KR20140118219A - 착용식 외골격의 보행 추정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 착용식 외골격의 보행 추정 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 보행 추정 장치는, 외골격 장치 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력을 측정해주는 복수의 발 압력 센서로 이루어진 발 압력 센서부; 상기 착용자의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 측정해주는 복수의 관절각 센서로 이루어진 관절각 센서부; 상기 발 압력 센서부 및 관절각 센서부에 의해 측정된 데이터를 이용하여, 데이터 베이스에 저장되어 있는 외골격 장치의 보행 단계 중 적어도 하나를 상기 외골격 장치의 보행 단계로 결정하기 위한 보행 데이터를 산출하는 보행데이터 산출부; 및 상기 산출된 보행 데이터를 기초로 상기 외골격 장치의 보행 단계를 결정하는 보행단계 결정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

착용식 외골격의 보행 추정 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR GAIT ESTIMATION OF WEARABLE EXOSKELETON}
본 발명은 착용자의 보행 기능을 향상시킬 수 있는 착용식 외골격의 보행 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
외골격 장치는 착용자의 인체 기능을 향상시킬 수 있도록 고안된 장치이다. 이러한 외골격 장치는 착용자가 착용 시 편안함을 느낄 수 있고, 착용자의 동작에 간섭을 주지 않도록 설계 및 작동되어야 한다.
기존의 외골격 장치는 조작반을 적용하는 방식, 착용자로부터 근전 신호를 감지하거나 착용자의 움직임을 감지할 수 있는 센서를 이용하는 방식으로 작동될 수 있다. 조작반을 적용하는 방식은 착용자가 동작 명령을 직접 전달하는 방식으로, 운동기능이 곤란한 환자의 운동을 보조하는 장치에 적용될 수 있다.
한편, 또 한가지 방식은 착용자의 신체에 직접 부착된 센서가 인체의 움직임을 직접 감지할 수 있다. 그러나 인체의 움직임에 따라 센서 부착 부위가 계속 변동될 수 있다는 문제점이 발생하게 된다. 또한, 착용자가 불편함을 느낄 수 있기 때문에 센서를 장시간 신체에 밀착시키기 어렵고, 감지된 신호의 신뢰성을 장시간 유지하기 어렵다는 문제점도 발생하게 된다.
또 다른 방식으로, 압력 센서와 ON/OFF 스위치를 발 부분에 적용하여 외골격을 제어하는 두 가지 방법인 외발 지지 제어 모드와 양발 지지 제어 모드를 선택하는데 사용하였다. 그러나 이 경우, 지면과 발의 접촉 여부만으로 착용자의 관절 움직임을 판단해야 하기 때문에 자연스러운 추정을 위한 충분한 정보가 제공되기 어렵다.
따라서, 센서를 착용자의 신체에 직접 부착하지 않으며, 착용자의 동작에 의한 간섭 없이 외골격의 보행 동작 상태를 실시간으로 추정하는 착용식 외골격의 보행 추정 장치의 개발이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 착용자의 보행 동작을 실시간으로 추정하고 이를 기초로 외골격 장치를 동작시킬 수 있는 착용식 외골격의 보행 추정 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 보행 추정 장치는, 외골격 장치 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력을 측정해주는 복수의 발 압력 센서로 이루어진 발 압력 센서부; 상기 착용자의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 측정해주는 복수의 관절각 센서로 이루어진 관절각 센서부; 상기 발 압력 센서부 및 관절각 센서부에 의해 측정된 데이터를 이용하여, 데이터 베이스에 저장되어 있는 외골격 장치의 보행 단계 중 적어도 하나를 상기 외골격 장치의 보행 단계로 결정하기 위한 보행 데이터를 산출하는 보행데이터 산출부; 및 상기 산출된 보행 데이터를 기초로 상기 외골격 장치의 보행 단계를 결정하는 보행단계 결정부;를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 결정된 보행 단계에 따라 상기 외골격 장치를 구동시키는 제어 명령을 산출하는 제어명령 산출부; 및 상기 산출된 제어명령에 따라 상기 외골격 장치를 구동시키는 외골격 구동부;를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 보행데이터 산출부는, 상기 복수의 발 압력 센서에서 측정된 압력과 상기 착용자의 발 바닥에 대응되는 상기 복수의 발 압력 센서의 위치를 기초로, 상기 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치를 상기 보행 데이터로 산출할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 보행단계 결정부는, 상기 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치가 사전에 설정한 소정의 패턴에 따라 변경되고, 사전에 설정한 소정의 토크로 상기 외골격 장치의 슬관절 조인트를 구동시킬 때 사전에 설정한 소정의 각도 변화가 감지되면, 상기 착용자가 보행을 시작한 것으로 판단할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 보행 단계는, 상기 외골격 장치의 양쪽 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치 변화와 상기 외골격 장치의 양쪽 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각의 변화를 기초로 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 보행 추정 방법은, (a) 복수의 발 압력 센서 및 복수의 관절각 센서로 외골격 장치 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력 및 상기 착용자의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 측정하는 단계; (b) 상기 측정된 데이터를 이용하여, 데이터 베이스에 저장되어 있는 외골격 장치의 보행 단계 중 적어도 하나를 상기 외골격 장치의 보행 단계로 결정하기 위한 보행 데이터를 산출하는 단계; 및 (c) 상기 산출된 보행 데이터를 기초로 상기 외골격 장치의 보행 단계를 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, (d) 상기 결정된 보행 단계에 따라 상기 외골격 장치를 구동시키는 제어 명령을 산출하는 단계; 및 (e) 상기 산출된 제어명령에 따라 상기 외골격 장치를 구동시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 (b) 단계는, 상기 복수의 발 압력 센서에서 측정된 압력과 상기 착용자의 발 바닥에 대응되는 상기 복수의 발 압력 센서의 위치를 기초로, 상기 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치를 상기 보행 데이터로 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 (c) 단계는, 상기 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치가 사전에 설정한 소정의 패턴에 따라 변경되고, 사전에 설정한 소정의 토크로 상기 외골격 장치의 슬관절 조인트를 구동시킬 때 사전에 설정한 소정의 각도 변화가 감지되면, 상기 착용자가 보행을 시작한 것으로 판단하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 보행 단계는, 상기 외골격 장치의 양쪽 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치 변화와 상기 외골격 장치의 양쪽 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각의 변화를 기초로 설정될 수 있다.
본 발명에 의하면, 외골격 장치의 착용자는 각종 센서를 신체에 직접 부착할 필요가 없게 된다. 그 결과 착용자의 움직임에 따른 감지 신호의 신뢰성 저하, 착용자와 센서의 간섭, 센서 착용의 불편함과 같은 문제점이 해결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 보행 추정 장치는 외골격 장치의 보행 단계를 실시간으로 추정할 수 있다. 이에 따라, 착용자의 동작 간섭을 최소화하여 착용자에게 착용 전과 유사한 자연스러운 동작을 제공할 수 있다.
그리고, 착용자의 보행 시작 여부를 판단하여 착용자에게 미칠 수 있는 불필요한 하중을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 보행 추정 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2는 복수의 발 압력 센서의 일 실시 예를 나타낸 개념도이다.
도 3은 표 1의 실시 예에 따른 발 압력 중심 위치를 도시한 개념도이다.
도 4는 복수의 발 압력 센서의 배치 및 발 압력 중심의 위치를 보여주는 개념도이다.
도 5는 외골격 장치의 보행 단계의 일 실시 예를 도시한 개념도이다.
도 6은 도 1에 따른 보행 추정 장치에서 수행되는 보행 추정 방법을 보여주는 순서도이다.
도 7은 도 1에 따른 보행 추정 장치에서 수행되는 보행 시작 추정 방법을 보여주는 순서도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명에 따른 보행 추정 장치를 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 보행 추정 장치는 발 압력 센서부(200, 210), 관절각 센서부(100, 110, 120, 130, 140, 150), 보행데이터 산출부(30), 보행단계 결정부(20), 제어명령 산출부(10) 및 외골격 구동부(300, 310)를 포함한다.
발 압력 센서부(200, 210)는 외골격 장치 착용자(외골격 장치)의 발 바닥에 작용하는 압력을 측정할 수 있는 복수의 발 압력 센서를 포함한다. 복수의 발 압력 센서는 착용자(외골격 장치)의 발 바닥에 작용하는 압력(힘)의 위치 및 크기를 측정할 수 있다. 구체적인 사항은 도 2에서 서술한다.
관절각 센서부(100, 110, 120, 130, 140, 150)는 착용자(외골격 장치)의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 측정해주는 복수의 관절각 센서를 포함한다.
구체적으로, 대퇴관절각을 측정하는 대퇴관절각 센서(100, 130), 슬관절각을 측정하는 슬관절각 센서(110, 140) 및 족관절각을 측정하는 족관절각 센서(120, 150)를 포함한다.
보행데이터 산출부(30)는 발 압력 센서부(200, 210) 및 관절각 센서부(100, 110, 120, 130, 140, 150)에 의해 측정된 데이터로부터 보행 데이터를 산출한다.
구체적으로, 보행 데이터는 보행단계 결정부(20)에 위치하는 데이터 베이스에 저장되어 있는 외골격 장치의 보행 단계 중 적어도 하나를 외골격 장치의 보행 단계로 결정하기 위한 데이터를 의미한다. 앞서 설명한 바와 같이, 이러한 보행 데이터는 발 압력 센서부(200, 210) 및 관절각 센서부(100, 110, 120, 130, 140, 150)에 의해 측정된 데이터로부터 산출될 수 있다.
구체적으로, 보행데이터 산출부(30)는 각각의 센서에서 측정된 압력, 회전각, 각속도 등의 물리적인 값을 전기적인 신호로 변환하고, 각각의 신호에 포함된 노이즈(noise)를 제거하여 보행 데이터를 산출할 수 있다.
예를 들면, 복수의 발 압력 센서(200, 210)에서 측정된 압력과 착용자의 발 바닥에 대응되는 복수의 발 압력 센서(200, 210)의 위치를 기초로, 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치를 보행 데이터로 산출할 수 있다. 구체적인 사항은 후술한다.
보행단계 결정부(20)는 산출된 보행 데이터를 기초로 외골격 장치의 보행 단계를 결정한다. 구체적인 사항은 후술한다.
제어명령 산출부(10)는 결정된 보행 단계에 따라 외골격 장치의 조인트를 구동시킬 수 있는 제어 명령을 산출하고, 산출된 제어 명령을 외골격 구동부(300, 310)로 전송한다.
이에 따라, 외골격 구동부(300, 310)는 산출된 제어명령에 따라 외골격 장치를 구동시킨다. 예를 들면, 외골격 구동부(300, 310)는 조인트를 유압 또는 전동기로 작동시켜 외골격 장치의 양쪽 다리를 움직이게 할 수 있다.
도 2는 복수의 발 압력 센서(201, 202, 203, 204, 205, 211, 212, 213, 214, 215)의 일 실시 예를 나타낸 개념도이다.
도 2를 참조하면, 복수의 발 압력 센서(201, 202, 203, 204, 205, 211, 212, 213, 214, 215)는 착용자의 발에 작용하는 압력을 측정하기 위해 외골격 장치의 왼쪽 및 오른쪽 발에 각각 5개씩 배치될 수 있으며, 배치된 위치에서 감지되는 발의 압력을 측정할 수 있다. 이는 일 실시 예에 해당하는 것으로, 복수의 발 압력 센서의 위치 및 개수는 임의로 설정될 수 있다.
한편, 보행데이터 산출부(30)는 측정된 착용자의 발에 작용하는 압력, 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 기초로, 착용자의 발 뒤꿈치가 지면에 접촉하는지 여부나 발 앞쪽이 지면과 떨어지는지 여부를 보행 데이터로 산출할 수 있다.
이와 관련된 실시 예로, 보행데이터 산출부(30)는 착용자의 발 뒤꿈치 부분과 맞닿는 발 압력 센서(201, 211)의 측정값을 이용하여 착용자의 발 뒤꿈치가 지면에 닿는 시점을 결정할 수 있다.
또 다른 실시 예로, 보행데이터 산출부(30)는 착용자의 발 앞쪽과 맞닿는 발 압력 센서(205, 215)의 측정값을 이용하여 착용자의 발가락이 지면과 분리되는 시점을 결정할 수 있다.
또한 앞서 설명한 바와 같이, 보행데이터 산출부(30)는 착용자의 발에 작용하는 압력의 중심 위치를 산출할 수 있다.
구체적으로, 보행데이터 산출부(30)는 각각의 발 압력 센서(201, 202, 203, 204, 205, 211, 212, 213, 214, 215)에서 측정된 압력을 이용하여 발 압력 중심의 위치(Xcof, Ycof)를 다음의 수학식 1과 같이 산출할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, i는 총 M개의 수평축 발 센서를 지시하는 인덱스를 나타내고, j는 총 N개의 수직축 발 센서를 지시하는 인덱스를 나타내며, Fij는 수평축 i번째 및 수직축 j번째에 해당하는 발 센서로부터 측정된 힘(force)을 나타낸다.
이와 관련된 실시 예로, 다음의 표 1은 발 압력 센서(201, 202, 203, 204, 205)에서 측정된 측정 값(Fij)을 이용하여 산출된 발 압력 중심 위치(Xcof, Ycof)를 나타낸 것이다.
Figure pat00002
도 3은 표 1의 실시 예에 따른 발 압력 중심 위치를 도시한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 각각의 발 센서 인덱스와 발 압력 센서의 위치 관계를 확인할 수 있다. 이에 따라, 발 압력 중심의 위치는 수평축이 2.9이고 수직축이 3.7인 위치에 해당함을 확인할 수 있다.
도 4는 복수의 발 압력 센서의 배치 및 발 압력 중심의 위치를 보여주는 개념도이다.
도 4를 참조하면, 양쪽 발 각각에 대하여, 발가락 영역에 한 개의 발 압력 센서가 배치되고 발 바닥의 볼 영역에 두 개의 발 압력 센서가 배치되어 있음을 확인할 수 있다. 또한, 발 뒤꿈치 영역에는 한 개의 발 압력 센서가 배치되고, 발 바닥의 중앙 영역에는 발 압력 센서가 배치되지 않음을 확인할 수 있다.
그리고, 착용자의 발 압력 중심은 발의 볼 영역으로부터 발의 뒤꿈치 영역으로 점차 이동됨을 확인할 수 있다. 이러한 발 압력 중심 위치의 변화는 앞서 설명한 보행데이터로, 외골격 장치의 보행 단계를 결정하는데 사용된다.
한편, 도 4는 복수의 발 압력 센서 배치에 대한 일 실시 예로서, 본 발명에 따른 발 압력 센서는 착용자의 발 압력을 충분히 고려할 수 있도록 다양하게 배치될 수 있다.
도 5는 외골격 장치의 보행 단계의 일 실시 예를 도시한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 외골격 장치의 보행 단계는 외골격 장치의 양쪽 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치 변화와 외골격 장치의 양쪽 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각의 변화를 기초로 설정될 수 있다.
이와 같은 외골격 장치의 보행 단계는 8단계로 정의될 수 있다.
구체적으로, 외골격 장치의 뒷발(도 5에서 왼쪽 발)이 지면과 접촉 상태(뒷발의 압력이 일정 압력 이상인 상태)에서 전진하는 앞발(도 5에서 오른쪽 발)의 뒤꿈치가 지면과 접촉하는 순간, 즉 발 압력 센서(201)에서 소정의 크기 이상의 압력이 감지될 때를, 제1 보행 단계로 정의할 수 있다.
이때, 지지하고 있는 발의 압력은 전진하고 있는 발의 압력보다 커야하며, 지지하고 있는 발 압력의 중심은 발의 전방에 위치해야 한다.
그리고, 양쪽 발 압력 센서의 신호가 소정의 압력 이상을 유지하고 있는 상태에서, 지지하고 있는 발의 발가락 부분의 발 압력 센서의 압력이 영(zero)이 되고 전진하고 있는 발의 발 압력이 지지하고 있는 발의 압력보다 크며, 전진하고 있는 발의 압력 중심이 발 뒤꿈치에 위치하는 경우를, 제2 보행 단계로 정의할 수 있다.
이어지는 제3 보행 단계에서는, 제2 보행 단계에서 앞서고 있는 발(오른쪽 발)이 지면을 지지하는 뒤쪽 발로 변경된다. 구체적으로, 오른쪽 발의 압력이 소정의 값 이상이 되고 신체와 외골격 장치의 하중을 지지하고 있는 외골격 장치의 대퇴부와 외골격 장치의 정강이가 이루는 각도가 소정의 각도 범위의 오차를 가지며 일직선이 될 때를, 제3 보행 단계로 정의할 수 있다.
또한, 제1 보행 단계와 마찬가지로 외골격 장치의 지면을 지지하고 있는 오른쪽 발이 지면과 접촉되어 있는 상태(일정한 압력을 감지하고 있는 상태)에서, 발 압력 센서(211)에서 소정 크기 이상의 압력이 감지될 때를, 제4 보행 단계로 정의할 수 있다.
마찬가지로, 제2 보행 단계에서와 같이 양쪽 발의 압력 센서의 신호가 소정의 압력 이상을 유지하고 있는 경우, 제5 보행 단계로 정의할 수 있다.
이어서, 왼쪽의 발 압력 센서에서 지면과 소정의 압력이 감지되고 외골격 장치의 오른쪽 대퇴부와 정강이가 최대로 굴곡(flexion)될 때, 즉 외골격 장치의 오른쪽 슬관절각이 약 60도 정도로 굴절할 때를, 제6 보행 단계로 정의할 수 있다.
이어지는 제7 보행 단계는, 제3 보행 단계와 마찬가지로 왼쪽 발로만 지지하고 있고 외골격 장치의 대퇴부와 정강이부가 일직선을 이루며, 외골격 장치의 족관절이 지면과 90도를 유지하게 된다.
마지막으로, 제8 보행 단계는 제1 보행 단계와 마찬가지로 한 사이클이 완료된다.
결과적으로, 보행단계 결정부(20)는 산출된 보행 데이터를 기초로 외골격 장치의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각의 변화율, 대퇴관절, 슬관절 및 족관절의 관절 각속도, 착용자(외골격 장치)의 발에 작용하는 압력의 변화, 압력의 중심 위치의 변화 등을 산출하고, 이를 이용하여 외골격 장치의 보행 단계를 결정할 수 있다.
구체적으로, 보행단계 결정부(20)는 데이터 베이스에 저장되어 있는 보행 단계를 측정 및 산출된 보행 데이터와 비교하여, 8가지 보행 단계 중 현재 및 이어질 외골격 장치의 보행 단계를 선택할 수 있다.
도 6은 도 1에 따른 보행 추정 장치에서 수행되는 보행 추정 방법을 보여주는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 우선, 복수의 발 압력 센서(201, 202, 203, 204, 205)는 착용자(외골격 장치)의 발에 작용하는 압력을 측정한다(S610).
그리고, 대퇴관절각 센서(100, 130), 슬관절각 센서(110, 140) 및 족관절각 센서(120, 150)는 각각 착용자(외골격 장치)의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 측정한다(S610).
그 후, 보행데이터 산출부(30)는 앞서 측정된 값들을 수신하고 이를 전기적인 신호로 변환하여 보행 데이터를 산출한다(S620). 이때, 산출된 보행 데이터는 보행데이터 산출부(30)에 내장된 플래시 메모리에 저장될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 보행 데이터에는 착용자(외골격 장치)의 발에 작용하는 압력, 압력의 중심 위치, 대퇴관절각 및 대퇴관절의 각속도, 슬관절각 및 슬관절의 각속도, 족관절각 및 족관절의 각속도 등 및 이를 전기적 신호로 변환한 것이 포함될 수 있다.
또한, 보행 데이터에는 앞서 설명한 데이터의 변화율이 포함될 수 있다. 구체적으로, 착용자(외골격 장치)의 각 관절각의 변화율, 각 관절의 각속도 변화율, 발에 작용하는 압력 및 압력의 중심 위치 변화 등이 포함될 수 있다.
그 다음으로, 보행단계 결정부(20)는 보행데이터 산출부(30)에 내장된 플래시 메모리에 저장되어 있는 보행 데이터를 보행단계 결정부(20)에 위치한 데이터 베이스에 저장되어 있는 도 5의 보행 단계와 비교한다(S630).
즉, 보행단계 결정부(20)는 도 5의 보행 단계 ① 내지 ⑧(제1 보행 단계 내지 제8 보행 단계) 가운데 하나를 현재 외골격 장치의 보행 단계로 선택(S630)한 후 이를 코드화한 신호를 제어명령 산출부(10)로 전송한다(S630).
일 실시 예로, 현재 착용자의 보행 상태에서 우측 발 압력 센서(201)가 착용자의 우측 발 뒤꿈치가 지면에 닿는 것을 감지할 수 있다. 또한 좌측 발 압력 중심의 위치가 좌측 발 압력 센서(214, 215) 근처에서 산출될 수 있다.
그리고 우측 다리의 대퇴관절, 슬관절 및 족관절의 관절각과 관절각속도가 데이터 베이스에서 저장된 도 5의 보행 단계 ①(제1 보행 단계)에 해당하면, 보행단계 결정부(20)는 외골격 장치의 현재 보행 상태가 보행 단계 ①에 있다고 결정할 수 있다.
이에 따라, 보행단계 결정부(20)는 외골격 장치의 현재 보행 단계가 보행 단계 ①(제1 보행 단계)에 있음을 나타내는 신호를 디지털 데이터로 코드화하여 제어명령 산출부(10)로 전송할 수 있다.
또 다른 실시 예로, 보행단계 결정부(20)는 앞서 설명한 것과 동일한 방식으로, 외골격 장치가 보행 단계 ② 내지 ⑧(제2 보행 단계 내지 제8 보행 단계) 중 어느 하나의 단계에 있음을 결정할 수 있다.
그 후, 제어명령 산출부(10)는 결정된 외골격 장치의 보행 단계에 따라 외골격 장치의 조인트를 제어할 수 있는 제어 명령을 산출하고, 외골격 구동부(300, 310)는 산출된 제어 명령에 따라 조인트를 작동시킨다(S640).
일 실시 예로, 제어 명령은 다음 시점에 이어질 외골격 장치의 보행 단계에 대응하는 조인트의 작동 제어 명령을 포함할 수 있다.
이와 같은 과정에 따라, 본 발명에 따른 보행 추정 장치는 착용자의 움직임을 실시간으로 추종하여 외골격 장치를 자연스럽게 구동시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 보행 추정 장치는 착용자가 보행을 시작하였는지를 판단할 수 있다.
구체적으로, 보행단계 결정부(20)는 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치가 사전에 설정한 소정의 패턴에 따라 변경되고, 사전에 설정한 소정의 토크로 외골격 장치의 슬관절 조인트를 구동시킬 때 사전에 설정한 소정의 각도 변화가 감지되면, 착용자가 보행을 시작한 것으로 판단하게 된다.
이와 관련된 실시 예로, 도 7은 도 1에 따른 보행 추정 장치에서 수행되는 보행 시작 추정 방법을 보여주는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 우선, 보행데이터 산출부(30)는 발 압력 센서(201, 202, 203, 204, 205, 211, 212, 213, 214, 215)에서 측정되는 발 압력과 발 압력 중심의 변화를 모니터링한다(S710).
이어서, 소정의 압력 이상의 값이 감지된 발에서 발 압력의 중심이 발가락 방향으로 이동되는지 판단한다(S720).
이러한 소정의 패턴이 감지되면, 외골격 구동부(300, 310)는 사전에 설정한 소정의 토크로 외골격 장치의 슬관절 조인트를 구동시킨다(S730).
한편, 앞서 설명한 패턴이 감지되지 않으면, 다시 발 압력 및 발 압력 중심의 변화를 모니터링하는 단계(S710)로 되돌아 간다.
이어서 S730 단계 이후, 사전에 설정한 소정의 각도 변화가 슬관절 조인트에서 감지되는지 판단하는 단계(S740)가 진행된다.
그리고, 슬관절 조인트에 소정의 각도 변화가 감지되면 착용자가 보행을 시작한 것으로 판단하고 앞서 설명한 도 6의 보행 단계 추정 과정을 시작할 수 있다(S750).
한편, 앞서 설명한 각도 변화가 감지되지 않으면, S710 단계로 되돌아 간다.
또 다른 일 실시 예로, 외골격 작동부(300, 310)에 구비된 실린더에 작용하는 힘의 변화를 감지하여 착용자의 보행 시작을 판단할 수 있다.
이와 같이 정상 토크보다 미소한 소정의 토크를 인가하여(보행 시작에 필요한 토크의 일부만을 생성) 착용자의 보행 시작 여부를 판단하게 되면, 보행 시작에 대한 판단 오류 시 착용자의 신체에 미치는 하중을 감소시킬 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 의하면, 외골격 장치의 착용자는 각종 센서를 신체에 직접 부착할 필요가 없게 된다. 그 결과 착용자의 움직임에 따른 감지 신호의 신뢰성 저하, 착용자와 센서의 간섭, 센서 착용의 불편함과 같은 문제점이 해결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 보행 추정 장치는 외골격 장치의 보행 단계를 실시간으로 추정할 수 있다. 이에 따라, 착용자의 동작 간섭을 최소화하여 착용자에게 착용 전과 유사한 자연스러운 동작을 제공할 수 있다. 그리고, 착용자의 보행 시작 여부를 판단하여 착용자에게 미칠 수 있는 불필요한 하중을 감소시킬 수 있다.
상기와 같이 보행 추정 장치 및 방법은, 상기 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 외골격 장치 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력을 측정해주는 복수의 발 압력 센서로 이루어진 발 압력 센서부;
    상기 착용자의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 측정해주는 복수의 관절각 센서로 이루어진 관절각 센서부;
    상기 발 압력 센서부 및 관절각 센서부에 의해 측정된 데이터를 이용하여, 데이터 베이스에 저장되어 있는 외골격 장치의 보행 단계 중 적어도 하나를 상기 외골격 장치의 보행 단계로 결정하기 위한 보행 데이터를 산출하는 보행데이터 산출부; 및
    상기 산출된 보행 데이터를 기초로 상기 외골격 장치의 보행 단계를 결정하는 보행단계 결정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 결정된 보행 단계에 따라 상기 외골격 장치를 구동시키는 제어 명령을 산출하는 제어명령 산출부; 및
    상기 산출된 제어명령에 따라 상기 외골격 장치를 구동시키는 외골격 구동부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 보행데이터 산출부는,
    상기 복수의 발 압력 센서에서 측정된 압력과 상기 착용자의 발 바닥에 대응되는 상기 복수의 발 압력 센서의 위치를 기초로, 상기 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치를 상기 보행 데이터로 산출하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 보행단계 결정부는,
    상기 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치가 사전에 설정한 소정의 패턴에 따라 변경되고, 사전에 설정한 소정의 토크로 상기 외골격 장치의 슬관절 조인트를 구동시킬 때 사전에 설정한 소정의 각도 변화가 감지되면, 상기 착용자가 보행을 시작한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 보행 단계는,
    상기 외골격 장치의 양쪽 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치 변화와 상기 외골격 장치의 양쪽 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각의 변화를 기초로 설정되는 것을 특징으로 하는 보행 추정 장치.
  6. (a) 복수의 발 압력 센서 및 복수의 관절각 센서로 외골격 장치 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력 및 상기 착용자의 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각을 측정하는 단계;
    (b) 상기 측정된 데이터를 이용하여, 데이터 베이스에 저장되어 있는 외골격 장치의 보행 단계 중 적어도 하나를 상기 외골격 장치의 보행 단계로 결정하기 위한 보행 데이터를 산출하는 단계; 및
    (c) 상기 산출된 보행 데이터를 기초로 상기 외골격 장치의 보행 단계를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    (d) 상기 결정된 보행 단계에 따라 상기 외골격 장치를 구동시키는 제어 명령을 산출하는 단계; 및
    (e) 상기 산출된 제어명령에 따라 상기 외골격 장치를 구동시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 복수의 발 압력 센서에서 측정된 압력과 상기 착용자의 발 바닥에 대응되는 상기 복수의 발 압력 센서의 위치를 기초로, 상기 착용자의 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치를 상기 보행 데이터로 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치가 사전에 설정한 소정의 패턴에 따라 변경되고, 사전에 설정한 소정의 토크로 상기 외골격 장치의 슬관절 조인트를 구동시킬 때 사전에 설정한 소정의 각도 변화가 감지되면, 상기 착용자가 보행을 시작한 것으로 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보행 추정 방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 보행 단계는,
    상기 외골격 장치의 양쪽 발 바닥에 작용하는 압력의 중심 위치 변화와 상기 외골격 장치의 양쪽 대퇴관절각, 슬관절각 및 족관절각의 변화를 기초로 설정되는 것을 특징으로 하는 보행 추정 방법.
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