개발되어 사용되었다. 여기서, 보행 보조 장치란 약한 다리 근력 등의 다양한 이유로 보행이 불편한 사람이 용이하게 보행을 수행할 수 있도록 하기 위해 보조하는 기구를 의미한다. 사람의 보행의 불편은, 유전적 결함과 같은 선천적 이유나, 질병이나 사고 등과 같은 후천적 이유로 발생할 수 있다.
아울러, 고령화 사회의 도래로 보행 보조 장치는 물리 치료 또는 재활 훈련의 목적뿐만 아니라, 근력이 쇠약해진 노인들의 거동을 보조하거나 근력 및 근육을 증강시키기 위한 운동 목적으로의 사용도 증가하고 있다.
센서를 최소화하기 위해 발의 힘/토크 센서(F/T sensor)를 이용하지 않고 특정 관절의 모션만을 측정해, 측정한 관절의 모션으로 현재의 보행위상을 산출한 뒤, 착용자의 보행을 보조하기 위한 보행 보조 기구 및 보행 보조 기구의 제어 방법을 제공한다.
보행 보조 기구의 일 실시예는 서로 힌지 결합된 제 1 지지 프레임과 제 2 지지 프레임을 가지는 지지 프레임부, 상기 힌지에 구비되어 관절의 모션을 측정하는 감지부, 상기 측정된 모션에 대응하는 기준궤적과 상기 기준궤적을 변조한 변조궤적들을 중첩하여, 상기 중첩된 중첩궤적을 상기 측정된 모션에 상응하도록 보정하고, 상기 보정된 보정궤적의 위상에 해당되는 보조 토크를 결정하는 제어부 및 상기 결정된 보조 토크를 상기 지지 프레임에 제공하는 동력부를 포함할 수 있다.
또한, 보행위상 산출부는 일 실시예에 따라 상기 측정된 모션과 상기 측정된 모션에 대응하는 기준 모션을 삼각함수들을 통해 각각 제 1 중첩 궤적 및 제 2 중첩 궤적으로 중첩하여, 상기 제 1 중첩 궤적 및 상기 제 2 중첩 궤적을 각각 상기 측정된 모션 및 상기 기준모션에 상응하도록 보정한 뒤, 상기 보정된 제 1 중첩 궤적과 상기 보정된 제 2 중첩 궤적을 비교하여 보행위상을 결정할 수도 있다.
또한, 보행 보조 기구는 엉덩이, 무릎, 발목에 선택적으로 위치할 수 있으며, 그 중에서 2이상의 부위에 위치하여 보행을 보조하는 경우, 그 중 한 부위의 궤적을 측정하여 보행위상을 산출하고, 상기 산출한 보행위상을 다른 부위에서 이용해 보조 토크를 제공할 수 있다.
또한, 보행 보조 기구는 보행 가속도 및 보행 속도와 지면의 경사를 감지부를 이용해 측정하거나, 측정된 관절의 모션을 이용해 산출할 수 있고, 보조 토크는 보정궤적에 대응되게 기설정된 보조 토크 데이터를 이용하는 방법을 통해 결정할 수 있다. 그리고, 보정궤적에 대응되게 기설정된 보조 토크 데이터를 이용하는 방법은 보행 속도에 대한 보조 토크 데이터, 지면의 경사도에 대한 보조 토크 데이터, 연령층에 대한 보조 토크 데이터, 성별에 대한 보조 토크 데이터, 몸무게에 대한 보조 토크 데이터, 근육에 운동효과를 주기 위한 역방향의 보조 토크 데이터 및 현재 착용자에 대한 데이터로 업데이트한 보조 토크 데이터를 이용할 수 있다.
또한, 기준궤적은 이전 보행에서 측정한 관절의 모션을 샘플링하고, 샘플링한 관절의 모션의 보행 위상에 대한 집합 평균값(Ensemble Average)을 저장한 데이터로 업데이트 할 수 있다.
한편, 보행 보조 기구의 제어방법은 서로 다른 지지 프레임이 결합되는 힌지의 모션을 측정하는 단계, 상기 측정된 모션에 대응하는 기준궤적과 상기 기준궤적을 변조한 변조궤적들을 중첩하는 단계, 상기 중첩된 중첩궤적을 상기 측정된 모션에 상응하도록 보정하는 단계, 상기 보정된 보정궤적의 위상에 해당되는 보조 토크를 결정하는 단계 및 상기 결정된 보조 토크를 동력부에 의해 상기 지지 프레임에 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 보행 보조 기구 및 보행 보조 기구의 제어방법에 의하면, 발에 위치하는 힘/토크 센서(F/T sensor) 없이 착용자의 관절의 모션만을 측정해 보행위상을 산출하고, 산출된 보행위상으로부터 보조 토크를 제공 받을 수 있다. 그리고, 측정한 관절모션과 기본궤적을 비교해 기본궤적을 보정하는 신호처리로 측정한 관절모션을 그대로 이용하는 방법에 비해서 측정에서 보조 토크를 제공하기까지의 지연되는 시간을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.
도 1a은 보행 보조 기구의 일 실시예에 대한 정면도이다.
도 1b는 보행 보조 기구의 일 실시예에 대한 측면도이다.
도 1c는 보행 보조 기구의 일 실시예에 대한 배면도이다.
도 2는 PSAO(Particularly Shaped Adaptive Oscillator)를 이용해 기준각도궤적으로부터 중첩된 보정각도궤적과 보정각도궤적의 위상을 산출하여, 보정각도궤적의 위상에 해당하는 보조 토크를 결정하는 일 실시예의 개념도이다.
도 3은 PCAO(Phase Compensated Adaptive Oscillator)를 이용해 힌지의 각도를 기준으로 제1중첩각도궤적과 기준각도로부터 제2중첩각도궤적을 산출 및 보정하고, 양자를 비교하여 보행 위상을 산출하여, 보행 위상에 해당하는 보조 토크를 결정하는 일 실시예의 개념도이다.
도 4a는 PSAO를 이용해 중첩각도궤적의 위상을 보정하는 일 실시예의 개념도이다.
도 4b는 PSAO를 이용해 중첩각도궤적의 진폭을 보정하는 일 실시예의 개념도이다.
도 5a는 보행시간에 따라 PSAO를 이용해 보정한 중첩각도궤적의 위상이 수렴되는 일 실시예의 그래프이다.
도 5b는 보행시간에 따라 보행시 필요한 토크와 제공된 보행 보조 토크를 비교한 일 실시예의 그래프이다.
도 6은 고관절 각도에 따라 변하는 고관절의 각속도를 나타낸 일 실시예의 그래프이다.
도 7a는 한 번의 보행주기 안에서의 고관절에 대한 기준각도궤적을 나타낸 일 실시예의 그래프이다.
도 7b는 한 번의 보행주기 안에서의 무릎관절에 대한 기준각도궤적을 나타낸 일 실시예의 그래프이다.
도 7c는 한 번의 보행주기 안에서의 발목관절에 대한 기준각도궤적을 나타낸 일 실시예의 그래프이다.
도 8은 force plate를 이용하여 지면반력을 측정해 보조 토크를 결정하는 데이터로 사용하는 일 실시예의 보행주기 중의 지면반력에 대한 그래프이다.
도 9는 일 실시예에 따라 제어부의 보조 토크 결정부에서 결정된 보행 보조 토크와 보행시 필요한 토크를 비교한 그래프이다.
도 10은 일 실시예에 따라 힌지의 모션과 PSAO 또는 PCAO가 일치하는 정도에 따라 결정되는 보조레벨을 보조 토크에 곱하여 보행 보조 기구의 출력 토크를 조절하는 개념도이다.
도 11은 일 실시예에 따라 보행시간에 따른 보조레벨의 변화를 도시한 그래프이다.
도 12는 이전 보행에서 측정한 힌지의 각도를 기준각도궤적으로 업데이트하는 일 실시예의 개념도이다.
도 13은 기준궤적과 기준궤적을 변조한 궤적을 이용해 측정한 힌지의 각도에 대응하는 중첩각도궤적을 산출하고, 중첩각도궤적을 보정한 보정각도궤적의 위상인 보행위상에 해당하는 보조 토크를 제공하는 것에 대한 플로우차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 실시예를 통하여 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다. 다만, 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 통상의 기술자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
아울러, 본 명세서에서 선택적으로 기재된 양상이나 선택적으로 기재된 실시예의 구성들은 비록 도면에서 단일의 통합된 구성으로 도시되었다 하더라도 달리 기재가 없는 한, 통상의 기술자에게 기술적으로 모순인 것이 명백하지 않다면 상호간에 자유롭게 조합될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 보행 보조 기구의 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.
도 1a, 도 1b, 도 1c는 보행 보조 기구의 일 실시예에 대한 정면도, 측면도 및 배면도이다.
도 1a, 도 1b, 도 1c에 도시된 바에 따르면 보행 보조 기구(1)는 본체부(10) 및 보행 보조부(20, 30, 40)를 포함할 수 있다.
본체부(10)는 각종 부품의 내장이 가능한 하우징(10a)을 포함할 수 있다.
하우징(10a)은 내장되는 각종 부품을 안전하게 보호하면서 또한 각종 부품을 안정적으로 고정시키는 기능을 제공할 수 있다. 하우징(10a)은 내부에 중앙 처리 장치(CPU, central processing unit)나 그래픽 처리 장치(GPU, graphic processing unit) 등과 같이 다양한 신호를 처리하는 제어부 및 인쇄 회로 기판 등이 내장되어 있을 수 있으며, 필요에 따라서 다양한 종류의 저장 장치 역시 내장되어 있을 수 있다.
하우징(10a)에 구비되는 제어부는 중앙 처리 장치 및 그래픽 처리 장치 등이 포함될 수 있으며, 중앙 처리 장치는 PSAO(Particularly Shaped Adaptive Oscillator) 또는 PCAO(Phase Compensated Adaptive Oscillator)와 같은 보행 위상을 산출하는 모듈과 산출된 보행 위상에 해당하는 보조 토크를 결정하는 보조 토크 결정부 등이 포함될 수 있다.
중앙 처리 장치의 종류는 마이크로 프로세서일 수 있으며, 마이크로 프로세서는 적어도 하나의 실리콘 칩에 산술 논리 연산기, 레지스터, 프로그램 카운터, 명령 디코더나 제어 회로 등이 설치되어 있는 처리 장치이다. 중앙 처리 장치는 보행 보조부(20, 30, 40)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하고, 생성한 제어 신호를 보행 보조부(20, 30, 40)로 전달하도록 할 수 있다. 중앙 처리 장치는 실시예에 따라서 착용자의 보행 시 측정한 관절의 관절모션을 기초로 기준각도궤적을 보정하는 신호처리, 보조 토크를 결정하는 신호처리, 보행속도, 착용자 상체의 기울기를 산출하는 신호처리 및 이전에 측정된 관절의 모션을 변환하여 기준궤적으로 업데이트하는 신호처리를 할 수 있다.
그래픽 처리 장치는 마이크로 프로세서 중 주로 그래픽에 관련된 정보를 처리하는 처리 장치를 의미한다. 그래픽 처리 장치는 중앙 처리 장치의 그래픽 처리 기능을 보조하거나 또는 단독으로 그래픽 처리를 수행하도록 할 수 있다. 그래픽 처리 장치는 실시예에 따라서 현재의 보행위상, 제공되는 보조 토크, 보행속도, 착용자 상체의 기울기, 근전도(EMG) 패턴에 대한 결과를 표시하는 신호처리를 할 수 있다.
인쇄 회로 기판은 소정의 회로가 인쇄되어 있는 기판으로, 인쇄 회로 기판에는 중앙 처리 장치나 그래픽 처리 장치, 다양한 저장 장치가 설치되어 있을 수 있다. 인쇄 회로 기판은 실시예에 따라서 하우징(10a)의 내측면에 고정되어 중앙 처리 장치 등이 안정적으로 고정될 수 있도록 하는 기능을 제공할 수 있다.
하우징(10a)은 다양한 저장 장치를 내장하고 있을 수 있다. 저장 장치는 자기 디스크 표면을 자화시켜 데이터를 저장하는 자기 디스크 저장 장치일 수도 있고, 다양한 종류의 메모리 반도체를 이용하여 데이터를 저장하는 반도체 메모리 장치일 수도 있다. 저장 장치에는 현재의 측정된 관절의 모션, 기준궤적 등이 저장될 수도 있다.
또한, 하우징(10a)은 하우징 내부의 각종 부품이나 또는 보행 보조부(20, 30, 40)에 동력을 공급하기 위한 전원이 더 내장되어 있을 수 있다.
또한, 하우징(10a)은 보행 보조부(20, 30, 40)의 동작을 제어하거나 또는 구동시키기 위한 소정의 엑츄에이터(actuator)가 더 설치되어 있을 수도 있다.
실시예에 따라서 본체부(10)는 착용자의 허리를 지지하기 위한 허리 지지부(11)를 더 포함할 수도 있다. 허리 지지부(11)는 착용자의 허리를 지지하기 위해서 만곡된 평면판의 형상을 구비할 수 있다.
또한, 본체부(10)는 착용자와 하우징(10a) 또는 허리 지지부(11)를 고정하기 위해 적어도 하나의 고정수단(12a, 12b)를 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 고정수단(12a, 12b)으로는 하우징(10a) 등을 허리나 둔부 등에 고정시킬 수 있는 다양한 종류의 수단이 이용될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 고정수단(12a, 12b)은 탄성력을 구비한 밴드나 각종 다양한 종류의 스트랩(strap)일 수도 있다.
관절모션 감지부(29, 39, 49)는 실시예에 따라 관절의 각도, 보행속도, 보행시간, 관절의 각속도, 착용자 상체의 기울기, 근육에 대한 전기적 신호, 지면의 경사도 등을 측정할 수 있다. 그리고, 관절의 모션은 서로 다른 지지프레임 사이에 위치한 힌지의 모션으로 표현될 수도 있다.
관절모션 감지부(29, 39, 49)는 제 1 지지 프레임, 제 2 지지프레임이 힌지결합하는 힌지에 위치할 수 있고, 보조 토크를 제공하는 구동부(21 31, 41)에 위치할 수 있다.
또한, 관절모션 감지부(29, 39, 49)에서의 관절의 각도 측정은 포텐셔미터(Potentiometer), 절대위치 인코더(Absolute Encoder), 증감형 인코더(Incremental Encoder) 등의 각도센서를 사용할 수 있다. 포텐셔미터(Potentiometer)는 각도에 따라 가변저항의 값을 달리하여 관절이 움직이는 각도에 정비례하는 전기적 입력을 산출하는 각도센서이고, 절대위치 인코더(Absolute Encoder)는 기준되는 위치를 설정하지 않고 광학 펄스파를 이용해 어느 정도의 회전으로 해당위치에 있는지 검출하는 각도센서이며, 증감형 인코더(Incremental Encoder)는 기준되는 위치를 설정하여 측정된 각도의 증감을 통해 각도를 산출하는 것으로, 광학 펄스파를 이용해 어느 정도의 회전으로 해당위치에 있는지 검출하는 각도센서이다.
또한, 관절모션 감지부(29, 39, 49)는 적어도 하나의 관성 측정 장치(IMU, Inertial Measurement Unit)를 포함할 수 있다. 관성 측정 장치는 복수 축의 관성 센서(Inertial sensor), 예를 들어 3축 관성 센서 및 자이로 센서(Gyro sensor) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 실시예에 따라 본 관성 측정 장치는 착용자 상체의 기울기를 측정하거나, 보행가속도를 측정하여 이를 보행속도로 산출할 수 있다.
또한, 관절모션 감지부(29, 39, 49)는 적어도 하나의 근전도 측정 장치(EMG, Electromyography)를 포함할 수 있다. 근전도 측정이란 근전도기기(electromyograph)를 사용하여 신경 자극에 대한 근육의 반응을 근육 내 전기적 변화를 감지하여 근육의 움직임에 대해 측정하는 것이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예로서 근전도 측정을 통해 착용자의 근육의 움직임에 대한 패턴을 데이터화하고, 이 데이터를 보조 토크를 결정하는데 사용할 수 있다.
또한, 관절모션 감지부(29, 39, 49)를 직접적으로 이용하지 않고, 측정된 관절모션을 이용해 간접적으로 보행속도와 지면의 경사를 추정할 수 있다. 예를 들어, 측정된 관절의 위치가 고관절이면, 착용자 다리의 길이 및 고관절 궤적의 최대, 최저각으로 한 보행주기에서의 이동거리를 산출하고, 그 거리에 고관절 모션의 주파수를 곱하여 보행속도를 산출할 수 있다. 또한, 측정된 관절의 각도와 측정된 관절의 각도에 따라 1:1 매칭되도록 기설정된 지면의 경사도에 대한 데이터를 대응시켜 현재의 지면의 경사도를 산출할 수 있다.
보행 보조부(20, 30, 40)는, 도 1a, 도 1b, 도 1c에 도시된 바와 같이 고관절 보행 보조부(20), 무릎관절 보행 보조부(30) 및 발목관절 보행 보조부(40)를 포함하고 있을 수 있다.
고관절 보행 보조부(20)는 보행 동작에 있어서 착용자의 대퇴부 및 고관절의 움직임을 보조하도록 할 수 있다. 무릎관절 보행 보조부(30)는 보행 동작에 있어서 착용자의 하퇴부 및 슬관절의 움직임을 보조하도록 할 수 있다. 또한, 발목관절 보행 보조부(40)는 보행 동작에 있어서 착용자의 발목 관절 및 관련 근육의 움직임을 보조하도록 할 수 있다.
일 실시예에 의하면 고관절 보행 보조부(20), 무릎관절 보행 보조부(30) 및 발목관절 보행 보조부(40)는 보행 보조 기구(1)에 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 착용자의 엉덩이, 무릎, 발목 중 적어도 1부위에 고관절 보행 보조부(20), 무릎관절 보행 보조부(30) 및 발목관절 보행 보조부(40)가 착용될 수 있다. 또한, 엉덩이, 무릎, 발목 중 2부위 이상에 착용이 되는 경우 1부위에서 산출된 보행 위상을 사용해 다른 부위에 대한 보조 토크를 제공할 수 있다. 예를 들어, 고관절 보행 보조부(20)는 고관절의 모션을 측정하여 보행 위상을 산출하고, 무릎관절 보행 보조부(30)는 고관절 보행 보조부(20)에서 산출한 보행 위상을 무릎 부위에 대한 보조 토크를 결정하는데 사용될 수 있다.
또한, 착용자의 좌족 및 우족 중 어느 하나에서 고관절 보행 보조부(20), 무릎관절 보행 보조부(30) 및 발목관절 보행 보조부(40)가 착용될 수 있을 것이다.
또한, 다른 실시예에 의하면 고관절 보행 보조부(20), 무릎관절 보행 보조부(30) 및 발목관절 보행 보조부(40)는 이족 보행을 보조하기 위해 좌족 및 우족에 설치될 수 있도록 고관절 보행 보조부 쌍(20R, 20L), 무릎관절 보행 보조부 쌍(30R, 30L) 및 발목관절 보행 보조부 쌍(40R, 40L) 으로 존재할 수 있다. 이 경우 좌족, 우족 중 일 측면에서 산출된 보행 위상을 다른 측면에도 동일한 보행 위상을 사용해 다른 측면에 대한 보조 토크를 제공할 수 있다. 예를 들어, 우측 무릎관절 보행 보조부(30R)는 우측 무릎에 대한 무릎관절의 모션을 측정하여 보행 위상을 산출하고, 좌측 무릎관절 보행 보조부(30L)는 우측 무릎관절 보행 보조부(30R)가 산출한 보행 위상을 좌측 무릎 부위에 대한 보조 토크를 결정하는데 사용할 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 복수의 고관절 보행 보조부(20), 무릎관절 보행 보조부(30) 및 발목관절 보행 보조부(40)를 포함하는 보행 보조 기구(1)에 대해 설명하도록 한다.
복수의 고관절 보행 보조부(20R, 20L)는 각각 적어도 하나의 허리 고정수단(12a, 12b), 허벅지 고정수단(23R, 23L), 엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L), 엉덩이 제 2 지지 프레임(22R, 22L), 엉덩이 동력부(21R, 21L) 및 고관절 모션 감지부(29R, 29L)를 포함할 수 있다.
엉덩이 동력부(21R, 21L)는 적어도 하나의 방향으로 회전하면서 적어도 하나의 방향으로 다양한 크기의 보조 토크를 발생시켜 엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L)과 엉덩이 제 2 지지 프레임(22, 22L)으로 보조 토크를 인가할 수 있다. 엉덩이 동력부(21R, 21L)는 인체의 고관절의 동작 범위 내에서 회전 구동하도록 설정될 수 있다.
일 실시예에 의하면 엉덩이 동력부(21R, 21L)는 본체부(10) 등에서 공급되는 전기 에너지 등에 따라 소정 토크의 회전력을 발생시키는 적어도 하나의 모터를 포함할 수도 있다. 또한, 본체부(10) 등에서 공급되는 전기 에너지 또는 유체의 압력, 일례로 유압이나 공기압 등의 압력에 의해 동작하여 회전력을 발생시키는 적어도 하나의 피스톤이나 실린더 장치를 포함할 수도 있다. 또한, 실시예에 따라서 엉덩이 동력부(21R, 21L)는 적어도 하나의 모터 및 적어도 하나의 피스톤이나 실린더 장치를 모두 포함할 수 있다.
적어도 하나의 엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L), 엉덩이 제 2 지지 프레임(22R, 22L)은 엉덩이 동력부(21R, 21L)와 물리적으로 연결되어 있을 수 있고, 엉덩이 동력부(21R, 21L)에서 발생한 보조 토크에 따라 적어도 하나의 방향으로 회전될 수 있다.
엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L), 엉덩이 제 2 지지 프레임(22R, 22L)은 도 1a, 도 1b, 도 1c에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 지지대에 의해 구현될 수 있다. 엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L), 엉덩이 제 2 지지 프레임(22R, 22L)은 필요에 따라서 다양한 형상을 구비할 수 있다. 예를 들어, 엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L), 엉덩이 제 2 지지 프레임(22R, 22L)은 육면체의 형상을 구비할 수 있고, 복수의 지지대가 결합되어 구현될 수도 있다.
또한, 엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L), 엉덩이 제 2 지지 프레임(22R, 22L)은 복수의 마디가 서로 연결되어 있는 형태로 구현될 수도 있다. 이 경우 복수의 마디 사이에는 복수의 마디를 연결하는 복수의 관절이 결합되어 있을 수 있다. 복수의 관절은 적어도 하나의 방향으로 회전 가능할 수 있다. 그에 따라 엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L), 엉덩이 제 2 지지 프레임(22R, 22L)은 복수의 관절의 회전 범위에 따라서 적어도 하나의 방향으로 일정한 범위 내에서 휘어질 수도 있다. 실시예에 따라서 복수의 마디 중 두 개의 마디를 하나의 관절이 연결할 수도 있고, 복수의 관절이 연결할 수도 있다. 두 개의 마디를 복수의 관절이 연결하는 경우 각각의 관절은 서로 다른 방향으로 회전 가능할 수 있다. 그에 따라 엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L), 엉덩이 제 2 지지 프레임(22R, 22L)은 다양한 방향으로 일정한 범위 내에서 휘어질 수도 있다.
또한, 엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L), 엉덩이 제 2 지지 프레임(22R, 22L)은 실시예에 따라서 가요성이 있는 소재로 형성될 수 있으며, 소재의 가요성에 의하여 일정한 범위 내에서 휘어질 수도 있다.
복수의 고관절 보행 보조부(20R, 20L)는 엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L), 엉덩이 제 2 지지 프레임(22R, 22L)을 착용자의 고관절과 대퇴부에 고정시키기 위한 허리 고정수단(12a, 12b), 허벅지 고정수단(23R, 23L)을 포함할 수 있다. 엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L), 엉덩이 제 2 지지 프레임(22R, 22L)은 허리 고정수단(12a, 12b), 허벅지 고정수단(23R, 23L)을 통하여 착용자의 고관절과 대퇴부의 내측 또는 외측에 고정될 수 있다. 엉덩이 동력부(21R, 21L)가 제공하는 보조 토크에 따라 엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L), 엉덩이 제 2 지지 프레임(22R, 22L)이 회전하게 되면, 엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L), 엉덩이 제 2 지지 프레임(22R, 22L)에 고정된 고관절과 대퇴부 역시 동일한 방향으로 고관절을 축으로 회전하게 될 수 있다.
허리 고정수단(12a, 12b), 허벅지 고정수단(23R, 23L)은 금속 소재로 형성된 것일 수도 있고, 고무 등과 같은 각종 탄성력 있는 소재로 형성된 것일 수도 있다. 또한, 허리 고정수단(12a, 12b), 허벅지 고정수단(23R, 23L)은 탄성력을 구비한 밴드 또는 각종 스트랩일 수도 있다. 이외에도 엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L), 엉덩이 제 2 지지 프레임(22R, 22L)이 대퇴부 등에 고정될 수 있도록 하기 위한 다양한 고정수단도 허리 고정수단(12a, 12b), 허벅지 고정수단(23R, 23L)의 일례로 이용될 수 있을 것이다.
허리 고정수단(12a, 12b), 허벅지 고정수단(23R, 23L)이 고관절과 대퇴부 등에 고정됨으로써 고관절 보행 보조부(20R, 20L)는 대퇴부를 들어 올리거나 또는 내리는 착용자의 동작을 보조하도록 소정의 보조 토크를 착용자의 대퇴부나 고관절 등에 인가할 수 있게 된다. 이에 따라 착용자는 다리를 들어올리는 동작을 하거나 또는 보행 동작을 하는 경우 편의를 제공받을 수 있게 된다.
복수의 무릎관절 보행 보조부(30R, 30L)는 각각 적어도 하나의 허벅지 고정수단(23R, 23L), 정강이 고정수단(33R, 33L), 무릎 제 1 지지 프레임(22R, 22L), 무릎 제 2 지지 프레임(32R, 32L), 무릎 동력부(31R, 31L) 및 무릎관절 궤적 감지부(39R, 39L)를 포함할 수 있다.
무릎 동력부(31R, 31L)는 적어도 하나의 방향으로 다양한 크기의 보조 토크 발생시킬 수 있다. 무릎 동력부(31R, 31L)는 인체의 슬관절의 동작 범위 내에서 구동하도록 설정될 수 있다.
일 실시예에 의하면 무릎 동력부(31R, 31L)는 본체부(10) 등에서 직접 공급되는 전력이나 또는 유체의 압력, 또는 고관절 보행 보조부(20R, 20L) 등을 통해 간접적으로 전달되는 전력이나 유체의 압력 등에 따라 소정 토크의 회전력을 발생시키는 적어도 하나의 모터나 적어도 하나의 피스톤이나 실린더 장치를 포함할 수도 있다. 상술한 바와 동일하게 무릎 동력부(31R, 31L)는 적어도 하나의 모터 및 적어도 하나의 피스톤이나 실린더 장치를 모두 포함할 수도 있다.
적어도 하나의 무릎 제 1 지지 프레임(22R, 22L), 무릎 제 2 지지 프레임(32R, 32L)은 무릎 동력부(31R, 31L)와 물리적으로 연결되어 있을 수 있고, 무릎 동력부(31R, 31L)에서 발생한 보조 토크에 따라 적어도 하나의 방향으로 회전될 수 있다. 무릎 제 1 지지 프레임(22R, 22L), 무릎 제 2 지지 프레임(32R, 32L)의 구성, 구조 및 소재 등은 상술한 엉덩이 제 1 지지 프레임(14R, 14L), 엉덩이 제 2 지지 프레임(22R, 22L)과 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다.
복수의 무릎관절 보행 보조부(30R, 30L)는 무릎 제 1 지지 프레임(22R, 22L), 무릎 제 2 지지 프레임(32R, 32L)을 착용자의 대퇴부와 하퇴부에 고정시키기 위한 허벅지 고정수단(23R, 23L), 정강이 고정수단(33R, 33L)을 포함할 수 있다. 무릎 제 1 지지 프레임(22R, 22L), 무릎 제 2 지지 프레임(32R, 32L)은 허벅지 고정수단(23R, 23L), 정강이 고정수단(33R, 33L)을 통하여 착용자의 대퇴부와 하퇴부의 내측 또는 외측에 고정될 수 있다. 정강이 고정수단(33R, 33L)의 구성, 구조 및 소재 등은 상술한 허리고정수단(12a, 12b), 허벅지 고정수단(23R, 23L)과 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다.
허벅지 고정수단(23R, 23L), 정강이 고정수단(33R, 33L)에 의해 대퇴부와 하퇴부가 무릎 제 1 지지 프레임(22R, 22L), 무릎 제 2 지지 프레임(32R, 32L) 등에 고정될 수 있음으로써, 무릎관절 보행 보조부(30R, 30L)는 소정의 보조 토크를 착용자의 하퇴부나 슬관절 등에 인가할 수 있게 된다. 이에 따라 무릎관절 보행 보조부(30R, 30L)는 하퇴부를 들어 올리거나 또는 내리는 착용자의 동작을 보조할 수 있게 된다.
복수의 발목관절 보행 보조부(40R, 40L)는 각각 적어도 하나의 발목 고정수단(34R, 34L), 발등 고정수단(43R, 43L), 발목 제 1 지지 프레임(32R, 32L), 발목 제 2 지지 프레임(42R, 42L), 발목 동력부(41R, 41L) 및 발목관절 모션 감지부(49R, 49L)를 포함할 수 있다. 따라서, 발목관절 보행 보조부(40R, 40L)는 보행 동작에 있어서 착용자의 발목의 동작을 보조할 수 있도록 할 수 있다.
발목 고정수단(34R, 34L), 발등 고정수단(43R, 43L)은 발목 제 1 지지 프레임(32R, 32L), 발목 제 2 지지 프레임(42R, 42L) 등과 연결되어 있을 수 있으며, 착용자의 발목과 발목 제 1 지지 프레임(32R, 32L), 발목 제 2 지지 프레임(42R, 42L) 등을 고정하는 기능을 제공할 수 있다. 발목 고정수단(34R, 34L), 발등 고정수단(43R, 43L)의 구성, 구조 및 소재 등은 상술한 허리 고정수단(12a, 12b), 허벅지 고정수단(23R, 23L)과 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다.
발목 제 2 지지 프레임(42R, 42L)은 착용자의 발바닥이 안착될 수 있다.
발목 제 2 지지 프레임(42R, 42L)에는 소정의 압력 센서가 설치되어 있을 수 있다. 소정의 압력 센서는 착용자의 무게를 감지하여 착용자가 보행 보조 기구(1)을 착용하였는지 여부나 또는 착용자가 일어섰는지 여부 등을 감지할 수 있다.
또한, 발목 제 2 지지 프레임(42R, 42L)에는 착용자가 보행하는 경우 착용자의 발로 전달되는 지면 반력(GRF, ground reaction force)를 감지하기 위한 소정의 압력 센서, 즉 지면 반력 센서가 설치되어 있을 수도 있다.
일 실시예에 의하면 발목 동력부(41R, 41L)는 본체부(10) 등에서 직접 공급되는 전력이나 또는 유체의 압력, 또는 고관절 보행 보조부(20R, 20L) 등을 통해 간접적으로 전달되는 전력이나 유체의 압력 등에 따라 소정 토크의 회전력을 발생시키는 적어도 하나의 모터나 적어도 하나의 피스톤이나 실린더 장치를 포함할 수도 있다. 상술한 바와 동일하게 발목 동력부(41R, 41L)는 적어도 하나의 모터 및 적어도 하나의 피스톤이나 실린더 장치를 모두 포함할 수도 있다.
실시예에 따라서 보행 보조 기구(1)의 고정수단(12a, 12b, 23R, 23L, 33R, 33L, 34R, 34L, 43R, 43L)의 개수는 보행 보조 기구(1)의 설계자의 설계 의도에 따라서 상술한 것보다 더 많을 수도 있고, 더 적을 수도 있다.
일 실시예에 의하면 상술한 보행 보조부(20, 30, 40)의 구동 및 동작은 본체부(10) 등에 설치된 엑츄에이터에 의해 개시되거나 제어될 수 있다. 또한 보행 보조부(20, 30, 40) 각각이 서로 별도로 제어 신호를 전달받고 각각 별도로 개시 및 동작하는 것도 가능하다.
이상 설명한 각종 부품 및 이들의 동작에 의하여, 보행 보조 기구(1)은 사용자의 보행을 보조할 수 있게 된다.
이하 도 2 내지 도 12를 참조하여 보행 보조 기구(1)의 보행 보조부(20, 30, 40)를 제어하기 위한 보행 보조 기구(1)의 각 구성에 대해 설명하도록 한다.
도 2는 PSAO(Particularly Shaped Adaptive Oscillator, 120)를 이용해 측정한 힌지의 각도(110)와 기준각도궤적(130)으로부터 보행 위상(140)을 산출하고, 보행 위상에 해당하는 보조 토크(160)를 결정하는 일 실시예의 개념을 도시하고 있다.
힌지의 각도궤적 감지부(100)를 통해 착용자의 관절의 각도에 해당되는 측정된 힌지의 각도(110)를 측정하고, PSAO(120)로부터 측정된 힌지의 각도(110)를 입력으로 하여 보행 위상(140)을 얻어, 보조 토크 결정부(150)는 보행위상(140)에 해당되는 보조 토크(160)를 결정할 수 있다.
PSAO(Particularly Shaped Adaptive Oscillator, 120)는 측정된 힌지의 각도(110)를 입력으로 하여 보행 위상(140)을 출력으로 하는 신호처리에 대한 모듈일 수 있다.
PSAO(120)에 저장된 기준각도궤적(130)은 보행 위상(140)에 대한 각도의 궤적일 수 있다. 여기서, 보행위상(140)은 일 측면의 발이 지면에 닿는 순간부터 일 측면의 발이 다시 지면에 닿는 순간까지를 한 주기로 하여 한 주기동안 선형적으로 증가하는 변수로 정의할 수 있다. 예를 들어, 보행위상(140)은 일 측면의 발이 지면에 닿는 순간을 0[%]으로 하여, 한 보행 주기동안 선형적으로 증가하여 일 측면의 발이 다시 지면에 닿기 직전의 순간을 100[%]로 정의할 수 있다.
또한, PSAO(120)는 오프셋, 기본 주파수 또는 기본 주파수를 변조한 주파수를 갖는 복수개의 오실레이터(oscillator)를 가질 수 있고, 복수개의 오실레이터는 각각의 위상과 진폭을 가질 수 있다. 여기서, 기본 주파수를 변조한 주파수는 기본 주파수의 정수배의 주파수일 수도 있다.
구체적으로, PSAO는 기본 주파수와 기본 주파수의 정수배에 해당하는 주파수를 가지는 복수개의 오실레이터 각각에 기준각도궤적(130), 각각의 위상 및 진폭을 적용하여 각각의 각도를 얻을 수 있다. 그리고, 복수개의 오실레이터로부터 얻는 복수개의 각도들을 중첩하여 중첩각도를 생성하고, 생성된 중첩각도를 보행주기 순으로 조합하여 중첩각도궤적을 생성할 수 있다. 이후, PSAO(120)는 중첩각도와 측정된 힌지의 각도(110) 간의 오차를 최소화하기 위해서 기본 주파수, 오프셋, 복수개의 오실레이터의 위상 및 진폭을 반복적으로 보정할 수 있다. 이러한 보정을 일정 횟수 반복하면, 중첩각도궤적은 힌지의 각도(110)를 보행주기 순으로 조합한 힌지의 각도궤적과 근사한 주기적 궤적을 형성할 수 있고, 기본 주파수, 오프셋 및 복수개의 오실레이터의 진폭은 측정된 힌지의 각도궤적과 상응되게 일정 값으로 수렴될 수 있다.
PSAO(120)에서 측정된 힌지의 각도(110)와 상응하도록 보정을 하여 중첩각도궤적을 형성하여 일정 값으로 수렴되면, PSAO의 기본주파수는 보행 주파수에 해당할 수 있으며, 기본 주파수를 가지는 오실레이터의 위상은 착용자의 현재 보행위상(140)에 해당할 수 있다.
이하, 상술한 PSAO(120)가 측정된 힌지의 각도궤적에 주기적으로 상응되도록 기본 주파수, 오프셋, 복수개의 오실레이터의 위상 및 진폭을 보정하는 방법과 보행위상(140)을 산출하는 방법에 대해 수식적으로 설명하도록 한다.
Figure 112014002424089-pat00001
수학식 1은 중첩각도를 산출하는 식으로, 기준각도궤적 함수 f(
Figure 112014002424089-pat00002
Figure 112014002424089-pat00003
)에 특정 오실레이터(oscillator) 각각의 위상을 적용한 값과 특정 오실레이터(oscillator) 각각의 진폭을 곱한 값을 복수개의 오실레이터(oscillator)의 값들의 총합과 PSAO 오프셋의 합으로 산출될 수 있다.
수학식 1에서의 변수 중, PSAO의 복수개의 오실레이터(oscillator)를 나타내는 인덱스는 i, 힌지의 각도 측정 및 보정 사이클의 인덱스는 n, 중첩각도는
Figure 112014002424089-pat00004
, 중첩각도의 오프셋은
Figure 112014002424089-pat00005
, i번째 oscillator의 진폭은
Figure 112014002424089-pat00006
, PSAO내 oscillator의 기준각도궤적의 위상에 대한 함수는 f(
Figure 112014002424089-pat00007
), i번째 oscillator의 위상은
Figure 112014002424089-pat00008
일 수 있다.
Figure 112014002424089-pat00009
수학식 2는 오차값을 산출하는 식으로, 오차값은 측정된 힌지의 각도(110)와 수학식 1에서 산출한 중첩각도의 차이값일 수 있다.
수학식 2에서의 변수 중, 측정된 힌지의 각도와 PSAO의 중첩각도의 오차값은 ε, 측정된 힌지의 각도는
Figure 112014002424089-pat00010
일 수 있다.
Figure 112014002424089-pat00011
수학식 3은 PSAO의 Oscillator의 기본각도궤적에 대한 변화율로, 기본각도궤적의 함수를 위상에 대해서 미분하여 산출할 수 있다.
수학식 3에서의 변수 중, PSAO내 oscillator의 기준각도궤적 함수 f(
Figure 112014002424089-pat00012
)의 위상에 대한 변화율은 f’(
Figure 112014002424089-pat00013
) 일 수 있다.
Figure 112014002424089-pat00014
수학식 4는 PSAO의 복수개의 오실레이터(oscillator) 중 기본 주파수의 i배의 주파수를 가지는 오실레이터(oscillator)의 진폭을 보정하는 식으로, 진폭의 보정이득, 오차값, i번째의 오실레이터(oscillator)의 위상을 기준각도궤적 함수에 적용한 결과값을 곱하고 오실레이터(oscillator) 인덱스를 나누어 오실레이터(oscillator)의 진폭 보정량을 산출할 수 있다. 그리고, 진폭 보정량에 보정 반복 주기인
Figure 112014002424089-pat00015
를 곱한 값에 이전 보정한 진폭값을 더해 현재 보정 진폭값을 결정할 수 있다. 그러나, 현재 보정 진폭값은 0보다 작지 않게 제한될 수 있다. 수학식 4의 계산을 통해 힌지의 각도(110)와 중첩 각도 사이의 오차값을 줄일 수 있다.
수학식 4에서의 변수 중, 진폭의 보정이득은
Figure 112014002424089-pat00016
, 힌지 각도 측정 및 보정 반복 주기는
Figure 112014002424089-pat00017
일 수 있다. 또한, 측정이 이루어지는 시점을 샘플링 타임이라고 하면, 샘플링 타임의 간격을 샘플링 주기(
Figure 112014002424089-pat00018
)라고 할 수 있다. 샘플링 주기는 연산의 단위시간일 수 있으며, 일반적으로 대략
Figure 112014002424089-pat00019
= 1~10[ms] 범위 값을 가질 수 있다.
Figure 112014002424089-pat00020
수학식 5는 PSAO의 복수개의 오실레이터(oscillator) 중 기본 주파수의 i배의 주파수를 가지는 오실레이터(oscillator)의 위상을 산출하는 식으로, i번째 오실레이터(oscillator)는 기본 주파수의 i배의 주파수를 가질 수 있다. 위상의 경우, 오차값과 기준각도궤적 변화율을 곱한 값에 의해 위상의 증가량이 가감될 수 있는바, 힌지의 각도(110)와 PSAO 중첩각도궤적의 오차값이 감소할 수 있다. 따라서, 위상을 보정하기 위해서, 오실레이터(oscillator)의 인덱스와 PSAO의 기본 주파수를 곱하여 제 1 결과값을 얻고, 위상의 보정이득, 오차 및 해당 oscillator의 위상을 현재 기본각도궤적의 변화율에 대한 함수에 적용한 결과값을 곱하여, 복수개의 오실레이터(oscillator)의 진폭들을 모두 더한 값으로 나누어 제 2 결과값을 얻을 수 있다. 그리고, 제 1 결과값과 제 2 결과값을 더하면, i번째 오실레이터(oscillator)의 위상의 보정값을 산출할 수 있다. 이 보정값에 보정싸이클 주기를 곱하고 이전 샘플링 타임에 보정된 위상을 더하면, i번째 오실레이터(oscillator)의 현재 보정된 위상을 산출할 수 있다.
수학식 5에서의 변수 중, 위상의 보정이득은
Figure 112014002424089-pat00021
, PSAO의 기본 주파수는 ω일 수 있다.
Figure 112014002424089-pat00022
수학식 6은 PSAO의 기본 주파수를 보정하는 식으로, 주파수의 보정이득, 오차값 및 1번째 오실레이터(oscillator)의 위상을 기본각도궤적의 변화율에 대한 함수에 적용한 결과값을 곱하고 복수개의 오실레이터(oscillator)의 진폭들을 모두 더한 값으로 나누어 제 3 결과값을 얻을 수 있다. 그리고, 커플링 주파수 이득, 다른 PSAO가 다른 측면에서 측정한 힌지의 각도궤적의 주파수와 본 PSAO의 기본 주파수의 차이를 제곱하고 -1/2를 곱한 값을 자연지수 처리한 값 및 다른 측면에서 측정된 힌지의 각도궤적의 주파수와 힌지의 주파수의 차이를 곱한 값을 수학식 6에서 계산되는 힌지를 제외한 모든 힌지별로 더하여 제 4 결과값을 얻을 수 있다.
수학식 6에서의 제 3 결과값은 PSAO의 기본 주파수가 힌지의 각도궤적의 주파수에 상응하게 기본 주파수를 보정하기 위한 수식일 수 있다.
또한, 제 4 결과값은 좌우측면의 감지부 또는 상이한 부위의 감지부에서 측정된 힌지의 각도궤적의 주파수는 공통의 보행 주파수로 통상적으로 일치하지만, 각각의 PSAO가 추정한 주파수가 상이한 특별한 경우에 주파수들을 일치시키기 위해 기본 주파수를 보정하기 위한 수식일 수 있다.
구체적으로, 제 4 결과값의 자연지수 부분은 두 주파수의 차이가 크면 0으로 수렴해 두 주파수사이의 이끌림을 차단할 수 있고, 두 주파수의 차이가 작으면 일치하는 방향으로 보정되게 할 수 있다.
결과적으로, 제 3 결과값과 제 4 결과값의 합은 PSAO기본 주파수의 보정량이 될 수 있고, 제 3 결과값과 제 4 결과값의 합에 보정 주기를 곱한 뒤, 이전에 보정된 기본 주파수를 더하면 현재 보정된 기본 주파수를 얻을 수 있다.
수학식 6에서의 변수 중, 주파수의 보정이득은
Figure 112014002424089-pat00023
, 커플링 주파수 이득은
Figure 112014002424089-pat00024
, 다른 측면에서 측정된 힌지의 각도 궤적을 다른 PSAO가 산출한 주파수는
Figure 112014002424089-pat00025
일 수 있다.
Figure 112014002424089-pat00026
수학식 7은 PSAO의 중첩각도의 오프셋을 보정하는 수식으로, PSAO의 중첩각도의 오프셋이 힌지 각도의 오프셋에 상응되게 보정되어, 오프셋으로 인한 오차를 감소시킬 수 있다.
수학식 7에서의 변수 중, 오프셋 보정이득은
Figure 112014002424089-pat00027
일 수 있다.상술한 수식과 개념을 통해 PSAO는 힌지의 각도에 상응하도록 중첩각도를 산출하고, 이러한 과정을 착용자의 보행시간 동안 계속적으로 거쳐 중첩각도와 힌지의 각도(110)의 궤적을 서로 근사시킬 수 있다.
또한, 위에서 언급한 PSAO는 일 실시예에 따라 제어부에 복수개가 구비될 수 있다.
도 3은 PCAO(Phase Compensated Adaptive Oscillator, 260)를 이용해 측정한 힌지의 각도(210)와 기준각도궤적으로부터 보행 위상(262)을 산출하고, 보행 위상(262)에 해당하는 보조 토크(271)를 결정하는 일 실시예의 개념을 도시하고 있다.
힌지의 각도 감지부(200)를 통해 착용자의 관절의 각도에 해당되는 측정된 힌지의 각도(210)를 측정하고, PCAO로부터 측정된 힌지의 각도(210)를 입력으로 하여 보행 위상(262)을 얻어, 보조 토크 결정부(270)는 보행 위상(262)에 해당되는 보조 토크(271)를 결정할 수 있다.
PCAO(Phase Compensated Adaptive Oscillator, 260)는 측정된 힌지의 각도(210)를 입력으로 하여 현재의 보행위상(262)을 출력으로 하는 신호처리에 대한 모듈일 수도 있고, PSAO의 기본각도궤적을 구형파(Sinusoidal Wave)로 대신하는 PSAO의 하위개념일 수도 있다.
구체적으로, PCAO(260)는 AO-1(제 1 Adaptive Oscillator, 220), AO-2(제 2 Adaptive Oscillator, 240) 및 보행 위상 산출부(261)를 포함할 수 있다.
AO-1(제 1 Adaptive Oscillator, 220)는 현재 측정된 힌지의 각도(210)를 입력으로 하여, 기본 주파수와 기본 주파수를 변조한 주파수를 가지는 삼각함수들을 중첩해 제 1 중첩각도궤적을 산출하고, 기본 주파수를 가지는 삼각함수의 위상인 제 1 위상(231)을 산출하는 모듈일 수 있다.
AO-2(제 2 Adaptive Oscillator, 240)는 보행 위상 산출부에서 산출한 현재의 보행 위상(262)을 입력으로 보행위상(262)에 대응하는 기준각도궤적에서의 기준각도(251)를 기본 주파수와 기본 주파수를 변조한 주파수를 가지는 삼각함수들에 적용하여, 기준각도(251)를 적용한 삼각함수들을 중첩해 제 2 중첩각도궤적을 산출하고, 기본 주파수를 가지는 삼각함수의 위상인 제 2 위상(252)을 산출하는 모듈일 수 있다.
PCAO(260)의 AO-1(제 1 Adaptive Oscillator, 220)는 현재 측정된 힌지의 각도(210)에 해당하는 위상만을 산출하는 모듈인바, 보행 중 힌지의 기준각도궤적을 이용한 제 2 중첩각도궤적으로 제 1 중첩각도궤적을 보상할 수 없다. 따라서, PCAO(260)에 AO-2(제 2 Adaptive Oscillator, 240)가 추가적으로 포함될 수 있다.
보행 위상 산출부(261)는 AO-1(제 1 Adaptive Oscillator, 220)에서 산출한 제 1 위상(231)과 AO-2(제 2 Adaptive Oscillator, 240)에서 산출한 제 2 위상(252)을 입력으로 제 1 위상(231)과 제 2 위상(252)의 위상차를 반영하여 현재의 보행 위상(262)을 계산하는 모듈일 수 있다.
이하, PCAO(260)에서 측정한 힌지의 각도(210)를 입력으로 하여 현재의 보행 위상(262)을 산출하는 신호처리에 대해서 PCAO(260)의 개별적인 구성요소의 관점이 아닌 PCAO 모듈(260)의 관점에서 설명하도록 한다.
AO-1(제 1 adaptive oscillator, 220)에 측정된 힌지의 각도(210)를 입력으로 하여 AO-1(제 1 adaptive oscillator, 220)에서 출력한 제 1 위상(231)은, 힌지의 각도(210)를 AO-1(제 1 adaptive oscillator, 220)의 기본 주파수 및 기본 주파수를 변조한 주파수를 가지는 삼각함수에 적용하여, 중첩한 제 1 중첩각도궤적의 위상일 수 있다. 또한, 제 1 위상은 제 1 중첩각도궤적의 위상을 구성하는 삼각함수 중 기본 주파수를 가지는 삼각함수의 위상일 수도 있다.
한편, 보행 위상(262)은 발 뒤꿈치가 땅에 닿는 순간을 기준 시점으로 하여 결정하는 위상일 수 있다. 따라서, 제 1 위상(231)은 발 뒤꿈치가 땅에 닿는 순간을 기준 시점으로 상정한 것이 아닌바, 제 1 위상(231)을 보행 위상이라고 할 수가 없다. 이러한 기준 시점의 차이를 보상하기 위해, 보행 위상 산출부(261)는 제 1 위상(231)을 보정하여 보행 위상(262)을 결정할 수 있다.
보정하는 방법은 AO-2(제 2 Adaptive Oscillator, 240)를 이용해 제 2 중첩각도궤적을 산출해, 제 2 중첩각도궤적의 위상인 제 2 위상(252)을 제 1 위상(231)과 비교하여 보정하는 것일 수 있다.
구체적으로, AO-2(제 2 adaptive oscillator, 240)에서 보행 위상(262)에 대응하는 기준각도궤적에서의 기준각도(251)를 입력으로 하여 산출한 제 2 위상(252)은, AO-2(제 2 adaptive oscillator, 240)의 기본 주파수 및 기본 주파수를 변조한 주파수를 가지는 삼각함수를 중첩한 제 2 중첩각도궤적의 위상일 수 있다. 또한, 제 2 위상은 제 2 중첩각도궤적의 위상은 구성하는 삼각함수 중 기본 주파수를 갖는 삼각함수의 위상일 수 있다.
그리고, PCAO(260)는 보행 위상 산출부(261)에서 제 2 위상(252)과 제 1 위상(231)의 차이를 누적하여 제 1 위상(231)에 대해 보상을 하는 것으로써 보행 위상(262)을 산출할 수 있다.
이후, 보조 토크 결정부(270)에서 PCAO(260)를 통해 산출된 보행 위상(262)에 해당하는 보조 토크(271)를 결정할 수 있다.
상술한 AO-1(제 1 adaptive oscillator, 220)과 AO-2(제 2 adaptive oscillator, 240)는 각각 adaptive oscillator 모듈로써, 아래 수식들에 의해 그 동작을 설명할 수 있다.
Figure 112014002424089-pat00028
수학식 8은 AO-1(제 1 adaptive oscillator), AO-2(제 2 adaptive oscillator)와 같은 AO(adaptive oscillator)가 중첩각도를 산출하는 식으로, 하나의 AO를 구성하는 여러 오실레이터(oscillator)의 위상을 sine 함수에 대입한 값과 해당 오실레이터의 진폭을 곱한 것을 모든 오실레이터에 대한 총합과 오프셋을 더하여 산출할 수 있다.
수학식 8에서의 변수 중, PCAO의 복수개의 오실레이터를 나타내는 인덱스는 i, 힌지의 각도 측정 및 보정 사이클의 인덱스는 n, 중첩각도는
Figure 112014002424089-pat00029
, 중첩각도의 오프셋은
Figure 112014002424089-pat00030
, i번째 oscillator의 진폭은
Figure 112014002424089-pat00031
, i번째 오실레이터의 위상은
Figure 112014002424089-pat00032
일 수 있다.
Figure 112014002424089-pat00033
수학식 9는 한 AO모듈 안에서 오차값을 산출하는 식으로, 오차값은 AO의 입력값과 수학식 8에서 산출한 중첩각도의 차이값일 수 있다. AO-1의 입력값은 현재 힌지의 각도이고, AO-2의 입력값은 현재 보행 위상에 해당하는 기준각도일 수 있다.
수학식 9에서의 변수 중, 오차값은 ε, AO의 입력값은
Figure 112014002424089-pat00034
일 수 있다.
Figure 112014002424089-pat00035
수학식 10은 PCAO의 복수개의 오실레이터 중 기본 주파수의 i배의 주파수를 가지는 오실레이터의 진폭을 보정하는 식으로, 진폭의 보정이득, 오차값, i번째의 오실레이터의 위상을 싸인(sine) 함수에 적용한 결과값을 곱하고 오실레이터 인덱스로 나누어 오실레이터의 진폭 보정량을 산출할 수 있다. 그리고, 진폭 보정량에 보정 반복 주기인
Figure 112014002424089-pat00036
를 곱한 값에 이전 보정한 진폭값을 더해 현재 보정 진폭값을 결정할 수 있다. 그러나, 현재 보정 진폭값은 0보다 작지 않게 제한될 수 있다. 수학식 10의 계산을 통해 힌지의 각도와 중첩각도 사이의 오차값을 줄일 수 있다.
수학식 10에서의 변수 중, 진폭의 보정이득은
Figure 112014002424089-pat00037
, 힌지 각도 측정 및 보정 반복 주기는
Figure 112014002424089-pat00038
일 수 있다. 또한, 측정 및 연산의 단위 시간인 샘플링 타임인
Figure 112014002424089-pat00039
는 일반적으로 대략
Figure 112014002424089-pat00040
= 1~10[ms] 범위 값을 가질 수 있다.
Figure 112014002424089-pat00041
수학식 11은 PCAO의 복수개의 오실레이터 중 기본 주파수의 i배의 주파수를 가지는 오실레이터의 위상을 산출하는 식으로, i번째 오실레이터는 기본 주파수의 i배의 주파수를 가질 수 있다. 위상의 경우, 오차값과 코사인(cosine)함수값을 곱한 값에 의해 위상의 증가량이 가감될 수 있는바, AO의 입력값과 AO의 중첩각도의 오차값이 감소할 수 있다. 따라서, 위상을 보정하기 위해서, 오실레이터의 인덱스와 AO의 기본 주파수를 곱하여 제 5 결과값을 얻고, 위상의 보정이득, 오차 및 해당 오실레이터의 위상을 코사인(cosine) 함수에 적용한 결과값을 곱하여, 복수개의 오실레이터의 진폭들을 모두 더한 값으로 나누어 제 6 결과값을 얻을 수 있다. 그리고, 제 5 결과값과 제 6 결과값을 더하면, i번째 오실레이터의 위상의 보정값을 산출할 수 있다. 이 보정값에 보정싸이클 주기를 곱하고 이전 보정된 위상을 더하면, i번째 오실레이터의 현재 보정된 위상을 산출할 수 있다.
수학식 11에서의 변수 중, 위상의 보정이득은
Figure 112014002424089-pat00042
, AO의 기본 주파수는 ω일 수 있다.
Figure 112014002424089-pat00043
수학식 12는 PCAO의 기본 주파수를 보정하는 식으로, 주파수의 보정이득, 오차값 및 1번째 오실레이터의 위상을 기본각도궤적의 변화율에 대한 함수에 적용한 결과값을 곱하여 제 7 결과값을 얻을 수 있다. 그리고, 커플링 주파수 이득, 다른 PCAO가 다른 측면에서 측정한 힌지의 각도궤적의 주파수와 본 PCAO 내부의 AO의 기본 주파수의 차이를 제곱하고 -1/2를 곱한 값을 자연지수 처리한 값 및 다른 측면에서 측정된 힌지의 각도궤적의 주파수와 힌지의 주파수의 차이를 곱한 값을 수학식 12에서 계산되는 힌지를 제외한 모든 힌지별로 더하여 제 8 결과값을 얻을 수 있다.
수학식 12에서의 제 7 결과값은 AO의 기본 주파수가 힌지의 각도궤적의 주파수에 상응하게 기본 주파수를 보정하기 위한 수식일 수 있다.
또한, 제 8 결과값은 좌우측면의 감지부 또는 상이한 부위의 감지부에서 측정된 힌지의 각도궤적의 주파수는 공통의 보행 주파수로 통상적으로 일치하지만, 각각의 PSAO가 추정한 주파수가 상이한 특별한 경우에 주파수들을 일치시키기 위해 기본 주파수를 보정하기 위한 수식일 수 있다.
구체적으로, 제 8 결과값의 자연지수 부분은 두 주파수의 차이가 크면 0으로 수렴해 두 주파수사이의 이끌림을 차단할 수 있고, 두 주파수의 차이가 작으면 일치하는 방향으로 보정되게 할 수 있다.
결과적으로, 제 7 결과값과 제 8 결과값의 합은 AO의 기본 주파수의 보정량이 될 수 있고, 제 7 결과값과 제 8 결과값의 합에 보정 주기를 곱한 뒤, 이전에 보정된 기본 주파수를 더하면 현재 보정된 기본 주파수를 얻을 수 있다.
수학식 12에서의 변수 중, 주파수의 보정이득은
Figure 112014002424089-pat00044
, 커플링 주파수 이득은
Figure 112014002424089-pat00045
, 다른 측면에서 측정된 힌지의 각도 궤적을 다른 PCAO가 산출한 주파수는
Figure 112014002424089-pat00046
일 수 있다.
Figure 112014002424089-pat00047
수학식 13은 PCAO의 중첩각도의 오프셋을 보정하는 수식으로, PCAO의 중첩각도의 오프셋이 힌지 각도의 오프셋에 상응되게 보정되어, 오프셋으로 인한 오차를 감소시킬 수 있다.
수학식 13에서의 변수 중, 오프셋 보정이득은
Figure 112014002424089-pat00048
일 수 있다.
Figure 112014002424089-pat00049
수학식 14는 제 1 위상과 제 2 위상을 통해 현재의 보행위상을 산출하는 식으로, 상술한 PCAO의 방법에서 제 1 위상과 제 2 위상의 차이를 매 싸이클마다 누적한 값을 제 1 위상에 더하여 보행 위상을 산출할 수 있다. 이러한 위상차 보상 싸이클이 반복됨에 따라 제 1 위상과 제 2 위상의 차이는 일정 값에 수렴할 수 있다.
수학식 14에서
Figure 112014002424089-pat00050
는 현재의 보행위상,
Figure 112014002424089-pat00051
는 AO-1의 출력값인 제 1 위상,
Figure 112014002424089-pat00052
는 AO-2의 출력값인 제 2 위상일 수 있다.
상술한 수식과 개념을 통해 PCAO는 힌지의 각도궤적과 기본각도궤적에 상응하는 보행위상을 산출할 수 있다.또한, 위에서 언급한 PCAO는 일 실시예에 따라 제어부에 복수개가 구비될 수 있다.
도 4a, 도 4b를 참조하면, 일 실시예에 의해 PSAO를 이용해 중첩각도궤적(276)이 측정된 힌지의 각도궤적(275) 에 상응하도록 보정되는 것을 알 수 있다.
도 4a는 PSAO를 이용해 중첩각도궤적(276)의 위상을 보정하는 일 실시예의 개념도로서, 오차값과 기준각도궤적 함수의 변화율이 양수인 제 1 영역과 오차값과 기준각도궤적 함수의 변화율이 음수인 제 2 영역에서 중첩각도궤적(276)의 위상이 측정된 힌지의 각도궤적(275)의 위상에 상응하도록 보정될 수 있다.
도 4b는 PSAO를 이용해 기준각도궤적의 진폭을 보정하는 일 실시예의 개념도로서, 오차값과 기준각도궤적 함수의 변화율이 양수인 제 1 영역과 오차값과 기준각도궤적 함수의 변화율이 음수인 제 2 영역에서 중첩각도궤적(276)의 진폭이 측정된 힌지의 각도궤적(275)의 진폭에 상응하도록 보정될 수 있다.
도 5a, 도 5b를 참조하면, 일 실시예에 의해 보행시간이 증가할수록 중첩각도궤적(282)이 측정된 힌지 각도궤적(281)에 상응되도록 보정되고, 제공된 보행 보조 토크(284)는 보행시 필요한 토크(283)에 상응되도록 수렴하는 것을 알 수 있다.
도 5a는 보행시간에 따라 PSAO를 이용해 보정한 기준각도궤적(282)의 위상이 수렴되는 일 실시예의 그래프이고, 도 5b는 보행시간에 따라 보행시 필요한 토크(283)와 제공된 보행 보조 토크(284)를 비교한 일 실시예의 그래프이다. PSAO를 통해 보정된 중첩각도궤적(282)과 제공된 보행 보조 토크(284)가 보행시간이 증가하여 보정된 사이클의 횟수가 증가할수록 시작점의 위치인 위상의 오차가 줄어드는 것을 알 수 있다.
도 6을 참조하면 일 실시예에 따른 한 보행주기에서 고관절의 각속도(286)의 변화를 알 수 있다. 도 6은 고관절 각도(285)에 따라 변하는 고관절의 각속도(286)를 나타낸 일 실시예의 그래프로서, 고관절의 각속도(286)가 0으로 정지되어 있는 부분은 보행 중 고관절 움직임의 방향이 바뀌는 부분이고, 고관절의 각도(285)가 0인 부분은 고관절이 지면에 수직한 시점으로 그 시점에 고관절의 각속도(286)가 가장 높은 것을 알 수 있다.
도 7a, 도 7b, 도 7c를 참조하면 일 실시예에 따른 PSAO에 저장되어 있는 고관절, 무릎관절, 발목관절의 기준각도궤적을 알 수 있다. 도 7a는 한번의 보행주기 안에서의 고관절에 대한 기준각도궤적을 나타낸 일 실시예의 그래프이고, 도 7b는 한번의 보행주기 안에서의 무릎관절에 대한 기준각도궤적을 나타낸 일 실시예의 그래프이며, 도 7c는 한번의 보행주기 안에서의 발목관절에 대한 기준각도궤적을 나타낸 일 실시예의 그래프이다.
또한, PSAO에 저장된 기준각도궤적은 보행속도에 따라 1개 이상일 수 이다. 예를 들어, 도 7a에 도시된 두 그래프 중 실선으로 도시된 그래프는 착용자가 달리기를 하는 경우(보행속도가 높은 경우)의 기준각도궤적으로 기준각도궤적의 고관절 각도 변화가 큰 것을 알 수 있다. 반대로, 도 7a에 점선으로 도시된 그래프는 착용자가 걷는 경우(보행속도가 낮은 경우)의 기준각도궤적으로 기준각도궤적의 고관절 각도 변화가 적은 것을 알 수 있다.
또한, PSAO에 저장된 기준각도궤적은 관절의 부위별로 기준각도궤적의 각도변화가 상이할 수 있다. 예를 들어, 도 7a의 고관절 기준각도궤적, 도 7b의 무릎관절 기준각도궤적, 도 7c의 발목관절 기준각도궤적은 한번의 보행주기 안에서 기준각도궤적이 상이하게 나타날 수 있다. 이는 한번의 보행주기에서 고관절, 무릎관절, 발목관절의 위치, 기능과 지면으로부터 받는 힘이 각 관절 별로 차이가 나기 때문일 수 있다.
상술한 측정된 힌지의 각도궤적에 상응하도록 기준각도궤적을 보정한 뒤에는 보정한 기준각도궤적을 기초로 보행 보조 토크를 결정하고, 결정된 보조 토크를 지지프레임에 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면 보행 보조 토크의 결정은 보정된 기준각도궤적에 대응되게 기설정된 보조 토크 데이터를 이용할 수 있다. 기설정된 보조 토크 데이터를 이용하는 방법은 각도와 보조 토크가 1:1로 매칭되어 있는 보조 토크 데이터가 look-up table형식으로 제어부에 저장되어 있어, 보정된 기준각도궤적에서 각 시점에 해당되는 각도와 그 각도에 1:1 매칭되는 보조 토크를 찾고, 그 찾은 보조 토크를 해당시점에 보조 토크로 결정할 수 있다.
보정된 기준각도궤적에 대응되게 기설정된 보조 토크 데이터는 복수개의 형태일 수 있다. 예를 들어, 기설정된 보조 토크 데이터는 착용자의 보행속도 별로 나누어진 복수개의 보조 토크 데이터들 일 수 있다. 또한, 기설정된 보조 토크 데이터는 지면의 경사도 별로 나누어진 복수개의 보조 토크 데이터들 일 수 도 있다. 또한, 기설정된 보조 토크 데이터는 착용자의 연령 별로 나누어진 복수개의 보조 토크 데이터들 일 수도 있다. 또한, 기설정된 보조 토크 데이터는 착용자의 성별에 따라 나누어진 복수개의 보조 토크 데이터들 일 수도 있다. 또한, 기설정된 보조 토크 데이터는 착용자의 몸무게에 따라 나누어진 복수개의 보조 토크 데이터들 일 수도 있다.
또한, 일 실시예에 따르면 보정된 기준각도궤적에 대응되게 기설정된 보조 토크 데이터는 현재 착용자에 대한 데이터로 업데이트하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 감지부의 근전도 측정 장치(EMG, Electromyography)로 현재 착용자의 보행시 신경 자극에 대한 근육의 반응을 근육 내 전기적 변화를 감지하여 근육의 움직임에 대해 측정할 수 있다. 이 측정된 근전도 데이터를 근육의 움직임에 대한 패턴으로 데이터화하여, 현재의 착용자에 대한 데이터로 업데이트할 수 있다.
또한, visual tracking, force plate를 이용해 지면반력(GRF, Ground Reaction Force)을 측정하여 기설정된 보조 토크 데이터(look-up table)를 현재 착용자에 대한 데이터로 업데이트할 수 있다. 도 8은 Froce plate를 이용하여 지면반력(320)을 측정해 보조 토크를 결정하는 데이터로 사용하는 일 실시예의 보행주기(290) 중의 지면반력(320)에 대한 그래프로서, visual tracking, force plate를 통해 도 8과 같이 한 보행주기 중 착용자의 지면반력을 도 8과 같이 측정하고, 이 측정된 지면반력을 현재의 착용자에 대한 데이터로 업데이트할 수 있다.
이하, 도 9 내지 도 11을 참조하여 PSAO 또는 PCAO에서 산출한 보행위상에 해당되는 보조 토크를 보조레벨을 이용해 위상 및 크기를 보정하여 출력토크를 결정하는 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.
도 9는 보행 보조 토크(316)와 보행 시 필요한 토크(315)를 비교한 그래프를 도시하고 있다.
도 9에서와 같이, 보행 초반에는 보행 시 필요한 토크(315)와 제공된 보행 보조 토크(316)의 위상에 대한 타이밍이 일치하지 않지만, 보행시간(295)이 증가하여 보정 사이클이 증가할수록 시작점인 위상에 대한 타이밍이 일치해 갈 수 있다.
도 10은 힌지의 모션과 PSAO 또는 PCAO가 일치하는 정도에 따라 결정되는 보조레벨을 보조 토크에 곱하여 보행 보조 기구의 출력 토크를 조절하는 개념을 도시하고 있다.
보조 토크 결정부(303)에서 결정한 보조 토크(316)와 PSAO 또는 PCAO가 일치하는 정도에 따라 결정되는 보조레벨(311)을 곱하여 출력 토크(307)를 결정할 수 있다.
구체적으로, 보조레벨 결정부(310)는 힌지의 각도와 PSAO 또는 PCAO의 중첩 각도의 오차값에 근거하여 보조레벨(311)을 결정할 수 있다. 결정된 보조레벨(311)은 보조 토크 결정부(303)에서 결정한 보조 토크(316)와 동력부가 지지 프레임에 제공하는 출력 토크(307)의 비율에 대한 변수일 수 있다. 보조 토크 결정부(303)에서 결정한 보조 토크(316)와 보조레벨 결정부(310)에서 결정한 보조레벨(311)을 곱하여 출력 토크(307)를 결정함으로써, 보행 초기에 PSAO 또는 PCAO에서 인식한 보행과 착용자의 실제 보행이 일치하지 않을 경우에 보조 토크(316)의 출력 토크(307)를 감쇄시킬 수 있다. 아래의 수학식 15 및 수학식 16를 통해 결정된 보조 레벨(311)은 0에서 1까지의 실수 값일 수 있다.
Figure 112014002424089-pat00053
Figure 112014002424089-pat00054
상기 수학식 15 및 수학식 16에서 필터값은 A, 보조 레벨은
Figure 112014002424089-pat00055
, 필터값 A의 주파수는
Figure 112014002424089-pat00056
, 보조 레벨
Figure 112014002424089-pat00057
의 주파수는
Figure 112014002424089-pat00058
일 수 있다.
보조레벨은 수학식 15, 수학식 16에 표현된 것처럼 입력 신호와 PSAO의 중첩된 파형 간의 오차값 ε의 절대값을 기초로 하여 오차의 절대값의 증가에 민감하고, 감소에 둔감한 특성을 가지는 필터값 A를 산출하고, 산출한 A를 기초로 보조레벨
Figure 112014002424089-pat00059
를 산출한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예 중 보행시간(295)에 따른 보조레벨(311)의 변화를 도시한 그래프로, 도 11을 참조하면 보행시간(295)에 따라 보조레벨이 증감하는 변화를 보이는 것을 알 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 보행 보조 기구는 단순히 착용자의 보행시 부족한 토크를 보충해줄 수 있을 뿐만 아니라, 재활 등 기타 근육 증진이 필요한 경우에 착용자가 보행시 필요한 토크와 반대되는 토크를 제공하여 근육에 운동효과를 줄 수도 있다. 예를 들어, 역방향의 보조 토크 데이터(look-up table)를 이용하거나 음의 보조레벨을 곱하여 근육에 운동효과를 주는 보조 토크를 결정할 수 있다.
도 12를 참조하면, 일 실시예에 따라 기준궤적을 이전 사이클에서 측정된 힌지의 궤적으로 업데이트할 수 있다.
도 12는 이전 보행에서 측정한 힌지의 각도궤적(340)을 기준각도궤적(350)으로 업데이트하는 개념을 도시하고 있다.
제어부는 한 주기동안 N개의 샘플링한 힌지의 각도(330)를 균일 간격으로 저장하는 것을 이전의 모든 주기에 대해서 실시하고, 수집된 샘플링한 측정된 힌지의 각도(330)을 연결하여 측정된 힌지의 각도궤적(340) 패턴을 생성할 수 있다. 이후, 제어부는 각 주기별로 측정된 힌지의 각도궤적(340)의 평균을 내어 생성한 새로운 패턴을 저장된 힌지의 각도궤적(350)으로 저장한다. 이 저장된 힌지의 각도궤적(350)을 기준각도궤적으로 업데이트할 수 있다.
도 13을 참조하면, 일 실시예에 따른 감지부, 제어부 및 동력부 간의 동작체계를 알 수 있다. 도 13은 기준궤적과 기준궤적을 변조한 궤적을 이용해 측정한 힌지의 각도에 대응하는 중첩각도궤적을 산출하고, 중첩각도궤적을 보정한 보정각도궤적의 위상인 보행위상에 해당하는 보조 토크를 제공하는 것에 대한 플로우차트이다.
감지부가 힌지의 각도를 측정(S 10)하여 제어부의 구성 중 PSAO로 송신하면, PSAO는 감지로부터 수신 받은 힌지의 각도에 대응하는 기준각도궤적과 기준각도궤적을 변조한 궤적을 산출(S 20)할 수 있다.
그리고, 제어부의 PSAO는 산출한 복수개의 궤적들을 중첩해 중첩각도궤적을 산출(S 30)하고, 힌지의 각도와 산출한 중첩각도가 일치하는지 판단(S 40)한다.
힌지의 각도와 산출한 중첩각도가 일치하지 않으면, PSAO는 중첩각도가 힌지의 각도에 상응하도록 보정(S 50)을 하고, 힌지의 각도와 보정한 중첩각도가 일치하는지 판단(S 60)한다. 만약 힌지의 각도와 보정한 중첩각도가 일치하지 않으면, 다시 힌지의 각도에 상응하도록 중첩각도를 보정(S 50)할 수 있다.
힌지의 각도와 산출한 중첩각도가 일치하거나 힌지의 각도와 보정한 중첩각도가 일치하면, PSAO는 중첩각도를 이용해 현재의 보행 위상을 산출(S 70)할 수 있다.
그리고, 제어부의 구성 중 보조 토크 결정부(303)는 보행위상에 해당하는 보조 토크를 결정(S 80)할 수 있다.
이후, 제어부의 출력 토크 결정부는 제어부의 보조레벨 결정부(310)에서 중첩 각도와 힌지 각도의 오차값에 의해 결정되는 보조레벨을 보조 토크 결정부(303)에서 결정한 보조 토크에 곱하여 출력 토크를 결정(S 85)할 수 있다.
마지막으로, 동력부는 출력 토크 결정부에서 결정한 출력 토크를 지지프레임에 제공(S 90)하여 보행보조장치의 동작을 종료할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 보행 보조 기구
10 : 본체부
10a : 하우징
20, 20R, 20L : 고관절 보행보조부
30, 30R, 30L : 무릎관절 보행보조부
40, 40R, 40L : 발목관절 보행보조부
110 : 측정된 힌지의 각도궤적
120 : Particularly Shaped Adaptive Oscillator(PSAO)
130 : 기준궤적
140 : 보행 위상
210 : 측정된 힌지의 각도궤적
220 : 제 1 Adaptive Oscillator(AO-1)
231 : 제 1 위상
240 : 제 2 Adaptive Oscillator(AO-1)
251 : 기준각도
252 : 제 2 위상
260 : Phase Compensated Adaptive Oscillator(PCAO)
261 : 보행 위상 산출부
262 : 보행 위상

Claims (24)

  1. 감지부가, 서로 다른 지지 프레임이 결합되는 힌지의 모션을 측정하는 단계;
    제어부가, 상기 측정된 힌지의 모션에 대응하는 기준 각도 궤적과 상기 기준 각도 궤적을 변조한 변조 각도 궤적을 중첩하여 중첩 각도 궤적을 산출하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 중첩 각도 궤적을 상기 측정된 힌지의 모션에 주기적으로 상응하도록 보정하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 측정된 힌지의 모션이 상기 중첩 각도 궤적과 일치하는지 여부에 따라 상기 중첩 각도 궤적 및 상기 보정된 중첩 각도 궤적 중 하나에 기초하여 보행 위상을 산출하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 산출된 보행 위상에 해당하는 보조 토크를 결정하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 결정된 보조 토크에 기초하여 출력 토크를 결정하는 단계; 및
    동력부가, 상기 결정된 출력 토크를 상기 지지 프레임에 제공하여 보행 보조부의 동작을 제어하는 단계를 포함하는 보행 보조 기구의 제어방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정된 힌지의 모션은 힌지의 각도인 보행 보조 기구의 제어방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 서로 다른 지지 프레임은 동력부에 물리적으로 연결되고 상기 동력부에서 발생된 보조 토크를 제공받는 보행 보조 기구의 제어방법.
  5. 제1항에 있어서,
    보행 가속도, 보행 속도와 착용자 상체의 기울기를 측정하는 단계를 포함하는 보행 보조 기구의 제어방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 측정된 힌지의 모션을 이용해 보행 속도를 산출하는 단계를 포함하는 보행 보조 기구의 제어방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 측정된 힌지의 각도와 지면에 따른 힌지의 각도 데이터를 비교하여 지면의 경사를 추정하는 단계를 포함하는 보행 보조 기구의 제어방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 보조 토크를 결정하는 단계는 보정된 기준 각도 궤적에 대응되게 기설정된 보조 토크 데이터를 이용하는 방법인 보행 보조 기구의 제어방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 출력 토크를 결정하는 단계는 상기 측정된 힌지의 모션과 상기 중첩 각도 궤적의 오차값에 기초하여 결정된 보조 레벨을 상기 보조 토크에 곱하여 상기 출력 토크를 결정하는 보행 보조 기구의 제어방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 기설정된 보조 토크 데이터는 착용자의 보행 속도에 대한 보조 토크 데이터, 지면의 경사도에 대한 보조 토크 데이터, 상기 착용자의 연령층에 대한 보조 토크 데이터, 상기 착용자의 성별에 대한 보조 토크 데이터, 상기 착용자의 몸무게에 대한 보조 토크 데이터, 역방향의 보조 토크 데이터 및 상기 착용자의 근육의 움직임에 대한 데이터로 업데이트한 보조 토크 데이터 중 적어도 하나인 보행 보조 기구의 제어방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 힌지의 모션을 측정하는 단계는 좌, 우측 힌지 일측면의 모션을 측정하고,
    상기 보조 토크를 결정하는 단계는 상기 힌지의 모션을 측정한 일측면뿐만 아니라, 다른 측면에 대해서도 결정하는 보행 보조 기구의 제어방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기준 각도 궤적은 이전 사이클에서 측정된 힌지의 모션에 기초하여 업데이트되는 보행 보조 기구의 제어방법.
  13. 서로 힌지 결합된 제 1 지지 프레임과 제 2 지지 프레임을 가지는 지지 프레임부;
    상기 힌지에 구비되어 힌지의 모션을 측정하는 감지부;
    상기 측정된 힌지의 모션에 대응하는 기준 각도 궤적과 상기 기준 각도 궤적을 변조한 변조 각도 궤적을 중첩하여 중첩 각도 궤적을 산출하고, 상기 중첩 각도 궤적을 상기 측정된 힌지의 모션에 주기적으로 상응하도록 보정하고, 상기 측정된 힌지의 모션이 상기 보정된 중첩 각도 궤적과 일치하는지 여부에 따라 상기 중첩 각도 궤적 및 상기 보정된 중첩 각도 궤적 중 하나에 기초하여 보행 위상을 산출하는 보행 위상 산출부, 상기 산출된 보행 위상에 해당하는 보조 토크를 결정하는 보조 토크 결정부 및 상기 결정된 보조 토크에 기초하여 출력 토크를 결정하는 출력 토크 결정부를 포함하는 제어부; 및
    보행 보조부의 동작을 제어하기 위해 상기 결정된 출력 토크를 상기 지지 프레임에 제공하는 동력부를 포함하는 보행 보조 기구.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 감지부는 힌지의 각도를 측정하는 보행 보조 기구.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제 1 지지 프레임과 상기 제 2 지지 프레임은 상기 동력부와 물리적으로 연결되는 보행 보조 기구.
  17. 제13항에 있어서
    상기 감지부는 보행 가속도, 보행 속도와 착용자 상체의 기울기를 측정하는 보행 보조 기구.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 측정된 힌지의 모션을 이용해 보행 속도를 산출하는 보행 속도 산출부를 더 포함하는 보행 보조 기구.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 측정된 힌지의 각도와 지면에 따른 힌지의 각도 데이터를 비교하여 지면의 경사를 추정하는 경사 추정부를 더 포함하는 보행 보조 기구
  20. 제13항에 있어서,
    상기 보조 토크 결정부는 보정된 기준 각도 궤적에 대응되게 기설정된 보조 토크 데이터를 이용하는 보행 보조 기구.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 제어부의 출력 토크 결정부는 상기 측정된 힌지의 모션과 상기 중첩 각도 궤적의 오차값에 기초하여 결정된 보조 레벨을 상기 보조 토크에 곱하여 상기 출력 토크를 결정하는 보행 보조 기구.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 기설정된 보조 토크 데이터는 착용자의 보행 속도에 대한 보조 토크 데이터, 지면의 경사도에 대한 보조 토크 데이터, 상기 착용자의 연령층에 대한 보조 토크 데이터, 상기 착용자의 성별에 대한 보조 토크 데이터, 상기 착용자의 몸무게에 대한 보조 토크 데이터, 역방향의 보조 토크 데이터 및 상기 착용자의 근육의 움직임에 대한 데이터로 업데이트한 보조 토크 데이터 중 적어도 하나인 보행 보조 기구.
  23. 제13항에 있어서,
    상기 감지부는 좌, 우측 힌지 일측면의 모션을 측정하고,
    상기 제어부의 보조 토크 결정부는 상기 힌지의 모션을 측정한 일측면뿐만 아니라, 다른 측면에 대해서도 보조 토크를 결정하는 보행 보조 기구.
  24. 제13항에 있어서,
    상기 기준 각도 궤적은 이전 사이클에서 측정된 힌지의 모션에 기초하여 업데이트되는 보행 보조 기구.
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