KR102518406B1 - 보행패턴 식별 시스템을 이용한 보행패턴 식별 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 보행패턴 식별 시스템은, 착용자의 다리근육 움직임에 따른 압력정보를 검출하기 위한 압력 검출부(100)와, 본체와 좌우측 회동체로 이루어지는 외골격 장치(200)와, 상기 외골격 장치에 설치되고, 착용자의 다리 움직임에 따른 좌우측 회동체의 각도정보를 검출하는 각도 검출부(300)와, 상기 압력정보와 각도정보를 기초로 보행패턴을 획득하는 컨트롤러(400)를 포함하여 이루어지고, 상기 검출부(100)는 상부 압력검출부(110)와 하부 압력검출부(120)로 이루어지고, 상기 상부 압력검출부(110)는 대퇴부 근육의 움직임을 검출하고, 상기 하부 압력검출부(120)는 하퇴부 근육의 움직임을 검출한다.
본 발명에 따른 보행패턴 식별 방법은, 보행에 따른 대퇴부의 근육 움직임 압력정보, 하퇴부의 근육 움직임 압력정보, 및 대퇴부와 하퇴부의 각도정보를 전송받는 단계(S100)와, 상기 각도정보를 기초로 근육 움직임 압력정보를 샘플링하는 단계(S200)와, 상기 샘플링된 근육 움직임 압력정보와 각도정보로부터 움직임 모델을 획득하는 단계(S300)를 포함한다.
본 발명에 따른 보행패턴 식별 방법은, 보행에 따른 대퇴부의 근육 움직임 압력정보, 하퇴부의 근육 움직임 압력정보, 및 대퇴부와 하퇴부의 각도정보를 전송받는 단계(S100)와, 상기 각도정보를 기초로 근육 움직임 압력정보를 샘플링하는 단계(S200)와, 상기 샘플링된 근육 움직임 압력정보와 각도정보로부터 움직임 모델을 획득하는 단계(S300)를 포함한다.
Description
본 발명은 다리 근육의 움직임을 기초로 착용자의 보행패턴을 식별하기 위한 시스템 및 보행패턴을 식별하기 위한 방법에 관한 것이다.
최근 로봇기술의 발달로 인체의 움직임을 보조하는 근력보조 장치들이 개발되고 있다. 대부분의 근력보조 장치는 모터의 회전을 이용하여 움직임 동력을 발생시킨다.
일예로, 공개특허공보 제10-2019-0004854호는 착용식 근력보조장치 및 그 제어방법을 개시하고 있다. 상기 선행기술문헌은 착용자의 상체를 지지하는 메인 바디와, 상기 메인 바디의 양측에 각각 배치된 복수의 다리 풀리와, 상기 다리 풀리에 각각 연결된 복수의 와이어부가 설치되어 있으며, 복수의 와이어부에 인장력을 제공하여 복수의 다리풀리 각각을 회전시키는 구동력을 구비하고 있다.
대부분의 근력보조 장치는 인체의 관절을 대신하기 위하여 배터리, 모터의 회전수를 감속하기 위한 감속기, 풀리 등을 구비하고 있고, 이들을 구동하기 위하여 미리 저장된 구동제어에 따라 구동력을 발생시키고 있다. 이와 같은 근력보조장치를 착용하는 경우, 사용자의 보행패턴과 다른 보행으로 보행 피로도가 높아질 수 있다.
본 발명은 외골격 장치를 착용하는 착용자의 다리 근육 움직임에 기초하여 보행 패턴을 식별하기 위한 시스템 및 보행 패턴을 식별하기 위한 방법을 제공하려는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 언급한 과제로 제한되지 않는다. 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 보행패턴 식별 시스템은, 착용자의 다리근육 움직임에 따른 압력정보를 검출하기 위한 압력 검출부(100)와, 본체와 좌우측 회동체로 이루어지는 외골격 장치(200)와, 상기 외골격 장치에 설치되고, 착용자의 다리 움직임에 따른 좌우측 회동체의 각도정보를 검출하는 각도 검출부(300)와, 상기 압력정보와 각도정보를 기초로 보행패턴을 획득하는 컨트롤러(400)를 포함하여 이루어지고, 상기 검출부(100)는 상부 압력검출부(110)와 하부 압력검출부(120)로 이루어지고, 상기 상부 압력검출부(110)는 대퇴부 근육의 움직임을 검출하고, 상기 하부 압력검출부(120)는 하퇴부 근육의 움직임을 검출한다.
또한, 외골격 장치(200)는 본체(210)와 좌우측 회동체(220)로 이루어지고, 상기 본체에는 배터리(battery)가 장착되며, 상기 좌우측 회동체(220)는 중간 지지대(221)와 상기 중간 지지대의 상측에서 회동하는 상측 지지대(222)와, 상기 중간 지지대의 하측에서 회동하는 하측 지지대(223)와, 상기 하측 지지대의 하부에 결합되는 풋안착대(224)로 이루어진다.
본 발명에 따른 보행패턴 식별 방법은, 보행에 따른 대퇴부의 근육 움직임 압력정보, 하퇴부의 근육 움직임 압력정보, 및 대퇴부와 하퇴부의 각도정보를 전송받는 단계(S100)와, 상기 각도정보를 기초로 근육 움직임 압력정보를 샘플링하는 단계(S200)와, 상기 샘플링된 근육 움직임 압력정보와 각도정보로부터 움직임 모델을 획득하는 단계(S300)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 외골격 장치를 착용한 착용자의 다리 근육 움직임 압력정보를 이용하여 외골격 장치의 구동제어를 수행할 수 있고, 착용자의 보행패턴에 최적화된 각도 제어를 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 보행패턴 식별 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 압력 검출부의 전면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 외골격 장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 외골격 장치의 회동체의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 컨트롤러의 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 보행패턴을 식별하기 위한 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 압력 검출부의 전면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 외골격 장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 외골격 장치의 회동체의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 컨트롤러의 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 보행패턴을 식별하기 위한 방법을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 설명의 편의를 위해 도면에 도시된 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 표현될 수 있다.
본 발명은 다리 근육의 움직임을 기초로 착용자의 보행패턴을 식별하기 위한 시스템 및 보행패턴을 식별하기 위한 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 보행패턴 식별 시스템의 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보행패턴 식별 시스템은 착용자의 다리근육 움직임에 따른 압력정보를 검출하기 위한 압력 검출부(100)와, 본체와 좌우측 회동체로 이루어지는 외골격 장치(200)와, 상기 외골격 장치에 설치되고, 착용자의 다리 움직임에 따른 좌우측 회동체의 각도정보를 검출하는 각도 검출부(300)와, 상기 압력정보와 각도정보를 기초로 보행패턴을 획득하는 컨트롤러(400)를 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 압력 검출부의 전면도이다.
상기 압력 검출부(100)는 상부 압력검출부(110)와 하부 압력검출부(120)로 이루어진다. 상기 상부 및 하부 압력검출부는 좌우측 다리에 착용할 수 있도록 각각 한 쌍으로 이루어질 수 있다. 상기 상부 및 하부 압력검출부는 띠 형상을 갖는 시트와 상기 시트에 설치되는 적어도 2이상의 압력센서(SPR)로 이루어질 수 있고, 시트의 일측과 타측에는 벨크로(velcro)가 설치될 수 있다. 상기 벨크로를 사용하여 대퇴부 및 하퇴부 둘레를 밀착시킬 수 있다.
상기 상부 압력검출부(110)는 대퇴부 근육의 움직임을 검출하고, 상기 하부 압력검출부(120)는 하퇴부 근육의 움직임을 검출한다. 구체적으로, 상기 상부 압력검출부는 전측 대퇴부와 후측 대퇴부의 근육 움직임을 검출하고, 상기 하부 압력검출부는 후측 하퇴부의 근육 움직임을 검출한다.
상기 상부 압력검출부는 전측 대퇴부 근육을 이루는 장경인대, 대퇴직근, 봉공근, 중간광근, 장요근 중에서 적어도 2이상의 근육의 움직임을 검출할 수 있고, 후측 대퇴부 근육을 이루는 대둔근, 대내전근, 반건망근, 박근, 박막양근, 대퇴이두근 중에서 적어도 2이상의 근육의 움직임을 검출할 수 있다. 또 상기 하부 압력검출부는 후측 하퇴부 근육을 이루는 비복근 또는 가자미근의 움직임을 검출할 수 있다.
상기 검출부에 부착된 압력센서들은 각각의 근육이 위치하는 영역에 대응되도록 설치하는 것이 바람직하다.
상기 상부 압력검출부와 하부 압력검출부로부터 센싱된 근육의 움직임 즉, 압력 데이터는 컨트롤러(400)로 출력된다.
도 3은 본 발명에 따른 외골격 장치의 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 외골격 장치의 회동체의 사시도이다.
본 발명에 따른 외골격 장치(200)는 착용시에 인체의 등에 안착되는 본체(210)와 좌우측 회동체(220)로 이루어진다.
상기 본체에는 배터리(battery)와 컨트롤러(controller)가 장착된다. 상기 배터리는 압력 검출부, 각도 검출부, 및 컨트롤러에 구동 에너지를 제공한다. 배터리는 충전식으로 구성할 수 있다.
상기 본체와 좌우측 회동체는 각각 좌측 및 우측 연결대(CC)로 연결된다. 상기 연결대는 본체의 하부에서 좌측 및 우측으로부터 연장된 후, 전측으로 절곡된 다음, 다시 하측으로 절곡된다.
상기 좌우측 회동체(220)는 중간 지지대(221)와 상기 중간 지지대의 상측에서 회동하는 상측 지지대(222)와, 상기 중간 지지대의 하측에서 회동하는 하측 지지대(223)와, 상기 하측 지지대의 하부에 결합되는 풋안착대(224)를 포함한다.
상기 중간 지지대(221)는 상측 구동부(221U)와 하측 구동부(221D)를 포함한다.
상기 상측 구동부(221U)는 모터와 감속기로 이루어질 수 있고, 상기 모터에는 구동 에너지가 인가되지 않는다. 상기 상측 지지대(222)는 상측 구동부의 감속기에 연결된다.
상기 하측 구동부(221D)는 모터와 감속기로 이루어질 수 있고, 상기 모터에는 구동 에너지가 인가되지 않는다. 상기 하측 지지대(223)는 하측 구동부의 감속기에 연결된다.
도면을 참조하면, 하측 지지대의 하단부에는 풋안착대(224)가 결합된다. 풋안착대는 착용자의 발목을 감싸는 안착고리(221e)와, 상기 안착고리의 양측에 고정되고 착용자의 발바닥을 받치는 절곡대(221n)로 이루어진다. 상기 안착고리(221e)는 하측 지지대에 고정되는 고정 반원고리(221ef)와 상기 고정 반원고리로부터 회동되는 회전 반원고리(221er)로 이루어질 수 있다. 실시예로서, 회전 반원고리를 고정 반원고리로부터 회동시키고, 착용자의 발목을 고정 반원고리의 내측에 안착시킨 후, 회전 반원 고리를 고정 반원고리에 닫아 체결할 수 있다.
한편, 좌우측 회동체에는 각도 검출부(300)가 설치된다. 상기 각도 검출부는 상측 각도검출센서와 하측 각도검출센서로 이루어질 수 있다. 상기 상측 각도검출센서는 중간 지지대와 상측 지지대가 이루는 각도를 검출하고, 상기 하측 각도검출센서는 중간 지지대와 하측 지지대가 이루는 각도를 검출한다.
본 발명에 따르면, 외골격 장치의 본체에는 결속구가 설치된다. 상기 결속구를 이용하여 인체의 상체에 견고히 고정할 수 있다. 또 착용자의 발목에는 풋안착대(224)가 체결된다. 때문에 상측 지지대(222)와 하측 지지대(223)는 각각 상체와 발목에 고정된 상태가 되며, 보행시에 대퇴부와 하퇴부의 움직임에 따라 상측 지지대, 중간 지지대, 하측 지지대는 소정의 각도로 회동될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 컨트롤러의 구성도이다.
본 발명에 따른 컨트롤러(400)는 압력검출부로부터 검출되는 압력정보와 각도검출부로부터 검출되는 각도정보를 기초로 착용자의 보행패턴을 획득한다. 컨트롤러(400)는 신호 샘플링모듈(410)과 움직임모델 획득모듈(420)로 이루어질 수 있다.
상기 신호 샘플링모듈(410)은 각도정보를 기초로 근육 움직임 압력정보를 샘플링하고, 상기 움직임모델 획득모듈(420)는 샘플링된 근육 움직임 압력정보와 각도정보로부터 움직임 학습모델을 획득한다.
이하, 본 발명에 따른 컨트롤러로부터 보행패턴을 획득하는 방법을 설명한다.
상기 보행패턴은 외골격 장치를 착용한 상태에서 획득될 수 있다. 이때 외골력 장치에 설치된 모터에는 구동 에너지가 인가되지 않고 자유회전이 가능한 상태에서 이루어진다. 상기 보행패턴은 압력정보와 각도정보를 피쳐(feature)로 하는 움직임 학습모델로부터 획득될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 보행패턴을 식별하기 위한 방법을 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 움직임 학습모델을 이용한 보행패턴 식별 방법은, 착용자의 보행에 따른 대퇴부의 근육 움직임 압력정보, 하퇴부의 근육 움직임 압력정보, 및 대퇴부와 하퇴부의 각도정보를 전송받는 단계(S100)와, 상기 각도정보를 기초로 근육 움직임 압력정보를 샘플링하는 단계(S200)와, 상기 샘플링된 근육 움직임 압력정보와 각도정보로부터 움직임 모델을 획득하는 단계(S300)를 포함한다.
1. 착용자의 보행에 따른 대퇴부의 근육 움직임 압력정보, 하퇴부의 근육 움직임 압력정보, 및 대퇴부와 하퇴부의 각도정보를 전송받는 단계(S100);
이 단계는 압력 검출부, 각도 검출부, 신호 샘플링모듈에서 수행된다. 신호 샘플링모듈(410)은 대퇴부의 근육 운직임 압력정보와 하퇴부의 움직임 압력정보를 입력받는다. 상기 대퇴부의 근육 운직임 압력정보와 하퇴부의 움직임 압력정보는 시간 변화에 따른 압력변화 데이터일 수 있다.
또 신호 샘플링모듈은 기준 지지대에 대한 상측 지지대의 각도정보와 기준 지지대에 대한 하측 지지대의 각도정보를 입력받는다.
2. 각도정보를 기초로 근육 움직임 압력정보를 샘플링하는 단계(S200);
이 단계는 신호 샘플링모듈에서 수행된다. 신호 샘플링모듈은 각도정보를 기초로 센싱된 근육 움직임 압력정보를 샘플링한다. 각도정보는 착용자의 다리 움직임에 따른 주기적 신호 데이터를 갖는다.
3. 샘플링된 근육 움직임 압력정보와 각도정보로부터 움직임 학습모델을 획득하는 단계(S300);
이 단계는 움직임모델 획득모듈(420)에서 수행된다. 상기 샘플링된 근육 움직임 압력정보는 피쳐(feature)로 입력되고, 상기 각도 정보는 레이블(label)로 입력되는 지도학습일 수 있다. 움직임모델 획득모듈은 라벨과 예측 데이터 사이의 평균제곱오차를 최소화하는 파라미터를 획득한다. 상기 움직임모델 획득모듈은 다층 레이어로 이루어질 수 있다.
움직임모델 획득모듈은 컨볼루션 레이어(convolution layer)와 풀링 레이어(pooling layer)와 덴스 레이어(dense layer)를 포함할 수 있다. 상기 컨볼루션 레이어는 특징 매트릭스를 사용하여 특징 파라미터를 추출한다. 상기 컨볼루션 레이어는 적어도 2이상으로 구성할 수 있다. 상기 풀링 레이어는 추출된 특징 파라미터의 차원을 축소시켜 계산량과 복잡도를 감소시킬 수 있다. 상기 덴스 레이어는 적어도 2이상으로 구성할 수 있으며, 가중치(weight)를 조절하여 결과를 출력한다.
이와 같이 획득된 움직임 학습모델을 이용하여 보행패턴을 획득할 수 있다. 상기 획득된 보행패턴은 구동력을 갖는 외골격 장치의 구동제어에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 움직임 학습모델을 획득하는 방법은 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있다. 상기 하드웨어는 처리 프로세서를 포함하는 데이터 처리 기기일 수 있고, 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어는 실행중인 프로세스, 실행파일, 프로그램 등 일 수 있다.
본 발명에 따르면, 외골격 장치를 착용한 착용자의 다리 근육 움직임 압력정보를 이용하여 외골격 장치의 구동제어를 수행할 수 있고, 착용자의 보행패턴에 최적화된 각도 제어를 수행할 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100 : 압력 검출부
110 : 상부 압력검출부
120 : 하부 압력검출부
200 : 외골격 장치
210 : 본체
220 : 좌우측 회동체
221 : 중간 지지대
222 : 상측 지지대
223 : 하측 지지대
224 : 풋안착대
300 : 각도 검출부
400 : 컨트롤러
410 : 신호 샘플링모듈
420 : 움직임모델 획득모듈
110 : 상부 압력검출부
120 : 하부 압력검출부
200 : 외골격 장치
210 : 본체
220 : 좌우측 회동체
221 : 중간 지지대
222 : 상측 지지대
223 : 하측 지지대
224 : 풋안착대
300 : 각도 검출부
400 : 컨트롤러
410 : 신호 샘플링모듈
420 : 움직임모델 획득모듈
Claims (3)
- 보행패턴 식별 시스템을 이용하여 보행패턴을 식별하기 위한 방법으로서,
상기 보행패턴 식별 시스템은,
착용자의 다리근육 움직임에 따른 압력정보를 검출하기 위한 압력 검출부(100)와, 본체와 좌우측 회동체로 이루어지는 외골격 장치(200)와, 상기 외골격 장치에 설치되고, 착용자의 다리 움직임에 따른 좌우측 회동체의 각도정보를 검출하는 각도 검출부(300)와, 상기 압력정보와 각도정보를 기초로 보행패턴을 획득하는 컨트롤러(400)를 포함하여 이루어지고,
상기 검출부(100)는 상부 압력검출부(110)와 하부 압력검출부(120)로 이루어지고, 상기 상부 압력검출부(110)는 대퇴부 근육의 움직임을 검출하며, 상기 하부 압력검출부(120)는 하퇴부 근육의 움직임을 검출하고,
상기 외골격 장치(200)는 본체(210)와 좌우측 회동체(220)로 이루어지고, 상기 본체에는 배터리(battery)가 장착되고, 상기 좌우측 회동체(220)는 중간 지지대(221)와 상기 중간 지지대의 상측에 서 회동하는 상측 지지대(222)와, 상기 중간 지지대의 하측에서 회동하는 하측 지지대(223)와, 상기 하측 지지대의 하부에 결합되는 풋안착대(224)로 이루어지고,
상기 컨트롤러(400)는 신호 샘플링모듈(410)과 움직임모델 획득모듈(420)로 이루어지고, 상기 신호 샘플링모듈(410)은 각도정보를 기초로 근육 움직임 압력정보를 샘플링하며, 상기 움직임모델 획득모듈(420)는 샘플링된 근육 움직임 압력정보와 각도정보로부터 움직임 학습모델을 획득하고,
상기 보행패턴을 식별하기 위한 방법은,
보행에 따른 대퇴부의 근육 움직임 압력정보, 하퇴부의 근육 움직임 압력정보, 및 대퇴부와 하퇴부의 각도정보를 전송받는 단계(S100)와,
상기 전송된 각도정보를 기초로 근육 움직임 압력정보를 샘플링하는 단계(S200)와,
상기 샘플링된 근육 움직임 압력정보와 각도정보로부터 움직임 모델을 획득하는 단계(S300)를 포함하고,
상기 단계 S300에서, 상기 움직임모델 획득모델은 특징 매트릭스를 사용하여 특징 파라미터를 추출하는 컨볼루션 레이어(convolution layer)와 추출된 특징 파라미터의 차원을 축소시키는 풀링 레이어(pooling layer)와 가중치(weight)를 조절하여 결과를 출력하는 덴스 레이어(dense layer)를 포함하고, 상기 샘플링된 근육 움직임 압력정보는 움직임모델의 피쳐(feature)로 입력되고, 상기 각도 정보는 움직임모델의 레이블(label)로 입력되는 것을 특징으로 하는 보행패턴 식별 방법.
- 삭제
- 삭제
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| KR1020220190231A KR102518406B1 (ko) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 보행패턴 식별 시스템을 이용한 보행패턴 식별 방법 |
| CN202311809730.1A CN117565023B (zh) | 2022-12-30 | 2023-12-26 | 一种掌握步行意图的肌肉运动感知系统及其实现方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020220190231A KR102518406B1 (ko) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 보행패턴 식별 시스템을 이용한 보행패턴 식별 방법 |
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|---|---|
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ID=85884767
Family Applications (1)
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- 2023-12-26 CN CN202311809730.1A patent/CN117565023B/zh active Active
Patent Citations (5)
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| Publication number | Publication date |
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