KR20120072249A - 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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조영조
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Abstract

본 발명은 사용자의 보행의도를 감지하여 보행보조로봇을 제어하기 위한 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 보행을 위한 크럿치(crutch) 사용으로 가해지는 손바닥의 압력 변화와 상체 기울기 변화 및 발바닥의 압력 변화를 감지하여 인체신호를 생성하는 다중 센서부; 상기 생성된 인체신호 중 손바닥의 압력 변화와 상체 기울기 변화를 기초로 하여 사용자의 보행의도를 감지하고 상기 생성된 인체신호 중 발바닥의 압력 변화를 기초로 하여 입각기 및 유각기 상태를 감지하여, 상기 감지된 보행의도와 입각기 및 유각기 상태를 조합하여 보행신호를 생성하는 정보처리부; 상기 생성된 보행신호를 이용하여 상기 보행보조로봇을 제어하는 제어부;를 포함하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치를 제공하여, 다리근육의 변화가 활발하지 않은 하지마비환자의 보행동작을 보조할 수 있으며, 특히, 하지마비환자의 경우, 보행시 크럿치(crutch) 사용이 필수적이고, 보행동작에서 일반 다리를 사용하는 보행동작에서의 상체 움직임보다 움직임이 크기 때문에, 이를 감지하여 크럿치(crutch) 사용으로 진행되는 3족 보행에 적합하게 보행동작을 보조할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어장치 및 제어방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING WALK AID ROBOT USING USER WALKING INTENTION DETECTION}
본 발명은 보행보조로봇에 관한 것으로, 특히, 크럿치(crutch)를 사용하여 보행시, 사용자의 보행의도를 감지하여 보행보조로봇을 제어하기 위한 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
일반적인 인체 착용방식의 보행보조로봇은 하지마비환자의 다리 힘을 보조하여 보행을 가능하게 하는 역할을 하는 것으로, 인간과 로봇의 동기화를 이용한 입는 형태의 로봇이다. 최근 기술의 발전과 함께 보행보조로봇의 보행 동작을 위한 보행의도감지에 관한 연구가 이루어지고 있다.
보행의도는 보행을 하고자 하는 사람의 의도를 의미하는 것으로, 의도를 직접적으로 확인할 수 없을 때 신체 특정부위의 변화를 통하여 보행의도를 유추할 수 있다. 보행의도감지는 사용자가 보행을 시작하거나 또는 보행을 종료하고자 하는 의도를 감지하는 것을 의미하거나 또는 왼발 및 오른발의 움직임 상태를 감지하는 것을 의미한다.
일반적으로 인체 착용방식의 보행보조로봇에서 사용자가 어떠한 동작을 원하는지에 대한 보행의도는 인체의 변화를 감지하는 센서를 통하여 판단된다. 인체에 부착된 센서에서 출력되는 값을 이용하여 일정한 변화를 특정 보행동작에 대한 의도로 규정하여 보행보조로봇에 신호를 보내는 것이다. 대표적인 방법이 근전도센서를 이용하여 다리근육의 변화를 감지하거나 또는 발바닥의 저항센서를 통하여 무게 중심의 변화를 감지하는 방법이 있다.
그러나 인체의 변화를 감지하는 이러한 센서는 인체 깊숙이 부착하여야 하고, 하지마지환자의 경우 의도적으로 한쪽 다리에 힘을 주는 것이 자유롭지 않기 때문에 근전도 센서로 다리근육의 변화를 감지하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 비용이 많이 드는 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 인체 깊숙히 각종 센서들을 부착하는 불편함 없이, 사용자의 보행의도를 감지하여 보행동작을 보조하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치 및 제어방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 하지마비환자처럼 다리근육의 변화를 주기 힘든 사용자들의 보행의도를 감지하여 보행동작을 보조하는 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치 및 제어방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 사상에 따르면, 보행을 위한 크럿치(crutch) 사용으로 가해지는 손바닥의 압력 변화와 상체 기울기 변화 및 발바닥의 압력 변화를 감지하여 인체신호를 생성하는 다중 센서부; 상기 생성된 인체신호 중 손바닥의 압력 변화와 상체 기울기 변화를 기초로 하여 사용자의 보행의도를 감지하고 상기 생성된 인체신호 중 발바닥의 압력 변화를 기초로 하여 입각기 및 유각기 상태를 감지하여, 상기 감지된 보행의도와 입각기 및 유각기 상태를 조합하여 보행신호를 생성하는 정보처리부; 상기 생성된 보행신호를 이용하여 상기 보행보조로봇을 제어하는 제어부;를 포함하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치를 제공할 수 있다.
이때, 상기 다중 센서부는, 크럿치(crutch)를 들고 오른발 또는 왼발을 이동할 때 나타나는 손바닥의 압력 변화를 감지하는 제 1 저항센서; 사용자의 상체 기울기 변화를 감지하는 기울기센서;와 입각기와 유각기를 판단할 수 있도록 발바닥의 압력 변화를 감지하는 제 2 저항센서;를 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 제 1 저항센서는 오른손 또는 왼손 손바닥과 크럿치(crutch) 사이에 설치되는 것이 좋다.
바람직하게는, 상기 기울기센서는 사용자의 요추 중앙 부근에 설치되는 것이 좋다.
바람직하게는, 상기 제 2 저항센서는 오른발 또는 왼발의 발바닥의 발뒤꿈치, 발칼 및 발끝 중 어느 한 곳에 설치되는 것이 좋다.
한편, 상기 정보처리부는, 크럿치(crutch)를 들어 짚는 경우 손바닥 압력 변화로 발생하는 제 1 인체신호와 상체가 숙여지면서 상체 기울기 변화로 발생하는 제 2 인체신호에 따라서 서로 다른 보행 의도로 감지하여 상기 보행신호를 생성하는 것이 좋다.
바람직하게는, 상기 정보처리부는, 상기 제 1 인체신호가 입력되고, 상기 상체 기울기의 롤링(rolling)값 증가에 따라 제 2 인체신호가 입력되는 경우, 상기 보행의도를 보행시작으로 판단하여 보행시작신호를 생성하고, 상기 보행시작신호 생성 후, 상기 상체 기울기의 피칭(pitching)값 증가에 따라 제 2 인체신호가 입력되는 경우, 양 발 중 일방의 발에 의한 제 1 보행으로 판단하여 보행동작신호를 생성하는 것이 좋다.
이때, 상기 정보처리부는, 상기 보행동작신호를 생성 후, 제 1 인체신호가 입력되고, 상기 제 2 인체신호가 입력되지 않은 경우, 보행정지로 판단하여 보행정지신호를 생성할 수 있다.
그리고, 상기 보행동작신호는 발바닥의 압력 변화로 발생하는 제 3 인체신호의 값이 양 발에서 동일하게 될 때까지 제어부에 제공하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 제 1 인체신호가 입력되고, 상기 상체 기울기의 롤링(rolling)값 증가에 따라 제 2 인체신호가 입력되는 경우, 상기 보행의도를 보행시작으로 판단하여 보행시작신호를 생성하고, 상기 보행시작신호 생성 후, 상기 상체 기울기의 피칭(pitching)값 감소에 따라 제 2 인체신호가 입력되는 경우, 양 발 중 타방의 발에 의한 제 2 보행으로 판단하여 보행동작신호를 생성하는 것이 좋다.
이때, 상기 정보처리부는, 상기 보행동작신호를 생성 후, 제 1 인체신호가 입력되고, 상기 제 2 인체신호가 입력되지 않은 경우, 보행정지로 판단하여 보행정지신호를 생성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 보행동작신호는 발바닥의 압력 변화로 발생하는 제 3 인체신호의 값이 양 발에서 동일하게 될 때까지 제어부에 제공되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제 1 보행의 보행동작신호와 상기 제 2 보행의 보행동작신호는 교번적으로 생성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 사상에 따르면, a)보행을 위해 크럿치(crutch)를 짚는 경우 가해지는 손바닥의 압력 변화와 상체 기울기 변화 및 발바닥의 압력 변화를 감지하여 인체신호를 생성하는 과정; b)상기 생성된 인체신호 중 손바닥의 압력 변화와 상체 기울기 변화를 기초로 하여 사용자의 보행의도를 감지하고 상기 생성된 인체신호 중 발바닥의 압력 변화를 기초로 하여 입각기 및 유각기 상태를 감지하여, 상기 감지된 보행의도와 입각기 및 유각기 상태를 조합하여 보행신호를 생성과정; c)상기 생성된 보행신호를 이용하여 상기 보행보조로봇을 제어하는 과정을 포함하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 방법을 제공할 수 있다.
이때, 상기 b)단계는, 크럿치(crutch)를 들어 짚는 경우 손바닥의 압력 변화에 의한 제 1 인체신호가 입력되었는지 판단하는 과정; 제 1 인체신호가 입력되었다면, 상체 기울기의 롤링(rolling)값이 증가에 의한 제 2 인체신호가 입력되었는지 판단하는 과정; 상기 제 2 인체신호가 입력되었다면, 보행시작신호를 생성하는 과정; 상기 보행시작신호 생성 후, 상체 기울기의 피칭(pitching)값의 증가 또는 감소에 의한 제 2 인체신호가 입력되었는지 판단하는 과정; 상체 기울기의 피칭(pitching)값의 증가에 의한 제 2 인체신호가 입력되었다면 보행보조로봇의 양 발 중 일방의 발을 동작시키는 보행동작신호를 생성하고, 상체의 기울기의 피칭(pitching)값의 감소에 의한 제 2 인체신호가 입력되었다면 보행보조로봇의 양 발 중 타방의 발을 동작시키는 보행동작신호를 생성하는 과정; 상기 보행동작신호를 생성 후, 발바닥의 압력 변화에 의한 제 3 인체신호가 양 발바닥에서 동일한지 판단하여, 동일한 경우, 보행보조로봇의 보행동작이 정지하도록 보행동작신호의 제공을 중지하는 과정;을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 b)단계는, 크럿치(crutch)를 들어 짚는 경우 손바닥의 압력 변화에 의한 제 1 인체신호가 입력되고 제 2 인체신호가 입력되지 않은 경우, 보행정지신호를 생성하는 과정을 포함할 수 있다.
이때, 상기 보행동작신호는 보행보조로봇의 양 발을 교번적으로 동작시키도록 생성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어장치 및 제어방법은, 인체 깊숙이 각종 센서들을 부착하는 불편함 없이, 일반적으로 외부에 노출되어 있는 손바닥과 발바닥, 상체 기울기 등의 신체부위에서 기인하는 인체신호의 변화를 감지하여 사용자의 보행의도를 감지함으로써, 사용자의 편의성을 크게 고려한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어장치 및 제어방법은 사용자가 하지마비환자인 경우, 다리근육의 변화를 통해 보행의도를 감지하기 힘들기 때문에, 상체 기울기의 변화를 통해 보행의도를 감지함으로써, 다리근육의 변화가 활발하지 않은 하지마비환자의 보행동작을 보조할 수 있으며, 특히, 하지마비환자의 경우, 보행 시 크럿치(crutch) 사용이 필수적이고, 보행동작에서 일반 다리를 사용하는 보행동작에서의 상체 움직임보다 움직임이 크기 때문에, 이를 감지하여 크럿치(crutch) 사용으로 진행되는 3족 보행에 적합하게 보행동작을 보조할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어장치의 일실시예의 구성을 설명하기 위해 도시한 블록도,
도 2는, 도 1에서 도시한 제 1 저항센서와 기울기센서의 인체신호를 기반으로 한 보행의도를 판단하는 구성을 설명하기 위해 도시한 개념도,
도 3은, 도 1에서 도시한 제 2저항센서의 인체신호를 기반으로 하여 보행보조로봇의 보행상태를 판단하는 구성을 설명하기 위해 도시한 개념도,
도 4는, 도 1에서 도시한 정보처리부에서 보행의도를 실시간으로 판단하는 구성을 설명하기 위해 도시한 개념도,
도 5는, 본 발명에 따른 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어방법의 일실시예의 구성을 설명하기 위해 도시한 단계도,
도 6은, 도 5에서 도시한 S200의 과정을 상세하게 설명하기 위해 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명에 따른 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어장치 및 제어방법의 바람직한 일실시예에 대해 설명한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어장치의 일실시예의 구성을 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어장치는 손바닥의 압력 변화와 상체 기울기 변화 와 발바닥의 압력 변화를 감지하여 인체신호를 생성하는 다중 센서부(100)와, 상기 인체신호를 통해 보행의도를 감지하여 보행신호를 생성하는 정보처리부(110)와, 생성된 보행신호를 이용하여 보행보조로봇을 제어하는 제어부(120)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
먼저, 다중 센서부(100)에 대해 살펴보기로 한다.
다중 센서부(100)는 크럿치(crutch)를 사용하는 3족 보행에서 발생하는 고유의 신체변화를 감지하여 인체신호를 생성하는 역할을 한다. 즉, 다중 센서부(100)는 크럿치(crutch)를 사용하는 3족 보행을 고려하여, 보행을 위해 크럿치(crutch)를 짚는 경우 가해지는 손바닥의 압력 변화와 상체 기울기 변화 및 발바닥의 압력 변화를 감지하여 인체신호를 생성한다. 여기서, 인체신호란, 보행에 따른 인체의 변화로 센서에서 출력되어 사용자의 보행의도를 감지하기 위해 사용되는 신호를 의미한다.
다중 센서부(100)는 손바닥의 압력 변화와 상체 기울기 변화 및 발바닥의 압력 변화를 감지하기 위하여 제 1 저항센서(101)와 기울기센서(102)와 제 2 저항센서(103)를 각각 구비한다.
제 1 저항센서(101)는 오른손 또는 왼손 손바닥과 크럿치(crutch) 사이에 설치되어 사용자가 보행을 위하여 크럿치(crutch) 들어 뻗은 후, 지면을 짚을 때 손바닥의 압력 변화를 감지한다.
기울기센서(102)는 사용자의 요추 중앙 부근에 설치되어 보행시 상체 기울기 변화를 감지한다. 하지마비환자의 경우, 크럿치(crutch)를 사용하여 보행하기 위하여, 상체를 전후방향으로 움직이거나(롤링; rolling), 좌우방향으로 움직이기(피칭; pitching) 때문에, 이를 감지하여 보행의도를 판단하는 데 이용한다.
제 2 저항센서(103)는 양 발바닥의 발뒤꿈치, 발칼, 발끝 중 어느 한 곳에 설치되어 발바닥의 압력 변화를 감지하고 이를 기반으로 사용자의 입각기(stance period)와 유각기(swing period) 상태를 판단할 수 있다.
다음으로, 정보처리부(110)에 대해 살펴보기로 한다.
정보처리부(110)는 전술한 인체신호를 조합하여 사용자의 보행의도를 판단하고 보행보조로봇의 보행신호를 생성하는 역할을 담당한다.
즉, 정보처리부(110)는 다중 센서부(100)를 통해 손바닥의 압력 변화값, 상체 기울기 변화값, 발바닥의 압력 변화값을 실시간으로 입력 받고 이를 조합하여 “보행시작”, “오른발 걷기”, “왼발 걷기”, “보행정지”와 같은 4가지 형태의 사용자의 보행의도를 판단한다.
도 2는, 도 1에서 도시한 제 1 저항센서와 기울기센서의 인체신호를 기반으로 한 보행의도를 판단하는 구성을 설명하기 위해 도시한 개념도이고, 도 3은, 도 1에서 도시한 제 2저항센서의 인체신호를 기반으로 하여 보행보조로봇의 보행상태를 판단하는 구성을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
먼저, 사용자의 보행의도판단은 제 1 인체신호와 제 2 인체신호를 조합하여 판단된다.
여기서 제 1 인체신호란, 사용자가 정지상태에서 크럿치(crutch)를 들어 지면에 닿는 과정에서 발생하는 손바닥 압력에 변화에 의한 신호를 의미하고, 제 2 인체신호는 상체 기울기 변화에 의한 신호를 의미한다.
상기 제 1 인체신호는 그 유무, 정도에 따라 없다(0), 있다(+,++)로 표현되는 저항신호 1로 나타낼 수 있으며, 이러한 저항신호 1은 다시, 작다(+), 크다(++)의 조건으로 구성될 수 있다.
그리고 제 2 인체신호는 그 유무 정도에 따라 기울기신호로 나타낼 수 있으며, 기울기신호의 롤링값은 그 유무 정도에 따라 없다(0), 있다(+,++)로 구분되고, 있다(+,++)는 다시, 작다(+), 크다(++)의 조건으로 구성될 수 있으며, 기울기신호의 피칭값은 그 유무, 정도에 따라 없다(0), 있다(+,++,-,--)로 구분되고, 있다(+,++,-,--)는 다시, 일방향 피칭값 증가(+,++)와 타방향 피칭값 감소(-,--)로 구분될 수 있다. 일방향 피칭값 증가(+,++)와 타방향 피칭값(-,--) 감소 역시, 다시, 작다(+,-), 크다(++,--)의 조건으로 구성될 수 있다.
먼저, 도 2의 201 에서와 같이, “보행시작”에 해당하는 보행의도판단은 이하와 같은 조건에서 이루어진다.
사용자가 정지상태일 때에는 저항신호 1은 있는 상태(+)이고, 기울기신호의 롤링값은 없는 상태(0)이다. 이 상태에서 사용자가 보행을 시작하면 크럿치(crutch)를 들어 앞으로 뻗은 후, 지면에 닿게 하기 때문에, 저항신호 1은 점차 감소하여 없는 상태(0)였다가 크럿치(crutch)가 지면에 다시 닿으면 다시 증가하여 있는 상태(+)가 되는 조건이 된다.
그리고, 상체가 앞으로 숙여지면서 기울기신호의 롤링값이 증가하여 없는 상태(0)에서 작은 상태(+), 큰 상태(++)로 된다.
이 때의 사용자의 보행의도를 “보행시작”으로 판단한다. 제 1 인체신호는 저항신호 1이 (+)->(0)->(+)로 되는 상태이고, 추가적으로 기울기신호의 롤링값이 있는 상태(+)로 제 2 인체신호가 발생하면 “보행시작”으로 판단한다.
한편, 발바닥의 압력 변화로 발생하는 제 3 인체신호는 그 유무, 정도에 따라 없다(0), 있다(+,++)로 표현되는 저항신호 2로 나타낼 수 있으며, 이러한 저항신호 2는 다시, 작다(+), 크다(++)의 조건으로 구성될 수 있다.
“보행시작” 일 때에는 도 3에서 확인 할 수 있듯이, 제 3 인체신호는 양 발이 지면에 닿은 상태이기 때문에, 양 발의 저항신호 2는 작은 상태(+)를 유지하면서 동일한 값을 가진다.
다음으로, 도 2의 202 에서와 같이, “오른발 걷기”에 해당하는 보행의도판단은 전술한 “보행시작”상태에서 크럿치(crutch)를 사용하는 과정에서 발생하는 기울기신호의 피칭값 변화를 추가로 조합하여 판단된다.
“보행시작”상태에서 사용자가 오른발을 나가게 되는 경우, 우측 상체를 앞으로 당기기 때문에, 기울기신호의 피칭값이 작은 상태(+)에서 큰 상태(++)로, 다시 작은 상태(+)로 유지하여 증가 상태(+,++)가 된다. 이때, 도 2 및 도 3에서 확인할 수 있듯이, 저항신호 1과 저항신호 2는 있는 상태(+)를 유지한다.
이 때의 사용자의 보행의도를 “오른발 걷기”로 판단한다. 즉, 기울기신호의 피칭값이 증가 상태(+,++)이고, 저항신호 1과 저항신호 2는 있는 상태(+)인 경우, 사용자의 보행의도를 “오른발 걷기”로 판단한다.
본 실시예에서는 “오른발 걷기”를 기울기신호의 피칭값이 증가하는 제 1 보행으로 정의하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 피칭값이 감소하는 제 2 보행으로 정의하여도 무방하다.
다음으로, 도 2의 203 에서와 같이, “왼발 걷기”에 해당하는 보행의도판단은 전술한 “보행시작”상태에서 크럿치(crutch)를 사용하는 과정에서 발생하는 기울기신호의 피칭값 변화를 추가로 조합하여 판단된다.
“보행시작”상태에서 사용자가 왼발을 나가게 되는 경우, 좌측 상체를 앞으로 당기기 때문에, 기울기신호의 피칭값이 작은 상태(-)에서 큰 상태(--)로, 다시 작은 상태(-)로 유지하여 감소 상태(-,--)가 된다. 이때, 도 2 및 도 3에서 확인할 수 있듯이, 저항신호 1과 저항신호 2는 있는 상태(+)를 유지한다.
이 때의 사용자의 보행의도를 “왼발 걷기”로 판단한다. 즉, 기울기신호의 피칭값이 감소 상태(-,--)이고, 저항신호 1과 저항신호 2는 있는 상태(+)인 경우, 사용자의 보행의도를 “왼발 걷기”로 판단한다.
본 실시예에서는 “왼발 걷기”를 기울기신호의 피칭값이 감소하는 제 2 보행으로 정의하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 피칭값이 증가하는 제 1 보행으로 정의하여도 무방하다.
위와 같은 저항신호 1, 기울기신호의 롤링값과 피칭값, 저항신호 2를 조합하여 “오른발 걷기”와 “왼발 걷기”의 교번적 반복으로 사용자의 보행의도가 판단된다.
다음으로, 도 2의 204 에서와 같이, “보행정지”에 해당하는 보행의도판단은 사용자가 “오른발 걷기” 또는 “왼발 걷기” 상태에서 크럿치(crutch)를 앞으로 뻗지 않고 제자리에서 들었다가 지면에 닿는 과정에서 발생하는 저항신호 1과 상체 기울기에 의한 기울기신호를 조합하여 판단된다.
즉, 크럿치(crutch)를 제자리에서 들었다가 지면에 닿게 하기 때문에, 저항신호 1은 “보행시작”에서와 같이, 점차 감소하여 없는 상태(0)였다가 크럿치(crutch)가 지면에 다시 닿으면 다시 증가하여 있는 상태(+)가 되는 조건이되며, 이에 따라 제 1 인체신호가 발생한다.
하지만, 보행정지시에는 상체를 숙이지 않기 때문에, 기울기신호의 롤링값은 없는 상태(0)가 되고, 상체를 좌우로도 움직이지 않기 때문에, 기울기신호의 피칭값도 없는 상태(0)는 조건이 된다. 이와 같은 조건을 만족하면, 사용자의 보행의도를 “보행정지”로 판단한다.
다음으로, 전술한 사용자의 보행의도와 연관하여 제 3 저항신호를 이용하여 입각기 및 유각기 상태를 확인하는 과정을 살펴보기로 한다.
도 3의 211 에서와 같이, 오른발이 동작할 때, 정지상태인 입각기에서 유각기로 접어들면서 오른발의 저항신호 2는 있는 상태(+)에서 없는 상태(0)로 감소한 후, 오른발이 다시 지면에 닿아 입각기로 돌아오면, 없는 상태(0)에서 있는 상태(+)로 증가한다.
이때, 위와 같이, 오른발이 유각기(저항신호 2가 없는 상태(0))에 있는 동안, 왼발의 저항신호 2는 큰 상태(++)로 되고, 오른발이 입각기(저항신호 2가 있는 상태(+))되면서 오른발과 왼발의 저항신호 2는 거의 유사하게 된다.
또한, 도 3의 212 에서와 같이, 왼발이 동작할 때, 정지상태인 입각기에서 유각기로 접어들면서 왼발의 저항신호 2는 있는 상태(+)에서 없는 상태(0)로 감소한 후, 왼발이 다시 지면에 닿아 입각기로 돌아오면, 없는 상태(0)에서 있는 상태(+)로 증가한다.
이때, 위와 같이, 왼발이 유각기(저항신호 2가 없는 상태(0))에 있는 동안, 오른발의 저항신호 2는 큰 상태(++)로 되고, 왼발이 입각기(저항신호 2가 있는 상태(+))되면서 왼발과 오른발의 저항신호 2는 거의 유사하게 된다.
다음으로, 제어부는 전술한 정보처리부(100)에서 생성한 “보행시작”,”오른발동작”,”왼발동작”,”보행정지”에 관한 보행신호를 이용하여 보행보조로봇을 제어하는 역할을 하다.
이하, 전술한 사용자의 보행의도 및 입각기 및 유각기 상태를 조합하여, 보행보조로봇의 “보행시작”,”오른발동작”,”왼발동작”,”보행정지”에 관한 보행신호 생성과정을 실현하는 보행보조로봇 제어방법에 대해 도 4 내지 도 6을 참조하여 살펴보기로 한다.
도 4는, 도 1에서 도시한 정보처리부에서 보행의도를 실시간으로 판단하는 구성을 설명하기 위해 도시한 개념도이고, 도 5는, 본 발명에 따른 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어방법의 일실시예의 구성을 설명하기 위해 도시한 단계도이며, 도 6은, 도 5에서 도시한 S200의 과정을 상세하게 설명하기 위해 도시한 순서도이다
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어방법은, 도 5에서 도시한 바와 같이, 보행을 위해 크럿치를 짚는 경우 가해지는 손바닥의 압력 변화와 상체의 기울기 변화 및 발바닥의 압력 변화를 감지하여 인체신호를 생성하는 과정(S100)과, 상기 생성된 인체신호 중 손바닥의 압력 변화와 상체 기울기 변화를 기초로하여 사용자의 보행의도를 감지하고 상기 생성된 인체신호 중 발바닥의 압력 변화를 기초로 하여 입각기 및 유각기 상태를 감지하여, 상기 감지된 보행의도와 입각기 및 유각기 상태를 조합하여 보행신호를 생성과정(S200)과 상기 생성된 보행신호를 이용하여 상기 보행보조로봇을 제어하는 과정(S300)을 포함하여 이루어진다.
이하, 상기 S200 에서 실현하는 보행보조로봇을 동작시키기 위한 보행신호 생성과정을 구체적으로 살펴보기로 한다.
본 실시예에서 보행신호는 보행시작신호, 오른발동작을 위한 보행동작신호, 왼발동작을 위한 보행동작신호, 보행정지신호로 구분될 수 있다.
도 4 및 도 6에서 도시한 바와 같이, 사용자의 보행의도가 “보행정지”인 상태를 설명하는 부분에서 전술하였듯이, 먼저, 제 1 인체신호가 입력되었는지 판단하고,(S210) 제 1 인체신호가 입력되면, 상체 기울기의 롤링값 증가(즉, 기울기신호의 롤링값의 있는 상태(+))에 따른 제 2 인체신호가 입력되었는지 판단하다.(S220)
상체 기울기의 롤링값 증가에 의한 제 2 인체신호가 입력되었으면, 정보처리부(110)는 보행시작신호를 생성한다.(S230)
보행시작신호 생성후, 상체 기울기의 피칭값의 증가에 따른 제 2 인체신호가 입력되었는지, 상체 기울기의 피칭값의 감소에 따른 제 2 인체신호가 입력되었는지 판단한다.(S240) 여기서, 상체 기울기의 피칭값의 증가는 기울기신호의 일방향 피칭값이 (0)->(+)->(++)로 증가하는 것을 의미하고, 상체 기울기의 피칭값의 감소는 기울기신호의 타방향 피칭값이 (0)->(-)->(--)로 감소하는 것을 의미한다.
상체 기울기의 피칭(pitching)값의 증가에 의한 제 2 인체신호가 입력되었다면, 보행보조로봇의 오른발을 동작시키는 보행동작신호를 생성한다.(S250) 제어부(120)는 이 보행동작신호를 사용해 보행보조로봇이 먼저 오른발을 움직이도록 제어한다. 오른발이 움직여 나가게 되면, 오른발이 공중에 들리면서 오른발의 저항신호 2는 점점 감소하여 없는 상태(0)가 될 것이고, 이때, 저항신호 1은 큰 상태(++)가 된다. 기울기신호의 롤링값은 감소하고 피칭값은 증가하게 된다. 위와 같은 보행보조로봇의 오른발을 동작시키는 보행동작신호는 오른발의 저항신호 2가 감소하여 왼발의 저항신호 2와 동일한 값을 가질 때까지 지속된다.
반면에, 상체의 기울기의 피칭(pitching)값의 감소에 의한 제 2 인체신호가 입력되었다면 왼발을 동작시키는 보행동작신호를 생성한다.(S250) 제어부(120)는 이 보행동작신호를 사용해 보행보조동작이 왼발을 움직이도록 제어한다. 왼발이 움직여 나가게 되면, 왼발이 공중에 들리면서 왼발의 저항신호 2는 점점 감소하여 없는 상태(0)가 될 것이고, 이때, 저항신호 1은 큰 상태(++)가 된다. 기울기신호의 롤링값은 감소하고 피칭값은 증가하게 된다. 위와 같은 보행보조로봇의 왼발을 동작시키는 보행동작신호는 왼발의 저항신호 2가 감소하여 오른발의 저항신호 2와 동일한 값을 가질 때까지 지속된다.
이러한 보행동작신호는 보행보조로봇의 양 발을 교번적으로 동작시키도록 생성되어야 한다. 예를 들어, 오른발 동작 다음에는 왼발 동작이 일어나도록 보행동작신호를 제공한다.
보행동작신호를 생성후, 발바닥의 압력 변화에 의한 제 3 인체신호가 양 발바닥에서 동일한지 판단하여, 동일한 경우, 보행보조로봇의 보행동작이 정지하도록 상술한 보행동작신호 생성을 중단하여 제어부(120)에 제공하는 것을 중지한다.(S260)
이후, 제 1 인체신호 입력되는지를 판단하는 S210 단계로 회귀하여 상술한 과정을 반복한다.
한편, 제 1인체신호가 입력되고 전술한 S220 단계에서 제 2인체신호가 입력되지 않으면, 정보처리부(110)는 보행정지신호를 생성하여 보행보조로봇의 보행을 멈추게 한다. 이때, 보행보조로봇은 보행이 진행되는 동안 동작하는 보폭의 1/2 만 동작하여 동작하는 발이 반대편 발의 위치와 동일하게 위치하도록 하여 두 발이 모아지게 하는 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명에 따른 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어장치 및 제어방법에 관한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였다.
전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 다중 센서부 110 : 정보처리부
101 : 제 1 저항센서 102 : 기울기센서
103 : 제 2 저항센서 120 : 제어부

Claims (17)

  1. 보행을 위한 크럿치(crutch) 사용으로 가해지는 손바닥의 압력 변화와 상체 기울기 변화 및 발바닥의 압력 변화를 감지하여 인체신호를 생성하는 다중 센서부;
    상기 생성된 인체신호 중 손바닥의 압력 변화와 상체 기울기 변화를 기초로하여 사용자의 보행의도를 감지하고 상기 생성된 인체신호 중 발바닥의 압력 변화를 기초로하여 입각기 및 유각기 상태를 감지하여, 상기 감지된 보행의도와 입각기 및 유각기 상태를 조합하여 보행신호를 생성하는 정보처리부;
    상기 생성된 보행신호를 이용하여 상기 보행보조로봇을 제어하는 제어부;를 포함하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다중 센서부는,
    크럿치(crutch)를 들고 오른발 또는 왼발을 이동할 때 나타나는 손바닥의 압력 변화를 감지하는 제 1 저항센서;
    사용자의 상체 기울기 변화를 감지하는 기울기센서;와
    입각기와 유각기를 판단할 수 있도록 발바닥의 압력 변화를 감지하는 제 2 저항센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 저항센서는 오른손 또는 왼손 손바닥과 크럿치(crutch) 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 기울기센서는 사용자의 요추 중앙 부근에 설치되는 것을 특징으로 하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제 2 저항센서는 오른발 또는 왼발의 발바닥의 발뒤꿈치,발칼 및 발끝중 어느 한 곳에 설치되는 것을 특징으로 하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 정보처리부는,
    크럿치(crutch)를 들어 짚는 경우 손바닥 압력 변화로 발생하는 제 1 인체신호와 상체가 숙여지면서 상체 기울기 변화로 발생하는 제 2 인체신호에 따라서 서로 다른 보행 의도로 감지하여 상기 보행신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 정보처리부는,
    상기 제 1 인체신호가 입력되고, 상기 상체 기울기의 롤링(rolling)값 증가에 따라 제 2 인체신호가 입력되는 경우, 상기 보행의도를 보행시작으로 판단하여 보행시작신호를 생성하고, 상기 보행시작신호 생성후, 상기 상체 기울기의 피칭(pitching)값 증가에 따라 제 2 인체신호가 입력되는 경우, 양 발중 일방의 발에 의한 제 1 보행으로 판단하여 보행동작신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 정보처리부는,
    상기 보행동작신호를 생성후, 제 1 인체신호가 입력되고, 상기 제 2 인체신호가 입력되지 않은 경우, 보행정지로 판단하여 보행정지신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 보행동작신호는 발바닥의 압력 변화로 발생하는 제 3 인체신호의 값이 양 발에서 동일하게 될 때까지 제어부에 제공되는 것을 특징으로 하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 정보처리부는,
    상기 제 1 인체신호가 입력되고, 상기 상체 기울기의 롤링(rolling)값 증가에 따라 제 2 인체신호가 입력되는 경우, 상기 보행의도를 보행시작으로 판단하여 보행시작신호를 생성하고, 상기 보행시작신호 생성후, 상기 상체 기울기의 피칭(pitching)값 감소에 따라 제 2 인체신호가 입력되는 경우, 양 발중 타방의 발에 의한 제 2 보행으로 판단하여 보행동작신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 정보처리부는,
    상기 보행동작신호를 생성후, 제 1 인체신호가 입력되고, 상기 제 2 인체신호가 입력되지 않은 경우, 보행정지로 판단하여 보행정지신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 보행동작신호는 발바닥의 압력 변화로 발생하는 제 3 인체신호의 값이 양 발에서 동일하게 될 때까지 제어부에 제공되는 것을 특징으로 하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치.
  13. 제 7항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 제 1 보행의 보행동작신호와 상기 제 2 보행의 보행동작신호는 교번적으로 생성되는 것을 특징으로 하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 장치.
  14. a)보행을 위해 크럿치(crutch)를 짚는 경우 가해지는 손바닥의 압력 변화와 상체 기울기 변화 및 발바닥의 압력 변화를 감지하여 인체신호를 생성하는 과정;
    b)상기 생성된 인체신호 중 손바닥의 압력 변화와 상체 기울기 변화를 기초로하여 사용자의 보행의도를 감지하고 상기 생성된 인체신호 중 발바닥의 압력 변화를 기초로하여 입각기 및 유각기 상태를 감지하여, 상기 감지된 보행의도와 입각기 및 유각기 상태를 조합하여 보행신호를 생성과정;
    c)상기 생성된 보행신호를 이용하여 상기 보행보조로봇을 제어하는 과정을 포함하는 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 b)단계는,
    크럿치(crutch)를 들어 짚는 경우 손바닥의 압력 변화에 의한 제 1 인체신호가 입력되었는지 판단하는 과정;
    제 1 인체신호가 입력되었다면, 상체 기울기의 롤링(rolling)값이 증가에 의한 제 2 인체신호가 입력되었는지 판단하는 과정;
    상기 제 2 인체신호가 입력되었다면, 보행시작신호를 생성하는 과정;
    상기 보행시작신호 생성후, 상체 기울기의 피칭(pitching)값의 증가 또는 감소에 의한 제 2 인체신호가 입력되었는지 판단하는 과정;
    상체 기울기의 피칭(pitching)값의 증가에 의한 제 2 인체신호가 입력되었다면 보행보조로봇의 양 발중 일방의 발을 동작시키는 보행동작신호를 생성하고, 상체의 기울기의 피칭(pitching)값의 감소에 의한 제 2 인체신호가 입력되었다면 보행보조로봇의 양 발 중 타방의 발을 동작시키는 보행동작신호를 생성하는 과정;
    상기 보행동작신호를 생성 후, 발바닥의 압력 변화에 의한 제 3 인체신호가 양 발바닥에서 동일한지 판단하여, 동일한 경우, 보행보조로봇의 보행동작이 정지하도록 보행동작신호의 제공을 중지하는 과정;을 포함하는 것을 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 b)단계는,
    크럿치(crutch)를 들어 짚는 경우 손바닥의 압력 변화에 의한 제 1 인체신호가 입력되고 제 2 인체신호가 입력되지 않은 경우, 보행정지신호를 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 방법.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 보행동작신호는 보행보조로봇의 양 발을 교번적으로 동작시키도록 생성되는 것을 특징으로 사용자 보행의도 감지를 이용한 보행보조로봇 제어 방법.
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