KR20150057361A - 근력 보조 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시 예에 따른 근력 보조 장치는 착용자의 신체 부위를 감싸는 착용부, 상기 착용부를 일방향 또는 양방향으로 당기는 조임부 및 상기 착용부가 위치한 부위에 근육 수축이 발생하는 것으로 판단되면 상기 조임부를 구동시켜 상기 착용부가 위치한 부분을 조이는 제어부를 포함한다.

Description

근력 보조 장치 및 그 제어 방법{Apparatus for assisting a muscular strength and method for controlling the same}
근력 보조 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 근육 수축 시 근육이 받는 힘을 보조하는 근력 보조 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 건강한 사람이라면 간단히 행할 수 있는 동작(예를 들면, 보행 등과 같은 동작)이라도 신체 장애자 또는 근력이 쇠약한 노약자는 이를 행하기가 쉽지 않다. 따라서, 최근에는 신체 장애자 또는 노약자 등을 대상으로 이러한 동작을 보조하기 위한 다양한 근력 보조 장치에 관한 기술 개발이 진행되고 있다.
종래의 근력 보조 장치는 사용자의 상지 관절 또는 하지 관절에 액추에이터(actuator)를 장착하여 근력을 보조해주는 착용형 로봇 형태가 대부분이다.
착용 부위 제한 없이 원하는 부위에 용이하게 착용할 수 있는 근력 보조 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
근육이 받는 힘을 분산시키고, 근피로도를 줄여 근지구력을 늘릴 수 있는 근력 보조 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 근력 보조 장치는 착용자의 신체 부위를 감싸는 착용부, 상기 착용부를 일방향 또는 양방향으로 당기는 조임부 및 상기 착용부가 위치한 부위에 근육 수축이 발생하는 것으로 판단되면 상기 조임부를 구동시켜 상기 착용부가 위치한 부분을 조이는 제어부를 포함한다.
또한, 일 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 제어 방법은 상기 착용자의 신체 부위를 감싼 착용부가 위치한 부위에 근육 수축이 발생했는지를 판단하는 단계 및 근육 수축이 발생한 것으로 판단되면, 상기 착용부를 일방향 또는 양방향으로 당기는 조임부를 구동시켜 상기 착용부가 위치한 부위를 조이는 단계를 포함한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 외관을 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 조작부 구현 예를 도시한 도면이다.
도 4는 제1 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 각 구성을 도시한 블럭도이다.
도 5는 제어부의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 6은 제2 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 각 구성을 도시한 블럭도이다.
도 7은 제3 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 각 구성을 도시한 블럭도이다.
도 8은 근육 수축 원리를 도시한 개념도이다.
도 9는 제1 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 제어 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 10은 제2 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 제어 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 근력 보조 장치 및 그 제어 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 외관을 도시한 도면이고, 도 2는 다른 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 외관을 도시한 도면이며, 도 3은 일 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 조작부 구현 예를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 근력 보조 장치(100)는 몸체부(110), 착용부(120), 고정부(130) 및 조임부(140)를 포함할 수 있다.
몸체부(110)는 후술될 착용부(120)가 연결 및 고정되는 구성으로, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 몸체부(110)의 일측 및 타측에 착용부(120)의 일단 및 타단이 각각 연결될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 몸체부(110) 일측에는 착용부(120)의 일단을 고정하기 위한 고정부(130)가 마련될 수 있고, 타측에는 착용부(120) 타단을 당기기 위한 조임부(140)가 마련될 수도 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 착용부(120)를 양방향으로 당길 수 있도록 몸체부(110) 양측에 조임부(140)가 마련될 수도 있다.
또한, 몸체부(110)에는 근력 보조 장치(100)의 동작 상태 또는 착용자에 의해 조작되는 상태를 표시하고, 착용자로부터 명령을 입력받기 위한 조작부(150) 및 근력 보조 장치(100)의 전반적인 동작을 제어하는 제어부(170)가 마련될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
착용부(120)는 착용자의 신체 부위를 감싸는 구성이다. 본 실시 예에서는 착용부(120)로 벨트 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
착용부(120)는 도 1에 도시한 바와 같이 몸체부(110)의 일측으로부터 타측으로 끊어짐 없이 이어진 구조로 구현될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 도 2에 도시한 바와 같이 몸체부(110)의 일측에 연결된 제1착용부(120A)와 몸체부(110)의 타측에 연결된 제2착용부(120B) 및 제1착용부(120A)와 제2착용부(120B)를 체결하기 위한 체결부재(120C)를 포함하는 구조로 구현되는 것 역시 가능하다. 이때, 체결부재(120C) 형태가 도 2와 같은 형태로만 구현될 수 있는 것은 아니며, 공지된 다양한 체결 구조는 어떤 것이든 사용 가능할 것이다.
착용부(120)가 도 1에 도시한 구조와 같이 구현되는 경우 근력 보조 장치(100)는 착용자의 신체 부위에 끼워지는 방식으로 착용될 수 있고, 착용부(120)가 도 2에 도시한 구조와 같이 구현되는 경우 근력 보조 장치(100)는 착용자의 신체 부위에 체결되는 방식으로 착용될 수 있다.
또한, 착용부(120)는 탄성을 갖지 않는 재질로 이루어질 수도 있고 또는, 일정 탄성을 갖는 재질로 이루어질 수도 있으며 그 재질에 있어서 특별히 제한되는 것은 아니다.
또한, 착용부(120)의 일단은 몸체부(110) 일측에 마련된 고정부(130)와 연결되어 회전 방향으로는 자유도를 갖되 당겨지는 방향으로는 고정된 상태일 수 있고, 착용부(120)의 타단은 몸체부(110) 타측에 마련된 조임부(140)와 연결되어 당겨질 수 있는 상태일 수 있다. 즉, 착용부(120)는 몸체부(110)의 한 쪽으로만 당겨질 수 있는 구조로 몸체부(110)에 연결될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 착용부(120)는 몸체부(110)의 양쪽으로 당겨질 수 있는 구조로 몸체부(110)에 연결될 수도 있다.
즉, 착용부(120)의 일단은 몸체부(110)의 일측에 마련된 고정부(130)에 연결되어 고정된 상태를 유지하고, 착용부(120)의 타단은 몸체부(110) 타측에 마련된 조임부(140)에 연결되어 조임부(140)의 회전에 따라 조임부(140)에 감겨 당겨지게 된다. 이에 따라, 착용부(120)는 위치한 부위의 근육을 조일 수 있다.
고정부(130)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 몸체부(110)의 일측에 마련될 수 있으며, 착용부(120) 일단을 몸체부(110)에 연결시키되 당겨지지는 않도록 고정하기 위한 구성이다. 도 1 및 도 2에 구체적으로 도시하지는 않았으나, 일 예로 고정부(130)는 힌지(hinge) 구조로 구현될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 이에 따라, 착용부(120) 일단은 고정부(130)에 대하여 회전은 가능하고, 수평 방향 또는 수직 방향으로는 이동하지 않도록 고정된 상태를 유지할 수 있다.
조임부(140)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 몸체부(110)의 타측에 마련될 수 있으며, 착용부(120) 타단을 몸체부(110)와 연결시키는 동시에 당겨질 수 있도록 하는 구동으로, 착용부(120)가 위치한 부위의 근육을 조일 수 있도록 하는 구성이다.
본 실시 예에서는 조임부(140)로 모터가 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이, 조임부(140)로 모터가 사용되는 경우 조임부(140)의 회전에 따라 착용부(120) 타단부터 조임부(140)에 감김으로써 당겨지게 되어 결과적으로 착용부(120)가 착용자의 신체 부위를 조일 수 있게 된다.
또한, 본 실시 예에 따른 근력 보조 장치(100)는 몸체부(110)에 마련된 조작부(150)를 더 포함할 수 있다. 조작부(150)는 장치의 동작 상태를 표시하고 착용자로부터 명령을 입력받을 수 있는 구성으로, 예를 들어, 도 3에 도시한 바와 같이 장치의 동작 상태 또는 착용자에 의해 조작되는 상태 등을 표시하기 위한 디스플레이(151) 및 착용자로부터 명령을 입력받기 위한 복수의 입력수단(153)을 포함할 수 있다.
본 실시 예에서 디스플레이(151)로는 예로써, LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light Emitting Diodes), PDP(Plasma Display Panel), 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 실시 예에 따른 디스플레이(151)는 착용자로부터 명령을 입력받을 수 있는 터치 스크린 형태로 구현될 수도 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
입력수단(153)은 착용자로부터 명령을 입력받기 위한 수단으로, 버튼 등과 같은 형태로 마련될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 3에서는 세 개의 입력수단(153)이 마련된 것으로 도시하고 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 마련될 수 있는 입력수단(153)의 개수가 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시 예에서 세 개의 입력수단(153)은 각각 전원 온/오프 버튼(153A), 설정 버튼(153B) 및 모드 선택 버튼(153C)을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 각각의 입력수단(153)에 대해서는 이후 근력 보조 장치의 구성에서 상세히 설명할 것이다.
이상, 일 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 외관에 관하여 설명하였다. 상술한 바와 같이 본 실시 예에 따른 근력 보조 장치는 기존의 착용형 보조 장치처럼 조인트에 힘을 가하여 근력을 보조하는 것이 아니라 근육을 조임으로써 근육이 받는 힘을 분산시키는 방식으로 근력을 보조하므로, 기존의 착용형 보조 장치에 비해 큰 힘을 보조하기는 어려우나 보조가 필요한 부위에는 어디든 제한 없이 착용할 수 있다.
즉, 조인트에 힘을 가하여 근력을 보조하는 기존의 착용형 보조 장치는 조인트에 가해지는 힘이 신체 부위로 전달되도록 하기 위해 조인트와 연결된 링크가 신체 부위에 고정되도록 해야 하고, 링크는 힘 전달을 위해 강성을 가져야 한다. 이에 따라, 기존의 착용형 보조 장치는 큰 힘을 보조할 수는 있으나, 착용이 번거롭고 강성을 갖는 링크로 인하여 착용감이 좋지 않으며 무겁기 때문에 착용자의 움직임을 방해할 수 있다.
반면, 본 실시 예에 따른 근력 보조 장치는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 착용자의 신체 부위에 고정되는 별도의 구성 없이 착용부만으로 이루어지므로, 원하는 부위에 착용이 용이하고, 가볍기 때문에 착용 후 움직임에 방해되지 않는다. 또한, 착용부는 강성을 갖지 않으므로 착용감이 좋다.
이후부터는 근력 보조 장치의 각 구성에 대하여 설명할 것이다.
도 4는 제1 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 각 구성을 도시한 블럭도이고, 도 5는 제어부의 구성을 도시한 블럭도이며, 도 6은 제2 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 각 구성을 도시한 블럭도이고, 도 7은 제3 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 각 구성을 도시한 블럭도이다. 이때, 도 4, 도 6 및 도 7에 도시한 구성 중 동일한 구성에 대해서는 같은 도면부호를 부가할 것이다.
우선, 도 4를 참조하여 제1 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 구성에 대하여 설명하도록 한다.
도 4를 참조하면, 제1 실시 예에 따른 근력 보조 장치(100)는 조작부(150), 근육 상태 검출부(160), 제어부(170), 조임부(140) 및 전원부(180)를 포함할 수 있다.
조작부(150)는 착용자로부터 명령을 입력받는 동시에 조작 상태 또는 장치의 동작 상태를 착용자가 확인할 수 있도록 표시하기 위한 구성으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 디스플레이(151)와 복수 개의 입력수단(153)을 포함할 수 있다.
본 실시 예에서 디스플레이(151)는 착용자에 의해 입력 수단이 조작되는 상태 또는 근력 보조 장치(100)의 동작 상태를 표시하기 위한 구성으로, 예를 들어, LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light Emitting Diodes), PDP(Plasma Display Panel), 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 실시 예에 따른 디스플레이(151)는 착용자로부터 명령을 입력받을 수 있는 터치 스크린 형태로 구현될 수도 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
입력수단(153)은 착용자로부터 명령을 입력받기 위한 수단으로, 버튼 등과 같은 형태로 마련될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 3에서는 세 개의 입력수단(153)이 마련된 것으로 도시하고 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 마련될 수 있는 입력수단(153)의 개수가 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
세 개의 입력수단(153)은 각각 전원 온/오프 버튼(153A), 고정 버튼(153B) 및 모드 선택 버튼(153C)일 수 있다. 여기에서, 전원 온/오프 버튼(153A)은 근력 보조 장치(100)로 전원을 인가하거나 또는 차단하기 위한 입력수단이고, 고정 버튼(153B)은 착용자의 신체 부위에 착용된 근력 보조 장치(100)의 착용부(120)를 조여서 근력 보조 장치(100)를 해당 부위에 고정시키기 위한 입력수단이다.
또한, 모드 선택 버튼(153C)은 근력 보조 장치(100)의 동작 모드를 선택하기 위한 입력수단이다. 이때, 근력 보조 장치(100)의 동작 모드는 크게 정지 모드, 위치 제어 모드 및 토크 제어 모드를 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
이중, 정지 모드는 어떠한 상태에서도 근력 보조 장치(100)의 조임부(140)가 구동하지 않도록 제어하는 모드를 의미한다. 예를 들어, 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육이 수축하더라도 착용부(120)가 초기 상태를 유지하고 그 이상으로 해당 부위를 조이지 않도록 하는 것이다. 이때, 착용부(120)의 초기 상태는 착용자의 신체 부위에 착용한 근력 보조 장치(100)가 해당 부위에 고정된 시점에서의 조임 상태인 것으로 이해될 수 있다.
따라서, 이와 같은 정지 모드로 선택된 경우에는 착용자가 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육에 힘을 가하여 근육이 수축해도 착용부(120)는 초기의 조임 정도를 유지하고 그 이상 조여지지 않는다.
또한, 위치 제어 모드는 근력 보조 장치(100)의 조임부(140)의 위치가 초기 위치를 유지하도록 제어하는 모드를 의미한다. 이와 같은 위치 제어 모드로 동작하기 위해서는 도 7에 도시한 바와 같이, 조임부(140)의 위치를 검출하기 위한 위치 검출부(700)가 마련될 수 있다.
구체적으로, 조임부(140)의 현재 위치를 검출하고, 검출된 현재 위치와 초기 위치의 차이 값을 연산한 후, 연산된 차이 값을 보상하도록 즉, 조임부(140)의 위치가 초기 위치로 되돌아가도록 조임부(140)를 제어하는 것이다. 이때, 조임부(140)의 초기 위치는 착용자의 신체 부위에 착용한 근력 보조 장치(100)가 해당 부위에 고정된 시점에 검출된 위치인 것으로 이해될 수 있다.
또한, 토크 제어 모드는 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위에 근육 수축이 발생하는지를 판단하고, 근육 수축이 발생하면 착용부(120)가 해당 부위 근육을 조이도록 조임부(140)의 출력 토크를 제어하는 모드를 의미한다. 토크 제어 모드로 동작하기 위해서는 도 4에 도시한 바와 같이, 근육 수축이 발생하는지를 판단하기 위해 근육 활성상태를 검출하는 근육 상태 검출부(160)가 마련될 수 있다.
본 실시 예에서 근육 상태 검출부(160)로는 근전위 센서, 힘 센서(Force sensor), 토크 측정 수단 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
근전위 센서는 사람의 팔이나 다리 등의 신체 부위에 부착하고 근육의 수축 정도에 따라 다르게 발생하는 근전도 신호(electromyographic signal)를 검출하여 근육의 활성상태를 측정하는 센서이다. 여기에서, 근전도 신호란 신체의 움직임에 따라 근육 표면으로부터 근섬유를 따라 일어나는 전기적 신호로서, 뇌전도(Electroencephalogram, EEG)나 안전도(Electro-oculogram, EOG) 등과 같은 다른 생체 신호들보다 상대적으로 검출이 용이하여 HCI(Human-Computer Interface) 기술에 널리 이용되고 있다.
이러한 근전위 센서는 도 1에 도시한 바와 같이 착용부(120)의 안쪽 면 즉, 착용자의 신체와 닿는 면에 마련될 수 있으며, 마련되는 개수는 특별히 제한되지 않는다.
이와 같이 착용부(120)의 안쪽 면에 마련된 근전위 센서를 통해 근력 보조 장치(100)가 위치한 부분의 근육 활성상태를 검출할 수 있다. 예를 들어, 착용자가 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육에 힘을 가했을 때의 근육 활성상태를 검출할 수 있다. 이때 검출된 근육 활성상태를 현재의 근육 활성상태라 하자.
상술한 바와 같이 검출된 현재의 근육 활성상태는 후술될 제어부(170)로 제공되며, 제어부(170)에서는 근전위 센서로부터 제공받은 현재의 근육 활성상태와 초기의 근육 활성상태의 차이 값을 연산하고, 연산된 차이 값에 비례하는 토크를 출력하도록 하는 구동 신호를 조임부(140)로 제공할 수 있다. 여기에서, '초기의 근육 활성상태'란 근력 보조 장치(100)가 착용자의 신체 부위에 착용된 후 고정된 시점에 검출된 근육 활성상태 즉, 착용자가 해당 부위 근육에 힘을 주지 않았을 때 검출된 근육 활성상태인 것으로 이해될 수 있다.
힘 센서(Force sensor)는 착용자가 힘을 가한 근육의 근섬유가 팽창한 상태 즉, 근육 활성상태를 검출하기 위한 구성으로, 이 역시 착용부(120)의 안쪽 면에 마련될 수 있으며, 마련되는 개수는 특별히 제한되지 않는다.
이와 같이 착용부(120)의 안쪽 면에 마련된 힘 센서를 통해 근력 보조 장치(100)가 위치한 부분의 근육 활성상태를 검출할 수 있다. 예를 들어, 착용자가 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위 근육에 힘을 가하면 힘이 가해진 근육의 부피는 증가하게 되고, 부피가 증가한 근육으로 인해 힘 센서에 압력이 가해질 수 있다. 힘 센서는 이와 같이 가해지는 압력을 전기적 신호로 변환하여 제어부(170)로 출력하게 된다. 이때, 힘 센서로부터 제어부(170)로 출력되는 전기적 신호는 현재의 근육 활성상태를 나타내는 신호일 수 있다. 이와 같이 현재의 근육 활성상태를 나타내는 전기적 신호를 제1 전기적 신호라 하자.
제어부(170)는 힘 센서로부터 제공받은 제1 전기적 신호와 초기의 근육 활성상태를 나타내는 제2 전기적 신호의 차이 값을 연산하고, 연산된 차이 값에 비례하는 힘을 출력하도록 하는 구동 신호를 조임부(140)로 제공할 수 있다. 여기에서, '초기의 근육 활성상태'란 근력 보조 장치(100)가 착용자의 신체 부위에 착용된 후 고정된 시점 검출된 근육 활성상태 즉, 착용자가 해당 부위 근육에 힘을 가하지 않았을 때 검출된 근육 활성상태인 것으로 이해될 수 있다.
토크 측정 수단은 조임부(140)로 모터가 사용되는 경우, 모터의 출력 토크를 측정하기 위한 구성이다. 즉, 조임부(140)의 출력 토크 변화를 측정하여 근육 활성상태를 검출하는 것이다.
예를 들어, 착용자가 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위 근육에 힘을 가하면 힘이 가해진 근육의 부피는 증가하게 되고, 근육의 부피가 증가하게 되면 해당 근육을 조이고 있는 착용부(120)에 가해지는 압력이 증가함에 따라, 착용부(120)를 당기고 있는 조임부(140)에 가해지는 외력이 증가하게 된다. 이때, 조임부(140)에 가해지는 외력의 증가에 따라 조임부(140)로부터 출력되는 토크가 변화하게 되고, 이와 같이 변하는 출력 토크를 토크 측정 수단을 이용하여 측정함으로써 근육 활성 상태를 검출할 수 있다.
토크 측정 수단은 측정된 출력 토크를 제어부(170)로 제공할 수 있다. 이때, 토크 측정 수단으로부터 제어부(170)로 출력되는 출력 토크는 현재의 근육 활성상태를 나타내는 신호일 수 있다. 이와 같이 현재의 근육 활성상태를 나타내는 출력 토크를 제1 출력 토크라 하자.
제어부(170)는 토크 측정 수단으로부터 제공받은 제1 출력 토크와 초기의 근육 활성상태를 나타내는 제2 출력 토크의 차이 값을 연산하고, 연산된 차이 값에 비례하는 토크를 출력하도록 하는 구동 신호를 조임부(140)로 제공할 수 있다. 여기에서, '초기의 근육 활성상태'란 근력 보조 장치(100)가 착용자의 신체 부위에 착용되어 고정된 시점에 검출된 근육 활성상태 즉, 착용자가 해당 부위 근육에 힘을 가하지 않았을 때 검출된 근육 활성상태인 것으로 이해될 수 있다.
조임부(140)는 착용부(120)를 일방향 또는 양방향으로 당겨 착용부(120)가 위치한 부위의 근육을 조일 수 있도록 하는 구성이다. 본 실시 예에서 조임부(140)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 몸체부(110)의 타측에 마련되어 착용부(120) 타단을 몸체부(110)와 연결시키는 동시에 착용부(120) 타단을 몸체부(110) 쪽으로 당겨지도록 할 수 있다.
본 실시 예에서 조임부(140)로는 모터가 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시 예에서 조임부(140)는 모터를 감싸도록 마련된 원통(미도시)을 더 포함할 수 있으며, 이에 따라, 모터의 회전에 의해 원통 외벽에 착용부(120) 타단부터 감기게 되어 착용부(120)가 몸체부(110) 방향으로 당겨짐에 따라 결과적으로 착용부(120)가 위치한 부위의 근육을 조일 수 있다.
전원부(180)는 근력 보조 장치(100)에 전원을 인가하기 위한 구성으로, 본 실시 예에서는 전원부(180)로 배터리(battery)가 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시 예에 따른 근력 보조 장치(100)는 기존의 착용형 근력 보조 장치와는 달리 큰 힘을 보조하지 않으므로, 작은 용량의 전원부(180)가 사용되어 가볍고 또한, 큰 힘을 보조하는 것이 아니기 때문에 전원 사용량이 많지 않으므로 결과적으로 전원부(180)의 사용 시간이 증가할 수 있다.
제어부(170)는 근력 보조 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
구체적으로, 도 5에 도시한 바와 같이 제어부(170)는 모션 제어부(171), 모터 제어부(173) 및 전원 제어부(175)를 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
모션 제어부(171)는 착용자로부터 입력되는 명령 또는 근육 상태 검출부(160)를 통해 검출된 근육 활성상태에 따라 대응되는 힘을 출력하도록 조임부(140)를 구동시키기 위한 제어 신호를 생성하는 구성이다. 모션 제어부(171)를 통해 생성된 제어 신호는 모터 제어부(173)로 제공될 수 있다.
모터 제어부(173)는 모션 제어부(171)로부터 제공받은 제어 신호에 따라 실질적으로 모터 구동을 제어하는 구성으로, 구체적으로 모션 제어부(171)로부터 제공받은 제어 신호를 모터 구동을 위한 구동 신호 즉, 전기적 신호로 변환한 후, 변환된 전기적 신호를 모터로 인가함으로써 모터 구동을 제어할 수 있다.
전원 제어부(175)는 상술한 전원부(180)로부터 각 구성 즉, 조작부(150), 근육 상태 검출부(160), 제어부(170) 및 조임부(140)로 전원을 인가하고 또한, 외부 전원으로부터 전원부(180)로 전원을 충전하기 위한 구성이다. 이때, 전원부(180)로부터 각 구성으로 전원을 인가하고, 외부 전원으로부터 전원을 충전하는 것은 이미 널리 알려진 주지 관용 기술에 해당하므로, 여기에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 6은 제2 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 구성을 도시한 블럭도이다. 본 실시 예는 상술한 제1 실시 예에 따른 근력 보조 장치에 착용자가 이동중인지를 검출하기 위한 구성을 더 포함한 것으로 제1 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 구성과 동일한 구성에 대한 설명은 여기에서는 생략한다.
도 6을 참조하면 제2 실시 예에 따른 근력 보조 장치(100)는 제1 실시 예에 따른 근력 보조 장치와 비교하여 착용자가 이동중인지를 검출하기 위한 동작 감지부(600)를 더 포함할 수 있다.
본 실시 예에서 동작 감지부(600)로는 모션 센서가 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에서, 모션 센서는 가속도 센서, 자이로 센서, 지자기 센서 등을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 제2 실시 예에 따른 근력 보조 장치(100)는 착용자의 근육 상태가 변화되었음이 검출되었더라도 동작 감지부(600)에 의해 착용자가 이동중인 것이 감지되면 조임부(140)가 구동하지 않도록 제어한다.
이는, 착용자가 이동하는 도중 착용부(120)가 착용자의 근육을 조여 착용자의 이동을 방해하는 문제가 발생하지않도록 하기 위함이다.
일반적으로, 근육은 힘이 가해지면 수축하게 되는데, 근육의 수축은 근섬유 안에 있는 필라멘트의 움직임으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 도 8에 도시한 바와 같이, 근육의 수축은 근섬유를 이루는 미오신(myosin) 단백질의 결합체인 굵은 필라멘트와 액틴(actin) 단백질로 구성된 가는 필라멘트 간 교차결합으로 이루어질 수 있다. 이때, 미오신이나 액틴 필라멘트 자체가 수축하는 것이 아니라 액틴 필라멘트와 미오신 분자들간 미끄러짐에 의해 활주가 일어나면서 근육 수축이 이루어지는 것이다.
즉, 도 8을 참조하여 설명하면 미오신은 변화가 없고 액틴이 이동함으로써 근육이 수축될 수 있다. 이때, 미오신의 길이와 동일한 A-band는 일정하고, I-band는 수축과 이완 시 변동한다. 또한, A-band 내에 있는 H-zone의 길이도 수축과 이완 시 변동한다. 이와 같이 근육 수축으로 인한 근육 길이의 변화는 두 개의 필라멘트 즉, 미오신과 액틴이 서로 부딪히지 않고 서로의 사이를 미끄러져 이동함으로써 이루어질 수 있다.
여기에서, A-band는 미오신 필라멘트와 액틴 필라멘트가 겹쳐 있는 부분을 의미하고, I-band는 액틴 필라멘트만 존재하는 부분을 의미하며, H-zone은 A-band의 중앙에 미오신만 존재하는 부분을 의미할 수 있다.
한편, 근육 수축 상태를 지속적으로 유지하게 되면 근육이 점차 피로해지면서 근섬유의 수축 능력이 감소하게 되는 사실이 널리 알려져 있다. 이와 같이 근섬유의 수축 능력이 감소하게 되면 근육 수축 상태를 유지하기가 어려워진다.
이에 따라, 본 실시 예에 따른 근력 보조 장치(100)는 근육이 수축된 상태를 지속적으로 유지하기 위해 근육을 조여 액틴 필라멘트와 미오신이 이동하는 것을 억제하는 것이다. 즉, 근육이 수축된 상태에서 착용부(120)를 이용하여 수축된 근육을 조임으로써, 액틴 필라멘트와 미오신이 움직이는 것을 억제하여 착용자가 힘을 덜 들이면서도 근육이 수축된 상태를 유지할 수 있도록 하는 것이다.
이로 인해 수축된 근육의 근피로도가 감소함에 따라 근지구력이 증가하여 착용자는 한 자세로 오랫동안 버틸 수 있게 되고, 또한, 근육 수축 시 수축된 근육을 조임으로써, 근육이 손상될 수 있는 가능성을 예방할 수 있고, 조이는 부위에 고정점(fixed point)이 하나 더 생기는 효과가 발생하므로 근육 활성도를 감소시킬 수 있는 것이다.
한편, 보행중인 착용자의 하지 근육은 수축과 이완을 반복할 수 있다. 그러나, 본 실시 예에서 착용부(120)를 사용하여 근육을 조이는 것은 상술한 바와 같이, 근육이 수축된 상태를 유지하는 힘을 보조하기 위해 미오신과 액틴 필라멘트가 움직이는 것을 억제하기 위함이다.
즉, 본 실시 예에 따른 근력 보조 장치(100)는 근육이 수축된 상태를 지속적으로 유지해야하는 경우 더욱 효율적으로 근력을 보조할 수 있으며, 근육이 수축과 이완을 반복하게 되는 이동중인 경우에 적용하게 되면 이완해야할 때에도 근육을 조여 액틴 필라멘트와 미오신의 움직임을 억제하게 되므로 보행에 방해가 될 수도 있다.
따라서, 본 실시 예에 따른 근력 보조 장치(100)는 착용자가 근육에 힘을 주되 움직이지는 않는 자세 즉, 한 자세로 힘을 주어 버티는 자세(예를 들어, 다리를 구부리고 버티고 있는 자세)를 취해야 할 때 더욱 효과적으로 보조할 수 있다.
이를 위해 본 실시 예에서는 동작 감지부(600)를 사용하여 착용자의 움직임 속도를 측정하고, 측정된 움직임 속도를 제어부(170)로 제공할 수 있다. 제어부(170)는 동작 감지부(600)로부터 제공받은 착용자의 움직임 속도와 기설정된 임계값을 비교하고, 측정된 착용자의 움직임 속도가 기설정된 임계값 이상이면 제어부(170)는 착용자가 이동중인 것으로 판단하고 조임부(140)가 구동하지 않도록 제어할 수 있다.
한편, 제어부(170)는 측정된 착용자의 움직임 속도가 기설정된 임계값 미만이면 착용자가 이동중이 아닌 것으로 판단하고, 착용자에 의해 선택된 모드에 따라 조임부(140)를 제어할 수 있다.
이때, 착용자에 의해 선택된 모드는 전술한 바와 같이 정지 모드, 위치 제어 모드 및 토크 제어 모드 등을 포함할 수 있으며, 정지 모드일 때에는 근육 수축이 발생해도 조임부(140)가 구동하지 않도록 제어하고, 위치 제어 모드 및 토크 제어 모드일 때에는 근육 활성상태를 검출하고, 검출된 근육 활성상태에 따라 대응되는 힘을 출력하도록 조임부(140)를 제어할 수 있다.
다시 말해서 제2 실시 예에 따른 근력 보조 장치(100)는 착용자가 이동중인지를 판단하고, 착용자가 이동중인 경우에는 착용자의 근육을 조이지 않도록 제어하고, 착용자가 이동중이 아닌 경우에는 착용자의 근육을 조이지 않도록 제어하거나 또는, 검출된 착용자의 근육 활성상태에 따라 대응되는 조임력으로 착용자의 근육을 조이도록 제어할 수 있다.
도 7은 제3 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 구성을 도시한 블럭도이다. 본 실시 예는 상술한 제1 실시 예에 따른 근력 보조 장치와 달리 착용자의 근육 상태 변화를 검출하기 위해 별도의 근육 상태 검출부를 구비하지 않는 실시 예로 상술한 제1 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 구성과 동일한 구성에 대한 설명은 여기에서는 생략한다.
도 7을 참조하면 제3 실시 예에 따른 근력 보조 장치(100)는 제1 실시 예에 따른 근력 보조 장치와 비교하여 착용자의 근육 상태 변화를 검출하는 근육 상태 검출부(160)를 포함하지 않고, 조임부(140)의 위치 정보를 검출하기 위해 조임부(140)에 마련된 위치 검출부(700)를 포함할 수 있다. 즉, 본 실시 예에서는 조임부(140)의 위치 변화를 이용하여 착용부(120)가 위치한 부위에 근육 수축이 발생되었는지를 판단하게 된다.
본 실시 예에서 위치 검출부(700)로는 엔코더(encoder) 또는 포텐쇼미터(potentiometer) 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로 예를 들어 설명하면, 착용부(120)가 일정한 조임력으로 착용자의 신체 부위에 고정되어 있는 경우, 해당 부위 근육에 힘이 가해지면 근육의 부피가 증가하게 되고 이에 따라, 일정한 조임력으로 근육을 조이고 있는 착용부(120)에 가해지는 압력이 증가하게 된다. 그러면 착용부(120)를 당기고 있는 조임부(140)에 가해지는 외력이 증가하게 되고 그에 따라 조임부(140)의 위치가 변하게 된다.
이와 같이 변하는 위치 정보를 위치 검출부(700)가 검출하여 제어부(170)로 제공한다. 이때, 제어부(170)로 제공되는 조임부(140)의 위치 정보는 현재 위치로 이해될 수 있다. 위치 검출부(700)로부터 조임부(140)의 현재 위치를 제공받은 제어부(170)는 조임부(140)의 초기 위치와 현재 위치와의 차이를 연산하고, 연산된 차이를 보상하여 조임부(140)가 초기 위치로 돌아가도록 제어한다.
여기에서, 조임부(140)의 초기 위치란 근력 보조 장치(100)가 착용자의 신체 부위에 착용된 후, 일정 정도의 조임력으로 고정되었을 때의 시점의 위치로 이해될 수 있다.
이와 같이, 조임부(140)의 위치가 항상 초기 위치를 유지하도록 제어하면 근육 수축이 발생하더라도 착용부(120) 형태가 유지되어 해당 부위를 조여주는 효과가 있다.
한편, 도 5에서는 조임부(140)의 위치 정보를 검출하기 위한 위치 검출부(700)만을 포함하는 것으로 도시하고 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며 근육 활성상태를 검출하기 위한 근육 상태 검출부(160) 및 착용자의 동작 감지를 위한 동작 감지부(600)를 더 포함하는 것 역시 가능하다.
이상, 다양한 실시 예에 따른 근력 보조 장치(100)의 구성에 대하여 설명하였다. 이후부터는 다양한 실시 예에 따른 근력 보조 장치(100)의 제어 방법에 대하여 설명한다.
도 9는 제1 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 제어 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 제1 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 제어 방법은 다음과 같다.
우선, 착용자에 의해 선택된 모드가 무엇인지를 판단한다(S910).
여기에서, '모드'란 근력 보조 장치(100)의 동작 모드를 의미하는 것으로, 크게 정지 모드, 위치 제어 모드 및 토크 제어 모드를 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
정지 모드는 근력 보조 장치(100)의 조임부(140)가 구동하지 않도록 제어하는 모드를 의미하고, 위치 제어 모드는 근력 보조 장치(100)의 조임부(140)의 위치가 초기 위치를 유지하도록 제어하는 모드를 의미하며, 토크 제어 모드는 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육 활성상태에 따라 대응되는 토크를 출력하도록 조임부(140)의 출력 토크를 제어하는 모드를 의미한다.
한편, 도 9에 도시하지는 않았으나, 단계 S910을 수행하기 전 착용자의 조작에 의해 착용자의 신체 부위에 착용된 근력 보조 장치(100)를 해당 부위에 고정시키고, 동작 모드가 선택되는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어 설명하면, 착용자는 근력 보조 장치(100)를 원하는 신체 부위 예로써, 근력 보조가 필요한 신체 부위에 착용한 후, 조작부(150)의 전원 온/오프 버튼(153A)을 이용하여 근력 보조 장치(100)에 전원을 인가한 후, 고정 버튼(153B)을 이용하여 조임부(140)를 구동시켜 착용부(120)가 해당 부위를 조이도록 하여 근력 보조 장치(100)를 착용된 부위에 고정시킬 수 있다. 이와 같이 고정시킨 후 조임부(140)는 정지된 상태일 수 있다. 이후, 착용자는 모드 선택 버튼(153C)을 이용하여 원하는 근력 보조 방식을 설정할 수 있다.
다음 판단 결과, 착용자에 의해 선택된 모드가 '정지 모드'에 해당하면 조임부 구동을 정지시킨 상태를 유지한다(S920). 이는 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육에 어떠한 변화가 발생해도 즉, 근육 수축이 발생해도 착용부(120)가 초기 상태를 유지하고 그 이상으로 해당 부위를 조이지 않도록 하는 것이다. 이때, 착용부(120)의 초기 상태는 전술한 바와 같이 착용자의 신체 부위에 착용된 근력 보조 장치(100)가 해당 부위에 일정 조임력으로 고정되었을 때의 조임 상태인 것으로 이해될 수 있다.
한편, 판단 결과, 착용자의 의해 선택된 모드가 '토크 제어 모드'에 해당하면 도 9에 도시한 바와 같이, 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육 상태 변화 예를 들어, 근육 활성상태를 검출하고(S930), 검출된 근육 활성상태에 따라 대응되는 토크를 출력하도록 조임부(140)를 구동시킨다(S940). 즉, 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육 활성상태에 따라 착용부(120)가 해당 부위 근육을 조여 가압하도록 조임부(140)의 출력 토크를 제어하는 것이다.
여기에서, 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육 활성상태를 검출하는 단계(S930)는 다음과 같은 여러 가지 방법을 통해 수행될 수 있다.
첫 번째 방법으로는 착용부(120) 안쪽 면에 근전위 센서를 마련하여 해당 부위 근육으로부터 발생되는 근전도 신호를 측정하는 방법이다. 근전위 센서는 사람의 팔이나 다리 등의 신체 부위에 부착하고 근육의 수축 정도에 따라 다르게 발생하는 근전도 신호를 검출하여 근육의 활성상태를 측정하는 센서이다. 여기에서, 근전도 신호란 신체의 움직임에 따라 근육 표면으로부터 근섬유를 따라 일어나는 전기적 신호이다. 즉, 근전위 센서를 이용함으로써 해당 부위에 근육 수축이 발생되는 것을 검출할 수 있다.
두 번째 방법으로는 착용부(120) 안쪽 면에 마련된 힘 센서를 이용하여 검출하는 방법이다. 즉, 착용자의 움직임에 의해 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육 부피가 증가하게 되면, 부피가 증가한 근육은 착용부(120)로 압력을 가하게 되고 이에 따라, 힘 센서에 압력이 가해지게 된다. 힘 센서는 이와 같이 가해지는 압력을 전기적 신호로 변환하여 제어부(170)로 출력하게 된다. 즉, 힘 센서를 이용함으로써 해당 부위에 근육 수축이 발생하여 근육의 부피가 증가된 것을 검출할 수 있다.
세 번째 방법으로는 토크 측정 수단을 이용하여 조임부(140)로부터 출력되는 토크 변화를 측정하는 방법이다. 즉, 조임부(140)의 출력 토크 변화를 측정하여 근육 활성상태를 검출하는 것이다. 예를 들어, 착용자의 움직임에 의해 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육 부피가 증가하게 되면 해당 근육을 조이고 있는 착용부(120)에 가해지는 압력이 증가하게 되고, 이에 따라 착용부(120)를 당기고 있는 조임부(140)에 가해지는 외력이 증가하게 된다. 이때, 조임부(140)에 가해지는 외력의 증가에 따라 조임부(140)로부터 출력되는 토크가 변화하게 되고, 이와 같이 변하는 출력 토크를 토크 측정 수단을 이용하여 측정함으로써 해당 부위에 근육 수축이 발생되는 것을 검출할 수 있다.
또한, 검출된 근육 활성상태에 따라 대응되는 토크를 출력하도록 조임부(140)를 구동시키는 단계(S940)는 상술한 근육 활성상태 검출 방법 각각에 대응되는 방법으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 상술한 근전위 센서를 이용하여 근전도 신호를 검출하는 경우, 근전위 센서는 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근전도 신호를 검출하고, 검출된 근전도 신호를 제어부(170)로 제공할 수 있다.
제어부(170)에서는 근전위 센서로부터 제공받은 근전도 신호와 초기의 근전도 신호의 차이 값을 연산하고, 연산된 차이 값에 비례하는 토크를 출력하도록 하는 구동 신호를 조임부(140)로 제공할 수 있다. 여기에서, '초기의 근전도 신호'란 근력 보조 장치(100)가 착용자의 신체 부위에 고정된 시점에 검출된 근전도 신호 즉, 착용자가 근육에 힘을 가하기 전에 검출된 근전도 신호인 것으로 이해될 수 있다.
또한, 상술한 힘 센서를 이용하여 근육 상태 변화를 검출하는 경우, 힘 센서는 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육 팽창으로 인하여 가해지는 힘 정보를 검출하고, 검출된 힘 정보를 제어부(170)로 제공할 수 있다.
제어부(170)에서는 힘 센서로부터 제공받은 힘 정보와 초기의 힘 정보의 차이 값을 연산하고, 연산된 차이 값에 비례하는 토크를 출력하도록 하는 구동 신호를 조임부(140)로 제공할 수 있다. 여기에서, '초기의 힘 정보'란 근력 보조 장치(100)가 착용자의 신체 부위에 고정된 시점에 검출된 힘 정보 즉, 착용자가 근육에 힘을 가하기 전에 힘 센서에 가해지는 힘에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 상술한 토크 측정 수단을 이용하여 근육 상태 변화를 검출하는 경우, 토크 측정 수단은 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육 부피 증가에 따라 조임부(140)에 가해지는 외력에 의해 변하는 조임부(140)의 출력 토크를 측정하고, 측정된 출력 토크를 제어부(170)로 제공할 수 있다.
제어부(170)에서는 토크 측정 수단으로부터 제공받은 출력 토크와 초기의 출력 토크의 차이 값을 연산하고, 연산된 차이 값에에 비례하는 토크를 출력하도록 하는 구동 신호를 조임부(140)로 제공할 수 있다. 여기에서, '초기의 출력 토크'란 근력 보조 장치(100)가 착용자의 신체 부위에 고정된 시점에 측정된 출력 토크 즉, 착용자가 근육에 힘을 가하기 전에 검출된 조임부(140)의 출력 토크인 것으로 이해될 수 있다.
한편, 판단 결과, 착용자의 의해 선택된 모드가 '위치 제어 모드'에 해당하면 도 9에 도시한 바와 같이, 조임부(140)의 현재 위치를 검출하고(S950), 검출된 현재 위치와 초기 위치의 차이 값을 연산한 다음(S960), 연산된 차이 값을 보상하는 토크를 출력하도록 조임부(140)를 구동시킨다(S970). 즉, 조임부(140)의 위치가 초기 위치로 되돌아가도록 조임부(140)를 제어하는 것이다. 이때, 조임부(140)의 초기 위치는 착용자의 신체 부위에 착용한 근력 보조 장치(100)가 해당 부위에 고정된 시점에 위치 검출부(700)를 이용하여 검출된 조임부(140)의 위치인 것으로 이해될 수 있다.
여기에서, 조임부(140)의 현재 위치를 검출하는 단계(S950)는 조임부(140)에 마련된 위치 검출부(700)를 이용하여 수행될 수 있다. 이때, 위치 검출부(700)로는 엔코더(encoder) 및 포텐쇼미터(potentiometer) 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
도 10은 제2 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 제어 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다. 본 실시 예에서는 상술한 제1 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 제어 방법에 착용자가 이동중인지를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 실시 예에서는 상술한 제1 실시 예에 따른 방법과 대응되는 단계에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 10을 참조하면, 제2 실시 예에 따른 근력 보조 장치의 제어 방법은 다음과 같다.
우선, 착용자가 이동중인지를 판단한다(S1010). 여기에서, '이동중'인 것은 예를 들어 보행중인 것으로 이해될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시 예에서, 착용자가 이동중인지를 판단하는 단계(S1010)는 도 6에 도시한 동작 감지부(600)를 이용하여 수행될 수 있다. 이때, 동작 감지부(600)로는 모션 센서가 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에서, 모션 센서는 가속도 센서, 자이로 센서, 지자기 센서 등을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 제2 실시 예에서는 동작 감지부(600)를 이용하여 착용자가 이동중인 것으로 판단되면, 착용자의 근육 상태가 변화되었음이 검출되었더라도 조임부(140)가 구동하지 않도록 제어하는 것이다. 이는, 착용자가 이동하는 도중 착용부(120)가 착용자의 근육을 조여 착용자의 이동을 방해하는 문제가 발생하지않도록 하기 위함이다. 이에 대해서는 이미 위에서 상세히 설명하였으므로, 여기에서는 생략한다.
판단 결과, 착용자가 이동중인 것으로 판단되면 조임부(140)의 구동을 정지시키고(S1020), 착용자가 이동중이 아닌 것으로 판단되면 착용자에 의해 선택된 모드가 무엇인지를 판단한다(S1030).
판단 결과, 착용자에 의해 선택된 모드가 '정지 모드'에 해당하면 조임부 구동을 정지시킨 상태를 유지한다(S1020). 즉, 착용자가 이동중이 아닌 상태에서 착용자의 근육 상태가 변화하더라도 착용부(120)를 더 이상 조이지 않도록 하는 것이다.
또한, 판단 결과, 착용자에 의해 선택된 모드가 '토크 제어 모드'에 해당하면 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육 활성상태를 검출하고(S1040), 검출된 근육 활성상태에 따라 대응되는 토크를 출력하도록 조임부(140)를 구동시킨다(S1050). 즉, 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육 수축 정도에 따라 착용부(120)가 대응되는 조임력으로 해당 부위 근육을 조이도록 조임부(140)의 출력 토크를 제어하는 것이다.
이때, 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육 활성상태를 검출하는 단계(S1040)는 다음과 같은 여러 가지 방법을 통해 수행될 수 있다.
첫 번째 방법은 착용부(120) 안쪽 면에 근전위 센서를 마련하여 근육으로부터 발생되는 근전도 신호를 측정하는 방법이고, 두 번째 방법은 착용부(120) 안쪽 면에 힘 센서를 마련하여 근육 부피 증가에 따라 가해지는 힘을 측정하는 방법이며, 세 번째 방법으로는 토크 측정 수단을 이용하여 조임부(140)로부터 출력되는 토크 변화를 측정하는 방법이다. 각 방법에 대해서는 이미 위에서 구체적으로 설명하였으므로, 여기에서는 생략한다.
또한, 검출된 근육 활성상태에 대응되는 토크를 출력하도록 조임부(140)를 구동시키는 단계(S1050)는 상술한 근육 활성상태 검출 방법 각각에 대응되는 방법으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 상술한 근전위 센서를 이용하여 근전도 신호를 측정하는 경우, 근전위 센서는 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근전도 신호를 측정하고, 측정된 근전도 신호를 제어부(170)로 제공하고, 제어부(170)에서는 근전위 센서로부터 제공받은 근전도 신호와 초기의 근전도 신호의 차이 값을 연산하고, 연산된 차이 값에에 비례하는 토크를 출력하도록 하는 구동 신호를 조임부(140)로 제공할 수 있다.
또한, 상술한 힘 센서를 이용하여 근육 부피 증가에 따라 가해지는 힘을 측정하는 경우, 힘 센서는 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육 팽창으로 인하여 가해지는 힘을 검출하고, 검출된 힘을 제어부(170)로 제공하고, 제어부(170)에서는 힘 센서로부터 제공받은 힘과 초기 힘의 차이 값을 연산하고, 연산된 차이 값에 비례하는 토크를 출력하도록 하는 구동 신호를 조임부(140)로 제공할 수 있다.
또한, 상술한 토크 측정 수단을 이용하여 근육 활성상태를 검출하는 경우, 토크 측정 수단은 근력 보조 장치(100)가 위치한 부위의 근육 부피 증가에 따라 착용부(120)에 가해지는 압력으로 인해 조임부(140) 외력이 가해짐에 따라 변하는 조임부(140)의 출력 토크를 측정하고, 측정된 출력 토크를 제어부(170)로 제공하고, 제어부(170)에서는 토크 측정 수단으로부터 제공받은 출력 토크와 초기 출력 토크의 차이 값을 연산하고, 연산된 차이 값에 비례하는 토크를 출력하도록 하는 제어 신호를 조임부(140)로 제공할 수 있다.
한편, 판단 결과, 착용자의 의해 선택된 모드가 '위치 제어 모드'에 해당하면 도 10에 도시한 바와 같이, 조임부(140)의 현재 위치를 검출하고(S1060), 검출된 현재 위치와 초기 위치의 차이 값을 연산한 다음(S1070), 연산된 차이 값을 보상하는 토크를 출력하도록 조임부(140)를 구동시킨다(S1080). 즉, 조임부(140)의 위치가 초기 위치로 되돌아가도록 조임부(140)를 제어하는 것이다.
이때, 조임부(140)의 현재 위치를 검출하는 단계(S950)는 조임부(140)에 마련된 위치 검출부(700)를 이용하여 수행될 수 있다. 이때, 위치 검출부(700)로는 엔코더(encoder) 및 포텐쇼미터(potentiometer) 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
이상으로 본 발명의 실시 예들을 설명하였다. 전술한 실시 예들에서 근력 보조 장치를 구성하는 일부 구성요소들은 일종의 '모듈(module)'로 구현될 수 있다. 여기에서, '모듈'은 소프트웨어 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)와 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, 모듈은 어떤 역할들을 수행할 수 있다. 그러나, 모듈은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. 모듈은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 실행시키도록 구성될 수도 있다.
일 예로서 모듈은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소들과 모듈들에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 모듈들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 모듈들로 더 분리될 수 있다. 게다가, 상기 구성요소들 및 모듈들은 디바이스 내에서 하나 또는 그 이상의 CPU를 실행할 수 있다.
본 발명의 일부 실시 예들은 전술한 실시 예의 적어도 하나의 처리 요소를 제어하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 코드/명령을 포함하는 매체 예를 들면, 컴퓨터 판독 가능한 매체를 통해 구현될 수도 있다. 상기 매체는 상기 컴퓨터 판독 가능한 코드의 저장 및/또는 전송을 가능하게 하는 매체/매체들에 대응할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 코드는, 매체에 기록될 수 있을 뿐 아니라, 인터넷을 통해 전송될 수도 있는데, 상기 매체는 예를 들어, ROM, RAM, CD-ROM, 마그네틱 테이프, 플로피 디스크, 광학 기록 매체, 인터넷을 통한 데이터 전송(data transmission)과 같은 반송파(carrier wave)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 매체는 비일시적인 컴퓨터로 판독 가능한 매체일 수도 있다. 상기 매체들은 분산 네트워크일 수도 있으므로, 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드는 분산 방식으로 저장 및 전송되고 실행될 수 있다. 또한, 더 나아가, 일 예로써, 처리 요소는 프로세서 또는 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있고, 상기 처리 요소는 하나의 디바이스 내에 분산 및/또는 포함될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 근력 보조 장치
110 : 몸체부
120 : 착용부
120A : 제1부분
120B : 제2부분
120C : 체결부재
130 : 고정부
140 : 조임부
150 : 조작부
151 : 디스플레이
153 : 입력수단
160 : 근육 상태 검출부
170 : 제어부
171 : 모션 제어부
173 : 모터 제어부
175 : 전원 제어부
180 : 전원부
600 : 동작 감지부
700 : 위치 검출부

Claims (24)

  1. 착용자의 신체 부위를 감싸는 착용부;
    상기 착용부를 일방향 또는 양방향으로 당기는 조임부; 및
    상기 착용부가 위치한 부위에 근육 수축이 발생하는 것으로 판단되면 상기 조임부를 구동시켜 상기 착용부가 위치한 부분을 조이는 제어부
    를 포함하는 근력 보조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 근육 수축을 검출하기 위한 근육 상태 검출부를 더 포함하는 근력 보조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 근육 상태 검출부를 이용하여 상기 착용부가 위치한 부위의 현재 근육 활성상태를 검출하고, 검출된 현재 근육 활성상태와 초기 근육 활성상태 차이를 연산하고, 연산된 차이에 비례하는 힘을 출력하도록 상기 조임부를 구동시키는 근력 보조 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 근육 상태 검출부는 근전위 센서, 힘 센서 및 토크 측정 수단 중 적어도 하나인 근력 보조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 착용자가 이동중인지를 검출하기 위한 동작 감지부를 더 포함하는 근력 보조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 동작 감지부를 이용하여 상기 착용자의 움직임 속도를 검출하고, 검출된 움직임 속도에 기초하여 상기 착용자가 이동중인지를 판단한 후, 상기 착용자가 이동중이면 상기 조임부를 정지시키고, 상기 착용자가 이동중이 아니면 상기 조임부를 구동시키는 근력 보조 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 동작 감지부는 지자기 센서, 자이로 센서 및 가속도 센서 중 적어도 하나인 근력 보조 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 조임부는 모터인 근력 보조 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 조임부의 위치 정보를 검출하기 위한 위치 검출부를 더 포함하는 근력 보조 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 위치 검출부를 이용하여 상기 조임부의 현재 위치를 검출하고, 검출된 현재 위치와 초기 위치의 차이를 연산하고, 연산된 차이를 보상하는 힘을 출력하도록 상기 조임부를 구동시키는 근력 보조 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 착용자로부터 명령을 입력받기 위한 복수의 입력수단이 마련된 조작부를 더 포함하는 근력 보조 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 조작부는 상기 근력 보조 장치의 동작 상태 및 상기 착용자의 입력수단 조작 상태를 표시하기 위한 디스플레이를 더 포함하는 근력 보조 장치.
  13. 상기 착용자의 신체 부위를 감싼 착용부가 위치한 부위에 근육 수축이 발생했는지를 판단하는 단계; 및
    근육 수축이 발생한 것으로 판단되면, 상기 착용부를 일방향 또는 양방향으로 당기는 조임부를 구동시켜 상기 착용부가 위치한 부위를 조이는 단계
    를 포함하는 근력 보조 장치의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 근육 수축이 발생했는지를 판단하는 단계 이전에,
    상기 착용자에 의해 설정된 모드 종류를 판단하는 단계
    를 더 포함하는 근력 보조 장치의 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 모드는 정지 모드, 토크 제어 모드 및 위치 제어 모드를 포함하는 근력 보조 장치의 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 착용자에 의해 설정된 모드 종류를 판단하는 단계 이후,
    판단 결과, 설정된 모드가 상기 정지 모드이면 상기 착용부가 위치한 부위에 근육 수축이 발생해도 상기 조임부 구동을 정지시킨 상태를 유지하는 근력 보조 장치의 제어 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 착용자에 의해 설정된 모드 종류를 판단하는 단계 이후,
    판단 결과, 설정된 모드가 상기 토크 제어 모드라면 상기 근육 수축이 발생했는지를 판단하는 단계는 상기 착용부가 위치한 부위의 근육 활성상태를 검출하여 수행되는 근력 보조 장치의 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 조임부를 구동시켜 상기 착용부가 위치한 부위를 조이는 단계는,
    상기 검출된 근육 활성상태와 초기의 근육 활성상태의 차이 값을 연산하는 단계; 및
    연산된 차이 값에 비례하는 힘을 출력하도록 상기 조임부를 구동시키는 단계
    를 포함하는 근력 보조 장치의 제어 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 근육 활성상태는 근전위 센서, 힘 센서 및 토크 측정 수단 중 적어도 하나를 이용하여 검출되는 근력 보조 장치의 제어 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 착용자에 의해 설정된 모드 종류를 판단하는 단계 이후,
    판단 결과, 설정된 모드가 상기 위치 제어 모드라면 상기 근육 수축이 발생했는지를 판단하는 단계는 상기 조임부의 위치 정보를 검출하여 수행되는 근력 보조 장치의 제어 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 조임부를 구동시켜 상기 착용부가 위치한 부위를 조이는 단계는,
    상기 검출된 조임부의 위치와 상기 조임부의 초기 위치의 차이 값을 연산하는 단계; 및
    연산된 차이 값을 보상하는 힘을 출력하도록 상기 조임부를 구동시키는 단계
    를 포함하는 근력 보조 장치의 제어 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 조임부의 위치는 엔코더 및 포텐쇼미터 중 적어도 하나를 이용하여 검출되는 근력 보조 장치의 제어 방법.
  23. 제13항에 있어서,
    상기 근육 수축이 발생했는지를 판단하는 단계 이전에,
    상기 착용자가 이동중인지를 판단하는 단계
    를 더 포함하는 근력 보조 장치의 제어 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 착용자가 이동중인지를 판단하는 단계 이후에,
    판단 결과, 상기 착용자가 이동중인 경우에는 상기 착용부가 위치한 부위에 근육 수축이 발생해도 상기 조임부 구동을 정지시키고, 상기 착용자가 이동중이 아닌 경우에는 상기 착용부가 위치한 부위에 근육 수축이 발생하면 상기 착용부가 해당 부위를 조이도록 상기 조임부를 구동시키는 근력 보조 장치의 제어 방법.
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