KR102682900B1 - 보행 보조 방법 및 이를 수행하는 장치들 - Google Patents

보행 보조 방법 및 이를 수행하는 장치들 Download PDF

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Abstract

보행 보조 방법 및 이를 수행하는 장치들이 개시된다. 일 실시예에 따른 보행 보조 방법은 사용자의 현재 보행 움직임을 측정하는 단계와, 상기 현재 보행 움직임에 기초하여 상태변수를 정의하는 단계와, 상기 상태변수에 피드백 요소인 지연(delay)을 설정하는 단계와, 상기 상태변수에 기초하여 토크 프로파일을 생성하는 단계를 포함한다.

Description

보행 보조 방법 및 이를 수행하는 장치들{METHOD FOR WALKING ASSIST, AND DEVICES OPERATING THE SAME}
아래 실시예들은 보행 보조 방법 및 이를 수행하는 장치들에 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.
실시예들은 사용자의 현재 보행 움직임에 기초하여 보행을 효과적으로 보조하는 기술을 제공할 수 있다.
또한, 실시예들은 보조 토크(assistive torque)의 출력 시간에 지연(delay)을 입력하여 사용자가 자연스러운 보조 토크를 체감하도록 하는 기술을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 보행 보조 방법은 사용자의 현재 보행 움직임을 측정하는 단계와, 상기 현재 보행 움직임에 기초하여 상태변수를 정의하는 단계와, 상기 상태변수에 피드백 요소인 지연(delay)을 설정하는 단계와, 상기 상태변수 및 상기 지연에 기초하여 토크 프로파일을 생성하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 상기 현재 보행 움직임에 필터링을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 필터링을 수행하는 단계는 저역 통과 필터를 사용하여 상기 현재 보행 움직임에 저역 통과 필터링을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 측정하는 단계는 상기 사용자의 고관절(hip joint) 각도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고관절 각도를 측정하는 단계는 상기 사용자의 왼쪽 고관절 각도를 측정하는 단계와, 상기 사용자의 오른쪽 고관절 각도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 정의하는 단계는 상기 왼쪽 고관절 각도 및 상기 오른쪽 고관절 각도의 차이에 기초하여 상기 상태변수를 정의하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 상태변수는 삼각함수(sinusoidal function)의 형태로 표현될 수 있다.
상기 정의하는 단계는 상기 사용자의 왼쪽 고관절 각도를 제1 삼각함수로 표현하는 단계와, 상기 사용자의 오른쪽 고관절 각도를 제2 삼각함수로 표현하는 단계와, 상기 제1 삼각함수 및 상기 제2 삼각함수의 차이에 기초하여 상기 상태변수를 정의하는 단계를 포함한다.
상기 상태변수는, 토크 세기와 관련된 게인(gain) 및 토크 출력 시간과 관련된 지연을 포함할 수 있다.
상기 정의하는 단계는, 상기 사용자의 보행 속도에 기초하여 상기 지연을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 보행 보조 장치는 사용자의 현재 보행 움직임을 측정하는 센서와, 상기 현재 보행 움직임에 기초하여 상태변수를 정의하고, 상기 상태변수에 피드백 요소인 지연(delay)을 설정하고, 상기 상태변수 및 상기 지연에 기초하여 토크 프로파일을 생성하는 컨트롤러를 포함한다.
상기 장치는 상기 현재 보행 움직임에 필터링을 수행하는 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 필터는 저역 통과 필터로 구현되고, 상기 저역 통과 필터는 상기 현재 보행 움직임에 저역 통과 필터링을 수행할 수 있다.
상기 센서는 상기 사용자의 고관절(hip joint) 각도를 측정할 수 있다.
상기 센서는 상기 사용자의 왼쪽 고관절 각도를 측정하고, 상기 사용자의 오른쪽 고관절 각도를 측정할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 왼쪽 고관절 각도 및 상기 오른쪽 고관절 각도의 차이에 기초하여 상기 상태변수를 정의할 수 있다.
상기 상태변수는 삼각함수(sinusoidal function)의 형태로 표현될 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 사용자의 왼쪽 고관절 각도를 제1 삼각함수로 표현하고, 상기 사용자의 오른쪽 고관절 각도를 제2 삼각함수로 표현하고, 상기 제1 삼각함수 및 상기 제2 삼각함수의 차이에 기초하여 상기 상태변수를 정의할 수 있다.
상기 상태변수는 토크 세기와 관련된 게인(gain) 및 토크 출력 시간과 관련된 지연을 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 사용자의 보행 속도에 기초하여 상기 지연을 결정할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 보행 보조 장치가 대상체에 착용된 상태의 정면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 보행 보조 장치가 대상체에 착용된 상태의 측면도이다.
도 5a는 도 1에 도시된 센서 및 컨트롤러의 동작을 설명하기 위한 도면의 일 예이다.
도 5b는 도 1에 도시된 센서 및 컨트롤러의 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 6a은 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 성능을 평가하기 위한 도면의 일 예이다.
도 6b는 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 성능을 평가하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 7a는 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 성능을 평가하기 위한 그래프의 일 예이다.
도 7b는 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 성능을 평가하기 위한 그래프의 다른 예이다.
도 8a는 도 7b에 대한 안정성 분석 맵의 일 예이다.
도 8b는 도 7b에 대한 안정성 분석 맵의 다른 예이다.
도 9a는 사용자의 보행 속도 변화에 대한 실험 결과를 나타내는 그래프의 일 예이다.
도 9b는 도 9a에 대한 안정성 분석 맵의 일 예를 나타낸다.
도 10은 사용자가 정지와 보행을 반복하는 경우의 실험 결과를 나타내는 그래프의 일 예이다.
도 11은 사용자가 정지해있다가 보행을 하려는 경우의 실험 결과를 나타내는 그래프의 일 예이다.
도 12는 사용자가 오르막길에서 내리막길로 보행을 하려는 경우의 실험 결과를 나타내는 그래프의 일 예이다.
도 13은 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우 차트의 일 예이다.
도 14는 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우 차트의 다른 예이다.
도 15는 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우 차트의 다른 예이다.
도 16은 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우 차트의 다른 예이다.
도 17은 일 실시예에 따른 보행 보조 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 18은 위상 추정기로서 보행 보조 장치를 사용한 경우의 그래프의 일 예이다.
도 19는 일 실시예에 따른 보행 보조 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 20은 다른 실시예에 따른 보행 보조 시스템의 개략적인 블록도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 “~사이에”와 “바로~사이에” 또는 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 개략적인 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 보행 보조 장치가 대상체에 착용된 상태의 정면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 보행 보조 장치가 대상체에 착용된 상태의 측면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 보행 보조 장치(gait assist device 또는 walking assist device; 100)는 센서(sensor; 110), 컨트롤러(controller; 120), 구동기(driver; 130), 및 디스플레이(display; 140)를 포함한다. 또한, 보행 보조 장치(100)는 필터(filter; 미도시), 보조 토크 전달 부재(150), 지지 부재(160), 및 고정 부재(170)를 더 포함할 수 있다.
보행 보조 장치(100)는 대상체, 예를 들어 사용자(200)에 착용되어 사용자(200)의 보행 및/또는 운동을 보조할 수 있다. 예를 들어, 대상체는 사람, 동물 또는 로봇 등일 수도 있으며, 이에 제한되지 않는다.
보행 보조 장치(100)는 사용자(200)의 손, 상박, 하박 등 상체의 다른 부분이나, 발, 종아리, 허벅지 등의 하체의 다른 부위의 보행 및/또는 운동을 보조할 수 있다. 즉, 보행 보조 장치(100)는 사용자(200)의 일 부분의 보행 및/또는 운동을 보조할 수 있다.
보행 보조 장치(100)는 사용자(200)의 현재 보행 움직임을 측정할 수 있다. 보행 보조 장치(100)가 사용자(200)의 현재 보행 움직임을 측정할 때, 보행 보조 장치(100)와 사용자(200) 간의 상호작용에 의한 외력()이 포함될 수 있다.
보행 보조 장치(100)는 사용자(200)의 현재 보행 움직임에 기초하여 상태변수(state variables)를 정의할 수 있다. 이때, 보행 보조 장치(100)는 상태변수에 피드백 요소인 지연(delay)을 설정할 수 있다. 지연은 사용자가 미리 설정한 시간값일 수 있다.
보행 보조 장치(100)는 상태변수 및 지연에 기초하여 토크 프로파일을 생성할 수 있다. 이에, 보행 보조 장치(100)는 토크 프로파일에 기초하여 보조 토크를 출력함으로써 사용자(200)의 보행 및/또는 운동을 보조할 수 있다.
보행 보조 장치(100)는 보행 보조 장치(100)가 보조하는 사용자(200)의 현재 보행 움직임을 측정하여 보조 동작을 계속 수행할 수 있다.
사용자(200)는 정상적인 보행이 어려운, 즉 비정상적으로 보행하는 뇌졸중, 샤르코 마리 투스(Charcot-Marie-Tooth(CMT)), 파킨슨병 등의 환자일 수 있다. 비정상 보행(Pathological gait 또는 Abnormal gait)은 정상적인 보행 패턴이 어느 부분의 부상, 허약함, 유연성의 상실, 통증, 나쁜 습관, 신경 및 근력 손상 등으로 인한 기능 장래에 의해 침범됨으로써, 정상적인 보행 패턴이 희생되고 인체 시스템의 적응을 통해 비정상 또는 병적인 보행 패턴을 보존하려는 보행을 의미할 수 있다. 비정상 보행은 다음과 같이 비정상 보행 타입들(Pathological gait types) 중에서 적어도 하나의 비정상 보행 타입을 포함하는 병적 보행을 의미할 수 있다.
예를 들어, 비정상 보행 타입들은 구부림 보행(또는 슬관절 굴곡 보행, Crouch gait) 타입, 계상 보행(Steppage gait 또는 Footdrop gait) 타입, 진통 보행(Antalgic gait) 타입, 실조성 보행(Ataxic gait) 타입, 가속 보행(Festinating gait) 타입, 도약 보행(Vaulting gait) 타입, 비틀거리는 보행(Lurching gait), 첨족 보행(Equinus gait) 타입, 짧은 다리 보행(Short Leg gait) 타입, 편마비 보행(Hemiplegic gait) 타입, 회선 보행(Circumduction gait) 타입, 소모증 보행(Tabetic gait) 타입, 신경성 보행(Neurogenic gait) 타입, 가위 보행(Scissoring gait) 타입, 및 파킨슨성 보행(Parkinsonian gait) 타입 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
구부림 보행은 보행 불안정성을 극복하기 위해 엉덩이, 무릎, 발목 관절 모두를 구부리고 걷는 구부정한 보행을 의미할 수 있다. 계상 보행은 지면에 발가락을 아래쪽으로 향한 후에 발등을 지면쪽으로 떨어뜨리면서 걷는 보행을 의미할 수 있다. 진통 보행은 통증이 있는 부위에 통증을 덜 주기 위한 보행을 의미할 수 있다. 실조성 보행은 보폭이 고르지 않고, 좌우발의 간격이 넓으며 몸이 흔들거리면서 술에 취한 듯한 불안한 보행을 의미할 수 있다. 가속 보행은 팔이 움직이지 않으며, 작은 보폭의 몸을 앞으로 기울이고, 마치 멈추지 못하는 것처럼 점점 빨리 걷는 보행을 의미할 수 있다. 도약 보행은 무릎 관절을 펼 수 없을 때 환측(예를 들어, 마비가 온 쪽) 다리가 아닌 건측(예를 들어, 마비가 온 반대쪽) 다리를 이용하여 걷는 보행을 의미할 수 있다.
비틀거리는 보행은 비틀거리는 모든 보행을 의미하고, 오리 보행(Waddling gait), 대둔근 보행(Gluteus Maximus gait), 중둔근 보행(Trendelenburg gait) 등을 포함할 수 있다. 오리 보행은 좌우로 뒤뚱거리는 보행을 의미하고, 대둔근 보행은 고관절 신전(hip extension)을 유지하기 위하여 가슴을 뒤쪽으로 젖히며, 종종 몸통 전체를 갑작스레 움직이면서 걷는 보행을 의미할 수 있다. 중둔근 보행은 부상당한 하지가 지면을 지지할 때, 무게중심을 유지하고, 다친 쪽 골반이 쳐지는 것을 방지하기 위해 가슴을 다친 다리 쪽을 이동하면서 걷는 보행을 의미할 수 있다.
첨족 보행은 발뒤꿈치는 지면에 닿지 않고 발가락 끝만 이용하여 걷는 보행을 의미할 수 있다. 편마비 보행은 움직임이 강직되어 몸 전체가 아픈 쪽으로 약간 기울어 지고, 환측 상완의 스윙을 상실하고, 환측 어깨 하강이 된 상태에서, 하지가 원시적 굴곡 양상을 보이며 걷는 보행을 의미할 수 있다. 회선 보행은 무릎을 구부리기 힘들어, 다리 전체를 휘도는 보행을 의미할 수 있다. 가위 보행은 다리를 약간 안쪽으로 굽힌 상태에서 웅크린 자세로, 무릎이나 다리를 교차시키거나 서로 부딪히면서 걷는 보행을 의미할 수 있다. 파킨슨성 보행은 전방 굴곡자세를 위하고 발바닥을 지면에 대고 문지르는 듯 걷는 보행을 의미할 수 있다.
도 3 및 도 4에서는 설명의 편의를 위해 보행 보조 장치(100)가 사용자(200)의 허벅지에 착용되어 보조하는 경우, 예를 들어 힙 타입(hip-type)의 보행 보조 장치에 대하여 도시하고 있지만, 상술한 바와 같이 이에 한정되지 않으며 보행 보조 장치(100)는 사용자(200)의 손, 상박, 하박 등 상체의 일부 또는 전체나, 발, 종아리 등의 하체의 일부 또는 전체에 착용되어 보조할 수 있다. 또한, 보행 보조 장치(100)는 하체 일부를 지원하는 형태에서 무릎까지 지원하는 형태, 발목까지 지원하는 형태, 전신을 지원하는 형태에 적용될 수 있다.
센서(110)는 사용자(200)의 현재 보행 움직임을 측정할 수 있다. 사용자(200)의 현재 보행 움직임은 사용자(200)의 양쪽 다리의 관절 위치를 감지함으로써 측정될 수 있다. 즉, 센서(110)는 관절 위치에 대응하는 양쪽 고관절(hip joint) 각도 정보를 측정할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 센서(110)는 구동기(130), 고정 부재(150), 및 지지 부재(160) 중에서 적어도 하나에 구현될 수 있다.
양쪽 고관절 각도 정보는 양쪽 고관절의 각도, 양쪽 고관절의 각도의 차이, 양쪽 고관절의 운동 방향, 및 양쪽 고관절의 각속도 정보 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
센서(110)는 오른쪽 고관절 각도를 측정하는 제1 센서 및 왼쪽 고관절 각도를 측정하는 제2 센서를 포함할 수 있다. 센서(110)는 홀 센서(hall sensor) 등으로 구현될 수 있다. 센서(110)는 양쪽 고관절 각도 정보를 유선 또는 무선으로 컨트롤러(120)로 전송할 수 있다.
필터(미도시)는 센서(110)가 측정한 사용자(200)의 현재 보행 움직임에 필터링을 수행할 수 있다. 예를 들어, 필터(미도시)는 저역 통과 필터(low pass filter(LPF))로 구현될 수 있다. 필터(미도시)는 현재 보행 움직임에 저역 통과 필터링을 수행할 수 있다. 이에, 필터(미도시)는 현재 보행 움직임에 노이즈를 제거할 수 있다.
컨트롤러(120)는 보행 보조 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(120)는 구동기(130)가 사용자(200)의 보행을 돕기 위한 동력을 출력하도록 구동기(140)를 제어할 수 있다. 동력은 사용자(200)의 다리를 밀어주거나(extension) 또는 당기는(flexion) 힘을 의미할 수 있다. 동력은 보조 토크(assistance torque)를 의미할 수 있다.
컨트롤러(120)는 센서(110)로부터 수신한 사용자(200)의 현재 보행 움직임에 기초하여 상태변수를 정의할 수 있다. 이는, 컨트롤러(120)가 사용자(200)의 현재 보행 움직임을 피드백(feed-back) 받아 상태변수를 정의하는 것으로 표현될 수 있다. 또한, 컨트롤러(120)는 상태변수에 기초하여 토크 프로파일을 생성할 수 있다.
컨트롤러(120)는 토크 프로파일에 기초하여 구동기(130)가 보행 보조를 시작하도록 구동기(130)를 제어할 수 있다. 이때, 컨트롤러(120)는 사용자(200)의 보행 보조를 위해 토크 프로파일의 출력을 시작(initiation)할 수 있다. 또한, 컨트롤러(120)는 구동기(130)가 보행 보조를 종료하도록 구동기(130)를 제어할 수 있다. 이때, 컨트롤러(120)는 토크 프로파일의 출력을 종료(termination)할 수 있다.
컨트롤러(120)는 토크 프로파일에 기초하여 구동기(130)가 사용자(200)에게 출력하는 보조 토크(assistive torque)를 제어할 수 있다. 컨트롤러(120)는, 사용자(200)의 현재 움직임에 대응하여 즉각적으로 출력하는 보조 토크를 제어함으로써, 사용자(200)의 급작스런 동작 변화에 유연하게 대응하여 보행 보조 장치(100)-사용자(200) 간의 동작 미스매치(mismatch)를 미연에 방지할 수 있다. 이에, 컨트롤러(120)는 사용자(200)에게 높은 보조 토크를 출력하여 적극적인 보행보조를 수행할 수 있다.
컨트롤러(120)는 토크 세기와 관련된 게인(gain) 및 토크 출력 시간과 관련된 지연(delay)을 설정하여 상태변수를 정의할 수 있다. 즉, 컨트롤러(120)는 게인을 통해 사용자(200)에 인가하는 보조 토크의 세기를 제어하고, 지연을 통해 사용자(200)에 인가하는 보조 토크의 시간을 제어할 수 있다. 이에, 컨트롤러(120)는 사용자(200)의 급작스런 동작, 정지, 또는 주변 환경 등의 변화에는 안정적으로 반응하고, 사용자(200)가 주기적으로 보행할 수 있도록 규칙성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(120)는 사용자(200)의 보행 속도에 기초하여 지연을 결정할 수 있다. 컨트롤러(120)는 사용자(200)의 보행 속도가 제1 기준값(reference value)보다 높으면 지연을 짧게 설정하고, 사용자(200)의 보행 속도가 제1 기준값보다 낮으면 지연을 길게 설정할 수 있다. 컨트롤러(120)는 센서(110)로부터 수신한 사용자(200)의 현재 보행 움직임에 기초하여 사용자(200)의 보행 속도를 측정할 수 있다.
또한, 컨트롤러(120)는 사용자(200)의 보행 가속도에 기초하여 지연을 결정할 수 있다. 컨트롤러(120)는 사용자(200)의 보행 가속도가 제2 기준값보다 높으면 지연을 짧게 설정하고, 사용자(200)의 보행 가속도가 제2 기준값보다 낮으면 지연을 길게 설정할 수 있다. 컨트롤러(120)는 센서(110)로부터 수신한 사용자(200)의 현재 보행 움직임에 기초하여 사용자(200)의 보행 가속도를 측정할 수 있다. 컨트롤러(120)는 고관절의 각속도 정보에 기초하여 보행 가속도를 측정할 수도 있다.
메모리(125)는 컨트롤러(120)가 출력한 토크 프로파일에 대응하는 토크 파라미터들을 저장할 수 있다. 컨트롤러(120)는 토크 파라미터를 사용하여 사용자의 보행 패턴을 분석할 수 있다. 또한, 컨트롤러(120)는 토크 파라미터에 기초하여 보행을 보조하기 위한 주기적인 토크를 출력할 수 있다.
도 3에서는 메모리(125)가 컨트롤러(120)의 내부에 구현된 것으로 도시되어 있지만, 메모리(125)는 컨트롤러(120)의 외부에 구현될 수 있다.
구동기(130)는 사용자(200)의 양쪽 힙 관절을 구동시키고, 사용자(200)의 오른쪽 및 왼쪽 힙 부분에 위치할 수 있다.
구동기(130)는 컨트롤러(120)의 제어, 예를 들어 컨트롤러(120)로부터 생성된 토크 프로파일에 따라 사용자(200)의 보행 보조를 돕기 위한 동력을 생성할 수 있다.
디스플레이(140)는 사용자(200)에게 게인(gain) 및/또는 지연(delay)을 제어하기 위한 유저 인터페이스(User Interface(UI))를 디스플레이할 수 있다. 예를 들어, 사용자(200)는 디스플레이(140)에 디스플레이된 유저 인터페이스(UI)를 통해 보조 토크의 세기와 관련된 게인(gain)을 제어하거나 및/또는 보조 토크의 출력 시간과 관련된 지연(delay)을 제어할 수 있다.
디스플레이(140)는 터치스크린, LCD(Liquid Cristal Display), TFT-LCD(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display), LED(Liquid Emitting Diode) 디스플레이, OLED(Organic LED) 디스플레이, AMOLED(Active Matrix OLED) 디스플레이 또는 플렉서블(flexible) 디스플레이로 구현될 수 있다.
동력 전달 부재(150)는 구동기(130) 및 지지 부재(160) 사이에 연결될 수 있다. 동력 전달 부재(150)는 구동기(130)로부터 전달받은 동력을 지지 부재(160)로 전달할 수 있다. 예를 들어, 동력 전달 부재(150)는 프레임, 와이어, 케이블, 스트링, 고무줄, 스프링, 벨트, 또는 체인 등의 길이 방향 부재일 수 있다.
지지 부재(160)는 사용자(200)의 지지 대상, 예를 들어 허벅지를 지지할 수 있다. 지지 부재(160)는 사용자(200)의 적어도 일부를 감싸도록 배치될 수 있다. 지지 부재(160)는 동력 전달 부재(150)로부터 전달된 동력을 이용하여 사용자(200)의 지지 대상에 힘을 작용할 수 있다.
고정 부재(170)는 사용자(200)의 일 부분, 예를 들어 허리에 고정될 수 있다. 고정 부재(170)는 사용자(200)의 외면의 적어도 일부에 접촉할 수 있다. 고정 부재(170)는 사용자(200)의 외면을 감싸는 형상일 수 있다.
도 5a는 도 1에 도시된 센서 및 컨트롤러의 동작을 설명하기 위한 도면의 일 예이고, 도 5b는 도 1에 도시된 센서 및 컨트롤러의 동작을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 센서(110)는 사용자(200)의 현재 보행 움직임을 측정할 수 있다. 사용자(200)의 현재 보행 움직임은 왼쪽 고관절 각도(q l ) 및 오른쪽 고관절 각도(q r )를 포함할 수 있다. 즉, 센서(110)는 왼쪽 고관절 각도(q l ) 및 오른쪽 고관절 각도(q r )를 측정하여 컨트롤러(120)로 전송할 수 있다.
컨트롤러(120)는 왼쪽 고관절 각도(q l ) 및 오른쪽 고관절 각도(q r )에 기초하여 상태변수를 정의할 수 있다.
일 예로, 컨트롤러(120)는 왼쪽 고관절 각도(q l ) 및 오른쪽 고관절 각도(q r )의 차이(q r - q l )에 기초하여 상태변수를 정의할 수 있다. 왼쪽 고관절 각도(q l ) 및 오른쪽 고관절 각도(q r )는 시간에 따라 변하는 값이기 때문에, 컨트롤러(120)는 상태변수를 수학식 1과 같이 정의할 수 있다.
여기서, y 1 (t)는 상태변수이고, q r (t)은 오른쪽 고관절 각도이고, q l (t)은 왼쪽 고관절 각도를 의미할 수 있다.
다른 예로, 컨트롤러(120)는 삼각함수(sinusoidal function)의 형태로 상태변수를 정의할 수 있다. 컨트롤러(120)는 왼쪽 고관절 각도(q l )를 제1 삼각함수로 표현하고, 오른쪽 고관절 각도(q r )를 제2 삼각함수로 표현할 수 있다. 컨트롤러(120)는 제1 삼각함수와 제2 삼각함수의 차이에 기초하여 상태변수로 정의할 수 있다.
삼각함수는 사인함수(sine function) 또는 코사인함수(cosine function)일 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(120)는 제1 삼각함수와 제2 삼각함수의 차이(sin(q r ) - sin(q l ))를 상태변수로 정의할 수 있다. 이에, 컨트롤러(120)는 상태변수의 크기를 1 이하의 제한된 범위로 한정할 수 있다. 컨트롤러(120)가 삼각함수를 사용하여 상태변수를 정의하는 경우, 상태변수를 수학식 2와 같이 정의할 수 있다.
여기서, y 2 (t)는 상태변수이고, q r (t)은 오른쪽 고관절 각도이고, q l (t)은 왼쪽 고관절 각도를 의미할 수 있다.
컨트롤러(120)는 토크 세기와 관련된 게인(gain) 및 토크 출력 시간과 관련된 지연(delay)을 포함하여 상태변수를 정의할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(120)가 게인(gain)을 A로 설정하고, 지연(delay)을 Δt로 설정하는 경우, 상태변수는 수학식 3과 같을 수 있다.
여기서, y 3 (t)는 상태변수이고, q r (t)은 오른쪽 고관절 각도이고, q l (t)은 왼쪽 고관절 각도이고, A는 게인(gain)이고, Δt는 지연(delay)를 의미할 수 있다.
지연(delay)은 사용자(200)가 미리 설정한 값일 수 있다. 예를 들어, 사용자(200)는 초(second), 밀리초(milli second(ms)) 등의 단위로 지연을 미리 설정할 수 있다. 이에, 사용자(200)는 보조 지연을 거의 느끼지 못하고, 움직임에 맞는 자연스러운 보조 토크를 체감할 수 있다. 즉, 보행 보조 장치(100)는 지연(delay)를 통해 보조 토크 타이밍을 맞추고, 안정성을 향상시킬 수 있다.
컨트롤러(120)는 상태변수에 기초하여 제1 토크 프로파일을 생성할 수 있다. 컨트롤러(120)는 구동기(130)가 제1 토크 프로파일에 해당하는 보조 토크를 왼쪽 다리에 출력하도록 제어할 수 있다.
또한, 컨트롤러(120)는 제1 토크 프로파일의 부호를 바꾸어 제2 토크 프로파일을 생성할 수 있다. 컨트롤러(120)는 구동기(130)가 제2 토크 프로파일에 해당하는 보조 토크를 오른쪽 다리에 출력하도록 제어할 수 있다. 컨트롤러(120)는 왼쪽 다리와 오른쪽 다리를 바꾸어 프로파일에 해당하는 보조 토크를 출력할 수도 있다.
컨트롤러(120)는 왼쪽 다리 및 오른쪽 다리에 출력하는 보조 토크의 크기를 상이하게 할 수 있다. 예를 들어, 사용자(200)가 왼쪽 다리가 불편하여, 왼쪽 다리에 보조 토크가 더 필요한 경우, 컨트롤러(120)는 왼쪽 다리에 대응하는 제1 토크 프로파일의 게인(gain)을 크게 설정할 수 있다. 이에, 구동기(130)는 오른쪽 다리보다 왼쪽 다리에 더 큰 보조 토크를 출력할 수 있다.
이하에서는, 보행 보조 장치(100)의 성능을 안정적인지 수식을 통해 검증하도록 한다.
도 6a는 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 성능을 평가하기 위한 도면의 일 예이고, 도 6b는 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 성능을 평가하기 위한 도면의 다른 예이고, 도 7a는 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 성능을 평가하기 위한 그래프의 일 예이고, 도 7b는 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 성능을 평가하기 위한 그래프의 다른 예이고, 도 8a는 도 7b에 대한 안정성 분석 맵의 일 예이고, 도 8b는 도 7b에 대한 안정성 분석 맵의 다른 예이다.
도 6a 내지 도 8b를 참조하면, 단순화된 스윙 다리 동역학 모델(simplified swing leg dynamics)을 사용하여 보행 보조 장치(100)의 성능을 평가할 수 있다. 즉, 도 6a에 등가 변환을 수행하면 도 6b와 같을 수 있다. 여기서, q r 은 오른쪽 고관절 각도이고, q l 은 왼쪽 고관절 각도이고, u는 외골격 구동 토크(exoskeleton driven torque)일 수 있다.
보행 보조 장치(100)의 안정성을 평가하기 위하여 오른쪽 다리 및 왼쪽 다리의 스윙에 대하여 수학식 4와 같이 미분방정식을 모델링할 수 있다. 이때, 165cm, 55kg의 사용자 모델을 기준으로, 동역학 모델링에 고려된 상수들은 , , , , , 일 수 있다.
여기서, 로 근사화하고, 수학식 4의 -u(t)에서 u(t)를 빼면 수학식 5와 같을 수 있다.
여기서, 는 보행 보조 장치(100)-사용자(200) 간의 상호작용에 의한 외력이고, 수학식 6과 같을 수 있다.
여기서, 는 저항에 의한 외력이고, 는 보행 중의 외력이고, w는 로 표현되는 사용자(200)의 보행 각주파수(angular frequency)이고, a는 A/I로 표현되는 입력 토크이고, k는 K/I로 표현되는 30의 강도 계수(stiffness coefficient)이고, b는 B/I로 표현되는 0.01의 감쇠 계수(damping coefficient)일 수 있다.
이때, 근사화된 특성 방정식(characteristic equation)을 램버트 함수(Lambert function)를 사용해서 표현하면 수학식 7과 같을 수 있다.
여기서, 특성 방정식의 해의 실수부의 최대값이 음수인가를 통해 보행 보조 장치(100)의 안정성을 파악할 수 있다. 특성 방정식의 해에 해당하는 복소 고유값(complex eigenvalues)의 최대 실수값을 3차원 그래프로 표현한 것은 도 7a와 같고, 2차원 그래프로 표현한 것은 도 7b와 같을 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 불안정한 구역을 나타내는 제1 구역(610)을 포함할 수 있다. 제1 구역(610)은 비음 구역(non-negative region)으로, 복수 개 존재할 수 있다.
컨트롤러(120)가 제1 구역(610)에 해당하는 게인(a) 및 지연(Δt)을 설정한 경우, 보행 보조 장치(100)가 안정 포커스(stable focus) 또는 안정 리미트 사이클(stable limit cycle)을 보이지 않아 발산(divergence) 또는 변동(fluctuation)하는 불안정함(unstable)을 보이는 것을 확인할 수 있다. 안정 리미트 사이클이란 보행 제어와 관련하여, 주기적인 운동으로 수렴하여 규칙적이고 반복적인 패턴을 나타내는 것을 의미할 수 있다.
또한, 도 7a 및 도 7b는 안정한 구역을 포함하는 제2 구역(620)을 포함할 수 있다. 컨트롤러(120)가 제2 구역(620)에 해당하는 게인(a) 및 지연(Δt)을 설정한 경우, 보행 보조 장치(100)의 자유 응답(free response) 실험은 도 8a와 같고, 강제 응답(forced response) 실험은 도 8b와 같을 수 있다.
예를 들어, 자유 응답 실험은 보행 중 정지시 안정성 실험일 수 있다. 즉, 자유 응답 실험은 보행 중의 외력인 가 0인 경우의 실험일 수 있다.
강제 응답 실험은 지속 보행 중 안정성 실험일 수 있다. 즉, 강제 응답 실험은 가 인 경우의 실험일 수 있다.
이때, 컨트롤러(120)가 제2 구역(620) 중에서 제3 구역(710) 또는 제4 구역(720)에 해당하는 게인(a) 및 지연(Δt)을 설정한 경우, 자유 응답에서는 안정 포커스가 나타나고, 강제 응답에서는 안정 리미트 사이클이 나타날 수 있다. 즉, 컨트롤러(120)가 제3 구역(710) 또는 제4 구역(720)에 해당하는 게인(a) 및 지연(Δt)을 설정한 경우, 사용자(200)가 규칙적인 보행을 유지하도록 할 수 있다.
도 9a는 사용자의 보행 속도 변화에 대한 실험 결과를 나타내는 그래프의 일 예이고, 도 9b는 도 9a에 대한 안정성 분석 맵의 일 예를 나타낸다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 사용자(200)가 천천히 보행하다가 빠르게 보행하는 경우의 보행 보조 장치(100)의 안정성을 나타낸다. 사용자(200)는 1.5초(sec)의 주기로 보행하다가, 20초(sec)를 기준으로 0.5초(sec)의 주기로 보행을 빠르게 변경하였다. 이때, 보행 보조 장치(100)는 두 개의 안정 리미트 사이클(810 및 820)을 보이며 사용자(200)의 급격한 모션 변화에도 안정적으로 대응함을 확인할 수 있다. 즉, 보행 보조 장치(100)는 자기 안정화(self-stabilizing) 특징이 있을 수 있다.
도 10은 사용자가 정지와 보행을 반복하는 경우의 실험 결과를 나타내는 그래프의 일 예이다.
도 10을 참조하면, 사용자(200)가 보행하다가 정지하는 경우에는 고관절 각도의 ROM(range of motion) 감소가 일어나는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 사용자(200)는 64초(sec)와 72초(sec)에서 보행하다가 정지하였다. 이때, 보행 보조 장치(100)의 상태 변수(910) 및 보조 토크(920)를 확인하면 보행 보조 장치(100)가 사용자(200)의 정지에 대응하여 즉각 반응하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 보행 보조 장치(100)는 사용자(200)의 의도에 효과적으로 대응하여 높은 안정성을 보인다.
사용자(200)가 정지해있다가 보행을 하려는 경우에는, 고관절 각도의 ROM 증가가 일어나는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 사용자(200)는 66초(sec)에서 정지해있다가 보행을 시작하였다. 이때, 보행 보조 장치(100)의 상태 변수(910) 및 보조 토크(920)를 확인하면 보행 보조 장치(100)가 사용자(200)의 보행 변화에 대응하여 즉각 반응하는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 사용자가 정지해있다가 보행을 하려는 경우의 실험 결과를 나타내는 그래프의 일 예이다.
도 11을 참조하면, 사용자(200)가 정지해있다가 보행을 하려는 경우에는, 고관절 각도의 ROM 증가가 일어나는 것을 확인할 수 있다. 이때, 보행 보조 장치(100)의 상태 변수(1010) 및 보조 토크(1020)를 확인하면, 상술한 바와 같이, 보행 보조 장치(100)가 사용자의 보행 변화에 대응하여 즉각 반응하는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 사용자가 오르막길에서 내리막길로 보행을 하려는 경우의 실험 결과를 나타내는 그래프의 일 예이다.
도 12를 참조하면, 사용자(200)가 오르막길을 보행하다가 내리막길을 보행하는 경우에는, 고관절 각도의 급격한 ROM 변화가 일어나는 것을 확인할 수 있다. 이때, 보행 보조 장치(100)의 상태 변수(1110) 및 보조 토크(1120)를 확인하면, 보행 보조 장치(100)가 사용자의 보행 환경 변화에 대응하여 즉각 반응하는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우 차트의 일 예이고, 도 14는 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우 차트의 다른 예이고, 도 15는 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우 차트의 다른 예이고, 도 16은 도 1에 도시된 보행 보조 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우 차트의 다른 예이다.
도 13 내지 도 16을 참조하면, 보행 보조 장치(100)는 사용자(200)의 현재 보행 움직임을 측정할 수 있다(1210). 예를 들어, 보행 보조 장치(100)는 사용자(200)의 보행에 따른 고관절 각도를 측정할 수 있다. 고관절 각도는 왼쪽 고관절 각도 및 오른쪽 고관절 각도를 포함할 수 있다. 즉, 보행 보조 장치(100)는 사용자(200)의 왼쪽 고관절 각도를 측정할 수 있다(1310). 또한, 보행 보조 장치(100)는 사용자의 오른쪽 고관절 각도를 측정할 수 있다(1320).
보행 보조 장치(100)는 현재 보행 움직임에 기초하여 상태변수를 정의할 수 있다(1220). 즉, 보행 보조 장치(100)는 현재 보행 움직임을 피드백 받아 상태변수를 정의할 수 있다.
일 예로, 보행 보조 장치(100)는 왼쪽 고관절 각도 및 오른쪽 고관절 각도의 차이에 기초하여 상태변수를 정의할 수 있다(1410).
다른 예로, 보행 보조 장치(100)는 삼각함수를 사용하여 상태변수를 정의할 수 있다. 보행 보조 장치(100)는 왼쪽 고관절 각도를 제1 삼각함수로 표현할 수 있다(1510). 보행 보조 장치(100)는 오른쪽 고관절 각도를 제2 삼각함수로 표현할 수 있다(1520). 보행 보조 장치(100)는 제1 삼각함수 및 제2 삼각함수의 차이에 기초하여 상태변수를 정의할 수 있다(1530).
보행 보조 장치(100)는 상태변수에 피드백 요소인 지연(delay)을 설정할 수 있다(1230). 지연은 사용자가 미리 설정한 값일 수 있다. 예를 들어, 사용자는 초(second), 밀리초(milli second(ms)) 등의 단위로 지연을 미리 설정할 수 있다. 이에, 사용자(200)는 보조 지연을 거의 느끼지 못하고, 움직임에 맞는 자연스러운 보조 토크를 체감할 수 있다.
보행 보조 장치(100)는 상태변수에 기초하여 토크 프로파일을 생성할 수 있다(1240). 예를 들어, 보행 보조 장치(100)는 왼쪽 다리에 해당하는 제1 토크 프로파일을 생성할 수 있다. 보행 보조 장치(100)는 제1 토크 프로파일의 부호를 변경하여 제2 토크 프로파일을 생성할 수 있다. 보행 보조 장치(100)는 제1 토크 프로파일에 기초하여 왼쪽 다리에 보조 토크를 출력하고, 제2 토크 프로파일에 기초하여 오른쪽 다리에 보조 토크를 출력할 수 있다.
이하에서는 보행 보조 장치(100)의 다른 실시예에 대해 설명한다.
도 17은 일 실시예에 따른 보행 보조 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 17을 참조하면, 보행 보조 시스템(gait assist system 또는 walking assist system; 1600)은 보행 보조 장치(100) 및 파라미터 생성 장치(parameter generation device; 300)를 포함할 수 있다.
파라미터 생성 장치(300)는 사용자(200)의 기존 보행 패턴을 분석하여 토크 파라미터들을 생성하여 저장할 수 있다. 보행 보조 장치(100)는 파라미터 생성 장치(300)로부터 토크 파라미터들을 수신하여 보조 토크를 생성할 수 있다.
보행 보조 장치(100)는 피드 포워드 방식으로 토크 파라미터들을 수신하고, 피드백 방식으로 현재 보행 움직임을 수신할 수 있다. 보행 보조 장치(100)는 토크 파라미터들 및 현재 보행 움직임에 기초하여 상태변수를 정의하고, 토크 프로파일을 생성하여 보조 토크를 출력할 수 있다.
사용자(200)는 디스플레이(140)를 통해 복수의 비정상 보행 타입들 중에서 자신의 보행 타입을 선택할 수 있다. 컨트롤러(120)는 사용자(200)의 비정상 보행 타입을 미리 수신하여, 비정상 보행 타입에 대응하는 보조 토크를 출력할 수 있다.
도 18은 위상 추정기로서 보행 보조 장치를 사용한 경우의 그래프의 일 예이다.
도 18을 참조하면, 보행 보조 장치(100)를 위상 추정기(phase estimator)로서 사용할 수 있다. 예를 들어, 보행 보조 장치(100)가 정의한 상태변수(1710)를 사용하여 사용자(200)의 보행 위상(1720)을 추정한 결과는 도 18과 같을 수 있다. 보행 보조 장치(100)는 수학식 8을 사용하여 사용자(200)의 보행 위상(1720)을 추정할 수 있다.
여기서, Δt는 지연(delay)이고, c는 스케일링에 사용되는 계수(scaling factor)일 수 있다.
또한, 보행 보조 장치(100)는 수전증(tremor)을 보상하는 핸드헬드 장치(handheld device)로서 사용될 수도 있다. 보행 보조 장치(100)는 착용형 외골격 로봇뿐만 아니라, 사용자(200)와 상호작용이 존재하는 다양한 핸드헬드 디바이스 장치에 적용할 수 있다.
예를 들어, 수술로봇 툴(tool), 마스터 장치 또는 로봇형 스푼 장치의 진동 저감 제어에 활용될 수 있다. 보행 보조 장치(100)는 적은 수의 센서를 사용하므로 사용자(200)와의 접촉에 의한 다양한 상황에 대해 센서 오류 및 오작동 가능성을 줄여 센서 교정(calibration) 등 유지 보수 비용을 절감할 수 있다. 또한, 장치 무게/부피를 획기적으로 줄여 디자인 및 사용성에 자유도를 제공할 수 있다.
도 19는 일 실시예에 따른 보행 보조 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 19를 참조하면, 보행 보조 시스템(gait assist system 또는 walking assist system; 1800)은 보행 보조 장치(100) 및 리모트 컨트롤러(remote controller; 1810)를 포함할 수 있다.
리모트 컨트롤러(1810)는 사용자 입력에 응답하여 보행 보조 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 리모트 컨트롤러(1810)는 보행 보조 장치(100)의 동작을 시작/정지할 수 있다. 또한, 리모트 컨트롤러(1810)는 보행 보조 장치(100)의 사용자(200)에 대한 보행 보조를 제어하기 위한 토크 프로파일의 출력을 제어할 수 있다.
리모트 컨트롤러(1810)는 디스플레이(1830)를 포함할 수 있다. 디스플레이(1830)는 터치스크린, LCD(Liquid Cristal Display), TFT-LCD(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display), LED(Liquid Emitting Diode) 디스플레이, OLED(Organic LED) 디스플레이, AMOLED(Active Matrix OLED) 디스플레이 또는 플렉서블(flexible) 디스플레이로 구현될 수 있다.
리모트 컨트롤러(1810)는 보행 보조 장치(100)를 조작하기 위한 기능에 대응하는 UI(user interface) 및/또는 메뉴를 디스플레이(1830)를 통해 사용자(200)에게 제공할 수 있다.
디스플레이(1830)는 리모트 컨트롤러(1810)의 제어에 따라 사용자에게 보행 보조 장치(100)의 동작 상태를 디스플레이할 수 있다.
도 20은 다른 실시예에 따른 보행 보조 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 20을 참조하면, 보행 보조 시스템(1900)은 보행 보조 장치(100), 리모트 컨트롤러(1910), 및 전자 장치(1930)를 포함할 수 있다.
리모트 컨트롤러(1910)의 구성 및 동작은 도 19의 리모트 컨트롤러(1710)의 구성 및 동작과 실질적으로 동일할 수 있다.
전자 장치(1930)는 보행 보조 장치(100) 및/또는 리모트 컨트롤러(1910)와 서로 통신할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(1930)는 사용자(200)의 생체 신호를 감지하고, 감지된 생체 신호를 보행 보조 장치(100) 및/또는 리모트 컨트롤러(1910)로 전송할 수 있다.
전자 장치(1930)는 디스플레이(1950)을 포함하는 휴대용 전자 장치로 구현될 수 있다.
휴대용 장치는 랩탑(laptop) 컴퓨터, 이동 전화기, 스마트 폰(smart phone), 태블릿(tablet) PC, 모바일 인터넷 디바이스(mobile internet device(MID)), PDA(personal digital assistant), EDA(enterprise digital assistant), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), PMP(portable multimedia player), PND(personal navigation device 또는 portable navigation device), 휴대용 게임 콘솔(handheld game console), e-북(e-book), 또는 스마트 디바이스(smart device)으로 구현될 수 있다.
스마트 디바이스는 스마트 와치(smart watch) 또는 스마트 밴드(smart band)로 구현될 수 있다.
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 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 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 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (22)

  1. 보행 보조 장치에 있어서,
    구동기;
    센서; 및
    상기 구동기를 제어하는 컨트롤러;
    를 포함하고,
    상기 컨트롤러는,
    사용자의 보행 동안, 상기 센서를 이용하여 상기 사용자의 고관절에 대한 각도를 계속적으로 획득하고,
    상기 각도를 획득하는 것에 응답하여, 상기 각도에 대응하는 토크를 계속적으로 출력하도록 상기 구동기를 제어하며,
    상기 토크는 상기 각도를 획득한 이후에 지연되어 출력되고,
    상기 토크의 지연은 토크 출력 시간과 관련되어 설정된 시간 값에 기반하는,
    보행 보조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각도의 획득과 상기 토크의 출력 사이의 시간 차는 상기 시간 값에 의해 발생하는,
    보행 보조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 각도를 필터링하는 필터
    를 더 포함하는,
    보행 보조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 토크는 상기 사용자의 보행을 돕기 위한 보조 토크를 포함하는,
    보행 보조 장치.
  5. 보행 보조 장치에 있어서,
    구동기;
    적어도 하나의 센서; 및
    상기 구동기를 제어하는 컨트롤러
    를 포함하고,
    상기 컨트롤러는,
    사용자의 보행 동안, 상기 적어도 하나의 센서를 이용하여 상기 사용자의 왼쪽 고관절에 대한 각도와 오른쪽 고관절에 대한 각도를 계속적으로 획득하고,
    상기 왼쪽 고관절에 대한 각도와 상기 오른쪽 고관절에 대한 각도를 획득하는 것에 응답하여, 상기 왼쪽 고관절에 대한 각도와 상기 오른쪽 고관절에 대한 각도에 대응하는 토크를 계속적으로 출력하도록 상기 구동기를 제어하며,
    상기 토크는 상기 왼쪽 고관절에 대한 각도와 상기 오른쪽 고관절에 대한 각도를 획득한 이후에 지연되어 출력되고,
    상기 토크의 지연은 토크 출력 시간과 관련되어 설정된 시간 값에 기반하는,
    보행 보조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 각 고관절에 대한 각도의 획득과 상기 토크의 출력 사이의 시간 차는 상기 시간 값에 의해 발생하는,
    보행 보조 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서는,
    상기 오른쪽 고관절에 대한 각도를 획득하기 위한 제1 센서 및 상기 왼쪽 고관절에 각도를 획득하기 위한 제2 센서
    를 포함하는,
    보행 보조 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 오른쪽 고관절에 대한 각도와 상기 왼쪽 고관절에 대한 각도를 필터링하는 필터
    를 더 포함하는,
    보행 보조 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 토크는 상기 보행 보조 장치의 지지 부재를 통해 상기 사용자의 왼쪽 다리에 전달되는 토크 및 상기 지지 부재를 통해 상기 사용자의 오른쪽 다리에 전달되는 토크를 포함하는,
    보행 보조 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 왼쪽 고관절에 대한 각도는 상기 오른쪽 고관절에 대한 각도에 대응되는,
    보행 보조 장치.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 토크는 상기 사용자의 보행을 돕기 위한 보조 토크를 포함하는,
    보행 보조 장치.
  12. 보행 보조 장치의 동작 방법에 있어서,
    사용자의 보행 동안, 센서를 이용하여 상기 사용자의 고관절에 대한 각도를 계속적으로 획득하는 동작; 및
    상기 각도를 획득하는 것에 응답하여, 상기 각도에 대응하는 토크를 계속적으로 출력하는 동작
    을 포함하고,
    상기 토크는 상기 각도를 획득한 이후에 지연되어 출력되고,
    상기 토크의 지연은 토크 출력 시간과 관련되어 설정된 시간 값에 기반하는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 각도의 획득과 상기 토크의 출력 사이의 시간 차는 상기 시간 값에 의해 발생하는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 각도를 필터링하는 동작
    을 더 포함하는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 토크는 상기 사용자의 보행을 돕기 위한 보조 토크를 포함하는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
  16. 보행 보조 장치의 동작 방법에 있어서,
    사용자의 보행 동안, 적어도 하나의 센서를 이용하여 상기 사용자의 왼쪽 고관절에 대한 각도와 오른쪽 고관절에 대한 각도를 계속적으로 획득하는 동작; 및
    상기 왼쪽 고관절에 대한 각도와 상기 오른쪽 고관절에 대한 각도를 획득하는 것에 응답하여, 상기 왼쪽 고관절에 대한 각도와 상기 오른쪽 고관절에 대한 각도에 대응하는 토크를 계속적으로 출력하는 동작
    을 포함하고,
    상기 토크는 상기 왼쪽 고관절에 대한 각도와 상기 오른쪽 고관절에 대한 각도를 획득한 이후에 지연되어 출력되고,
    상기 토크의 지연은 토크 출력 시간과 관련되어 설정된 시간 값에 기반하는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 각 고관절에 대한 각도의 획득과 상기 토크의 출력 사이의 시간 차는 상기 시간 값에 의해 발생하는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서는,
    상기 오른쪽 고관절에 대한 각도를 획득하기 위한 제1 센서 및 상기 왼쪽 고관절에 대한 각도를 획득하기 위한 제2 센서
    를 포함하는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 오른쪽 고관절에 대한 각도와 상기 왼쪽 고관절에 대한 각도를 필터링하는 동작
    를 더 포함하는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 토크는 상기 보행 보조 장치의 지지 부재를 통해 상기 사용자의 왼쪽 다리에 전달되는 토크 및 상기 지지 부재를 통해 상기 사용자의 오른쪽 다리에 출력되는 토크를 포함하는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 왼쪽 고관절에 대한 각도는 상기 오른쪽 고관절에 대한 각도에 대응되는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 토크는 상기 사용자의 보행을 돕기 위한 보조 토크를 포함하는,
    보행 보조 장치의 동작 방법.
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