KR102452632B1

KR102452632B1 - 운동 보조 장치 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR102452632B1
Application number: KR1020150115513A
Authority: KR
Inventors: 김경록; 박영진; 심영보; 임복만; 장준원
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2015-08-17
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2022-10-07
Also published as: CN106466220A; US20170049658A1; KR20170021108A; EP3132783A2; US10702440B2; EP3132783B1; CN106466220B; EP3132783A3

Abstract

일 실시 예에 따르면 운동 보조 장치는, 사용자의 허리에 고정되는 고정 모듈; 상기 고정 모듈에 구비되며 사용자의 운동 보조를 위한 토크를 제공하는 구동 모듈; 상기 구동 모듈에 연결되고, 사용자의 다리 둘레 중 일부를 지지하는 지지 모듈; 및 상기 구동 모듈을 제어하고, 사용자가 보행하지 않는 상태에서 상기 지지 모듈이 사용자의 다리에 밀착된 상태를 유지하게 하는 토크를 제공하도록 상기 구동 모듈을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

운동 보조 장치 및 그 제어 방법{A MOTION ASSIST APPARATUS AND A CONTROL METHOD THEREOF}

아래의 설명은 운동 보조 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

최근 고령화 사회가 심화됨에 따라서 관절에 문제가 있어서 이에 대한 고통과 불편을 호소하는 사람들이 증가하고 있으며, 관절이 불편한 노인이나 환자들이 보행을 원활하게 할 수 있는 운동 보조 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 군사용 등의 목적으로 인체의 근력을 강화시키기 위한 운동 보조 장치들이 개발되고 있다.

미국공개특허 제2010-0121232호(2010. 05. 13.)

상기 지지 모듈은, 일 단부가 상기 구동 모듈에 연결되고, 타 단부는 사용자의 다리를 따라서 연장되는 힘 전달 프레임; 및 상기 힘 전달 프레임에 연결되고, 사용자의 다리의 둘레 방향 중 후측만 지지하는 플레이트 바디를 포함할 수 있다.

상기 지지 모듈은, 상기 플레이트 바디로부터 일측 또는 양측으로 연장되고, 사용자의 다리의 측방에 위치하는 날개부를 더 포함하고, 상기 날개부의 단부는 상기 힘 전달 프레임이 회전하는 방향을 기준으로 사용자의 다리의 전면과 오버랩되지 않게 배치될 수 있다.

상기 운동 보조 장치는, 사용자가 직립한 상태에서, 사용자가 전진하는 방향으로 상기 지지 모듈에 탄성력을 제공하는 탄성체를 더 포함할 수 있다.

상기 탄성체는, 상기 고정 모듈에 연결되는 제 1 연결부; 및 상기 지지 모듈에 연결되는 제 2 연결부를 포함할 수 있다.

상기 탄성체는, 상기 제 1 연결부 및 제 2 연결부 사이에 위치하며, 상기 고정 모듈 또는 지지 모듈의 일측에 걸리는 걸림부를 더 포함할 수 있다.

상기 탄성체는, 상기 구동 모듈에 권회되는 권회부를 더 포함하는 토션 스프링일 수 있다.

상기 탄성체는, 사용자의 다리의 회전 각도에 관계없이 일정한 탄성 토크를 제공하는 정하중 스프링을 포함할 수 있다.

상기 지지 모듈의 단부는 사용자의 고관절 및 무릎 사이에 위치하여 사용자의 허벅지를 지지하고, 상기 지지 모듈의 단부에는 사용자의 다른 부분의 운동을 보조하기 위한 추가적인 구동 모듈 및 지지 모듈이 연결되지 않을 수 있다.

상기 제어부는, 사용자의 상체의 각도 정보를 측정하는 관성 센서, 사용자의 상체 및 하체 사이의 각도를 측정하는 엔코더, 사용자의 다리에 의해 상기 지지 모듈에 작용하는 압력을 측정하기 위한 압력 센서 또는 상기 지지 모듈의 변형을 측정하기 위한 스트레인 게이지 중 하나 이상으로부터 수신된 정보에 기초하여, 상기 구동 모듈을 제어할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 사용자의 허리를 고정하는 고정 모듈 및 사용자의 다리를 지지하는 지지 모듈을 포함하는 운동 보조 장치의 제어 방법은, 사용자의 다리 회전 정보를 감지하는 단계; 상기 감지된 정보에 기초하여 사용자의 모션을 결정하는 단계; 상기 결정된 모션에 기초하여, 사용자에게 제공해야 할 필요 토크를 결정하는 단계; 상기 필요 토크에 기초하여, 운동 보조력을 생성하는 구동 모듈의 구동 토크를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 구동 토크로 상기 구동 모듈을 구동하여, 상기 지지 모듈을 회전시키는 단계를 포함하고, 상기 지지 모듈은, 상기 구동 모듈에 연결되고 사용자의 다리의 후면을 지지할 수 있다.

상기 필요 토크를 결정하는 단계는, 사용자의 모션이 굽힘 모션일 때, 상기 필요 토크는 미리 결정된 운동 보조 토크로 결정하고, 사용자의 모션이 정지 모션일 때, 상기 필요 토크는 상기 운동 보조 토크보다 작게 미리 결정된 접촉 유지 토크로 결정하고, 사용자의 모션이 신장 모션일 때, 상기 필요 토크는 0으로 결정할 수 있다.

상기 사용자의 다리 회전 정보는, 사용자의 다리의 각속도, 사용자의 걸음 주기, 상기 지지 모듈에 인가되는 압력 및 상기 지지 모듈의 변형 정도 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 사용자의 다리 회전 정보를 감지하는 단계는, 사용자의 상체의 각도를 측정하는 단계; 사용자의 상체 및 다리 사이의 상대 각도를 측정하는 단계; 상기 상체의 각도 및 상대 각도에 기초하여 사용자의 다리의 각도를 결정하는 단계; 및 사용자의 다리의 각속도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 모션을 결정하는 단계는, 상기 각속도가 제 1 설정 값 미만이면, 굽힘 모션으로 결정하고, 상기 각속도가 제 1 설정 값 이상이고 상기 제 1 설정 값보다 큰 제 2 설정 값 미만이면, 정지 모션으로 결정하고, 상기 각속도가 제 2 설정 값 이상이면, 신장 모션으로 결정할 수 있다.

상기 운동 보조 장치는, 상기 지지 모듈에 대하여 전방으로 이동하는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성체를 더 포함하고, 상기 구동 토크를 결정하는 단계는, 상기 탄성체의 탄성 토크를 상기 필요 토크에서 뺀 값으로 결정할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 사용자의 허리를 고정하는 고정 모듈 및 사용자의 다리를 지지하는 지지 모듈을 포함하는 운동 보조 장치의 제어 방법은, 사용자의 다리 회전 정보를 감지하는 단계; 상기 감지된 정보에 기초하여 사용자의 모션을 결정하는 단계; 상기 결정된 모션에 기초하여, 운동 보조력을 생성하는 구동 모듈의 구동 토크를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 구동 토크로 상기 구동 모듈을 구동하여, 상기 지지 모듈을 단 방향으로 회전시키는 단계를 포함하고, 상기 지지 모듈은, 상기 구동 모듈에 연결되고 사용자의 다리의 후면을 지지할 수 있다.

상기 운동 보조 장치는, 상기 지지 모듈에 대하여 전방으로 이동하는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성체를 더 포함할 수 있다.

상기 모션을 결정하는 단계는, 사용자의 다리의 각속도가 설정 값 미만이면, 굽힘 모션으로 결정하고, 사용자의 다리의 각속도가 설정 값을 초과하면 굽힘 모션이 아닌 것으로 결정할 수 있다.

상기 구동 토크를 결정하는 단계는, 사용자의 모션이 굽힘 모션일 때, 상기 구동 토크는 미리 결정된 운동 보조 토크로 결정하고, 사용자의 모션이 굽힘 모션이 아닐 때, 상기 구동 토크는 0으로 결정할 수 있다.

도 1은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 측면도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 정면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 블록도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 다리 회전 정보를 감지하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 다리 회전 정보를 감지하는 단계를 설명하기 위하여 사용자가 직립한 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 다리 회전 정보를 감지하는 단계를 설명하기 위하여 사용자가 보행 중인 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 모션을 결정하는 단계를 나타내는 도면이다.
도 9(a)는 사용자의 한쪽 다리 회전 속도를 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 9(b)는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 통하여 결정된 필요 토크를 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 10 및 도 11은 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.
도 12 및 도 13은 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.
도 14 및 도 15는 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.
도 16은 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 17(a)는 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 통하여 결정된 필요 토크를 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 17(b)는 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 통하여 결정된 탄성 토크를 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 17(c)는 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 통하여 결정된 구동 토크를 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 18은 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 19는 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.
도 20은 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 21은 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.

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.

도 1은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 측면도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 정면도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 블록도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 운동 보조 장치(1)는, 사용자에 착용되어 사용자의 운동을 보조할 수 있다.

사용자는 사람, 동물 또는 로봇 등일 수도 있으며, 이에 제한되지 않는다. 또한, 도 1은 운동 보조 장치(1)가, 사용자의 허벅지의 운동을 보조하는 경우에 대하여 도시하고 있으나, 운동 보조 장치(1)는, 사용자의 손, 상박, 하박 등 상체의 다른 부분이나, 발, 종아리 등의 하체의 다른 부위를 보조하는 것도 가능하다. 다시 말하면, 운동 보조 장치(1)는, 사용자의 일 부분의 운동을 보조할 수 있다.

이하, 운동 보조 장치(1)가, 사람의 허벅지의 운동을 보조하는 경우에 대하여 예시적으로 설명하기로 한다.

운동 보조 장치(1)는, 고정 모듈(20), 구동 모듈(30), 지지 모듈(40), 관성 센서(50) 및 제어부(90)를 포함할 수 있다.

고정 모듈(20)은, 사용자에 고정될 수 있고, 사용자의 외면을 따라서 감싸는 형상일 수 있다. 예를 들어, 고정 모듈(20)은, 사용자의 허리의 일측에 고정될 수 있고, 사용자의 접촉 부분에 대응하는 만곡면을 포함하는 형상일 수 있다. 고정 모듈(20)은, 사용자의 적어도 일부를 감싸는 고정 프레임(22)과, 고정 프레임(22)에 연결되며 사용자에 밀착되는 고정 밴드(24)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 고정 프레임(22)은 강성한 재질로 형성되고, 고정 밴드(24)는 유연한 재질로 형성될 수 있다. 다만, 이는 하나의 예시에 불과하며, 고정 모듈(20)은 하나의 프레임으로 구성될 수도 있다.

고정 밴드(24)는, 착용의 용이성을 위하여 탈부착 가능한 체결부(24a)를 포함할 수 있다. 체결부(24a)는, 예를 들어, 벨크로 체결 구조(hook and loop fastener), 스냅방식의 체결 구조 또는 버클식 체결 구조 등일 수 있다.

구동 모듈(30)은, 고정 모듈(20)의 일측에 구비되며, 지지 모듈(40)로 전달되는 힘 또는 토크를 제공할 수 있다. 구동 모듈(30)은, 전원 공급부로부터 전압 또는 전류를 제공받아 회전 동력을 생성하는 액츄에이터(32)와, 사용자의 상체 및 하체 사이의 각도를 측정하는 엔코더(34)를 포함할 수 있다. 엔코더(34)는, 예를 들어, 고정 모듈(20)에 대하여 액츄에이터(32)가 회전한 각도를 측정함으로써, 사용자의 상체 및 하체 사이의 각도를 측정할 수 있다.

한편, 도면과 달리 구동 모듈(30)은, 별도의 조인트 어셈블리를 매개로 지지 모듈(40)과 연결될 수도 있다. 이 경우, 구동 모듈(30)로부터 조인트 어셈블리로 동력을 전달하는 동력 전달 모듈이 추가로 구비될 수 있다. 동력 전달 모듈은, 기어 등의 회전체 이거나, 와이어, 케이블, 스트링, 고무줄, 스프링, 벨트, 또는 체인 등의 길이 방향 부재일 수도 있다.

구동 모듈(30)은, 고정 모듈(20)의 일측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 구동 모듈(30)은, 사용자의 관절부, 예를 들면, 고관절부에 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 한편, 전술한 바와 같이, 구동 모듈(30)은, 별도의 조인트 어셈블리를 매개로 지지 모듈(40)과 연결될 수도 있으며, 이 경우 조인트 어셈블리는, 사용자의 관절부, 예를 들면, 고관절부에 대응하는 위치에 배치될 수 있다.

지지 모듈(40)은, 구동 모듈(30)이 제공하는 힘 또는 토크에 의해 회전될 수 있다. 지지 모듈(40)은, 사용자의 하지(lower limb), 예를 들면, 허벅지를 지지하고, 하지의 운동을 보조할 수 있다. 지지 모듈(40)은, 사용자의 허벅지의 후방을 지지하고, 사용자의 다리를 전방으로 이동시키는 힘 또는 토크를 전달할 수 있다. 예를 들면, 지지 모듈(40)은, 허벅지의 후방을 지지하고 전방은 지지하지 않을 수 있다. 다시 말하면, 지지 모듈(40)은, 허벅지를 조이는 조임부를 구비하지 않을 수 있다. 한편, 지지 모듈(40)은 사용자의 다리의 전방을 감싸는 밴드를 더 포함할 수도 있다. 밴드는 예를 들면, 패브릭, 실리콘 또는 고무 등과 같은 유연한 소재를 포함할 수 있다. 밴드에 의하면, 구동 모듈(30)이 동작하지 않는 동안에도 사용자의 다리가 지지 모듈(40)로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 지지 밴드가 구비되는 경우에도, 후술할 제어 방법에 의하면, 밴드는 실질적으로 사용자의 다리를 후방으로 이동시키는 힘 또는 토크는 전달하지 않을 수 있다. 반대되는 기재가 없는 이상, 지지 모듈(40)이 허벅지를 감싸는 어떠한 구성요소도 포함하지 않아야 하는 것으로 해석되어서는 아니된다. 지지 모듈(40)은, 힘 전달 프레임(42) 및 지지 플레이트(44)를 포함할 수 있다.

힘 전달 프레임(42)은, 사용자의 일 부분에 힘을 전달할 수 있다. 힘 전달 프레임(42)의 일 단부는, 구동 모듈(30)과 연결되어 회동되고, 타 단부는, 지지 플레이트(44)에 연결되어, 지지 플레이트(44)에 힘을 전달할 수 있다.

지지 플레이트(44)는, 힘 전달 프레임(42)의 타 단부에 연결되어, 사용자의 일부에 힘을 작용할 수 있다. 지지 플레이트(44)는, 사용자의 허벅지의 후측에 배치되어, 사용자의 허벅지를 밀 수 있다. 위와 같은 구조에 의하면, 힘 전달 프레임(42)이 전방으로 회전될 때에, 지지 플레이트(44)는, 사용자의 허벅지를 미는 방향으로 사용자의 허벅지에 힘을 전달하지만 힘 전달 프레임(42)이 후방으로 회전될 때에는 사용자의 허벅지에 힘을 전달하지 않는다. 다시 말하면, 지지 플레이트(44)는 단 방향으로만 사용자에게 힘을 전달할 수 있다. 위와 같은 구조에 의하면, 지지 플레이트(44)는, 사용자의 허벅지를 조이지 않게 되므로, 사용자가 느끼는 압박감이 줄어들어 착용감을 향상시킬 수 있다. 또한, 지지 플레이트(44)는, 허벅지의 후측만 지지하기 때문에 허벅지를 조이는 경우와 비교하여 힘 작용점이 줄어들게 되므로, 전체 지지 모듈(40)의 뒤틀림이 감소될 수 있다. 또한, 구조적으로 간단해 질 수 있으므로, 운동 보조 장치(1)를 경량화시킬 수 있다. 지지 플레이트(44)는, 힘 전달 프레임(42)의 타 단부에 연결되는 플레이트 바디(44a)와, 플레이트 바디(44a)로부터 일측 또는 양측으로 연장되는 날개부(44b)를 포함할 수 있다.

플레이트 바디(44a)는, 사용자가 전진하는 방향을 기준으로, 사용자의 후측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 플레이트 바디(44a)는, 사용자의 허벅지의 후면에 배치될 수 있다.

날개부(44b)는, 사용자의 측방에 위치할 수 있다. 날개부(44b)는, 예를 들어, 사용자의 허벅지의 측면에 위치할 수 있다. 날개부(44b)는, 사용자의 허벅지가 측방으로 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 날개부(44b)는, 허벅지의 전면을 감싸지 않도록 형성될 수 있다. 다시 말하면, 플레이트 바디(44a)를 기준으로 가장 멀리 위치한 날개부(44b)의 단부는, 힘 전달 프레임(42)이 회전하는 방향을 기준으로, 허벅지의 전면과 오버랩 되지 않게 배치될 수 있다. 위와 같은 구조에 의하면, 사용자의 허벅지를 조이지 않으면서도, 사용자의 허벅지가 측방으로 이탈되는 것을 방지할 수 있게 된다.

관성 센서(50, Inertia Measurement Unit, IMU)는, 사용자가 보행 시 상체의 각도 정보를 측정할 수 있다. 관성 센서(50)에서 측정된 상체의 각도 정보는, 제어부(90)로 전달되어, 다리의 회전 정보를 파악하는 데에 활용될 수 있다.

제어부(90)는, 사용자의 모션을 결정하고, 결정된 모션을 기준으로 구동 모듈(30)을 제어할 수 있다.

예를 들어, 제어부(90)는, 관성 센서(50)에서 감지된 사용자의 상체의 각도와, 엔코더(34)에서 감지된 사용자의 상체 및 하체의 상대적인 각도를 기초로, 사용자의 하체의 각도를 결정할 수 있다. 또한, 제어부(90)는, 결정된 사용자의 하체의 각도의 변화량에 근거하여, 사용자가 전방으로 다리를 회전하는 굽힘(flexion) 모션 중인지, 사용자가 후방으로 다리를 회전하는 신장(extension) 모션 중인지, 다리가 일정한 각도로 멈추어 있는 정지(stop) 모션 중인지를 결정할 수 있다.

다른 예로, 제어부(90)는, 미리 입력된 사용자의 보행 패턴, 예를 들면, 걸음 주기(gait cycle)와, 현재 사용자의 보행 패턴을 비교하여, 사용자가 굽힘 모션 중인지, 신장 모션 중인지, 정지 모션 중인지를 결정할 수도 있다.

한편, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 제어부(90)는, 다른 공지된 사용자의 모션을 결정하는 방법을 이용할 수도 있음은 물론이다.

한편, 구동 모듈 및/또는 지지 모듈은 추가로 제공될 수도 있다. 예를 들어, 지지 모듈(40)은 무릎까지 연장되고, 지지 모듈(40) 중 무릎 관절에 대응하는 위치에 추가 구동 모듈이 구비될 수 있다. 또한, 추가 구동 모듈에 추가 지지 모듈이 연결되고, 추가 지지 모듈은 사용자의 종아리를 지지함으로써, 종아리의 운동을 보조할 수도 있다.

그러나 이와 달리, 도 1에 도시된 것처럼 지지 모듈(40)의 단부는 사용자의 고관절 및 무릎 사이에 위치하고, 지지 모듈(40)의 단부에는 사용자의 다른 부분의 운동을 보조하기 위한 추가적인 구동 모듈 및 지지 모듈이 연결되지 않을 수도 있다. 이와 같은 간단한 구조를 이용하면, 전체 운동 보조 장치(1)를 경량화시킬 수 있다.

도 4는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.

도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법은, 사용자의 다리 회전 정보를 감지하는 단계(1100)와, 감지된 정보에 기초하여 사용자의 모션을 결정하는 단계(1200)와, 결정된 모션에 따라서 사용자에게 작용해야 하는 필요 토크(T_N)를 결정하는 단계(1310, 1320, 1330)와, 결정된 필요 토크(T_N)를 기초로 구동 토크(T_D)를 결정하는 단계(1400)와, 결정된 구동 토크(T_D)로 액츄에이터를 구동하는 단계(1500)를 포함할 수 있다. 여기서, 필요 토크(T_N)는, 외부로부터 사용자의 하체에 인가되어야 할 토크의 총합이라고 이해될 수 있다. 또한, 구동 토크(T_D)란, 구동 모듈(30)에 의해서 생성되어 사용자에게 인가되는 토크이다. 도 4는, 구동 토크(T_D)를 필요 토크(T_N)와 동일하게 설정하는 경우를 예시적으로 도시한 것이다. 한편, 도 4와 달리 구동 토크(T_D)는, 필요 토크(T_N) 외에 다른 외력의 영향을 고려하여 설정될 수도 있다.

단계 1100에서, 사용자의 다리 회전 정보는 다리 회전 정보 감지 센서에 의해 직접 또는 간접적으로 감지될 수 있다. 예를 들어, 사용자의 다리 회전 정보를 직접적으로 감지하는 다리 회전 정보 감지 센서로는, 사용자의 다리에 직접 부착된 관성 센서를 포함할 수 있다. 또한, 사용자의 다리의 회전 정보를 간접적으로 감지하는 다리 회전 정보 감지 센서로는, 사용자가 보행 시 상체의 각도 정보를 측정하는 관성 센서, 사용자의 상체 및 하체 사이의 각도를 측정하는 엔코더, 사용자의 다리에 의해 지지 모듈에 작용하는 압력을 측정하기 위한 압력 센서 또는 지지 모듈의 변형을 측정하기 위한 스트레인 게이지를 포함할 수 있다.

단계 1200에서, 사용자의 모션이 굽힘 모션, 즉, 사용자의 다리가 전방으로 회전 중인 상태로 결정된 경우, 필요 토크(T_N)는 운동 보조 토크로 결정할 수 있다(1310). 여기서, 운동 보조 토크란, 지지 플레이트가 사용자의 다리를 들어올릴 수 있을 정도로 높은 값으로 미리 설정되어 있을 수 있으며, 사용자의 다리를 밀어주는 방향으로 작용하는 토크를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 사용자는 운동 보조 토크를 제공받아 적은 힘을 들이고도 다리를 전방으로 회전시킬 수 있다. 운동 보조 토크가 작용하면, 사용자는 자신의 근육 사용을 줄이게 된다. 이러한 감소는 사용자의 관절에 가해지는 부하를 줄여주어, 관절염 등의 질병을 가진 환자에게 도움이 되고, 결과적으로 질병을 완화시키고 질병의 진행을 늦추어 줄 수 있다.

단계 1200에서, 사용자의 모션이 정지 모션, 즉, 사용자의 다리가 회전되지 않는 상태로 결정된 경우, 필요 토크(T_N)는 접촉 유지 토크로 결정할 수 있다(1320). 여기서, 접촉 유지 토크란, 지지 플레이트가 사용자의 다리 후면에 접촉된 상태를 유지할 수 있도록 사용자의 다리를 밀어주는 방향으로 작용하는 토크를 의미하는 것으로 미리 설정되어 있을 수 있다. 다시 말하면, 접촉 유지 토크는, 직접적으로 사용자의 다리를 회전시키기 위한 토크는 아니다. 접촉 유지 토크의 크기는, 운동 보조 토크의 크기보다 작게 설정되어야 한다. 사용자가 정지 상태를 유지할 때에, 접촉 유지 토크로 인하여 과도한 부하를 느끼지 않도록, 접촉 유지 토크는 충분히 작은 값으로 설정될 수 있다. 접촉 유지 토크에 의하면, 허벅지 조임부를 갖지 않는 운동 보조 장치의 지지 모듈도 항시 허벅지에 밀착된 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 사용자의 다리가 정지 모션에서 굽힘 모션으로 변화될 때에, 지지 모듈이 사용자의 허벅지에 갑작스럽게 부딪히는 문제(slap)를 방지할 수 있다. 또한, 허벅지 조임부 없이도, 허벅지 및 지지 모듈 사이에 작용하는 압력에 대한 정보 등 사용자의 운동 상태에 관련한 정보들을 파악할 수 있게 된다.

단계 1200에서, 사용자의 모션이 신장 모션, 즉, 사용자의 다리가 후방으로 회전 중인 상태로 결정된 경우, 필요 토크(T_N)는 0으로 결정할 수 있다(1330). 지지 모듈은 사용자의 허벅지의 후면을 지지하므로, 사용자의 다리가 후방으로 회전될 때에는, 별도의 토크를 제공하지 않아도 지지 모듈의 자중에 의해 지지 모듈 및 허벅지는 밀착된 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 사용자에게 가해지는 토크를 0으로 두어, 사용자의 다리가 후방으로 회전할 때에 방해되는 힘을 최소화할 수 있다.

이상의 단계 1310, 1320 및 1330을 통칭하여, 필요 토크(T_N)를 결정하는 단계(1300)라고 할 수 있다.

구동 토크(T_D)를 결정하는 단계(1400)는, 단계 1300에서 결정된 필요 토크(T_N)를 기초로 결정될 수 있다. 예를 들어, 구동 모듈 외에 사용자에게 토크를 전달하기 위한 다른 구성 요소가 없는 경우, 구동 모듈을 통하여 온전히 사용자에게 토크를 전달하여야 하므로, 구동 토크(T_D)는 필요 토크(T_N)와 동일한 값으로 설정할 수 있다. 만약, 구동 모듈 외에 사용자에게 토크를 전달하는 다른 구성 요소가 있는 경우, 구동 토크(T_D)는, 필요 토크(T_N)와 상기 다른 구성 요소에 의한 토크를 고려하여 설정될 수도 있을 것이다.

도 5는 일 실시 예에 따른 다리 회전 정보를 감지하는 단계를 나타내는 순서도이고, 도 6은 일 실시 예에 따른 다리 회전 정보를 감지하는 단계를 설명하기 위하여 사용자가 직립한 상태를 나타내는 도면이고, 도 7은 일 실시 예에 따른 다리 회전 정보를 감지하는 단계를 설명하기 위하여 사용자가 보행 중인 상태를 나타내는 도면이다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 일 실시 예에 따른 다리 회전 정보를 감지하는 단계(1100)는, 사용자의 상체의 각도(θ1)를 측정하는 단계(1110)와, 사용자의 상체 및 하체 사이의 상대 각도(θ2)를 측정하는 단계(1120)와, 사용자의 하체의 각도(θ3)를 결정하는 단계(1130)와, 사용자의 하체의 각속도를 결정하는 단계(1140)를 포함할 수 있다.

사용자의 상체의 각도(θ1)를 측정하는 단계(1110)는, 예를 들어, 지면에 수직한 방향을 기준으로 사용자의 상체(U)의 각도(θ1)를 측정하는 단계일 수 있다. 예를 들면, 제어부는, 사용자의 고정 모듈(20)의 일측에 고정된 관성 센서(50)로부터 감지된 정보를 이용하여, 사용자의 상체(U)의 각도(θ1)를 측정할 수 있다. 관성 센서(50)는, 예를 들면, 직선 운동을 측정하는 3개의 가속도계(accelerometer)와, 회전 운동을 측정하는 3개의 각속도계(gyroscope)를 포함할 수 있다.

사용자의 상체 및 하체 사이의 상대 각도(θ2)를 측정하는 단계(1120)는, 사용자의 동작 상태와 관계없이, 상체(U) 및 하체(L) 사이의 각도(θ2)를 측정하는 단계일 수 있다. 예를 들면, 제어부는, 사용자의 고정 모듈(20)의 일측에 고정되어, 고정 모듈(20)을 기준으로 지지 모듈(40)의 회전 각도를 측정하는 엔코더(encorder)로부터 감지된 정보를 이용하여, 사용자의 상체(U) 및 하체(L) 사이의 각도(θ2)를 측정할 수 있다. 예를 들면, 엔코더는, 구동 모듈(30)의 액츄에이터의 회전 축에 연결될 수 있다.

사용자의 하체의 각도(θ3)를 결정하는 단계(1130)는, 사용자의 운동 상태와 관계없이, 지면에 수직한 방향을 기준으로 사용자의 하체(L)의 각도(θ3)를 결정할 수 있다. 예를 들면, 각도 θ3은, 단계 1110 및 단계 1120에서 측정된 2개의 각도 θ1 및 θ2의 값에 기초하여 결정될 수 있다.

사용자의 하체의 각속도를 결정하는 단계(1140)는, 단계 1130에서 결정된 각도 θ3를 시간에 대하여 미분한 값에 기초하여 결정될 수 있다.

한편, 이상의 제어 방법은 하나의 예시에 불과하며, 다리 회전 정보를 감지하는 단계(1100)는, 다른 방법으로도 수행될 수 있다. 예를 들면, 사용자의 다리에 직접 관성 센서를 부착하고, 부착된 관성 센서에서 감지된 정보에 기초하여 사용자의 다리 회전 정보, 예를 들면, 다리의 각속도를 감지할 수도 있다.

도 8은 일 실시 예에 따른 모션을 결정하는 단계를 나타내는 도면이다. 도 9(a)는 사용자의 한쪽 다리 회전 속도를 예시적으로 나타내는 그래프이고, 도 9(b)는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 통하여 결정된 필요 토크를 예시적으로 나타내는 그래프이다.

도 8 내지 도 9(b)를 참조하면, 일 실시 예에 따른 모션을 결정하는 단계(1200)는, 사용자의 하체의 각속도를 적어도 하나 이상의 설정 값과 비교하는 단계(1210)와, 단계 1210의 비교 결과에 따라서, 모션을 결정하는 단계(1220, 1230, 1240)를 포함할 수 있다.

여기서, 모션은 크게 3가지로 분류될 수 있다. 모션은, 사용자가 다리를 후방으로 회전시키는 신장 모션, 사용자가 다리를 전방으로 회전시키는 굽힘 모션, 사용자가 다리를 일정한 범위 내에서 회전하지 않고 정지하고 있는 정지 모션을 포함할 수 있다.

여기서, 정지 모션은, 사용자의 하체의 각속도가 정확히 0인 구간을 포함하는 일정한 구간으로 설정할 수 있다. 위와 같이 설정할 경우 구동 모듈의 제어 신호가 과도하게 변화됨에 따라 제어부 및 구동 모듈에 과부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다. 이하, 사용자의 다리가 전방으로 회전하는 상태, 즉, 사용자의 다리가 굽히는 방향으로 변화될 때의 각속도를 음의 값으로 하고, 사용자의 다리가 후방으로 회전하는 상태, 즉, 사용자의 다리가 신장하는 방향으로 변화될 때의 각속도를 양의 값으로 할 때를 기준으로 서술하기로 한다. 한편, 각속도의 부호를 반대로 설정하는 것도 가능함은 물론이다.

단계 1210는, 사용자의 하체의 각속도를 제 1 설정 값(min) 및 제 1 설정 값 보다 큰 제 2 설정 값(max)과 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 도 9(a)는, 제 1 설정 값이 -1이고, 제 2 설정 값이 1인 경우를 도시하고 있다. 여기서 제 1 설정 값 및 제 2 설정 값은, Nm 등의 토크의 단위를 갖는 값일 수 있다.

사용자의 하체의 각속도가 제 1 설정 값 미만인 경우, 사용자의 모션이 굽힘 모션인 것으로 결정하고(1220), 필요 토크(T_N)를 결정하는 단계(예를 들면, 단계 1310)을 수행할 수 있다. 구체적인 예로, 도 9(a)에서, 사용자의 하체의 각속도(V)가 -1 이하인 구간 t2~t3, t8~t9 는 굽힘 모션인 것으로 보고, 도 9(b)와 같이 구간 t2~t3, t8~t9에서, 사용자의 하체에 인가되어야 할 필요 토크(T_N)를 미리 결정된 운동 보조 토크로 설정할 수 있다.

사용자의 하체의 각속도가 제 1 설정 값 이상이고, 제 2 설정 값 미만인 경우, 사용자의 모션이 정지 모션인 것으로 결정하고(1230), 필요 토크(T_N)를 결정하는 단계(예를 들면, 단계 1320)을 수행할 수 있다. 구체적인 예로, 도 9(a)에서, 사용자의 하체의 각속도(V)가 -1 이상 1 미만인 구간 t1~t2, t3~t4, t5~t6, t7~t8, t9~t10 은 정지 모션인 것으로 보고, 도 9(b)와 같이 해당 구간에서 사용자의 하체에 인가되어야 할 필요 토크(T_N)를 미리 결정된 접촉 유지 토크로 설정할 수 있다.

사용자의 하체의 각속도가 제 2 설정 값 이상인 경우, 사용자의 모션이 신장 모션인 것으로 결정하고(1240), 필요 토크(T_N)를 결정하는 단계(예를 들면, 단계 1330)을 수행할 수 있다. 구체적인 예로, 도 9(a)에서, 사용자의 하체의 각속도(V)가 1 이상인 구간 0~t1, t4~t5, t6~t7, t10~ 은 정지 모션인 것으로 보고, 도 9(b)와 같이 해당 구간에서 사용자의 하체에 인가되어야 할 필요 토크(T_N)를 0으로 설정할 수 있다.

한편, 이와 달리, 모션을 결정하는 단계(1200)는, 하체의 각속도가 아닌 미리 입력된 걸음 걸이 주기나, 실시간으로 파악된 최근 평균 걸음 주기를 기초로, 시간의 흐름에 따라서 모션을 결정하는 단계를 포함할 수도 있을 것이다.

도 10 및 도 11은 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 10은 사용자가 직립한 상태에서의 운동 보조 장치를 나타내는 도면이고, 도 11은 사용자가 다리를 전방으로 회전시킨 상태에서의 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치(2)는, 지지 모듈(40)에 탄성력을 제공하는 탄성체(200)를 더 포함할 수도 있다. 탄성체(200)는, 예를 들어, 고무 밴드, 스프링 등일 수 있다. 탄성체(200)는, 고정 모듈(20)에 연결되는 제 1 연결부(210)와, 지지 모듈(40)에 연결되는 제 2 연결부(220)와, 제 1 연결부(210) 및 제 2 연결부(220) 사이에 위치하며, 고정 모듈(20) 또는 지지 모듈(40)의 일측에 걸리는 걸림부(230)를 포함할 수 있다.

제 1 연결부(210)는, 예를 들면, 고정 프레임(22)에 연결될 수 있다. 제 2 연결부(220)는, 예를 들면, 힘 전달 프레임(42)에 연결될 수 있다. 탄성체(200)는, 예를 들면, 구동 모듈(30)에 걸릴 수 있다. 다시 말하면, 탄성체(200)는, 고정 프레임(22) 및 힘 전달 프레임(42)을 따라서 운동 보조 장치에 연결될 수 있다. 위와 같은 구조에 의하면, 탄성체(200)가 고정 모듈(20) 및 힘 전달 프레임(42)이 연장된 경로상에 위치될 수 있으므로, 탄성체(200) 자체의 변형 및 움직임에 따라 추가로 확보해야 되는 공간을 최소로 할 수 있다.

예를 들어, 탄성체(200)는, 고정 프레임(22), 구동 모듈(30) 및 힘 전달 프레임(42)의 내부에 배치될 수 있다. 위와 같은 형상에 의하면, 외부의 충격 또는 오염물에 의해 탄성체(200)가 파손 또는 부식되는 현상을 방지하여, 탄성체(200)의 수명을 증대시킬 수 있으며, 탄성체(200)의 변형 과정에서 사용자의 신체 또는 의복이 끼이는 문제 등을 방지할 수 있다.

탄성체(200)는, 사용자가 직립한 상태에서 고정 모듈(20)에 대하여 지지 모듈(40)이 전방으로 회전되게 하는 방향, 즉, 굽힘 방향으로 탄성력을 제공할 수 있다. 탄성체(200)에 의하면, 사용자가 직립한 상태에서 구동 모듈(30)을 구동시키지 않고도 지지 모듈(40)이 사용자에게 밀착되게 할 수 있다. 다시 말하면, 접촉 유지 토크를 생성하기 위하여 구동 모듈(30)을 구동하는데 필요한 에너지를 절약할 수 있다.

탄성체(200)는, 예를 들어, 정하중 스프링을 사용할 수도 있다. 이 경우, 지지 모듈(40)의 각도에 무관하게 탄성체(200)에 의해 생성되는 탄성 토크가 일정해질 수 있으므로, 구동 모듈(30)을 간단하고 정확하게 제어할 수 있다.

도 12 및 도 13은 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 12는 사용자가 직립한 상태에서의 운동 보조 장치를 나타내는 도면이고, 도 13은 사용자가 다리를 전방으로 회전시킨 상태에서의 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치(3)는, 지지 모듈(40)에 탄성력을 제공하는 탄성체(300)를 더 포함할 수도 있다. 탄성체(300)는, 고정 모듈(20)에 연결되는 제 1 연결부(310)와, 지지 모듈(40)에 연결되는 제 2 연결부(320)를 포함할 수 있다.

도 14 및 도 15는 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다. 도 14는 사용자가 직립한 상태에서의 운동 보조 장치를 나타내는 도면이고, 도 15는 사용자가 다리를 전방으로 회전시킨 상태에서의 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.

도 14 및 도 15을 참조하면, 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치(4)는, 지지 모듈(40)에 탄성력을 제공하는 탄성체(400)를 더 포함할 수도 있다. 탄성체(400)는, 고정 모듈(20)에 연결되는 제 1 연결부(410)와, 지지 모듈(40)에 연결되는 제 2 연결부(420)와, 구동 모듈(30)에 권회되는 권회부(430)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄성체(400)는, 구동 모듈(30)에 감싸지는 토션 스프링일 수 있다. 운동 보조 장치(4)는, 구동 모듈(30)에 의한 토크 및 탄성체(400)에 의한 토크를 사용자에게 제공할 수 있다. 구동 모듈(30)에 의한 토크는, 제어부의 제어 신호에 따라서 변화되는 능동적인 토크(active torque)인 것으로 이해될 수 있다. 탄성체(400)에 의한 토크는, 탄성체(400)의 사양 및 사용자의 보행 상태에 따라 미리 결정되어 있는 토크로서, 수동적인 토크(passive torque)인 것으로 이해될 수 있다. 구동 모듈(30) 및 탄성체(400)에 의하면, 아래와 같이 사용자의 보행 상태에 따라 적절하게 변화되는 토크를 발생시킬 수 있다.

도 16은 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 나타내는 도면이다. 도 17(a)는 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 통하여 결정된 필요 토크를 예시적으로 나타내는 그래프이고, 도 17(b)는 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 통하여 결정된 탄성 토크를 예시적으로 나타내는 그래프이고, 도 17(c)는 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 통하여 결정된 구동 토크를 예시적으로 나타내는 그래프이다. 도 17(a) 내지 도 17(c)에서 y축은 토크의 크기를 나타내며, y축의 양의 방향은 신장 방향을 의미하고, y축의 음의 방향은 굽힘 방향을 의미한다.

도 16 내지 도 17(c)를 참조하면, 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법은, 필요 토크(T_N)를 결정하는 단계(1300) 이후에 수행되는, 구동 토크(T_D)를 결정하는 단계(2400)를 포함할 수 있다. 구동 토크(T_D)는, 단계 1300에서 결정된 필요 토크(T_N)와, 운동 보조 장치에 구비된 탄성체에 의해서 사용자의 하체에 인가되는 탄성 토크(T_E)를 고려하여 결정될 수 있다.

도 17(b)는 탄성 토크(T_E)가 시간의 흐름이나, 사용자의 하체의 각도에 무관하게 일정한 값을 가지는 경우를 예시적으로 도시한 것이다. 예를 들어, 탄성체로 정하중 스프링을 이용하면, 탄성체가 사용자에게 일정한 탄성 토크(T_E)를 제공할 수 있다. 이 경우, 탄성 토크(T_E)는 탄성체의 사양에 의해 결정되는 미리 결정된 값일 수 있다. 단계 2400에서 제어부는 필요 토크(T_N)에서 탄성 토크(T_E)를 뺀 값을 구동 토크(T_D)로 결정할 수 있다. 그리고 단계 1500을 수행함으로써, 사용자에게 정확한 필요 토크(T_N)를 제공할 수 있다.

한편, 평균적인 사용자의 보행 패턴을 고려할 때에, 정지 모션에 해당하는 시간 영역이 나머지 굽힘 모션 또는 신장 모션에 해당하는 시간 영역보다 더 길 수 있다. 만약 접촉 유지 토크와 동일한 탄성 토크(T_E)를 제공하는 탄성체를 이용하면, 구동 토크(T_D)가 도 17(c)와 같이 결정될 수 있다. 이 경우, 정지 모션에 해당하는 시간 영역동안 구동 모듈은 구동될 필요가 없으므로, 구동 모듈의 동작에 소모되는 에너지를 절약할 수 있다.

한편, 도 17(c)의 y축의 양의 방향으로 작용하는 토크는, 사용자의 신장 방향으로 작용하는 토크이다. 위와 같은 제어 방법에 따르면, 사용자의 신장 모션을 방해하는 탄성 토크를 제거할 수 있다. 도 17(c)와 같이 구동 모듈을 구동하기 위하여, 구동 모듈은 양 방향으로 회전될 수 있다.

한편, 탄성 토크(T_E)는, 사용자의 다리의 각도에 따라 달라질 수 있다. 이 경우, 제어부는 사용자의 다리 회전 정보에 기초하여, 탄성 토크(T_E)를 감지하고, 감지된 탄성 토크(T_E)를 필요 토크(T_N)에서 뺀 값을 구동 토크(T_D)로 결정할 수 도 있다. 위와 같은 제어 방법에 따르면, 탄성체 및 구동 모듈에 의해 정확한 필요 토크(T_N)를 사용자에게 공급할 수 있다.

도 18은 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 나타내는 도면이다.

도 18을 참조하면, 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법은, 사용자의 다리 회전 정보를 감지하는 단계(1100) 이후에 수행되는 모션을 결정하는 단계(1200)와, 결정된 모션에 따라서 구동 토크(T_D)를 결정하는 단계(3310, 3320)를 포함할 수 있다.

단계 1200에서, 사용자의 모션이 굽힘 모션, 즉, 사용자의 다리가 전방으로 회전 중인 상태로 결정된 경우, 구동 토크(T_D)는 운동 보조 토크로 결정할 수 있다(3310).

단계 1200에서, 사용자의 모션이 굽힘 모션이 아닌 것으로 결정된 경우, 필요 토크(T_D)는 0으로 결정할 수 있다(3320). 사용자의 모션이 굽힘 모션이 아닌 경우는, 정지 모션 또는 신장 모션이라고 할 수 있다. 정지 모션 또는 신장 모션의 경우 탄성체 또는 지지 모듈의 자중에 의하여 지지 모듈 및 허벅지는 밀착된 상태를 유지할 수 있다. 이 경우, 정지 모션 또는 신장 모션에 해당하는 시간 영역동안 구동 모듈은 구동될 필요가 없으므로, 구동 모듈의 동작에 소모되는 에너지를 절약할 수 있다.

이상의 단계 3310 및 3320를 통칭하여, 구동 토크(T_D)를 결정하는 단계(3300)라고 할 수 있다.

위와 같은 제어 방법에 의하면, 구동 모듈을 단 방향으로만 회전시키는 방법으로 운동을 보조할 수 있다. 다시 말하면, 단 방향의 토크만 생성할 수 있는 구동 모듈을 이용하여 운동을 보조하는 것이 가능해진다. 또한, 보다 간단한 방법으로 운동 보조 장치를 제어할 수 있으므로, 운동 보조 장치의 응답성을 향상시키고, 제어 방법의 복잡성에 따른 오류를 줄일 수 있다.

도 19는 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이고, 도 20은 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 나타내는 도면이다.

도 19 및 도 20을 참조하면, 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치(5)는, 사용자의 다리에 의해 지지 모듈(40)에 작용하는 압력을 측정하기 위한 압력 센서(500)를 더 포함할 수도 있다. 압력 센서(500)는, 지지 모듈(40)에 배치될 수 있다. 예를 들면, 압력 센서(500)는, 지지 프레임(42) 및 지지 플레이트(44) 사이에 배치될 수 있다.

또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치(5)의 제어 방법은, 사용자의 다리 회전 정보를 감지하는 단계(4100)와, 감지된 정보에 기초하여 사용자의 모션을 결정하는 단계(4200)를 포함할 수 있다.

단계 4100에서 사용자의 다리 회전 정보는 압력 센서(500)에서 감지된 압력에 의해 얻어질 수 있다.

단계 4200은, 압력 센서(500)에서 감지된 압력을 적어도 하나 이상의 설정 값과 비교하는 단계(4210)와, 단계 4210의 비교 결과에 따라서, 모션을 결정하는 단계(4220, 4230, 4240)를 포함할 수 있다.

단계 4210는, 사용자의 하체의 각속도를 제 1 설정 값(min) 및 제 1 설정 값 보다 큰 제 2 설정 값(max)과 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서 제 1 설정 값 및 제 2 설정 값은, Pa 등의 토크의 단위를 갖는 값일 수 있다.

압력 센서(500)에서 감지된 압력이 제 1 설정 값(min) 미만인 경우, 사용자의 다리가 지지 모듈(40)로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 상태임을 알 수 있으므로, 사용자의 모션이 굽힘 모션인 것으로 결정하고(4220), 필요 토크(T_N)를 결정하는 단계(예를 들면, 단계 1310)을 수행할 수 있다.

압력 센서(500)에서 감지된 압력이 제 1 설정 값(min) 이상이고, 제 2 설정 값(max) 미만인 경우, 사용자의 다리가 지지 모듈(40)에 대하여 일정한 범위 내의 압력을 제공하는 것임을 알 수 있으므로, 사용자의 모션이 정지 모션인 것으로 결정하고(4230), 필요 토크(T_N)를 결정하는 단계(예를 들면, 단계 1320)을 수행할 수 있다.

압력 센서(500)에서 감지된 압력이 제 2 설정 값(max) 이상인 경우, 사용자의 다리가 지지 모듈(40)을 향하여 이동하는 상태임을 알 수 있으므로, 사용자의 모션이 신장 모션인 것으로 결정하고(4240), 필요 토크(T_N)를 결정하는 단계(예를 들면, 단계 1330)을 수행할 수 있다.

정리하면 사용자의 다리 회전 정보를 감지하는 단계나, 사용자의 모션을 결정하는 단계는, 직접적으로 사용자의 다리의 회전 각도 또는 각속도를 측정하지 않고도, 이상의 방법 등으로 간접적으로 수행될 수 있다.

도 21은 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 나타내는 도면이다.

도 21을 참조하면, 또 다른 실시 예에 따른 운동 보조 장치(6)는, 지지 모듈(40)의 변형을 측정하기 위한 스트레인 게이지(600)를 더 포함할 수 있다. 스트레인 게이지(600)는, 지지 모듈(40)에 배치될 수 있다. 예를 들면, 스트레인 게이지(600)는, 지지 플레이트(44)에 구비된 탄성 부재에 설치되어, 탄성 부재의 변형률을 측정할 수 있다. 한편, 변형률 센서(600)는, 지지 프레임(42)에 구비되어, 지지 프레임(42)의 변형률을 측정할 수도 있다.

사용자의 하체와 지지 모듈(40) 사이에 작용하는 힘 또는 압력에 비례하여 지지 모듈(40)은 변형될 수 있다. 따라서, 스트레인 게이지(600)를 이용하면, 앞서 설명한 바와 같이, 사용자의 다리 회전 정보를 감지하고, 감지된 정보에 기초하여 사용자의 모션을 결정할 수 있게 된다. 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

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.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims

사용자의 허리에 고정되는 고정 모듈;
상기 고정 모듈에 구비되며 사용자의 운동 보조를 위한 토크를 제공하는 구동 모듈;
상기 구동 모듈에 연결되고, 사용자의 다리 둘레 중 일부를 지지하는 지지 모듈; 및
상기 구동 모듈을 제어하고, 사용자가 보행하지 않는 상태에서 상기 지지 모듈이 사용자의 다리에 밀착된 상태를 유지하게 하는 토크를 제공하도록 상기 구동 모듈을 제어하는 제어부를 포함하는 운동 보조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 지지 모듈은,
일 단부가 상기 구동 모듈에 연결되고, 타 단부는 사용자의 다리를 따라서 연장되는 힘 전달 프레임; 및
상기 힘 전달 프레임에 연결되고, 사용자의 다리의 둘레 방향 중 후측만 지지하는 플레이트 바디를 포함하는 운동 보조 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 지지 모듈은, 상기 플레이트 바디로부터 일측 또는 양측으로 연장되고, 사용자의 다리의 측방에 위치하는 날개부를 더 포함하고,
상기 날개부의 단부는 상기 힘 전달 프레임이 회전하는 방향을 기준으로 사용자의 다리의 전면과 오버랩되지 않게 배치되는 운동 보조 장치.
제 1 항에 있어서,
사용자가 직립한 상태에서, 사용자가 전진하는 방향으로 상기 지지 모듈에 탄성력을 제공하는 탄성체를 더 포함하는 운동 보조 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 탄성체는,
상기 고정 모듈에 연결되는 제 1 연결부; 및
상기 지지 모듈에 연결되는 제 2 연결부를 포함하는 운동 보조 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 탄성체는,
상기 제 1 연결부 및 제 2 연결부 사이에 위치하며, 상기 고정 모듈 또는 지지 모듈의 일측에 걸리는 걸림부를 더 포함하는 운동 보조 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 탄성체는,
상기 구동 모듈에 권회되는 권회부를 더 포함하는 토션 스프링인 운동 보조 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 탄성체는, 사용자의 다리의 회전 각도에 관계없이 일정한 탄성 토크를 제공하는 정하중 스프링을 포함하는 운동 보조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 지지 모듈의 단부는 사용자의 고관절 및 무릎 사이에 위치하여 사용자의 허벅지를 지지하고,
상기 지지 모듈의 단부에는 사용자의 다른 부분의 운동을 보조하기 위한 추가적인 구동 모듈 및 지지 모듈이 연결되지 않는 운동 보조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는, 사용자의 상체의 각도 정보를 측정하는 관성 센서, 사용자의 상체 및 하체 사이의 각도를 측정하는 엔코더, 사용자의 다리에 의해 상기 지지 모듈에 작용하는 압력을 측정하기 위한 압력 센서 또는 상기 지지 모듈의 변형을 측정하기 위한 스트레인 게이지 중 하나 이상으로부터 수신된 정보에 기초하여, 상기 구동 모듈을 제어하는 운동 보조 장치.
사용자의 허리를 고정하는 고정 모듈 및 사용자의 다리를 지지하는 지지 모듈을 포함하는 운동 보조 장치의 제어 방법에 있어서,
사용자의 다리 회전 정보를 감지하는 단계;
상기 감지된 정보에 기초하여 사용자의 모션을 결정하는 단계;
상기 결정된 모션에 기초하여, 사용자에게 제공해야 할 필요 토크를 결정하는 단계;
상기 필요 토크에 기초하여, 운동 보조력을 생성하는 구동 모듈의 구동 토크를 결정하는 단계; 및
상기 결정된 구동 토크로 상기 구동 모듈을 구동하여, 상기 지지 모듈을 회전시키는 단계를 포함하고,
상기 지지 모듈은, 상기 구동 모듈에 연결되고 사용자의 다리의 후면을 지지하는 운동 보조 장치의 제어 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 필요 토크를 결정하는 단계는,
사용자의 모션이 굽힘 모션일 때, 상기 필요 토크는 미리 결정된 운동 보조 토크로 결정하고,
사용자의 모션이 정지 모션일 때, 상기 필요 토크는 상기 운동 보조 토크보다 작게 미리 결정된 접촉 유지 토크로 결정하고,
사용자의 모션이 신장 모션일 때, 상기 필요 토크는 0으로 결정하는 운동 보조 장치의 제어 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 사용자의 다리 회전 정보는, 사용자의 다리의 각속도, 사용자의 걸음 주기, 상기 지지 모듈에 인가되는 압력 및 상기 지지 모듈의 변형 정도 중 하나 이상을 포함하는 운동 보조 장치의 제어 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 사용자의 다리 회전 정보를 감지하는 단계는,
사용자의 상체의 각도를 측정하는 단계;
사용자의 상체 및 다리 사이의 상대 각도를 측정하는 단계;
상기 상체의 각도 및 상대 각도에 기초하여 사용자의 다리의 각도를 결정하는 단계; 및
사용자의 다리의 각속도를 결정하는 단계를 포함하는 운동 보조 장치의 제어 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 모션을 결정하는 단계는,
상기 각속도가 제 1 설정 값 미만이면, 굽힘 모션으로 결정하고,
상기 각속도가 제 1 설정 값 이상이고 상기 제 1 설정 값보다 큰 제 2 설정 값 미만이면, 정지 모션으로 결정하고,
상기 각속도가 제 2 설정 값 이상이면, 신장 모션으로 결정하는 운동 보조 장치의 제어 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 운동 보조 장치는, 상기 지지 모듈에 대하여 전방으로 이동하는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성체를 더 포함하고,
상기 구동 토크를 결정하는 단계는,
상기 탄성체의 탄성 토크를 상기 필요 토크에서 뺀 값으로 결정하는 운동 보조 장치의 제어 방법.
사용자의 허리를 고정하는 고정 모듈 및 사용자의 다리를 지지하는 지지 모듈을 포함하는 운동 보조 장치의 제어 방법에 있어서,
사용자의 다리 회전 정보를 감지하는 단계;
상기 감지된 정보에 기초하여 사용자의 모션을 결정하는 단계;
상기 결정된 모션에 기초하여, 운동 보조력을 생성하는 구동 모듈의 구동 토크를 결정하는 단계; 및
상기 결정된 구동 토크로 상기 구동 모듈을 구동하여, 상기 지지 모듈을 단 방향으로 회전시키는 단계를 포함하고,
상기 지지 모듈은, 상기 구동 모듈에 연결되고 사용자의 다리의 후면을 지지하는 운동 보조 장치의 제어 방법.
제 17 항에 있어서,
상기 운동 보조 장치는, 상기 지지 모듈에 대하여 전방으로 이동하는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성체를 더 포함하는 운동 보조 장치의 제어 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 모션을 결정하는 단계는,
사용자의 다리의 각속도가 설정 값 미만이면, 굽힘 모션으로 결정하고,
사용자의 다리의 각속도가 설정 값을 초과하면 굽힘 모션이 아닌 것으로 결정하는 운동 보조 장치의 제어 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 구동 토크를 결정하는 단계는,
사용자의 모션이 굽힘 모션일 때, 상기 구동 토크는 미리 결정된 운동 보조 토크로 결정하고,
사용자의 모션이 굽힘 모션이 아닐 때, 상기 구동 토크는 0으로 결정하는 운동 보조 장치의 제어 방법.