KR102645075B1 - 운동 보조 장치 및 이를 제어하는 방법 - Google Patents

운동 보조 장치 및 이를 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

운동 보조 장치의 제어 방법은, 사용자에 고정되는 고정 모듈과, 상기 고정 모듈에 고정되며 회전 동력을 생성하는 구동 모듈과, 상기 사용자의 일 부분을 지지하며 상기 구동 모듈에 의해 구동되는 지지 모듈, 상기 고정 모듈에 가해지는 힘의 크기를 측정하기 위한 힘 센서(force sensor), 및 상기 구동 모듈을 제어하는 제어부를 포함하는 운동 보조 장치를 제공하고, 상기 지지모듈을 구동하기 위한 구동 토크를 상기 구동 모듈에 발생시키는 단계; 상기 힘 센서에서 나타내는 힘의 크기와 방향을 측정하는 단계; 상기 측정된 힘의 크기를 최소화 시킬 수 있는 보상 토크를 계산하는 단계; 및 상기 구동 토크와 상기 보상 토크를 합산하여 상기 구동 모듈을 구동시키는 단계를 포함할 수 있다.

Description

운동 보조 장치 및 이를 제어하는 방법{A motion assist apparatus and a method for controlling thereof}
아래의 설명은 운동 보조 장치 및 이를 제어하는 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.
예를 들어, 운동 보조 장치는, 사용자의 몸통에 장착되는 몸체 프레임과, 몸체 프레임의 하측에 결합되어 사용자의 골반을 감싸는 골반 프레임과, 사용자의 대퇴부 및 종아리, 발 부위에 장착되는 대퇴부 프레임, 종아리 프레임, 발 프레임으로 구성된다. 골반 프레임과 대퇴부 프레임은 고관절부에 의해 회전 가능하도록 연결되고, 대퇴부 프레임과 종아리 프레임은 무릎 관절부에 의해 회전 가능하도록 연결되며, 종아리 프레임과 발 프레임은 발목 관절부에 의해 회전 가능하도록 연결된다.
이러한 운동 보조 장치는 사용자의 다리 근력을 보조할 수 있도록 각 관절부들을 구동시키는 구동 모터나 유압시스템 등을 구비한 능동형 관절구조를 구비하기도 한다. 예를 들어, 양측의 고관절부에 각각 회전 동력을 전달하기 위한 2개의 모터를 구비할 수 있다.
선행문헌 1: 미국공개특허 제2009-0292369호(2009.11.26.) 선행문헌 2: 미국공개특허 제2015-0196403호(2015.07.16.)
일 실시예에 따른 운동 보조 장치는, 사용자에 고정되는 고정 모듈; 상기 고정 모듈에 고정되며, 회전 동력을 생성하는 구동 모듈; 상기 사용자의 신체의 일 부분을 지지하며, 상기 구동 모듈에 의해 구동되는 지지 모듈; 상기 고정 모듈에 가해지는 힘의 크기를 측정하기 위한 힘 센서(force sensor); 및 상기 힘 센서에 측정된 힘의 크기가 최소화 되도록 상기 구동 모듈의 회전 동력을 조절하는 제어부를 포함하는 운동 보조 장치.
일 측에 따르면, 상기 회전 동력은, 사용자가 착용했을 때, 상기 지지모듈을 구동하기 위한 구동 토크; 및 상기 측정된 힘의 크기를 조절하기 위한 보상 토크를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 제어부는 상기 힘 센서에 측정된 힘의 크기가 0이 되기 위한 보상 토크를 계산하고, 상기 구동 토크에 계산된 상기 보상 토크를 합산하여 상기 구동 모듈의 회전 동력을 적용할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 고정모듈은 사용자의 허리와 직접 접촉하는 허리 고정부; 상기 허리 고정부를 감싸는 지지 프레임; 및 상기 허리 고정부 및 지지프레임 사이를 연결하는 조인트를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 허리 고정부는 유연한 재질로 형성되고, 상기 지지 프레임은 단단한(rigid) 재질로 형성될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 조인트는, 다축 자유도를 포함하는 유니버설 조인트가 될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 힘 센서는 사용자의 허리와 상기 허리 고정부 사이에 배치되거나, 또는 상기 허리 고정부와 상기 지지 프레임 사이에 배치될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 지지 프레임의 일 측에는 사용자의 허리 움직임을 축정하는 IMU 센서가 배치되고, 상기 IMU 센서는 사용자가 허리를 기울이는 정도를 측정하여 제어부에 전송할 수 있다.
일 실시예 따른 운동 보조 장치의 제어 방법은, 사용자에 고정되는 고정 모듈과, 상기 고정 모듈에 고정되며 회전 동력을 생성하는 구동 모듈과, 상기 사용자의 일 부분을 지지하며 상기 구동 모듈에 의해 구동되는 지지 모듈, 상기 고정 모듈에 가해지는 힘의 크기를 측정하기 위한 힘 센서(force sensor), 및 상기 구동 모듈을 제어하는 제어부를 포함하는 운동 보조 장치를 제공하고, 상기 지지모듈을 구동하기 위한 구동 토크를 상기 구동 모듈에 발생시키는 단계; 상기 힘 센서에서 나타내는 힘의 크기와 방향을 측정하는 단계; 상기 측정된 힘의 크기를 최소화 시킬 수 있는 보상 토크를 계산하는 단계; 및 상기 구동 토크와 상기 보상 토크를 합산하여 상기 구동 모듈을 구동시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 고정모듈은 사용자의 허리와 직접 접촉하는 허리 고정부, 상기 허리 고정부를 감싸는 지지 프레임을 포함하고, 상기 힘의 크기와 방향을 측정하는 단계는, 사용자의 허리와 상기 허리 고정부 사이의 힘을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 힘의 크기를 측정하는 단계는, 상기 허리 고정부와 상기 지지 프레임 사이의 힘을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 힘의 크기와 방향을 측정하는 단계는, 사용자의 허리와 상기 지지 프레임 사이가 멀어지는 방향인지, 또는 가까워지는 방향인지 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 보상 토크를 계산하는 단계는, 사용자의 허리와 상기 지지 프레임 사이가 멀어지는 방향으로 판단한 경우에, 시계 방향으로의 보상 토크를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 사용자의 허리와 상기 지지 프레임 사이가 가까워지는 방향으로 판단한 경우에, 반시계 방향으로의 보상 토크를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 지지 프레임의 일 측에는 IMU 센서가 배치되고, 상기 IMU센서에서 나타나는 사용자의 허리 움직임을 축정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 사용자가 허리를 전방으로 숙이는 동작을 하는 경우에, 시계 방향으로의 보상 토크를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 사용자가 허리를 젖히는 동작을 하는 경우에, 반시계 방향으로의 보상 토크를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 구동 모듈은 상기 지지프레임의 양 측에 고정되는 제1 구동 모듈 및 제2 구동 모듈을 포함하고, 상기 보상 토크를 계산하는 단계는, 각각의 상지 제1 및 제2 구동 모듈에 적용되는 보상 토크를 별개로 개산하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 측정된 힘의 크기가 0을 나타내는 경우, 보상 토크값을 0으로 하고 구동 토크만으로 구동 모듈을 구동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 정면도를 나타낸 도면이다.
도 2는 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 배면도를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 5은 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 상면도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6 내지 8은 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 구조도를 나타낸 도면이다.
도 9 및 10는 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법의 순서도를 나타낸 도면이다.
도 11은 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법의 계산식을 나타낸 도면이다.
도 12는 실시 예에 따른 운동 보조 장치를 착용한 사용자의 움직임을 나타낸 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 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 정면도이고, 도 2는 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 측면도이다.
도 1 및 도 2를 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(12), 구동 모듈(13), 회전 조인트(14) 및 지지 모듈(15)을 포함할 수 있다.
고정 모듈(12)은, 사용자에 고정될 수 있고, 사용자의 외면을 따라서 감싸는 형상일 수 있다. 예를 들어, 고정 모듈(12)은, 사용자의 허리의 일측에 고정될 수 있고, 사용자의 접촉 부분에 대응하는 만곡면을 포함하는 형상일 수 있다. 고정 모듈(12)은, 사용자의 일 측면에 배치되는 제 1 측면 프레임과, 사용자의 타 측면에 배치되는 제 2 측면 프레임을 포함할 수 있다. 제 1 측면 프레임 및 제 2 측면 프레임은 서로 탈부착 가능하게 제공될 수 있다. 제 1 측면 프레임 및 제 2 측면 프레임 사이의 거리는 사용자의 신체 조건에 적합하게 조절될 수 있다.
구동 모듈(13)은, 회전 조인트(14)로 전달되는 동력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 구동 모듈(13)은, 회전 조인트(14)의 측 방향에, 다시 말하면, 구동 모듈(13)의 회전 축이 회전 조인트(14)의 회전 축으로부터 이격되도록 배치될 수 있다. 이 경우, 구동 모듈(13) 및 회전 조인트(14)가 회전 축을 공유하는 경우보다, 사용자로부터 돌출되는 높이를 줄일 수 있다. 한편, 도면과 달리 구동 모듈(13)은, 회전 조인트(14)와 더욱 더 이격하여 배치될 수도 있다. 이 경우, 구동 모듈(13)로부터 회전 조인트(14)로 동력을 전달하는 동력 전달 모듈이 추가로 구비될 수 있다. 동력 전달 모듈은, 기어 등의 회전체이거나, 와이어, 케이블, 스트링, 고무줄, 스프링, 벨트, 또는 체인 등의 너비 방향 부재일 수도 있다.
회전 조인트(14)는, 구동 모듈(13)로부터 동력을 전달받아 회전될 수 있다. 회전 조인트(14)는, 사용자의 관절부의 운동을 보조할 수 있다. 회전 조인트(14)는, 사용자의 관절부에 대응하는 위치인 고정 모듈(12)의 일측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 회전 조인트(14)는, 사용자의 고관절의 일측에 배치될 수 있다. 회전 조인트(14)의 일측은 구동 모듈(13)에 연결되고, 타측은 지지 모듈(15)에 연결될 수 있다.
지지 모듈(15)은, 사용자의 일부를 지지하고, 운동을 보조할 수 있다. 구동 모듈(13)의 회전력에 의해 회전될 수 있는 지지 모듈(15)은, 회전 조인트(14)와 결합되는 힌지(hinge) 결합 구조를 포함할 수 있다. 이 경우 힌지 결합 구조의 힌지 축 및 회전 조인트(14)의 회동 축에 의해, 지지 모듈(15)은, 고정 모듈(12)에 대하여 적어도 2 자유도(degree-of-freedom) 운동을 할 수 있다. 지지 모듈(15)은, 슬라이딩 조인트(151), 허벅지 프레임(152), 작용 부재(153) 및 지지 밴드(154)를 포함할 수 있다.
슬라이딩 조인트(151)는, 회전 조인트(14) 및 허벅지 프레임(152)을 연결하고, 회전 조인트(14)의 회전력에 의해 회전될 수 있다. 슬라이딩 조인트(151)는, 허벅지 프레임(152)에 슬라이딩 이동 가능하게 설치될 수 있다.
허벅지 프레임(152)은, 사용자의 일 부분에 힘을 전달할 수 있다. 허벅지 프레임(152)의 일 단부는, 슬라이딩 조인트(151)에 연결되어 회동되고, 타 단부는, 지지 밴드(154)에 연결되어, 사용자의 일 부분에 힘을 전달할 수 있다. 예를 들어, 허벅지 프레임(152)은 사용자의 허벅지를 밀거나 당길 수 있다. 허벅지 프레임(152)은, 사용자의 허벅지의 너비 방향을 따라서 연장되고 절곡되어 사용자의 허벅지 너비의 적어도 일부를 감쌀 수 있다. 허벅지 프레임(152)의 일 단부는, 사용자의 허벅지 측면에 위치하고, 타 단부는, 사용자의 허벅지 전면에 위치할 수 있다. 다시 말하면, 허벅지 프레임(152)의 일 단부 측의 면과, 타 단부 측의 면은 서로 직교할 수 있다.
작용 부재(153)는, 허벅지 프레임(152)의 타 단부에 연결되어, 사용자의 일부에 힘을 작용할 수 있다.. 예를 들어, 작용 부재(153)는, 사용자의 허벅지의 전면 또는 너비 방향을 따라 배치되어, 사용자의 허벅지를 밀거나 당길 수 있다. 작용 부재(153)는, 허벅지 프레임(152)의 타 단부를 중심으로 양측으로 연장되는 사용자의 허벅지에 대응하는 만곡면을 포함할 수 있다.
지지 밴드(154)는, 작용 부재(153)의 일측에 연결될 수 있다. 예를 들어, 지지 밴드(154)는, 사용자의 허벅지의 적어도 일부의 너비를 감싸도록 배치되어, 사용자의 허벅지가 허벅지 프레임(152)으로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
도 3 내지 5는 운동 보조 장치(1)를 위에서 바라본 상면도를 나타내며, 사용자가 운동 보조 장치(1)를 착용하는 경우 사용자의 허리 부분을 통과하는 단면을 나타낸다.
운동 보조 장치(1)의 고정 모듈(12)의 일 부분에는 사용자의 허리에 가해지는 힘의 힘의 크기를 측정하기 위한 힘 센서(force sensor, 130)가 배치될 수 있다. 고정 모듈(12)과 사용자가 작용 반작용에 의하여 동일한 힘을 주고 받을 수 있으므로, 힘 센서(13)는 사용자가 고정 모듈(12)에 가하는 힘을 측정할 수 있다.
좌측 또는 우측 구동 모듈(13)에서 발생한 힘은 지지 프레임(120)을 통해 다른 구동 모듈에 전달된다. 중력에 의해서 운동 보조 장치(1)가 받는 무게와 구동 모듈(13)에 의해 발생한 힘이 지지 프레임(120)을 통해 허리 고정부(110)에 전달되고 힘 센서(130)를 통해 그 힘을 측정할 수 있다.
고정모듈(12)은 사용자의 허리를 직접 감싸고 접촉하는 허리 고정부(110), 허리 고정부의 외측을 감싸는 지지 프레임(120), 허리 고정부(110)와 지지 프레임(120) 사이를 연결하는 조인트(140)를 포함할 수 있다.
허리 고정부(110)는 사용자의 허리에 밀착하여야 하고, 사용자가 불편한 느낌을 가지지 않도록, 직물 소재로 구성될 수 있다. 허리 고정부(110)는 사용자가 배(abdominal)를 바라보고 길이를 조절할 수 있도록 벨크로 부재(111)를 포함할 수 있다. 허리 고정부(110)는 중력에 의해 운동 보조 장치(1)가 떨어지는 것과 같이 장치가 신체로부터 벗어나는 것을 방지하고 신체에 고정시킬 수 있다.
지지 프레임(120)은 허리 고정부(110)을 감싸고, 구부러 지지 않는 단단한(rigid)한 재질로 형성될 수 있다. 지지 프레임(120)은 경량화를 위하여 알루미늄 또는 티타늄 재질를 포함할 수 있고, 카본 파이버 재질을 이용할 수 있다.
지지 프레임(120)은 허리 고정부(110) 전체를 감쌀수도 있고, 사용자의 다리 관절부 부분에서부터 배를 감싸는 구조가 될 수 있다. 사용자가 허리 고정부(110)를 배 쪽에서 장착하는 것이 편리하므로, 지지 프레임(120) 사용자의 다리 관절부 부분에서부터 등을 감싸는 구조가 되는 것이 바람직하다.
허리 고정부(110)와 지지 프레임(120)은 각각 측면에서 회전 조인트(14)에 의하여 1차적으로 서로 연결되고, 회전 조인트(14)의 내측에는 구동 모듈(13)이 배치될 수 있다. 허리 고정부(110)와 지지 프레임(120) 사이의 연결을 견고하게 하고, 서로 별개로 움직이지 않도록 하기 위하여, 2차적으로 조인트(140)가 허리 고정부(110)와 지지 프레임(120) 사이에 배치될 수 있다. 조인트(140)는, 다축 자유도를 포함하는 유니버설 조인트가 될 수 있다.
조인트(140)는 허리 고정부(110)와 자자 프레임(120) 사이에 자유도를 제공한다. 자유도에 의해서 지지 프레임(120)은 허리 고정부(110)에 힘을 가하지 않고 움직일 수 있다. 그러나, 지지 프레임(120)이 완전히 자유로운 경우 외부에서 보조되는 힘이 지지프레임(120) 자체의 움직임으로 불필요하게 사용되기 때문에 이를 제약하는 조인트(130)가 필요하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 허리 고정부(110), 힘 센서(130), 조인트(140), 및 지지 프레임(120) 순서로 배치될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 허리 고정부(110), 조인트(140), 힘 센서(130), 및 지지 프레임(120) 순서로 배치될 수 있다. 이 경우, 힘 센서(130)는 허리 고정부(110)와 지지 프레임(120) 사이에서 서로 작용하는 힘을 측정할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 힘 센서(130)는, 조인트(140)를 배치하지 않은 상태에서 허리 고정부(110)과 지지 프레임(120) 사이에 배치될 수 있다. 유연한 재질로 구성된 허리 고정부(110)를 사용하는 경우, 허리 고정부 자체에 자유도가 있기 때문에 조인트(140) 없이 지지 프레임(120)과 허리 고정부(110) 사이에 힘 센서(130)를 바로 연결 할 수 있다.
힘 센서(130)로는 일반적인 6축 힘/토크 센서(6 axis Force/Torque Senso)를 사용할 수도 있다. 또한, 특정 방향에 대한 힘 측정을 위해서 유연한 재질로 구성되는 허리 고정부(110)에 스트레인 게이지(Strain Gauge)를 사용할 수 있다. 또한, 스프링 구조를 사용하여 스프링의 변위로 지지 모듈(12)에 가해지는 힘을 계산할 수 있다.
제어부(16)는 지지 프레임(120)의 일 측에 고정되고, 힘 센서 (130)로부터 측정된 힘의 크기를 전송받는다. 제어부(16)는 측정된 최소화 되도록 구동 모듈(13)의 회전 동력을 조절할 수 있다.
구동 모듈(13)의 회전 동력은, 특별한 상황이 발생하지 않은 상황에서 지지 모듈(15)를 구동하기 위한 구동 토크, 및 힘 센서(130)로부터 측정된 힘의 크기를 조절하기 위한 보상 토크를 포함할 수 있다. 특별한 상황이 발생하지 않은 상황이란 평지에서 똑바로 서 있는 자세로 사용자가 보행을 진행하는 것을 의미한다.
제어부(16)는 힘 센서에 측정된 힘의 크기가 0이 되기 위한 보상 토크를 계산하고, 구동 토크에 계산된 보상 토크를 합산하여 구동 모듈의 회전 동력을 적용할 수 있다.
선택적으로, 허리 고정부(110) 또는 지지 프레임(120)의 일 측에는 사용자의 허리 움직임을 축정하는 IMU 센서(150)가 배치될 수 있다. IMU 센서(150)가 허리 고정부(110)에 배치되는 경우 허리 고정부(110) 자체의 휘어짐에 의하여, 사용자의 허리 움직임을 잘못 판단할 있으므로, IMU 센서(150)는 지지 프레임(120)과 허리 고정부(110) 사이에 배치되는 것 보다, 지지 프레임(120)의 외측 바깥쪽에 배치되는 것이 바람직하다.
IMU 센서(150)는 사용자가 허리를 기울이는 정도를 측정하여 제어부(16)에 전송할 수 있다. 제어부(16)는 IMU 센서(150)로부터 허리를 기울이는 정도를 측정하여 사용자가 허리를 숙이는지 또는 젖히는지 여부를 판단할 수 있다.
도 6은, 도 3에 따른 운동 보조 장치(1)의 구조도를 나타내고, 도 7은, 도 4에 따른 운동 보조 장치(1)의 구조도를 나타내고, 도 8은, 도 5에 따른 운동 보조 장치(1)의 구조도를 나타낸다. 이들 구조도는 힘 센서(130)와 조인트(140) 배치에 있어서만 차이가 있다.
도 6 내지 8의 구조도에서 실선으로 연결된 구성요소들은 서로 물리적으로 그리고 직접적으로 연결되는 것을 나타내고, 점선으로 연결된 구성요소들은 서로 전기적으로 연결되거나 원격(wireless)으로 연결되는 것을 나타낸다.
도 9는 운동 보조 장치(1)의 제어 방법의 순서도를 나타내며, 보상 토크를 적용하는 방식을 나타낸다.
먼저, 지지 모듈(15)를 구동시키기 위한 구동 토크를 발생시킨다(210). 구동 토크는 사용자의 개인에 맞는 토크 패턴과 진폭을 가질 수 있고, 경사가 없고 허리를 똑바로 세운 상황에서, 고정 모듈(12)이 사용자의 허리 방향으로 작용하는 힘이 제로인 상태이다.
다음으로, 힘 센서(130)를 통하여 사용자의 허리에 가해지는 힘의 크기와 방향을 측정한다(220). 힘 센서(130)에서 측정할 수 있는 방향은 사용자의 양쪽 관절 방향으로 작용하는 힘이 있을 수 있고, 사용자의 이동 방향으로 작용하는 힘 또는 이동방향의 반대 방향으로 작용하는 힘이 있을 수 있다.
구동 모듈(13)의 배치는 정확히 사용자의 다리와 허리 사이의 관절 쪽에 배치되어서 구동 모듈(13)이 지지 모듈(15)를 회전 시키기 때문에, 운동 보조 장치(1)가 사용자의 우측 관절부 또는 좌측 관절부 쪽으로 작용하는 힘의 크기는 운동 보조 장치(1)가 비틀리지 않는다면 무시할 수 있다. 또한 사용자의 보행 패턴에서는 허리를 측면으로 흔드는 움직임보다. 허리를 앞 뒤로 흔드는 움직임이 크기 때문에, 보행 방향과 평행한 방향의 힘을 정확하게 측정하는 것이 필요하다.
도 6 내지 8에 도시된 구조의 운동 보조 장치를 이용 하는 경우 힘 센서(130)는 허리 고정부(110)와 지지 프레임(120) 사이의 힘을 측정할 수 있다.
또한, 힘 센서(13)는 사용자의 허리와 지지 프레임(120)의 사이가 멀어지는 방향인지, 또는 가까워지는 방향인지 판단할 수 있다.
다음으로, 제어부(16)는 힘 센서(130)에서 나타나는 힘의 크기를 낮추기 위한 보상 토크를 계산한다(230). 자세한 보상 토크 계산 방법은 도 13과 관련된 설명에서 후술한다.
힘 센서(130)가 측정한 힘의 방향이, 사용자의 허리와 상기 지지 프레임 사이가 멀어지는 방향으로 판단된 경우에, 제어부(16)는 시계 방향으로의 보상 토크를 증가시킬 수 있다. 반대로, 힘 센서(130)가 측정한 힘의 방향이, 사용자의 허리와 상기 지지 프레임 사이가 가까워지는 방향으로 판단한 경우에, 제어부(16)는 반시계 방향으로의 보상 토크를 증가시킬 수 있다.
도 6내지 8에 도시된 바와 같이, 구동 모듈(13)은 사용자의 우측 다리 및 좌측 다리를 움직이에 하기 위하여 지지 프레임(120) 의 양 측에 고정되는 제1 구동 모듈 및 제2 구동 모듈을 포함한다. 제어부는(16)는 각각의 제1 및 제2 구동 모듈에 적용되는 보상 토크를 별개로 계산할 수 있다.
다음으로, 계산된 보상 토크를 구동토크에 합산하여 합산된 토크로 구동 모듈(13)을 구동시킬 수 있다(240). 제어부는(16)는 각각의 제1 및 제2 구동 모듈에 적용되는 보상 토크를, 기존에 적용되던 각각의 구동 토크에 합산하여 별개로 계산할 수 있다.
다음으로, 제어부(16)는 힘 센서(130)에서 나타나는 힘의 크기가 0이 되었는지 확인한다(250). 힘 센서(130)에서 나타나는 힘의 크기가 0이 아닌 경우에는 다시 힘 센서(130) 에서 나타나는 힘의 크기와 방향을 계산하는 단계(220)부터 다시 시작한다.
다음으로, 힘 센서(130) 측정된 힘의 크기가 0을 나타내는 경우, 보상 토크값을 0으로 하고 구동 토크만으로 구동 모듈(13)을 구동시킨다(260).
도10는 힘 센서(130) 및, IMU 센서(150)를 동시에 이용하여 보상토크를 계산하는 운동 보조 장치의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
지지 프레임(120)의 일 측에는 IMU 센서(150)가 배치되어 사용자의 허리 움직임을 측정할 수 있다. IMU 센서(150)는 선택적으로 사용 가능하다. IMU 센서(150)를 통해 지지 프레임(120)의 자세(Pose)제어를 보조 토크 계산에 제약 조건(Constraints)으로 추가하면 지지 프레임(120)의 움직임에 의하여 불필요하게 소모되는 보조 토크를 줄일 수 있다.
먼저, 지지 모듈(15)를 구동시키기 위한 구동 토크를 발생시킨다(310).
다음으로, 힘 센서(130)를 통하여 사용자의 허리에 가해지는 힘의 크기와 방향을 측정한다(321). 이와 동시에, IMU센서(150)에서는 사용자의 허리 움직임을 축정한다(322). 힘을 측정하는 단계(321)와 허리 움직임을 측정하는 단계(322)는 동시에 수행되거나, 허리 움직임을 측정하는 단계(322)가 힘을 측정하는 단계(321) 이후에 수행될 수 있다.
다음으로, 제어부(16)는 힘 센서(130)에서 나타나는 힘의 크기를 낮추기 위한 보상 토크를 계산한다(330). 보상 토크는 힘 센서(130)에서 나타나는 힘의 크기와 IMU 센서(150)에서 나타나는 사용자의 움직임을 모두 반영하여 계산할 수 있다.
도12에서는, 운동 보조 장치(1)를 착용한 사용자의 움직임을 나타낸다. 사용자의 허벅지에는 지지 모듈(15)이 장착되고, 사용자의 허리에는 고정모듈(12)가 고정되며, 고정 모듈(12)의 측면에는 회전 조인트(14)가 장착된다.
도12(a)는 사용자가 허리를 똑바로 세우고 보행하는 모습을 나타내고, 도12(b)는 사용자가 허리를 젖히고 보행하는 모습을 나타내고, 도 12(c)에서는 사용자가 허리를 숙이고 보행하는 모습을 나타낸다.
도 12(b)의 모습과 같이, IMU 센서에서 사용자가 허리를 젖히는 동작을 한다고 판단한 경우에는, 사용자의 허리와 지지 프레임(120) 사이가 가까워지는 상황으로 힘을 작용하므로, 반시계 방향으로의 보상 토크를 증가시킬 수 있다.
도 12(c)의 모습과 같이, IMU 센서에서 사용자가 허리를 전방으로 숙이는 동작을 한다고 판단한 경우에는, 사용자의 허리와 지지 프레임(120) 사이가 멀어지는 상황으로 힘을 작용하므로, 시계 방향으로의 보상 토크를 증가시킬 수 있다.
다음으로, 계산된 보상 토크를 구동토크에 합산하여 합산된 토크로 구동 모듈(13)을 구동시킬 수 있다(240). 제어부는(16)는 각각의 제1 및 제2 구동 모듈에 적용되는 보상 토크를, 기존에 적용되던 각각의 구동 토크에 합산하여 별개로 계산할 수 있다.
다음으로, 제어부(16)는 힘 센서(130)에서 나타나는 힘의 크기가 0이 되었는지 확인한다(350). 힘 센서(130)에서 나타나는 힘의 크기가 0이 아닌 경우에는 다시 힘 센서(130) 에서 나타나는 힘의 크기와 방향을 계산하는 단계(321), 및 사용자의 허리 움직임을 측정하는 단계(322)부터 다시 시작한다.
다음으로, 힘 센서(130) 측정된 힘의 크기가 0을 나타내는 경우, 보상 토크값을 0으로 하고 구동 토크만으로 구동 모듈(13)을 구동시킨다(360).
IMU 센서(140)를 통해 지지 프레임(120)의 자세와 힘 센서(130)을 통해 허리 고정부(110)와 지지 프레임(120)사이에 힘이 측정 가능하다면 사람 허리와 허리 고정부 사이에 모델을 통해 사람의 허리 움직임을 평가(estimation)할 수 있다. 사람 허리의 질량(mass)은 매우 크고 지지 프레임 일정 간격을 유지하고 방향 전환(Orientation)만 자유롭다고 가정하면, 질량-운동(mass-motion)에 대한 운동 모델(dynamics model) (F=Mq+Cq+G)에 의해 사람 허리의 움직임이 계산 가능하다.
사용자의 보행 패턴(Phase)에 따라서 보조 토크는 왼쪽 및 오른쪽 다리 각각에 적용되는 보조 토크를 계산하기 이전에 가동 보조 토크(Hip Assist Torque)로 두 다리 사이에 토크 패턴(torque pattern)으로 생성한다.
가동 보조 토크로부터 힘 센서(130)에서 측정되는 힘을 최소화 하거나 요구되는 힘을 나타내도록 왼쪽 및 오른쪽 구동모듈의 토크 패턴을 생성한다.
총 사용자에게 적용되는 힘(F_total)에 대한 요구되는 궤적(desired trajectory)를 제약조건(constraints)으로 설정하고 좌측 구동 모듈에 의하여 생성된 힘(F_left), 우측 구동모듈에 의하여 생성된 힘(F_right)을 발생시키기 위한 보조 토크를 생성생성할 수있다.
아래와 같이 총 사용자에게 적용되는 힘(F_total)은 좌측 구동 모듈에 의하여 생성된 힘(F_left)과 우측 구동모듈에 의하여 생성된 힘(F_right)의 합이다.
F_total = F_left + F_right
허리 고정부(110)로 전달되는 힘을 최소로 하기 위해서는 F_total이 0이 되도록 보조 토크를 생성해야 한다.
사용자의 보행 전략에 맞추어 F_total에 대한 요구되는 궤적(desired trajectory)를 생성하고, 목표로 하는 F_total(t)를 만족하는 범위에서 왼쪽과 오른쪽 구동모듈에 적용되는 보조 토크를 생성한다.
최적화 관점에서, 비용 함수(W)를 다음과 같이 설정할 수 있다.
W = W1*(F_total_desired - F_total_measured)+W2*(desired_assist_torque - measured_assist_torque)로 설정하고 W1과 W2를 실제 사용자에 맞추어 적절하게 조절하여 운동 보조 장치의 착용성과 보조 토크를 최적화 할 수 있다.
도 11을 참고하여, 도 9에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 실현하기 위한 보상 토크를 계산하는 방법을 설명한다.
아래 설명하는 식에서 'e'는 에러를 의미하고, 'd'는 요구되는 값을 의미하며, 'm'은 측정된 값을 의미한다.
T_a는 좌측 구동 모듈에 가해지는 구동 토크이고, T_b는 우측 구동 모듈에 가해지는 구동 토크를 나타낸다. F-s는 힘 센서(130)에서 측정한 힘의 크기이고, L_s는 회전 조인트(14)와 힘 센서(130)의 변위 길이(displacement distance)를 나타낸다.
허리에 가해지는 힘을 측정하는 단계(220)는 다음과 같은 식을 이용한다.
식 (1) : F_s,e = F_s,d - F_s,m
F_s,d는 요구되는 힘의 크기이고, F_s,m은 측정된 힘의 크기 이므로, F_s,e는 보상 토크를 통해 보상해야 할 힘의 크기이다.
다음으로 보상 토크를 계산하는 단계(220)는 다음과 같은 식을 이용한다.
식 (2): T_h,e = F_s,e * L_s
T_h,e는 식(1)에서 계산된 보상해야 될 힘의 크기에, 센서와 회전 조인트 사이의 거리를 곱한 값이다.
식 (3): T_h = T_h,d + T_h,e
T_h는 실제 구동 모듈에 가해지는 토크를 의미하며, 구동 토크(T_h,d)에 식(2)에서 계산한 T_h,e를 더한 값이다.
식 (4): 보조 토크(Assist Torque)T_h=T_a+T_b
허리에서 측정된 힘 에러(F_s,e)를 바탕으로 보조 토크를 계산를 위한 구동 모듈에 가해지는 실제 가동 토크를 T_h,d로 부터 T_h로 수정한다. .
수정된 T_h로부터 좌측 및 우측의 구동 모듈 각각의 출력 토크(T_a, T_b)를 결정하고 토크 제어를 통해 실제 구동 모듈에서 T_a와 T_b의 합이 T_h 가 되어서 출력되도록 한다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 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 (19)

  1. 사용자의 허리와 직접 접촉하는 허리 고정부와, 상기 허리 고정부를 감싸는 지지 프레임을 포함하는 고정 모듈;
    상기 고정 모듈에 고정되며, 회전 동력을 생성하는 구동 모듈;
    상기 구동 모듈로부터 동력을 전달받아 회전 가능한 회전 조인트;
    상기 사용자의 신체의 일 부분을 지지하며, 상기 회전 조인트에 연결되고, 상기 구동 모듈에 의해 구동되는 지지 모듈;
    상기 고정 모듈에 가해지는 힘의 크기를 측정하기 위한 힘 센서(force sensor); 및
    상기 구동 모듈을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 회전 동력은, 상기 지지 모듈을 구동하기 위한 구동 토크와, 상기 힘 센서로부터 측정된 힘의 크기를 조절하기 위한 보상 토크를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 힘 센서에서 측정된 힘의 크기를 낮추도록, 상기 보상 토크를 계산하고, 상기 구동 토크에 계산된 상기 보상 토크를 합산하여 상기 구동 모듈에서 생성하는 상기 회전 동력을 결정하는, 운동 보조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동 모듈의 회전 축은 상기 회전 조인트의 회전 축으로부터 이격되도록 배치되는, 운동 보조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지지 모듈은, 상기 회전 조인트에 결합되는 힌지 결합 구조를 포함하는, 운동 보조 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 힘 센서에 측정된 힘의 크기가 0이 되기 위한 보상 토크를 계산하고, 상기 구동 토크에 계산된 상기 보상 토크를 합산하여 상기 구동 모듈의 회전 동력을 적용하는, 운동 보조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 허리 고정부는 유연한 재질로 형성되고, 상기 지지 프레임은 단단한(rigid) 재질로 형성되는, 운동 보조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 힘 센서는 사용자의 허리와 상기 허리 고정부 사이에 배치되거나, 또는 상기 허리 고정부와 상기 지지 프레임 사이에 배치되는, 운동 보조 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지지 프레임의 일 측에는 사용자의 허리 움직임을 축정하는 IMU 센서가 배치되고,
    상기 IMU 센서는 사용자가 허리를 기울이는 정도를 측정하여 제어부에 전송하는, 운동 보조 장치.
  9. 사용자의 허리와 직접 접촉하는 허리 고정부 및 상기 허리 고정부를 감싸는 지지 프레임을 포함하는 고정 모듈과, 상기 고정 모듈에 고정되며 회전 동력을 생성하는 구동 모듈과, 상기 구동 모듈로부터 동력을 전달받아 회전 가능한 회전 조인트와, 상기 사용자의 일 부분을 지지하며 상기 회전 조인트에 연결되고 상기 구동 모듈에 의해 구동되는 지지 모듈, 상기 고정 모듈에 가해지는 힘의 크기를 측정하기 위한 힘 센서(force sensor), 및 상기 구동 모듈을 제어하는 제어부를 포함하는 운동 보조 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 구동 모듈이 상기 지지 모듈을 구동하기 위한 구동 토크를 발생시키는 단계;
    상기 힘 센서가 힘의 크기와 방향을 측정하는 단계;
    상기 제어부가 상기 힘 센서에 의해 측정된 힘의 크기를 낮출 수 있는 보상 토크를 계산하는 단계; 및
    상기 제어부가 상기 구동 토크와 상기 보상 토크를 합산하여 상기 구동 모듈을 제어하는 단계를 포함하는, 운동 보조 장치의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 힘의 크기와 방향을 측정하는 단계는, 사용자의 허리와 상기 허리 고정부 사이의 힘을 측정하는 단계를 포함하는, 운동 보조 장치의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 힘의 크기를 측정하는 단계는, 상기 허리 고정부와 상기 지지 프레임 사이의 힘을 측정하는 단계를 포함하는, 운동 보조 장치의 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 힘의 크기와 방향을 측정하는 단계는,
    사용자의 허리와 상기 지지 프레임 사이가 멀어지는 방향인지, 또는 가까워지는 방향인지 판단하는 단계를 포함하는, 운동 보조 장치의 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 보상 토크를 계산하는 단계는,
    사용자의 허리와 상기 지지 프레임 사이가 멀어지는 방향으로 판단한 경우에, 상기 회전 조인트의 회전 축을 중심으로 시계 방향으로의 보상 토크를 증가시키는 단계를 포함하는, 운동 보조 장치의 제어 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 보상 토크를 계산하는 단계는,
    사용자의 허리와 상기 지지 프레임 사이가 가까워지는 방향으로 판단한 경우에, 상기 회전 조인트의 회전 축을 중심으로 반시계 방향으로의 보상 토크를 증가시키는 단계를 포함하는, 운동 보조 장치의 제어 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 지지 프레임의 일 측에는 IMU 센서가 배치되고,
    상기 IMU 센서에서 나타나는 사용자의 허리 움직임을 측정하는 단계를 더 포함하는, 운동 보조 장치의 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    사용자가 허리를 전방으로 숙이는 동작을 하는 경우에, 상기 회전 조인트의 회전 축을 중심으로 시계 방향으로의 보상 토크를 증가시키는 단계를 포함하는, 운동 보조 장치의 제어 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    사용자가 허리를 젖히는 동작을 하는 경우에, 상기 회전 조인트의 회전 축을 중심으로 반시계 방향으로의 보상 토크를 증가시키는 단계를 포함하는, 운동 보조 장치의 제어 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 구동 모듈은 상기 지지 프레임의 양 측에 고정되는 제1 구동 모듈 및 제2 구동 모듈을 포함하고,
    상기 보상 토크를 계산하는 단계는, 각각의 상기 제1 및 제2 구동 모듈에 적용되는 보상 토크를 별개로 계산하는 단계를 포함하는, 운동 보조 장치의 제어 방법.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 측정된 힘의 크기가 0을 나타내는 경우, 보상 토크값을 0으로 하고 구동 토크만으로 구동 모듈을 구동시키는 단계를 더 포함하는, 운동 보조 장치의 제어 방법.
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