KR102539769B1 - 보행의도 파악을 위한 근육 움직임 감지 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 근육 움직임 감지 시스템은, 착용자의 다리근육 움직임을 검출하기 위한 검출부(100)와, 상기 검출부로부터 검출된 다리근육 움직임을 기초로 구동신호를 생성하는 컨트롤러(200)와, 상기 컨트롤러의 구동신호에 따라 보행력을 발생시키는 외골격 장치(300)로 이루어지고, 상기 외골격 장치(300)는 인체의 등에 안착되고 배터리를 포함하여 구성되는 본체(310)와, 상기 본체의 좌측과 우측에 각각 연결되는 좌측 및 우측 구동체(320)으로 이루어지며, 상기 좌우측 구동체(320)는 구동력을 발생시키는 드라이브부(321)와 상기 드라이브부의 상측에서 회동하는 상측 지지대(322)와, 상기 드라이브부의 하측에서 회동하는 하측 지지대(323)와, 상기 하측 지지대의 하부에 결합되는 풋안착대(324)를 포함하여 이루어진다.
Description
본 발명은 근육 움직임 감지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외골격 장치를 착용하는 착용자의 다리 근육 움직임을 검출하고, 검출한 데이터에 따라 외골격 장치의 구동을 제어하기 위한 근육 움직임 감지 시스템에 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 추종하여 보행할 수 있는 보행 근육 움직임 감지 시스템을 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 근육 움직임 감지 시스템은, 착용자의 다리근육 움직임을 검출하기 위한 검출부(100)와, 상기 검출부로부터 검출된 다리근육 움직임을 기초로 구동신호를 생성하는 컨트롤러(200)와, 상기 컨트롤러의 구동신호에 따라 보행력을 발생시키는 외골격 장치(300)로 이루어지고, 상기 외골격 장치(300)는 인체의 등에 안착되고 배터리를 포함하여 구성되는 본체(310)와, 상기 본체의 좌측과 우측에 각각 연결되는 좌측 및 우측 구동체(320)으로 이루어지며, 상기 좌우측 구동체(320)는 구동력을 발생시키는 드라이브부(321)와 상기 드라이브부의 상측에서 회동하는 상측 지지대(322)와, 상기 드라이브부의 하측에서 회동하는 하측 지지대(323)와, 상기 하측 지지대의 하부에 결합되는 풋안착대(324)를 포함하여 이루어진다.
또한, 컨트롤러(200)는 근육움직임 분석부(210)와 외골격 구동부(220)으로 이루어지고, 상기 근육움직임 분석부(210)는 다리근육 움직임 데이터를 기초로 보행패턴신호를 출력하고, 상기 보행패턴신호는 상체와 대퇴부가 이루어는 각도에 대한 정보, 대퇴부와 하퇴부가 이루는 각도에 대한 정보일 수 있다.
또한, 풋안착대(324)는 착용자의 발목을 감싸는 안착고리(321e)와, 상기 안착고리의 양측에 고정되고 착용자의 발바닥을 받치는 절곡대(321n)로 이루어지고, 상기 안착고리(321e)는 하측 지지대에 고정되는 고정 반원고리(321ef)와 상기 고정 반원고리로부터 회동되는 회전 반원고리(321er)로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 착용자의 다리 근육 움직임 정보를 센싱하고, 센싱된 움직임 정보에 기초하여 드라이브부를 구동함으로써 착용자의 보행에 맞는 최적화된 보행을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 근육 움직임 감지 시스템을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 검출부의 전면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 컨트롤러의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 외골격 장치의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 외골격 장치의 구동체의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 검출부의 전면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 컨트롤러의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 외골격 장치의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 외골격 장치의 구동체의 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 설명의 편의를 위해 도면에 도시된 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 표현될 수 있다.
본 발명은 외골격 장치를 착용하는 착용자의 다리 근육 움직임을 검출하고, 검출한 데이터에 따라 외골격 장치의 구동을 제어하기 위한 근육 움직임 감지 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 근육 움직임 감지 시스템을 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 근육 움직임 감지 시스템은 착용자의 다리근육 움직임을 검출하기 위한 검출부(100)와, 상기 검출부로부터 검출된 다리근육 움직임을 기초로 구동신호를 생성하는 컨트롤러(200)와, 상기 컨트롤러의 구동신호에 따라 보행력을 발생시키는 외골격 장치(300)로 이루어진다.
도 2는 본 발명에 따른 검출부의 전면도이다.
상기 검출부(100)는 상부 검출부(110)와 하부 검출부(120)로 이루어진다. 상기 상부 및 하부 검출부는 좌우측 다리에 착용할 수 있도록 각각 한 쌍으로 이루어질 수 있다. 상기 상부 및 하부 검출부는 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 검출부(110)는 착용자의 다리 대퇴부 근육의 움직임을 검출하고, 상기 하부 검출부(120)는 착용자의 다리 하퇴부 근육의 움직임을 검출한다. 구체적으로, 상기 상부 검출부는 전측 대퇴부와 후측 대퇴부의 근육의 움직임을 검출하고, 상기 하부 검출부는 후측 하퇴부의 근육의 움직임을 검출한다.
상기 상부 검출부는 전측 대퇴부 근육을 이루는 장경인대, 대퇴직근, 봉공근, 중간광근, 장요근 중에서 적어도 1이상의 근육의 움직임을 검출할 수 있고, 후측 대퇴부 근육을 이루는 대둔근, 대내전근, 반건망근, 박근, 박막양근, 대퇴이두근 중에서 적어도 1이상의 근육의 움직임을 검출할 수 있다. 또 상기 하부 검출부는 후측 하퇴부 근육을 이루는 비복근 또는 가자미근의 움직임을 검출할 수 있다.
상기 검출부(100)에 부착된 압력센서(SPR)들은 각각의 근육이 위치하는 영역에 대응되도록 설치하는 것이 바람직하다.
상기 상부 검출부와 하부 검출부로부터 센싱된 근육의 움직임 변화는 컨트롤러로 출력된다.
도 3은 본 발명에 따른 컨트롤러의 구성도이다.
상기 컨트롤러(200)는 검출부로부터 검출된 다리근육 움직임을 기초로 구동신호를 생성한다. 컨트롤러는 근육움직임 분석부(210)와 외골격 구동부(220)으로 이루어진다. 상기 컨트롤러는 후술하는 외골격 장치의 본체 내부에 설치될 수 있다.
상기 근육움직임 분석부(210)는 전송된 다리근육 움직임 데이터를 기초로 미리 저장된 보행패턴신호를 출력한다. 여기서 보행패턴신호는 상체와 대퇴부가 이루어는 각도와 이에 대한 속도에 대한 정보, 대퇴부와 하퇴부가 이루는 각도와 이에 대한 속도에 대한 정보일 수 있다. 이와 같은 보행패턴신호는 지도학습(Supervised learning)에 의한 학습모델로부터 획득될 수 있다. 이 경우, 근육 움직임 데이터는 피쳐(feature)로 입력되고, 상기 각도 데이터는 레이블(label)로 입력될 수 있다.
상기 외골격 구동부(220)는 보행패턴신호에 따라 외골격 장치로 구동신호를 생성한다. 구체적으로, 외골격 구동부는 전송된 보행패턴신호에 대응하는 모터구동을 위한 신호를 생성한다. 상기 모터구동을 위한 신호는 제1 모터 및 제2 모터를 구동하기 위한 신호일 수 있다. 상기 제1 모터는 상체와 대퇴부의 각도조절을 위한 모터이고, 상기 제2 모터는 대퇴부와 하퇴부의 각도조절을 위한 모터일 수 있다.
도 4는 본 발명의 외골격 장치의 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 외골격 장치의 구동체의 사시도이다.
본 발명에 따른 외골격 장치(300)는 인체의 등에 안착되는 본체(310)와 좌우측 구동체(320)로 이루어진다.
상기 본체에는 배터리(battery)가 장착된다. 상기 배터리는 검출부, 컨트롤러, 및 좌우측 구동체의 구동 에너지를 제공한다. 배터리는 충전식으로 구성할 수 있다.
상기 본체와 좌우측 구동체는 각각 좌측 및 우측 연결대(CC)로 연결된다. 상기 연결대는 분체의 하부에서 좌측 및 우측으로부터 연장된 후, 전측으로 절곡된 다음, 다시 하측으로 절곡된 형상을 갖는다.
상기 좌우측 구동체(320)는 구동력을 발생시키는 드라이브부(321)와 상기 드라이브부의 상측에서 회동하는 상측 지지대(322)와, 상기 드라이브부의 하측에서 회동하는 하측 지지대(323)와, 상기 하측 지지대의 하부에 결합되는 풋안착대(324)를 포함한다.
본 발명에 따른 드라이브부(321)는 상측 구동부(321U)와 하측 구동부(321D)를 포함한다.
상기 상측 구동부(321U)는 본체를 기준으로 브라이브부를 소정의 각도로 회동시킨다. 상측 구동부는 모터와 감속기로 이루어질 수 있다. 컨트롤러로부터 출력되는 구동신호에 따라 모터가 회전하면, 감속기는 회전수를 줄이게 되고, 감속기에 연결된 상측 지지대는 소정의 각도로 회동한다. 이에 따라 착용자의 상체와 대퇴부는 소정의 각도로 회동할 수 있다.
상기 하측 구동부(321D)는 드라이브부를 기준으로 하측 지지대를 소정의 각도로 회동시킨다. 하측 구동부는 모터와 감속기로 이루어질 수 있다. 컨트롤러로부터 출력되는 구동신호에 따라 모터가 회전하면, 감속기는 회전수를 줄이게 되고, 감속기에 연결된 하측 지지대는 소정의 각도로 회동한다. 이에 따라 착용자의 대퇴부와 하퇴부는 소정의 각도로 회동할 수 있다.
도면을 참조하면, 하측 지지대의 하단부에는 풋안착대(324)가 결합된다. 풋안착대는 착용자의 발목을 감싸는 안착고리(321e)와, 상기 안착고리의 양측에 고정되고 착용자의 발바닥을 받치는 절곡대(321n)로 이루어진다. 상기 안착고리(321e)는 하측 지지대에 고정되는 고정 반원고리(321ef)와 상기 고정 반원고리로부터 회동되는 회전 반원고리(321er)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.
추가적으로, 발등이 위치하는 상기 고정 반원고리(321ef)의 하단부에 접촉센서를 더욱 설치하고, 발등이 접촉센서에 접촉하는 시점에 컨트롤러가 미리 정해진 보행패턴을 구동하기 위한 보행 시작신호를 출력하도록 구성할 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 다리 관절이 원활하지 않는 착용자에게 유용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 착용자의 다리 근육 움직임 정보를 센싱하고, 센싱된 움직임 정보에 기초하여 드라이브부를 구동함으로써 착용자의 보행에 맞는 최적화된 보행을 제공할 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 : 검출부
110 : 상부 검출부
120 : 하부 검출부
200 : 컨트롤러
210 : 근육움직임 분석부
211 : 신호 샘플링모듈
212 : 움직임 모델 획득모듈
220 : 외골격 구동부
300 : 외골격 장치
310 : 본체
320 : 구동체
321 : 드라이브부
321U : 상측 구동부
321D : 하측 구동부
322 : 상측 지지대
323 : 하측 지지대
324 : 풋안착대
110 : 상부 검출부
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220 : 외골격 구동부
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323 : 하측 지지대
324 : 풋안착대
Claims (3)
- 착용자의 다리근육 움직임을 검출하기 위한 검출부(100)와, 상기 검출부로부터 검출된 다리근육 움직임을 기초로 구동신호를 생성하는 컨트롤러(200)와, 상기 컨트롤러의 구동신호에 따라 보행력을 발생시키는 외골격 장치(300)로 이루어지고,
상기 컨트롤러(200)는 근육움직임 분석부(210)와 외골격 구동부(220)으로 이루어지고,
상기 근육움직임 분석부(210)는 다리근육 움직임 데이터를 기초로 보행패턴신호를 출력하고, 상기 보행패턴신호는 상체와 대퇴부가 이루어는 각도에 대한 정보, 대퇴부와 하퇴부가 이루는 각도에 대한 정보이고,
상기 외골격 장치(300)는 인체의 등에 안착되고 배터리를 포함하여 구성되는 본체(310)와, 상기 본체의 좌측과 우측에 각각 연결되는 좌측 및 우측 구동체(320)으로 이루어지며,
상기 좌우측 구동체(320)는 구동력을 발생시키는 드라이브부(321)와 상기 드라이브부의 상측에서 회동하는 상측 지지대(322)와, 상기 드라이브부의 하측에서 회동하는 하측 지지대(323)와, 상기 하측 지지대의 하부에 결합되는 풋안착대(324)를 포함하고,
상기 풋안착대(324)는 착용자의 발목을 감싸는 안착고리(321e)와, 상기 안착고리의 양측에 고정되고 착용자의 발바닥을 받치는 절곡대(321n)로 이루어지고, 상기 안착고리(321e)는 하측 지지대에 고정되는 고정 반원고리(321ef)와 상기 고정반원고리로부터 회동되는 회전 반원고리(321er)로 이루어지며,
상기 고정 반원고리(321ef)의 하단부에 접촉센서를 더욱 설치하고, 발등이 접촉센서에 접촉하는 시점에 컨트롤러가 미리 정해진 보행패턴을 구동하기 위한 보행 시작신호를 출력하도록 구성한 것을 특징으로 하는 근육 움직임 감지 시스템.
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