KR20150039386A - 보행 보조 장치 및 보행 보조 장치의 제어방법 - Google Patents

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KR20150039386A
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Abstract

착용자의 보행 패턴에서 기초하여 보행 보조가 필요한 보조 구간의 시작 시점과 종료 시점의 차이에 기초하여 보행 보조 시간을 산출하는 단계;와 보조 구간이 시작되면 보행 보조 시간 동안 토크를 생성하여 상기 착용자의 보행을 보조하는 단계;를 포함하는 보행 보조 장치의 제어 방법을 제공한다.

Description

보행 보조 장치 및 보행 보조 장치의 제어방법{WALKING ASSISTANCE DEVICE AND CONTROL METHOD OF WALKING ASSISTANCE DEVICE}
착용자의 보행을 보조하는 보행 보조 장치 및 보행 보조 장치의 제어방법에 관한 것이다.
인체를 보조하기 위한 인체 보조 장치의 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다. 인체 보조 장치는 군사, 산업, 재활, 복지 등의 다양한 목적으로 사용되고 있다.
특히, 보행 보조 장치는 물리 치료 또는 재활 훈련의 목적으로 개발되어 사용되었다. 여기서, 보행 보조 장치는 보행 보조부를 동작 시켜 착용자의 보행을 돕기 위한 장치이다.
아울러, 고령화 사회의 도래로 보행 보조 장치는 물리 치료 또는 재활 훈련의 목적뿐만 아니라, 근력이 쇠약해진 노인들의 거동을 보조하거나 근력을 증강시키기 위한 목적으로 사용도 증가하고 있다.
착용자의 보행 패턴에 따라서 보행 보조가 필요한 보조 구간에만 착용자의 보행을 보조하는 보행 보조 장치 및 보행 보조 장치의 제어방법을 제공한다.
일 양상에 따른 보행 보조 장치는 착용자의 보행을 보조하는 적어도 하나의 보행 보조부;와 착용자의 보행 패턴에 기초하여 보행 사이클에서 보행 보조가 필요한 보조 구간에서만 보행 보조부가 토크를 생성하도록 제어하는 제어부;를 포함한다.
여기서, 토크는 점진적으로 증가하였다가, 점진적으로 감소하는 패턴으로 생성될 수 있다.
또한, 보조 구간은 보행 사이클에서 상대적으로 높은 에너지가 소비되는 구간일 수 있다.
또한, 보조 구간은 하나의 발이 지면에 접촉하는 시점에서 힙 관절이 교차하는 시점인 체중 이동 구간, 및 다른 하나의 발이 지면에 접촉하는 시점에서 힙 관절이 교차하는 시점인 질량 이동 구간을 포함할 수 있다.
또한, 보행 사이클에서 보조 구간이 복수 개인 경우, 일부의 보조 구간에서 생성되는 토크의 패턴과 다른 일부의 보조 구간에서 생성되는 토크의 패턴이 상이할 수 있다.
한편, 제어부는 보행 패턴에서 보조 구간의 시작 시점과 종료 시점의 차이에 이용하여 보행 보조 시간을 산출하고, 보조 구간이 시작되면 산출된 보행 보조 시간 동안 보행 보조부가 토크를 생성하도록 제어할 수 있다.
또한, 보행 보조 장치는 착용자의 신체 활동을 수집하기 위한 상태 수집부;를 더 포함하고, 제어부는 수집된 신체 활동에 기초하여 착용자의 보행 패턴을 분석하는 패턴 분석 유닛;을 포함할 수 있다. 이때, 상태 수집부는 발의 압력 변화를 감지하는 압력 센서; 또는 보행 보조부의 회전과 관련된 정보를 수집하는 인코더 센서;를 포함할 수 있다.
또한, 제어부는 보행 패턴의 변화 추이에 기초하여 보행 보조 시간을 수정하는 추이 분석 유닛;을 포함할 수 있다.
또한, 제어부는 보행 보조 시간에 기초하여 보행 조부에서 생성할 토크의 패턴을 조정하는 토크 조절 유닛;을 포함할 수 있다.
일 양상에 따른 보행 보조 장치의 제어 방법은 착용자의 보행 패턴에서 보행 보조가 필요한 보조 구간의 시작 시점과 종료 시점의 차이에 이용하여 보행 보조 시간을 산출하는 단계;와 보조 구간이 시작되면, 보행 보조 시간 동안 토크를 생성하여 착용자의 보행을 보조하는 단계;를 포함한다.
이때, 보행 보조 장치의 제어 방법은 착용자의 신체 활동을 수집하는 단계;와 수집된 신체 활동에 기초하여 보행 패턴을 분석하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 보행을 보조하는 단계는 점진적으로 토크를 변화시킬 수 있다.
또한, 보행 보조 시간을 산출하는 단계는 보행 패턴의 변화 추이에 기초하여 산출된 보행 보조 시간을 수정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 보행을 보조하는 단계는 산출된 보행 보조 시간에 기초하여 토크의 패턴을 조절하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 보행을 보조하는 단계는 점진적으로 토크를 증가시키는 단계와 점진적으로 토크를 감소시키는 단계;를 포함할 수 있다.
한편, 보조 구간은 보조 구간은 하나의 발이 지면에 접촉하는 시점에서 힙 관절이 교차하는 시점인 체중 이동 구간, 및 다른 하나의 발이 지면에 접촉하는 시점에서 힙 관절이 교차하는 시점인 질량 이동 구간을 포함할 수 있다.
이때, 보행 보조 시간을 산출하는 단계는 체중 이동 구간의 시간 및 질량 동 구간의 시간을 산출하고, 보행을 보조하는 단계는 체중 이동 구간이 시작되면 체중 이동 구간의 시간 동안 토크를 생성하고, 질량 이동 구간이 시작되면 체중 이동 시간 동안 토크를 생성할 수 있다.
일 양상에 따르면, 착용자의 보행 패턴에 따라 보행의 보조가 필요한 보조 구간에서만 토크를 제공함으로써, 효율적으로 보행을 보조 할 수 있다.
아울러, 착용자의 신체 활동을 수집하여 보행 패턴을 분석하고, 분석된 보행 패턴에 따라서 보행 보조 시간을 산출하고, 산출된 보행 보조 시간 동안에만 착용자의 보행을 보조함으로써, 착용자의 이질감을 최소화 할 수 있다,
또한, 보행 패턴의 변화 추이를 기반으로 보행 보조 시간을 수정함으로써, 착용자의 속도 변화에 민첩하게 대응할 수 있다,
또한, 보행 사이클에서 보행 패턴에서 에너지가 많이 필요한 보조 구간에서만 토크를 제공함으로써, 배터리를 절약할 수 있다.
또한, 보행 보조를 위한 토크가 점진적으로 변화하도록 제어함으로써, 착용자의 이질감을 최소화 할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 사시도이다.
도 2은 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 제어 블록도이다.
도 3은 보행 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 4은 보행 패턴을 구체적으로 설명하기 위한 각 단계별 보행 자세를 연속적으로 도시한 도면이다.
도 5는 보행에서 필요한 에너지의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 6은 보행 패턴에서 보행 보조가 발생하는 보조 구간의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 보행 보조부에서 생성하는 토크의 일례 나타낸 그래프이다.
도 8은 보행 보조 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 실시예를 통하여 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다. 다만, 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어들은 실시예에서 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 착용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 통상의 기술자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
아울러, 본 명세서에서 선택적으로 기재된 양상이나 선택적으로 기재된 실시예의 구성들은 비록 도면에서 단일의 통합된 구성으로 도시되었다 하더라도 달리 기재가 없는 한 통상의 기술자에게 기술적으로 모순인 것이 명백하지 않다면 상호간에 자유롭게 조합될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 사시도이다.
도 1은 참조하면, 보행 보조 장치(1)는 본체(10), 허리 고정부(20), 다리 고정부(30), 관절부(40), 전달부재(50)를 포함한다.
본체(10)는 허리 고정부(20)의 일부에 마련되어 있다. 본체(10) 내부에는 보행 보조부, 배터리, 또는 보행 보조 장치(1)의 제어를 위하여 필요한 다양한 회로가 내장되어 있을 수 있다.
허리 고정부(20)는 착용자의 허리에 보행 보조 장치(1)를 고정한다. 이때, 허리 고정부(20)는 고정을 위한 부분을 가질 수 있다. 예를 들어, 허리 고정부(20)의 일단에는 벨트 형식의 조임 부분이 구비되어 있을 수 있다. 한편, 허리 고정부(20)는 고무와 같은 탄력성 있는 재질로 되어 있을 수 있다.
다리 고정부(30)는 착용자의 대퇴부에 보행 보조 장치(1)를 고정한다. 이때, 다리 고정부(30)는 고정을 위한 부분을 가질 수 있다. 예를 들어, 다리 고정부(30)의 일단에는 벨트 형식의 조임 부분이 구비되어 있을 수 있다. 한편, 다리 고정부(30)는 고무와 같은 탄력성 있는 재질로 되어 있을 수 있다. 다리 고정부(30)의 일면에는 연결부재(50)와 결합되기 위한 결합부(31)가 마련되어 있을 수 있다.
관절부(40)는 허리 고정부(20)의 일측에 마련되어 있다. 관절부(40)는 본체(10) 내부에 마련된 보행 보조부로부터 토크를 전달 받아 회전 가능한 구조일 수 있다. 이때, 관절부(40)는 복수 개일 수 있다. 한편, 관절부(40)의 일부분에는 전달부재(50)가 결합되어 있을 수 있다. 따라서, 관절부(40)가 회전하게 되면 전달부재(50)도 회전하게 된다.
전달 부재(50)의 일단은 관절부(40)와 결합되어 있으며, 다른 일단은 고정부(31)에 결합되어 있다. 따라서, 전달부재(50)는 관절부(40)가 회전하게 되면 같이 회전하게 되고, 전달 부재(50)가 회전함에 따라서 고정부(31)에 토크가 전달되어 다리 고정부(30)도 회전하게 된다.
다시 말하자면, 관절부(20)가 보행 보조부로부터 토크를 받아 회전하면 관절부(20)와 결합된 전달부재(50)와 다리 보조부(30)에도 토크가 전달된다. 따라서, 보행 보조부에서 생성된 토크가 착용자의 대퇴부에 전달되어 착용자의 보행을 보조하게 된다.
한편, 도 1에 보행 보조 장치(1)는 힙 관절만을 보조하는 것으로 도시되어 있으나, 무릎 관절 및 발목 관절을 보조하는 보조 보행 장치(1)에서도 적용될 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도 2 내지 도7을 참조하여, 보행 보조 장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 2은 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 제어 블록도이다.
도 3은 보행 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 4은 보행 패턴을 구체적으로 설명하기 위한 각 단계별 보행 자세를 연속적으로 도시한 도면이다.
도 5는 보행에서 필요한 에너지의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 6은 보행 패턴에서 보행 보조가 발생하는 보조 구간의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 보행 보조부에서 생성하는 토크의 일례 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 보행 보조 장치(1)는 보행 보조부(100), 배터리(200), 상태 수집부(300), 제어부(400)를 가진다.
보행 보조부(100)는 제어부(400)의 제어에 따라 토크를 생성하여 착용자의 보행을 보조한다. 이때, 보행 보조부(100)는 전기 모터, 유압 모터 등과 같은 엑츄에이터일 수 있다. 아울러, 토크는 점진적으로 증가하였다가, 점진적으로 감소하는 패턴일 수 있다.
한편, 보행 보조 장치(1)는 보행 보조부(100)를 복수 개 포함할 수 있다. 예를 들어, 보행 보조부(100)는 다리의 각 관절마다 구비되어 착용자의 보행을 보조할 수 있다.
배터리(200)는 보행 보조부(100)가 토크를 발생할 수 있도록 전기 에너지를 공급한다. 이때, 배터리(200)는 1차 전지일 수 있으면, 충전에 의해 재사용이 가능한 2차 전지일 수도 있다. 예를 들어, 배터리(200)는 리튬(Lithium) 건전지 일 수 있으며, 충전에 의한 재사용이 가능한 리튬 폴리머(Lithium Polymer Batteries) 전지일 수도 있다.
상태 수집부(300)는 착용자의 신체 활동을 수집한다. 이때, 신체 활동은 착용자의 보행 패턴과 관련된 다양한 신체 활동을 의미한다. 이하, 도 3 내지 도 4를 참조하여, 보행 사이클, 및 보행 패턴에 대하여 더 상세하게 설명한다.
보행은 일정한 주기성을 가진다. 더 구체적으로, 보행을 하는 경우 착용자는 동일한 순서로 일정한 신체 활동을 반복하게 되며, 한쪽 다리가 지면에 접촉한 이후 다시 지면에 접촉할 때까지를 보행 사이클이라고 하며, 착용자가 보행 사이클을 반복하면서 수집된 신체 활동으로부터 사용자의 보행 패턴을 수집할 수 있다.
도 3, 4를 참조하면, 보행 사이클은 기립상태에서 한쪽 다리의 뒤꿈치가 지면에 접촉하고 나서, 다시 한쪽 다리의 뒤꿈치가 지면에 접촉할 때까지를 말한다. 보행 사이클은 크게 발바닥이 지면에 접촉하고 있는 지에 따라 입각기(Stance Phase)와 유각기(Swing Phase)로 분류할 수 있다. 입각기는 발바닥이 지면과 접촉하고 있는 시기를 말하며 전체 보행의 약 60% 정도를 차지하고 있다. 유각기는 발바닥이 지면과 떨어져 있는 시점을 말하며 전체 보행의 약 40% 정도를 차지하고 있다.
입각기는 부하 반응기(Loading Response, S1), 중간 입각기(Mid Stance, S2), 최종 입각기(Terminal Stance, S3), 유각전기(Pre-Swing, S4)를 포함하며, 유각기는 초기 유각기(Initial Swing, S5), 중간 유각기(Mid Swing, S6), 최종 유각기(Terminal Swing, S7)를 포함한다.
보다 구체적으로 설명하면, A1과 같이 한쪽 다리의 발뒤꿈치가 지면에 처음으로 접촉되면 부하 반응기(S1)가 시작된다. 부하 반응기(S1)에서 한쪽 다리의 발바닥이 지면에 접촉하면서 체중은 전방으로 이동하게 된다. 이와 같은 체중 이동으로 인한 충격을 흡수하기 위하여 한쪽 다리의 무릎 관절은 약간 구부리게 된다. 아울러, 체중 이동에 따라 다른 한쪽 다리의 발은 지면에서 떨어지기 시작한다.
A2와 같이 다른 한쪽 다리의 발가락이 지면에서 떨어지면 부하 반응기(S1)가 종료되고, 중간 입각기(S2)가 시작된다. 중간 입각기(S2)에서는 신체의 무게 중심이 한쪽 다리의 발 중심을 지난다. 이때, 한쪽 다리의 힙 관절은 구부러진 상태에서 펴지는 상태로 변화하게 되며, 한쪽 다리의 발목 관절은 발등을 위쪽으로 끌어올리게 된다. 한편, 한쪽 다리의 힙 관절이 펴지면서 양 힙 관절이 교차가(Hip Joint Corss) 발생하게 되며, 한쪽 발뒤꿈치가 떨어지기 시작한다.
A3와 같이 한쪽 다리의 발뒤꿈치가 떨어지면 중간 입각기(S2)가 종료되고, 최종 입각기(S3)가 시작된다. 최종 입각기(S3)에서 한쪽 다리의 힙 관절과 한쪽 다리의 무릅 관절은 펴진 상태를 유지하게 되며, 다른 한쪽 다리의 발뒤꿈치가 바닥에 접촉할 준비를 한다.
A4와 같이 다른 한쪽 다리의 뒤꿈치가 지면에 접촉되면 최종 입각기(S3)가 종료하고, 유각전기(S4)가 시작된다. 유각전기(S4)에서는 한쪽 다리의 발가락이 지면에서 떨어지기 시작한다. 이때, 한쪽 다리의 힙 관절과 한쪽 무릅 관절은 점차 구부러지게 된다.
A5와 같이 한쪽 다리 발가락이 지면에서 떨어지면 유각전기(S4)가 종료되고, 초기 유각기(S5)가 시작된다. 초기 유각기(S5)에서는 한쪽 다리는 공중에서 스윙하게 된다. 이때, 다리의 스윙 속도는 점차 증가하게 된다. 한편, 초기 유각기(S5)에서 양 힙 관절의 교차(Hip Joint Corss)가 발생한다.
A6과 같이 양발이 인접하게 되면 초기 유각기(S5)가 종료되고, 중간 유각기(S6)가 시작된다. 중간 유각기(S6)는 감속을 위한 단계로 한쪽 다리의 힙 관절과 한쪽 무릎 관절이 신체의 중심선을 지나면서 점차 펴진다.
A7과 같이 경골(Tibia)이 수직이 되면 중간 유각기(S6)가 종료하고, 최종 유각기(S7)가 시작한다. 최종 유각기(S7)에서는 한쪽 다리의 발뒤꿈치가 다시 지면에 접촉할 준비를 한다. 이때, 한쪽 다리의 힙 관절은 약간 구부러진 상태를 유지하며, 한쪽 다리의 무릎 관절은 완전히 펴지게 된다.
A8과 같이 다시 한쪽 다리의 발뒤꿈치가 지면에 접촉되면 최종 유각기(S7)가 종료되고 다시 부하 반응기(S1)가 시작된다.
상술한 보행 사이클의 각 단계는 필수적으로 발생한다. 다만, 보행 사이클은 착용자의 보행에서 다소 상이해 질 수 있다. 예를 들면, 보행 사이클의 주기 또는 보행 사이클에 각 구간의 비율은 착용자의 보행 속도 및 보행 습관 등의 개인적인 요인에 의하여 다소 상이할 수 있다.
이와 같이 착용자의 개인적인 요인이 반영된 보행 사이클을 보행 패턴이라고 하며, 보행 패턴은 상술한 보행 사이클에 기반하여 수집된 구제적이고 개별적인 신체 활동에 의하여 생성될 수 있다. 따라서, 보행 패턴은 보행 사이클이 진행됨에 따라 상이해질 수 있으며, 착용자마다 상이해 질 수 있다.
구제적이고 개별적으로 발생하는 신체 활동을 수집하여 생성된 보행 패턴을 기반으로 착용자의 보행을 보조함으로써, 보행 보조의 효율성을 높이고 착용자의 이질감을 최소화할 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 상태 수집부(300)는 보행 패턴을 분석하기 위한 착용자의 신체 활동을 수집한다. 즉, 상태 수집부(300)는 양 발과 지면의 접촉, 또는 힙 관절의 교차와 같이 보행 사이클에서 발생하는 신체 활동을 수집하게 된다. 이와 같이 수집된 신체 활동은 보행 패턴을 분석하기 위하여 사용된다.
또한, 상태 수집부(300)는 압력 센서(310)를 포함할 수 있다. 여기서, 압력 센서(310)는 양 발의 압력 변화를 감지하는 센서를 말하다. 더 구체적으로, 상태 수집부(300)는 복수 개의 압력 센서(310)를 포함할 수 있다. 이때, 압력 센서(310)는 발의 앞뒤에 위치할 수 있다. 압력 센서(310)를 통해 감지된 압력의 변화는 발가락 및 발뒤꿈치와 지면의 접촉, 또는 이격 등의 신체 활동에 관한 정보를 수집할 수 있다.
또한, 상태 수집부(300)는 인코더 센서(320)를 포함할 수 있다. 이때, 인코더 센서(320)는 보행 보조부(100)의 회전각도 또는 회전 속도를 측정할 수 있다. 더 구체적으로, 인코더 센서(320)는 보행 보조부(100)의 회전각도 또는 회전 속도를 측정하여 관절이 구부러진 각도, 양쪽 관절의 교차 등과 같은 신체 활동에 관한 정보를 수집할 수 있다.
제어부(400)는 보행 패턴에 기초하여 보행 보조부(100)의 보행 보조를 제어한다. 더 구체적으로, 제어부(400)는 착용자의 보행 패턴에 기초하여 보행 사이클에서 보조 구간에서만 보행 보조부(100)가 토크를 생성하도록 제어한다.
여기서, 보조 구간은 보행 있어서 보행의 보조가 필요한 구간이다. 더 구체적으로, 보조 구간은 보행 사이클에 있어서 상대적으로 많은 에너지가 소비되는 구간이다. 이하, 도 4 내지 6을 참조하여 보조 구간에 대하여 상세히 설명한다.
도 4, 5, 6을 참조하면, 한쪽 다리의 발뒤꿈치가 지면에 접촉하여 부하 반응기(S1)가 시작되면, 부하 반응기(S1) 에서 중간 입각기(S2)의 힙 관절이 교차하는 시점까지 한쪽 다리에는 체중을 진행방향으로 이동시키기 위한 에너지가 필요하게 된다.
이후, 힙 관절이 교차하는 시점 이후에는 한쪽 다리의 제동을 위하여 반대 방향으로 에너지가 소비된다.
한편, 다른 한쪽 다리의 발뒤꿈치가 지면에 접촉되면 유각전기(S4)가 시작되면, 진행방향으로 한쪽 다리를 스윙하게 된다. 이때, 한쪽 다리의 스윙이 시작되는 유각전기(S4)에서 힙 관절이 교차할 때까지는 다리의 스윙시키기 위한 에너지가 필요하게 된다.
힙 관절이 교차하는 시점 이후에는 한쪽 다리의 스윙을 제동하기 위하여 반대반향으로 에너지 다소 소비된다.
따라서, 체중의 이동이 발생하는 체중 이동 구간(P1) 및 다리의 질량 이동이 발생하는 질량 이동 구간(P2)과 같이 보행 사이클에서 상대적으로 에너지가 많이 소비되는 구간을 보조 구간으로 설정할 수 있다. 여기서, 체중 이동 구간 (P1)은 한쪽 다리의 발뒤꿈치가 지면에 접촉하는 시점부터 힙 관절이 교차하는 시점으로, 한쪽 다리에서 체중일 이동시키기 위한 에너지가 필요한 구간을 말한다. 또, 질량 이동 구간(P2) 다른 한쪽 다리의 발뒤꿈치가 지면에 접촉하는 시점부터 힙 관절이 교차하는 시점으로, 한쪽 다리가 진행 방향으로 스윙하기 위한 에너지가 필요한 구간을 말한다.
이하, 보조 구간은 체중 이동 구간(P1) 및 질량 이동 구간(P2)인 것으로 설명한다. 다만, 체중 이동 구간(P1) 및 질량 이동 구간(P2)은 보행의 보조가 필요한 구간의 대표적인 일례로, 보조 구간을 체중 이동 구간(P1) 또는 질량 이동 구간(P2)으로 제한하여 해석하여서는 아니 되며, 보조 구간은 보행 패턴에서 비교적 많은 에너지가 소비되어 보행 보조 장치가 토크를 생성할 필요가 있는 구간을 모두 포함하는 것으로 해석하여야 한다.
이와 같이 착용자의 보행 패턴에 따라서 보조 구간의 시간을 결정함으로써, 보행 보조 장치는 착용자의 이질감을 최소화할 수 있다. 또한, 보행 보조 장치는 착용자의 보행 속도가 변화하여 보조 구간의 시간이 변화하는 경우에도 적절하게 보행을 보조할 수 있다. 아울러, 보행에 있어서 비교적 에너지 소비가 많은 보조 구간에서만 보행을 보조 함으로써, 배터리(200)의 소비를 최소화 할 수 있다.
더 구체적으로, 제어부(400)는 보조 구간이 시작되면, 보행 보조 시간 동안 보행 보조부(100)가 토크를 생성하도록 제어 한다. 이때, 보행 보조 시간은 보행 패턴에서 보조 구간의 시작 시점과 보조 구간의 종료 시점의 차이 값을 이용하여 산출할 수 있다.
예를 들어, 제어부(400)는 한쪽 다리의 뒤꿈치가 지면에 접촉한 시점의 시점과 힙 관절이 교차한 시점의 시점의 시간 차를 이용하여 체중 이동 구간(P1)의 보행 보조 시간을 산출할 수 있으며, 다른 한쪽 다리의 뒤꿈치가 지면에 접촉한 시점의 시점과 힙 관절이 교차한 시점의 시간 차를 이용하여 질량 이동 구간(P2)의 보행 보조 시간을 산출할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 보행 수집부(300)에서 수집된 신체 활동을 기반으로 보조 구간의 시작을 감지하고, 보조 구간의 시작이 감지되면 산출된 보행 보조 시간 동안 토크를 생성할 수 있다.
한편, 제어부(400)는 보행 패턴 분석 유닛(410)을 포함할 수 있다. 이때, 보행 패턴 분석 유닛(410)은 상태 수집부(300)에서 수집된 신체 활동을 기반으로 착용자의 보행 패턴을 분석한다. 더 구체적으로, 보행 패턴 분석 유닛(410)은 상태 수집부(300)에서 실시간으로 수집된 신체 활동을 보행 사이클에 매칭하여, 착용자의 보행 패턴을 분석할 수 있다.
이와 같이 실시간으로 착용자의 보행 패턴을 분석하고 이에 따라 착용자의 보행을 보조함으로써, 보행 보조 장치는 착용자의 보행 습관의 변화 또는 보행 속도의 변화가 있더라도 적절하게 착용자의 보행을 보조할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 추이 분석 유닛(420)을 포함할 수 있다. 여기서, 추이 분석 유닛(420)은 착용자의 보행 패턴의 변화 추이에 기초하여 보행 보조 시간을 수정한다. 한편, 보행 패턴의 변화 추이를 분석하기 위하여, 추이 분석 유닛(420)은 복수 개의 보행 패턴들의 상관 관계를 분석할 수 있다.
예를 들어, 착용자의 최근 보행 패턴이 점점 짧아지는 경우(보행 사이클의 주기가 짧아지는 경우) 착용자가 가속하고 있는 것으로 예상하고, 추이 분석 유닛(420)은 산출된 보행 보조 시간을 더 짧게 수정할 수 있다. 또, 최근 보행 패턴이 점점 길어지는 경우(보행 사이클의 주기가 길어지는 경우) 착용자가 감속하고 있는 것으로 예상하고, 추이 분석 유닛(420)은 산출된 보행 보조 시간을 더 길게 수정할 수 있다.
이와 같이 착용자의 보행 패턴의 변화 추이에 따라 보행 보조 시간을 수정함으로써, 보행 속도에 변화
또한, 제어부(400)는 토크 조절 유닛(430)을 포함할 수 있다. 여기서, 토크 조절 유닛(430)은 보행 보조부(100)에서 생성할 토크 패턴을 조절한다. 이때, 토크의 패턴은 점진적으로 증가하였다가, 점진적으로 감소하는 패턴일 수 있다. 예를 들어, 토크 패턴은 도 5에 도시된 것과 같이 토크 생성 시간 동안 필요한 에너지의 패턴과 동일 또는 유사한 형태일 수도 있으며, 도 7에 도시된 것과 같이 사다리꼴, 또는 정현파 등과 같은 형태로 미리 설정될 수도 있다.
더 구체적으로, 토크 조절 유닛(430)은 산출된 보행 보조 시간 동안에만 보행 보조부(100)가 보행을 보조하도록 토크 패턴을 조절한다. 이때, 토크 패턴은 다양한 기준에 의하여 조절될 수 있다. 예를 들어, 산출된 보행 보조 시간 동안 생성되는 토크의 총 합을 기준으로 패턴을 조절할 수 있다. 또, 보조 구간에서 생성되는 토크의 최대값을 기준으로 토크의 증가율과 감소율을 변경하여 생성되는 토크의 패턴을 조절할 수도 있다.
도 7을 참조하여 예를 들면, 사다리꼴 형상의 패턴으로 체중 이동 구간(P1)의 보행 보조 시간 동안에는 생성되는 총 토크의 합이 A, 질량 이동 구간(P2)의 보행 보조 시간 동안에는 생성되는 총 토크의 합이 B인 경우, 토크 조절 유닛(430)은 도 7(a)에 도시된 것과 같이 기 설정된 사다리꼴 형태로 따라 기 설정된 총 토크가 공급될 수 있도록 토크의 생성 패턴을 조절할 수 있다.
또한, 정현파 형태로 체중 이동 구간(P1)의 보행 보조 시간 동안에는 최대 토크가 a, 질량 이동 구간(P2)의 보행 보조 시간 동안에는 최대 토크가 b가 생성되어야 하는 경우, 토크 조절 유닛(430)은 도 7(b)에 도시된 것과 같이 토크의 증가율과 감소율을 변경하여 각 보행 보조 시간에서 최대 토크가 생성되도록 토크의 생성 패턴을 조절할 수 있다.
한편, 토크의 패턴은 보조 구간이 복수 개인 경우 각 보조 구간에서 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 체중 이동 구간(P1)에서는 사다리꼴과 같은 형상의 패턴에 따라 토크를 생성하고, 질량 이동 구간(P2)에서는 정현파와 같은 형상 패턴에 따라 토크를 생성할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 보행 보조 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8을 참조하면, S101 단계에서 보행을 하면서 발생하는 착용자의 신체 활동이 수집된다. 여기서, 신체 활동이란 보행 사이클에서 발생하는 발과 지면의 접촉, 힙 관절의 교차, 보행 사이클의 주기 등과 같은 신체적인 변화를 말한다.
예를 들어, S101 단계에서는 착용자의 발의 압력 변화를 감지하여 지면과 발의 접촉 등의 신체 활동 또는 보행 보조부의 회전각을 기반으로 힙 관절의 교차와 같은 신체 활동을 수집할 수 있다.
S103단계에서 수집된 신체 활동을 기반으로 보행 패턴이 분석될 수 있다. 더 구체적으로, S101단계에서 수집된 신체 활동과 각 신체 활동이 발생한 시점을 보행 사이클에 매칭하여 착용자의 보행 패턴을 분석할 수 있다.
S105단계에서 분석된 보행 패턴에 따라 보행 보조 시간이 산출된다. 더 구체적으로, 보행 보조 시간은 보행 패턴에서 보조 구간의 시작 시점과 종료 시점의 차이를 이용하여 산출될 수 있다.
예를 들어, 한쪽 다리의 뒤꿈치가 지면에 접촉한 시점과 힙 관절이 교차한 시점의 시간 차를 이용하여 체중 이동 구간(P1)의 보행 보조 시간이 산출될 수 있으며, 다른 한쪽 다리의 뒤꿈치가 지면에 접촉한 시점과 힙 관절이 교차한 시점의 시간 차를 이용하여 질량 이동 구간(P2)의 보행 보조 시간이 산출될 수 있다.
이와 같이 실시간으로 착용자의 보행 패턴을 분석하고 이에 따라 착용자의 보행을 보조함으로써, 보행 보조 장치는 착용자의 보행 습관의 변화 또는 보행 속도의 변화가 있더라도 적절하게 착용자의 보행을 보조할 수 있다.
S107단계에서 보행 패턴의 변화 추이에 따라 산출된 보행 보조 시간을 수정할 수도 있다. 더 구체적으로, 최근 수집된 복수 개의 보행 패턴들 간의 상관 관계를 분석하여 보행 패턴이 일정한 변화 추이를 보이는 경우, 변화 추이를 반영하여 산출된 보행 보조 시간이 길이를 수정될 수 있다. 이와 같이, 복수 개의 보행 패턴의 변화 추이에 따라 보행 보조 시간을 수정함으로써, 착용자의 보행 속도 변화를 예측하여 보행을 보조할 수 있다.
S109단계에서 보행 보조 시간 동안 생성될 토크의 패턴이 조절될 수 있다. 이하, 도 7(b) 및 [수학식 1]을 참조하여 토크의 패턴 조절의 일례를 설명한다.
Figure pat00001
[수학식 1]는 시간에 따라 점진적으로 변화하는 토크의 패턴을 나타낸 것이다. 여기서, τ 는 각 시간에 따라 발생하는 토크의 크기이고, K는 최대 토크의 크기이고, ω토크의 증가율과 감소율을 변경하기 위한 변수이고, t는 시간의 변화를 나타내는 변수이다.
보조 구간에서 생성되는 토크는 [수학식 1]에 도시된 것과 같이 정현파 패턴일 수 있다. 따라서, 시간(t)이 흐름에 따라 토크의 크기는 점진적으로 증가하였다가 최대값에 도달한 이후 점진적으로 감소할 수 있다.
보행 보조 시간 동안 0인 토크가 점진적으로 증가하여 최대값(K)의 크기에 도달하였다가, 점진적으로 감소하여 구간이 종료되면 0이 되도록 ω값이 조정된다. 따라서, 구간의 길이가 짧아지면 토크의 패턴은 더 첨예해지고, 구간의 길이가 길어지면 토크의 패턴은 더 완만해진다.
S111단계에서, 보조 구간의 시작이 감지되면, 보행 보조 시간 동안 조정된 토크의 패턴에 따라 토크가 생성된다. 이때, 토크의 패턴은 점진적으로 증가하였다가 점진적으로 감소하는 형태일 수 있다.
10: 본체
20: 허리 고정부
30: 다리 고정부
40: 관절부
50: 전달부재
100: 보행 보조부
200: 배터리
300: 상태 수집부
400: 제어부

Claims (19)

  1. 착용자의 보행을 보조하는 적어도 하나의 보행 보조부; 및
    상기 착용자의 보행 패턴에 기초하여 보행 사이클에서 보행 보조가 필요한 보조 구간에서만 상기 보행 보조부가 토크를 생성하도록 제어하는 제어부;
    를 포함하는 보행 보조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 보행 패턴에서 상기 보조 구간의 시작 시점과 종료 시점의 차이에 이용하여 보행 보조 시간을 산출하고, 상기 보조 구간이 시작되면 상기 산출된 보행 보조 시간 동안 상기 보행 보조부가 토크를 생성하도록 제어하는 보행 보조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 토크는 점진적으로 증가하였다가, 점진적으로 감소하는 패턴으로 생성되는 보행 보조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보조 구간은 보행 사이클에서 상대적으로 높은 에너지가 소비되는 구간인 보행 보조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보조 구간은 하나의 발이 지면에 접촉하는 시점에서 힙 관절이 교차하는 시점인 체중 이동 구간, 및 다른 하나의 발이 지면에 접촉하는 시점에서 힙 관절이 교차하는 시점인 질량 이동 구간을 포함하는 보행 보조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 보행 사이클에서 상기 보조 구간이 복수 개인 경우, 일부의 보조 구간에서 생성되는 토크의 패턴과 다른 일부의 보조 구간에서 생성되는 토크의 패턴이 상이한 보행 보조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 착용자의 신체 활동을 수집하기 위한 상태 수집부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 수집된 신체 활동에 기초하여 상기 착용자의 보행 패턴을 분석하는 패턴 분석 유닛;을 포함하는 보행 보조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 상태 수집부는 발의 압력 변화를 감지하는 압력 센서;를 포함하는 보행 보조 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 상태 수집부는 보행 보조부의 회전과 관련된 정보를 수집하는 인코더 센서;를 포함하는 보행 보조 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 보행 패턴의 변화 추이에 기초하여 상기 보행 보조 시간을 수정하는 추이 분석 유닛;을 포함하는 보행 보조 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 보행 보조 시간에 기초하여 상기 보행 보조부에서 생성할 토크의 패턴을 조정하는 토크 조절 유닛;을 포함하는 보행 보조 장치.
  12. 착용자의 보행 패턴에서 보행 보조가 필요한 보조 구간의 시작 시점과 종료 시점의 차이에 이용하여 보행 보조 시간을 산출하는 단계; 및
    상기 보조 구간이 시작되면, 상기 보행 보조 시간 동안 토크를 생성하여 상기 착용자의 보행을 보조하는 단계;
    를 포함하는 보행 보조 장치의 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 착용자의 신체 활동을 수집하는 단계; 및
    상기 수집된 신체 활동에 기초하여 상기 보행 패턴을 분석하는 단계;를 더 포함하는 보행 보조 장치의 제어 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 보행을 보조하는 단계는 점진적으로 상기 토크를 변화시키는 보행 보조 장치의 제어 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 보행 보조 시간을 산출하는 단계는 상기 보행 패턴의 변화 추이에 기초하여 상기 산출된 보행 보조 시간을 수정하는 단계;를 더 포함하는 보행 보조 장치의 제어 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 보행을 보조하는 단계는 상기 산출된 보행 보조 시간에 기초하여 상기 토크의 패턴을 조절하는 단계;를 더 포함하는 보행 보조 장치의 제어 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 보행을 보조하는 단계는 점진적으로 상기 토크를 증가시키는 단계와 점진적으로 상기 토크를 감소시키는 단계;를 더 포함하는 보행 보조 장치의 제어 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 보조 구간은 상기 보조 구간은 하나의 발이 지면에 접촉하는 시점에서 힙 관절이 교차하는 시점인 체중 이동 구간, 및 다른 하나의 발이 지면에 접촉하는 시점에서 힙 관절이 교차하는 시점인 질량 이동 구간을 포함하는 보행 보조 장치의 제어 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 보행 보조 시간을 산출하는 단계는 상기 체중 이동 구간의 시간 및 상기 질량 동 구간의 시간을 산출하고,
    상기 보행을 보조하는 단계는 상기 체중 이동 구간이 시작되면 상기 체중 이동 구간의 시간 동안 토크를 생성하고, 상기 질량 이동 구간이 시작되면 상기 체중 이동 시간 동안 토크를 생성하는 보행 보조 장치의 제어 방법.
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