KR20130093201A - 사용자의 보행주기에 따라 능동적으로 이동 속도를 결정하는 보행보조로봇 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고령자 등 사용자의 보행주기를 검출하여 능동적으로 이동 속도를 결정하는 전동형 보행보조로봇에 관한 것이다. 본 발명의 일면에 따른, 보행 보조기 모드에서 사용자의 보행을 보조하는 보행 보조 로봇의 작동 방법은, 사용자의 신발에 부착된 보행검출 센서모듈를 이용하여 적외선 센서와 가속도 센서의 출력을 기초로, 사용자의 보행주기, 입각기, 또는 유각기를 검출하며, 검출된 해당 정보를 무선 근거리 통신 방식으로 전송하는 단계, 및 보행 보조 로봇에서 상기 보행검출 센서모듈로부터 수신된 상기 사용자의 보행주기, 상기 입각기, 또는 상기 유각기에 대한 정보를 이용한 이동속도 제어에 따라 모터에 연결된 바퀴를 단계를 포함한다.

Description

사용자의 보행주기에 따라 능동적으로 이동 속도를 결정하는 보행보조로봇{Walking Assistance Robot for Actively Determining Moving Speed Based on User Gait Cycle}
본 발명은 전동형 보행보조로봇에 관한 것으로서, 특히, 고령자 등 사용자의 보행주기를 검출하여 능동적으로 이동 속도를 결정하는 전동형 보행보조로봇에 관한 것이다.
최근 삶의 질 향상에 따라 고령자의 기대수명이 높아지고 있고, 이에 따라 고령자의 기본적인 삶을 지원하는 기술이 화두가 되고 있다. 고령자는 신체 노령화로 65세 이후부터 급격하게 근력이 감소되며 그로 인해 크고 작은 질병을 앓게 된다. 그 중 하지 근력 저하는 보행 행위를 저해하는 요소이다.
보행행위를 지원하는 방법은 일반적으로 수동형 보행보조기구, 보행보조차를 이용하여 고령자의 보행을 지원한다. 하지만 이러한 보조기구들은 고령자가 보행에 필요한 힘과 별도로 보조기구를 이동해야 하는 추가적인 힘에 의해 작동하게 된다. 따라서 이러한 보행 보조를 수월하게 하기 위한 보행보조로봇의 연구가 활발히 진행되고 있고 상용화 단계에 이르고 있다. 기존의 보행보조로봇의 조향 방법은 다양한 HMI(Human Machine Interface)로 개발 되어있다. 하지만 대부분의 조향방법은 고령자의 손의 악력이나 미는 힘에 따라 보행보조로봇의 속도가 가변된다. 이러한 조향 방식은 조작자의 잘못된 조작으로 안전성의 위험이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 고령자 등 사용자 신발에 입각기(stance period), 유각기(swing period) 구별이 가능하도록 제작된 적외선 센서와 가속도 센서를 융합한 모듈을 부착하여 한쪽 발 접지 시간을 기준으로 측정한 사용자의 보행주기, 입각기, 유각기 등을 획득하고 근거리 무선 통신을 통해서 송신하면, 제어부가 수신된 데이터를 바탕으로 안전하게 사용자의 보행을 보조할 수 있는 이동 속도를 능동적으로 결정하는 전동형 보행보조로봇을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 보행 보조기 모드에서 사용자의 보행을 보조하는 보행 보조 로봇은, 사용자의 신발에 부착된 보행검출 센서모듈로부터 무선으로 정보를 수신하는 제1근거리 통신모듈; 사용자의 보행을 보조하는 동안 진행방향과 이동속도를 결정하되, 상기 보행검출 센서모듈로부터 수신된 정보를 이용하여 이동속도를 제어하는 제어부; 및 상기 제어부의 이동속도 제어에 따라 바퀴를 회전시키는 모터를 포함하고, 상기 보행검출 센서모듈은, 적외선을 조사하고 반사된 적외선량에 상응하는 전기적 신호를 생성하는 적외선 센서, 사용자의 보행에 따른 중력방향축과 이동방향축으로의 가속도값에 상응하는 전기적 신호를 생성하는 가속도 센서, 상기 적외선 센서와 상기 가속도 센서의 출력을 기초로, 사용자의 보행주기, 입각기, 또는 유각기를 검출하는 신호처리부, 및 상기 사용자의 보행주기, 상기 입각기, 또는 상기 유각기에 대한 정보를 상기 제1 근거리 통신모듈로 전송하는 제2 근거리 통신모듈을 포함하며, 상기 제어부는 상기 제1근거리 통신모듈을 통해 수신한 상기 사용자의 보행주기, 상기 입각기, 또는 상기 유각기에 대한 정보를 이용하여 상기 모터를 제어한다.
상기 신호처리부는, 상기 적외선 센서의 출력이 임계치 이상일 때를 기초로 상기 입각기를 검출하고, 상기 가속도 센서의 출력에 따라 중력방향축과 이동방향축에 대한 힘의 크기의 합인 힘벡터 스칼라량이 임계치 이상일 때를 기초로 상기 사용자의 보행주기를 검출하며, 상기 사용자의 보행주기에서 상기 입각기를 제하여 상기 유각기를 검출한다.
상기 신호처리부는, 임계값 이상인 이전의 힘벡터 스칼라량 복수개의 변동을 반영하여 상기 힘벡터 스칼라량과 비교되는 상기 임계치를 가변한다.
상기 제어부는, 상기 사용자의 보행주기, 상기 입각기, 또는 상기 유각기에 기초한 사용자의 보행속도와 상기 모터에 구비되는 엔코더의 측정값에 기초한 상기 보행보조로봇의 이동속도가 동기되도록 상기 모터 구동에 필요한 PWM신호의 듀티비를 결정하고, 해당 PWM신호를 이용하여 상기 모터를 제어한다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른, 보행 보조기 모드에서 사용자의 보행을 보조하는 보행 보조 로봇의 작동 방법은, 사용자의 신발에 부착된 보행검출 센서모듈를 이용하여 적외선 센서와 가속도 센서의 출력을 기초로, 사용자의 보행주기, 입각기, 또는 유각기를 검출하며, 검출된 해당 정보를 무선 근거리 통신 방식으로 전송하는 단계; 및 보행 보조 로봇에서 상기 보행검출 센서모듈로부터 수신된 상기 사용자의 보행주기, 상기 입각기, 또는 상기 유각기에 대한 정보를 이용한 이동속도 제어에 따라 모터에 연결된 바퀴를 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 보행보조로봇에 따르면, 사용자가 보행보조차에 힘을 가하는 방식의 속도 조작이나 조향장치를 이용한 주행속도 결정이 아닌, 사용자 보행 주기 등을 자동으로 추정하여 이동 속도를 능동적으로 결정함으로써 안전하고 편리하게 사용자의 보행을 보조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 보행 보조 로봇을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 보행 보조 로봇의 제어 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일반적인 보행자의 8단계 보행 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 보행검출 센서모듈의 사진이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 보행검출 센서모듈을 설명하기 위한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 보행주기 검출을 위한 사용자 족저부의 힘 벡터를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 보행검출 센서모듈의 데이터를 설명하기 위한 블록도이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 보행 보조 로봇의 보행 보조 동작을 도 1과 도 2를 참조하여 간략히 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 보행 보조 로봇은, 보행 보조기 모드와 휠체어 모드에서 사용자가 터치 센서나 스위치들(사용자의 악력을 감지하는 힘센서, 조이스틱, 손잡이 등 포함)을 조작함에 따라, 제어부(110)에서 능동적으로 진행방향과 속도를 결정하고 모터(120)를 제어하고 모터(120)에 장착된 바퀴를 회전시켜 전반적인 전후좌우 이동이 이루어질 수 있다.
도 1과 같이 신체 활동이 불편한 사용자가 보행 보조 로봇을 보행 보조기 모드로 사용하는 경우에는, 주로 사용자가 서서 손잡이를 잡고 수동으로 앞으로 밀고 다닐 수도 있고, 터치 센서의 조작에 따라 전후좌우 이동을 보조할 수 있다. 신체 활동이 불편한 사용자가 보행 보조 로봇을 휠체어 모드로 사용하는 경우에는, 사용자가 앉을 수 있도록 보행 보조 로봇에 구비된 의자를 편 후 의자에 앉아 사용자가 손으로 스위치나 힘센서 등에 힘을 가하여 진행속도가 일정 속도로 유지되게 하여 보행이 보조되도록 할 수 있으며, 이때 팔걸이 쪽의 조이스틱(또는 손잡이)을 조작해 전후좌우 진행방향을 조절하여 해당 방향으로 서서히 움직이도록 할 수도 있다.
이와 같은 이동 시에, 본 발명의 일실시예에 따른 보행보조로봇에는 속도 변화를 감지하기 위한 복수의 가속도 센서를 구비하여 이들의 신호를 이용해 제어부(110)가 오르막 또는 내리막을 감지하여 바퀴 속도를 감소 또는 증가시키도록 모터(120)를 제어할 수 있으며, 이외에도 보행보조로봇 주위에 장애물 감지를 위한 복수의 초음파 센서를 구비하여 이들의 신호를 이용해 제어부(110)가 주위의 장애물을 감지하여 바퀴 속도를 감소시키거나 정지하도록 모터(120)를 제어할 수도 있다. 이외에도 본 발명의 일실시예에 따른 보행보조로봇에는 장애물, 오르막 또는 내리막 등의 안내나 기타 스위치 조작 등의 안내를 위한 음향 장치 등 필요한 장치들이 더 구비될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 보행 보조 로봇은, 보행보조기 모드와 휠체어 모드에서 고령자 등 신체 활동이 불편한 사용자가 안전하고 편안하게 보행을 보조하도록 작동할 수 있으며, 이외에도 보행보조기 모드에서 고령자 등 사용자 신발에 입각기(stance period), 유각기(swing period) 구별이 가능하도록 제작된 적외선 센서와 가속도 센서를 융합한 모듈을 부착하여 한쪽 발 접지 시간을 기준으로 측정한 사용자의 보행주기를 획득하고 블루투스, 지그비 등 근거리 무선 통신을 통해서 송신하면(도 5 참조), 근거리 통신 모듈(130)을 통해 이를 수신하는 제어부(110)가 보행 주기 등 추정된 데이터를 바탕으로 안전하게 사용자의 보행을 보조할 수 있는 이동 속도를 능동적으로 결정함으로써 해당 속도로 모터(120)를 제어하도록 하였다.
<보행주기 검출을 위한 기법 및 보행보조로봇과의 동기화>
본 발명의 일실시예에 따른 보행보조로봇의 이동 속도와 사용자의 보행 속도가 동기되기 위해서는 보행주기 및 보행 패턴을 검출하여야 한다. 보행은 로봇의 주행과 달리 입각기와 유각기로 나뉘며, 입각기는 보행주기의 60%를 차지하며 발이 지면에 닿아 있는 시기이며, 유각기는 발이 지면에서 떨어져 나아가는 시기로 보행주기의 40%를 차지한다. 그렇기 때문에 보행보조로봇의 이동속도는 보행 속도가 아니라 족저부가 실제 보행을 위해 움직이는 시간과 동기가 이루어져야 한다. 따라서 보행 중 족저부가 지면과 밀착하는 시간과 밀착하지 않는 시간의 구분이 필요하다. 선행 연구된 보행주기 검출 방법은 족저부에 FSR(Force Sensing Resistor)를 부착하여 보행주기를 입각기와 유각기로 구분하거나, 기울기센서, 가속도 센서, 자이로스코프 센서, 비젼 시스템 등을 이용하여 보행 주기를 검출한 예가 있었다. 이러한 기존 방법은 노이즈 제거 및 확실한 연산을 위해 센서모듈에서 데이터를 취득하고 별도의 컴퓨터에서 시뮬레이션을 하여 보행을 검출한다. 이렇게 함으로써 보행주기 검출은 효과적일 수 있으나 소형화가 쉽지 않고, 보행보조로봇에 활용하기에는 다소 맞지 않는다. 따라서 본 발명에서는 하기하는 바와 같이 소형 보행검출 센서모듈을 이용하여 간단하게 보행보조로봇이 이동 속도를 적절히 결정할 수 있도록 하였다.
<보행 주기 검출 방법>
선행 연구된 보행 주기 검출 방법 중 가속도 센서를 이용한 방법은 발목부위에 센서모듈을 부착하여 데이터를 취득 후 별도의 시뮬레이션 프로그램에서 다리의 이동축의 각도를 검출하거나, x, y, z값의 회전 성분을 무시하고 하나의 에너지 값으로 변환하여 검출한 예가 있다. 이러한 검출 방법은 보행주기는 검출 가능 하나, 족저부의 지면 밀착시간 구분이 어렵기 때문에 본 발명에서는 다음과 같이 검출 하였다. 보행은 도 3과 같이 총 8단계로 이루어진다. 그 중 족저부가 지면에 밀착하는 단계는 부하반응기와 중간 입각기, 말기 입각기이다. 그렇기 때문에 본 발명에서는 IR센서와 가속도 센서를 포함하는 도 4와 같은 소형 보행검출 센서모듈을 신발에 부착하고 이러한 보행 패턴을 검출할 수 있도록 하였다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 보행검출 센서모듈을 설명하기 위한 블록도이다. 도 5를 참조하면, 신발 옆면 등에 부착되어 사용될 수 있는 본 발명의 일실시예에 따른 보행검출 센서모듈은, IR(Infra Red) 센서(210), 가속도 센서(220), 신호처리부(230), 및 무선 근거리 통신 모듈(240)을 포함할 수 있다.
IR센서(210)는 광원을 이용해 적외선을 조사하고 반사된 적외선량을 측정하여 그에 상응하는 전기적 신호를 생성하는 센서이다. 따라서, 지면에 발이 닿아 있을 때 IR센서(210)에서 지면으로 적외선을 조사하면 반사량은 최대이며 발이 점차 떨어지는 말기 입각기에 들어서면서 반사량이 점차 줄어들게 된다. 이에 따라 신호처리부(230)는 IR센서(210)의 신호로부터 반사된 적외선량이 일정 임계치 이상일 때의 시간, 즉, 보행의 부하 반응기부터 중간 입각기(또는 말기 입각기)까지에 해당하는 입각기 시간을 검출할 수 있다.
가속도 센서(220)는 이동 시 이동 가속도 및 정지 시 중력 가속도를 측정하여 그에 상응하는 전기적 신호를 생성하는 센서이다. 가속도 센서(220)로 보행의 유각기를 측정하되 제어부(110)의 연산능력을 고려하여 도 6과 같이 2축(예, 중력방향축/이동방향축)을 사용하는 것이 바람직하다. 1축(예, 중력방향축)을 사용하여 신발(족저부)의 각도를 측정하여 검출 할 수도 있지만, 가속도값을 각도로 환산하는 연산이 2축의 힘벡터를 검출하는 연산시간 보다 오래 걸리기 때문이다. 이에 따라 신호처리부(230)는 가속도 센서(220)의 신호로부터 유각기에 해당하는 시간을 검출할 수 있다.
이와 같이 보행의 입각기는 족저부의 지면의 접촉시간을 측정하여 유추하는데, 위와 같이 접촉의 여부는 IR센서(210)의 적외선에 대한 반사량이 최대일 때이다. 반사량의 최대값을 결정짓는 임계값 설정은 보행 시작 전 반사량을 일정시간 측정한 평균값으로 설정하였다(도 7 참조). IR센서(210)의 반사량 측정은 반사면의 질이나 종류에 따라 반사량의 최대값이 가변될 수 있지만, 이하 동일한 반사면에서 보행이 이루어지는 것을 전제로 한다. IR센서(210)의 신호를 기초로 신호처리부(230)가 계산한 입각기 STPtime는 [수학식 1]과 같이, 소정 타이머의 주기 내에서 발생하는, 반사량(IR센서(210)의 신호 크기)이 임계값 이상일 때의 소정 반사량 측정 주기들의 합으로 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
신호처리부(230)에서, 보행의 유각기 시간은 [수학식 2], [수학식 3], [수학식 4]와 같이 보행 주기 GCtime를 검출한 후 입각기 시간을 제하여 도출한다. 즉, 보행 주기 GCtime는 소정 타이머의 주기 내에서 발생하는, 힘벡터 스칼라량(가속도 센서(220)의 신호크기)가 임계값 이상일 때의 소정 힘벡터 측정 주기들의 합으로 계산될 수 있다. 힘벡터 스칼라량은 이동 방향축과 중력축의 힘의 크기의 합, 즉, 각 방향의 힘의 크기를 각각 제곱하고 더한 것의 제곱근에 해당한다. 이때 힘 벡터의 최대 스칼라 값은 매보행마다 달라지기 때문에 임계값이 가변되어야 하는 데, 이때 신호처리부(230)에서는 [수학식5]와 같이, 힘벡터 스칼라량(가속도 센서(220)의 신호크기)가 임계값 이상인 이전의 힘벡터 스칼라량 복수개의 변동을 반영하여 새로운 임계값을 조정해 나갈 수 있다. 즉, 임계값 조정은 힘벡터 스칼라량(가속도 센서(220)의 신호크기)가 임계값 이상인 이전의 힘벡터 스칼라량 복수개의 합에 소정 계수 α/10를 곱하여 이루어질 수 있다.
위와 같이 신호처리부(230)에서 측정한 입각기와 유각기에 대한 정보는 무선 근거리 통신 모듈(240)을 통하여 지그비, 블루투스 등 통신 방식에 따라 무선으로 보행보조로봇으로 전송될 수 있다. 이에 따라, 보행보조로봇의 근거리 통신 모듈(130)은 신호처리부(230)에서 측정한 보행주기, 입각기와 유각기에 대한 정보를 수신하며, 이를 기초로 제어부(110)는 모터를 제어할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002

[수학식 3]
Figure pat00003

[수학식4]
Figure pat00004

[수학식5]
Figure pat00005

<보행보조로봇과의 동기화>
사용자의 보행속도와 보행보조로봇의 이동속도가 동기되기 위해서는 보행보조로봇의 속도 측정이 필요하며 지속적으로 측정하여 사용자 보다 빠를 경우 보행보조로봇의 속도를 늦추고 느릴 경우 빠르게 하여야 한다. 이는 보행보조로봇의 제어부(110)에서 PID(Proportional Integral Differential, 비례적분미분) 제어를 통해 이루어질 수 있으며, [수학식6]과 같이 모터(120)에 구비되는 엔코더의 측정값인 바퀴의 회전 MRPS 등을 적절한 이동속도를 위한 PID제어에 이용하게 된다. 동기율은 [수학식7]과 같이 제어부(110)에서 유각기 SWPtime(경우에 따라 보행 주기 GCtime, 또는, 입각기 STPtime 일 수도 있음) 기초한 사용자의 보행속도와 보행보조로봇의 이동속도 Vvehicle를 지속적으로 체크함으로써 차이가 없는 방향으로 피드백 제어된다. 즉, 제어부(110)는 사용자의 보행속도와 보행보조로봇의 이동속도가 동기되도록 모터(120) 구동에 필요한 PWM(Pulse Width Modulation)신호의 듀티비를 결정하고, 해당 PWM신호를 이용하여 모터(120)를 제어함으로써, 모터(120)에 장착된 바퀴가 사용자의 보행속도에 맞게 회전하도록 할 수 있다.
[수학식6]
Figure pat00006

[수학식7]
Figure pat00007

<실험 및 결과>
본 발명에서 제안한 기법을 검증하기 위해 다음과 같이 실험하였다. 하드웨어는 크게 보행 횟수 및 보행 주기 검출을 하는 보행검출 센서모듈과 보행보조로봇이다. 보행검출 센서모듈은 신발 옆에 부착하여 보행주기를 검출하였다. 검출된 보행 주기는 무선통신(Bluetooth)으로 보행보조로봇의 제어부(110)에 속도 지령값으로 사용하였다. 보행보조로봇의 속도 검출은 로봇에 장착되어 있는 엔코더로 측정하였다. 측정된 로봇의 속도는 사용자와 로봇간의 동기율 검출에 활용 하였다.
실험항목은 보행보조로봇의 사용자가 고령자라는 점과 사용 환경이 요양병원 또는 실버타운이라는 것을 전제 하여 느리게 걷기, 걷기, 빠르게 걷기로 선정하였다. 실험은 세 가지 항목을 각각 100회씩 반복하여 보행 횟수검출의 일치율, 보행 주기를 검출하였다. 실험의 정확성을 위해 각 실험 당충분한 휴식을 취한 후 진행 하였다. 실험 결과는 아래 표1와 같으며 보행의 검출은 평균 98%일치 하였다.
<표 1> 보행 횟수 및 보행 주기 검출 결과
Figure pat00008
도 7과 같이, 가속도 센서(220)의 힘 벡터 스칼라 량 데이터는 족저부가 지면에서 떨어질 때와 붙을 때 진동에 의해 노이즈 성분이 포함되는 것을 알 수 있었다. 710은IR 센서(210) 출력의 그래프, 720은 가속도 센서(220)의 힘 벡터의 스칼라 량 출력 그래프이다. 하지만 구간이 짧기 때문에 보행의 검출에는 크게 간섭 되지 않아 필터처리를 하지 않고 보행 주기를 검출하였다. 여기서, 족저부가 바닥과 밀착했을 경우는 그렇지 않을 경우와 구분이 비교적 뚜렷하기 때문에 보행을 2단계로 세분화 할 수 있었다. 그 결과 보행보조로봇이 능동적으로 주행하기에 적합한 보행 주기를 찾을 수 있었다
사용자와 보행보조로봇과의 동기율 검출은 보행의 검출과 마찬가지로 느리게 걷기, 걷기, 빠르게 걷기 세 가지 항목에 대하여, 표2와 같이 평균 동기율은 96.67%를 보였다.
<표 2> 보행 주기와 보행보조로봇의 동기율
Figure pat00009
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
IR(Infra Red) 센서(210)
가속도 센서(220)
신호처리부(230)
무선 근거리 통신 모듈(240)

Claims (5)

  1. 보행 보조기 모드에서 사용자의 보행을 보조하는 보행 보조 로봇에 있어서,
    사용자의 신발에 부착된 보행검출 센서모듈로부터 무선으로 정보를 수신하는 제1근거리 통신모듈; 사용자의 보행을 보조하는 동안 진행방향과 이동속도를 결정하되, 상기 보행검출 센서모듈로부터 수신된 정보를 이용하여 이동속도를 제어하는 제어부; 및 상기 제어부의 이동속도 제어에 따라 바퀴를 회전시키는 모터를 포함하고,
    상기 보행검출 센서모듈은, 적외선을 조사하고 반사된 적외선량에 상응하는 전기적 신호를 생성하는 적외선 센서, 사용자의 보행에 따른 중력방향축과 이동방향축으로의 가속도값에 상응하는 전기적 신호를 생성하는 가속도 센서, 상기 적외선 센서와 상기 가속도 센서의 출력을 기초로, 사용자의 보행주기, 입각기, 또는 유각기를 검출하는 신호처리부, 및 상기 사용자의 보행주기, 상기 입각기, 또는 상기 유각기에 대한 정보를 상기 제1 근거리 통신모듈로 전송하는 제2 근거리 통신모듈을 포함하며,
    상기 제어부는 상기 제1근거리 통신모듈을 통해 수신한 상기 사용자의 보행주기, 상기 입각기, 또는 상기 유각기에 대한 정보를 이용하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호처리부는,
    상기 적외선 센서의 출력이 임계치 이상일 때를 기초로 상기 입각기를 검출하고, 상기 가속도 센서의 출력에 따라 중력방향축과 이동방향축에 대한 힘의 크기의 합인 힘벡터 스칼라량이 임계치 이상일 때를 기초로 상기 사용자의 보행주기를 검출하며, 상기 사용자의 보행주기에서 상기 입각기를 제하여 상기 유각기를 검출하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 신호처리부는, 임계값 이상인 이전의 힘벡터 스칼라량 복수개의 변동을 반영하여 상기 힘벡터 스칼라량과 비교되는 상기 임계치를 가변하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 사용자의 보행주기, 상기 입각기, 또는 상기 유각기에 기초한 사용자의 보행속도와 상기 모터에 구비되는 엔코더의 측정값에 기초한 상기 보행보조로봇의 이동속도가 동기되도록 상기 모터 구동에 필요한 PWM신호의 듀티비를 결정하고, 해당 PWM신호를 이용하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇.
  5. 보행 보조기 모드에서 사용자의 보행을 보조하는 보행 보조 로봇의 작동 방법에 있어서,
    사용자의 신발에 부착된 보행검출 센서모듈를 이용하여 적외선 센서와 가속도 센서의 출력을 기초로, 사용자의 보행주기, 입각기, 또는 유각기를 검출하며, 검출된 해당 정보를 무선 근거리 통신 방식으로 전송하는 단계; 및
    보행 보조 로봇에서 상기 보행검출 센서모듈로부터 수신된 상기 사용자의 보행주기, 상기 입각기, 또는 상기 유각기에 대한 정보를 이용한 이동속도 제어에 따라 모터에 연결된 바퀴를 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 로봇의 작동 방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021016586A (ja) * 2019-07-19 2021-02-15 株式会社ジェイテクト 歩行支援装置
US11219572B2 (en) 2014-10-14 2022-01-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and apparatus for controlling a walking assistance apparatus
CN114272086A (zh) * 2020-09-28 2022-04-05 纬创资通股份有限公司 主动式助行器

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102378018B1 (ko) 2014-07-29 2022-03-24 삼성전자주식회사 보행 동작 인식 장치 및 그 방법
KR102250265B1 (ko) 2014-09-01 2021-05-10 삼성전자주식회사 토크 패턴을 조정하기 위한 장치 및 방법
KR102055677B1 (ko) 2017-02-02 2019-12-13 엘지전자 주식회사 이동 로봇 및 그 제어방법
KR20230112401A (ko) 2022-01-20 2023-07-27 금오공과대학교 산학협력단 착용형 로봇 선행 제어를 위한 작업자 동작의도 예측 프레임워크

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001276155A (ja) 2000-03-30 2001-10-09 Hitachi Kiden Kogyo Ltd 歩行器
JP2003047635A (ja) 2001-08-06 2003-02-18 Kochi Univ Of Technology 歩行訓練機
JPWO2006098299A1 (ja) 2005-03-14 2008-08-21 新世代株式会社 情報処理システム及びそのための情報入力装置
KR101131734B1 (ko) * 2009-03-30 2012-04-05 한국산업기술대학교산학협력단 스트레치 센서를 사용한 보행 보조기 및 그 구동 방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11219572B2 (en) 2014-10-14 2022-01-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and apparatus for controlling a walking assistance apparatus
JP2021016586A (ja) * 2019-07-19 2021-02-15 株式会社ジェイテクト 歩行支援装置
CN114272086A (zh) * 2020-09-28 2022-04-05 纬创资通股份有限公司 主动式助行器

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